Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

USING HIGHLY DISPERSED ALUMINUM OXIDE FOR THE SYNTHESIS OF RADIATION-RESISTANT POLYMER COMPOSITES

Yastrebinsky R.N. 1 Samoilova Y.M. 1 Pavlenko V.I. 1 Demchenko O.V. 1
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
2585 KB
The analysis of the materials used in the nuclear and space industries. It is shown that the polymer materials as compared with metals, have low mass and are more affordable raw materials. However, under the influence of space radiation are more susceptible to degradation, rather than metal, but metal under the influence of electron irradiation produces secondary gamma radiation, and polymers such problem does not exist. Therefore, this paper presents a study on the synthesis of composites based on polymer matrix and filler metal. The template was used high density polyethylene, and a filler – finely divided alumina obtained by sol-gel technology. For compatibility with the matrix excipient its modified silicone compound. It is found that a composite containing a 70 % filler has a high resistance to factors simulated space. The weight loss of the composite after exposure to vacuum ultraviolet has not exceeded 1 %, which is consistent with the regulations on products of space technology.
highly dispersed
aluminum oxide
polystyrene composite vacuum ultraviolet

В настоящее время развитие атомной энергетики идет огромным темпом. Рост потребности в энергии при ограниченных ресурсах и плохой экологии в мире делает актуальной проблемой развития новых технологий, направленных на управление ядерными технологиями. В тоже время активно развивается направление по разработке новых радиационно-стойких материалов ядерной энергетики. Под влиянием ионизирующего излучения на материалы происходят структурные изменения в них – радиационные дефекты, которые ухудшают работоспособность материалов, или полностью их разрушают [1, 6, 7, 11, 13, 24, 27, 30].

Особенно сложно разрабатывать радиационно-защитные материалы, которые планируется использовать в космосе. Кроме ионизирующего излучения в космосе действует ряд негативных факторов, которые выводят из стоя различные элементы космического корабля, нарушая его работоспособность. Поэтому перспективным является направление по разработке радиационно-стойких и радиационно-защитных материалов, которые могут найти свое применение в космической промышленности.

В последнее время много внимания уделяется разработке полимерных материалов, используемых в космическом пространстве. Как известно, полимерные материалы по сравнению с металлами обладают малой массой и являются более доступным сырьевым материалом. Однако, под воздействием космического излучения они более подвержены деструкции, нежели чем металлы, зато металлы под воздействием электронного облучения создают вторичное гамма-излучения, а для полимеров такой проблемы не существует [10, 14, 15, 19, 28]. Поэтому создание композитов на основе полимерной матрицы и металлического наполнителя позволит создавать новые материалы, обладающими совершенно новыми уникальными свойствами. Кроме того варьируя количество наполнителя создается возможность управлять функциональными свойствами разработанного композита [2, 5, 8, 9, 20, 22, 23, 25, 31, 32]. Известны способы синтеза полимерных композитов, которые позволили создать материалы стойкие к самому негативному фактору космоса, влияющего именно на полимеры – атомарному кислороду [12]. Применение кремнийорганических наполнителей позволяет создавать материалы устойчивые к вакуумному ультрафиолету [3, 4, 17, 16, 18, 26].

Металлические наполнители, используемые для синтеза полимерных композитов, могут быть различного химического состава – это металлы, их оксиды или соли. Размер наполнителя в данном случае играет сильную роль. Применение высокодисперсных частиц позволяет получить материалы с совершенно другими электрофизическими и физико-механическими свойствами [21, 29].

В данной работе представлены данные по разработке технологии получения радиационно-стойких полимерных композитов на основе полимерной матрицы и модифицированного высокодисперсного порошка оксида алюминия.

Цель исследования

Изучить возможность создания радиационно-стойких полимерных композитов на основе полимерной матрицы и модифицированного высокодисперсного порошка оксида алюминия для возможности использования их в условиях космоса.

Материалы и методы исследования

Синтез высокодисперсного порошка оксида алюминия проводили по золь-гель технологии. Исходным реагентом был хлорид алюминия марки А-1 (бесцветные кристаллы с размером частиц мене 1 мм).

