碳化硼/铅/聚乙烯复合材料的热稳定性及屏蔽性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230390

摘要/Abstract

摘要：

制备了质量分数3%、4%、5%及6%碳化硼以和不同厚度的碳化硼/铅/聚乙烯复合材料，并对碳化硼/铅/聚乙烯复合材料的热稳定性和屏蔽性能进行了研究。经测试可知：当不同试样处于同一厚度时，添加质量分数6%碳化硼复合材料的高温基础性能较好；热重测试表明，该试样的质量损失较低，有效保持了其基础性能。同时，添加质量分数为6%碳化硼的复合材料的应用效果最佳，具有较好的粒子屏蔽性能。该结果为碳化硼/铅/聚乙烯复合材料的制备和性能评估提供了可靠的依据。

关键词: 碳化硼, 聚乙烯, 复合材料, 中子屏蔽性能, 热重测试

Abstract:

The preparation， thermal stability and shielding properties of boron carbide/lead/polyethylene composites were studied. Boron carbide/lead/polyethylene composites with mass fraction of 3%， 4%， 5% and 6% boron carbide and different thicknesses were prepared， and the related properties of the composites were evaluated. The results show that when different samples are at the same thickness， adding 6% boron carbide composite has better high-temperature basic properties. Thermogravimetric test shows that the mass loss of the sample is low and its basic properties are effectively maintained. In addition， the composite with 6% boron carbide has the best application effect and better particle shielding performance. The results provide a reliable basis for the preparation and performance evaluation of boron carbide lead polyethylene composites.

Key words: Boron carbide, Polyethylene, Composite materials, Neutron shielding performance, Thermogravimetric testing

中图分类号:

O631

王超, 彭永军, 朱波, 韩毅. 碳化硼/铅/聚乙烯复合材料的热稳定性及屏蔽性能[J]. 应用化学, 2024, 41(6): 890-898.

Chao WANG, Yong-Jun PENG, Bo ZHU, Yi HAN. Thermal Stability and Shielding Performance of Boron Carbide/Lead/Polyethylene Composite Materials[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(6): 890-898.

