[发明专利]一种用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于防护材料技术领域，特别涉及一种用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯(UHWMPE)纤维/氮化硼(BN)复合材料及其制备方法。利用超高分子量聚乙烯纤维为原料，将其制成单向纤维布；之后将分散有氮化硼的水溶性聚氨酯(WPU)树脂均匀处理至纤维布表面，干燥后将一层或一层以上的纤维布进行压制获得所述复合材料。本发明获得的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料具有出色的中子屏蔽性能，通过改变氮化硼的含量，并将氮化硼与超高分子量聚乙烯纤维复合，结合超高分子量聚乙烯纤维慢化中子、氮化硼吸收中子的优点，获得的新型中子屏蔽材料具有重要理论意义和使用价值。

技术领域

本发明属于防护材料技术领域，特别涉及一种用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料及其制备方法。

背景技术

随着我国载人航天事业的蓬勃发展，面临的深空辐射问题也越来越多。其中中子辐射会危害宇航员的身体健康并且影响宇航器、探测器、通讯等设备的平稳运行。另一方面，在军事领域、核反应堆、聚变反应堆、回旋加速器等其他行业中也可以观察到，可能对工作人员的健康造成潜在危害，并损坏仪器和结构材料。高效的辐射防护材料对于缓解或消除可能对人体健康和电子设备的正常工作产生潜在有害影响具有重要意义。金属材料和混凝土材料是广泛用于屏蔽行业的有效材料。但是，因其价格贵、密度大且易于腐蚀等，对满足航天领域材料轻质、柔性等要求下实现其有效的屏蔽能力还需要进一步探究。

大量研究证明，中子屏蔽主要是通过中子散射和吸收来实现的。理论上，由于氢原子的核外电子密度大，氢具有最好的屏蔽效能。因此，液态氢是理论上最好的屏蔽材料。然而，含有高氢的材料，如液氢、甲烷和水，不能用作结构部件。高分子材料主要由碳、氢、氧组成，不仅含氢量高，整体原子序数低，而且容易成型，重量轻，柔韧性好，是一种理想的中子屏蔽材料。聚乙烯(PE)的氢原子含量高，能有效地衰减和慢化中子。国内外对聚乙烯及其复合材料进行了大量的理论计算和实验研究。例如，Zeitlin等人的劳伦斯伯克利实验室基于⁵⁶Fe粒子1GeV辐射源测试了各种材料的屏蔽效果。结果表明，高氢含量的聚乙烯具有最佳的屏蔽效果。研究表明，¹⁰B对宽能范围中子具有较高的吸收截面。¹⁰B对热中子的吸收截面接近750b，是石墨的20倍以上，是传统保护材料混凝土的500倍以上。另外，¹⁰B产生较少的次级颗粒，这对于进一步屏蔽是有利的。目前，氮化硼、硼酸等含¹⁰B材料是确保核电厂安全不可或缺的材料，其相关产品广泛用于军事领域，如军事保护、核武器和核工业。因此，开发具有出色的可加工性、柔韧性和成本效益并具有高辐射屏蔽效率的聚合物/氮化硼复合材料引起本领域研发人员的兴趣。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料，可通过下述方法获得：利用超高分子量聚乙烯纤维为原料，将其制成单向纤维布；之后将分散有氮化硼的WPU树脂均匀处理至纤维布表面，干燥后将一层或一层以上的纤维布进行压制获得所述复合材料。

优选的，所述超高分子量聚乙烯纤维的分子量为150万以上。

利用超高分子量聚乙烯纤维为原料，将其制成单向纤维布，所述纤维布可编制为平纹或斜纹。上述编制方式对于材料的力学性能能起到较好的提升作用。

所述纤维布的大小无需控制，可根据使用情况确定。

所述氮化硼优选采用丹宁酸进行改性。

改性时，配制氮化硼在水中的分散液，之后依次加入三羟甲基氨基甲烷以及丹宁酸充分混合进行改性，之后干燥获得丹宁酸改性的氮化硼；投料比为氮化硼：三羟甲基氨基甲烷：丹宁酸：水为1g:0.3g:0.3g：60-80ml。

进一步，在60℃～80℃下干燥10h～12h得到改性的氮化硼。