Композиционный материал на полимерной основе для комбинированной защиты гамма, нейтронного и электромагнитного излучения, наполненный нанопорошком вольфрама, нитрида бора и технического углерода Российский патент 2017 года по МПК G21F1/10 B82B3/00 

Описание патента на изобретение RU2632934C1

Изобретение относится к композиционным материалам, обладающим комбинированными свойствами по защите от гамма, нейтронного и электромагнитного излучения, в частности к материалам на основе полимерного связующего, в качестве которого используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), наполненный радио- и радиационно-защитными неорганическими компонентами. Изобретение может быть использовано для изготовления изделий, применяемых в средствах индивидуальной защиты медицинских и аварийно-спасательных служб, а также в атомной, авиакосмической, атомной отраслях промышленности и в медицине. Особенностью данного материала является способность поглощения быстрых нейтронов полимерной матрицей, которые впоследствии затормаживаются до тепловых нейтронов, которые поглощает нитрид бора, тяжелый металл нанопорошок вольфрама ослабляет поток гамма-квантов, а технический углерод, образуя пространственную токопроводящую сеть ,поглощает электромагнитное излучение.

Известен способ изготовления композиционного материала для защиты от электромагнитного излучения поглощением (RU 2242487 C1, опубл. 20.12.2004), включающий смешение электропроводящего наполнителя, содержащего модифицированный графит, и полимерного связующего с последующим термоударом при 250-310°C, с последующим формованием. Композиционный материал характеризуется в диапазоне длин волн от 0,8 до 25 см. В качестве полимерного связующего выбирают из группы, включающей полиолефин, полистирол, фторопласт, ПВХ-пластизоль и кремнийорганический каучук СКТВ, а в качестве модифицированного графита используют продукт модифицирования графита концентрированными серной и азотной кислотами.

Такой материал имеет следующие недостатки:

- предварительная обработка кислотами поглощающего электромагнитное излучение материала;

- виды смешения не позволяют равномерно распределить наполнитель в полимерной матрице;

- не поглощает нейтронное и гамма-излучение.

Известен композит для защиты от космической радиации (RU 2515493 C1, опубл. 10.05.2014), включающий кремнийорганическую жидкость, порошок оксида тяжелого металла, отличающийся тем, что в качестве составляющих компонентов содержит политетрафторэтилен (матрица), а используемую кремнийорганическую жидкость «Пента-808» применяют в качестве модификатора поверхности оксида висмута Bi2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: политетрафторэтилен 37-45, модифицированный оксид висмута Bi2O3 55-63, кремнийорганическая жидкость «Пента-808», взятая по отношению к массе чистого Bi2O3 0,8-1,0.

Недостатками данного материала являются:

- сложность процесса изготовления прекурсоров конечного продукта;

- не поглощает нейтронное излучение.

Прототипом является (RU 2491667 C1, опубл. 27.08.2013), в котором композиционный материал для защиты от радиоктивного излучения содержит компоненты полиуретана, частицы металлов, огнезащитные компоненты и вспомогательные вещества. При этом он дополнительно содержит борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиуретан 10,0-80,0; частицы металлов 10,0-60,0; борная кислота 3,0-20,0; огнезащитные компоненты 2,0-8,0; вспомогательные вещества 0,1-3,0. Указанный материал может дополнительно содержать маркирующие компоненты 0.2-1.0 мас.%. Изобретение позволяет создать композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения, имеющий огнестойкость более 1000°C и поглощающий излучение нейтронов наряду с поглощением композиционный материал для защиты от радиоактивного излучения.

Отличием является полимерная матрица и нейтронно-поглощающие наполнители, а также способность материала поглощать СВЧ- диапазон.

Технический результат изобретения заключается в комбинации свойств, таких как поглощение гамма, нейтронного и электромагнитного излучения за счет введения в полимерную матрицу (поглотитель быстрых нейтронов) вольфрамсодержащего порошка (поглотитель гамма-квантов), борсодержащего порошка (поглотитель тепловых нейтронов) и углеродного компонента (поглотитель электромагнитного излучения).

Технический результат достигается следующим образом.

Радио-, радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама, нитрида бора и технического углерода при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен 40-62 Вольфрам 18-20 Нитрид бора 15-20 Технический углерод марки УМ-76 5-20

Изображением (см. чертеж) поясняется хорошее распределение и адгезионное взаимодействие между наполнителем и полимерной матрицей.

