[发明专利]一种大体积混凝土用防中子辐射特种功能水凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种防中子辐射特种功能水凝胶的制备方法，包括如下步骤，先制备得到球形的纳米硼改性的水凝胶材料，然后将所得球形水凝胶材料表面封装阻隔层，得到防中子辐射特种功能水凝胶。所得水凝胶中大量的氢原子能够起到快中子慢化的作用，硼元素起到中子吸收的效果，最终达到防中子辐射的目的。对水凝胶进行封装，不仅提高了水凝胶材料的力学强度、增强了水分的保有率，还能够将水凝胶与混凝土拌合中的水进行分隔，降低对混凝土力学性能的负面影响。通过向封装层材料中添加含硼纳米粒子的方式进一步提升整体含硼量，使水凝胶具有更高的屏蔽/吸收辐射的性能。

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体说的是一种大体积混凝土用防中子辐射特种功能水凝胶及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术推进，核能和核技术的应用得到迅猛发展，以核电站为代表的核能开发和利用成为现在世界关注的焦点。中子辐射是在核燃料通过减少一个质量单位而达到稳定时产生，只发生在裂变产物范围内的核素。中子穿透力很强，相同剂量下，对人体的危害远远超过x射线和γ射线，如何应对中子辐射具有重要的研究意义。对中子的屏蔽实际上是快中子减速和慢中子吸收过程。就减速快中子原理而言，基于弹性碰撞理论，中子质量与氢原子质量相近，所以，当快中子与屏蔽体中的氢原子核发生弹性碰撞时，最容易将能量传递给氢原子而损失能量，从而将快中子慢化为慢中子。屏蔽体中含氢量越多，则慢化作用越强。硼元素具有高的中子吸收截面，含硼的化合物可以作为中子吸收材料。所以含硼、氢量高的材料是一种较好的混凝土防中子辐射添加剂。

水是最常见的一种天然含氢材料，但在混凝土水化过程中随着水化进程的进行，内部水分逐渐消耗完毕。高吸水树脂水凝胶的三维网状结构能够吸收大量水分，开发一种对混凝土强度影响小，掺入后可以分散均匀，显著提升混凝土内部氢元素和硼元素的防中子辐射特种水凝胶具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种防中子辐射特种功能水凝胶的制备方法，包括如下步骤，

（1）制备纳米改性水凝胶材料：

容器中加入丙烯酸，加入NaOH溶液进行中和，中和度为60%-80%，继续加入交联剂、引发剂、含硼纳米粒子，搅拌均匀，得到水相；容器中加入分散剂、环己烷，30~50℃水浴加热搅拌，使分散剂充分溶解于环己烷中，得到油相；将水相滴加入油相中，搅拌使水相均匀的分散到油相中，升温至50~70℃继续搅拌反应，产物过滤后用无水乙醇清洗，干燥得到球形水凝胶材料；

（2）水凝胶材料封装：将步骤（1）所得球形水凝胶材料表面封装阻隔层，得到防中子辐射特种功能水凝胶。

优选地，所述含硼纳米粒子为经过湿磨的粒径为1μm以下的硼渣、硼泥、硼铁矿，或市售的化学合成的粒径小于100nm的纳米氮化硼、纳米碳化硼。

优选地，步骤（1）所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，更加优选分析纯CP，纯度97%；所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种；所述分散剂为Span80、Span60中的一种。

优选地，步骤（1）所得球形水凝胶材料粒径为0.5-1.5mm。

优选地，步骤（1）所得球形水凝胶材料中含硼纳米粒子的质量占水凝胶干重的10%~50%。

优选地，步骤（1）所得球形水凝胶材料的粒径为0.5-1.5mm、含水率为40%~60%。

优选地，步骤（2）封装阻隔层的过程为：将封装材料与步骤（1）所得球形水凝胶材料混合，使封装材料通过物理包覆或化学复合聚合反应形成阻隔层。进一步地，所述物理包覆包括采用热熔性材料进行熔融包覆冷却或热喷涂的方式，所述化学复合聚合反应包括将聚合物单体与水凝胶材料混合后进行乳液聚合的方式。

优选地，所述封装材料包括石蜡、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯。