Радіаційнозахисний шаруватий матеріал і спосіб його виготовлення

Група винаходів відноситься до області радіаційного матеріалознавства, фізиці і ядерній техніці, зокрема, до радіаційно-захисних матеріалів і способів їхнього виготовлення, і призначена для використання в різних галузях народного господарства для захисту від радіоактивного випромінювання. В даний час актуальною задачею є створення гнучких матеріалів для захисту від радіоактивного випромінювання. Такі матеріали використовуються для облицювання приміщень, для виготовлення захисного одягу обслуговуючого персоналу і пацієнтів рентгенівських кабінетів, для захисних екранів джерел гаммавипромінювань, а також для виготовлення контейнерів для транспортування і збереження радіоактивних відходів. У залежності від гнучкості, технологічності фізико-механічній міцності матеріалу, визначається область його застосування. При створенні радіаційнозахисного матеріалу враховуються конкретні умови його застосування і витрати на його виготовлення. Відомо, що для ослаблення інтенсивності випромінювання шаром матеріалу товщиною х відповідно до загальновідомої залежності Бугера відбувається по експонентному закону: I=I0*e-μx. де: І - інтенсивність випромінювання, що пройшло шар матеріалу товщиною х; Іо- інтенсивність падаючого випромінювання; e - основа натурального логарифма, яка рівна 2,718; μ - лінійний коефіцієнт ослаблення (таблична регламентована величина для кожного рентгенпоглинаючого матеріалу) дорівнює відносному зменшенню інтенсивності, створюваному поглиначем товщиною 1см. Загальне ослаблення випромінювання відбувається внаслідок актів поглинання і розсіювання при взаємодії рентгенівських квантів з речовиною: μ= μа + μsc , де: μа - лінійний коефіцієнт поглинання; μsc - лінійний коефіцієнт розсіювання. При збільшенні шарів поглинача зменшення інтенсивності, створюване кожним шаром, стає усе менше. Отже, поглинена кількість буде менше, а пройдена інтенсивність більше. При більшому коефіцієнті ослаблення потрібно розглядати більш тонкі шари. Якби коефіцієнт був дуже малий, можна розглядати значно більш товсті шари. Лінійний коефіцієнт ослаблення буде залежати і від щільності матеріалу. Якби шар удалося зжати до половинної товщини він мав те ж число електронів і поглинав ту ж частин у випромінювань. (К. Джоне. «Фізика радіології». Атоміздат. М., 1965 p., стор.32-33). До основних недоліків радіаційно-захисних матеріалів варто віднести їх дуже велику вагу і значні витрати на виготовлення. Основною задачею при конструюванні об'єктів захисту від рентген- і гамма-випромінювання можна вважати зниження маси (ваги) і товщини, розроблювальних для цього радіаційно-захисних матеріалів. Однак ство рення компактного захисту зі зменшеною товщиною матеріалу веде до зростання його маси через використання відомих «важких» радіаційно-поглинаючих наповнювачів. І, навпаки, збереження ступеня ослаблення рентген- і гамма-випромінювання при зниженні щільності матеріалу спричиняє необхідність збільшення товщини захисту. У цьому полягає основне протиріччя при створенні матеріалів, що забезпечують ефективний і компактний захист від рентген- і гамма-випромінювання. Відомий матеріал для захисту від рентгенівського випромінювання (А. С. СРСР № 765887, МПК3 G21F1/12, опубл.23.09.80) на основі свинцевої гуми з додатковим зовнішнім шаром з еластичного матеріалу, товщина якого складає від 0,6-1,2 мм, а його поверхня виконана шорсткуватою. Додатковий шар здійснює часткове розсіювання первинного пучка і застосовується для зниження навантажень на персонал від рентгенівського випромінювання. З такого матеріалу виготовляють захисні рукавички, фартухи, чоботи, ковдри й інші вироби, що захищають від рентгенівського випромінювання. Однак, виконання додаткового шару в даному технічному рішенні не забезпечує надійний захист від рентгенівського випромінювання, тому що первинний пучок тільки частково розсіюється цим шаром, а основне поглинання випромінювання відбувається основним метало-властивим шаром матеріалу. У свою чергу свинцевий наповнювач, з одного боку, забезпечує підви щення захисних