改性钆/硼/聚乙烯纳米复合材料的制备及对中子和伽马射线的屏蔽性能

doi:10.7503/cjcu20220039

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 20220039.doi: 10.7503/cjcu20220039

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改性钆/硼/聚乙烯纳米复合材料的制备及对中子和伽马射线的屏蔽性能

赵盛¹^,², 霍志鹏¹(), 钟国强¹, 张宏¹, 胡立群¹

^1.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 合肥 230031
^2.中国科学技术大学, 合肥 230026

收稿日期:2022-01-15 出版日期:2022-06-10 发布日期:2022-03-20
通讯作者: 霍志鹏 E-mail:zhipeng.huo@ipp.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21777165);中国科学院合肥大科学中心“高端用户培育基金”(2020HSC-UE012);聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)项目(2018-000052-73-01-001228);能源研究院(安徽省能源实验室)项目(21KZL401)

Preparation of Modified Gadolinium/Boron/Polyethylene Nanocomposite and Its Radiation Shielding Performance for Neutron and Gamma-ray

ZHAO Sheng¹^,², HUO Zhipeng¹(), ZHONG Guoqiang¹, ZHANG Hong¹, HU Liqun¹

^1.Institute of Plasma Physics，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China
^2.University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2022-01-15 Online:2022-06-10 Published:2022-03-20
Contact: HUO Zhipeng E-mail:zhipeng.huo@ipp.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21777165);the Users with Excellence Program of Hefei Science Center of Chinese Academy of Sciences(2020HSC-UE012);the Comprehensive Research Facility for Fusion Technology Program of China(2018-000052-73-01-001228);the Institute of Energy(Hefei Comprehensive National Science Center), China(21KZL401)

摘要/Abstract

摘要：

采用偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)对纳米氧化钆(nanoGd₂O₃)表面进行包覆改性, 通过热压成型法制备了一种新型的改性纳米氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯(M-nanoGd₂O₃/B₄C/HDPE)复合材料. 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDS)分析结果表明, nanoGd₂O₃成功被偶联剂改性，且改性nanoGd₂O₃在聚乙烯基体内的界面相容性和分散性显著提高. 热重分析(TGA)、差示扫描量热分析(DSC)和力学拉伸实验表明, 改性nanoGd₂O₃的引入增强了复合材料的热稳定性, 提高了复合材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率. 对复合材料的中子和伽马射线屏蔽性能进行了实验测试和蒙特卡罗模拟计算, 研究了nanoGd₂O₃改性、材料形状和材料厚度对屏蔽性能的影响. 结果表明, 界面相容性和分散性优良的nanoGd₂O₃能够有效提高中子及伽马射线屏蔽率. 方形M-nanoGd₂O₃/B₄C/HDPE材料在厚度为11.7 cm时中子屏蔽率达到90%, 在厚度为13.5 cm时伽马射线屏蔽率达到70%.

关键词: 氧化钆, 偶联剂, 表面改性, 聚乙烯, 复合材料, 辐射防护

Abstract:

The surface of nano-sized gadolinium oxide（nanoGd₂O₃） was modified by the coupling agent， 3-（trimethoxysilyl）propyl methacrylate（KH570）， and a new type of nanocomposite（modified-gadolinia/boron carbide/polyethylene， M-nanoGd₂O₃/B₄C/HDPE） was prepared by the hot-pressing method. The results of Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）， scanning electron microscopy（SEM） and energy dispersive X-ray energy spectroscopy（EDS） show that the nanoGd₂O₃ was successfully modified by _{coupling reagent and the surface modification of nanoGd₂O₃ significantly improved the interfacial compatibility and dispersion in the polyethylene matrix. Thermogravimetric analysis（TGA）， differential scanning calorimetry（DSC） analysis and mechanical tensile tests showed that the modification of nanoGd₂O₃ improved the thermal stability， tensile strength， elongation at break and Young’s modulus of the composites. The neutron and gamma-ray shielding performance of the M-nanoGd₂O₃/B₄C/HDPE was studied by real tests and Monte Carlo simulation. The results showed that the modified nanoGd₂O₃with excellent interfacial compatibility and dispersion could enhance the neutron and gamma-ray shielding rate effectively. The square shape M-nanoGd₂O₃/B₄C/HDPE material could achieve a neutron shielding rate of 90% at thickness of 11.7 cm and a gamma-ray shielding rate of 70% at thickness of 13.5 cm.}

Key words: Gadolinium oxide, Coupling agent, Surface modification, Polyethylene, Composite, Radiation protection

中图分类号:

O614

TrendMD:

赵盛, 霍志鹏, 钟国强, 张宏, 胡立群. 改性钆/硼/聚乙烯纳米复合材料的制备及对中子和伽马射线的屏蔽性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220039.

