專利名稱：:化學(xué)鍵合的陶瓷輻射屏蔽材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷領(lǐng)域，并且更特別地涉及具有獨(dú)特的輻射屏蔽特性的化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷。相關(guān)技術(shù)描述輻射的防泄漏、封裝和屏蔽，包括電磁屏蔽和微波屏蔽，在科技進(jìn)步的社會中日益重要。雖然核能的產(chǎn)生提供了化石燃料能源的替代物，但目前廢料的防泄漏增加了費(fèi)用，從而降低產(chǎn)生能量的綜合經(jīng)濟(jì)可行性。其它低水平的放射性物質(zhì)，例如醫(yī)藥廢物、工業(yè)廢物、來自貧化鈾管理的廢物等，也經(jīng)歷相同的儲存、屏蔽和防泄漏問題。此外，電子裝置的激增增加了對提供有效的電磁屏蔽的需求。諸如手機(jī)、微波爐等電子裝置需要阻止輻射能指向使用者的電磁能屏蔽。醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域也廣泛使用放射性物質(zhì)以幫助檢測人類疾病。利用X光和其它形式的放射性物質(zhì)以檢測這些問題已經(jīng)為醫(yī)生提供了對患者的醫(yī)療狀況有價值的判斷力。這些診斷方法的缺點包括需要屏蔽以保護(hù)患者和醫(yī)務(wù)人員使其免于有害地暴露在輻射和其它形式的電磁能中。目前，放射性醫(yī)學(xué)診斷廣泛地利用鉛作為屏蔽材料。例如，患者可在照射X光期間穿上鉛襯背心以使暴露最小化。在照射醫(yī)用x光期間，廣泛使用鉛襯干墻板以提供對由一次X光線及一次X光線的散射產(chǎn)生的一次和二次X輻射的屏蔽。x光機(jī)自身會需要有效的屏蔽，例如由鉛板提供的屏蔽，以防止人過度地暴露在放射性物質(zhì)中。因為金屬鉛屏蔽在不過多使用空間的情況下允許有效的屏蔽，所以其被廣泛使用。例如，厚度小于l英寸的鉛板可用于屏蔽x光機(jī)。鉛屏蔽的缺點包括鉛的質(zhì)量、難于形成將鉛板固定在適當(dāng)位置的結(jié)構(gòu)、對美學(xué)上令人愉快的結(jié)構(gòu)的需求以及詳盡記錄的暴露于鉛和鉛的處6理中的致癌風(fēng)險等等。將現(xiàn)有的鉛襯結(jié)合的石膏墻板適當(dāng)安裝為在醫(yī)用和牙科用X光室和設(shè)施中的二次和一次X光屏障是要花費(fèi)大量勞動力的。其它輻射屏蔽需求包括制造無鉛墻板，該無鉛墻板能夠有效地替代用于世界范圍內(nèi)醫(yī)用和牙科用x光室及類似設(shè)施的、現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的鉛襯結(jié)合的石膏墻板。太空站、衛(wèi)星和太空船是可以應(yīng)用本發(fā)明的其它領(lǐng)域，因為已知諸如鋁箔和鋁片、鉛基材料等可利用的輻射屏蔽材料形式和其它所提出的輻射屏蔽方法具有最低程度的有效性、需要使用促成重量問題的限制性厚度、有時本質(zhì)上是有毒的、并且關(guān)于需要開發(fā)在空間環(huán)境中提供特別可靠的防護(hù)屏蔽的、通用的、堅固的、耐用的、相對易于修復(fù)的復(fù)合輻射屏蔽材料通常M煩的。由于基于波特蘭水泥/混凝土的體系提供弱的氫鍵結(jié)合(與離子鍵結(jié)合和共價鍵結(jié)合比較)，在發(fā)明名稱為"膠凝噴射混凝土組合物"的第6,565,647號美國專利中所描述的使用膠凝材料來容納和屏蔽放射性物質(zhì)可能是成問題的，在此以參考的形式將該專利的全部內(nèi)容引入本文中。此外，這些基于波特蘭水泥的體系具有高水平的孔隙率(與其它基體比較，例如基于聚合物的材料和化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷)、腐蝕和破裂問題。波特蘭水泥基體還需要大量的固化(21天)以保證完全的基體形成。諸如基于聚合物的基體等其它選擇可提供較低的孔隙率，但當(dāng)暴露于有機(jī)溶劑及高pH材料或低pH材料中時會降解。波特蘭水泥基體還易于受到來自于通常存在于》文射性廢物中的多種材料的腐蝕作用的影響。冷燒結(jié)的陶瓷水泥材料，如在發(fā)明名稱為"通過化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷穩(wěn)定廢物的方法"的美國專利第5,830,815號、發(fā)明名稱為"可泵送的/可注射的磷酸鹽鍵合的陶瓷"的美國專利第6,204,214號、發(fā)明名稱為"化學(xué)鍵合的磷-硅酸鹽陶瓷"的美國專利第6，518,212號以及發(fā)明名稱為"多功能耐火材料"的美國專利第6，787，495號中所描述的(在此將上述專利的全部內(nèi)容引入作為參考)冷燒結(jié)的陶瓷水泥材料未/^開或未建議加入不透射線的復(fù)合混合物，且因此未提供輻射屏蔽性。