专利名称：用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于空间质子辐射防护的复合材料及其制备方法和应用的领域。
背景技术：
对于航天器的设计，空间质子辐射防护材料一直以来是重要的研究课题，传统的辐射防护材料以铝为主。为了达到防辐射效果，必须增加铝防护层的厚度，从而使航天器的重量增加，航天器轻量化问题一直是设计师们关注的热点问题。研究表明，含氢轻元素在抵抗辐射损伤方面比重元素更加有效，也就是说辐射防护效率随着原子序数的降低呈增加趋势。理论上，液氢具有最好的防护效率，但是实际应用时并不可行，可以将材料的含氢量作为衡量材料防护效率的一个标准。聚乙烯分子中含有一个碳原子、两个氢原子，具有非常高的氢含量，因此具有较高的辐射防护效率。然而，在现有的辐射防护材料方法制备得到的在聚乙烯辐射防护材料时，由于其热稳定性较差，严重制约其使用范围。
发明内容
本发明是要解决现有的辐射防护材料方法制备得到的辐射防护材料，铝防护层存在密度大而导致使用的重量大，采用聚乙烯材料做为辐射防护材料时存在着由于其热稳定性较差，严重制约其使用范围的问题，而提供了用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料及其制备方法和应用。用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料，按重量份数是由I份^lOO份的聚乙烯树脂、I份 50份的碳纳米管和0.5份 20份的偶联剂制备而成。用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的:—、按重量份数称取I份 100份的聚乙烯树脂、I份 50份的碳纳米管、0.5份 20份的偶联剂和2份 5份的乙醇；二、将步骤一称取的碳纳米管混合均匀后，加入到步骤一称取的乙醇中，均匀分散，得到均匀分散的碳纳米管的混合液；三、向步骤二得到的均匀分散的碳纳米管的混合液中，加入步骤一称取的偶联剂，在50°C 140°C的温度下，以80r/min 120r/min的搅拌速率,搅拌Ih 15h,然后，过滤、烘干，得到固体混合物；四、将步骤一称取的聚乙烯树脂与步骤三得到的固体混合物混合均匀，然后，在1750C 240°C的温度和5MPa 45MPa的机械压力下，压制lmirT40min，即得到用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料。用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的应用，是将该材料用于防护空间质子辐射。
本发明具有以下优点:一、本发明提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于采用的是聚乙烯做为辐射防护材料，使其密度大大降低，有效的解决了铝防护层重量大的弊端；二、本发明提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于掺杂了碳纳米管，使得聚乙烯复合材料相对于纯聚乙烯的热稳定性有了很大的提高，提高了 10°/Γ40%，同时，防护质子效率提高40°/Γ75%。
图1为试验一得到的辐射防护材料I和现有的纯聚乙烯进行热重分析对比图。其中，实线为辐射防护材料I，虚线为纯聚乙烯。图2为试验一得到的辐射防护材料II和现有的纯铝进行质子辐照防护对比图。其中，实线为辐射防护材料II，虚线为纯铝。图3为试验一得到的辐射防护材料II和现有的纯聚乙烯进行热重分析对比图。其中，实线为辐射防护材料II，虚线为纯聚乙烯。图4为试验一得到的辐射防护材料II和现有的纯铝进行质子辐照防护对比图。其中，实线为辐射防护材料II，虚线为纯铝。图5为试验一 得到的辐射防护材料III和现有的纯聚乙烯进行热重分析对比图。其中，实线为辐射防护材料III，虚线为纯聚乙烯。图6为试验一得到的辐射防护材料III和现有的纯铝进行质子辐照防护对比图。其中，实线为辐射防护材料III，虚线为纯铝。
具体实施例方式具体实施方式
一:本实施方式是用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料，按重量份数是由I份 100份的聚乙烯树脂、I份 50份的碳纳米管和0.5份 20份的偶联剂制备而成。本实施方式的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料中加入了碳纳米管，能够更好地防止聚乙烯裂解，提高该材料的防护质子效果。本实施方式具有以下优点:一、本实施方式提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于采用的是聚乙烯做为辐射防护材料，使其密度大大降低，有效的解决了铝防护层重量大的弊端；二、本实施方式提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于掺杂了碳纳米管，使得聚乙烯复合材料相对于纯聚乙烯的热稳定性有了很大的提高，提高了 10% 40%，同时，防护质子效率提高了 40% 75%。
具体实施方式
二:本实施方式与具体实施方式
一的不同点在于:所述的复合材料按重量份数是由20份 95份的聚乙烯树脂、2份 30份的碳纳米管和I份 15份的偶联剂制备而成。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式
