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，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射線本身對受照醫(yī)生和病人的身體也會造成不同程度的損傷，所以要對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]。針對上述問題，目前市場上也存在一些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，不能滿足市場需求。

針對目前市場對于新型X射線屏蔽材料的需求，研究以鎢粉和鉍粉為填充材料，丙烯酸樹脂為基體，制備了新型無毒的射線屏蔽涂料。既能滿足材料無毒且具有更強(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，可透過排尿帶出體外?；谶@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上常見的軍標(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)與測定：涂料的黏度根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來調(diào)節(jié)，然后將制備好的涂料中加入各類助劑，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 屏蔽性能測試方法

采用標(biāo)準(zhǔn)鉛片替代法測量被檢樣品的鉛當(dāng)量。所用標(biāo)準(zhǔn)鉛片純度為99.9%，標(biāo)準(zhǔn)鉛片組級數(shù)公差為0.1 mm，厚度精度為±0.01 mm。用標(biāo)準(zhǔn)鉛片測量衰減值時(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)能覆蓋被測樣品的鉛當(dāng)量。測量經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)鉛片或樣品衰弱后的照射量率。每塊標(biāo)準(zhǔn)鉛片測量3次，取其平均值。用作圖內(nèi)插法求出樣品鉛當(dāng)量。對樣品進(jìn)行測量時(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X射線屏蔽涂層屏蔽性能的影響測試結(jié)果，見圖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，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。通過圖4、圖5的對比可以看出，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)，通過涂層防護(hù)從根源進(jìn)行防護(hù)，防止射線外漏，減少對人體傷害。

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

表3 不同類型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》對屏蔽涂料的涂層進(jìn)行相關(guān)的性能測試。分別按照GB/T 9286—88《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》、GB6739—1996《涂膜硬度鉛筆測定方法》、GB/T1732—93《漆膜耐沖擊性測定方法》、GB 1768—79《漆膜耐磨性測定方法》和GB 1728—79《漆膜，膩?zhàn)幽じ稍飼r(shí)間測定法》對屏蔽涂層的附著力、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)行測試[5-9]，測試結(jié)果見表4。

從表4的測試結(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，但都滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜合看來，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脂為基體樹脂，涂料能夠在室溫條件下固化，成型工藝簡單，而且涂層的附著力能夠達(dá)到1級，效果良好。