在所述'815專利的示例性實施方案中，將以下的氧化鎂-磷酸反應(yīng)作為典型而示出MgO+H3P04+H20—MgHP04'3H207所述的'815專利考慮了其它金屬氧化物，包括鋁氧化物、鐵氧化物和4丐氧化物、鋇氧化物、鉍氧化物、釓氧化物、鋯氧化物以及鴒氧化物。相對于磷酸(即更堿性的反應(yīng))，通過在與金屬氧化物或金屬氫氧化物反應(yīng)前使用單價金屬的碳酸鹽、碳酸氫鹽或氫氧化物與磷酸反應(yīng)而實現(xiàn)將反應(yīng)的pH最小化。其它所考慮的金屬(M，)為鉀、鈉、鎢和鋰。所述的'815中描述的部分示例性反應(yīng)為H3P04+M2C03+M'氧化物—M'HP04此外，在以下反應(yīng)中顯示了在更高的pH下(與使用磷酸相比較)使用磷酸二氫鹽以形成陶瓷MgO+LiH2P04+nH20—MgLiP04(n+l)H20在發(fā)明名稱為"利用工業(yè)/農(nóng)業(yè)廢物作為原材料制造不透射線的材料的低溫方法(例如超過數(shù)百攝氏度)"的第20060066013號美國專利申請公開中描述的燒結(jié)的或低溫和高溫固化的陶f:材料不能為冷燒結(jié)的氧化物-磷酸鹽4建合的陶瓷結(jié)構(gòu)提供可行的替代物。高固化溫度會妨礙該材料用于廢物防泄漏和屏蔽的應(yīng)用中，因為在運(yùn)輸和在所需場所裝配之前，高溫?zé)Y(jié)(數(shù)百攝氏度以上)需要組分在偏遠(yuǎn)的場所形成并燒結(jié)。由于燒結(jié)的要求，高溫固化的陶瓷對形成大的組分可能是不切實際的。由于待容納的廢物和最終儲存的場所，原位形成用于廢物防泄漏的燒結(jié)的陶瓷可能是成問題的。在燒結(jié)工序期間可能會釋放出氨。在陶瓷基體中夾雜氨會對所得到的結(jié)構(gòu)有害。發(fā)明名稱為"使用富集的同位素硼化合物的輻射屏蔽的磷酸鹽鍵合的陶瓷，，的美國專利申請公開2002/0165082(以參考的方式將其全部內(nèi)容引入本文)描述了將液體溶液中富集的硼化合物添加劑用于磷酸鹽4建合的陶乾中以便提供輻射屏蔽。該文件未建議通過將"冷燒結(jié)，，的化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽膠凝材料與不透射線的填料及混合物合并來將輻射屏蔽和封裝，所述混合物例如-克酸鋇、鋇氧化物及鋇化合物、釓氧化物及釓化合物、鈰氧化物及鈰化合物、鴒氧化物及鴒化合物以及貧化鈾氧化物及貧化鈾化合物。發(fā)明名稱為"用于屏蔽中子輻射和伽馬輻射的復(fù)合材料與工藝"的美國專利申請^^開20050258405(參考的方式將其全部內(nèi)容引入本文)描述了多種不透射線的復(fù)合材料混合物的應(yīng)用，所述復(fù)合材料混合物在某些應(yīng)用中是由多種改良的波特蘭水泥、灌漿材料、環(huán)氧樹脂和氯氧鎂/磷酸鎂水泥鍵合的。重要的是應(yīng)注意，雖然氯氧鎂/磷酸4美在膠凝4定合技術(shù)中是相似的令人印象深刻的書面描述，但是事實上是顯然不同的膠凝鍵合技術(shù)，并且已知該技術(shù)對于本文下文公開的關(guān)于氧化鎂-磷酸二氫鉀膠凝鍵合性能的實施方案產(chǎn)生更多的孔的和更少有利的結(jié)果。該公布的專利申請既沒有包括也沒有考慮化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽膠凝技術(shù)對形成有用的復(fù)合材料輻射屏蔽的潛在優(yōu)越性能和益處。發(fā)明概述因此，本文公開與描述的陶覺材料和方法的實施方案為放射性物質(zhì)、電磁和微波能的防泄漏、封裝和屏蔽提供了具有獨(dú)特的輻射屏蔽性能和特性的"冷燒結(jié)"的化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷水泥或陶瓷混凝土復(fù)合材料。此外，公開的實施方案將陶瓷水泥或陶瓷混凝土建筑材料的獨(dú)特的輻射屏蔽性能與建筑應(yīng)用合并，所述建筑應(yīng)用包括涂覆現(xiàn)有的被污染的波特蘭水泥和其它膠凝的及環(huán)氧樹脂的建筑材料，該建筑材料已經(jīng)被或可能被有害的放射性物質(zhì)及其它有害的危險廢物物質(zhì)污染。雖然在上下文中描述了典型的實施方案，但是該實施方案不限于減弱由醫(yī)院、醫(yī)療室和牙科室及設(shè)施中的X光機(jī)和設(shè)備產(chǎn)生的x輻射，其能被并入很多產(chǎn)品及產(chǎn)品的替換中以實現(xiàn)X光的減弱，包括但不限于醫(yī)療室和牙科室的墻板，包括垂直墻、地板和天花板的應(yīng)用；醫(yī)療運(yùn)輸車的可拆裝的和永久的屏蔽；將兩種鄰接材料之間x輻射的任何泄露密封的灌漿接縫化合物；以及需要減弱和阻擋x輻射及其它污染物的任意其它應(yīng)用。雖然現(xiàn)有設(shè)計未經(jīng)歷前述缺點，但氧化物-磷酸鹽陶瓷水泥結(jié)構(gòu)比波特蘭水泥結(jié)構(gòu)形成具有明顯更^[氐孔隙率的結(jié)構(gòu)。