基无铅射线屏蔽材料性能研究(2)
4)γ射线辐射防护粒子选择
含铅聚合物材料是目前最常用的辐射防护材料之一,但是铅固有的毒性、对中子射线效果不佳防护对能量介于 40-88kev 的射线存在弱吸收区,以上不足限制了这类材料的应用和发展;研制和开发无铅类环保安全的聚合物辐射屏蔽材料的已成为当前的及未来一段时期辐射屏蔽材料的技术发展趋势。钨的原子序数为74,无毒,其密度为19.35克/cm3,作为大密度的天然金属单质之一,钨对γ射线具有良好的屏蔽作用,据王建等[4]在γ射线能量1.25MeV时,钨的10倍减弱厚度为铅的一半,相比较而言,在空间较小的环境下,可以利用较小厚度的钨达到较大程度γ射线屏蔽效果。Nyarku[5]对钨铁粉末和钢板快中子反应堆辐照损伤效应进行了研究,结果表明超热中子在钨铁中衰减比在钢板中快,快中子在钨铁中衰减和在钢板中的衰减相当,且快中子的衰减随着钨铁合金原子密度的增加而加快。钨不仅对γ射线有着良好的屏蔽效果,而且对快中子、热中子也具有一定的屏蔽防护作用。基于以上分析,采用与铅硼聚乙烯(Pb60%,PE35%,B4C5%)铅质量分数相同的钨作为试验材料中γ射线的防护粒子。
5)中子射线辐射防护粒子选择
聚合物屏蔽材料对中子的防护首先是利用聚合物碳氢分子结构中氢元素进行弹性散射使快中子衰减成慢中子(热中子),然后将热中子用吸收截面积大的元素如硼、镉、钐、钆、锂等元素及其化合物将其吸收而消失。SBR2305橡胶分子含氢量高(氢原子密度达到1022个/cm2),是一种良好的快中子慢化材料,为提高其热中子的吸收效果,需要在材料中添加热中子俘获面积大元素化合物。几种常用的中子吸收剂热中子俘获面积见表1。
序号元素名称热中子俘获面积 1硼 2硼 3钐 4钆 5镉 6锂6945
从表1可以看出,钐的热中子俘获面积最大,因此选用钐的氧化物Sm2O3作为中子吸收剂,质量分数与铅硼聚乙烯(Pb60%,PE35%,B4C5%)碳化硼质量分数相同。
2.3 基本配方
通过以上分析,结合SBR2305橡胶的配合特点,确定了其基本配方,见表2。
材料名称SBR2305混炼胶金属钨粉W氧化钐Sm2O3 质量份数
3 样品制备及性能试验考核
3.1 样品制备
3.1.1无机金属及其化合物表面改性
钨金属粉末添加量大,且其与SBR2305橡胶之间结合性差,为提高纳米钨粉与聚合物基体的亲和性,工艺试验使用KH550硅烷偶联剂对无机粉体进行表面改性,并对其改性效果进行表征,以保证无机防护元素与聚合物基体中之间形成良好界面相容性。
处理工艺为首先在室温条件下把偶联剂与适量乙醇混合,超声分散10min左右,再加入纳米钨粉,超声分散40min,把与偶联剂混合的粉体分别在烘箱中以120℃、140℃、160℃烘4h,进行了红外光谱表征
图2 KH550偶联剂表面改性后的FTIR表征
从图中可以看出,不同温度下处理的粉体在1120.5 cm-1附近均出现了Si-O伸缩振动,同时在2924.4 cm-1和2875.4 cm-1处出现-CH3伸缩振动和-CH2-伸缩振动,钨金属自身不存在这些特征峰,可确认偶联剂对金属粉体的有效表面改性生效,干燥温度确定为120℃。
3.1.2密炼混合
大量的无机防护粒子在SBR2305混炼胶中均匀分散是材料制备的关键工艺之一,试验采用X(S)K-35L密炼机对钨粉、氧化钐、SBR2305混炼胶进行混合,混合后在Ф560开炼机上进行冷却薄通后下片。并对下片后材料的不同部位分五个点取样进行相对密度检测,五点不同部位相对密度差值最大未超过0.02g/cm3。为进一步提高其混炼均匀性,压延出片前对经相度密度检验的混炼胶在开炼机上再次进行薄通,出片后材料不同部位相对密度差值最大为0.01g/cm3。
3.1.3硫化成型
使用1000t平板硫化机在硫化成型了870mm×660mm×10mm,870mm×660mm×40mm两种不同规格的SBR基辐射屏蔽材料,10mm厚的屏蔽材料成型时间为145℃×15min,40mm厚的屏蔽材料成型时间为145℃×60min。
图3 40mm样品
图4 10mm样品
3.2 性能试验
3.2.1理化性能测试结果
SBR基辐射屏蔽材料理化性能测试结果见表3。
序号项目实测值 1耐热空气老化,125℃×72h拉伸强度11.2MPa,伸长率298% 2氧指数23.4 3拉伸强度,MPa11.5 4缺口冲击强度,J/cm223,冲击后试样完好无损 5密度,g/cm3≤3.77 6材料均匀性,g/cm33.74、3.77、3.82;不同部位单位体积密度最大差值不超过0.1。 7撕裂强度,kN/m35 8硬度,邵尔A90 9耐辐照性能经γ射线106Gy辐照量后,拉伸强度11.7MPa,伸长率293%,力学性能与辐照前基本持平。
文章来源:《辐射防护》 网址: http://www.fsfhzz.cn/qikandaodu/2021/0619/596.html