CN104150859A - 一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂5～40％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～15％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物20～70％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量10～20％的水组成：取各原料经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。本发明提供一种早强快硬、环境适应性好、对γ射线屏蔽性能优良、工艺简单、低碳环保的磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料及其制备方法。本发明提供的γ射线快速屏蔽材料适用作反应堆、粒子加速器及含放射源装置的设施以及放射性物质所产生的γ射线在短时间内进行屏蔽的辐射防护材料。

Description

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明属于辐射防护材料及其制备，涉及一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料及其制备方法。本发明采用磷酸盐水泥制备的γ射线快速屏蔽材料，特别适用作反应堆、粒子加速器及含放射源装置的设施以及放射性物质所产生的γ射线在短时间内进行屏蔽的辐射防护材料。

背景技术

随着核能工业、放射技术的发展，放射性物质及放射源在军事、核电、医学、通讯等领域和日常生活中得到广泛的应用。在使用过程中产生的大量γ射线及二次γ射线等高能射线，在给人类带来便利的同时也给人类身体健康带来一些危害。屏蔽材料作为第一道屏障屏蔽γ射线，尤其是在发生核事故时，需要将放射性物质或射线在短时间内屏蔽在较小的安全范围之内，防止其对环境或抢险人员的危害。

现有技术中，水泥基防辐射材料是目前常见的一种γ射线屏蔽材料，主要包括防辐射混凝土和防辐射砂浆，防辐射混凝土以重晶石防辐射混凝土为代表，常见配比为：水泥：重晶石碎石：重晶石砂：水＝1:4.54:3.4:0.5；防辐射砂浆以重晶石砂浆为代表，常见配比为：水泥：重晶石砂＝1:5.96。传统的水泥基防辐射材料具有原材料来源广泛、便于施工、可塑性好等优点，但亦存在凝结时间长、孔隙率高、易离析、施工性差、体积大、屏蔽性能与其力学性能、耐热性和抗辐照性难以兼容等缺点。这是由于传统水泥基防辐射材料采用的普通硅酸盐水泥，其密度小、结晶水含量低、耐高温性差，因此在应急处理方面难以快速实现对放射性物质或射线的屏蔽功能。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种早强快硬、环境适应性好、对γ射线屏蔽性能优良、工艺操作简单、低碳环保的磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用重烧镁砂、磷酸二氢钾作为胶凝材料，硼砂作为缓凝剂，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿单掺或复掺的方式作为屏蔽γ射线成分制备γ射线快速屏蔽材料。

本发明的内容是：一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂5～40％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～15％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物20～70％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量10～20％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

所述占固体物总质量10～20％的水，即：水的质量百分比用量为固体物重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物的原料的总和的10～20％。

本发明的内容较好的是：一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂5～35％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～10％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物28～69％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量12～20％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

本发明的另一内容是：一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，其特征是制备步骤为：

a、配料：按重烧镁砂5～40％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～15％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物20～70％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量10～20％的水；

b、混合：将重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物投入到混合容器中，在向混合容器中加入水并同时计时，按140～150r/min的速度搅拌(慢搅)15～30s，然后按275～295r/min的速度搅拌(快搅)1.5～3min，停15s后，再按275～295r/min的速度搅拌(快搅)3～5min，制得浆体；

c、将制得的浆体经成型、自然养护(方法同现有技术，自然养护1～28天)，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

本发明的另一内容中：步骤a所述各原料中，将重烧镁砂粉磨至粒径为10～50μm、重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石分别粉磨至粒径为5～50μm，磷酸二氢钾(可以是工业级)粉磨至粒径为30～150μm。

本发明的另一内容中：所述步骤a替换为配料：按重烧镁砂5～35％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～10％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物28～69％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量12～20％的水。

本发明的内容和另一内容中：所述重烧镁砂的主要化学成分为MgO，含量不低于85％；硼砂的主要化学成分为Na₂B₄O₇·10H₂O，含量不低于95％；重晶石粉的主要化学成分为BaSO₄，含量不低于80％；磁铁矿石的主要化学成分为Fe₃O₄，常写成Fe₂O₃和FeO复合的形式，其中Fe₂O₃不低于65％，FeO不低于25％；所述各百分比均为质量百分比。