властивостей цієї гуми, а з іншого боку, свинцева гума має істотні недоліки. По-перше, свинець через високий його зміст і власну велику щільність (11,34 г/см 3) мігрує з гуми, а через свою токсичність шкідливо діє на здоров'я медперсоналу і пацієнтів. По-друге, свинцева гума відносно недовговічна, вона швидко старіє, розтріскується і згодом значно втрачає захисні властивості. Тому, відомий матеріал має низьку питому радіаційну ефективність, і відповідно, обмежену область застосування, тому що для забезпечення захисту від гамма-випромінювань необхідно збільшувати товщину як основного, так і додаткового шарів чи матеріалу, підвищувати зміст металу, що приведе до збільшення товщини і ваги відомого матеріалу, і зниженню його еластичності. Відомий матеріал, що захищає від проникаючого випромінювання (патент РФ № 2111559, МІЖ6 G21F 1/12, опубл. 20.05.98), що містить гумову основу і порошкоподібний металевий наповнювач. Наповнювач містить розмір часток і такий гранулометричний склад, що забезпечує максимальне упакування часток наповнювача в одиниці об'єму. У відомому матеріалі забезпечується еластичність і підвищення питомої радіаційної ефективності захисту за рахунок збільшення змісту металу шляхом оптимізації гранулометричного його складу. Для одержання еластичного матеріалу достатньої твердості і міцності застосовується порошкоподібний металевий наповнювач. При цьому можна одержати матеріал із щільністю від 0,9 до 1,6г/см 3. Таким чином, використання відомого рішення дозволяє при однаковій витраті металевого наповнювача зменшити товщин у матеріалу при збереженні його захисних властивостей і поліпшити його захисні властивості при збереженні товщини матеріалу. Тому застосовуючи металевий порошкоподібний наповнювач можливо одержати матеріал із заданими фізико-механічними показниками. Однак, матеріал з метало-властивим шаром на основі гуми неефективний для захисту від радіоактивного випромінювання, тому на основі гуми неможливо одержати матеріал з високими фізико-механічними характеристиками, що забезпечують надійний захист від радіоактивного випромінювання. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, є радіаційно-захисний шаруватий матеріал (патент РФ № 2156509, МІЖ7 G21F 1/00, В32В 5/30, опубл. 20.09.00), що містить щонайменше один шар тканого матеріалу і шари еластичного матеріалу, армовані порошкоподібним наповнювачем. Шари еластичного матеріалу розміщаються між шарами тканого матеріалу. Кожен шар еластичного матеріалу виконаний із продукту полімеризації діметілсилоксанового каучуку в якості єднального, металоорганічного з'єднання з групи солей органічних кислот і олова, як каталізатор холодного затвердіння, порошкоподібного наповнювача, що містить суміш оксидів рідкісноземельних елементів, оксиду ітрію і сурми. Кожен шар еластичного і тканого матеріалів додатково покривається частково випаровується шаром металоорганічного з'єднання з групи солей органічних кислот і олова. Відомий матеріал має малотоксичний склад і еластичність, необхідну для виготовлення одягу для захисту персоналу рентгенівських установок. Істотним недоліком відомого матеріалу є велика кількість компонентів і коригувальних добавок. Крім того недостатньо високий захисний еквівалент щодо фактичної захисної товщини рідкісноземельного елемента змушує збільшува ти товщин у матеріалу за рахунок збільшення кількості еластичних шарів. Збільшення кількості шарів у матеріалі приводить до зменшення ефективності його захисних і еластичних властивостей через порушення однорідності структури. Також розташування еластичних шарів між шарами тканого матеріалу не забезпечує захисний еквівалент відповідний загальній товщині отриманого матеріалу. Застосування дорогої добавки у вигляді олова і нанесення для цього додаткового шару, а також нанесення декількох шарів еластичного матеріалу на одну сторону тканого матеріалу і з'єднання шарів тканого матеріалу не дозволить найбільш повно задовольнити вимогам для радіаційно-захисних конструкцій, таким як£ щільність-товщина, простота технології виго товлення, зручність застосування і вартість. У результаті відомий матеріал має вузьку область застосування. Відомий спосіб виготовлення радіаційно-захисного шаруватого матеріалу (А. С. СРСР № 1492988, МПК4 G21F1/10, опубл. 