В предлагаемом материале комбинирование свойств по поглощению гамма, нейтронного и электромагнитного излучения достигается за счет введенного в композит нанопорошка вольфрама дисперсностью 50-100 нм, нитрида бора с размером частиц 1-10 мкм и технического углерода дисперсностью 5-10 нм. Введение нанопорошка вольфрама в количестве 18-20 мас.% обеспечивает коэффициент ослабления гамма-излучения с энергией от 200 кэВ до 1,4 МэВ лежит в пределах 1,387-1,024. Введение частиц нитрида бора в композит в количестве 15-20 мас.% обеспечивает высокий уровень защитных свойств от нейтронного излучения, вплоть до полного поглощения. Введение технического углерода в количестве 5-20 мас.% способствует высокому уровню поглощающих свойств электромагнитного излучения. Эффективное распределение наполнителей в объеме полимерной матрицы обеспечивается за счет ступенчатого введения наполнителей в ходе механического синтеза в высокоэнергетических планетарных мельницах с металлическими мелящими телами. Получение готового продукта необходимой формы из композиции осуществляется методом термопрессования при температуре 170-190°C. Композиционный материал податлив механической обработке, поэтому конечный продукт может изготавливаться практически любой сложной формы.

Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования в качестве радио-, радиационнозащитного материала подтверждается следующим примером реализации.

Пример.

В качестве исходных материалов использовались сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) марки GUR 4120, нанопорошок вольфрма дисперсностью 50-100 нм, полученный методом восстановления в токе водорода специально подготовленного прекурсора на основе вольфрамовой кислоты, и гексогональный нитрид бора и порошок технического углерода марки УМ-76, полученный термоокислительным разложением высокоароматизированного сырья и размером частиц 5-10 нм.

Порошки СВМПЭ, вольфрама, нитрида бора и технического углерода проходят предварительную сушку при температуре 110°C. Затем в металлические барабаны планетарной мельницы FRITSCH Pulverisette 5 с металлическими мелящими телами засыпают СВМПЭ с техническим углеродом для создания пространственной токопроводящей сетки, проводят смешивание в течение 30 минут в режиме 5 минут помола 10 минут «отдых». Затем к полученной смеси добавляется нитрид бора и вольфрам с теми же режимами смешения. Были получены следующие композиции: 18% мас. вольфрама, 10% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 5% мас., СВМПЭ - остальное; 18% мас. вольфрама, 15% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 5% мас., CBMПЭ - остальное; 18% мас. вольфрама, 20% мас., нитрид бора, технический углерод УМ-76 10% мас., СВМПЭ - остальное; 18% мас. вольфрама, 20% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 20% мас., СВМПЭ - остальное; 20% мас. вольфрама, 20% мас. нитрид бора, технический углерод УМ-76 20% мас., СВМПЭ - остальное. Полученные композиции подвергались термопрессованию при температуре 170-190°C и давлении 20-40 МПа.

На чертеже представлен пример структуры композита, снятой на сканирующем электронном микроскопе, путем получения хрупкого излома композита при замораживании его в жидком азоте.

Механические, радио- и радиационнозащитные свойства композитов приведены в таблицах 1, 2, 3.