在一實施方案的方面，公開了在環(huán)境溫度下形成輻射屏蔽部件的物質(zhì)組合物和方法，其中所述物質(zhì)組合物包括"冷燒結(jié)的"化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶資基體和分散于所述"冷燒結(jié)的"化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷基體的輻射屏蔽材料。本發(fā)明中低水平的輻射屏蔽使用有效的不透射線填料的多種組合，所述填料例如粉末狀的氧化鋇、硫酸鋇及其它鋇化合物；氧化鈰及鈰化合物；以及粉末狀的鉍氧化物及鉍化合物；釓氧化物及釓化合物；鴒氧化物及鴒化合物；貧化鈾及貧化鈾化合物，其在由特定比例的氧化鎂(MgO)粉末和磷酸二氫鉀(KH2P04)及水組成的酸式磷酸鹽溶液中鍵合在一起。所得到的復(fù)合的化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷材料通過在厚度高達(dá)0.5英寸的材料中提供了減弱高達(dá)120kVp的x輻射所需要的必要輻射屏蔽而顯示出有效阻擋醫(yī)用x光。僅僅增加這些化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷復(fù)合的輻射屏蔽材料的厚度便有效地減弱更高的kVp能量水平。根據(jù)一實施方案，提供了物質(zhì)組合物，該物質(zhì)組合物包括基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體和輻射屏蔽材料，其中所述輻射屏蔽材料^:于所述基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體中，并且所述輻射屏蔽材料選自重晶石、硫酸鋇、氧化鈰、氧化鎢、氧化釓、粉末狀和纖維狀的退火的含鉛玻璃40%至75%、沸石、斜發(fā)沸石、天青石、貧化鈾。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述沸石是由以下組分及以下近似重量百分比組成52.4%Si02、13.13%A1203、8.94%Fe203、6.81%CaO、2.64%Na20、4.26%MgO和MnO10%。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，按照重量比，重晶石大致含有89%至99%BaS04和1%至5.8%硅酸鹽，其中，存在于權(quán)利要求2的物質(zhì)組合物中的沸石的重量百分比范圍為0.2%至50%。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述基于璘酸鹽的陶瓷基體選自KH2P04(磷酸二氫鉀)、MgHP04(磷酸氫4美)、Fe3(HP04)2(磷酸鐵(II))、Fe3(HP04)28H20(八水合磷酸鐵(II))、FeHP04(磷酸鐵(III))、FeHP04.2H20(二水合磷酸鐵(III))、AIPCU磷酸鋁、A1P04.1.5H20(水合磷酸鋁)、CaHP04(磷酸氫鈣)、CaHP042H20(二水合磷酸氫鈣)、BiP04(磷酸鉍)、CeP04(磷酸鈰(III))、CeP042H20(二水合磷酸鈰(III))、GdP041H20(磷酸釓)、BaHP04(磷酸氬鋇)、UP04(貧化鈾(U-238)磷酸鹽)。應(yīng)理解前述的一般描述和以下的詳細(xì)描述均僅為示例性和解釋性的10并不限制所述的實施方案。發(fā)明詳述現(xiàn)將詳細(xì)參考目前的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。本發(fā)明涉及在環(huán)境溫度下形成輻射屏蔽部件的物質(zhì)組合物和方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，本發(fā)明的物質(zhì)組合物旨在用于屏蔽和減弱多種形式的輻射，包括X輻射、電i茲波頻譜和微波頻語；以及來自電子束焊接的能量(軔致輻射或二次輻射)等。物質(zhì)組合物和方法提供了用于構(gòu)建在電磁波頻i普區(qū)域表現(xiàn)出輻射屏蔽能力的部件的有效組合物。所得材料可在環(huán)境條件下在快速的時幀內(nèi)(一個半小時的固化至2天的固化)形成。這允許形成含有輻射、電磁和微波屏蔽內(nèi)含物材料的化學(xué)4建合的氧化物-磷酸鹽陶瓷基體而無需通常所需的高溫?zé)Y(jié)。通常的高溫?zé)Y(jié)可超過數(shù)百攝氏度并且通常可出現(xiàn)在約1800。C(一千八百攝氏度)。由于本發(fā)明的"冷燒結(jié)"方法(在環(huán)境溫度下固化)可出現(xiàn)在100。C(一百4聶氏度)或100。C以下，前述可允許原位形成諸如屏蔽結(jié)構(gòu)等部件，或者相對于其它輻射屏蔽材料，可允許有效運(yùn)輸和安裝由所述物質(zhì)組合物形成的預(yù)制的面板或結(jié)構(gòu)。