新型X射線屏蔽涂料的制備及其性能研究

張 靜，馮 建，伍 方，李邦懌，朱玉斌

（上海大學(xué) 材料科學(xué)和工程學(xué)院，上海 200444）

近年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，X射線影像技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可缺少的重要組成部分，X射線為臨床診斷和治療提供了不可或缺的重要依據(jù)，具有不可缺少的應(yīng)用價(jià)值。但是X射線本身對(duì)受照醫(yī)生和病人的身體也會(huì)造成不同程度的損傷，所以要對(duì)X射線進(jìn)行一定的防護(hù)。目前主要的防輻射材料有鉛防護(hù)衣、防輻射鉛玻璃、鉛板、防護(hù)門(mén)等，但是上述輻射防護(hù)材料不僅有毒而且質(zhì)地堅(jiān)硬，不能很好地貼附在具有曲面結(jié)構(gòu)、復(fù)雜外形的設(shè)備儀器外圍進(jìn)行有效的輻射防護(hù)[1-3]。針對(duì)上述問(wèn)題，目前市場(chǎng)上也存在一些X射線屏蔽涂料，但是現(xiàn)有的屏蔽涂料大多采用的基體為黏合劑，填充粉末為硫酸鋇、鐵紅粉等，這種涂料采用黏合劑成型，工藝復(fù)雜，而且填充粉末的屏蔽性能有限，不能滿足市場(chǎng)需求。

針對(duì)目前市場(chǎng)對(duì)于新型X射線屏蔽材料的需求，研究以鎢粉和鉍粉為填充材料，丙烯酸樹(shù)脂為基體，制備了新型無(wú)毒的射線屏蔽涂料。既能滿足材料無(wú)毒且具有更強(qiáng)的X射線吸收能力，又能滿足應(yīng)用廣泛施工方便等要求。試驗(yàn)研究了屏蔽涂料的X射線屏蔽、附著力等性能，為了達(dá)到對(duì)于不同能量X射線屏蔽的要求以及彌補(bǔ)含鉛材料弱吸收區(qū)的缺點(diǎn)，對(duì)材料的配比與屏蔽性能之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

目前市場(chǎng)上大部分X射線屏蔽材料依舊采用鉛作為屏蔽材料，用新材料代替鉛成為目前主要研究方向。醫(yī)療用X射線的能量范圍是40～100 keV，但從圖1中可以看到，當(dāng)射線能量在大概40～80 keV時(shí)，為鉛的“弱吸收區(qū)”。但這一能量區(qū)診斷X射線光子分布最多，且特征峰也正好處于此處，這個(gè)區(qū)域最需要射線吸收物質(zhì)能起到很好的吸收作用，而鉛卻不能滿足需要。

圖1 X射線衰減系數(shù)曲線Fig.1 Attenuation coefficient curve of X-ray

為了更有效地屏蔽能量在100 keV以下的診斷X射線，需要選擇一些元素，其K層吸收邊位于40～80 keV之間，以彌補(bǔ)鉛的不足。由于這些元素的K層吸收邊在上述能量范圍內(nèi)是按一定間隔依次排列的，其綜合效果彌補(bǔ)了單一元素吸收曲線的谷底，能夠達(dá)到最佳吸收效果。鎢是原子序數(shù)較大，具有高密度，高強(qiáng)度，具有良好的X射線吸收能力，對(duì)X射線的屏蔽效果極好的一種物質(zhì)。鉍不容易被身體吸收，不致癌，也不損害DNA構(gòu)造，可透過(guò)排尿帶出體外。基于這些原因，鉍經(jīng)常被用于取代鉛的應(yīng)用。從圖1可以看出鎢很好地彌補(bǔ)了鉛這一弱吸收區(qū)。運(yùn)用Win XCom程序通過(guò)多次曲線擬合計(jì)算，最終確定用鎢和鉍粉末混合作為填料。

試驗(yàn)采用的金屬粉末為市場(chǎng)上常見(jiàn)的軍標(biāo)鎢粉、鉍粉。兩種金屬粉末的主要物理性能如表1所示，其微觀形貌如圖2所示，其他主要原料的含量及功能如表2所示。

