[發明專利]一種用于中子輻射防護的超高分子量聚乙烯纖維/氮化硼復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202110446108.3
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113306239A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 蘇鳳梅;張偉;紀又新;黃志杰;劉春太
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: B32B27/02
• 分類號: B32B27/02;B32B27/32;B32B27/12;B32B33/00;B32B37/10;B32B37/06;B32B38/16;B32B38/00;D06M11/80;D06M101/20
• 代理公司: 鄭州知勁專利代理事務所(普通合伙) 41193
• 代理人: 黃龍

本發明屬于防護材料技術領域，特別涉及一種用于中子輻射防護的超高分子量聚乙烯(UHWMPE)纖維/氮化硼(BN)復合材料及其制備方法。利用超高分子量聚乙烯纖維為原料，將其制成單向纖維布；之后將分散有氮化硼的水溶性聚氨酯(WPU)樹脂均勻處理至纖維布表面，干燥后將一層或一層以上的纖維布進行壓制獲得所述復合材料。本發明獲得的超高分子量聚乙烯纖維/氮化硼復合材料具有出色的中子屏蔽性能，通過改變氮化硼的含量，并將氮化硼與超高分子量聚乙烯纖維復合，結合超高分子量聚乙烯纖維慢化中子、氮化硼吸收中子的優點，獲得的新型中子屏蔽材料具有重要理論意義和使用價值。

技術領域

本發明屬于防護材料技術領域，特別涉及一種用于中子輻射防護的超高分子量聚乙烯纖維/氮化硼復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著我國載人航天事業的蓬勃發展，面臨的深空輻射問題也越來越多。其中中子輻射會危害宇航員的身體健康并且影響宇航器、探測器、通訊等設備的平穩運行。另一方面，在軍事領域、核反應堆、聚變反應堆、回旋加速器等其他行業中也可以觀察到，可能對工作人員的健康造成潛在危害，并損壞儀器和結構材料。高效的輻射防護材料對于緩解或消除可能對人體健康和電子設備的正常工作產生潛在有害影響具有重要意義。金屬材料和混凝土材料是廣泛用于屏蔽行業的有效材料。但是，因其價格貴、密度大且易于腐蝕等，對滿足航天領域材料輕質、柔性等要求下實現其有效的屏蔽能力還需要進一步探究。

大量研究證明，中子屏蔽主要是通過中子散射和吸收來實現的。理論上，由于氫原子的核外電子密度大，氫具有最好的屏蔽效能。因此，液態氫是理論上最好的屏蔽材料。然而，含有高氫的材料，如液氫、甲烷和水，不能用作結構部件。高分子材料主要由碳、氫、氧組成，不僅含氫量高，整體原子序數低，而且容易成型，重量輕，柔韌性好，是一種理想的中子屏蔽材料。聚乙烯(PE)的氫原子含量高，能有效地衰減和慢化中子。國內外對聚乙烯及其復合材料進行了大量的理論計算和實驗研究。例如，Zeitlin等人的勞倫斯伯克利實驗室基于⁵⁶Fe粒子1GeV輻射源測試了各種材料的屏蔽效果。結果表明，高氫含量的聚乙烯具有最佳的屏蔽效果。研究表明，¹⁰B對寬能范圍中子具有較高的吸收截面。¹⁰B對熱中子的吸收截面接近750b，是石墨的20倍以上，是傳統保護材料混凝土的500倍以上。另外，¹⁰B產生較少的次級顆粒，這對于進一步屏蔽是有利的。目前，氮化硼、硼酸等含¹⁰B材料是確保核電廠安全不可或缺的材料，其相關產品廣泛用于軍事領域，如軍事保護、核武器和核工業。因此，開發具有出色的可加工性、柔韌性和成本效益并具有高輻射屏蔽效率的聚合物/氮化硼復合材料引起本領域研發人員的興趣。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于中子輻射防護的超高分子量聚乙烯纖維/氮化硼復合材料及其制備方法。

本發明采用的技術方案如下：

一種用于中子輻射防護的超高分子量聚乙烯纖維/氮化硼復合材料，可通過下述方法獲得：利用超高分子量聚乙烯纖維為原料，將其制成單向纖維布；之后將分散有氮化硼的WPU樹脂均勻處理至纖維布表面，干燥后將一層或一層以上的纖維布進行壓制獲得所述復合材料。

優選的，所述超高分子量聚乙烯纖維的分子量為150萬以上。

利用超高分子量聚乙烯纖維為原料，將其制成單向纖維布，所述纖維布可編制為平紋或斜紋。上述編制方式對于材料的力學性能能起到較好的提升作用。

所述纖維布的大小無需控制，可根據使用情況確定。

所述氮化硼優選采用丹寧酸進行改性。

改性時，配制氮化硼在水中的分散液，之后依次加入三羥甲基氨基甲烷以及丹寧酸充分混合進行改性，之后干燥獲得丹寧酸改性的氮化硼；投料比為氮化硼：三羥甲基氨基甲烷：丹寧酸：水為1g:0.3g:0.3g：60-80ml。

進一步，在60℃～80℃下干燥10h～12h得到改性的氮化硼。