[发明专利]一种功能化碳纳米管改性树脂基复合辐射防护材料的制备方法

说明书

一种功能化碳纳米管改性树脂基复合辐射防护材料及其制备方法，该材料由辐射防护元素/碳纳米管复合物、环氧树脂、固化剂和偶联剂共同固化而成；其制备方法：将碳纳米管分散在硫酸中进行γ射线辐照后分散在丙酮中，再加入多种辐射防护功能元素和偶联剂，充分搅拌和超声分散，得到辐射防护功能元素/碳纳米管复合物；将分散在丙酮中的碳纳米管复合物加入环氧树脂中，加入固化剂，真空固化后即得到所述材料；通过多种辐射防护功能元素和碳纳米管特殊结构的协同作用，该复合材料具备优异的辐射防护和抗辐照性能，具有良好的机械性能和低密度，可应用于核能、核技术、航天工程等领域，为工作人员和仪器设备提供有效辐射防护。

技术领域

本发明涉及一种功能化碳纳米管改性树脂基复合辐射防护材料及其制备方法，属纳米复合材料及核辐射防护技术领域。

背景技术

目前，核科学技术已被广泛应用于国防、能源、工业、医疗等多个领域，带来了巨大的经济和社会效益，同时也增加了人们接触各种辐射并受其威胁的机会，核与辐射安全问题日益突出。研制辐射防护材料以有效降低射线对人体、设备和环境的危害已成为军事和民用辐射防护工作的重要组成部分。核电产业、航天工程和国防科技事业的快速发展对辐射防护材料提出了更高、更多的要求。价格相对低廉的混凝土、铅制品等已被广泛应用于固定式核反应堆、加速器等防护领域，一直发挥着重要作用。但对于越来越多的对重量和体积有特殊要求的辐射防护场合，传统防护材料应用受到局限，亟需 “轻质高效”的新型辐射防护材料。

以具有辐射防护功能的微粉为填料的聚合物基复合材料因其密度小、易加工等优点，已逐渐成为辐射防护材料的一个重要发展方向，但聚合物基复合材料的辐射防护效率、使用性能和抗辐照水平等亟需进一步提升。环氧树脂是聚合物复合材料中常用的基体树脂之一，具有良好的热力学性能、结构性能和耐辐照水平，已广泛应用于电子信息、航空航天等领域。碳纳米管具有比表面积大、长径比高、重量轻等特点，表现出独特的力学、电学、光电学、电磁学和热学等性能，已在纳米器件、能源材料、电子信息、生物医学等领域显示出良好的应用前景，也包括对环氧树脂等聚合物材料的增强增韧，但碳纳米管在核辐射防护方面的应用仍有待探索。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功能化碳纳米管改性树脂基复合辐射防护材料及其制备方法。采用协调配比的多种辐射防护功能元素改性碳纳米管，碳纳米管在环氧树脂基复合材料中具有提升辐射防护性能和力学性能的双重作用，使复合材料具有良好的核辐射防护效果和使用性能。

本发明提供一种功能化碳纳米管改性树脂基复合辐射防护材料：（1）该辐射防护材料由环氧树脂60~100份、固化剂5~30份、偶联剂0.5~3份、功能化碳纳米管30~90份组成，以重量份计；（2）环氧树脂为E-20、E-42、E-44、E-51中的一种或多种；（3）固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、650型聚酰胺中的一种或多种；（4）偶联剂为甲基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、三异硬脂酸钛酸异丙酯、三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯中的一种或多种；（5）功能化碳纳米管为辐射防护功能元素/碳纳米管复合物，碳纳米管为多壁碳纳米管、双壁碳纳米管或单壁碳纳米管中的一种或多种，辐射防护功能元素为钨、铋、铒、铈、钐、钆、铕、镧、镨、钕中的一种或多种。

本发明提供一种功能化碳纳米管改性树脂基复合辐射防护材料的制备方法，主要包括下列步骤：（1）将碳纳米管分散在2~6 mol L^-1硫酸溶液中，超声分散0.5~1 h，置入Co-60 γ射线辐射场中进行辐照处理，剂量率为0.5~5 kGy h^-1，辐照剂量为100~300 kGy，离心分离，真空干燥；（2）将经过辐照的碳纳米管分散在丙酮中，按一定比例加入多种辐射防护功能元素，加入少量偶联剂，充分搅拌并超声分散1~3 h，得到辐射防护功能元素/碳纳米管复合物；（3）将分散在丙酮中的辐射防护功能元素/碳纳米管复合物加入到预热过的环氧树脂中，50~90 ℃搅拌4~8 h，使丙酮完全挥发，加入一定量的固化剂，继续搅拌0.1~0.5 h，放入预热过的模具中，置于50~100 ℃真空干燥箱中固化6~10 h，脱模成型，最终得到功能化碳纳米管/环氧树脂辐射防护材料。