例如，根據(jù)本發(fā)明形成的結(jié)構(gòu)可允許在幾天的時間范圍內(nèi)使完全固化的隔墻形成和備用。本發(fā)明的物質(zhì)組合物使用"冷燒結(jié)"的化學(xué)4建合的氧化物-磷酸鹽陶瓷材料以便形成在其內(nèi)包含另外輻射屏蔽材料的基體?；瘜W(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷基體可通過將金屬氧化物與含有磷酸鹽的物質(zhì)或材料混合而形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解根據(jù)所述成分金屬磷酸鹽，所得到的化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶t:可以是水合形式。合適的金屬氧化物可包括這樣的金屬氧化物其中，陽離子組分與輻射屏蔽相關(guān)，這樣所得到的金屬磷酸鹽陶瓷可表現(xiàn)出輻射屏蔽能力。合適的含有磷酸鹽的物質(zhì)或材料包括磷酸二氫鉀、磷酸、酸式磷酸鹽、磷酸一氫鹽等。合適的氧化物包括鎂、鐵(II或III)、鋁、鋇、鉍、鈰(III或IV)，札、鎢以及貧化鈾(III)(基本上為鈾238)。所得的化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷可包括KH2P04(磷酸二氫鉀)、MgHP04.3H20(三水合磷酸氬鎂)、MgHP04(磷酸氫鎂)、Fe3(HP04)2(磷酸鐵(II))、Fe3(HP04)2'8H20(八水合磷酸鐵(II))、FeHP04(磷酸鐵(III))、FeHP04.2H20(二水合磷酸鐵(III))、A1P04(磷酸鋁)、A1P04.1.5H20(水合石舞酸鋁)、CaHP04C疇酸氫釣)、CaHP042H20(二水合磷酸氫4丐)、BiP04(磷酸鉍)、CeP04(磷酸鈰(III))、CeP04.2H20(二水合磷酸鈰(III))、BaHP04(磷酸氫鋇)以及UP04(貧化鈾(U-238)磷酸鹽)。在更多的實例中，也可使用不同金屬和稀土金屬的磷酸鹽/磷酸氫鹽，如GdP041H20磷酸釓。合適的多種金屬磷酸鹽可包括磷酸氫鎂、磷酸鐵(III)、磷酸鋁、磷酸氫鈣、磷酸鈰(III)以及磷酸氫鋇。在實施方案中，所述陶瓷基體為如下通式MHP04.xH20，其中M是二價陽離子，其選自Mg(鎂)、Ca(4丐)、Fe(鐵(II))、Ba(鋇)；其中x至少是0(零)、2(二)、3(三)或8(八)之一。更多的實例中，所述基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體為如下通式MP04.xH20，其中M是三價陽離子，其選自Al(鋁)、Ce(鈰(III))、U238(貧化鈾)、Fe(4失(III));并且x至少是0(零)、1.5(—點五)或2(二)之一。在更多的實施方案中，形成多層結(jié)構(gòu)以提供覆蓋廣泛的千伏峰(kVp)范圍的有效減弱。例如，經(jīng)鑄造或噴施形成多層材料以形成表現(xiàn)出覆蓋一定范圍的屏蔽和減弱的單結(jié)構(gòu)。所述層可以由陶瓷與屏蔽材料的不同組合形成以獲得所需的屏蔽和減弱。例如，第一層由鉍屏蔽材料形成而第二層由鈰基陶瓷形成。還可包括由含有硫酸鋇屏蔽材料的陶瓷形成的第三層。在本實例中，氧化鈰由于其在厚度為0.5英寸的材料中在120kVp時減弱X光的作用而被包含于其中。更厚的材料將有效減弱更高能量水平的x輻射。同樣地，在一實施方案中，鉍、能夠以在波長、頻率或光子能的電^f茲波頻語中屏蔽伽馬射線以下的輻射的方式而制備或應(yīng)用。因此，能夠使用兩種或多種輻射屏蔽材料以獲得多層結(jié)構(gòu)。因為化學(xué)4建合的氧化物-磷酸鹽陶瓷基體成功地與其自身4建合，所以使用兩種或多種輻射屏蔽材料通過將所述材料在陶瓷基體中分層而增加屏蔽的范圍。在一實施方案中，分層是通過如下方式實現(xiàn)的將單獨(dú)的層分別固化，然后所述層以已知方式結(jié)合在一起，例如在先前固化的層上形成隨后的層或通過使用氧化物-磷酸鹽鍵合的陶瓷粘結(jié)劑將先前固化的層結(jié)合。在前述的層處理方法的實施方案中，可將合適的輻射屏蔽材料分散于所述氧化物-磷酸鹽陶瓷水泥基體中。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，可將屏蔽材料的多種組合引入到單一基體中以提供覆蓋諸如X光、微波等區(qū)域的電磁波頻i普的一部分或電磁波頻語的多個區(qū)域的多個部分的減弱作用。實例包括粉末、聚集體、纖維、紡織纖維等。示例性材料包括重晶石、硫酸鋇、鉍金屬、鴒金屬、退火的含鉛玻璃纖維和退火的含鉛玻璃粉末、氧化鈰、沸石、斜發(fā)沸石、斜長石、輝石、橄欖石、天青石、札、合適形式的鉛以及貧化鈾。