ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2202132

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЖАРОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ
РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ЖАРОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Имя изобретателя: Павленко В.И.; Шевцов И.П.; Орехов К.А. 
Имя патентообладателя: Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов
Адрес для переписки: 308012, г.Белгород, ул.Костюкова, 46, БелГТАСМ, Патентный отдел
Дата начала действия патента: 2000.05.12 

Изобретение относится к защите от ионизирующего излучения, в частности для радиационной безопасности обслуживающего персонала и окружающей среды. Сущность изобретения: для получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала смешивают связующее и заполнитель. В качестве связующего используют этилсиликат-40, а в виде заполнителя - сульфат бария, активированный гидроксидом железа с соотношением Ва/Fe=2,5-4,0, модифицированный гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 мин с последующей сушкой при 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм. Далее производят формование образцов при удельном давлении 450-500 кг/см2 и спекании при 1100-1150oС в течение 35-40 мин при следующем соотношении компонентов, мас. %: заполнитель 90,0-95,0, связующее 5,0-10,0. Модифицирование происходит в процессе получения гидролизованного этилсиликата-40, который смешивают с дистиллированной водой при соотношении, равном 1, и с сульфатом бария, активированным гидроксидом железа с отношением твердой и жидкой фаз, равным 2, и добавляют 20% раствор аммиака при следующем соотношении компонентов, мас. %: сульфат бария, активированный гидроксидом железа 62,0-65,0, смесь этилсиликата-40 и дистиллированной воды 30,0-35,0, 20% раствор аммиака 3,0-5,0. Преимущества изобретения заключаются в повышении физико-механических свойств и радиационно-защитных характеристик композиционного материала.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к способам получения радиационно-защитных композиционных материалов, предназначенных для атомной и радиохимической промышленности, а также для обеспечения эффективной защиты от радиоактивных изотопов и радиационной безопасности обслуживаемого персонала и окружающей среды.

Наиболее широко в качестве радиационно-защитного конструкционного материала используется железо (металлические кожухи, экраны, заполнитель для тяжелых бетонов и т.д.) [1]. Использование его в качестве заполнителя для тяжелых бетонов включает в себя предварительное смешение сухих компонентов (портландцемента, железосодержащего заполнителя), затворение их водой.

Недостатками данного радиационно-защитного конструкционного материала являются:

а) низкие физико-механические и радиационно-защитные характеристики, вызванные расслоением материала;

б) максимальная температура эксплуатации - 650-750oС.

Так как большинство документов по данной тематике относится к категории "ДСП", то прототипа с наиболее близким количеством сходных признаков с заявляемым среди опубликованной литературы выявить не удалось. В связи с этим выбран способ, близкий по достигаемому результату, - способ получения жаростойких бетонов, предназначенных для обеспечения эффективной защиты от радиоактивных изотопов. Изделие получают по технологии бетонных изделий, заключающейся в предварительном смешении сухих компонентов - связующего (портландцемента, жидкого стекла и кремнефтористого натрия) и заполнителя (шамот, хромитовую и магнезитовую руды, серпентинит). В состав жаростойкого бетона, как правило, вводится тонкомолотая добавка из шамота, хромитовых или железных руд [2].

Недостатками данного радиационно-защитного композиционного материала являются:

а) невысокая прочность;

б) разрушение радиационно-защитного жаростойкого материала вследствие диализа воды, возникающего в процессе эксплуатации материала под воздействием U-излучения;

в) высокая стоимость.

Изобретение направлено на повышение физико-механических свойств материала (плотность, прочность и т.д.) и радиационно-защитных характеристик композиционного материала, что позволяет эксплуатировать его в экстремальных условиях (температура эксплуатации свыше 1000oС и воздействие высоких энергий U-излучения).

Это достигается тем, что в способе получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала используют смешение связующего и заполнителя - барийсодержащих соединений. В качестве связующего используют этилсиликат-40, а в виде заполнителя - сульфат бария, активированный гидроксидом железа с соотношением Ва/Fe=2,5-4,0, модифицированный гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 минут с последующей сушкой при Т= 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм, затем производят формование образцов при удельном давлении 450-500 кг/см2 и спекании при Т=1100-1150oС в течение 35-40 минут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

