含碳化硼的吸收和屏蔽中子辐射涂料的研究

黄益平，冯惠生，梁 璐，徐 姣，张卫江
(天津大学化工学院，天津 300072)

目前核技术的应用已深入到国民经济的各个领域，成为现代社会不可缺少的组成部分[1]．同时，由核辐射产生的各种高能射线(如X 射线、γ射线及中子射线等)不但造成了一种新的环境污染(核污染)，还严重危害人体健康，因此，合理地控制和防护核辐射成为当前亟待解决的问题．由于中子射线具有能量大、穿透能力强等特点，对它的防护就显得尤为重要．核辐射防护涂料的应用则得到了极大的关注，其主要用于核反应堆、同位素试验室和易受放射性污染的建筑、装置和设备的内外表面保护．防中子辐射涂料的研制在一些发达国家均有开展，日本在此方面所做工作多，每年都有数十项技术申报专利，东丽、昭和电工、三菱人造丝和协和石油化工株式会社等大公司均拥有多项防中子辐射涂料方面的专利，而且仍在不断研究开发新的技术．目前，我国所用核辐射防护涂料多为溶剂型环氧树脂涂料．环氧树脂作为三大通用热固性树脂之一，以其优异的粘结性，良好的化学稳定性、耐腐蚀性和电绝缘性，而广泛应用于涂料、黏合剂和复合材料等各个领域[2]．另外环氧树脂是含氢量高的碳氢化合物，对快中子有良好的减弱能力．特别是环氧树脂对核辐射有较强的耐受力，在长期核辐射条件下，其物理机械性能相当稳定[3]．
随着核技术及工业的发展，人们发现碳化硼具有较高的热中子吸收能力，其中子俘获截面高，俘获能谱宽，仅次于鈼、衫、镉等少数几种元素．碳化硼之所以具有良好的热中子吸收能力，主要是因为其含有10B[4-5]．10B 是天然硼同位素的2 种稳定同位素之一，丰度为19.78%，对热中子的吸收截面为3,837 靶，而11B 仅为0.005 靶，10B 对热中子的吸收截面是作为中子防护材料混凝土的50 多倍．因此10B 具有很强的吸收中子能力，一般以元素硼、碳化硼或者硼酸盐的形式制成防护材料[6-8]，用于核电站中子射线的防护、中子武器的防护[9]以及癌症的治疗[10-11]．笔者考察了B4C/环氧树脂涂料的成膜条件及物理机械性能，讨论了不同辐射时间下B4C/环氧树脂基涂料的防中子辐射的性能．以环氧树脂为基体的新型中子屏蔽涂料，具有良好的耐腐蚀性、耐化学品性、优异的机械性能和中子屏蔽性能，固化后形成的涂膜很容易去除放射性污染，附着力好，稳定性高，便于核堆的多次装修，因此环氧树脂体系的新型中子屏蔽涂料研究和开发具有广大的发展前景．

