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

doi:10.7503/cjcu20220039

Abstract

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

CLC Number:

O614

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220039.

Figures/Tables 15

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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

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

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

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

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