图/表 8

参考文献 18

1	刘艳萍，赵硕，石江，等. 碳化硼/环氧树脂复合材料的力学性能及疲劳寿命‍［J］. 塑料工业， 2022， 50（12）： 63-68.
	LIU Y P， ZHAO S， SHI J， et al. Mechanical properties and fatigue life of boron carbide/epoxy resin composites‍［J］. China Plast Ind， 2022， 50（12）： 63-68.
2	刘晓强，邓志华，毛飞，等. 反应堆堆腔用中子屏蔽材料耐热性能研究‍［J］. 核技术， 2021， 44（8）： 87-92.
	LIU X Q， DENG Z H， MAO F， et al. Investigation on the heat resistance of neutron shielding materials for reactor cavity‍［J］. Nucl Technol， 2021， 44（8）： 87-92.
3	韩志鹏，秦冲，周金向，等. 浇注型环氧树脂基耐高温中子屏蔽复合材料‍［J］. 应用化学， 2023， 40（10）： 1420-1429.
	HAN Z P， QIN C， ZHOU J X， et al. High temperature resistant epoxy resin-based composites by casting process for neutron shielding‍［J］. Chin J Appl Chem， 2023， 40（10）： 1420-1429.
4	张伊帆，陆承志，杨雪勤，等. 高温热还原石墨烯气凝胶/环氧树脂电磁屏蔽复合材料‍［J］. 功能材料， 2022， 53（3）： 3186-3192.
	ZHANG Y F， LU C Z， YANG X Q， et al. High temperature thermal reduction graphene aerogel/epoxy resin electromagnetic shielding composites‍［J］. J Funct Mater， 2022， 53（3）： 3186-3192.
5	李辉，朱刚，张建卫，等. 二维MXene负载纳米金属及其氧化物构筑新型复合材料的研究进展‍［J］. 材料导报， 2022， 36（9）： 13-21.
	LI H， ZHU G， ZHANG J W， et al. Recent advancement of novel composites based on two-dimensional MXene-supported nano-metals and its oxides‍［J］. Mater Rep， 2022， 36（9）： 13-21.
6	赵盛，霍志鹏，钟国强，等. 改性钆/硼/聚乙烯纳米复合材料的制备及对中子和伽马射线的屏蔽性能‍［J］. 高等学校化学学报， 2022， 43（6）： 57-67.
	ZHAO S， HUO Z P， ZHONG G Q， et al. Preparation of modified gadolinium/boron/polyethylene nanocomposite and its radiation shielding performance for neutron and gamma-ray‍［J］. Chem J Chin Univ， 2022， 43（6）： 57-67.
7	龚军军，陈志刚，黄颂新，等. 新型耐高温中子屏蔽复合材料的设计制备及性能研究‍［J］. 原子能科学技术， 2021， 55（7）： 1323-1330.
	GONG J J， CHEN Z G， HUANG S X， et al. Design， preparation and property study of new high temperature resistant neutron shielding composite‍［J］. At Energy Sci Technol， 2021， 55（7）： 1323-1330.
8	马丹丹，秦湘阁. 热压微晶碳化硼材料中子屏蔽性能仿真‍［J］. 计算机仿真， 2022， 39（2）： 288-292.
	MA D D， QIN X G. Simulation of neutron shielding performance of hot-pressed microcrystalline boron carbide material‍［J］. Comput Simul， 2022， 39（2）： 288-292.
9	石勇，陈宝，张龙，等. 高密度聚乙烯/铅硼复合材料屏蔽性能和力学性能研究‍［J］. 中国塑料， 2020， 34（1）： 51-57.
	SHI Y， CHEN B， ZHANG L， et al. Study on shielding and mechanical properties of high density polyethylene/lead-boron Composite‍［J］. China Plast， 2020， 34（1）： 51-57.
10	肖海玲，文继，张宏俊，等. 基于同位素中子源的热中子屏蔽性能测试方法研究‍［J］. 核电子学与探测技术， 2022， 42（4）： 745-752.
	XIAO H L， WEN J， ZHANG H J， et al. Study on thermal neutron shielding performance test method based on isotope neutron source‍［J］. Nucl Electron Detect Technol， 2022， 42（4）： 745-752.
11	卢文玉，张庆法，周焕东，等. 甜高粱渣/高密度聚乙烯复合材料的热稳定性与力学性能研究‍［J］. 可再生能源， 2021， 39（6）： 717-723.
	LU W Y， ZHANG Q F， ZHOU H D， et al. Study on thermal stabilities and mechanical properties of sweet sorghum slag/high density polyethylene composites‍［J］. Renew Energy Res， 2021， 39（6）： 717-723.
12	吴萍萍，谢梦舒，潘彦伶，等. 硼酸铝晶须填充高密度聚乙烯复合材料的性能研究‍［J］. 塑料科技， 2021， 49（12）： 9-12.
	WU P P， XIE M S， PAN Y L， et al. Study on properties of high-density polyethylene composites filled with aluminum borate whisker‍［J］. Plastics Sci Technol， 2021， 49（12）： 9-12.
13	弓合兴，杨敏鸽，姜凤阳，等. 聚丙烯/高密度聚乙烯/氮化硼导热复合材料的制备及性能研究‍［J］. 塑料科技， 2023， 51（3）： 1-6.
	GONG H X， YANG M G， JIANG F Y， et al. Preparation and performance study of polypropylene/high density polyethylene/boron nitride thermal conductive composites‍［J］. Plast Sci Technol， 2023， 51（3）： 1-6.
14	冷冰冰，朱春卉，石埕荧，等. 含环三磷腈衍生物的辐照交联聚乙烯基复合材料的制备及阻燃性能‍［J］. 应用化学， 2022， 39（11）： 1672-1679.
	LENG B B， ZHU C H， SHI C Y， et al. Preparation and flame retardancy of the irradiation-crosslinked pe-based composites containing a cyclophosphazene derivative‍［J］. Chin J Appl Chem， 2022， 39（11）： 1672-1679.
15	毛前伟，蒲咏秋，杨萌. 羽毛球拍用超高分子量聚乙烯/碳纤维复合材料的制备及其性能研究‍［J］. 塑料科技， 2021， 49（7）： 30-33.
	MAO Q W， PU Y Q， YANG M. Preparation and properties of ultrahigh molecular weight polyethylene/carbon fiber composites for badminton racket‍［J］. Plast Sci Technol， 2021， 49（7）： 30-33.
16	李小晴，江文正，李文珠，等. 炭含量对竹炭/高密度聚乙烯复合材料电磁屏蔽和力学性能的影响‍［J］. 林业工程学报， 2022， 7（1）： 130-136.
	LI X Q， JIANG W Z， LI W Z， et al. Effect of carbon content on shielding and mechanical properties of bamboo charcoal/HDPE composites‍［J］. J Forestry Eng， 2022， 7（1）： 130-136.
17	付秋平，张海润，罗云，等. 海藻酸钠/聚乙烯亚胺复合材料对Pb（Ⅱ‍）的吸附性能研究‍［J］. 化学试剂， 2022， 44（10）： 1457-1462.
	FU Q P， ZHANG H R， LUO Y， et al. Adsorption of Pb（Ⅱ‍） by sodium alginate/polyethyleneimine composite materials‍［J］. Chem Reag， 2022， 44（10）： 1457-1462.
18	张兆阳，唐敢，柯雪，等. 硫酸钙晶须改性聚乙烯/聚酰胺6复合材料的热性能与力学性能研究‍‍［J］. 中国塑料， 2022， 36（11）： 35-40.
	ZHANG Z Y， TANG G， KE X， et al. Thermal and mechanical properties of calcium sulfate whiskers modified PE-HD/PA6 composites‍［J］. China Plast， 2022， 36（11）： 35-40.