按照重量百分比，沸石可以大致含有約52.4%(百分之五十二點四)Si02(二氧化硅)、13,13%(百分之十三點一三)八1203(氧化鋁)、8.94%(百分之八點九四)Fe203(三氧化二鐵)、6.81%(百分之六點八一)CaO(氧化釣)、2.64%(百分之二點六四)Na20(氧化鈉)、4.26%(百分之四點二六)MgO(氧化鎂)。而重晶石可以大致含有約89%(百分之八十九)或以上的BaS04(硫酸鋇)和5.8%(百分之五點八)硅酸鹽及由天然變化的百分比的二氧化鈦、氧化鈣、氧化鎂、氧化錳和氧化鉀組成的剩余物。前述的近似值取決于天然存在的重量百分比變量。在一實施方案中，所述陶f:的沸石組分是粒度為約5微米至約500微米(負(fù)30至正325目，25%經(jīng)過325目)的玄武巖沸石或斜發(fā)沸石。完成的研究已表明，當(dāng)沸石以沸石對陶瓷的重量比為約2%至20%的重量范圍存在時得到最好的結(jié)果。已發(fā)現(xiàn)，由于沸石的同位素封裝能力，重晶石與沸石的組合比單獨(dú)使用重晶石提供了增強(qiáng)的輻射保護(hù)。盡管可以使用合成的沸石，優(yōu)選^f吏用天然形式的沸石。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，主要的沸石分子式為M2/nO.A1203.xSi02.yH20,M定義n價的補(bǔ)償陽離子[7]。結(jié)構(gòu)組分為Mx/n[(A102)x(Si02)y].zH20，通用結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)單元從環(huán)狀結(jié)構(gòu)到多面體結(jié)構(gòu)的四面體的排列。在示例性實施方案中，構(gòu)建屏蔽部件的方法包括將金屬氧化物，例如包括二價金屬陽離子的金屬氧化物，與含有磷酸鹽的材料混合。合適的含有磷酸鹽的材料包括碌酸、磷酸氫鹽物質(zhì)(例如磷酸一氫鹽和磷酸二氫鉀)等?？蓪⑤椛淦帘尾牧峡杉尤氲浇饘傺趸锱c含有磷酸鹽的材料的混合物。加入可包括分散聚集體、粉末和纖維。可將紡織纖維作為鑄造法、分層法或類似方法的一部分而加入。所加入的輻射屏蔽材料和金屬氧化物-磷酸鹽陶瓷可在環(huán)境條件下固化至一定硬度(極限抗壓強(qiáng)度)。例如，所述部件可在適當(dāng)位置鑄造并且在環(huán)境條件下(例如環(huán)境溫度)進(jìn)行固化反應(yīng)。在一實施方案中，所述輻射屏蔽部件的反應(yīng)和固化在100。C(一百攝氏度)或低于100。C發(fā)生。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，所得部件的孔隙率可基于所選擇的試劑而變化。顯著降低孔隙率并增加強(qiáng)度的優(yōu)良的混合物聚集體為能夠以15:85至50:50的比例添加的粉煤灰、底灰和硅灰石，以及其它微溶性硅酸鹽，如發(fā)明名稱為"化學(xué)鍵合的磷-硅酸鹽陶瓷美國專利第6,518,212號所說明的通過使一價堿金屬磷酸鹽(或磷酸氬銨)和微溶的氧化物與微溶性硅酸鹽在水溶液中化學(xué)反應(yīng)而形成化學(xué)鍵合的磷-硅酸鹽陶資"。所述一價堿金屬磷酸鹽(或磷酸氬銨)和微溶的氧化物均為粉末形式，并以化學(xué)計量摩爾比范圍為(0.5-1.5):l的比例混合以形成粘結(jié)劑粉末。同樣地，所述微溶硅酸鹽也是粉末形式并與該粘結(jié)劑粉末混合以形成混合物。將水加入該混合物中以形成漿液。在所述漿液中，水包含50wt。/。的粉末混合物。使所述漿液硬化。所得到的化學(xué)鍵合的磷-硅酸鹽陶瓷表現(xiàn)出高彎曲強(qiáng)度、高抗壓強(qiáng)度、低孔隙率和水滲透性；具有可確定的和生物相容的化學(xué)組成；并且容易且方便地被涂色為幾乎任意所需的色調(diào)和色彩。這些微溶性硅酸鹽的其它實例為硅酸4丐(CaSi03)、硅酸4美(MgSi00、硅酸鋇(BaSi03)、石圭酸鈉(NaSi03)、石圭酸鋰(LiSi03)以及蛇紋巖(Mg6SiAo(OH8))。在具體實施方案中，由本發(fā)明的物質(zhì)組合物組成的輻射屏蔽部件的是通過如下方法構(gòu)建的將1lb(—磅)金屬氧化物、磷酸二氫鉀與1lb(—磅)的諸如聚集體、粉末或纖維填料減弱材料等輻射屏蔽材料混合，然后加入1120(水)至約20%(百分之二十)重量比，并且使所得的"冷燒結(jié)的"復(fù)合輻射屏蔽材料固化。在該實施方案中，按照重量比，所述金屬氧化物與磷酸二氫鉀的比例為1/3(三分之一)金屬氧化物，如重?zé)趸V，與三分之二的磷酸二氬鉀或MKP(KH2P04)，以及15:85至50:50的更多重量比的粉煤灰、底灰和其它合適的微溶硅酸鹽。應(yīng)指明，由于所述"重?zé)?氧化鎂(MgO)與磷酸二氫鉀(MKP)之間和/或任意合適的備選氧化物及使用的磷酸鹽材料之間的不同摩爾比，上述MgO、MKP重量/體積比14可改變并且仍然產(chǎn)生所需要的減弱/屏蔽混合物的有效鍵合。在更多的實施方案中，多種碳酸鹽、碳酸氫鹽(例如碳酸氫鈉、碳酸氫鉀等)或金屬氫氧化物試劑可以兩步法與酸式磷酸鹽反應(yīng)以限制金屬氧化物的最大反應(yīng)溫度以及碳酸鹽、碳酸氪鹽或氬氧化物與酸式磷酸鹽的反應(yīng)結(jié)果。