Способ приготовления композиционного материала для радиационной защиты

 

Сущность изобретения: способ приготовления композиционного материала для радиационной защиты включает смешение молотого стекла, жидкого стекла и наполнителя с последующим механоактивированием смеси. При этом тонкомолотое стекло с дисперсностью 40-50 мкм применяют в качестве неорганического связующего, а в качестве наполнителя используют тонкодисперсный железосодержащий гематитовый концентрат с размером частиц 40-50 мкм. Затем осуществляют увлажнение материала смесью воды и жидкого стекла с силикатным модулем 1,7-2,1, производят полусухое прессование материала под удельным давлением 300-400 кг/см², термообработку при 800-850^oС в течение 50-60 мин и отжиг в течение 7-8 ч. Преимуществами изобретения являются улучшение физико-механических характеристик материала, повышение радиационной защиты и стойкости материала, а также долговечность его использования. 3 табл.

Изобретение относится к области биологической защиты от ионизирующего излучения, а именно к способам приготовления композиционных материалов, используемых в атомной, радиохимической промышленности и военно-морском флоте.

Известен способ приготовления тяжелого бетона, заключающийся в смешении цемента, обычного песка, гематита и воды (см. Бродер Д.Л. и др. "Бетон в защите ядерных установок", М., АТОМИЗДАТ, 1973, с. 21).

Недостатком известного способа является то, что при использовании указанных заполнителей при изготовлении бетона в нем не сохраняется одна и та же плотность. Кроме того, материал не обладает оптимальным зерновым составом, от которого зависят удобоукладываемость и защитные свойства материала.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ приготовления композиции для защиты от радиации, изложенный в патенте RU 2105363, опубл. 20.02.1998, кл. G 21 F 1/02. В известном способе в барабан лопастной мешалки последовательно загружают расчетное количество жидкого стекла, добавок, молотых отходов оптического стекла и феррохромового шлака. Общее время перемешивания составляет 10-15 мин.

Недостатком известного способа является то, что получаемый продукт не обладает высокими защитными характеристиками, а также не обладает высокой радиационной стойкостью, и не может быть использован для долгосрочной защиты.

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение физико-механических характеристик материала, повышение радиационной защиты и стойкости материала, а также долговечность его использования.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в заявленном способе приготовления композиционного материала для радиационной защиты осуществляют смешение молотого стекла, жидкого стекла и наполнителя с последующим механоактивированием смеси. При этом тонкомолотое стекло с дисперсностью 40-50 мкм применяют в качестве неорганического связующего, а в качестве наполнителя используют тонкодисперсный железосодержащий гематитовый концентрат с размером частиц 40-50 мкм. Затем осуществляют увлажнение материала смесью воды и жидкого стекла с силикатным модулем 1,7-2,1, производят полусухое прессование материала под удельным давлением 300-400 кг/см², термообработку при 800-850^oС в течение 50-60 мин и отжиг в течение 7-8 ч, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Тонкомолотое стекло - 20-25 Гематитовый концентрат - 69,5-76,4 Вода - 3-5 Жидкое стекло - 0,5-0,6 В качестве железосодержащего сырья используют высокодисперсный гематитовый концентрат Яковлевского месторождения КМА с насыпной плотностью 2000 кг/м³ фракции 40-50 мкм, имеющий следующий химический состав (см. табл. 1).

Использование данного железосодержащего концентрата в качестве наполнителя при производстве композиционного материала для радиационной защиты обусловлено высоким содержанием железа. Кроме того, невысокое содержание оксида железа (FeO) до 2% свидетельствует о высокой степени окисления кварцитов (Fе₂О₃) до 96%, что относит их к самому высокому классу химической и радиационной стойкости материалов.

В качестве связующего при изготовлении композиционного материала для радиационной защиты используется тонкомолотое стекло, полученное из боя бутылочного стекла, с дисперсностью 40-50 мкм. Использование указанного компонента обусловлено его свойством образовывать при термообработке и последующем отжиге стеклокристаллический монолит. Это свойство позволяет получить материал высокой плотности (2800-3300 кг/м³), обладающий высокими физико-механическими характеристиками, значительной термической устойчивостью, водоустойчивостью. Отсутствие водной фазы в материале приводит к получению высокой радиационной стойкости.

При этом следует учитывать то, что при содержании стекла менее 20 мас.% происходит ухудшение радиационно-защитных свойств и физико-механических показателей. Превышение содержание молотого стекла в материале свыше 25 мас. % приводит к ухудшению радиационно-защитных характеристик из-за нарушения структуры материала вследствие высоких внутренних напряжений.

Применение жидкого стекла с силикатным модулем 1,7-2,1 в качестве модификатора обусловлено снижением пористости системы, что уменьшает водопоглощение, увеличивает физико-механические и радиационно-защитные характеристики.

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известного материалов в табл. 2.

Пример. 72,5 г железосодержащего гематитового концентрата дисперсностью 50 мкм тщательно перемешивают с 23 г тонкомолотого стекла в шаровой мельнице в течение 20 мин. Полученную смесь увлажняют смесью 4 г воды и 0,5 г жидкого стекла с силикатным модулем 2, закладывают в пресс-форму 5х5х5 см и прессуют методом полусухого прессования под удельным давлением 350 кг/см². Полученный материал подвергают термообработке в муфельной печи до температуры 850^oC (необходим плавный подъем температуры с режимом 10^oC/мин), выдерживают в течение 50 мин и отжигают в течение 7 ч до полного его остывания. Полученный образец обладает следующими характеристиками: плотность 3000 кг/см³, прочность на сжатие 750 кг/см², водопоглощение 3%, линейный коэффициент ослабления ионизирующего излучения (источник Pm¹⁴⁷ с энергией Е=120 кэВ) - 3,2, линейный коэффициент ослабления ионизирующего излучения (источник Cs¹³⁷ с энергией Е=120 кэВ) - 0,26, радиационной стойкостью 2 балла.

Результаты радиационно-защитных и физико-механических испытаний представлены в табл. 3.

Измерение радиационно-защитных свойств материалов осуществлялось 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 проводилось в государственном научном центре по сертификации строительных материалов и конструкций, аккредитованном в Госстандарте РФ "БелГТАСМ-сертификация".

Анализ данных, приведенных в табл. 3, показывает, что предлагаемый способ позволяет получить строительный материал для защиты от радиоактивного воздействия, обладающего высокими радиационно-защитными и физико-механическими характеристиками.

Формула изобретения

Способ приготовления композиционного материала для радиационной защиты путем смешения молотого стекла, жидкого стекла и наполнителя с последующим механоактивированием смеси, отличающийся тем, что применяют тонкомолотое стекло с дисперсностью 40-50 мкм, которое используют в качестве неорганического связующего, в качестве наполнителя используют тонкодисперсный железосодержащий гематитовый концентрат с размером частиц 40-50 мкм, осуществляют увлажнение материала смесью воды и жидкого стекла с силикатным модулем 1,7-2,1, производят полусухое прессование материала под удельным давлением 300-400 кг/см², термообработку при 800-850^oС в течение 50-60 мин и отжиг в течение 7-8 ч при следующем соотношении компонентов, мас. %: Тонкомолотое стекло - 20-25 Гематитовый концентрат - 69,5-76,4 Вода - 3-5
Жидкое стекло - 0,5-0,6

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3