一或二的不同点在于:所述的聚乙烯树脂的密度为0.900g/cnT0.980g/cm3。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四:本实施方式与具体实施方式
一至三之一的不同点在于:所述的碳纳米管的粒径大小为0.001 μ m~ μ m。其它与具体实施方式
一至三相同。
具体实施方式
五:本实施方式与具体实施方式
一至四之一的不同点在于:所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联剂、磷酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中的一种或其中几种的组合。其它与具体实施方式
一至四相同。所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联剂、磷酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中几种的组合物的比例为任意比。
具体实施方式
六:本实施方式是用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的:一、按重量份数称取I份 100份的聚乙烯树脂、I份 50份的碳纳米管、0.5份 20份的偶联剂和2份 5份的乙醇；二、将步骤一称取的碳纳米管混合均匀后，加入到步骤一称取的乙醇中，均匀分散，得到均匀分散的碳纳米管的混合液；三、向步骤二得到的均匀分散的碳纳米管的混合液中，加入步骤一称取的偶联剂，在50°C 140°C的温度下，以80r/min 120r/min的搅拌速率,搅拌Ih 15h,然后，过滤、烘干，得到固体混合物；四、将步骤一称取的聚乙烯树脂与步骤三得到的固体混合物混合均匀，然后，在1750C 240°C的温度和5MPa 45MPa的机械压力下，压制lmirT40min，即得到用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料。本实施方式的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料中加入了碳纳米管，能够更好地防止聚乙烯裂解，提高该材料的防护质子效果。本实施方式具有以下优点:一、本实施方式提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于采用的是聚乙烯做为辐射防护材料，使其密度大大降低，有效的解决了铝防护层重量大的弊端；二、本实施方式提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于掺杂了碳纳米管，使得聚乙烯复合材料相对于纯聚乙烯的热稳定性有了很大的提高，提高了 10~40%，同时，应用在空间质子辐射防护上时，防护质子效率提高了 409^75%。
具体实施方式
七:本实施方式与具体实施方式
六的不同点在于:所述的步骤一中为按重量份数称取20份 95份的聚乙烯树脂、2份 30份的碳纳米管、I份 15份的偶联剂和和3份 5份的乙醇制备而成。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
八:本实施方式与具体实施方式
六或七的不同点在于:所述的步骤一中称取的聚乙烯树脂的密度为0.900g/Cnm0.980g/cm3。其它与具体实施方式
六或七相同。
具体实施方式
九:本实施方式与具体实施方式
六至八之一的不同点在于:所述的步骤一中称取的碳纳米管的粒径大小为0.001 μ m~1 μ m。其它与具体实施方式
六至八相同。
具体实施方式
十:本实施方式与具体实施方式
六至九之一的不同点在于:所述的步骤一中称取的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联剂、磷酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中的一种或其中几种的组合。其它与具体实施方式
六至九相同。所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联剂、磷酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中几种的组合物的比例为任意比。
具体实施方式
十一:本实施方式提供了用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的应用，是将该材料用于防护空间质子辐射。本实施方式的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料中加入了碳纳米管，能够更好地防止聚乙烯裂解，提高该材料的防护质子效果。本实施方式具有以下优点:一、本实施方式提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于采用的是聚乙烯做为辐射防护材料，使其密度大大降低，有效的解决了铝防护层重量大的弊端；二、本实施方式提供的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法制备得到的辐射防护材料，由于掺杂了碳纳米管，使得聚乙烯复合材料相对于纯聚乙烯的热稳定性有了很大的提高，提高了 109Γ40%，同时，应用在空间质子辐射防护上时，防护质子效率提高了 409^75%。