在更多的實施方案中，可使用其它酸以形成所得到的基于金屬氧化物-磷酸鹽陶瓷的材料。對所述酸的選擇可基于所使用的金屬氧化物；合適的金屬氧化物包括二價和三價金屬(包括過渡金屬和鑭系及錒系金屬)。其它合適的酸包括作為阻滯劑的硼酸(<1%的全部粉末)。并且在另一實施方案中，當(dāng)某些氧化物磷酸鹽膠凝混合物，例如氧化鋇和磷酸敘的混合物，沒有合適的水溶性時使用鹽酸作為催化劑。在具體的實例中，將所選陶瓷基體與所需的屏蔽材料混合以形成示例性組合物。在一實施方案中，最終混合的混合物形成產(chǎn)品，其中所述屏蔽材料與陶瓷基體粘合或結(jié)合，包括內(nèi)部結(jié)合或外部結(jié)合或兩者。此外，所述陶瓷基體材料在200目或以下的范圍。以下的具體實例僅為示例性的并用來說明本發(fā)明的原理。在環(huán)境條件下(例如溫度、壓力)進(jìn)行以下步驟。例如，在大氣壓下、65。F至85。F(六十五華氏度至八十五華氏度)的室溫下進(jìn)行。未嘗試使所述材料完全均勻化以獲得均勻顆粒，但嘗試了將屏蔽材料基本上均勻地分布在陶資基體內(nèi)。對于使用紡織纖維屏蔽織物材料的樣本，將所述陶瓷水解并與該織物材料接觸鑄造。在加入粉末狀的屏蔽材料的情況下，粒度的變化取決于所述材料。理想地，將所述粉末顆粒制成200目或以下的粒度。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，可使用寬范圍的粒度。加入水以水解所述干混合物。用足夠的力度將水與陶資氧化物、磷酸鹽及屏蔽材料的組合混合足夠的持續(xù)時間，以使該混合物表現(xiàn)出使其原始溫度有20%至40%(百分之二十至百分之四十)的放熱升溫。將水解的混合物經(jīng)真空或振動或等效的方法壓緊以消除空隙。壓緊優(yōu)選在容器中進(jìn)行，例如由聚丙烯或聚乙烯形成的具有低摩擦系數(shù)以方便除去的聚合物容器。允許該樣本在環(huán)境條件下硬化至可觸摸(至少二十四小時)。對所述樣本進(jìn)行x光鉛當(dāng)量測試。如本公開所提及的當(dāng)諸如MgO15("重?zé)?氧化鎂)的金屬氧化物、合適的微溶性硅酸鹽和不透射線的添加劑在酸式磷酸鹽溶液(例如磷酸二氫鉀和水)中攪拌時，形成用于測試的所述樣本。所述金屬氧化物的溶解形成陽離子，該陽離子與磷酸鹽陰離子反應(yīng)形成磷酸鹽凝膠。該凝膠隨后結(jié)晶并硬化為冷燒結(jié)的陶瓷。所述氧化物的溶解還提高了溶液的pH,冷燒結(jié)的陶瓷在接近中性pH時形成?？刂扑鲅趸镌谒崾搅姿猁}溶液中的溶解度產(chǎn)生化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶資。低溶解度的氧化物或氧化物礦石是形成化學(xué)4定合的磷酸鹽陶瓷的最佳候選，因為其溶解度可以被控制。在樣本配方中金屬氧化物被稱為"重?zé)?，氧化鎂(MgO)，在1300。C或1300。C以上煅燒以降低在酸式磷酸鹽溶液中的溶解度。為了與所述酸更好地反應(yīng)可預(yù)處理氧化物粉末。一種技術(shù)包括在約1200攝氏度至1500攝氏度之間的通常溫度，更通常為1300攝氏度，煅燒所述粉末。已發(fā)現(xiàn)該煅燒法以多種方式修飾氧化物顆粒的表面以促進(jìn)陶資的形成。煅燒引起顆粒粘結(jié)在一起并形成晶體；這導(dǎo)致促進(jìn)陶瓷形成的較慢的反應(yīng)速率?？焖俜磻?yīng)易于形成不希望的粉狀沉淀。因此，這樣的"重?zé)?氧化鎂能夠在室溫下與諸如磷酸二氬銨或磷酸二氫鉀的任意的酸式磷酸鹽溶液反應(yīng)以形成磷酸鎂鉀陶瓷。在氧化鎂-磷酸二氫鉀的情況下，可簡單地將MgO("重?zé)?氧化鎂)、KH2P04(磷酸二氫鉀)和合適的微溶性硅酸鹽的混合物加入水中并且混合5分鐘至25分鐘，這取決于投料量。磷酸二氫鉀首先溶于水并形成酸式磷酸鹽溶液，MgO溶解于該溶液中。所得到的"冷燒結(jié)"的、化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶資是通過如下方法形成的將氧化物和不透射線的添加劑的粉末混合物攪拌到水-活化的酸式磷酸鹽溶液內(nèi)，所述添加劑包括任意阻滯劑，如本文已清楚描述的硼酸，在該溶液中"重?zé)?氧化鎂(MgO)溶解并且與磷酸二氬鉀(MKP)及在某些應(yīng)用中例如硅灰石的合適的微溶性硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)，并制成"冷燒結(jié)的"陶瓷膠凝材料。