СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЖАРОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2003 года по МПК G21F1/04 

Описание патента на изобретение RU2202132C2

Изобретение относится к способам получения радиационно-защитных композиционных материалов, предназначенных для атомной и радиохимической промышленности, а также для обеспечения эффективной защиты от радиоактивных изотопов и радиационной безопасности обслуживаемого персонала и окружающей среды.

Наиболее широко в качестве радиационно-защитного конструкционного материала используется железо (металлические кожухи, экраны, заполнитель для тяжелых бетонов и т.д.) [1]. Использование его в качестве заполнителя для тяжелых бетонов включает в себя предварительное смешение сухих компонентов (портландцемента, железосодержащего заполнителя), затворение их водой.

Недостатками данного радиационно-защитного конструкционного материала являются:
а) низкие физико-механические и радиационно-защитные характеристики, вызванные расслоением материала;
б) максимальная температура эксплуатации - 650-750oС.

Так как большинство документов по данной тематике относится к категории "ДСП", то прототипа с наиболее близким количеством сходных признаков с заявляемым среди опубликованной литературы выявить не удалось. В связи с этим выбран способ, близкий по достигаемому результату, - способ получения жаростойких бетонов, предназначенных для обеспечения эффективной защиты от радиоактивных изотопов. Изделие получают по технологии бетонных изделий, заключающейся в предварительном смешении сухих компонентов - связующего (портландцемента, жидкого стекла и кремнефтористого натрия) и заполнителя (шамот, хромитовую и магнезитовую руды, серпентинит). В состав жаростойкого бетона, как правило, вводится тонкомолотая добавка из шамота, хромитовых или железных руд [2].

Недостатками данного радиационно-защитного композиционного материала являются:
а) невысокая прочность;
б) разрушение радиационно-защитного жаростойкого материала вследствие диализа воды, возникающего в процессе эксплуатации материала под воздействием γ-излучения;
в) высокая стоимость.

Изобретение направлено на повышение физико-механических свойств материала (плотность, прочность и т.д.) и радиационно-защитных характеристик композиционного материала, что позволяет эксплуатировать его в экстремальных условиях (температура эксплуатации свыше 1000oС и воздействие высоких энергий γ-излучения).

Это достигается тем, что в способе получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала используют смешение связующего и заполнителя - барийсодержащих соединений. В качестве связующего используют этилсиликат-40, а в виде заполнителя - сульфат бария, активированный гидроксидом железа с соотношением Ва/Fe=2,5-4,0, модифицированный гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 минут с последующей сушкой при Т= 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм, затем производят формование образцов при удельном давлении 450-500 кг/см2 и спекании при Т=1100-1150oС в течение 35-40 минут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
заполнитель - 90,0-95,0
связующее - этилсиликат-40 - 5,0-10,0
При этом модифицирование происходит в процессе получения гидролизованного этилсиликата-40, для чего смешивают этилсиликат-40 с дистиллированной водой при соотношении ЭТС-40/В=1 и с сульфатом бария, активированным гидроксидом железа с отношением твердой и жидкой фаз, равным двум, и добавляют 20%-ный раствор аммиака при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сульфат бария, активированный гидроксидом железа - 62,0-65,0
Смесь этилсиликата-40 и дистиллированной воды - 30,0-35,0
20%-ный раствор аммиака - 3,0-5,0.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала отличается наличием у него новых связующего - этилсиликата-40 (ЭТС-40) и заполнителя - сульфата бария, активированного гидроксидом железа с соотношением Ba/Fe= 2.5-4.0, модифицированного гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 минут с последующей сушкой при Т=550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм.

