化学键合的陶瓷辐射屏蔽材料及制备方法
【专利说明】
[0001]本申请是2006年12月06日提交的发明名称为"化学键合的陶瓷辐射屏蔽材料及 制备方法"的第200680045960. 3号中国发明专利申请的分案申请。
[0002] 发明背景
技术领域
[0003] 本发明涉及化学键合的氧化物-磷酸盐陶瓷领域，并且更特别地涉及具有独特的 辐射屏蔽特性的化学键合的氧化物-磷酸盐陶瓷。
[0004] 相关技术描述
[0005] 辐射的防泄漏、封装和屏蔽，包括电磁屏蔽和微波屏蔽，在科技进步的社会中日益 重要。虽然核能的产生提供了化石燃料能源的替代物，但目前废料的防泄漏增加了费用，从 而降低产生能量的综合经济可行性。其它低水平的放射性物质，例如医药废物、工业废物、 来自贫化铀管理的废物等，也经历相同的储存、屏蔽和防泄漏问题。此外，电子装置的激增 增加了对提供有效的电磁屏蔽的需求。诸如手机、微波炉等电子装置需要阻止辐射能指向 使用者的电磁能屏蔽。
[0006] 医学诊断领域也广泛使用放射性物质以帮助检测人类疾病。利用X光和其它形式 的放射性物质以检测这些问题已经为医生提供了对患者的医疗状况有价值的判断力。这些 诊断方法的缺点包括需要屏蔽以保护患者和医务人员使其免于有害地暴露在辐射和其它 形式的电磁能中。目前，放射性医学诊断广泛地利用铅作为屏蔽材料。例如，患者可在照射 X光期间穿上铅衬背心以使暴露最小化。在照射医用X光期间，广泛使用铅衬干墙板以提供 对由一次X光线及一次X光线的散射产生的一次和二次X辐射的屏蔽。X光机自身会需要 有效的屏蔽，例如由铅板提供的屏蔽，以防止人过度地暴露在放射性物质中。
[0007] 因为金属铅屏蔽在不过多使用空间的情况下允许有效的屏蔽，所以其被广泛使 用。例如，厚度小于1英寸的铅板可用于屏蔽X光机。
[0008] 铅屏蔽的缺点包括铅的质量、难于形成将铅板固定在适当位置的结构、对美学上 令人愉快的结构的需求以及详尽记录的暴露于铅和铅的处理中的致癌风险等等。将现有的 铅衬结合的石膏墙板适当安装为在医用和牙科用X光室和设施中的二次和一次X光屏障是 要花费大量劳动力的。
[0009] 其它辐射屏蔽需求包括制造无铅墙板，该无铅墙板能够有效地替代用于世界范围 内医用和牙科用X光室及类似设施的、现有工业标准的铅衬结合的石膏墙板。太空站、卫星 和太空船是可以应用本发明的其它领域，因为已知诸如铝箱和铝片、铅基材料等可利用的 辐射屏蔽材料形式和其它所提出的辐射屏蔽方法具有最低程度的有效性、需要使用促成重 量问题的限制性厚度、有时本质上是有毒的、并且关于需要开发在空间环境中提供特别可 靠的防护屏蔽的、通用的、坚固的、耐用的、相对易于修复的复合辐射屏蔽材料通常是麻烦 的。
[0010] 由于基于波特兰水泥/混凝土的体系提供弱的氢键结合（与离子键结合和共价键 结合比较），在发明名称为"胶凝喷射混凝土组合物"的第6, 565, 647号美国专利中所描述 的使用胶凝材料来容纳和屏蔽放射性物质可能是成问题的，在此以参考的形式将该专利的 全部内容引入本文中。此外，这些基于波特兰水泥的体系具有高水平的孔隙率（与其它基 体比较，例如基于聚合物的材料和化学键合的氧化物-磷酸盐陶瓷）、腐蚀和破裂问题。
[0011] 波特兰水泥基体还需要大量的固化（21天）以保证完全的基体形成。诸如基于聚 合物的基体等其它选择可提供较低的孔隙率，但当暴露于有机溶剂及高pH材料或低pH材 料中时会降解。波特兰水泥基体还易于受到来自于通常存在于放射性废物中的多种材料的 腐蚀作用的影响。