与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果：

(1)采用本发明，重烧镁砂和磷酸二氢钾为胶凝材料，硼砂为缓凝剂，重晶石、磁铁矿、金属铅及其氧化物为屏蔽组分；反应机理为：磷酸镁水泥与水拌合后，KH₂PO₄首先溶解，H₂PO₄ ^-使得溶液呈酸性，重烧镁砂溶解产生的Mg²⁺在酸性条件下，与K+、H₂PO₄ ^-和PO₄ ^3-迅速反应生成MgKPO₄·6H₂O；化学反应式为：MgO+KH₂PO₄+5H₂O→MgKPO₄·6H₂O；在整个反应过程中硼砂溶解的B₄O₇ ^2-覆盖在重烧镁砂表面，阻止其进一步反应，起缓凝剂作用；因上述反应为放热反应，水化放热相对集中且放热量大，凝结硬化速度块；同时磷酸镁水泥具有陶瓷特性，在温度改变时不易发生相变；掺入的重质组分与γ射线γ粒子流相互作用，整个光子被原子吸收，同时本体系的粘接强度高，重质组分不易分层，流动性好，重质组分分散均匀，密实性好，γ射线更不容易透过，所以屏蔽性好；由于磷酸镁水泥是一种免烧水泥，不排放CO₂和氮氧化合物，所以制得的是一种绿色环保的水泥基材料；

(2)采用本发明，利用磷酸镁水泥制备的γ射线快速屏蔽材料具有早强、快硬等优良特性，其3h抗压强度可以达到30MPa以上，凝结时间10～30min，改善了普通水泥基屏蔽材料凝结时间长，早期强度低的不足；

(3)采用本发明，利用磷酸镁水泥制备的γ射线快速屏蔽材料具有粘接强度高、高温稳定性好等优良特性，其1d粘接强度可以达到3.1MPa改善了普通水泥基防辐射材料粘接强度低的缺陷；

(4)采用本发明，利用磷酸镁水泥制备的γ射线快速屏蔽材料具有流动性好、孔隙率低、屏蔽性好等优良特性，参照灌浆材料流动度测试方法，其流动度高于260mm，孔隙率低于20％，重质组分分散更加均匀，密实性好，对γ射线的屏蔽效果好。改善了防辐射混凝土和防辐射砂浆孔隙率大导致屏蔽效果较差的不足；

(5)磷酸镁水泥又称化学结合陶瓷，不仅具有普通硅酸盐水泥的水硬性、可塑性等优点，同时具有陶瓷的高抗压强度、耐高温、化学稳定性好等特性；其早期强度高、硬化时间快、流动性好、粘接强度高、结构密实、环境适应性强、耐久性好，满足快速屏蔽材料基材所需的条件；因此，选用以重烧镁砂、磷酸盐和硼砂组成的磷酸镁水泥作为基材，掺入一定量的重晶石、磁铁矿、氧化铅粉以及或/和金属铅粉作为γ射线屏蔽材料，制备一种早强快硬、环境适应性好、对γ射线屏蔽性能良好的新型水泥基防辐射材料，对快速屏蔽γ射线具有重要意义；

(6)本发明产品制备工艺简单，制备的γ射线快速屏蔽材料特别适用作反应堆、粒子加速器及含放射源装置的设施以及放射性物质所产生的γ射线进行屏蔽的辐射防护材料，材料的硬化时间小于30min、短时间内可形成具有足够强度的γ射线屏蔽体，实用性强。

具体实施方式

下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

利用磷酸镁水泥制备的γ射线快速屏蔽材料，其原料的组成及质量百分比如下：

重烧镁砂：34wt％，

磷酸二氢钾：34wt％，

重晶石粉：29wt％，

硼砂：3wt％,

水：占以上固体物总质量的18wt％。

利用磷酸镁水泥和重晶石粉制备γ射线快速屏蔽材料的方法为：首先，将重烧镁砂、磷酸二氢钾、重晶石磨细至技术方案中要求的粒径范围内，以重烧镁砂、磷酸二氢钾、重晶石粉和硼砂为原料，按配比计量后，先混合均匀，制备成粉体；加水过程慢搅15s，快搅至1.5min，停15s，快搅至3min的搅拌方式制备成γ射线快速屏蔽材料，成型试块尺寸为100×100×60mm。