30.04.88), що передбачає введення в епоксидну смолу з'єднання металевого дрібнодисперсного порошку, перемішування й затвердження суміші. Епоксидну смолу нагрівають до 200-210°С, потім уводять, постійно перемішуючи, мураши но-кислий свинець у вигляді дрібнодисперсного порошку, витримують при тій же температурі протягом 10-15 хв., потім додають при постійному перемішуванні борний ангідрид у вигляді дрібнодисперсного порошку і ви тримують суміш при тій же температурі протягом 20-30 хвилин. Основний недолік відомого способу виготовлення радіаційнозахисного матеріалу є те, що для з'єднання полімеру з іншими матеріалами необхідні спеціальні технології, що відрізняються підвищеною складністю. Тому, відомий спосіб, що вимагає послідовного нанесення і склеювання декількох шарів, ускладнює і робить більш трудомісткої технологію виготовлення радіаційно-захисного матеріалу. Істотним недоліком відомого способу є те, що стадію отвердіння і витримування такого матеріалу проводять при підвищених температурах. У результаті різниця коефіцієнтів теплового розширення між двома видами матеріалів підвищення температури до 200-210°С приводить до утво рення тріщин і деформацій. Тому до недоліків відомого способу варто віднести його низьку тер мостабільність. Це викликано тим, що температура плавлення свинцевих солей жирних кислот складає 80-115° С, а температура плинності полістирольної матриці близько 200°С Через різний градієнт температур плавлення наповнювача полімеру при нагріванні відомого матеріалу вище 80°С в його структурі спостерігаються значні внутрішні напруження, що приводить до збільшення структурної неоднорідності матеріалу. Тому відомий спосіб не забезпечує одержання матеріалу якість і еластичність якого задовольняє вимогам пропонованим для виготовлення захисних виробів. Застосування з'єднання свинцю сприяє виділенню токсичних з'єднань у процесі виробництва й експлуатації отриманих виробів. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, є спосіб виготовлення радіаційнозахисного шаруватого матеріалу (п. РФ № 2156509, МІЖ 7 G21F1/00, В32В5/30, опубл. 20.09.00), що включає нанесення щонайменше на один шар тканого матеріалу шарів еластичного матеріалу, армованих порошкоподібним наповнювачем з наступним отвердінням кожного шару. Перший еластичний шар наносять на шар тканого матеріалу, а наступні шари еластичного матеріалу наносять один на одний з однієї сторони тканого матеріалу. Отвердіння в нормальних умовах до зволить виключити недоліки, властиві аналогу. Однак за рахунок нанесення кожного наступного шару після затвердження попереднього зростає тривалість технологічного процесу. Крім того, відомий спосіб є складним і трудомістким, через нанесення еластичного матеріалу з однієї сторони тканого матеріалу, потім з'єднання з наступним шаром тканого матеріалу і нанесення наступних шарів на другий шар тканого матеріалу і т. п. В основу першого з групи винаходів поставлена задача одержання радіаційно-захисного шаруватого матеріалу за рахунок виконання кожного наступного шару зі збільшенням гранулометричного складу наповнювача і розміщення шарів з однаковим складом наповнювача з двох сторін тканого матеріалу, що дозволяє знизити товщину і щільність одержуваного матеріалу при збереженні високих експлуатаційних характеристик, що забезпечують розширення області його застосування. В основу другого з групи винаходів поставлена задача виготовлення радіаційно-захисного шаруватого матеріалу за рахунок послідовного нанесення на тканий матеріал одночасно двох шарів з наповнювачем однакового гранулометричного складу, що дозволяє спростити спосіб нанесення шарів і наносити визначену їхню кількість, що забезпечує одержання матеріалу заданої якості. Перша поставлена задача вирішується тим, що радіаційно-захисний шаруватий матеріал, що містить, щонайменше, один шар тканого матеріалу і шари еластичного матеріалу, армовані порошкоподібним наповнювачем, відповідно