Похожие патенты RU2632934C1

название год авторы номер документа
МАТЕРИАЛ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ РАДИО- И РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ 2015
  • Бойков Андрей Анатольевич
  • Чердынцев Виктор Викторович
  • Гульбин Виктор Николаевич
RU2605696C1
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2022
  • Павленко Вячеслав Иванович
  • Черкашина Наталья Игоревна
  • Романюк Дмитрий Сергеевич
  • Шуршаков Вячеслав Александрович
  • Сидельников Роман Владимирович
  • Домарев Семен Николаевич
RU2799773C1
Композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для комбинированной радио и радиационной защиты, наполненный пентаборидом дивольфрама и техническим углеродом 2016
  • Бойков Андрей Анатольевич
  • Чердынцев Виктор Викторович
  • Гульбин Виктор Николаевич
RU2632932C1
РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ С ПОВЫШЕННЫМИ РЕНТГЕНОЗАЩИТНЫМИ И НЕЙТРОНОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ 2014
  • Калошкин Сергей Дмитриевич
  • Горшенков Михаил Владимирович
  • Чердынцев Виктор Викторович
  • Гульбин Виктор Николаевич
  • Бойков Андрей Анатольевич
RU2561989C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА С ПОВЫШЕННЫМИ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ 2014
  • Калошкин Сергей Дмитриевич
  • Горшенков Михаил Владимирович
  • Чердынцев Виктор Викторович
  • Гульбин Виктор Николаевич
  • Бойков Андрей Анатольевич
RU2563650C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА НЕЙТРОНОВ НА ПРОТОННОМ УСКОРИТЕЛЕ КОМПЛЕКСА "ПРОМЕТЕУС" 2023
  • Сиксин Виктор Валентинович
  • Рябов Владимир Алексеевич
  • Завестовская Ирина Николаевна
RU2808930C1
Защитный экран от ионизирующего излучения для бортового комплекса оборудования 2017
  • Матросов Андрей Викторович
  • Титов Александр Петрович
  • Шохор Борис Залманович
  • Бородавина Анна Дмитриевна
RU2664715C2
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2022
  • Павленко Вячеслав Иванович
  • Колобов Юрий Романович
  • Гавриш Владимир Михайлович
  • Ястребинский Роман Николаевич
  • Сидельников Роман Владимирович
  • Кашибадзе Виталий Валерьевич
  • Романюк Дмитрий Сергеевич
  • Карнаухов Александр Алексеевич
RU2782759C1
КОМПОЗИЦИОННЫЙ ИЗНОСОСТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА (СВМПЭ) 2008
  • Селютин Геннадий Егорович
  • Гаврилов Юрий Юрьевич
  • Попова Олимпиада Евгеньевна
  • Воскресенская Елена Николаевна
  • Полубояров Владимир Александрович
  • Ворошилов Владимир Александрович
  • Турушев Андрей Владимирович
RU2381242C2
РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2007
  • Новокшонова Людмила Александровна
  • Кудинова Ольга Ивановна
  • Гринев Виталий Георгиевич
  • Крашенинников Вадим Геннадиевич
  • Ладыгина Татьяна Александровна
RU2368629C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 632 934 C1

Реферат патента 2017 года Композиционный материал на полимерной основе для комбинированной защиты гамма, нейтронного и электромагнитного излучения, наполненный нанопорошком вольфрама, нитрида бора и технического углерода

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего и сверхвысокочастотного излучения. Предлагаемый композиционный материал состоит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена 40-62 мас.%, порошка вольфрама 18-20 мас.%, нитрида бора 15-20 мас.% и технического углерода УМ-76 5-20 мас.%. Изобретение позволяет комбинировать свойства поглощения гамма, нейтронного и СВЧ-излучения. 1 ил., 3 табл.

Формула изобретения RU 2 632 934 C1

Композиционный материал для комбинированной радио- и радиационной защиты на полимерной основе, состоящий из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и наполненного наночастицами вольфрама, нитрида бора и технического углерода УМ-76 в мас.% соотношении:

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен 40-62 Вольфрам 18-20 Нитрид бора 15-20 Технический углерод марки УМ-76 5-20

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2632934C1

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2011
  • Шматков Александр Алексеевич
RU2491667C1
МАТРИЦА НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ЗАЩИТНОГО МАТЕРИАЛА И ЭЛАСТИЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЙ 1991
  • Андреев В.В.
  • Попков К.К.
  • Барковский А.Н.
  • Добренякин Ю.П.
  • Милюхина Г.К.
  • Кузнецов Р.А.
  • Хухарев В.В.
  • Титов А.А.
  • Старостин Б.С.
RU2030803C1
РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ С ПОВЫШЕННЫМИ РЕНТГЕНОЗАЩИТНЫМИ И НЕЙТРОНОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ 2014
  • Калошкин Сергей Дмитриевич
  • Горшенков Михаил Владимирович
  • Чердынцев Виктор Викторович
  • Гульбин Виктор Николаевич
  • Бойков Андрей Анатольевич
RU2561989C1
GB 1200614 A 29.07.1970.

RU 2 632 934 C1

Авторы

Бойков Андрей Анатольевич

Чердынцев Виктор Викторович

Гульбин Виктор Николаевич

Даты

2017-10-11Публикация

2016-12-13Подача