Sample components	Mass fraction of each substance in each sample/%
Sample components	Y1	Y2	Y3	Y4
HDPE	7.51	7.17	6.85	6.54
Lead sand	89.39	88.72	88.04	87.35
B₄C	3.00	4.00	5.00	6.00
Calcium stearate	0.03	0.03	0.03	0.03
KY7910	0.04	0.04	0.04	0.04
KH500	0.04	0.04	0.04	0.04

Sample components	Mass fraction of each substance in each sample/%
Sample components	Y1	Y2	Y3	Y4
HDPE	7.51	7.17	6.85	6.54
Lead sand	89.39	88.72	88.04	87.35
B₄C	3.00	4.00	5.00	6.00
Calcium stearate	0.03	0.03	0.03	0.03
KY7910	0.04	0.04	0.04	0.04
KH500	0.04	0.04	0.04	0.04

Sample number	Temperature/℃	Tensile strength/MPa	Impact strength/（kJ?m^－2）	Elongation at break/%	Coefficient of variation in tensile strength	Coefficient of variation of impact strength	Coefficient of variation of elongation at break
Y1	50	27	20	45	0.059 5	0.113 5	0.048 8
	60	26	19	42
	80	24	16	41
Y2	50	29	23	56	0.055 2	0.097 6	0.046 9
	60	28	22	54
	80	26	19	51
Y3	50	31	26	59	0.070 9	0.061 9	0.069 3
	60	30	25	53
	80	27	23	52
Y4	50	34	28	61	0.030 3	0.037 0	0.043 1
	60	33	27	58
	80	32	26	56

