纳米结构氧化铋在增强X射线屏蔽性能中的应用：一项比较研究

《Current Applied Physics》：Nanostructured bismuth oxide for enhanced diagnostic X-ray shielding: A comparative study

柔性非铅基纳米复合材料的研究发现，Bi?O?球形纳米颗粒复合PVC在50-150 kV X射线下表现出最佳衰减性能，质量衰减系数达2.39 cm2/g，铅当量0.25 mm，归因于高堆积密度和低空隙率。

　　

Mahdieh Ghasemi-Nejad | Leila Gholamzadeh | Ruhollah Adeli | Seyed Pezhman Shirmardi

伊朗亚兹德大学物理系

摘要

开发灵活的、无铅的纳米复合材料在辐射屏蔽应用中受到了广泛关注。在本研究中，制备了含有50 wt% Bi₂O₃纳米结构的聚氯乙烯（PVC）纳米复合材料，这些纳米结构具有不同的形态——球形纳米颗粒、纳米线和纳米片——以研究形态对X射线衰减行为的影响。衰减测量在50、110和150 kV下使用标准装置进行。结果表明，颗粒形态对质量衰减系数（μ/ρ）和屏蔽效率都有显著影响。含有球形Bi₂O₃纳米颗粒的复合材料表现出最佳的整体性能，其μ/ρ值为2.39 cm²/g，衰减率为96.23%，在150 kV下使用0.25 cm的纳米球形复合材料层时，相当于0.25 mm的铅。这种优异的性能在所有测试能量下都得到了保持，这归因于球形结构中更高的堆积密度和更少的颗粒间空隙。这些发现表明，含有球形纳米颗粒的PVC–Bi₂O₃纳米复合材料作为灵活、无毒且高效的替代品，具有巨大的潜力。

引言

电离辐射（特别是X射线和伽马射线）的发现彻底改变了从医学诊断到材料表征等多个领域。然而，这些技术的广泛应用同时也迫切需要有效的辐射防护策略[[1], [2], [3]]。传统的基于铅的屏蔽材料虽然提供了足够的衰减效果，但存在毒性、重量过大和机械柔韧性有限等主要缺点[4,5]。这些限制促使人们致力于寻找更安全、更轻便、更具适应性的替代品，同时不牺牲屏蔽效率[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。纳米技术最近在辐射屏蔽材料方面取得了显著进展。含有铅、钨、锡、钼、钡、钆和铋等重金属纳米形式的纳米复合材料已被证明在X射线衰减方面优于其块状对应物[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。例如，Jayakumar等人（2017年）发现，当Gd₂O₃基纳米材料的纳米颗粒尺寸从30纳米增加到56纳米时，在2.5%和25%的浓度下衰减效果都有所提高。在这些替代品中，氧化铋（Bi₂O₃）因其无毒、环境友好、成本效益高和强衰减性能而成为特别有前景的候选材料[[8,13,[22], [23], [24], [25], [26]]。值得注意的是，Karthieka和Prakash（2023年）[27]报告了在低辐射剂量下，块状和纳米晶态Bi₂O₃的X射线感应行为与晶粒尺寸有关。目前关于辐射屏蔽材料的研究主要集中在三个方向：(i) 在复合基质中比较微米级和纳米级金属氧化物；(ii) 开发混合金属氧化物系统；(iii) 在金属纳米复合材料中掺入元素[16,[28], [29], [30], [31], [32]]。像Bi₂O₃-WO₃这样的混合纳米复合材料展示了协同效应，能够在更宽的能量范围内增强辐射吸收。例如，Wu等人（2022年）报告称，含有WO₃/Bi₂O₃的水基聚氨酯复合材料在特征能量水平（59.5–121.8 keV）下表现出更好的伽马射线屏蔽性能和更优异的机械性能，这归因于纳米尺度上的更高比表面积和减少的自屏蔽效应[33]。尽管取得了这些进展，但在相同聚合物基质内系统地比较不同纳米结构形态（如球形纳米颗粒、纳米棒和纳米片）的研究仍然很少。

本研究通过设计和评估具有可控形态的Bi₂O₃纳米结构来填补这一空白，以优化辐射屏蔽性能。具体来说，我们报告了：(i) 合成球形、棒状和片状的Bi₂O₃纳米结构；(ii) 将这些纳米结构掺入聚氯乙烯（PVC）基质中制备纳米复合材料；以及(iii) 使用标准化辐照协议对其衰减性能进行比较评估。

材料与方法

为了合成氧化铋纳米结构，从Sigma-Aldrich购买了五水合硝酸铋和聚氯乙烯（PVC）。苯甲醇、氨、D-果糖和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）从Merck公司购买，乙二醇则从Samchun公司获得。

X射线衍射

使用X射线衍射（XRD）确定了晶体结构和晶粒尺寸。图2显示了氧化铋纳米结构的XRD结果。使用X'Pert HighScore软件分析和识别结果。衍射图中的所有峰都对应于四方晶系的球形氧化铋，与ICDD卡片[96–900–7724]（Liu等人，2011年）一致。由氧化铋纳米片得到的NPL图案表明存在α型氧化铋

结论

在本研究中，成功合成了包括球形纳米颗粒、纳米片和纳米线在内的Bi₂O₃纳米结构。通过X射线衍射（XRD）对其晶体结构和纯度进行了表征，同时使用扫描电子显微镜（SEM）研究了其形态和颗粒尺寸。随后制备了含有氧化铋纳米结构的PVC复合材料，并在三种电压（50、100和150 kV）下对其进行了X射线照射。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。