ZHAO Sheng, HUO Zhipeng, ZHONG Guoqiang, ZHANG Hong, HU Liqun. Preparation of Modified Gadolinium/Boron/Polyethylene Nanocomposite and Its Radiation Shielding Performance for Neutron and Gamma-ray. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220039.

图/表 15

Fig.1 FTIR spectraof KH570(a), nanoGd2O3(b) and M?nanoGd2O3(c)(A) and TG curves of nanoGd2O3(a) and M?nanoGd2O3(b)(B)

Fig.2 EDS spectra of nanoGd2O3(A) and M?nanoGd2O3(B)

Fig.3 SEM images of nanoGd2O3 and nanoGd2O3/B4C/HDPE fracture surface（A） NanoGd2O3；（B） M-nanoGd2O3；（C） nanoGd2O3/B4C/HDPE；（D） M-nanoGd2O3/B4C/HDPE.

Fig.4 TGA(A) and DSC(B) curves of three kinds of materials

Fig.5 Stress?strain curves of three kinds of materials at the rate of 1 mm/min

Table 1 Results of tensile stress test for three kinds of materials

Material	Young’s modulus/MPa	Yield strength/MPa	Tensile stress/MPa	Elongation at break（%）
HDPE	511.39	5.40	13.23	13.5
nanoGd₂O₃/B₄C/HDPE	1281.78	8.12	15.37	8.2
M?nanoGd₂O₃/B₄C/HDPE	1357.90	9.26	17.40	8.8

Fig.6 Schematic diagram of shielding test devices for neutron(A) and gamma?ray(B)

Fig.7 Photographs of the M?nanoG2O3 /B4C /HDPE materials with different shapes

Fig.8 Standard energy spectrum of Cf?252 source(A) and energy spectrum after collimation of Cf?252 source(B)

Fig.9 Neutron energy spectrum on the surface of the detector（A） the neutron spectrum without shielding material；（B） the neutron spectrum under the composite with the thickness of 4.5 cm；（C） the neutron spectrum under the composite with the thickness of 15 cm.

Fig.10 Neutron and gamma?ray shielding rates of three kinds of materials

Fig.11 Real measured data and simulated results of neutron shielding tests

Table 2 Neutron shielding parameters of real measured data and SuperMC simulated results*

Material shape ＆ size	Required thickness of 50% shielding/cm	Required thickness of 80% shielding/cm	Σ/cm^-1	HVL/cm	R²
Circle（d=10 cm）	7.0	17.5	0.214	7.2	0.973
Circle（d=10 cm， SuperMC）	5.0	12.7	0.287	5.0	0.990
Square（15 cm×15 cm）	3.0	7.5	0.332	3.1	0.949
Square（15 cm×15 cm， SuperMC）	2.3	5.7	0.395	2.3	0.972

Fig.12 Real measured data and simulated results of gamma?ray shielding tests

Table 3 Gamma-ray shielding parameters of the real measured data and SuperMC simulated results*

Material shape & size	The required thickness of 50% shielding/cm	The required thickness of 70% shielding/cm	μ/cm^-1	μ_m/（cm²/g）	HVL/cm	R²
Circle（d=10 cm）	9.5	15.0	0.072	0.057	9.6	0.996
Circle（d=10 cm， SuperMC）	6.5	11.5	0.105	0.083	6.6	0.998
Square（15 cm×15 cm）	7.8	13.5	0.088	0.070	7.9	0.993
Square（15 cm×15 cm， SuperMC）	6.0	10.7	0.112	0.089	6.2	0.998

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