表l:陶瓷樣本配方<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表2:陶瓷樣本減弱作用_減弱<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表3:陶瓷樣本鉛當(dāng)量(毫米Pb)鉛當(dāng)量(mmPb)樣本標(biāo)號60kVp80kVp100kVp120kVp11.8*1.8001.5351.06521.8*1.8221.5521.44530,6351.3801.5511.52540.7581.4401.6601.22550.7901,4101.3751.12560.1190.1260.1300.12970.2420.3900.4280,36280.0640.0680.0700.070測量的半值層(HVL)3.0mmA14.0mmA15.1mmA16.2mmA1*由于此樣本的高減弱作用，不能準(zhǔn)確記錄管電壓60kVp的鉛當(dāng)量。鉛當(dāng)量不小于下一個更高的kVp設(shè)置的鉛當(dāng)量。(其中kVp-千伏峰；mmAl-)實例。基于設(shè)計的優(yōu)先選擇，應(yīng)理解，在方法中步驟的具體順序或?qū)哟慰杀恢匦屡帕卸栽诒景l(fā)明的范圍內(nèi)。附加的方法權(quán)利要求書呈現(xiàn)了在樣本次序中的多種步驟的要素，并不意指限制于所呈現(xiàn)的具體順序或?qū)哟?。相信本發(fā)明及其附帶的很多優(yōu)點將通過前述的描述而被理解。還相信顯而易見的是可對所述組分的形式、構(gòu)建和排列可進(jìn)行多種變化而不偏離本發(fā)明的范圍和精神，或不犧牲其所有的材料優(yōu)點。本文上述的開。式僅為其示例性實施方案。所期望的具體變化是最終包含納米級的成分材料制品以便增加鍵合的可用表面要素。本發(fā)明描述的化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽輻射屏蔽陶瓷的大部分，如果不是全部，能夠被生產(chǎn)為水泥、混凝土、干墻材料、涂層及灌漿，并且能夠被灌注、噴射、泥鏟和模制為多種形式和用途。因此，以下權(quán)利要求旨在最終涵蓋和包括大部分的，如果不是全部，這種變化和潛在可能。此外，本文公開的實施方案能夠用于被輻射污染的物體和結(jié)構(gòu)，將其封裝并將污染物包含在物體或結(jié)構(gòu)中，從而屏蔽和保護(hù)被封裝物體或結(jié)構(gòu)外部的物體。18權(quán)利要求1.物質(zhì)組合物，其包含基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體；以及輻射屏蔽材料，其中所述輻射屏蔽材料分散于所述基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷水泥基體，所述輻射屏蔽材料選自重晶石、氧化鋇、硫酸鋇、氧化鈰、氧化鎢、氧化釓、貧化鈾氧化物、粉末狀和纖維狀的退火的含鉛玻璃40％至75％、沸石、斜發(fā)沸石、天青石。2.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中按照重量百分比，所述淬石包含以下物質(zhì)52.4%Si02、13.13%A1203、8.94%Fe203、6.81%CaO、2.64%Na20、4.26%MgO和MnO10%。3.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中按照重量比，重晶石大約包含約89%至99%BaS04和1%至5.8%硅酸鹽，其中存在于權(quán)利要求2所述的物質(zhì)組合物中的沸石的重量百分比范圍為0.2%至50%。4.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述基于磷酸鹽的陶瓷基體選自KH2P04(磷酸二氫鉀)、MgHP04(磷酸氬鎂)、Fe3(HP04)2(磷酸鐵(II))、Fe3(HP04)2.8H20(八水合磷酸鐵(II))、FeHP04(磷酸鐵(III))、FeHP04'2H20(二水合磷酸鐵(III))、A1P04磷酸鋁、A1P04.1.5H20(水合磷酸鋁)、CaHP04(磷酸氫鈣)、CaHP04'2H20(二水合磷酸氫鈣)、BiP04(磷酸鉍)、CeP04(磷酸鈰(III))、CeP04.2H20(二水合磷酸鈰(III))、GdP041H20(磷酸釓)、BaHP04(磷酸氬鋇)、UP04(貧化鈾(U-238)磷酸鹽)。5.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述基于氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體為MgHP04.3H20(三水合磷酸氫鎂)。6.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述輻射屏蔽材料形成為至少一種或多種分散于所述氧化物-磷酸鹽陶瓷中的聚集體或粉末。7.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述氧化物-磷酸鹽陶瓷基體包括至少兩種不同的金屬磷酸鹽。8.