采用以下试验验证本发明的效果:试验一:用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的:—、按重量份数称取97份的聚乙烯树脂、2份的碳纳米管、I份的钛酸酯偶联剂和3份的乙醇；其中，聚乙烯树脂的密度为0.920g/cm3，碳纳米管的粒径为0.05 μ m ;二、将步骤一称取的碳纳米管混合均匀后，加入到步骤一称取的乙醇中，均匀分散，得到均匀分散的碳纳米管的混合液；三、向步骤二得到的均匀分散的碳纳米管的混合液中，加入步骤一称取的偶联剂，在80°C的温度下，以lOOr/min的搅拌速率，搅拌8h，然后，过滤、烘干，得到固体混合物；四、将步骤一称取的聚乙烯树脂与步骤三得到的固体混合物混合均匀，然后，在200°C的温度和25MPa的机械压力下，恒温恒压压制20min，得到辐射防护材料I，即完成了用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备。对试验一得到的辐射防护材料I和现有的纯聚乙烯进行热重分析测试，得到图1。图1为试验一得到的辐射防护材料I和现有的纯聚乙烯进行热重分析对比图。其中，实线为辐射防护材料I，虚线为纯聚乙烯。从图1中可以得到纯聚乙烯的初始分解温度为365°C，辐射防护材料I的初始分解温度为430°C，相比较，辐射防护材料I的热稳定性相比纯聚乙烯提高了 17.8%。所述的热重分析测试的方法为:取IOmg的辐射防护材料I和IOmg的现有的纯聚乙烯，放在热重/差热分析仪中，在氮气保护下，以10°C /min的升温速率从室温升温至800°C，收集不同温度下的实时质量，得出实时质量与初始质量之比随温度的变化曲线。对试验一得到的辐射防护材 料I和现有的纯铝进行质子辐照防护测试，得到图2。图2为试验一得到的辐射防护材料I和现有的纯铝进行质子辐照防护对比图。其中，实线为辐射防护材料I，虚线为纯铝。从图2中，可以观察到在相同质量厚度下辐射防护材料I的防护质子效率相对于纯铝提高了 63.5%。质子辐照防护测试的方法:将试验一得到的辐射防护材料I或纯铝置于EN-18串列静电加速器的质子源和能量探测器之间，入射质子能量固定不变，使用能量探测器收集质子穿过辐射防护材料I或纯铝之后的剩余能量，入射能量与剩余能量之差为材料吸收的能量，将材料吸收能量与入射能量之比作为材料对质子的防护效率，以防护效率为纵坐标，以质量厚度为横坐标做图。试验二:用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的:一、按重量份数称取94份的聚乙烯树脂、4份的碳纳米管、2份的偶联剂和3份的乙醇；其中，聚乙烯树脂的密度为0.920g/cm3，碳纳米管的粒径为0.05μπι;二、将步骤一称取的碳纳米管混合均匀后，加入到步骤一称取的乙醇中，均匀分散，得到均匀分散的碳纳米管的混合液；三、向步骤二得到的均匀分散的碳纳米管的混合液中，加入步骤一称取的偶联剂，在80°C的温度下，以lOOr/min的搅拌速率，搅拌8h，然后，过滤、烘干，得到固体混合物；四、将步骤一称取的聚乙烯树脂与步骤三得到的固体混合物混合均匀，然后，在200°C的温度和25MPa的机械压力下，恒温恒压压制20min，得到辐射防护材料II，即完成了用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备。对试验二得到的辐射防护材料II和现有的纯聚乙烯进行热重分析测试，得到图
3。图3为试验一得到的辐射防护材料II和现有的纯聚乙烯进行热重分析对比图。其中，实线为辐射防护材料II，虚线为纯聚乙烯。从图3中可以得到纯聚乙烯的初始分解温度为3650C，辐射防护材料II的初始分解温度为444°C，相比较，辐射防护材料II的热稳定性相比纯聚乙烯提高了 21.6%。对试验二得到的辐射防护材料II和现有的纯铝进行质子辐照防护测试，得到图4。图4为试验一得到的辐射防护材料II和现有的纯铝进行质子辐照防护对比图。其中，实线为辐射防护材料II，虚线为纯铝。从图4中，可以观察到在相同质量厚度下辐射防护材料II的防护质子效率相对于纯铝提高了 61.8%。试验三:用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的:一、按重量份数称取90份的聚乙烯树脂、8份的碳纳米管、2份的偶联剂和3份的乙醇；其中，聚乙烯树脂的密度为0.920g/cm3，碳纳米管的粒径为0.05μπι;二、将步骤一称取的碳纳米管混合均匀后，加入到步骤一称取的乙醇中，均匀分散，得到均匀分散的碳纳米管的混合液；三、向步骤二得到的均匀分散的碳纳米管的混合液中，加入步骤一称取的偶联剂，在80°C的温度下，以lOOr/min的搅拌速率，搅拌8h，然后，过滤、烘干，得到固体混合物；四、将步骤一称取的聚乙烯树脂与步骤三得到的固体混合物混合均匀，然后，在200°C的温度和25MPa的机械压力下，恒温恒压压制20min，得到辐射防护材料III，即完成了用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备。对试验三得到的辐射防护材料III和现有的纯聚乙烯进行热重分析测试，得到图
