文献导读：
高能电离辐射广泛应用于医疗、工业等领域，但长期暴露会危害人体健康。传统含铅 X 射线屏蔽材料存在毒性高、柔韧性差等问题，开发新型高效、轻质、柔性的屏蔽材料迫在眉睫。基于此，东华大学教授，联盟理事长陈志钢团队报道了一种集成多种高 Z 元素和多层结构的复合薄膜，用于构建高能 X 射线屏蔽服，在 X 射线防护领域取得重要进展。相关研究成果以“Integrating high-Z elements and multilayer structures into composite films with interlayer scattering effects for high-energy X-ray shielding”为题目，发表在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上。
本文要点：
1、本文制备了一系列含有不同组合的x射线屏蔽粒子（SnO2、BaSO4和Bi2O3）的复合薄膜，每层由相应的聚丙烯腈（PAN）纤维增强杂化热塑性聚氨酯（TPU）涂层组成。
2、优化后的复合膜L7/LBi3.7避免了铅毒性，抗拉强度为17.92 MPa，并且由于PAN杂化纤维的增强作用而具有较高的柔韧性。
3、在100 keV下，L7/LBi3.7具有较高的x射线屏蔽效率，达到96.3% %。
该复合薄膜具有哪些优势？
颗粒和纤维特性：合成的颗粒呈不规则形状，尺寸在 100 - 500nm，具有良好结晶性。混合纤维中颗粒分布均匀，25% 固含量的纤维纺丝稳定性好。混合纤维在热稳定性、疏水性、机械强度等方面表现良好，优于纯 PAN 纤维。
多层复合薄膜构建：成功制备多种多层复合薄膜，如L Ba3.7/L Bi3.7，其具有清晰层结构，纤维增强了薄膜的柔韧性和机械强度。该薄膜密度低、质量轻、拉伸强度高，综合性能良好。
X 射线屏蔽性能：多层复合结构显著提高了 X 射线屏蔽性能。双元素复合薄膜的屏蔽效果优于单元素薄膜，LBa3.7/L Bi3.7的屏蔽效率高达 96.3%，接近 0.5mmPb 铅围裙。其作用机制是 X 射线光子与 Ba、Bi 原子发生康普顿散射和光电效应，层间散射效应延长了光子传输路径，增强了衰减效果。
物理性能：LBa3.7/LBi3.7具有良好的热导率、疏水性、柔韧性，成本低于市场同类产品，且耐酸碱腐蚀，综合性能适合制作防护服装。
图 1. 含有多种高 Z 元素和多层结构、混合纤维增强以及协同吸收和层间散射效应的 X 射线屏蔽复合薄膜示意图。
图2 x射线屏蔽粒子和杂化纤维的表征。(a)用x射线屏蔽粒子和聚丙烯腈静电纺丝溶液制备混杂纤维的示意图。(b) Bi2O3, (c) BaSO4, (d) SnO2颗粒的SEM图像。(e) Bi2O3, (f) BaSO4, (g) SnO2颗粒的XRD谱图。(h) Bi2O3/PAN, (i) BaSO4/PAN和(j) SnO2/PAN织物的SEM图像。
图3 杂化纤维膜的特性。(a) Bi2O3/PAN纤维、(b) BaSO4/PAN纤维和(c) SnO2/PAN纤维在高固含量时的TEM图像和元素图。(d) XRD图谱，(e) FTIR光谱，(f)热重曲线，(g)水接触角，(h)拉伸强度测试，(i)混杂纤维单位面积质量。
图4 多层复合织物的构造。(a)多层LBa3.7/LBi3.7制备工艺示意图。(b) LBa3.7/LBi3.7的截面形态和(c)元素映射图。(d)多层LBa3.7/LBi3.7, 0.25/0.35/0.5 mmPb铅圈的密度和(e)单位面积质量。(f)多层LBa3.7/LBi3.7的抗拉强度。
图5 x射线屏蔽性能。(a)、(b) x射线衰减效率，(c)多层复合织物的质量衰减系数。(d) NIST数据库中元素的质量衰减系数和k吸收边。(e) HVL/TVL, (f)胶片和铅胶圈的x射线透射率。(g)对照组、0.35 mm Pb板、S10 （LBa3.7/LBi3.7）屏蔽的x线数字x线影像。(h)衰减机制、原子序数和光子能量之间的相关性。(i)提出了光子在多层膜内的相互作用机理。
图6 物理性能和成本分析。(a)铅围裙和LBa3.7/LBi3.7热像图。(b)多层复合织物与商用防护布的接触角和(c)成本分析。(d)雷达图像显示LBa3.7/LBi3.7与铅围裙的对比。(e)柔性LBa3.7/LBi3.7及套装照片。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.02.203