实施例2：

利用磷酸镁水泥制备的γ射线快速屏蔽材料，其原料的组成及质量百分比如下：

重烧镁砂：15wt％，

磷酸二氢钾：15wt％，

氧化铅粉：69wt％，

硼砂：1wt％,

水：占以上固体物总质量的20wt％。

利用磷酸镁水泥和重晶石粉制备γ射线快速屏蔽材料的方法为：首先，将重烧镁砂、磷酸二氢钾、氧化铅磨细至技术方案中要求，以重烧镁砂、磷酸二氢钾、氧化铅粉和硼砂为原料，按配比计量后，先混合均匀，制备成粉体；加水过程慢搅15s，快搅至1.5min，停15s，快搅至3min的搅拌方式制备成γ射线快速屏蔽材料，成型试块尺寸为100×100×60mm。

实施例3：

利用磷酸镁水泥制备的γ射线快速屏蔽材料，其原料的组成及质量百分比如下：:

重烧镁砂：24wt％，

磷酸二氢钾：24wt％，

重晶石粉：30wt％

金属铅粉：20wt％，

硼砂：2wt％

水：占以上固体物总质量的12wt％。

利用磷酸镁水泥和重晶石粉制备γ射线快速屏蔽材料的方法为：首先，将重烧镁砂、磷酸二氢钾、重晶石、金属铅磨细至技术方案中要求的范围内，以重烧镁砂、磷酸二氢钾、重晶石粉、金属铅粉和硼砂为原料，按配比计量后，先混合均匀，制备成粉体；加水过程慢搅15s，快搅至1.5min，停15s，快搅至3min的搅拌方式制备成γ射线快速屏蔽材料，成型试块尺寸为100×100×60mm。

性能试验结果：

本发明实施例1～3中的γ射线屏蔽测试以¹³⁷Cs为放射源，源强为4.07×10^-8Bq，采用FJ-3150型X-γ计量仪；

γ射线快速屏蔽材料的各项性能见下表：

实施例4：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂22％，磷酸二氢钾23％，硼砂7％，重晶石48％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量15％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

所述占固体物总质量15％的水，即：水的质量百分比用量为固体物重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石原料的总的质量和的15％。

实施例5：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂40％，磷酸二氢钾25％，硼砂15％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物20％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量10％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

实施例6：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂5％，磷酸二氢钾15％，硼砂10％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物70％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量20％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

实施例7：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂20％，磷酸二氢钾25％，硼砂5％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物50％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量15％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

实施例8～14：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂5～40％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～15％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物20～70％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量10～20％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料；

所述占固体物总质量10～20％的水，即：水的质量百分比用量为固体物重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物的原料的质量总和的10～20％；

各实施例中各原料组分的具体质量百分比用量见下表：

注：表中“一种或混合物”指重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物；表中“水”的质量百分比是指固体物总质量的质量百分比。

实施例15：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，制备步骤为：

a、配料：按重烧镁砂22％，磷酸二氢钾23％，硼砂7％，重晶石48％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量15％的水；

b、混合：将重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石投入到混合容器中，在向混合容器中加入水并同时计时，按145r/min的速度搅拌(慢搅)22s，然后按285r/min的速度搅拌(快搅)2.2min，停15s后，再按285r/min的速度搅拌(快搅)4min，制得浆体；

c、将制得的浆体经成型、自然养护(方法同现有技术，自然养护1～28天)，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

实施例16：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，制备步骤为：

a、配料：按实施例5～14中任一配料；

b、混合：将重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物投入到混合容器中，在向混合容器中加入水并同时计时，按140r/min的速度搅拌(慢搅)30s，然后按275r/min的速度搅拌(快搅)3min，停15s后，再按275r/min的速度搅拌(快搅)5min，制得浆体；

c、将制得的浆体经成型、自然养护(方法同现有技术，自然养护1～28天)，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