1 实 验
1.1 样品制备
用环氧树脂分别与H-116 树脂、793 树脂以一定比例制成基体，再配备不同纯度的碳化硼制成样品，进行实验．
1.1.1 用H-116 树脂固化的空白样品及含碳化硼样品的制备
称取一定量的环氧树脂和H-116 树脂进行混合，在玻璃板上进行涂膜，固化制取空白样品；按比例称取一定量的环氧树脂和碳化硼进行充分搅拌混合，加入H-116树脂进行固化涂膜，在室温下固化7,d，得到样品．用同样的方法分别配制含碳化硼15%、30%、45%、60%和75%的样品．
1.1.2 用793 树脂固化的空白样品及含碳化硼样品的制备
将环氧树脂与793 树脂按比例进行混合，在玻璃板上进行涂膜，固化制取空白样品；按比例称取一定量的环氧树脂与碳化硼进行搅拌混合，加入793 树脂进行固化涂膜，记录配样时间．按同样的方法分别配制含碳化硼15%、30%、45%、60%和75%的样品，分别对其采取3 种固化方式：①在室温固化7 d；②在室温下固化1,h 后用烘箱在60,℃下固化3,h；③在室温下固化1,h 后用烘箱在60,℃固化3,h，再匀速升温至120,℃，恒温固化3,h．
1.1.3 中子射线防护性能测定的样品制备
将混合物在聚酯薄膜上做成不同厚度的涂膜，然后在设定的温度和时间烘烤．对同一块涂膜取不同的测量厚度进行试验，而样品厚度平均误差不超过3%．
1.2 实验原理
1.2.1 屏蔽中子辐射涂料的机械性能测试
1) 硬度的测定
本实验采取摆杆硬度测定法测定涂料的硬度．摆杆法测定硬度原理是接触涂膜的摆杆以一定周期摆动，涂膜越软，则摆杆的振幅衰减越快．GB/T 1730—93 中的A 法，摆杆有科尼格摆和珀萨兹摆2 种．GB/T 1730—93 的B法采用双摆，测试前从5°～2°的摆动时间应校正到334～406 s，结果以涂膜表面的阻尼时间与玻璃表面的阻尼时间比值表示．采用GB/T 1730—93 中规定的双摆杆阻尼试验仪测量涂膜抵抗压凹变形的能力．在规定的条件下，以一定质量的摆杆在涂膜上摆动一定的振幅所需要的时间与摆杆在玻璃板上摆动同样的振幅所需时间的比值来表征硬度性能．
2) 抗冲击性的测定
冲击强度试验涂膜在高速重力作用下的抗瞬间变形而不开裂、不脱落的能力，它综合反映了涂膜柔韧性和对底材的结合力．GB/T 1732—93 中，冲击试验器的重锤质量是(1 000±1) g，凹槽直径(15±0.3)mm，冲头进入凹槽深度(2±0.1),mm，重锤大滑落高度50,cm．以N·cm 表示．各国的冲击试验器的重锤质量和高度均不相同，其中ISO 6272—1993 则定义为重锤试验，重锤1,kg，高度1,m．试验后的质量评定一般采用4 倍放大镜观察有无裂纹和损坏，但对于及其微细的裂纹较难观察，有些则采用CuSO4 水溶液润湿15,min 后，观察有无铜或铁锈色来规定．采用GB 1732—79(88)中规定的冲击试验仪，以(1,000±1),g 的重锤落在涂膜样板，使涂膜经受瞬时的伸长形变而不引起破坏的大高度表示抗冲击性能，其值为重锤质量与高度的乘积，单位为kg·cm．
3) 附着力的测定
附着力是指涂膜对底材物理化学作用的结合力总和．测试分为直接法和间接法．直接法主要是拉开法，测量把漆膜从底材表面刮下来所需的力．间接法如划痕硬度、冲击强度、柔韧性等都表现出涂膜的附着力，但一般专用划格和划圈法来测量涂膜附着力．划圈法是用划圈附着力测定仪，施加载荷至划针能划透漆膜，均匀地划出圆滚线．在圆滚线内分7 个区，分别表示附着力的7个等级，1 级好，7级差．本试验采用的是划圈法，按GB/T 1720—79(89)中规定的附着力测定仪，在样板上划出圆滚线，按圆滚线划痕范围内的漆膜完整程度来评定等级．
4) 柔韧性的测定
按GB/T 1731—93 柔韧性测定器有一套粗细不同的钢制轴棒，做弯曲180°，检查漆膜干裂与否，以不发生漆膜破坏的小轴棒直径表征柔韧性能．此项测定结果是漆膜弹性、塑性和附着力的综合体现，并受测试时的形变时间与速度影响．本试验采用了GB/T 1731—93 中规定的轴棒测定器，轴棒的曲率半径分别为0.5,mm、1,mm、1.5,mm、2,mm、2.5,mm、5,mm 和7.5,mm．将涂漆的马口铁板在轴棒上弯曲，以其弯曲后不引起漆膜破坏的小轴棒的直径来表示．