КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ НЕЙТРОННОЙ ЗАЩИТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИДИМЕТИЛСИЛОКСАНА Российский патент 2012 года по МПК C08L83/04 G21F1/10 

Изобретение относится к области разработки материалов, обладающих нейтронопоглощающими свойствами, и может быть использовано, например, в качестве защитного слоя при изготовлении транспортно-упаковочных конструкций (ТУК) для транспортировки или хранения отработанного ядерного топлива, а также для биологической защиты от других случаев нейтронных излучений.

Известна композиция, используемая для изготовления нейтронопоглощающих изделий, состоящая из полимерной основы - полиэтилена с молекулярной массой по данным вискозиметрических измерений 2,5·10⁶÷1,0·10⁷ г/моль, и бора или

борсодержащих соединений (борной кислоты, нитрида бора, карбида бора или их смеси). Наиболее предпочтительно использовать тонкодисперсный карбид бора, что препятствует расслоению компонентов в процессе отработки. Содержание карбида бора в смеси с полиэтиленом составляет 5-50% масс, наиболее предпочтительно 20-30% масс. Используемый полиэтилен не должен содержать примесей. Для повышения его стабильности к свету, теплу и окислению в состав композиции вводят стабилизатор в количестве 0,1÷0,2% масс. В качестве стабилизатора могут быть использованы, например, 4,4'-тио бис-(3-метил-6-третбутил-1-фенол), дилаурил-тиопропионат и др.

Нейтронопоглощающий материал получают путем гомогенного смешения исходных компонентов в соответствующем смесителе с последующим нагреванием смеси при температуре 180-250°С под давлением 10-15 МПа и последующим охлаждением также под давлением 3-5 МПа (пат. США 5221646, С03С 4/08, приор. 22.06.93).

В связи с тем, что такая композиция способна приобретать текучесть, она может быть технологически приемлемыми способами помещена в полости ТУК в качестве нейтронозащитного слоя.

Недостатком композиции является невысокая термостойкость и относительно низкая термоокислительная стабильность, не позволяющая длительно использовать ее при температурах 150-200°С даже в присутствии предлагаемых в патенте стабилизаторов. По известным данным изделия на основе полиэтилена при контакте с металлом не работоспособны при температуре выше 70°С (Справочник "Электрические кабели, провода и шнуры" Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.М., Энергоатомиздат, 1988 г.), в то время как стенки ТУК, всегда изготавливают из металла.

Наиболее близким аналогом является нейтронопоглощающая композиция, состоящая из полимерной основы - полидиметилсилоксана с концевыми гидроксильными группами, обладающая удовлетворительной термостабильностью и способная использоваться в качестве защитного слоя в ТУК.

В состав композиции входит кроме полимерной основы, борсодержащее соединение, низкомолекулярный полидиэтилсилоксан, этилсиликат и оловоорганический катализатор отвердения при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч:

Полимер 100 Полидиэтилсилоксан 8-12 Соединение бора 4-30 Этилсиликат 0,1-0,2 Катализатор 0,5-1,0

В качестве основы композиции используют диметилсилоксановые каучуки типа СКТН (ГОСТ 13635-73). В качестве соединения бора могут быть использованы, например, борная кислота, нитрид бора (ТУ 2036-1045-88).

В качестве оловоорганических катализаторов отверждения могут быть использованы, например, дибутилолово каприлат, дибутилолово лауринат, октоат олова и др. Наиболее предпочтителен октоат олова; из-за наиболее низкой токсичности.

В качестве низкомолекулярного полидиэтилсилоксана используют, например, полидиэтилсилоксановую жидкость марки ПЭС-5 (пат.РФ 2373587 С1 от 18.06.2008 г.).

Однако данная композиция обладает недостаточно высокой термостойкостью. Срок ее использования при 200°С ограничен 25 сутками. Следует также отметить, что процесс получения используемого в композиции олигомера полидиэтилсилоксана (ПЭС-5) носит многостадийный характер, что определяет высокую его стоимость, влияющую на стоимость композиции в целом. Кроме того такая композиция вследствие относительно высокой вязкости ПЭС-5 (200-500 мм²/с) может быть загружена в емкость ТУК только с помощью насоса, что усложняет процесс ее использования по вышеуказанному назначению.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка заливочной композиции на основе полидиметилсилоксана для нейтронной защиты, способной использоваться в качестве защитного слоя ТУК и обладающей повышенной термостабильностью и повышенной текучестью при нормальных условиях.

