مجله علوم، مهندسی و فناوری هسته‌ای

مقایسه عملکرد کامپوزیت و نانوکامپوزیت‌های بر پایه پلی‌اتیلن سنگین و نیترید بور برای کاربرد در حفاظ‌سازی نوترونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

سید جواد احمدی 1
زهرا رفیعی سرمزده 2
سید مرتضی زاهدی دیزجی 3
سید حسن جعفری 4
یاسر کاسه‌ساز 5

1 پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 8486-11365، تهران- ایران

2 پژوهشکده کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 3486-11365، تهران- ایران

3 پژوهشکده پلاسما و گداخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 51113-14399، تهران- ایران

4 دانشکده مهندسی شیمی، پردیس فنی، دانشگاه تهران، صندوق پستی 4563-11155، تهران- ایران

5 پژوهشکده راکتور و ایمنی هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 1339-14155، تهران- ایران

https://doi.org/10.24200/nst.2021.1299
چکیده
در این پژوهش، کامپوزیت و نانوکامپوزیت­های بر پایه پلی­اتیلن سنگین با استفاده از نیترید بور شش­گوش (hBN) و نانوصفحات نیترید بور (BNNSs) در درصدهای وزنی مختلف به روش اختلاط مذاب ساخته شد. ریخت­شناسی، ویژگی­ها و عملکرد مکانیکی و حرارتی کامپوزیت و نانوکامپوزیت­های حاوی تقویت­کننده نیترید بور بررسی شد. هم­چنین عملکرد حفاظتی کامپوزیت­های طراحی شده در برابر نوترون با استفاده از ستون گرمایی رآکتور تهران به روش فعال­سازی پولک طلا مورد بررسی قرار گرفت و با نتایج مربوط به پلی­اتیلن سنگین خالص مقایسه شد. نانوکامپوزیت­های حاوی BNNSs، مدول و استحکام کششی بزرگ­تر، پایداری حرارتی بیش‌تر و عملکرد حفاظ­سازی بهتری را در مقابل نوترون در مقایسه با کامپوزیت­های حاوی hBN نشان داده­اند. افزودن 5/0% وزنی از جاذب hBN به بستر پلی­اتیلن، عملکرد حفاظتی کامپوزیت را در مقایسه با پلی­اتیلن سنگین خالص 25% افزایش می­دهد؛ در حالی­که عملکرد حفاظ­سازی نانوکامپوزیت در همین درصد وزنی، بیانگر افزایش 43% در جذب نوترون­های گرمایی است. نتایج به‌دست آمده در این پژوهش می­تواند مقدمه­ای برای تولید حفاظ­های نوترونی سبک، ارزان و کارآمد باشد که امید است در آینده­ای نزدیک مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

نانوکامپوزیت
نیترید بور
پلی‌اتیلن سنگین
حفاظ نوترونی
نانوساختار

عنوان مقاله English

Comparison of performance of composites and nanocomposites based on high-density polyethylene and boron nitride for neutron shielding

نویسندگان English

S.J. Ahmadi 1
Z. Rafiei-Sarmazdeh 2
S.M. Zahedi-Dizaji 3
S.H. jafari 4
Y. Kasesaz 5
1 Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 11365-8486, Tehran- Iran
2 Radiation Application Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 11365-3486, Tehran- Iran
3 Plasma and Nuclear Fusion Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 14399-51113, Tehran-Iran
4 School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, P.O.Box: 11155-4563, Tehran- Iran
5 Reactor and Nuclear Safety Research School,. Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 14155-1339, Tehran- Iran
چکیده English

In the present study, high-density polyethylene (HDPE)/hexagonal boron nitride (hBN) and HDPE/Boron nitride nanosheets (BNNSs) nanocomposites with different contents were fabricated using the melt mixing method. The morphology, properties, and mechanical and thermal performance of composites and nanocomposites containing boron nitride were investigated. Also, the neutron shielding performance of the designed composites was investigated using the thermal column of the Tehran Research Reactor and foil activation method. The results were compared with those of using pure HDPE. HDPE/BNNSs nanocomposites have shown higher modulus and tensile strength, higher thermal stability, and better neutron shielding performance than HDPE/hBN. The results showed that by reaching hBN content to 0.5 wt. %, the neutron shielding of the composite was improved by 25% compared with the pure HDPE. However, there is a 43% increase in neutron absorption by nanocomposites compared with HDPE. The result of this work is expected to cause a natural synergy between applied nanocomposite and neutron shields and lead to the commercial production of Leigh-weight, inexpensive, and effective neutron-shield nanocomposites.