Таким образом, заявляемый радиационно-защитный жаростойкий композиционный материал соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области показало, что сочетание предложенных компонентов и параметров для получения жаростойкого радиационно-защитного композиционного материала, а именно: модифицирование сульфата бария, активированного гидроксидом железа с соотношением Ba/Fe=2,5-4,0, гидролизованным ЭТС-40 при 20-25oС в течение 15-30 минут с последующей сушкой при Т = 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм, а также получение гидролизованного этилсиликата-40 в присутствии сульфата бария, активированного гидроксидом железа при соотношениях ЭТС-40/В=1 и Т/Ж=2, с добавлением 20%-ого раствора аммиака, не обнаружено. Впервые была выявлена причинно-следственная связь влияния на процесс модифицирования различных технологических факторов: времени взаимодействия, концентрации и вида электролитов - Ре(ОН)3, вида и количества катализатора - раствора аммиака. Модифицирование поверхности сульфата бария, активированного гидроксидом железа (в соотношении Ba/Fe= 2,5-4,0), происходит в присутствии одновременно получаемого гидролизованного ЭТС-40. В результате поликонденсационных процессов, происходящих при дальнейшей термообработке через ОН-группы гидроксида железа и гидролизованного ЭТС-40, происходит образование пространственного металлоолигомера с повышенной молекулярной массой, используемого в качестве заполнителя для получения жаростойкого радиационно-защитного композиционного материала. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

В качестве связующего и модификатора использовали этилсиликат-40 (ТУ 6-02-641-76) с плотностью 1040-1070 кг/м3 (табл.1).

Количественное содержание компонентов предлагаемого радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала приведено в табл.2.

Пример 1. По известной методике [3] получали сульфат бария, активированный гидроксидом железа при соотношении ионов бария и железа, равном 4. Для этого в подогретый до 80oС раствор, содержащий 110 г ВаСl2•2Н2О в 500 мл дистиллированной воды, добавляли подогретый до 80oС раствор, содержащий 30,58 г FeСl3•6Н2О в 300 мл дистиллированной воды. Растворы тщательно перемешивали с помощью механической мешалки в течение 5 минут. Затем добавляли смесь: 50 мл Н2SO4 (плотностью, равной 1,84 г/см3) в 240 мл воды, предварительно нагретую до 80oС при постоянном перемешивании. При этом выпавший осадок сульфата бария адсорбировал хлорид железа. Эту операцию производили для активации сульфата бария. Далее при постоянном перемешивании добавляли 20%-ный раствор аммиака до полного осаждения гидроксида железа. Раствор отделяли от осадка путем фильтрования. Полученный осадок несколько раз промывали горячей дистиллированной водой до отрицательной реакции промывных вод на ионы SO42- и Сl-. Затем сушили при температуре 110oС и измельчали до полного прохождения через сито 0.180.

В процессе синтеза гидролизованного этилсиликата-40 происходит одновременная модификация им активированного сульфата бария. Для этого брали сульфат бария, активированный гидроксидом железа массой 100 г (для удобства расчета), и добавляли смесь, содержащую 25 мл этилсиликата-40 и 25 мл дистиллированной воды (ЭТС-40/В=1) при соотношении твердой и жидкой фаз, равном 2. Тщательно перемешивали и добавляли 20%-ный раствор аммиака в количестве 4 мас. % от массы смеси этилсиликата-40 с дистиллированной водой. Синтез проводили при постоянном перемешивании в течение 30 минут при температуре смеси 20oС. Выпавший осадок отделяли на центрифуге в течение 10 минут при скорости отжима - 4500 об/мин, высушивали при температуре 600oС и измельчали до следующего фракционного состава (табл.3), от которого зависит плотность упаковки частиц в материале [4].

Композиционный материал получали следующим образом. В полученный заполнитель (95 мас.%) добавляли 5 мас.% этилсиликата-40, тщательно перемешивали и производили формование при удельном давлении 500 кг/см2 с последующей термообработкой при Т=1100oС в течение 40 минут.

Полученная плотность упаковки заполнителя позволяет повысить физико-механические характеристики (прочность, максимальная температура эксплуатации) радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала (табл. 4).

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты при других соотношениях компонентов и параметров (табл.4 и 5).

