功能化含硼聚芳硫醚特种工程塑料及复合材料的设计与制备及其对多X射线和中子屏蔽吸收的功能机理研究

The functional special engineering plastic boron-contained polyarylene sulfide(BPAS) and its composites have been designed and developed. The BPAS contains boron active groups and can react with metal ions, metal oxides and metal fibers to form the new special engineering plastic functional composites which have capacity of absorbing and shielding X-ray and neutrons. The mechanism of absorption to X-ray and neutrons of BPAS and its composites are investigated. While maintaining the original nature of polyphenylene sulfide(PPS), the new function of absorbing and shielding the X-ray and neutrons are endowed to the BPAS and its composites, and this research constructs the relations between new structure and the function of the materials. This can broaden the applications of the special plastics, and provide a demonstration study on the functionalizing of special engineering plastics. The molecule weight of BPAS Mn≥50000, Tm≥285℃, the tensile strength>60MPa, the flexural strength>80MPa. The X-ray shielding rate of the BPAS composites ≥90% range from 20Kev to 200Kev of X-ray band energy, and the absorption rate of neutrons ≥90% under the Am-Be isotopes measuring condition. The BPAS and its composites have the outstanding ability to absorb and shield X-ray and neutrons, and have wide applications in the high energy ray absorption shield, nuclear reaction power station protection and stealth technology.

设计具有吸收和捕获中子功能的含硼聚芳硫醚（BPAS）特种工程塑料及其与金属离子、金属氧化物和金属纤维反应形成的多功能特种工程复合材料。采用缩聚反应合成制备BPAS、通过进一步功能化反应及加工制备BPAS-M+、BPAS-MOx和BPAS/M-fiber复合材料，研究各类材料吸收X射线和中子的功能化机理。在保持PPS自身优异性能的同时赋予BPAS及其复合材料吸收X射线和中子等全新功能，构建新型结构与功能的关系、拓宽其用途、为特种工程塑料的功能化做示范探索研究。BPAS分子量≥50000，熔点≥285℃，拉伸强度>60MPa，抗弯强度>80MPa；键合型复合材料对20-200KeV X射线吸收屏蔽率≥90%；Am-Be同位素源下，中子吸收率≥90%；设计研发的BPAS特种工程塑料及其复合材料与制品具有高效吸收和屏蔽X射线、高效捕获中子能力，可用于高能射线吸收屏蔽、核反应防护和隐身等多个方面。

随着科学技术的发展，在越来越多的科研和生产场景中遇到电离辐射。为了保护人员的安全和设备的正常运行，对于辐射的屏蔽是十分有意义的工作。.本研究采用4-氯水杨酸与硼酸合成新型卤代硼酸化合物CLBSB，对其结构进行了表征，且CLBSB具有极高的热稳定性，热分解温度为434 °C。以CLBSB为反应第三单体，合成了一系列不同硼含量新型聚芳硫醚（PPSmB）。所制得的PPSmB的熔点为283.4-284.1℃，热分解温度为468.7-472.0℃，拉伸强度为45.8-50.4MPa。PPSmB-5对波长为0.53 nm的热中子质量衰减系数为2.64 cm2/g，相较于PPS（2.06 cm2/g）提高了约30%。.此外，合成了含有双羧基和水杨酸基的聚苯硫醚共聚物PPSdc与SAPPS。所制得的均聚物均展现出良好的热力学性能，PPSdc的拉伸强度为67.0-74.9 Mpa；SAPPS的拉伸强度为52.2-66.6 Mpa。PPSdc熔点为283.7-284.2℃，热分解温度为490.8-502.9℃；SAPPS熔点为283.3-283.7℃，热分解温度为469-471℃。由于活性基团的引入，相较于PPS，含羧酸10%的PPSdc10亲水角减小了10°。.以共聚物PPSdc7.5和SAPPS5为复合材料基质，与Gd2O3、W和Gd分别制成了具有防护X射线、γ射线以及中子辐射的复合材料PPSdc7.5/W、PPSdc7.5/Gd和Gd2O3/SAPPS。填充材料的引入对复合材料的热力学性能影响不大，但中子屏蔽、X射线屏蔽、伽马射线屏蔽随着填充物含量的增加逐渐增加。其中，PPSdc7.5/W复合材料不仅展现出良好X射线屏蔽，同时具有良好的γ射线屏蔽作用；在Gd2O3/SAPPS复合材料中，当Gd2O3含量为50 wt%时，其中子屏蔽率高达83%。.将PPSdc7.5/W(43 wt%) 和PPSdc7.5/Gd(43 wt%)交替堆叠制备了多层复合材料PPSdc/Gd/W。PPSdc7.5/Gd/W多层复合材料的中子屏蔽率为0.853，γ射线屏蔽率为0.663。在厚度约为10.2 cm时，相比于共混复合材料PPSdc7.5/(Gd W)，多层复合材料PPSdc/Gd/W中子屏蔽性提升了约21%。