聚烯烃的辐射效应及其流变行为研究
王亨缇
学位类型博士
导师李景烨
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词聚烯烃 低密度聚乙烯 聚丙烯 辐射效应 流变行为
摘要核用电缆在反应堆核岛中使用时,不仅要耐受全寿命期堆内低剂量的射线辐照,同时要保证在失水事故工况较短时间高剂量β射线、γ射线等射线的辐照下保持功能。因此,以聚烯烃为基材的核用电缆耐辐照性能研究是一项必须开展的工作。同时,以AP1000为代表的第三代核电技术对核用电缆耐辐照考验提出更高要求,除γ射线辐照考验外,还需要进行β射线低剂量率辐照考验。尽管已有大量文献报道高能射线辐照对聚合物结构与性能的影响,但在模拟核电站工况及失水事故下核用电缆耐辐照性的系统研究亟待完善,特别是高分子材料在低剂量率β射线(用电子束模拟)下的辐射效应缺乏相应实验数据和机理分析;同时,有关高能射线辐照对聚烯烃拓扑结构变化影响的研究极少。相关文献的研究结果表明,流变学方法对于表征聚合物分子拓扑结构具有更高的敏感度。因此,本论文以两种典型聚烯烃—低密度聚乙烯(LDPE)与聚丙烯(PP)—的辐射效应为研究对象,主要通过流变学方法,对辐照过程中吸收剂量、射线种类、环境气氛及温度造成的影响展开研究,分析研究了辐射效应、结构与性能三者间的关系,揭示了辐照条件对聚烯烃辐射化学反应的影响,发现了被照后聚烯烃拓扑结构演变的新机理,建立了一系列表征交联与支化聚烯烃分子结构的流变学方法,初步实现了通过特征流变函数定量表征聚烯烃辐射产物的分子拓扑结构。本文主要工作内容及结果如下:(1)系统研究LDPE与PP在模拟辐照加工条件时,即在室温空气氛围高剂量率电子束(1.2 MeV,2.3×10~4 kGy/h)辐照至不同吸收剂量(0 kGy,10 k Gy,25 kGy,50 kGy,100 kGy,200 kGy,300 kGy与400 kGy)下化学结构、凝胶含量、自由基衰变过程、机械性能、热稳定性能、结晶行为及流变行为等的变化,初步探讨了吸收剂量对聚烯烃结构与性能的影响。研究表明,当吸收剂量为10-200 kGy时,LDPE以辐射交联为主,随着吸收剂量提高,交联密度逐渐增加;当吸收剂量大于200 kGy时,由于氧化降解程度提高,交联密度有所下降。PP以辐射降解为主,当吸收剂量达到400 kGy时支化反应逐渐占主导。同时实验证明,流变学方法对表征样品分子拓扑结构变化具有更高敏感度。(2)通过振幅扫描、SAOS、应力松弛及蠕变-回复测试等研究比较LDPE与PP在室温空气氛围中γ射线、高剂量率电子束(eletron-beam@high dose rate(EB-hdr),1.2 MeV,2.3×10~4 kGy/h)与低剂量率电子束(EB-ldr,1.2 MeV,20 kGy/h)辐照下,在一定吸收剂量范围(0 kGy,10 kGy,25 kGy,50 kGy,100 kGy,200 kGy,300 kGy,与400 kGy)内的粘弹行为差异,揭示射线种类与剂量率对LDPE与PP分子链拓扑结构的影响。研究发现,当吸收剂量相同时,LDPE的交联网络与射线种类密切相关,其交联密度(v_d)为EB-hdr?EB-ldr?γ-射线;PP的辐射降解程度为γ射线?EB-ldr?EB-hdr,这与射线的穿透能力有关。(3)利用SAOS测试、加权松弛谱与特征流变函数探究室温中不同环境气氛(N_2、空气及O_2)下高剂量率电子束辐照(1.2 MeV,2.3×10~4 kGy/h)对LDPE与PP线性黏弹性影响,并深入分析O_2作为自由基捕获体对LDPE和PP辐射效应的影响。研究表明,当吸收剂量相同时,LDPE在不同环境气氛(吸收剂量为0 kGy,25 kGy,50 kGy,100 kGy与200 kGy)中相同吸收剂量下交联度为N_2?Air?O_2;PP在一定剂量范围(0 kGy,10 kGy,25 kGy与50 kGy)内当吸收剂量相同时,氧化降解程度O_2>Air>N_2。(4)通过加权松弛谱及相关特征流变函数(vGp图、Cole-Cole图与|η*_((ω,σ))|vs.|G*_((ω,σ))|图等)分析研究在空气中不同温度(25℃与80℃)下电子束辐照(1.2MeV)对LDPE与PP线性黏弹性的影响,并进一步探究了链段活动能力与自由基迁移速率对聚烯烃辐射效应的影响。研究表明,LDPE在高剂量率电子束辐照下(吸收剂量为0 kGy,25 kGy,50 kGy,100 kGy与200 kGy,剂量率为2.3×10~4 kGy/h)对辐射交联的抑制作用有很大的温度依赖性,当吸收剂量一定时在空气氛围下被照LDPE的交联度为80℃?25℃。PP在较低吸收剂量(吸收剂量为50 kGy,剂量率为20 kGy/h)下氧化降解程度80℃?25℃。(5)依据上述结果预测LDPE与PP的反应机理,并横向对比相同吸收剂量下不同辐照条件对LDPE与PP结构与性能的影响差异。研究表明,环境气氛对聚烯烃辐射效应影响最大,射线种类与剂量率次之,温度影响最小。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28510
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
王亨缇. 聚烯烃的辐射效应及其流变行为研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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