隨著社會的快速發(fā)展，X射線被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療診斷和治療、核工業(yè)和航天航空工業(yè)等眾多領(lǐng)域。隨著這些領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們面臨的輻射暴露急劇增加。長時間照射X射線會導(dǎo)致免疫力下降、癌癥、白血病甚至直接造成死亡。因此，制備高效的X射線屏蔽材料極為重要。鉛由于具有較大的原子序數(shù)和密度，通常被作為屏蔽材料。但是一件鉛衣往往重量超過10千克，長時間佩戴容易導(dǎo)致人體頸椎和腰椎出現(xiàn)問題，且鉛衣缺乏透氣性，人體的舒適性不佳。而鉛的毒性也會對人體和環(huán)境都會造成危害。因此，開發(fā)輕質(zhì)、無鉛，且具有優(yōu)異X射線屏蔽性能和良好舒適性能的屏蔽材料成為X射線屏蔽材料發(fā)展的重要方向。

為此，西安工程大學(xué)樊威教授團隊通過WinXCom程序篩選優(yōu)化屏蔽元素組合，以氧化鉍（Bi2O3）、氧化鎢（WO3）、碳化二鎢（W2C）和氧化鉭（Ta2O5）為屏蔽粒子（BWWT屏蔽粒子），聚丙烯（PP）為基體，采用熔融紡絲技術(shù)制備了BWWT/PP復(fù)合纖維，并通過針刺工藝制備了輕質(zhì)、透氣、透濕的X射線防護織物（制備工藝如圖1所示），提高了人體穿著舒適性，可作為可穿戴X射線防護服的填充物，用于醫(yī)療領(lǐng)域、核電站等防護領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 三維BWWT/PP復(fù)合纖維針刺織物d（3D織物）的制備

該工作以“Lead-free and wearing comfort 3D composite fiber needled fabric for highly efficient X-ray shielding”為題發(fā)表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上（SCI一區(qū)TOP期刊，IF=11.806）。第一作者為西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生王維婷，共同第一作者為青年教師劉泱，通訊作者為西安工程大學(xué)樊威教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目等項目支持。

原文鏈接：

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

如圖2所示，作者采用WinXCom程序?qū)i、W和Ta元素及其多種粒子組合的X射線屏蔽性能進行模擬計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比單種屏蔽粒子，多種屏蔽粒子組合后的弱吸收區(qū)明顯減弱，彌補了彼此的弱吸收區(qū)。通過優(yōu)化篩選，考慮屏蔽效果及其成本因素，最終確定最佳屏蔽粒子組合為Bi2O3:WO3:W2C:Ta2O5= 60:15:15:10，并對所得屏蔽離子進行SEM、XRD、XPS表征與分析。

圖2 BWWT屏蔽粒子的模擬篩選及結(jié)構(gòu)表征

如圖3所示，以聚丙烯為基體（35 wt%），改性BWWT屏蔽粒子為填料（65 wt%），采用雙螺桿擠出機造粒備用，通過熔融紡絲法制備了初生BWWT/PP纖維，初生纖維表面粗糙且直徑較大，拉伸強度較低；為了提高纖維的力學(xué)性能并改善纖維的微觀結(jié)構(gòu)，將初生纖維進行熱牽伸，探討了牽伸倍數(shù)對拉伸性能的影響，確定最佳熱牽伸倍數(shù)為2.1倍；研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱牽伸后的BWWT/PP纖維表面粗糙度改善，且直徑縮小到原來的一半，約為45 μm，拉伸強度約是初生BWWT/PP纖維的6倍，楊氏模量提高183%，同時耐磨性也提高了253%；BWWT/PP纖維還表現(xiàn)出優(yōu)異的連續(xù)性和柔韌性，便于后續(xù)織物的開發(fā)。

圖3 屏蔽纖維的形貌、結(jié)構(gòu)及性能分析

得到屏蔽纖維以后，采用針刺工藝將其制備成單位面積質(zhì)量分別為0.25、0.35和0.45 g/cm²的BWWT/PP防護織物，并研究了織物的舒適性能及X射線屏蔽性能。圖4所示為不同單位面積質(zhì)量的BWWT/PP織物的X射線屏蔽性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著X射線能量的增大，織物衰減效率逐漸減小，但在元素的K吸收邊附近也出現(xiàn)強吸收峰。所制備的0.45-BWWT/PP織物在能量低于50 keV時衰減超過90%，在能量低于100 keV時衰減超過73%，屏蔽性能優(yōu)于0.25 mm鉛板和0.65 mm鉛圍裙。同時，BWWT/PP織物的實際測試的質(zhì)量衰減系數(shù)和模擬計算的結(jié)果幾乎一致，證實了BWWT/PP織物的良好屏蔽性能。

物的X射線屏蔽性能

隨后作者對織物的舒適型進行了測試與分析（如圖5所示）。結(jié)果表明：0.25、0.35和0.45-BWWT/PP織物具有超低的體積密度，均低于1 g/cm³，使其具有良好的輕質(zhì)性；同時，BWWT/PP織物的孔隙率均超過77%，具有優(yōu)異的透氣性和透濕性，織物的透氣性最高達到1448 mm/s，是目前文獻中報道的透氣性最好的X射線防護織物；BWWT/PP織物水蒸氣透過率均超過1912 g/m2·24 h，可以滿足人體的穿著舒適度。

圖5 3D織物的舒適性能測試與表征