  • заполнитель - 90,0-95,0

  • связующее - этилсиликат-40 - 5,0-10,0

При этом модифицирование происходит в процессе получения гидролизованного этилсиликата-40, для чего смешивают этилсиликат-40 с дистиллированной водой при соотношении ЭТС-40/В=1 и с сульфатом бария, активированным гидроксидом железа с отношением твердой и жидкой фаз, равным двум, и добавляют 20%-ный раствор аммиака при следующем соотношении компонентов, мас.%:

  • Сульфат бария, активированный гидроксидом железа - 62,0-65,0

  • Смесь этилсиликата-40 и дистиллиро

  • 20%-ный раствор аммиака - 3,0-5,0.ванной воды - 30,0-35,0

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала отличается наличием у него новых связующего - этилсиликата-40 (ЭТС-40) и заполнителя - сульфата бария, активированного гидроксидом железа с соотношением Ba/Fe= 2.5-4.0, модифицированного гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 минут с последующей сушкой при Т=550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм.

Таким образом, заявляемый радиационно-защитный жаростойкий композиционный материал соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области показало, что сочетание предложенных компонентов и параметров для получения жаростойкого радиационно-защитного композиционного материала, а именно: модифицирование сульфата бария, активированного гидроксидом железа с соотношением Ba/Fe=2,5-4,0, гидролизованным ЭТС-40 при 20-25oС в течение 15-30 минут с последующей сушкой при Т = 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм, а также получение гидролизованного этилсиликата-40 в присутствии сульфата бария, активированного гидроксидом железа при соотношениях ЭТС-40/В=1 и Т/Ж=2, с добавлением 20%-ого раствора аммиака, не обнаружено. Впервые была выявлена причинно-следственная связь влияния на процесс модифицирования различных технологических факторов: времени взаимодействия, концентрации и вида электролитов - Ре(ОН)3, вида и количества катализатора - раствора аммиака. Модифицирование поверхности сульфата бария, активированного гидроксидом железа (в соотношении Ba/Fe= 2,5-4,0), происходит в присутствии одновременно получаемого гидролизованного ЭТС-40. В результате поликонденсационных процессов, происходящих при дальнейшей термообработке через ОН-группы гидроксида железа и гидролизованного ЭТС-40, происходит образование пространственного металлоолигомера с повышенной молекулярной массой, используемого в качестве заполнителя для получения жаростойкого радиационно-защитного композиционного материала. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

В качестве связующего и модификатора использовали этилсиликат-40 (ТУ 6-02-641-76) с плотностью 1040-1070 кг/м3 (табл.1).

Количественное содержание компонентов предлагаемого радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала приведено в табл.2.

Пример 1. По известной методике [3] получали сульфат бария, активированный гидроксидом железа при соотношении ионов бария и железа, равном 4. Для этого в подогретый до 80oС раствор, содержащий 110 г ВаСl2Ч2О в 500 мл дистиллированной воды, добавляли подогретый до 80oС раствор, содержащий 30,58 г FeСl3Ч2О в 300 мл дистиллированной воды. Растворы тщательно перемешивали с помощью механической мешалки в течение 5 минут. Затем добавляли смесь: 50 мл Н2SO4 (плотностью, равной 1,84 г/см3) в 240 мл воды, предварительно нагретую до 80oС при постоянном перемешивании. При этом выпавший осадок сульфата бария адсорбировал хлорид железа. Эту операцию производили для активации сульфата бария. Далее при постоянном перемешивании добавляли 20%-ный раствор аммиака до полного осаждения гидроксида железа. Раствор отделяли от осадка путем фильтрования. Полученный осадок несколько раз промывали горячей дистиллированной водой до отрицательной реакции промывных вод на ионы SO4 2- и Сl-. Затем сушили при температуре 110oС и измельчали до полного прохождения через сито 0.180.

В процессе синтеза гидролизованного этилсиликата-40 происходит одновременная модификация им активированного сульфата бария. Для этого брали сульфат бария, активированный гидроксидом железа массой 100 г (для удобства расчета), и добавляли смесь, содержащую 25 мл этилсиликата-40 и 25 мл дистиллированной воды (ЭТС-40/В=1) при соотношении твердой и жидкой фаз, равном 2. Тщательно перемешивали и добавляли 20%-ный раствор аммиака в количестве 4 мас. % от массы смеси этилсиликата-40 с дистиллированной водой. Синтез проводили при постоянном перемешивании в течение 30 минут при температуре смеси 20oС. Выпавший осадок отделяли на центрифуге в течение 10 минут при скорости отжима - 4500 об/мин, высушивали при температуре 600oС и измельчали до следующего фракционного состава (табл.3), от которого зависит плотность упаковки частиц в материале [4].

