新型X射线屏蔽涂料的制备及其性能研究

2019-11-06李邦怿朱玉斌

中国钨业 2019年3期

张静，冯建，伍方，李邦怿，朱玉斌

（上海大学材料科学和工程学院，上海 200444）

近年来，随着科技的不断发展，X射线影像技术已成为现代医学不可缺少的重要组成部分，X射线为临床诊断和治疗提供了不可或缺的重要依据，具有不可缺少的应用价值。但是X射线本身对受照医生和病人的身体也会造成不同程度的损伤，所以要对X射线进行一定的防护。目前主要的防辐射材料有铅防护衣、防辐射铅玻璃、铅板、防护门等，但是上述辐射防护材料不仅有毒而且质地坚硬，不能很好地贴附在具有曲面结构、复杂外形的设备仪器外围进行有效的辐射防护[1-3]。针对上述问题，目前市场上也存在一些X射线屏蔽涂料，但是现有的屏蔽涂料大多采用的基体为黏合剂，填充粉末为硫酸钡、铁红粉等，这种涂料采用黏合剂成型，工艺复杂，而且填充粉末的屏蔽性能有限，不能满足市场需求。

针对目前市场对于新型X射线屏蔽材料的需求，研究以钨粉和铋粉为填充材料，丙烯酸树脂为基体，制备了新型无毒的射线屏蔽涂料。既能满足材料无毒且具有更强的X射线吸收能力，又能满足应用广泛施工方便等要求。试验研究了屏蔽涂料的X射线屏蔽、附着力等性能，为了达到对于不同能量X射线屏蔽的要求以及弥补含铅材料弱吸收区的缺点，对材料的配比与屏蔽性能之间的关系进行了分析。

1 试验部分

1.1 材料与试剂

目前市场上大部分X射线屏蔽材料依旧采用铅作为屏蔽材料，用新材料代替铅成为目前主要研究方向。医疗用X射线的能量范围是40～100 keV，但从图1中可以看到，当射线能量在大概40～80 keV时，为铅的“弱吸收区”。但这一能量区诊断X射线光子分布最多，且特征峰也正好处于此处，这个区域最需要射线吸收物质能起到很好的吸收作用，而铅却不能满足需要。

图1 X射线衰减系数曲线Fig.1 Attenuation coefficient curve of X-ray

为了更有效地屏蔽能量在100 keV以下的诊断X射线，需要选择一些元素，其K层吸收边位于40～80 keV之间，以弥补铅的不足。由于这些元素的K层吸收边在上述能量范围内是按一定间隔依次排列的，其综合效果弥补了单一元素吸收曲线的谷底，能够达到最佳吸收效果。钨是原子序数较大，具有高密度，高强度，具有良好的X射线吸收能力，对X射线的屏蔽效果极好的一种物质。铋不容易被身体吸收，不致癌，也不损害DNA构造，可透过排尿带出体外。基于这些原因，铋经常被用于取代铅的应用。从图1可以看出钨很好地弥补了铅这一弱吸收区。运用Win XCom程序通过多次曲线拟合计算，最终确定用钨和铋粉末混合作为填料。

试验采用的金属粉末为市场上常见的军标钨粉、铋粉。两种金属粉末的主要物理性能如表1所示，其微观形貌如图2所示，其他主要原料的含量及功能如表2所示。

表1 金属粉的基本性质Tab.1 Basic properties of metal powder

图2 金属粉显微结构Fig.2 Microstructure of metal powder

表2 其他主要原料化学分析Tab.2 Chemical analysis of other major raw materials

1.2 屏蔽涂料的制备

填料的表面处理：为了改变金属粉末填料和高分子基体之间的结合力，增加涂料中的固体填充量，提高漆膜的力学性能和色泽鲜艳度[4]，试验采用硅烷偶联剂对金属粉末进行改性。将硅烷偶联剂和酒精按照一定的比例混合，加入金属粉末中，球磨24 h后，烘干。

混料处理：根据实际应用的需要，将丙烯酸树脂和偶联剂表面处理后的金属粉末按照一定比例混合，磁力搅拌8 h，注意烧杯封口搅拌，避免溶剂大量挥发。

涂料黏度调节与测定：涂料的黏度根据实际应用来调节，然后将制备好的涂料中加入各类助剂，包括稀释剂、防沉剂等，稀释剂的加入量根据涂料的黏度确定，使用黏度计进行测定，将制备好的涂料封装备用。