[0012] 冷烧结的陶瓷水泥材料，如在发明名称为"通过化学键合的磷酸盐陶瓷稳定废物 的方法"的美国专利第5, 830, 815号、发明名称为"可栗送的/可注射的磷酸盐键合的陶 瓷"的美国专利第6, 204, 214号、发明名称为"化学键合的磷-硅酸盐陶瓷"的美国专利第 6, 518, 212号以及发明名称为"多功能耐火材料"的美国专利第6, 787, 495号中所描述的 (在此将上述专利的全部内容引入作为参考）冷烧结的陶瓷水泥材料未公开或未建议加入 不透射线的复合混合物，且因此未提供辐射屏蔽性。在所述'815专利的示例性实施方案 中，将以下的氧化镁-磷酸反应作为典型而示出：
[0013] Mg0+H3P04+H20 -MgHP04 · 3H20
[0014] 所述的'815专利考虑了其它金属氧化物，包括铝氧化物、铁氧化物和钙氧化物、 钡氧化物、铋氧化物、钆氧化物、锆氧化物以及钨氧化物。相对于磷酸（即更碱性的反应）， 通过在与金属氧化物或金属氢氧化物反应前使用单价金属的碳酸盐、碳酸氢盐或氢氧化物 与磷酸反应而实现将反应的pH最小化。其它所考虑的金属（M'）为钾、钠、钨和锂。所述的 '815中描述的部分示例性反应为：
[0015] H3P04+M2C03+M，氧化物一Μ，ΗΡ04
[0016] 此外，在以下反应中显示了在更高的pH下（与使用磷酸相比较）使用磷酸二氢盐 以形成陶瓷：
[0017] Mg0+LiH2P04+nH20 -MgLiP04 · (η+1)Η20
[0018] 在发明名称为"利用工业/农业废物作为原材料制造不透射线的材料的低温方法 (例如超过数百摄氏度）"的第20060066013号美国专利申请公开中描述的烧结的或低温和 高温固化的陶瓷材料不能为冷烧结的氧化物-磷酸盐键合的陶瓷结构提供可行的替代物。 高固化温度会妨碍该材料用于废物防泄漏和屏蔽的应用中，因为在运输和在所需场所装配 之前，高温烧结（数百摄氏度以上）需要组分在偏远的场所形成并烧结。由于烧结的要求， 高温固化的陶瓷对形成大的组分可能是不切实际的。由于待容纳的废物和最终储存的场 所，原位形成用于废物防泄漏的烧结的陶瓷可能是成问题的。在烧结工序期间可能会释放 出氨。在陶瓷基体中夹杂氨会对所得到的结构有害。
[0019] 发明名称为"使用富集的同位素硼化合物的辐射屏蔽的磷酸盐键合的陶瓷"的美 国专利申请公开2002/0165082(以参考的方式将其全部内容引入本文）描述了将液体溶液 中富集的硼化合物添加剂用于磷酸盐键合的陶瓷中以便提供辐射屏蔽。该文件未建议通过 将"冷烧结"的化学键合的氧化物-磷酸盐胶凝材料与不透射线的填料及混合物合并来将 辐射屏蔽和封装，所述混合物例如硫酸钡、钡氧化物及钡化合物、钆氧化物及钆化合物、铈 氧化物及铈化合物、钨氧化物及钨化合物以及贫化铀氧化物及贫化铀化合物。
[0020] 发明名称为"用于屏蔽中子辐射和伽马辐射的复合材料与工艺"的美国专利申请 公开20050258405(参考的方式将其全部内容引入本文）描述了多种不透射线的复合材料 混合物的应用，所述复合材料混合物在某些应用中是由多种改良的波特兰水泥、灌浆材料、 环氧树脂和氯氧镁/磷酸镁水泥键合的。重要的是应注意，虽然氯氧镁/磷酸镁在胶凝键 合技术中是相似的令人印象深刻的书面描述，但是事实上是显然不同的胶凝键合技术，并 且已知该技术对于本文下文公开的关于氧化镁-磷酸二氢钾胶凝键合性能的实施方案产 生更多的孔的和更少有利的结果。该公布的专利申请既没有包括也没有考虑化学键合的氧 化物-磷酸盐胶凝技术对形成有用的复合材料辐射屏蔽的潜在优越性能和益处。
[0021] 发明概述
[0022] 因此，本文公开与描述的陶瓷材料和方法的实施方案为放射性物质、电磁和微波 能的防泄漏、封装和屏蔽提供了具有独特的辐射屏蔽性能和特性的"冷烧结"的化学键合的 氧化物-磷酸盐陶瓷水泥或陶瓷混凝土复合材料。此外，公开的实施方