CN110240800A - 一种尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料及其制备方法；先将尼龙、钨粉、乙醇溶剂等放入反应釜中混合，加热至尼龙完全溶解，然后精确控制降温，使尼龙析出逐渐包覆在钨粉颗粒表面；打开反应釜过滤、收乙醇溶剂，得到尼龙包覆钨复合粉末聚集体并进行干燥、搅碎、分散、粉末导流等后处理，最终得到适用于激光选区烧结成型的尼龙包覆钨复合粉末。本用尼龙粉末为3D打印专用尼龙粉末，性能可靠、激光选区烧结成型稳定。本发明制备的尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料性能优良、流动性好、尼龙包覆效果良好，完全满足SLS工艺成型的需求，通过激光选区烧结工艺能够成型出辐射屏蔽优异、无毒环保、综合力学性能较好的结构件。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料，用于激光选区烧结成型领域，尤其涉及一种尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料及其制备方法。
背景技术
激光选区烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)是一种基于计算机控制激光烧结高分子粉末的快速成型技术。激光选区烧结设备可依据零件三维CAD模型直接成型出所需模型或功能性零件，特别是一些具备复杂几何结构的零件。利用SLS技术能够实现复杂形状、复合材料功能件的快速成型，并且成型效率高、成本低。
激光选区烧结(SLS)所用的成型材料均为粉末状材料。适合于SLS成型的材料必须具有良好的热塑(固)性、适度的导热性、较窄的“软化-固化”温度范围，经激光烧结后要有足够的粘接强度。SLS成型的粉末材料粒径一般要求在10～100μm之间。SLS成型工艺的原材料选择面较为广泛，如尼龙、ABS、覆膜砂、金属和陶瓷包覆粉末等都可以作为烧结对象。其制件一般为工程应用功能件，因具有良好的稳定性、耐热性、耐腐蚀性和优异的物理性能等，可用作计算机、汽车的外壳、吸管、医疗器件等。
目前核电辐射屏蔽是针对核电厂内由反应堆以及内部的冷却水一回路二回路当中大剂量辐照射线进行屏蔽。金属铅是目前较为常用的屏蔽材料，铅材便宜且屏蔽性能较好；但铅的缺点也很明显：产生二次韧致辐射，大尺寸的屏蔽构件结构性能差，力学强度偏低等其次，铅本身是重金属污染源。
因此，这对目前现有技术存在的确定，本发明致力于研究一种能吸收辐射的功能材料与高分子材料混制而成的新型辐射屏蔽复合材料。
发明内容
针对核电站内需要进行辐射屏蔽的各类管道、仪表、阀门等种类多，对不同结构和尺寸的辐射屏蔽件需求多而对单件需求量少。现有适合SLS技术的具辐射屏蔽复合材料稀少，因此本发明提供一种尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料及其制备方法；本发明复合材料通过SLS成型的制件具备良好的辐射屏蔽性能及综合力学性能，可广泛适用核电站内进行γ射线屏蔽。
本发明通过下述技术方案实现：
一种尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：将(纯)钨粉末、(3D打印专用)尼龙粉末、乙醇溶剂及抗氧化剂等按设定比例投入中试反应釜中，随后对反应釜进行抽真空，之后再通氮气进行惰性气体保护；
步骤二：开动反应釜的搅拌桨，使其转速维持在10000～20000r/min之间，使尼龙粉末和钨粉都悬浮在乙醇溶剂当中而不沉入反应釜底部；控制反应釜以2℃/min的速度均匀升温至150～170℃(尼龙粉末在150～170℃的乙醇溶剂中溶解效果较好)，使尼龙粉末逐渐溶解在乙醇溶剂中，保持恒温、恒压约2h，保证尼龙粉末完全溶解；
步骤三：让反应釜搅拌桨持续搅拌，反应釜以0.5℃/min的降温速度从150℃降至100～110℃，以控制尼龙的析出速度，降温过程中尼龙逐渐析出并包覆在钨粉颗粒的表面；再接入水冷加速反应釜冷却至约60℃；
