Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THE NANOTUBULAR FILLERS OF HIGH-TEMPERATURE POLYMERS ABSORBING NEUTRONS

Matiukhin P.V. 1 Yastrebinskaya A.V. 1 Cherkashina N.I. 1 Koba V.V. 1
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
2626 KB
Among fibrous fillers the greatest interest is represented by nanotubular fillers on the basis of hydrosilicates of magnesium the structure and technology of receiving nanotubular fillers on the basis of magnesium hydrosilicates with the increased ability of absorption of neutron radiation Is developed. Depending on the quantity containing in the synthesized pine forest phase, products of hydrothermal synthesis possess various ability of absorption of thermal neutrons. The content of atoms of pine forest in the hrizotil makes from 9,5 up to 10,9 % of masses. Fibrous crystals are received from the furnace charge consisting of initial components in the ratio of MgO:SiO2:B2O3 = 2,4:0,1:1,5, with a pressure of 9,81∙106 Pa and temperature of 423 °K. At this temperature for completion of process of a serpentinization it is required three days in view of the fact that solubility of silicon dioxide is very small. At increase in temperature of reaction to 573  °К (pressure of 9,81∙106 Pa) reaction comes to the end in two hours.
the nanotubular filler
pine forest
hrizotit
receiving
properties

В качестве непрерывных армирующих наполнителей наиболее широко используют волокнистые нано-углеродные, графитовые, борные, карбидные, нитридные, оксидные, стеклянные, базальтовые и полимерные химические волокна – раздельно или в любом сочетании одного волокна с другим. Среди волокнистых наполнителей наибольший интерес представляют нанотрубчатые наполнители на основе гидросиликатов магния [1–11].

Анализ существующих проблем в области создания защиты космической ЯЭУ показал, что необходим принципиально новый подход к конструированию биологической защиты, позволяющий ослабить влияние ионизирующего излучения до установленных норм при меньшей массе защиты космической ЯЭУ [12–21].

В этом направлении наиболее перспективна разработка термостойких, высокопрочных радиационно-защитных композиционных материалов на основе термостойкой полимерной матрицы, армированной нанотрубчатыми волокнами с повышенной способностью поглощения нейтронов. На основе оценки широкого спектра российских и зарубежных литературных источников в качестве волокнистых наполнителей полимерной матрицы предложено использование нанотрубчатых наполнителей на основе гидросиликатов магния системы МgO – SiO2 – H2O, обладающих повышенными механическими и радиационно-защитными характеристиками по отношению к нейтронному излучению [22–34].

Цель исследования

Разработать состав и технологию получения нанотрубчатых наполнителей на основе гидросиликатов магния с повышенной способностью поглощения нейтронного излучения.

Материалы и методы исследования

Для получения нанотрубчатых наполнителей с повышенной способностью замедления нейтронов при синтезе волокон хризотила использовали добавки с содержанием кристаллизационной воды, в частности буру (Na2B4O7∙10Н2О) и кристаллогидрат двухвалентного железа (FeSO4∙7Н2О – железный купорос), а для поглощения тепловых нейтронов – борсодержащие соединения, в частности, борную кислоту.

Все образцы синтезированы из шихты, состоящей из смеси магния и кремниевой кислоты с соотношением компонентов 3:2. Исследованные образцы синтезировали при 673 °К, давлении водяного пара 9,81∙107 Па и суточной изотермической выдержке в присутствии различных добавок.

Для получения образца хризотила с содержанием буры брали 10–4 кг этой соли.

Результаты исследования и их обсуждение

Кривые ДТА и потери массы (ТГ) синтетических хризотилов, синтезированных с указанными добавками представлены на рис. 1.

Известно, что бор хорошо поглощает тепловые нейтроны и может изоморфно замещать кремний в минералах. В связи с этим нами синтезирован серпентин с более высокой способностью поглощения нейтронов.

В качестве исходных материалов для синтеза борсодержащего хризотила мы использовали оксид (или гидроксид) магния, кремниевую и борную кислоты. Синтез проводили при молекулярных сооношениях MgO:SiO22O3 = 1,5 – 2:1 – 0,1:0,1 – 1,5 (учитывая требование MgО:(SiO2 + B2O3) = 1,5, т.е., чтобы отношение окислов соответствовало таковому в серпентине), при температурах 423–573 °К, давлении 9,81∙106 – 2,45∙108 Па и продолжительности изотермической выдержки 2–72 часа. Полученный материал, в отличие от существующих серпентинов, содержит в своём составе бор. Принадлежность синтезированной фазы к серпентину доказывается результатам рентгеновского анализа.

В зависимости от количества содержащегося в синтезированной фазе бора, продукты гидротермального синтеза обладают различной способностью поглощения тепловых нейтронов.

Волокнистые кристаллы получены из шихты, состоящей из исходных компонентов в соотношении MgO:SiO2:B2O3 = 2,4:0,1:1,5, при давлении 9,81∙106 Па и температуре 423 °K. При этой температуре для завершения процесса серпентинизации требуется трое суток, ввиду того что растворимость кремнезёма очень мала. Транспортирующим агентом для кремнезёма в гидротермальных условиях служат как вода, так и пар, следовательно, чем больше воды в реакционном объёме автоклава при данной температуре, тем больше в ней растворено кремнезёма, но увеличение количества воды приводит к увеличению давления. При увеличении температуры реакции до 573 °К (давление 9,81∙106 Па) реакция завершается за два часа. Продукты реакции представлены на рис. 2. Содержание атомов бора в хризотиле составляет от 9,5 до 10,9 % масс.

mat1.wmf

Рис. 1. Кривые ДТА (T = 653 °К) и ТГ синтетических хризотилов, синтезированных с добавкой по отношению к массе шахты: 1–5 % FeSO4∙7Н2О; 2 – Na2B4O7∙10Н2О

mat2.tif

Рис. 2. Серпентин состава Mg6(OH)8SiB3O10. Синтез при 573 °К и 9,81∙106 Па в течение 2 час

Заключение

Разработан состав и технология получения нанотрубчатых наполнителей на основе гидросиликатов магния с повышенной способностью поглощения нейтронного излучения. В зависимости от количества содержащегося в синтезированной фазе бора, продукты гидротермального синтеза обладают различной способностью поглощения тепловых нейтронов. Содержание атомов бора в хризотиле составляет от 9,5 до 10,9 % масс.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 14-08-00325.