表1 金屬粉的基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of metal powder

圖2 金屬粉顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of metal powder

表2 其他主要原料化學(xué)分析Tab.2 Chemical analysis of other major raw materials

1.2 屏蔽涂料的制備

填料的表面處理：為了改變金屬粉末填料和高分子基體之間的結(jié)合力，增加涂料中的固體填充量，提高漆膜的力學(xué)性能和色澤鮮艷度[4]，試驗(yàn)采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)金屬粉末進(jìn)行改性。將硅烷偶聯(lián)劑和酒精按照一定的比例混合，加入金屬粉末中，球磨24 h后，烘干。

混料處理：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，將丙烯酸樹(shù)脂和偶聯(lián)劑表面處理后的金屬粉末按照一定比例混合，磁力攪拌8 h，注意燒杯封口攪拌，避免溶劑大量揮發(fā)。

涂料黏度調(diào)節(jié)與測(cè)定：涂料的黏度根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)調(diào)節(jié)，然后將制備好的涂料中加入各類(lèi)助劑，包括稀釋劑、防沉劑等，稀釋劑的加入量根據(jù)涂料的黏度確定，使用黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，將制備好的涂料封裝備用。

圖3是X射線屏蔽涂料制備工藝流程圖。

圖3 X射線屏蔽涂料制備工藝流程Fig.3 Process flow for preparing X-ray shielding coating

1.3 屏蔽涂層的制備

涂層基體試樣的預(yù)處理：以PVC板作為X射線屏蔽涂料附著的基體，將樣板經(jīng)砂紙打磨，用酒精清洗干凈后晾干備用。

涂層的制備：涂布法制備涂層。首先將樣板固定，利用線棒涂布器將制備好的X射線屏蔽涂料均勻涂覆在基板上?？筛鶕?jù)需求控制涂層的厚度。

涂膜的固化：將噴涂或涂覆好的基板直接放置在室內(nèi)通風(fēng)處，室溫下即可干燥固化，室溫自然放置24～48 h即可完全固化。

1.4 屏蔽性能測(cè)試方法

采用標(biāo)準(zhǔn)鉛片替代法測(cè)量被檢樣品的鉛當(dāng)量。所用標(biāo)準(zhǔn)鉛片純度為99.9%，標(biāo)準(zhǔn)鉛片組級(jí)數(shù)公差為0.1 mm，厚度精度為±0.01 mm。用標(biāo)準(zhǔn)鉛片測(cè)量衰減值時(shí)，至少使用3塊不同厚度的標(biāo)準(zhǔn)鉛片，其選用厚度的范圍應(yīng)能覆蓋被測(cè)樣品的鉛當(dāng)量。測(cè)量經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)鉛片或樣品衰弱后的照射量率。每塊標(biāo)準(zhǔn)鉛片測(cè)量3次，取其平均值。用作圖內(nèi)插法求出樣品鉛當(dāng)量。對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每次不得少于3點(diǎn)，取其平均值。每點(diǎn)重復(fù)3次，取其最低值。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型X射線屏蔽涂層的屏蔽性能分析

涂料中不同含量的金屬粉末填料對(duì)X射線屏蔽涂層屏蔽性能的影響測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖4、圖5。圖4填料為鎢粉，曲線表示涂料中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎢粉對(duì)屏蔽涂層屏蔽效果的影響。圖5為質(zhì)量比為鎢∶鉍=1∶2的混合填料，曲線表示涂料中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎢、鉍混合填料對(duì)X射線屏蔽涂層屏蔽效果的影響。

圖4 涂料中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎢粉對(duì)屏蔽涂層屏蔽效果的影響Fig.4 Influences of different mass fractions of tungsten powder in coating on shielding effect of shielding coating

圖5 涂料中不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎢、鉍混合填料對(duì)X射線屏蔽涂層屏蔽效果的影響Fig.5 Effects of different mass fractions of tungsten and tantalum mixed fillers on the effect of X-ray shielding coatings