Поставленная задача достигается тем, что композиция для нейтронной защиты на основе полидиметилсилоксана с концевым гидроксильными группами, включающая соединение бора, этилсиликат, оловоорганический катализатор отверждения и низкомолекулярный полидиалкилсилоксан, в качестве низкомолекулярного полидиалкилсилоксана содержит полидиметилсилоксан с концевыми триметилсилильными группами при следующем соотношении компонентов, мас.ч:

полидиметилсилоксан с концевым   гидроксильными группами 100 полидиметилсилоксан с концевыми   триметилсилильными группами 6-14 соединение бора 3-30 этилсиликат 0,1-0,2 катализатор 0,5-1,0

В качестве соединения бора могут быть использованы, например, борная кислота, нитрид бора (ТУ 2036-1045-88).

В качестве основы композиции используют полидиметилсилоксан, типа СКТН (ГОСТ 13835-73).

В качестве оловоорганических катализаторов отверждения могут быть использованы, например, дибутилолово каприлат, дибутилолово лауринат, октоат олова и др. Наиболее предпочтителен октоат олова, как наименее токсичный.

В качестве низкомолекулярного полидиметилсилоксана с концевыми триметилсилильными группами используют, например, полидиметилсилоксановую жидкость марки ПМС-5, ПМС-10.

Предполагаемую композицию готовят следующим образом: В аппарате, снабженном мешалкой, сначала смешивают диметилсилоксановый полимер и низкомолекулярный полидиметилсилоксан в течение 0,5-2,0 часа, затем вводят борсодержащее соединение, этилсиликат и оловоорганический катализатор. Далее, смесь гомогенизируется в роторно-пульсационном аппарате (РПА) и после двукратного пропуска через РПА самотеком подается в защитную полость ТУКа.

Примеры, иллюстрирующие предлагаемое техническое решение с описанием состава и свойств композиции для удобства рассмотрения сведены в таблицу.

  Состав и свойства предлагаемых композиций по примерам 1-7 Композиция № примеров 1 2 3 4 5 6 7 Состав, % СКТН, ММ=100000 100 100           СКТН, ММ=90000       100 100 100 100 СКТН, ММ=70000     100         ПМС-5 6 14 8 10 6 6   ПМС-10             8 нитрид бора 3 30   6 3 5 3 борная кислота     5         этилсиликат 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,2 0,2 октоат олова 1,0 1,0 1,0 0,8 0,5   1,0 дибутилолово каприлат           1,0   Свойство Жизнеспособность, час 16 11 8 16 18 12 16 Вязкость динамическая, м·Па·10⁴ 1,8 1,4 1,2 1,8 1,5 1,6 2,0

Возможность длительного использования композиции при воздействии температур до 220°C определена по методу прогнозирования изменения свойств при термическом старении в соответствии с ГОСТ 9.713-86. Так как в процессе эксплуатации композиция в отвержденном состоянии находится внутри герметичной оболочки ТУКа, что может сопровождаться деструктивными изменениями полимера, то в качестве характерного показателя старения выбрано изменение во времени показателя условной твердости при температурах 180, 200 и 220°C.

Полученные результаты испытаний в течение длительной выдержки (40 суток) образцов вулканизатов показали, что твердость образцов практически не претерпела изменений, что в свою очередь позволило экстраполировать работоспособность композиции до 50 лет при температуре 200-220°C.

При облучении вышеуказанных композиций потоком нейтронов до флюэнса 4·10¹⁴ нейтронов/см² и гамма-излучением до поглощенной дозы 1 МГр материал сохраняет свои свойства неизменными.

Таким образом, предлагаемая композиция обладает хорошей текучестью при нормальных условиях и легко может быть залита в полости ТУКа. Композиция обладает хорошей термостабильностыо, работоспособна длительно при температуре до 220°C и способна использоваться в качестве защитного слоя в ТУК от нейтронного излучения.

Изобретение относится к области разработки материалов, обладающих нейтронопоглощающими свойствами, и может быть использовано в качестве защитного слоя при изготовлении транспортно-упаковочных конструкций (ТУК) для транспортировки и хранения отработанного ядерного топлива, а также для биологической защиты от других случаев нейтронных излучений. Заливочная композиция содержит полидиметилсилоксан с концевыми гидроксильными группами, низкомолекулярный полидиметилсилоксан с концевыми триметилсилильными группами, соединение бора, этилсиликат, оловоорганический катализатор отверждения. Технический результат - получение композиции, обладающей повышенной текучестью при нормальных условиях, способной использоваться в качестве защитного слоя ТУК и повышенной термостабильностью (длительно работоспособна при температуре до 220°С). 1 табл.

Заливочная композиция для нейтронной защиты на основе полидиметилсилоксана с концевыми гидроксильными группами, включающая соединение бора, этилсиликат, оловоорганический катализатор отверждения и низкомолекулярный полидиметилсилоксан с концевыми триметилсилильными группами при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
полидиметилсилоксан с концевыми   гидроксильными группами 100 полидиметилсилоксан с концевыми   триметилсилильными группами 6-14 соединение бора 3-30 этилсиликат 0,1-0,2 катализатор 0,5-1,0