Композиционный материал получали следующим образом. В полученный заполнитель (95 мас.%) добавляли 5 мас.% этилсиликата-40, тщательно перемешивали и производили формование при удельном давлении 500 кг/см2 с последующей термообработкой при Т=1100oС в течение 40 минут.

Полученная плотность упаковки заполнителя позволяет повысить физико-механические характеристики (прочность, максимальная температура эксплуатации) радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала (табл. 4).

Для получения сравнительных данных параллельно проводились аналогичные эксперименты при других соотношениях компонентов и параметров (табл.4 и 5).

Из табл. 4 и 5 видно, что предлагаемый способ получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала позволяет повысить плотность в 1,65-1,75 раза и прочность в 3,0-3,2 раза по сравнению с известным материалом (прототипом).

Одним из основных факторов, влияющих на радиационно-защитные свойства композиционного материала, является наличие в структуре материала атомов тяжелых элементов (Вa, Fe, Pb и др.). Поэтому ведущей характеристикой, от которой зависят радиационно-защитные свойства жаростойкого композиционного материала, является соотношение Ba/Fe, изменение которого позволяет их корректировать.

Из табл. 6 видно влияние соотношения Ba/Fe на изменение радиационно-защитных свойств материала. Наиболее высокий коэффициент линейного ослабления от радиоактивного излучения Cs-137 и Со-60 достигается при соотношении Ba/Fe= 4,0, причем видно, что прототип уступает в степени защиты от среднеактивных источников ионизирующего излучения в 1,1-1,2 раза при примерно одинаковой от высокоэнергетических. Данное соотношение обеспечивает возможность получения наиболее качественного радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала.

Измерение радиационно-защитных свойств материалов осуществлено гамма-спектральным методом на базе многоканального анализатора с программным обеспечением "Прогресс" в аккредитованной в Госстандарте РФ лаборатории радиационного контроля "Спектр" (аттестат аккредитации 41143-96). Оценка физико-механических характеристик проводилась в государственном научном центре по сертификации строительных материалов и конструкций, аккредитованном в Госстандарте РФ "БелГТАСМ-сертификация".

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Егоров Ю.А., Машкович В.П., Панкратьев Ю.В., Цыпин С.Г. Радиационная безопасность и защита АЭС. - Вып.3. М.: Атомиздат, 1977. -232 с.

2. Бродер Д.Л., Зайцев Л.Н., Комочков М.М., Сычев Б.С., Мальков В.В. Бетон в защите ядерных установок. Изд.2. М.: Атомиздат, 1973. 257 с. (прототип).

3. Карякин Ю.В, Ангелов И.И. Чистые химические вещества. Изд. 4, доп. М. : Химия, 1974. - 408 с.

4. Хархардин А.Н. Структурно-топологические основы разработки эффективных композиционных материалов и изделий: Автореф. дис. докт. техн. наук. - 05.23.05. - Белгород. - 1999 г. - 50с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения радиационно-защитного жаростойкого композиционного материала, состоящий из смешения связующего и заполнителя, отличающийся тем, что в качестве связующего используют этилсиликат-40, а в виде заполнителя - сульфат бария, активированный гидроксидом железа с соотношением Ва/Fe=2,5-4,0, модифицированный гидролизованным этилсиликатом-40 при 20-25oС в течение 15-30 мин с последующей сушкой при 550-600oС и измельчением до фракции 0,009-1,0 мм, затем производят формование образцов при удельном давлении 450-500 кг/см2 и спекании при 1100-1150oС в течение 35-40 мин при следующем соотношении компонентов, мас.%:

  • Заполнитель - 90,0-95,0

  • Связующее - этилсиликат-40 - 5,00-10,0

при этом модифицирование происходит в процессе получения гидролизованного этилсиликата-40, для чего смешивают этилсиликат-40 с дистиллированной водой при соотношении этилсиликата-40 к воде равном 1 и с сульфатом бария, активированным гидроксидом железа с отношением твердой и жидкой фаз равным двум, и добавляют 20%-ный раствор аммиака при следующем соотношении компонентов, мас.%:

  • Сульфат бария, активированный гидроксидом железа - 62,0-65,0

  • Смесь этилсиликата-40 и дистиллированной воды - 30,0-35,0

  • 20%-ный раствор аммиака - 3,0-5,0р

Версия для печати
Дата публикации 10.05.2007гг


вверх