Из табл. 4 и 5 видно, что предлагаемый способ получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала позволяет повысить плотность в 1,65-1,75 раза и прочность в 3,0-3,2 раза по сравнению с известным материалом (прототипом).

Одним из основных факторов, влияющих на радиационно-защитные свойства композиционного материала, является наличие в структуре материала атомов тяжелых элементов (Вa, Fe, Pb и др.). Поэтому ведущей характеристикой, от которой зависят радиационно-защитные свойства жаростойкого композиционного материала, является соотношение Ba/Fe, изменение которого позволяет их корректировать.

Из табл. 6 видно влияние соотношения Ba/Fe на изменение радиационно-защитных свойств материала. Наиболее высокий коэффициент линейного ослабления от радиоактивного излучения Cs-137 и Со-60 достигается при соотношении Ba/Fe= 4,0, причем видно, что прототип уступает в степени защиты от среднеактивных источников ионизирующего излучения в 1,1-1,2 раза при примерно одинаковой от высокоэнергетических. Данное соотношение обеспечивает возможность получения наиболее качественного радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала.

Измерение радиационно-защитных свойств материалов осуществлено гамма-спектральным методом на базе многоканального анализатора с программным обеспечением "Прогресс" в аккредитованной в Госстандарте РФ лаборатории радиационного контроля "Спектр" (аттестат аккредитации 41143-96). Оценка физико-механических характеристик проводилась в государственном научном центре по сертификации строительных материалов и конструкций, аккредитованном в Госстандарте РФ "БелГТАСМ-сертификация".

Источники информации
1. Егоров Ю.А., Машкович В.П., Панкратьев Ю.В., Цыпин С.Г. Радиационная безопасность и защита АЭС. - Вып.3. М.: Атомиздат, 1977. -232 с.

2. Бродер Д.Л., Зайцев Л.Н., Комочков М.М., Сычев Б.С., Мальков В.В. Бетон в защите ядерных установок. Изд.2. М.: Атомиздат, 1973. 257 с. (прототип).

3. Карякин Ю.В, Ангелов И.И. Чистые химические вещества. Изд. 4, доп. М. : Химия, 1974. - 408 с.

4. Хархардин А.Н. Структурно-топологические основы разработки эффективных композиционных материалов и изделий: Автореф. дис. докт. техн. наук. - 05.23.05. - Белгород. - 1999 г. - 50с.

Похожие патенты RU2202132C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ АКТИВАЦИИ ЗАПОЛНИТЕЛЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ БЕТОННОЙ СМЕСИ 1994
  • Гладких Ю.П.
  • Завражина В.И.
RU2087442C1
ПОЛИМЕРБЕТОННАЯ СМЕСЬ 2002
  • Огрель Л.Ю.
  • Павленко В.И.
  • Карнаухова А.В.
  • Кирияк И.И.
RU2225377C2
ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (ЕЕ ВАРИАНТЫ) 1993
  • Гладких Ю.П.
  • Завражина В.И.
RU2085541C1
СТРОИТЕЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ 1999
  • Шаповалов Н.А.
  • Лисовая В.В.
RU2162826C2
СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ РАДИОАКТИВНОГО Сs-137 1999
  • Павленко В.И.
  • Шевцов И.П.
  • Ястребинский Р.Н.
RU2156224C2
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТИ ОБОЖЖЕННЫХ ОКАТЫШЕЙ ОТ ИСТИРАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПЕРЕГРУЗКАХ И ТРАНСПОРТИРОВАНИИ 1999
  • Ильина Т.Н.
  • Минко В.А.
  • Михайлова С.Д.
RU2151205C1
СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ САМОРАССЫПАЮЩЕГОСЯ КЛИНКЕРА 1995
  • Лугинина И.Г.
  • Литвишкова Н.В.
RU2085528C1
КАРУСЕЛЬНЫЙ КОНВЕЙЕР 1999
  • Покушалов М.П.
RU2168452C2
СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД 1999
  • Павленко В.И.
  • Ястребинский Р.Н.
  • Шевцов И.П.
  • Мяснянкин В.М.
  • Замулин В.А.
  • Фаустов И.М.
RU2172297C2
КЕРАМИЧЕСКАЯ МАССА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 1994
  • Белоусов Ю.Л.
  • Копасова А.А.
RU2081092C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 202 132 C2