کلیدواژه‌ها English

Nanocomposite
Boron nitride
High density polyethylene
Neutron shielding
Nanostructure
1.  C. Harrison et al., Polyethylene/Boron Nitride Composites for Space Radiation Shielding, J. Appl. Polym. Sci. 109, 2529 (2008).
 
2.    S.J. Park, J.G. Jang, and H.K. Lee, Computational investigation of the neutron shielding and activation characteristics of borated concrete with polyethylene aggregate, J. Nucl. Mater. 452, 205 (2014).
 
3.    M.H. Kharita, S. Yousef, and M. AlNassar, Review on the addition of boron compounds to radiation shielding concrete, Prog. Nucl. Energy, 53(2), 207 (2011).
 
4.   C. Zeitlin et al. Measurements of materials shielding properties with 1 GeV/nuc 56Fe, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, 252, 308 (2006).
 
5.    L. Li, Y. Chen, and Z.H. Stachurski, Boron nitride nanotube reinforced polyurethane composites, Prog. Nat. Sci.: Mater. Int. 23(2), 170 (2013).
 
6.  C. Zhi et al. Characteristics of boron nitride nanotube-polyaniline composite, Angew. Chem. Int. 44, 7929 (2005).
 
7.    J. Yu et al. Interfacial modification of boron nitride nanoplatelets for epoxy composites with improved thermal properties, Polymer. 53(2), 471 (2012).
 
8.    A.M. Sukegawa et al. Flexible heat resistant neutron shielding resin, J. Nucl. Mater. 417, 850 (2011).
 
9.   G. Eid et al. Neutron shielding using Li3BO3/Epoxy Composite, Researcher, 3, 85 (2011).
 
10.  C. Zhi et al. Boron nitride nanotubes/polystyrene composite, J. Mater. Res. 21(11), 2794 (2006).
 
11. Y. Mülazim, C. Kızılkaya, and M. Kahraman, Thermal and neutron shielding properties of 10B2O3/polyimide hybrid material, Polym. Bull. 67(9), 1741 (2011).
 
12.  C. Harrison et al. Polyethylene∕Boron Composites for Radiation Shielding Applications, AIP, 969, 484 (2008).
 
13.  J. Jung et al. Preparations and thermal properties of micro- and nano-BN dispersed HDPE composites, Thermochim. Acta, 499, 8 (2010).
 
14.  Y.K. Shin et al. Effect of BN filler on thermal properties of HDPE matrix composites, Ceram. Int. 39, S569 (2013).
 
15. J. Ahn et al. Microstructural and Mechanical Properties of Boron Carbide Ceramics by Methanol Washed Powder, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1224, 1224 (2009)
 
16.  Z. Rafiei-Sarmazdeh, S.M. Zahedi-Dizaji, and A.K. Kang, in: Nanostructures, Edited by S. Ameen, (IntechOpen, London, 2019), pp.1-15.
 
17.  Y. Lin, and J.W. Connell, Advances in 2D boron nitride nanostructures: nanosheets, nanoribbons, nanomeshes, and hybrids with graphene, Nanoscale, 4(22), 6908 (2012).
 
18.  X. Wang et al. Boron Nitride Nanosheets: novel Syntheses and Applications in polymeric Composites, J. Phys. Conf. Ser. 471, 012003 (2013).
 
19.  D. Golberg et al. Boron nitride nanotubes and nanosheets, ACS Nano, 4(6), 2979 (2010).
 
20.  Q. Weng et al. Functionalized hexagonal boron nitride nanomaterials: emerging properties and applications, Chem. Soc. Rev, 45, 3989 (2016).
 
21.  J.W. Shin et al. Polyethylene/boron-containing composites for radiation shielding, Thermochim. Acta, 585, 5 (2014).
 
22.  J. Kim et al. Enhancement of thermal neutron attenuation of nano-B4C, -BN dispersed neutron shielding polymer nanocomposites, J. Nucl. Mater. 453(1), 48 (2014).
 
23.  Z. Rafiei-Sarmazdeh et al. Large-scale exfoliation of hexagonal boron nitride with combined fast quenching and liquid exfoliation strategies, J. Mater. Sci. 51, 3162 (2016).
 
24.  E. Mansouri et al. A review on neutron shielding performance of nano-composite materials, Int. J. Radiat. Res. 18(4), 611 (2020)

صفحه اصلی