В качестве матрицы использовали полиэтилен низкого давления (ПНД). Полиэтилен низкого давления характеризуется хорошей ударной прочностью и большей теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом высокого давления. Кроме того, он обладает отличными диэлектрическими характеристиками, что необходимо в условиях космоса.

Облучение синтезированных композитов проводили в специализированной установке, имитирующей околоземное космическое пространство: вакуум (давление не более 10-3 Па); температура – 150 °С до + 150 °С, ионизирующее излучение (вакуумный ультрафиолет с длиной волны λ = 90…115 нм, интенсивность 0,5 Вт/м2) (рис. 1).

jstr1.tif

 

Рис. 1. Схема специализированной установки, имитирующей условия околоземного космического пространства

jstr2.wmf

Рис. 2. Зависимость потери массы полученного композиционного материала от времени выдержки в специализированной камере

 

Результаты исследования и их обсуждение

Синтез высокодисперсного порошка оксида алюминия проводился в несколько этапов:

I. Растворение хлорида алюминия в водном растворе:

AlCl3 + H2O→[Al(OH2)6]3+

II. Получение белого осадка гидроксида алюминия, обладающего аморфной структурой:

[Al(OH2)6]3+ + ОН– = [Al(ОН)(OH2)5]2+ + Н2О

[Al(ОН)(OH2)5]2+ + ОН– = [Al(ОН)2(OH2)4]+ + Н2О

[Al(ОН)2(OH2)4]+ + ОН– = [Al(ОН)3(OH2)3]0 + Н2О

[Al(OH2)6] 3++3 ОН– = Al(OH)3↓

III. Получение оксида алюминия нагреванием его гидроксида:

Al(OH)3 (t > 1000 °C) → Al2O3

Полученный порошок представлял собой высокодисперсный порошок белого цвета с плотностью 3,9 г/см3. Для совместимости металлического порошка с полимерной матрицей с его модифицировали кремнийорганическим соединением – ГКЖ-11 (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость), которое придало оксиду алюминия гидрофобные свойства. Модифицирование наполнителя позволило ему равномерно распределиться в матрице, не создавая конгломератов.

Далее методом горячего прессования были получены образцы полимерных композитов с 70 % содержанием модифицированного наполнителя. Полученные образцы композитов подверглись облучению вакуумному ультрафиолету в течении 24 часов при обычной (комнатной) температуре 20 °С и при повышенной 125 °С. После каждых 3-х часов обработки в камере проверяли потерю массы. Зависимость потери массы полученного материала от времени выдержки представлено на рис. 2.

Зависимость потери массы синтезированного композита в процессе облучения приобретает пологий характер и как видно из рис. 1 кинетические кривые потери массы с ростом времени все более замедляются, а к 15 часам композиты при всех видах воздействия практически прекращают терять вещество.

Для изделий космической техники рекомендуется применять полимерные материалы, которые имеют общую потерю массы при воздействии ВУФ не более 1 % в течение 24 часов согласно ГОСТ Р 25645.338–96. Потеря массы для всех исследованных материалов не превысила допустимого предела при обычной температуре 20 °С и составила 0,45 мас. %, а также при повышенной температуре 125 °С – 0,78 мас. %. Это говорит об устойчивости разработанного полимерного композита к агрессивным воздействиям космоса.

Заключение

Авторами рассмотрена возможность синтеза полимерных композитов на основе полиэтилена низкого давления и высокодисперсного металлического порошка оксида алюминия. Представлен синтез высокодисперсного оксида алюминия по золь-гель технологии. Представлена возможность модифицирования оксида алюминия кремнийорганическим соединением – ГКЖ-11 (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость). Модифицирование наполнителя позволило ему равномерно распределиться в матрице, не создавая конгломератов. Установлено, что композит, содержащий в себе 70 % наполнителя обладает высокой стойкостью к факторами, имитирующим космическое пространство. Потеря массы композита после воздействия вакуумного ультрафиолета не превысила 1 % , что согласуется с нормативными документами по изделиям космической техники.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.