до винаходу, гранулометричний склад наповнювача першого шару має частки розміром від 1 до 9,0мкм, а другого - від 9,0 до 100мкм, при цьому шар з однаковим гранулометричним складом наповнювача розміщений із двох сторін тканого матеріалу. У якості порошкоподібного наповнювача використана дисперсна метало-властива суміш. Армування еластичного шару дисперсною метало-властивою сумішшю з гранулометричним складом часток розміром 1-9,0мкм забезпечує формування на тканому матеріалі першого шару, що має більш дрібні частки суміші. Армування дисперсною метало-властивою сумішшю з гранулометричним складом часток розміром 9,0100мкм, забезпечує максимальне упакування більш великих часток суміші в одиниці об'єму, за рахунок чого відбувається утворення однорідної композиційної структури, що сприяє підвищенню однорідності шаруватого матеріалу. За ра хунок збільшення гранул порошку в наступному шарі відбувається утворення агрегативностійкої системи, забезпечується проникнення одного шару в іншій на границі їхньої взаємодії, що запобігає розшарування матеріалу при його затвердженні. За рахунок щільності укладання часток дисперсної метало-властивої суміші, забезпечується збільшення вмісту металу в матеріалі при зниження його щільності, що обумовлює зменшення товщини отриманого матеріалу. Уведенням визначеного гранулометричному складу наповнювача в кожен шар еластичного матеріалу досягається підвищення адгезийной і когезийной сил зчеплення, що у свою чергу забезпечує високу якість матеріалу при збереженні необхідної гнучкості. У результаті пропонованого рішення можливо одержувати радіаційнозахисний матеріал з високими фізико-механічними і фізико-хімічними характеристиками, що забезпечує захист від заданого рівня радіоактивного випромінювання, що і приведе до розширення діапазону його застосування. Збільшення гранулометричного складу дисперсної метало-властивої суміші від заявленого граничного значення діапазону в кожному шарі еластичного матеріалу приведе до підвищення крихкості отриманого матеріалу, а зменшення заявленого граничного розміру дисперсних часток в обох шарах приведе до зниження його міцності і радіаційно-захисних властиво стей та втрати еластичності. За рахунок одержання однорідної композиційної структури, щонайменше, з двох шарів армованого еластичного матеріалу, що відрізняються гранулометричним складом дисперсної метало-властивої суміші на основі одного шару тканого матеріалу, забезпечується створення матеріалу, що відрізняється значним зменшенням щільності і високих фізико-механічних властивостей, що забезпечує захисні властивості матеріалу і розширення області його застосування. Використання в пропонованому матеріалі в якості основи склотканини підвищує механічну міцність матеріалу, а також його надійність (термостійкість склотканини складає 900°С.) Отже, виконання шарів з матеріалів одного класу різної дисперсності дозволяє одержувати новий матеріал на основі тканого матеріалу з висо кими фізико-механічними параметрами, що забезпечують одержання матеріалу заданої еластичності і відповідним рівнем радіаційного захисту. Крім того в порівнянні з відомим, що заявляється матеріал більш технологічний. Друга поставлена задача вирішується тим, що спосіб виготовлення радіаційно-захисного шаруватого матеріалу, що включає нанесення на шар тканого матеріалу декількох шарів еластичного матеріалу, армованих порошкоподібним наповнювачем і отвердіння кожного шару, відповідно до винаходу, кожен шар наносять на тканий матеріал одночасно з двох сторін шляхом послідовного його занурення спочатку в псевдорідкий еластичний матеріал, армований наповнювачем з гранулометричним складом часток розміром від 1 до 9,0мкм, а потім в армований наповнювачем з гранулометричним складом часток розміром від 9,0 до 100мкм, причому перший шар наносять у кількості 8-12% від маси тканого матеріалу, а другий шар - у співвідношенні 1 : 3 до першого. У якості порошкоподібного наповнювача використовують дисперсну метало-Властиву суміш. Отвердіння кожного шару матеріалу проводять при поступовому підвищенні температури від 70° С до 