從圖4、圖5可以看出，隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，X射線屏蔽涂層屏蔽效果也呈上升趨勢(shì)，在可以實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)，金屬粉末填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，涂層的屏蔽效果就越好。通過(guò)圖4、圖5的對(duì)比可以看出，金屬粉末填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，鎢、鉍混合填料的屏蔽效果優(yōu)于鎢粉填料的屏蔽效果，也驗(yàn)證了我們通過(guò)曲線擬合得出的結(jié)論是正確的，即混合填料的綜合效果相互彌補(bǔ)了單一元素吸收曲線的谷底，達(dá)到最佳吸收效果。

新型X射線屏蔽涂料主要有以下兩種用途：

（1）用于醫(yī)療器械復(fù)雜形狀的外殼或內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)涂層防護(hù)從根源進(jìn)行防護(hù)，防止射線外漏，減少對(duì)人體傷害。

（2）為了達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，機(jī)房的墻面、門(mén)窗也需要采用涂層防護(hù)，減小施工難度。

表3 不同類(lèi)型X射線設(shè)備機(jī)房的屏蔽防護(hù)鉛當(dāng)量厚度要求Tab.3 Requirements for lead equivalent thickness of shielding protection for different types of x-ray equipment rooms

一般工作量下的CT機(jī)房屏蔽要求：16cm混凝土（密度2.35t/m3）或24cm磚（密度1.65t/m3）或2mmPb。

較大工作量時(shí)的CT機(jī)房屏蔽要求：20cm混凝土（密度2.35t/m3）或37cm磚（密度1.65t/m3）或2.5mmPb。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，X射線屏蔽涂層應(yīng)用于機(jī)房或者設(shè)備外殼時(shí)，若要達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，80%固含量的X射線屏蔽涂料只需涂刷大概3 mm左右，若選用更高固含量的屏蔽涂料，則可以涂刷地更薄。由此看出，X射線屏蔽涂料在保證無(wú)毒安全的前提下，還可以節(jié)約空間，更便于使用。

2.2 新型X射線屏蔽涂層的其他主要性能

按照中華人民共和國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10674—1995《涂料涂覆通用技術(shù)條件》對(duì)屏蔽涂料的涂層進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試。分別按照GB/T 9286—88《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》、GB6739—1996《涂膜硬度鉛筆測(cè)定方法》、GB/T1732—93《漆膜耐沖擊性測(cè)定方法》、GB 1768—79《漆膜耐磨性測(cè)定方法》和GB 1728—79《漆膜，膩?zhàn)幽じ稍飼r(shí)間測(cè)定法》對(duì)屏蔽涂層的附著力、鉛筆硬度、沖擊強(qiáng)度、耐磨性和干燥時(shí)間等主要物理性能進(jìn)行測(cè)試[5-9]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4的測(cè)試結(jié)果中可以看出，涂料的涂層具有較好的附著力、鉛筆硬度、沖擊強(qiáng)度和耐磨性都處于中等水平，但都滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜合看來(lái)，新型X射線屏蔽涂料具有較好的綜合性能，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要[10-12]。

表4 涂層的主要物理性能測(cè)試結(jié)果Tab.4 Testing results of major physical properties of coatings

3 結(jié)論

（1）采用鎢∶鉍=1∶2金屬粉末作為填料制備了新型X射線屏蔽涂料，當(dāng)金屬組分的固含量為85%時(shí)，屏蔽涂料具有較好的屏蔽效果，厚度為1 mm的屏蔽涂層，鉛當(dāng)量達(dá)到0.55 mmPb，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)填料的不足，達(dá)到更好的屏蔽性能。

（2）在實(shí)際允許的范圍內(nèi)，金屬粉末功能填料的含量越高，制備的射線屏蔽涂層屏蔽效果越好，采用鎢∶鉍=1∶2金屬粉末作為填料時(shí)，固含量最高可以達(dá)到85%。

（3）新型射線屏蔽涂料采用丙烯酸樹(shù)脂為基體樹(shù)脂，涂料能夠在室溫條件下固化，成型工藝簡(jiǎn)單，而且涂層的附著力能夠達(dá)到1級(jí)，效果良好。