步骤四：打开反应釜过滤、回收乙醇溶剂，得到尼龙包覆钨复合粉末聚集体并放置于真空干燥箱中干燥，干燥后搅碎、分散，之后再放入振动筛分仪中分筛并加入助流剂导流，最终得到粒径及流动性符合要求的适用于SLS成型的尼龙包覆钨复合粉末。
步骤一中所述尼龙粉末占总重量组份为10％～20％，钨粉占总重量组份为80％～90％，每100份尼龙粉末配置600～800份乙醇溶剂进行溶解；
钨粉末的颗粒平均粒径为20μm；尼龙粉末的颗粒平均粒径为55μm，堆积密度为0.45～0.6g/cm3。
步骤四所述尼龙包覆钨复合粉末的外观形貌为尼龙均匀包覆在球形钨粉颗粒表面，其粒径为20～80μm，平均粒径为40～50μm。
步骤一所述尼龙粉末为尼龙12、尼龙11或尼龙6中的一种或几种的混合。
步骤四所述流动性是指尼龙包覆钨复合粉末的流动性指标≤10(s/50g)。
所述钨粉末由等离子体气相蒸发法制得的球形微米级钨粉。
本发明作用机理：尼龙粉末随着温度的升高，逐渐溶解在乙醇溶剂中；随后又将随着温度的降低而析出并包覆在钨粉颗粒表面。在此过程中，通过选用合适的钨粉粒径和反应釜搅拌速率来保证钨粉颗粒悬浮在乙醇溶剂中而不会沉入反应釜底部(若沉入底部，则尼龙无法包覆上钨粉)，通过改变降温速度能够控制析出尼龙包覆钨复合材料的粒径。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明实现了激光选区烧结工艺成型屏蔽复合材料零的突破，也推动了激光选区烧结技术在成型核电辐射屏蔽零部件领域的应用。
本发明制备的尼龙包覆钨复合材料能够适用于激光选区烧结成型。利用激光选区烧结工艺的零件自由度和材料的利用率高，加工周期较短，而且非常契合核电站辐射屏蔽小批量、个性化定制化的需求，并且尼龙包覆钨SLS成型件粘结强度高，具有优异的综合力学性能。
本发明制备的尼龙包覆钨复合材料辐射屏蔽性能优异，采用金属钨充当辐射屏蔽功能材料，环保无污染，在核电站辐射屏蔽领域应用广泛；避免了传统铅材产生二次韧致辐射，大尺寸的屏蔽构件结构性能差，力学强度偏低，有毒性等不良危害。
本发明步骤一中，将钨粉末、尼龙粉末、乙醇溶剂及抗氧化剂按设定比例投入中试反应釜中，随后对反应釜进行抽真空，之后再通氮气进行惰性气体保护；尼龙粉末占总重量组份为10％～20％，钨粉占总重量组份为80％～90％，每100份尼龙粉末配置600～800份乙醇溶剂进行溶解；这是因为钨粉末与尼龙粉末的质量比≥70％，目的是保证所包覆出来的辐射屏蔽复合材料的屏蔽性能，乙醇溶剂的体积为尼龙粉末的6-8倍，以保证尼龙粉末的完全溶解；尼龙粉末溶解过程中需要通氮气以防止尼龙氧化变色，最终影响复合材料的力学性能。
本发明步骤三中,让反应釜搅拌桨持续搅拌，反应釜以0.5℃/min的降温速度从150℃降至100～110℃(尼龙粉末完全溶解在乙醇溶剂中，逐渐降低温度至100至110℃区间时，尼龙开始析出，因此降温速度不宜过快，以防止析出的尼龙粒径过大，不适于激光选区烧结成型)，降温过程中尼龙逐渐析出并包覆在钨粉颗粒的表面；再接入水冷加速反应釜冷却至60℃(尼龙在100至120℃温度区间时基本析出完毕，因此，可以接入水冷加速反应釜冷却以节省时间)。
附图说明
图1为本发明尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
一种尼龙包覆金属钨的辐射屏蔽复合材料，由下列组分原料制备得到：3D打印专用尼龙粉末20份、(球形)钨粉80份、工业乙醇溶剂160份。
3D打印专用尼龙粉末选取为EOSPA2200。
钨粉选取中航迈特纯钨球形粉末，平均粒径为20μm。
尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的工艺流程主要包括以下步骤：
1.将设定比例的纯钨粉末、尼龙粉末、乙醇溶剂及抗氧化剂投入中试反应釜中，用真空泵对反应釜进行抽真空，之后再通氮气进行惰性气体保护。