5。图5为试验三得到的辐射防护材料III和现有的纯聚乙烯进行热重分析对比图。其中，实线为辐射防护材料III，虚线为纯聚乙烯。从图5中可以得到纯聚乙烯的初始分解温度为3650C，辐射防护材料III 的初始分解温度为462°C，相比较，辐射防护材料III的热稳定性相比纯聚乙稀提闻了 26.6%。对试验三得到的辐射防护材料III和现有的纯铝进行质子辐照防护测试，得到图6。图6为试验三得到的辐射·防护材料III和现有的纯铝进行质子辐照防护对比图。其中，实线为辐射防护材料III，虚线为纯铝。从图6中，可以观察到在相同质量厚度下辐射防护材料III的防护质子效率相对于纯铝提高了 52.7%。
权利要求
1.用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料，其特征在于:复合材料按重量份数是由I份 100份的聚乙烯树脂、I份 50份的碳纳米管和0.5份 20份的偶联剂制备而成。
2.根据权利要求1所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料，其特征在于:所述的复合材料按重量份数是由20份 95份的聚乙烯树脂、2份 30份的碳纳米管和1份 15份的偶联剂制备而成。
3.根据权利要求1或2所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料，其特征在于:所述的聚乙烯树脂的密度为0.900g/cm3"0.980g/cm3。
4.根据权利要求1或2所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料，其特征在于:所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联齐U、磷酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中的一种或其中几种的组合。
5.制备如权利要求1所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的方法，其特征在于，制备方法具体是按以下步骤进行的: 一、按重量份数称取1份 100份的聚乙烯树脂、I份 50份的碳纳米管、0.5份 20份的偶联剂和2份飞份的乙醇； 二、将步骤一称取的碳纳米管混合均匀后，加入到步骤一称取的乙醇中，均匀分散，得到均匀分散的碳纳米管的混合液； 三、向步骤二得到的均匀分散的碳纳米管的混合液中，加入步骤一称取的偶联剂，在50°C 140°C的温度下，以80r/min 120r/min的搅拌速率,搅拌Ih 15h,然后,过滤、烘干,得到固体混合物； 四、将步骤一称取的聚乙烯树脂与步骤三得到的固体混合物混合均匀，然后，在175°C 240°C的温度和5MPa 45MPa的机械压力下，压制lmirT40min，即得到用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料。
6.根据权利要求5所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于:所述的步骤一中为按重量份数称取20份 95份的聚乙烯树脂、2份 30份的碳纳米管、I份 15份的偶联剂和和3份 5份的乙醇制备而成。
7.根据权利要求5或6所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于:所述的步骤一中称取的聚乙烯树脂的密度为0.900g/cm3^0.980g/cm3。
8.根据权利要求5或6所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于:所述的步骤一中称取的碳纳米管的粒径大小为0.001 μ m l μ m。
9.根据权利要求6或7所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于:所述的步骤一中称取的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、金属复合偶联剂、磷酸酯偶联剂和硼酸酯偶联剂中的一种或其中几种的组口 ο
10.如权利要求1所述的用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料的应用，其特征在于:将该材料用于防护空间质子辐射。
全文摘要
用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料及其制备方法和应用，涉及用于空间质子辐射防护的复合材料及其制备方法领域。本发明是要解决现有的辐射防护材料方法制备得到的辐射防护材料，铝防护层存在密度大而导致使用重量大，采用聚乙烯材料做辐射防护材料时存在着由于其热稳定性较差，制约其使用范围的问题。用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料，按重量份数是由聚乙烯树脂、碳纳米管和偶联剂制备而成。制备方法一、将碳纳米管和偶联剂混合得改性碳纳米管；二、混合改性碳纳米管与聚乙烯树脂后热压。用于空间质子辐射防护的掺杂碳纳米管的聚乙烯复合材料在防护质子辐射的应用。本发明适用于辐射防护和航空航天领域。
文档编号C08L23/06GK103073773SQ20131002130
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者李兴冀, 高锋, 杨剑群, 何世禹 申请人:哈尔滨工业大学