实施例17：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，制备步骤为：

a、配料：按实施例5～14中任一配料；

b、混合：将重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物投入到混合容器中，在向混合容器中加入水并同时计时，按150r/min的速度搅拌(慢搅)15s，然后按295r/min的速度搅拌(快搅)1.5min，停15s后，再按295r/min的速度搅拌(快搅)3min，制得浆体；

c、将制得的浆体经成型、自然养护(方法同现有技术，自然养护1～28天)，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

实施例18：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，制备步骤为：

a、配料：按实施例5～14中任一配料；

b、混合：将重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物投入到混合容器中，在向混合容器中加入水并同时计时，按143r/min的速度搅拌(慢搅)18s，然后按280r/min的速度搅拌(快搅)1.8min，停15s后，再按280r/min的速度搅拌(快搅)3.5min，制得浆体；

c、将制得的浆体经成型、自然养护(方法同现有技术，自然养护1～28天)，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

实施例19：

一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，制备步骤为：

a、配料：按实施例5～14中任一配料；

b、混合：将重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物投入到混合容器中，在向混合容器中加入水并同时计时，按148r/min的速度搅拌(慢搅)26s，然后按290r/min的速度搅拌(快搅)2.5min，停15s后，再按290r/min的速度搅拌(快搅)4.5min，制得浆体；

c、将制得的浆体经成型、自然养护(方法同现有技术，自然养护1～28天)，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

上述实施例中：步骤a所述各原料中，将重烧镁砂粉磨至粒径为10～50μm、重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石分别粉磨至粒径为5～50μm，磷酸二氢钾(可以是工业级)粉磨至粒径为30～150μm。

上述实施例中：所述重烧镁砂的主要化学成分为MgO，含量不低于85％；硼砂的主要化学成分为Na₂B₄O₇·10H₂O，含量不低于95％；重晶石粉的主要化学成分为BaSO₄，含量不低于80％；磁铁矿石的主要化学成分为Fe₃O₄，常写成Fe₂O₃和FeO复合的形式，其中Fe₂O₃不低于65％，FeO不低于25％；所述各百分比均为质量百分比。

上述实施例中：所采用的各原料均为市售产品。

上述实施例中：所采用的百分比例中，未特别注明的，均为质量(重量)百分比例或本领域技术人员公知的百分比例；所述质量(重量)份可以均是克或千克；wt％即质量(重量)百分比。

上述实施例中：各步骤中的工艺参数(温度、时间、浓度、速度等)和各组分用量数值等为范围的，任一点均可适用。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims (5)

1.一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂5～40％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～15％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物20～70％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量10～20％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

2.一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料，其特征是：由重烧镁砂5～35％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～10％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物28～69％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量12～20％的水组成：取各原料组分，经混合均匀、加水搅拌成型并自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

3.一种磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，其特征是制备步骤为：

a、配料：按重烧镁砂5～40％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～15％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物20～70％的原料组分及质量百分比，以及占固体物总质量10～20％的水组成；

b、混合：将重烧镁砂，磷酸二氢钾，硼砂，以及重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物投入到混合容器中，在向混合容器中加入水并同时计时，按140～150r/min的速度搅拌15～30s，然后按275～295r/min的速度搅拌1.5～3min，停15s后，再按275～295r/min的速度搅拌3～5min，制得浆体；

c、将制得的浆体经成型、自然养护，即制得磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料。

4.按权利要求3所述磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，其特征是：步骤a所述各原料中，将重烧镁砂粉磨至粒径为10～50μm、重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石分别粉磨至粒径为5～50μm，磷酸二氢钾粉磨至粒径为30～150μm。

5.按权利要求3或4所述磷酸镁水泥基γ射线快速屏蔽材料的制备方法，其特征是：所述步骤a替换为配料：按重烧镁砂5～35％，磷酸二氢钾10～35％，硼砂1～10％，重晶石、氧化铅、金属铅、磁铁矿石中的一种或两种以上的混合物28～69％的原料组分按照对应质量百分比，经混合均匀、与占固体物总质量12～20％的按照所述步骤b方式搅拌，制成浆体，经步骤c方式养护制得水泥基γ射线快速屏蔽材料。