90°С. Спосіб виготовлення радіаційно-захисного шаруватого матеріалу, що передбачає нанесення шарів еластичного матеріалу на шар тканого матеріалу шля хом занурення її дозволяє наносити шари еластичного матеріалу, армовані дисперсною метало-властивою сумішшю, одночасно з двох її сторін. Послідовність нанесення кожного шару і режим поступового підвищення температури забезпечує поліпшення процесу отвердіння, що позитивно позначається на якості матеріалу. Занурення в «киплячий» шар армованого еластичного матеріалу забезпечує перетворення цього матеріалу в «псевдо-рідину», що дозволяє дисперсної метало-властивій суміші знаходитися в зваженому стані, за рахунок чого скорочується час і поліпшується процес формування кожного шару одночасно з двох сторін тканого матеріалу .За рахунок перемішування армованого еластичного матеріалу забезпечується укладання дисперсних часточок метало-властивої суміші в кожнім шарі, прискорюються поліпшуються умови їхньої взаємодії з поверхнею і забезпечується взаємодія із шаром тканого матеріалу. Нанесення наступних шарів у «киплячому» шарі армованого еластичного матеріалу/забезпечує надійне зчеплення часточок на молекулярному .рівні еластичних шарів між собою шляхом проникнення їх один в одний і цим забезпечується монолітність одержуваного матеріалу. Зменшення кількості першого шару менше 8 % від маси тканого матеріалу, а кількості другого - менше 28% приведе до зниження адгезії і різкому зниженню радіаційно-захисних характеристик готового матеріалу. При збільшення кількості першого шару понад 12 %, а другого - понад 32 % підвищується крихкість і також знижується радіаційно-захисні характеристики готового матеріалу. Здійснення затвердження матеріалу при східчастому підвищенні температури від 70° С до 90° С дозволяє забезпечити і прискорити процес одержання однорідного композиційного шаруватого матеріалу з заданими фізико-механічними властивостями і необхідними питомими характеристиками радіаційного поглинання. Нагрівання температури до 90° С полегшує умови режиму отвердіння і дозволяє одержати матеріали високої якості, знизити трудовитрати, скоротити час отвердіння, полегшити умови технологічного процесу, забезпечити проведення однакового режиму для кожного шару матеріалу, утвореного шарами з різним гранулометричним складом метало-властивої суміші і, таким чином, забезпечити розширення області використання радіаційно-захисного матеріалу. Крім того, насичення тканого матеріалу дисперсною метало-властивою сумішшю шля хом простого занурення в розчинах дозволяє спростити спосіб одержання радіаційно-захисного шаруватого матеріалу, для одержання якого суміші виготовлюються окремо, а їхнє нанесення не вимагає складного спеціалізованого устаткування. Пропонований спосіб економічний і технологічний. Шаруватий матеріал, дозволяє реалізувати якісно новий ефект - одночасне зниження товщини і щільності захисного матеріалу. Одночасне зниження товщини і щільності шаруватого матеріалу дозволяє перебороти основне протиріччя при створенні ефективного компактного захисту від рентген- і гама-випромінювання. Матеріал, одержаний пропонованим способом, має високу якість, стійкість до радіоактивного випромінювання і його можна використовувати для захисту,, як від рентгенівського, так і гамма-випромінювань, і тим самим розширити область його застосування. Спосіб реалізується таким чином. Спосіб виготовлення радіаційно-захисного шаруватого матеріалу включає етап попередньої підготовки компонентів. Готують вихідні компоненти. Як основу для просочення використовують тканий матеріал. Як еластичний матеріал використовують епоксидну смолу ЭДТ-10П с добавкою, що модифікує, ПВТ-У (ТУ 48-19352-83) (можуть бути використані синтетичні полімери типу поліуретанів, синтетичних каучуків, фенолформальдегідних смол, епоксидних смол і композицій на їхній основі). В одній ємності змішують еластичний матеріал з дисперсною метало-властивою сумішшю, гранулометричний склад якої складає від 1 до 9,0мкм. Дисперсний порошок додають невеликими порціями. В іншій ємності змішують еластичний матеріал з дисперсною метало-властивою