一种功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法、材料与应用

本发明涉及辐射防护材料，具体涉及一种功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料制备方法、材料及应用。

背景技术：

1、核能和核技术产业的发展对高效辐射防护材料具有迫切需求，柔性中子防护材料因其优异的适形性，在异形构件防护和人员防护方面发挥重要作用。由于硼-10具有较高的热中子反应截面，且天然丰度高、来源广泛、成本适中，含硼柔性复合材料在中子防护领域具有良好应用前景，硼酸/橡胶复合材料(progress in nuclearenergy,2016,89:102-109)、氧化硼/橡胶复合材料(radiation physics and chemistry,2017,131:7-12)、六方氮化硼/橡胶复合材料(radiation physics and chemistry,2021,180:109316)被相继报道。上述工作均是通过简单共混的方式将含硼填料分散于橡胶基体中从而制备得到复合材料，导致填料在基体中团聚，复合材料的中子屏蔽效能受到限制。因此，开发新型柔性中子防护复合材料制备方法至关重要。

2、复合材料的中子防护性能与功能填料的类型、含量、分布密切相关，由于功能填料在柔性基体材料中的含量具有限制，通过调控功能填料分布以提升复合材料的辐射防护性能，具有重要应用价值，且已被相关研究证实。有研究人员通过两步热压法制备出多层聚乙烯/六方氮化硼复合材料(composites communications,2020,19:147-153)，多层交替排布增强了复合材料的中子防护效果，但该方法不适用于柔性复合材料制备。也有研究人员利用旋涂法制备出含钆填料定向分布的聚乙烯醇基复合材料(nanoscale,2022,14:10581-10593)，中子防护性能得到提升，但该方法难以制备出大尺寸以及厚度在毫米量级以上的材料。综上，受限于制备工艺及其加工材料适用性，宏量制备功能填料有序排布且尺寸可调的柔性中子防护复合材料是本领域目前存在的技术难题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法与应用。本发明利用开炼机双辊间的机械剪切力驱动功能化氮化硼纳米片在混炼胶中有序排布，通过热压硫化得到功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料，制备方法与橡胶工业现有工艺相兼容，可实现宏量制备且复合材料尺寸可调。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、首先，本申请提供了一种功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)巯基功能化氮化硼纳米片制备

5、将氮化硼纳米片以5mg/ml的浓度超声分散于naoh溶液(5m)中，在100～120℃下搅拌24h后，过滤出下层沉淀1，使用超纯水对其洗涤，直至洗出液为中性，取洗净后的沉淀1于60℃下鼓风干燥12h，得到羟基功能化氮化硼纳米片，备用；

6、将硅烷偶联剂kh580溶于体积浓度为95％的乙醇水溶液中，向其中加入羟基功能化氮化硼纳米片，使用0.1m盐酸调节体系ph至3～4，在避光和氮气氛围下，于30～40℃加热搅拌48h，过滤出下层沉淀2，使用超纯水对其洗涤，直至洗出液为中性，取洗净后的沉淀2于60℃下鼓风干燥12h后，得到巯基功能化氮化硼纳米片。

7、所加入的硅烷偶联剂kh580、羟基功能化氮化硼纳米片、乙醇溶液的质量比为1:10:20。

8、(2)功能化氮化硼纳米片有序排布的橡胶混炼胶制备

9、称取一定量的三元乙丙橡胶(epdm)在开炼机上包辊，调节双辊辊距，后续依次加入液体石蜡、巯基功能化氮化硼纳米片、炭黑、偶氮二异丁腈(aibn)、氧化锌、硬脂酸、2-硫醇基苯并噻(mbt)、二硫化四甲基秋兰姆(tmtd)、硫磺，通过机械剪切力驱动功能化氮化硼纳米片有序排布，三角打包10次下片后，得到功能化氮化硼纳米片有序排布的橡胶混炼胶薄片，其厚度约为0.4mm。上述“三角打包”为橡胶加工中的常用方法，如文献“高分子材料科学与工程,2017,33(5):138-141”所公开。

10、按质量份数计，所加入的epdm、液体石蜡、巯基功能化氮化硼纳米片、炭黑n550、aibn、氧化锌、硬脂酸、mbt、tmtd、硫磺的用量分别为100phr、35～50phr、20～100phr、35～50phr、1～2phr、1～5phr、1phr、1～2phr、1～2phr、1～2phr。

11、(3)功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料制备

12、将步骤(2)制备的功能化氮化硼纳米片有序排布的橡胶混炼胶薄片逐层堆叠放置于热压模具中，后通过热压硫化使橡胶混炼胶发生交联并进一步提高氮化硼纳米片的有序排布程度，最终得到功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料；热压硫化参数为：硫化温度为150～160℃，硫化时间为20～30min，硫化压力为13～16mpa。

13、优选的，步骤2中开炼机双辊辊距为0.2～0.4mm。

14、优选的，步骤3制备的功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料厚度为2～8mm。

15、其次，本申请提供了依照上述方法制备的功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料。

16、第三，本申请提供了依照上述方法制备的功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料在中子防护中的应用。

17、与现有技术相比，本发明具体以下有益效果：

18、1、本发明提供的制备方法与橡胶工业现有工艺相兼容，操作简便易行，工艺规模可放大，可实现宏量制备。

19、2、本发明利用热压工艺制备得到复合材料，材料尺寸可调，可满足不同场景下对辐射防护复合材料厚度的要求。

20、3、在功能填料含量相同的情况下，本发明通过调控功能化氮化硼纳米片的有序排布，所得到的柔性复合材料的中子防护效果更好。

技术特征：

1.一种功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中开炼机双辊辊距为0.2～0.4mm。

3.根据权利要求1所述功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中热压硫化参数为：硫化温度为150～160℃，硫化时间为20～30min，硫化压力为13～16mpa。

4.根据权利要求1所述功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)所获得的功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料厚度为2～8mm。

5.如权利要求1-4任一方法制备获得的功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料。

6.如权利要求1-4任一方法制备获得的功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料在中子防护中的应用。

技术总结
本申请公开了一种功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料的制备方法、材料与应用，属于辐射防护材料技术领域；该柔性材料是将氮化硼纳米片分散于氢氧化钠溶液中，加热搅拌，洗涤干燥后分散于硅烷偶联剂KH580的乙醇溶液中，得到巯基功能化氮化硼纳米片；再利用橡胶工业中的开炼工艺，通过机械剪切力驱动功能化氮化硼纳米片排序排布，得到功能化氮化硼纳米片有序排布的橡胶混炼胶；再通过热压硫化，得到功能化氮化硼纳米片有序排布的柔性中子防护复合材料；本申请提供的制备方法简便易行，可实现柔性中子防护复合材料的宏量制备，提高中子防护效果。

技术研发人员：常树全,曾德洋,王凯凯,阮航,张海黔
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17