面向中子屏蔽应用的含Gd2O3的SiO2增强天然橡胶硫化物复合材料研发

《Applied Radiation and Isotopes》：Development of SiO 2-reinforced natural rubber vulcanizate composite with Gd 2O 3 additions for neutron shielding applications

　　

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  开发了一系列含有不同Gd₂O₃含量的复合SiO₂增强天然橡胶硫化物，用于中子辐射屏蔽应用。
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  利用研究堆中的中子照相技术评估了中子屏蔽性能。
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  添加Gd₂O₃显著提高了硫化物的Σ值。
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  SiO₂增强体减轻了Gd₂O₃掺入对硫化物机械性能的不利影响。
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  有效Σ值小于理论计算值，且随着Gd₂O₃含量的增加，偏差更为明显。

引言

中子辐射屏蔽在许多应用中至关重要，包括核反应堆 [1]、[2]，乏核燃料储存容器 [3]、[4]，放射治疗 [5]、[6]、[7]，航空航天 [8]、[9]，中子照相 [10]、[11]，以及中子发射密封放射源容器 [12]、[13]。为了符合这些应用的安全标准要求，适当的屏蔽措施需要有效的中子屏蔽材料以防止不需要的中子辐射。能够有效减慢快中子并吸收热中子的材料被认为适合用于中子屏蔽应用。这些材料通常是由低原子质量基体与热中子吸收元素组成的复合材料 [14]。基体类型可分为混凝土 [15]、[16]、[17]，金属 [18]、[19]、[20]、[21]、[22]，聚合物 [23]、[24]、[25]，或基于玻璃的 [26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。另一方面，常用的热中子吸收元素为硼、钆和镉 [32]。这些材料的选择取决于多种因素，包括中子能谱、屏蔽效率、机械性能、应用要求和成本 [33]。

在中子屏蔽复合材料的基体中，聚合物由于其减慢快中子能量的能力、轻质特性以及低二次伽马辐射而具有显著优势 [34]。热固性弹性体是一种用于中子屏蔽应用的聚合物，适用于需要柔韧性的场合，如弯曲和规则表面、密封以及电线绝缘。各种类型的热固性弹性体已被用作中子屏蔽材料 [35]、[36]。其中，已被广泛研究用作中子屏蔽材料的合成橡胶衍生物包括硅橡胶 [37]、[38]、[39]，三元乙丙橡胶（EPDM）[40]、[41]、[42]、[43]，丁基橡胶 [36]，以及丁腈橡胶 [44]、[45]。作为这些合成橡胶的替代品，天然橡胶（NR）因其可持续性和环保特性，作为中子屏蔽材料引起了极大关注。

已有多项关于开发以NR为基体的中子屏蔽复合材料的研究报道。然而，尽管比较的是基体中掺入相同中子吸收元素的结果，但所报道的宏观衰减系数（Σ）值存在差异。例如，含有30 phr H₃BO₃的NR硫化物的Σ值据报道为0.29 cm^-1，高于未添加H₃BO₃时的Σ值（0.14 cm^-1）。30 phr是H₃BO₃的最佳掺入量，进一步增加该浓度不会导致Σ值显著增加 [46]。另一项研究报道，以相同浓度添加B₂O₃得到了更高的Σ值1.22 cm^-1 [47]。对于B₄C，在20 phr浓度下报道的最优Σ值为0.34 cm^-1 [48]，而另一项研究以相同B₄C浓度报道了更高的Σ值，约为6 cm^-1 [49]。后者的Σ值与用碳黑增强且具有相同B₄C浓度的NR硫化物报道的值相似。Σ值的差异在很大程度上可归因于测量方法中中子能量的差异 [49]。

稀土元素是开发中子屏蔽材料的另一种潜在中子吸收剂 [50]、[51]、[52]、[53]、[54]。其中，钆（Gd）的总热中子截面远高于硼，分别为48,760 b和768 b [55]。然而，与硼相比，掺入Gd的NR复合材料研究相对有限。此前有研究报道了Gd₂O₃-NR复合材料用于中子屏蔽的潜力，但添加Gd₂O₃后机械性能明显下降 [56]。另一方面，SiO₂是常用的增强填料，用于改善NR硫化物的机械性能 [57]、[58]。因此，本研究的目标是通过将Gd₂O₃作为中子吸收剂和SiO₂作为增强填料掺入NR硫化物中，开发一种具有高中子屏蔽性能和良好机械性能的NR基材料。在本研究中，使用标准印尼橡胶（SIR 20）作为NR基体材料。SiO₂用于增强硫化物复合材料，其浓度和其他制备成分来源于先前优化的配方。对硫化物的硫化特性和机械性能进行了表征，以评估Gd₂O₃掺入的影响。此外，利用研究堆设施中的中子照相技术评估了中子屏蔽性能，该技术提供了热中子衰减的测量方法。本研究的发现有望有助于利用自然资源开发适用于中子辐射屏蔽应用的有效柔性材料。

章节摘要

硫化物复合材料制备

称量所有所需原料，使其组成如表1所示。首先使用开炼机（Berstorff，德国）在70±5 °C的辊温和1:1.25的摩擦比下对NR（SIR 20）进行塑炼。将NR送入轧辊的一端的轧辊间隙中。然后，将另一端轧辊间隙出来的薄片NR（粘附在其中一个辊上）用手工刀切断，再次送入轧辊中。这些过程连续重复进行3分钟。之后，

硫化特性

表2总结了含有不同Gd₂O₃含量的NR/SiO₂硫化物的流变测试结果。所有NR/SiO₂-Gd₂O₃硫化物的T_min值均大于NR/SiO₂的T_min值。NR/SiO₂硫化物的T_min值为7.10 dNm，而NR/SiO₂-Gd₂O₃硫化物的T_min值为8.24至10.28 dNm。T_min值的增加反映了掺入Gd₂O₃的未硫化NR混合物的粘度高于未添加Gd₂O₃的混合物。相反，在所有Gd₂O₃含量下硫化物的

结论

为开发具有良好机械性能的柔性中子屏蔽材料，通过混炼和热硫化制备了掺入浓度最高达15 phr Gd₂O₃的NR/SiO2硫化物。对硫化物的硫化性能、机械性能、物理化学性能和热中子衰减性能进行了评估。硫化分析表明，将Gd₂O₃掺入NR/SiO₂中加速了硫化过程，可能是由于热传导增强所致

CRediT作者贡献声明

Aisyah Aisyah：正式分析、数据整理。Agus Jamaludin：项目管理、数据整理。Agus Salim Afrozi：验证、调查研究。Auring Rachminisari：可视化、数据整理。Kuat Heriyanto：可视化、项目管理。Achmad Ramadhani：方法论、调查研究。Adi Cifriadi：资源获取、方法论。Mohammad Khotib：写作——审阅与编辑、监督指导。Jaka Rachmadetin：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、验证、监督指导，

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢核表征实验室、高级表征实验室、高级化学表征实验室，以及通过E- Layanan Sains - BRIN提供设施、科学和技术支持的印度尼西亚国家研究与创新机构。NR硫化物样品的制备和机械测试在茂物橡胶研究所进行。中子透过率测试在GA. Siwabessy多功能

Dira Amanda|Tetty Kemala|Jaka Rachmadetin|Sulistioso Giat Sukaryo|Adi Cifriadi|Mohammad Khotib|Kuat Heriyanto|Achmad Ramadhani|Agus Salim Afrozi|Auring Rachminisari|Aisyah|Agus Jamaludin|Antonio Gogo Hutagaol