Sample number	Temperature/℃	Tensile strength/MPa	Impact strength/（kJ?m^－2）	Elongation at break/%	Coefficient of variation in tensile strength	Coefficient of variation of impact strength	Coefficient of variation of elongation at break
Y1	50	27	20	45	0.059 5	0.113 5	0.048 8
	60	26	19	42
	80	24	16	41
Y2	50	29	23	56	0.055 2	0.097 6	0.046 9
	60	28	22	54
	80	26	19	51
Y3	50	31	26	59	0.070 9	0.061 9	0.069 3
	60	30	25	53
	80	27	23	52
Y4	50	34	28	61	0.030 3	0.037 0	0.043 1
	60	33	27	58
	80	32	26	56

[1]	高军鹏, 王婷婷, 许虎, 蒋诗才, 邓华, 张宝艳. 耐空间辐射环氧树脂基碳纤维增强复合材料制备与性能[J]. 应用化学, 2024, 41(6): 899-905.
[2]	祖艳丽, 李婉璐, 刘佳, 林珊, 李森, 贺春英. 二硒化钼/石墨烯复合材料的非线性光学性质[J]. 应用化学, 2024, 41(5): 659-667.
[3]	颜丽娟, 高添贺, 施冬健, 陈明清. 丁香酚/改性聚乙烯醇抗菌复合膜的制备与性能[J]. 应用化学, 2023, 40(4): 527-535.
[4]	秦君, 张瑜, 辛智慧, 李小梅, 张潇, 闫亭璇, 冯锋, 白云峰. CuMn₂O₄@GA复合材料的合成与CO转化[J]. 应用化学, 2023, 40(12): 1719-1725.
[5]	雷凯君, 强润润, 李怀国, 郑芳昊, 焦自学, 王宗良, 王宇, 何明丰, 章培标. 伤科黄水/聚乙烯醇静电纺丝纳米纤维创面敷料的制备及其性能[J]. 应用化学, 2023, 40(11): 1539-1549.
[6]	张梦飞, 张久洋. 高分子基金属复合材料的前沿应用[J]. 应用化学, 2023, 40(11): 1581-1586.
[7]	林渊, 陈嘉炼, 李红周. 单宁酸/聚乙烯醇的阻燃性能[J]. 应用化学, 2023, 40(1): 69-78.
[8]	陈炳刚, 刘三荣, 蒋子江, 于喜飞. 水性聚硅氧烷和聚乙烯醇复合物制备及其作为皮肤屏障材料的性能[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1224-1236.
[9]	刘也, 郭少波, 梁艳莉, 葛红光, 马剑琪, 刘智峰, 刘波. 核壳型纳米复合材料CuFe₂O₄@NH₂@Pt的制备及催化性能[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1237-1245.
[10]	曹从军, 马含笑, 侯成敏, 丁小健, 管飙. 乙基纤维素磁性复合材料对溶液中铜离子的吸附性能[J]. 应用化学, 2022, 39(6): 969-979.
[11]	张晨晨, 刘昱含, 赵文杰, 刘佰军, 孙昭艳, 刘万利, 王艳淼, 呼微. 氧化有机溶剂木质素基亲水性上浆剂的制备及其在聚丙烯中的应用[J]. 应用化学, 2022, 39(12): 1854-1861.
[12]	周玉凤, 周川巍, 胡桐泽, 段展鹏, 王颢潼, 石淑云. Fe/V-Sb₂O₃复合材料的构筑及光催化降解医药废水[J]. 应用化学, 2022, 39(10): 1572-1578.
[13]	史和昌, 于彦存, 韩常玉. 聚乙烯/氧化铝复合材料形态、流变和力学性能[J]. 应用化学, 2022, 39(10): 1593-1599.
[14]	王旭尧, 方应军, 张灵志. 氰基功能化聚乙烯亚胺交联固态聚合物电解质的制备及理化性能[J]. 应用化学, 2021, 38(8): 946-953.
[15]	李祎, 程宏达, 于彦存, 韩常玉, 陈广建, 祝英男. 高密度聚乙烯复合导热材料性能[J]. 应用化学, 2021, 38(8): 954-960.