Реферат патента 2003 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЖАРОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к защите от ионизирующего излучения, в частности для радиационной безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды. Сущность изобретения: для получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала смешивают связующее и заполнитель. В качестве связующего используют этилсиликат-40, а в виде заполнителя - сульфат бария, активированный гидроксидом железа с соотношением Ва/Fe=2,5-4,0, модифицированный гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 мин с последующей сушкой при 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм. Далее производят формование образцов при удельном давлении 450-500 кг/см2 и спекании при 1100-1150oС в течение 35-40 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %: заполнитель 90,0-95,0, связующее 5,0-10,0. Модифицирование происходит в процессе получения гидролизованного этилсиликата-40, который смешивают с дистиллированной водой при соотношении, равном 1, и с сульфатом бария, активированным гидроксидом железа с отношением твердой и жидкой фаз, равным 2, и добавляют 20% раствор аммиака при следующем соотношении компонентов, мас. %: сульфат бария, активированный гидроксидом железа 62,0-65,0, смесь этилсиликата-40 и дистиллированной воды 30,0-35,0, 20% раствор аммиака 3,0-5,0. Преимущества изобретения заключаются в повышении физико-механических свойств и радиационно-защитных характеристик композиционного материала. 6 табл.

Формула изобретения RU 2 202 132 C2

Способ получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала, состоящий из смешения связующего и заполнителя, отличающийся тем, что в качестве связующего используют этилсиликат-40, а в виде заполнителя - сульфат бария, активированный гидроксидом железа с соотношением Ва/Fe=2,5-4,0, модифицированный гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 мин с последующей сушкой при 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм, затем производят формование образцов при удельном давлении 450-500 кг/см2 и спекании при 1100-1150oС в течение 35-40 мин при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Заполнитель - 90,0-95,0
Связующее - этилсиликат-40 - 5,00-10,0
при этом модифицирование происходит в процессе получения гидролизованного этилсиликата-40, для чего смешивают этилсиликат-40 с дистиллированной водой при соотношении этилсиликата-40 к воде равном 1 и с сульфатом бария, активированным гидроксидом железа с отношением твердой и жидкой фаз равным двум, и добавляют 20%-ный раствор аммиака при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Сульфат бария, активированный гидроксидом железа - 62,0-65,0
Смесь этилсиликата-40 и дистиллированной воды - 30,0-35,0
20%-ный раствор аммиака - 3,0-5,0р

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2003 года RU2202132C2

БРОДЕР Д.Л
и др
Бетон в защите ядерных установок
- М.: Атомиздат, 1973, с.257
СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОСОБО ПРОЧНОГО И ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА 1996
  • Свиридов Н.В.
  • Гуськов В.Д.
  • Коваленко М.Г.
  • Крюков В.Я.
  • Ходасевич К.Б.
RU2100304C1
RU 94005540 А1, 27.04.1996
Рентгенозащитный материал 1979
  • Ремизникова Вита Иосифовна
  • Шептицкий Сергей Петрович
  • Герасимов Виталий Викторович
  • Салимов Алим Гарифович
SU834772A1
Плавкий предохранитель с указателем срабатывания 1982
  • Намитоков Кемаль Кадырович
  • Брезинский Владимир Георгиевич
  • Харисов Андрей Абдуллович
SU1105957A1
Способ многоцветного печатания 1924
  • Прокофьев В.Н.
SU3810A1
КОМАРОВСКИЙ А.Н
Строительство ядерных установок
- М.: Атомиздат, 1965, с.69-75.

RU 2 202 132 C2

Авторы

Павленко В.И.

Шевцов И.П.

Орехов К.А.

Даты

2003-04-10Публикация

2000-05-12Подача