西安工程大学《ACHM》：轻质无铅透气X射线防护服！

随着社会的快速发展，X射线被广泛的应用于医疗诊断和治疗、核工业和航天航空工业等众多领域。随着这些领域的快速发展，人们面临的辐射暴露急剧增加。长时间照射X射线会导致免疫力下降、癌症、白血病甚至直接造成死亡。因此，制备高效的X射线屏蔽材料极为重要。铅由于具有较大的原子序数和密度，通常被作为屏蔽材料。但是一件铅衣往往重量超过10千克，长时间佩戴容易导致人体颈椎和腰椎出现问题，且铅衣缺乏透气性，人体的舒适性不佳。而铅的毒性也会对人体和环境都会造成危害。因此，开发轻质、无铅，且具有优异X射线屏蔽性能和良好舒适性能的屏蔽材料成为X射线屏蔽材料发展的重要方向。

为此，西安工程大学樊威教授团队通过WinXCom程序筛选优化屏蔽元素组合，以氧化铋（Bi₂O₃）、氧化钨（WO₃）、碳化二钨（W₂C）和氧化钽（Ta₂O₅）为屏蔽粒子（BWWT屏蔽粒子），聚丙烯（PP）为基体，采用熔融纺丝技术制备了BWWT/PP复合纤维，并通过针刺工艺制备了轻质、透气、透湿的X射线防护织物（制备工艺如图1所示），提高了人体穿着舒适性，可作为可穿戴X射线防护服的填充物，用于医疗领域、核电站等防护领域，具有广阔的应用前景。

图1 三维BWWT/PP复合纤维针刺织物d（3D织物）的制备

该工作以“Lead-free and wearing comfort 3D composite fiber needled fabric for highly efficient X-ray shielding”为题发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上（SCI一区TOP期刊，IF=11.806）。第一作者为西安工程大学纺织科学与工程学院硕士研究生王维婷，共同第一作者为青年教师刘泱，通讯作者为西安工程大学樊威教授。该研究得到国家自然科学基金项目等项目支持。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-023-00642-3

如图2所示，作者采用WinXCom程序对Bi、W和Ta元素及其多种粒子组合的X射线屏蔽性能进行模拟计算，结果发现，相比单种屏蔽粒子，多种屏蔽粒子组合后的弱吸收区明显减弱，弥补了彼此的弱吸收区。通过优化筛选，考虑屏蔽效果及其成本因素，最终确定最佳屏蔽粒子组合为Bi₂O₃:WO₃:W₂C:Ta₂O₅= 60:15:15:10，并对所得屏蔽离子进行SEM、XRD、XPS表征与分析。

图2 BWWT屏蔽粒子的模拟筛选及结构表征

如图3所示，以聚丙烯为基体（35 wt%），改性BWWT屏蔽粒子为填料（65 wt%），采用双螺杆挤出机造粒备用，通过熔融纺丝法制备了初生BWWT/PP纤维，初生纤维表面粗糙且直径较大，拉伸强度较低；为了提高纤维的力学性能并改善纤维的微观结构，将初生纤维进行热牵伸，探讨了牵伸倍数对拉伸性能的影响，确定最佳热牵伸倍数为2.1倍；研究发现经过热牵伸后的BWWT/PP纤维表面粗糙度改善，且直径缩小到原来的一半，约为45 μm，拉伸强度约是初生BWWT/PP纤维的6倍，杨氏模量提高183%，同时耐磨性也提高了253%；BWWT/PP纤维还表现出优异的连续性和柔韧性，便于后续织物的开发。

图3 屏蔽纤维的形貌、结构及性能分析

得到屏蔽纤维以后，采用针刺工艺将其制备成单位面积质量分别为0.25、0.35和0.45 g/cm²的BWWT/PP防护织物，并研究了织物的舒适性能及X射线屏蔽性能。图4所示为不同单位面积质量的BWWT/PP织物的X射线屏蔽性能，结果发现，随着X射线能量的增大，织物衰减效率逐渐减小，但在元素的K吸收边附近也出现强吸收峰。所制备的0.45-BWWT/PP织物在能量低于50 keV时衰减超过90%，在能量低于100 keV时衰减超过73%，屏蔽性能优于0.25 mm铅板和0.65 mm铅围裙。同时，BWWT/PP织物的实际测试的质量衰减系数和模拟计算的结果几乎一致，证实了BWWT/PP织物的良好屏蔽性能。

图4 3D织物的X射线屏蔽性能

随后作者对织物的舒适型进行了测试与分析（如图5所示）。结果表明：0.25、0.35和0.45-BWWT/PP织物具有超低的体积密度，均低于1 g/cm³，使其具有良好的轻质性；同时，BWWT/PP织物的孔隙率均超过77%，具有优异的透气性和透湿性，织物的透气性最高达到1448 mm/s，是目前文献中报道的透气性最好的X射线防护织物；BWWT/PP织物水蒸气透过率均超过1912 g/m²·24 h，可以满足人体的穿着舒适度。

图5 3D织物的舒适性能测试与表征

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。