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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于防护材料
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。WPU树脂中分散的氮化硼的质量比例为0-40％且不等于0。将分散有氮化硼的WPU树脂均匀处理至纤维布表面后优选于50-60℃进行干燥，不过，干燥条件可以根据实际情况和树脂的类型适当调整。压制成膜的温度和压力分别为80℃～110℃、1Mpa，成型时间可以根据材料的厚度进行调整以满足实际需要。超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料中聚乙烯纤维的质量比例为33-40％，WPU树脂的质量比例为40-58％，其他为氮化硼。优选为聚乙烯纤维的质量比例为35％，树脂的质量比例为45％，其他为氮化硼。本专利技术利用丹宁酸对原始氮化硼进行接枝羟基改性，可提高原始氮化硼在树脂中的分散性。整个制备过程中，先将超高分子量聚乙烯纤维编织成布，再将氮化硼分散好的树脂均匀的涂覆或者浇注在超高分子量聚乙烯纤维表面包裹住超高分子量聚乙烯纤维，再利用水性聚氨酯WPU树脂良好的流动性，将氮化硼引入到超高分子量聚乙烯纤维之间，提高材料的均匀性，同时保证水性聚氨酯充满整个超高分子量聚乙烯纤维之间，不仅将氮化硼和超高分子量聚乙烯纤维进行粘合，并且将载荷传递到纤维上充分发挥超高分子量聚乙烯纤维优秀的力学性能，同时保护纤维免受环境破坏。最后利用热压机，进一步保证样品的均匀性。本专利技术优选采用超高分子量聚乙烯纤维作为防护材料的基体，超高分子量聚乙烯纤维既有高拉伸强度和模量，密度又比其他增强纤维的密度低，因此UHMWPE纤维的力学性能非常好。超高分子量聚乙烯纤维还具有出色的韧性、极好的抗化学侵蚀性和出色的抗切割性。纤维表面的化学中性导致高度的耐腐蚀性。超高分子量聚乙烯完全由碳和氢元素组成，是一种有效的屏蔽材料，可抵御银河宇宙射线和太阳高能粒子，由于在结晶区具有高结晶度和高度取向的纤维晶，因此具有超强的强度，同时又可以最大程度地减轻重量，并具有为太空飞行任务屏蔽辐射的附加优势，这是其他材料无法比拟的。本专利技术还考虑到热扩散对于避免中子与目标材料之间的碰撞产生的热量积累的重要性，采用hBN作为填充剂，充分考虑到了其高本征导热率TC(200-400W/mK)，从而提高防护材料的热导率。屏蔽材料的结构对于提高中子辐射屏蔽效果也至关重要。对于具有一种以上成分的屏蔽材料，具有多个中子散射和吸收功能层的异质多层结构会拥有更高的中子屏蔽效率。最后的热压在控制填料对齐方面发挥了充分的便利性和高效率。本专利技术获得的氮化硼/超高分子量聚乙烯纤维复合材料具有出色的中子屏蔽性能，当样品中氮化硼含量为19.96wt％，氮化硼/超高分子量聚乙烯纤维复合材料的I/I0值为0.28％。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。附图说明图1为氮化硼/超高分子量聚乙烯纤维复合材料制备流程图；图2(a)为丹宁酸对h-BN修饰的机理图；(b)为原始氮化硼和丹宁酸改性后氮化硼溶于水的实物照片；(c)原始氮化硼h-BN和丹宁酸修饰后的氮化硼m-BN红外光谱图；图3(a)为超高分子量聚乙烯纤维形貌图；(b)为超高分子量聚乙烯纤维与WPU树脂的界面图；(c)为30wt％氮化硼/超高分子量聚乙烯纤维复合材料截面图，(d)为图(c)的局部放大图；图4为不同材料样品的热重图；图5为样品中不同BN含量和不同厚度氮化硼/超高分子量聚乙烯纤维复合材料的中子透射系数；图6为不同m-BN含量氮化硼/超高分子量聚乙烯纤维材料的应力应变曲线；图7为对比例1(h-BN/HDPE)/LDPE样品的应力应变曲线；图8为对比例2m-BN/PE样品的应力应变曲线；图9为对比例3(m-BN/P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，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。


2.如权利要求1所述的用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，所述氮化硼采用丹宁酸进行改性。


3.如权利要求2所述的用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，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。


4.如权利要求3所述的用于中子辐射防护的超高分子量聚乙烯纤维/氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，在60℃～80℃下干燥10h～12h得到改性的氮化硼。


5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏凤梅，张伟，纪又新，黄志杰，刘春太，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41