图3是X射线屏蔽涂料制备工艺流程图。

图3 X射线屏蔽涂料制备工艺流程Fig.3 Process flow for preparing X-ray shielding coating

1.3 屏蔽涂层的制备

涂层基体试样的预处理：以PVC板作为X射线屏蔽涂料附着的基体，将样板经砂纸打磨，用酒精清洗干净后晾干备用。

涂层的制备：涂布法制备涂层。首先将样板固定，利用线棒涂布器将制备好的X射线屏蔽涂料均匀涂覆在基板上。可根据需求控制涂层的厚度。

涂膜的固化：将喷涂或涂覆好的基板直接放置在室内通风处，室温下即可干燥固化，室温自然放置24～48 h即可完全固化。

1.4 屏蔽性能测试方法

采用标准铅片替代法测量被检样品的铅当量。所用标准铅片纯度为99.9%，标准铅片组级数公差为0.1 mm，厚度精度为±0.01 mm。用标准铅片测量衰减值时，至少使用3块不同厚度的标准铅片，其选用厚度的范围应能覆盖被测样品的铅当量。测量经标准铅片或样品衰弱后的照射量率。每块标准铅片测量3次，取其平均值。用作图内插法求出样品铅当量。对样品进行测量时，每次不得少于3点，取其平均值。每点重复3次，取其最低值。

2 结果与分析

2.1 新型X射线屏蔽涂层的屏蔽性能分析

涂料中不同含量的金属粉末填料对X射线屏蔽涂层屏蔽性能的影响测试结果，见图4、图5。图4填料为钨粉，曲线表示涂料中不同质量分数钨粉对屏蔽涂层屏蔽效果的影响。图5为质量比为钨∶铋=1∶2的混合填料，曲线表示涂料中不同质量分数钨、铋混合填料对X射线屏蔽涂层屏蔽效果的影响。

图4 涂料中不同质量分数钨粉对屏蔽涂层屏蔽效果的影响Fig.4 Influences of different mass fractions of tungsten powder in coating on shielding effect of shielding coating

图5 涂料中不同质量分数钨、铋混合填料对X射线屏蔽涂层屏蔽效果的影响Fig.5 Effects of different mass fractions of tungsten and tantalum mixed fillers on the effect of X-ray shielding coatings

从图4、图5可以看出，随着填料质量分数的增大，X射线屏蔽涂层屏蔽效果也呈上升趋势，在可以实现的范围内，金属粉末填料的质量分数越高，涂层的屏蔽效果就越好。通过图4、图5的对比可以看出，金属粉末填料的质量分数相同时，钨、铋混合填料的屏蔽效果优于钨粉填料的屏蔽效果，也验证了我们通过曲线拟合得出的结论是正确的，即混合填料的综合效果相互弥补了单一元素吸收曲线的谷底，达到最佳吸收效果。

新型X射线屏蔽涂料主要有以下两种用途：

（1）用于医疗器械复杂形状的外壳或内部结构，通过涂层防护从根源进行防护，防止射线外漏，减少对人体伤害。

（2）为了达到国家标准的要求，机房的墙面、门窗也需要采用涂层防护，减小施工难度。

表3 不同类型X射线设备机房的屏蔽防护铅当量厚度要求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机房屏蔽要求：16cm混凝土（密度2.35t/m3）或24cm砖（密度1.65t/m3）或2mmPb。

较大工作量时的CT机房屏蔽要求：20cm混凝土（密度2.35t/m3）或37cm砖（密度1.65t/m3）或2.5mmPb。

根据测试结果，X射线屏蔽涂层应用于机房或者设备外壳时，若要达到国标要求，80%固含量的X射线屏蔽涂料只需涂刷大概3 mm左右，若选用更高固含量的屏蔽涂料，则可以涂刷地更薄。由此看出，X射线屏蔽涂料在保证无毒安全的前提下，还可以节约空间，更便于使用。

2.2 新型X射线屏蔽涂层的其他主要性能

按照中华人民共和国电子行业标准SJ/T 10674—1995《涂料涂覆通用技术条件》对屏蔽涂料的涂层进行相关的性能测试。分别按照GB/T 9286—88《色漆和清漆漆膜的划格试验》、GB6739—1996《涂膜硬度铅笔测定方法》、GB/T1732—93《漆膜耐冲击性测定方法》、GB 1768—79《漆膜耐磨性测定方法》和GB 1728—79《漆膜，腻子膜干燥时间测定法》对屏蔽涂层的附着力、铅笔硬度、冲击强度、耐磨性和干燥时间等主要物理性能进行测试[5-9]，测试结果见表4。

从表4的测试结果中可以看出，涂料的涂层具有较好的附着力、铅笔硬度、冲击强度和耐磨性都处于中等水平，但都满足了国家标准的要求。综合看来，新型X射线屏蔽涂料具有较好的综合性能，可以满足实际应用的需要[10-12]。