2.开动反应釜的搅拌桨，使其转速维持在12000r/min，使尼龙粉末和钨粉都悬浮在乙醇溶剂当中而不沉入反应釜底部；控制反应釜均匀升温至150～170℃，使尼龙粉末逐渐溶解在乙醇溶剂中，保持反应釜内恒温、恒压两小时左右，保证尼龙粉末完全溶解在乙醇溶剂中。
3.尼龙粉末溶解后，控制反应釜从150℃左右空冷至105℃左右，降温速度为0.5℃/min，反应釜内搅拌桨持续搅拌，降温过程中尼龙逐渐析出并包覆在钨粉颗粒的表面；之后接入水冷加速反应釜冷却至60℃左右，关闭电源和惰性气体保护。
4.待反应釜降至常温，打开反应釜过滤、回收乙醇溶剂，得到尼龙包覆钨复合粉末聚集体；将尼龙包覆钨复合粉末聚集体放置于真空干燥箱中干燥，复合粉末干燥后放入三维运动混合机搅碎、分散，之后再放入振动筛分仪中过筛并加入助流剂导流，最终得到平均粒径约为42μm左右、符合要求、流动性较好的适用于SLS成型的尼龙包覆钨复合粉末。
5.将制备的尼龙包覆钨复合粉末收集封装入瓶。
本发明采用尼龙粉末为3D打印专用尼龙粉末，性能可靠、激光选区烧结成型稳定。本发明制备的尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料性能优良、流动性好、尼龙包覆效果良好，完全满足SLS工艺成型的需求，通过激光选区烧结工艺能够成型出辐射屏蔽优异、无毒环保、综合力学性能较好的结构件。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将钨粉末、尼龙粉末、乙醇溶剂及抗氧化剂按设定比例投入中试反应釜中，随后对反应釜进行抽真空，之后再通氮气进行惰性气体保护；
步骤二：启动反应釜的搅拌桨，使其转速维持在10000～20000r/min之间，使尼龙粉末和钨粉都悬浮在乙醇溶剂当中而不沉入反应釜底部；控制反应釜以2℃/min的速度均匀升温至150～170℃，使尼龙粉末逐渐溶解在乙醇溶剂中，保持恒温、恒压2h，使尼龙粉末完全溶解；
步骤三：让反应釜搅拌桨持续搅拌，反应釜以0.5℃/min的降温速度从150℃降至100～110℃，降温过程中尼龙逐渐析出并包覆在钨粉颗粒的表面；再接入水冷加速反应釜冷却至60℃；
步骤四：打开反应釜过滤、回收乙醇溶剂，得到尼龙包覆钨复合粉末聚集体并放置于真空干燥箱中干燥，干燥后搅碎、分散，之后再放入振动筛分仪中分筛并加入助流剂导流，最终得到粒径及流动性符合要求的适用于SLS成型的尼龙包覆钨复合粉末。
2.根据权利要求1所述尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中所述尼龙粉末占总重量组份为10％～20％，钨粉占总重量组份为80％～90％，每100份尼龙粉末配置600～800份乙醇溶剂进行溶解；
钨粉末的颗粒平均粒径为20μm；尼龙粉末的颗粒平均粒径为55μm，堆积密度为0.45～0.6g/cm3。
3.根据权利要求1所述尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四所述尼龙包覆钨复合粉末的外观形貌为尼龙均匀包覆在球形钨粉颗粒表面，其粒径为20～80μm，平均粒径为40～50μm。
4.根据权利要求1所述尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述尼龙粉末为尼龙12、尼龙11或尼龙6中的一种或几种的混合。
5.根据权利要求1所述尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四所述流动性是指尼龙包覆钨复合粉末的流动性指标≤10(s/50g)。
6.根据权利要求2所述尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于：所述钨粉末由等离子体气相蒸发法制得的球形微米级钨粉。
7.权利要求1-6中任一项所述制备方法制得的尼龙包覆金属钨辐射屏蔽复合材料。
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