如權(quán)利要求7所述的物質(zhì)組合物，其中所述至少兩種不同的金屬磷酸鹽選自磷酸氬鎂、磷酸鐵(III)、磷酸鋁、磷酸氫釣、磷酸鉍、磷酸鈰(III)、磷酸釓、磷酸氫鋇。9.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述基于氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體為如下通式MHP04.xH20其中M是二價陽離子，其選自Mg(4美)、Ca(釣)、Fe(鐵(II))、Ba(鋇)；并且其中x至少是0(零)、2(二)、3(三)或8(八)之一。10.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述基于氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體為如下通式MP04.xH20其中M是三價陽離子，其選自Al(鋁)、Ce(鈰(III))、Tj238(貧化鈾)、Fe(鐵卿；并且其中x至少是0(零)、l.5(—點五)或2(二)之一。11.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其中所述基于氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體為如下通式MM'P04.xH20其中M是二價陽離子，其選自Ba(鋇)或Mg(鎂)；其中M'是一價陽離子，其選自Li(鋰)、Na(鈉)或K(鉀)；并且其中x至少是0(零)、2(二)、3(三)或6(六)之一。12.如權(quán)利要求1所述的物質(zhì)組合物，其包含至少兩種輻射屏蔽材料以形成多層結(jié)構(gòu)。13.輻射屏蔽物質(zhì)組合物，其包含基于化學(xué)4建合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體，所述基體具有陽離子成分，表現(xiàn)出輻射屏蔽能力；以及選自粉末、聚集體、纖維的輻射屏蔽材料，其中所述輻射屏蔽材料分散于所述基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體。14.如權(quán)利要求13所述的輻射屏蔽物質(zhì)組合物，其中所述基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷在小于100。C(一百攝氏度)下固化變硬。15.如權(quán)利要求13所述的輻射屏蔽物質(zhì)組合物，其中所述陽離子選自鋁、鋇、鉍、、鈰、鴒、禮、貧化鈾。16.如權(quán)利要求13所述的輻射屏蔽物質(zhì)組合物，其中所述輻射屏蔽材料選自重晶石、硫酸鋇、鉍金屬、氧化鈰、氧化釓、氧化鎢、沸石。17.物質(zhì)組合物，基本上由以下物質(zhì)組成基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶覺基體，所述基體具有陽離子成分，表現(xiàn)出輻射屏蔽能力；以及分散于所述基于化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽的陶瓷基體的輻射屏蔽材料，其中所述陽離子成分選自鋁、鋇、鉍、鈰、禮、鎢、貧化鈾。18.如權(quán)利要求17所述的物質(zhì)組合物，其中所述輻射屏蔽材料選自重晶石、硫酸鋇、鉍金屬氧化物及鉍金屬化合物、鈰氧化物及鈰化合物、沸石、斜發(fā)沸石、斜長石、輝石、橄欖石、天青石、釓氧化物及釓化合物、鵠氧化物及鴒化合物、粉末狀的和/或纖維狀的退火的具有40%至75%鉛(Pb)含量的含鉛玻璃。19.在環(huán)境溫度構(gòu)建輻射屏蔽部件的方法，包括將具有輻射屏蔽能力的金屬氧化物與含有磷酸鹽的材料混合；將輻射屏蔽材料加入所述金屬氧化物與含有磷酸鹽的材料的混合物中；在環(huán)境溫度固化所述加入的輻射屏蔽材料和金屬氧化物與含有磷酸鹽的材料的混合物。20.如權(quán)利要求19所述的在溫度條件下構(gòu)建輻射屏蔽部件的方法,其中在小于100。C(一百攝氏度)下發(fā)生固化。21.如權(quán)利要求19所述的在環(huán)境溫度下構(gòu)建輻射屏蔽部件的方法，其中所述含有磷酸鹽的材料為磷酸。專利摘要在環(huán)境溫度形成輻射屏蔽部件的物質(zhì)組合物和方法，其中該物質(zhì)組合包括“冷燒結(jié)的”化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷水泥基體；和分散于該“冷燒結(jié)的”化學(xué)鍵合的氧化物-磷酸鹽陶瓷水泥基體的一種或多種適當(dāng)制備并分布的輻射屏蔽材料。文檔編號G21F1/00GKCN101496112SQ200680045960公開日2009年7月29日申請日期2006年12月6日發(fā)明者弗農(nóng)·D·漢密爾頓,賈德·D·漢密爾頓申請人:科奧瑞新公司導(dǎo)出引文BiBTeX,EndNote,RefMan