сумішшю, гранулометричний склад часток якої беруть у межах від 9,0 до 100мкм. Сюди також додають порошок невеликими порціями. Рулон тканини закріплюють на машині для просочення. В обох ємностях установлюють колектори для подачі в них стиснутого повітря для того, щоб метало-властива суміш знаходилася в зваженому стані, тобто стані «кипіння». Спочатку тканину занурюють у першу ємність. Просочення проводять при швидкості 30-40м/сек. Потім здійснюють східчасте сушіння з витримкою в трьох температурних зонах. Перша зона - температура 70°С, друга - 80°С, а третя - 90°С. Час витримки залежить від товщини матеріалу і для першого шару визначається насиченням армованим еластичним матеріалом у кількості 8-12% від маси тканини. Після отвердіння отриманий матеріал занурюють у другу ємність. Час витримки для другого шару залежить від насичення армованим еластичним матеріалом у кількості 28-32% від маси тканини. Після насичення здійснюють сушіння наступного шару шляхом східчастого підйому температури до 90° С. По мірі вироблення еластичного матеріалу, його доповнюють порціями попередньо приготовленої суміші, перемішуючи перед кожним додаванням. Таким чином, авторами пропонується триступінчастий режим одержання матеріалу на основі будь-якого еластичного матеріалу (епоксидної смоли, фенол-формальдегідної смоли й ін.), що дозволяє одержати практично якісні композиційні матеріали зі ступенем твердіння не нижче 96 %, без повітряних включень, короблень і розшарувань, скоротити час отвердіння матеріалу, полегшити умови формування, забезпечити проведення однакового режиму для різних по гранулометричному складу наповнювача матеріалів і, таким способом забезпечити високу якість, армованих порошкоподібними наповнювачами еластичних пластиків. У таблиці 1 приведені показники фізико-механічних властивостей радіаційно-захисного шаруватого матеріалу в залежності від гранулометричного складу кожного армованого еластичного шару ви хідної компози-ци, отримані на дослідних зразках . Таблиця 1 Компонент 1 Склад, мас. % 2 3 4 5 І шар: гранулометричний склад, 1 3 5 7 9 дисперсного метало-властивого наповнювача, мкм II шар: гранулометричний склад, мкм 9 30 50 70 100 щільність, кг/м 3 1630 1600 1610 1620 1640 коефіцієнт температуропроводності, 0,595 0,58 0,585 0,595 0,6 м 2/годину 10-3 10-3 10-3 10-3 10-3 Оптимальний зміст армованої еластичної суміші, % І шар 7 8 10 12 13 II шар 27 28 31 32 33 З таблиці 1 видно, що щільність і коефіцієнт температуропроводності матеріалу мають найменші значення в заявлених межах гранулометричного складу дисперсного метало-властивого наповнювача. На підставі даних таблиці можна зробити висновок, що зміна значень заявленого діапазону гранулометричного складу кожного шару і співвідношень їхніх мас істотно погіршує процеси просторового структур ування отриманого шаруватого матеріалу і щільність укладання сегрегованої шляхом перемішування дисперсної метало-властивої суміші в кожнім шарі матеріалу. При відхиленні від цих значень значно знижується якість зчеплення шарів з еластичного матеріалу, армованого дисперсною метало-властивою сумішшю між собою і тканим матеріалом і, відповідно, погіршується якість самого матеріалу, тому що погіршуються фізико-механічні показники, що видно з приведеної вище таблиці. Пропонований радіаційно-захисний шаруватий матеріал, виготовлений пропонованим способом має щільність 1,6г/см 3 та високу термостійкість. Таким чином, у порівнянні з прототипом пропонований матеріал забезпечує високу міцність аномально високі поглинаючі властивості при низькій щільності. Технологія виготовлення матеріалу екологічно чиста, відрізняється простотою, унаслідок чого скорочується тривалість технологічного процесу, трудомісткість і трудовитрати, а також витрата дефіцитних матеріалів. Використання зазначеного матеріалу і спосіб його виготовлення дозволяє одержувати радіаційно-захисний матеріал по заздалегідь заданій товщині і масі (ваги), наносити необхідну кількість шарів і отримувати матеріал високої якості з фізико-механічними характеристиками, що забезпечує необхідний рівень радіаційного захисту.