面向高效伽马辐射防护的聚萘二甲酸乙二酯(PEN)/氧化钨(WO3)复合材料的制备与多尺度性能表征

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Development and Characterization of Polyethylene Naphthalate (PEN)/Tungsten Oxide (WO3) Composites for Gamma Radiation Shielding Applications

为应对传统辐射屏蔽材料毒性大、重量大和难回收等挑战，研究人员开发了新型聚萘二甲酸乙二酯(PEN)/氧化钨(WO3)复合材料。该研究通过熔融共混法制备了不同WO3含量的复合材料，并系统表征了其形貌、结构、热稳定性、力学性能及伽马射线屏蔽效能。结果表明，复合材料展现出卓越的屏蔽性能，尤其是在31-276 keV能量范围内，为开发轻质、高效、环保的辐射防护材料提供了新思路。

　　

在医疗、核能和放射性废物管理等多个关键领域中，有效地防护电离辐射，特别是伽马辐射，是保障人员健康和设备安全的首要任务。传统的铅基材料和重型混凝土虽然屏蔽性能优异，但自身存在重量过大、难以回收、具有毒性且对环境有害等一系列不容忽视的缺点。为了在保证屏蔽效率的同时解决这些弊端，科学家们一直在探索开发新型的屏蔽材料。聚合物基复合材料凭借其轻质、柔性、易于加工和成本效益等优点，成为了极具潜力的替代选择。其中，钨因其高原子序数和出色的衰减能力，被视为铅的无毒替代品，而氧化钨(WO₃)更因其高密度、耐腐蚀和热稳定性等特点备受关注。与此同时，聚萘二甲酸乙二酯(PEN)作为一种高性能工程塑料，其分子链中独特的双萘环结构赋予了它比聚乙烯(PET)、聚丙烯(PP)等常见聚合物更优异的热稳定性、机械性能、耐水解性和耐辐射性。然而，PEN固有的脆性限制了其应用。那么，能否将PEN的优异基体性能与WO₃的卓越屏蔽能力相结合，创造出一种集高效、轻质、稳定于一体的新一代屏蔽材料呢？发表在《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》上的这项研究，正是对这一科学问题给出的肯定答案。

该研究主要运用了以下几种关键技术方法：通过熔融共混法（利用内密炼机）制备了不同WO₃含量的复合材料；采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学结构与相互作用；通过扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌和填料分散情况；利用热重分析(TGA)评估材料的热稳定性；进行拉伸测试以量化力学性能；最后，通过伽马射线透射测量（使用高纯锗探测器及¹³³Ba、²⁴¹Am、¹³⁷Cs、⁶⁰Co等多种放射源）、NIST XCOM数据库计算以及EGS4蒙特卡罗模拟，系统性地研究了材料在31至1332 keV能量范围内的伽马射线屏蔽性能。

研究结果

密度

研究通过理论计算分析了不同WO₃含量复合材料的密度。结果如表1所示，随着WO₃质量分数从0%（纯PEN）增加到5%、10%、20%，复合材料的密度从1.37 g/cm³线性上升至1.66、1.95和2.53 g/cm³。这一趋势表明，高密度的WO₃填料能显著提升复合材料的整体密度，这是其辐射屏蔽能力增强的重要物理基础。

傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 分析

研究人员利用FTIR光谱分析了PEN与不同含量WO₃之间的分子相互作用。如文中图3所示，对比纯PEN与NW5、NW10、NW20复合材料的FTIR谱图，可以发现复合材料的特征吸收峰位置并未发生明显偏移。但是，在760和820 cm^-1等处的峰宽有所增加，这表明PEN与WO₃颗粒之间可能存在物理相互作用或堆积效应，而不是发生了强烈的化学键合。这种相互作用对于维持复合材料的稳定性至关重要。

扫描电子显微镜 (SEM)

SEM图像（图4）清晰地展示了复合材料的断裂面形貌。纯PEN呈现出典型的层状结构（图4a）。而在加入WO₃后，图中出现了不规则的光亮区域，这些便是WO₃颗粒。值得注意的是，在WO₃含量较低（5 wt%）的NW5样品中，颗粒能够较好地分散在PEN基体中，且与基体界面结合良好，没有明显的气孔。然而，当WO₃含量增加到10 wt%（NW10）和20 wt%（NW20）时，填料颗粒出现了明显的团聚现象（图4c, d），这可能会对材料的力学性能产生影响。

热重分析 (TGA)

为了评估复合材料的热稳定性，研究进行了TGA测试。图5展示的结果表明，所有样品的初始热分解温度都在395 °C左右，且降解过程均为一步完成。尽管最大分解温度（T_max）随着WO₃含量的增加略有下降（从纯PEN的461 °C降至NW20的455 °C），但WO₃的加入显著提高了材料的热残留量和热稳定性。例如，在500 °C时，纯PEN的质量损失高达69%，而NW20仅为58.4%。这说明WO₃颗粒起到了热屏障的作用，延缓了聚合物的热降解过程。

拉伸测试

力学性能测试（图6-8及表2）揭示了WO₃填充对PEN基体的影响。随着WO₃含量的增加，复合材料的弹性模量显著提升（从886 N/mm²增至1691 N/mm²），表明材料变得更加刚硬。然而，拉伸强度和断裂伸长率均显著下降。这说明虽然刚性填料增强了材料的刚度，但由于颗粒的团聚和应力集中效应，也使得材料变脆，延展性和抗拉能力减弱。

伽马射线屏蔽研究

这是本研究的核心内容。研究首先考察了组分对屏蔽性能的影响。如表3和图9所示，无论是通过XCOM理论计算、EGS4模拟还是实验测量，得到的质量衰减系数（μ_m）值都呈现良好的一致性，偏差小于10%，验证了结果的可靠性。在所有测试的样品中，NW20（含20 wt% WO₃）在任何能量下都具有最高的μ_m值。例如，在662 keV时，纯PEN的μ_m为0.080 cm²/g，而NW20则提升至0.086 cm²/g。

研究进一步分析了质量衰减系数随光子能量的变化。如图10所示，μ_m值随WO₃含量的增加而增加，证实了其增强屏蔽效能的作用。μ_m随光子能量变化的曲线清晰地展示了三个主要相互作用机制的影响：在低能区（如31 keV），由于光电效应占主导，μ_m值非常高；在钨的K吸收边（约69.5 keV）附近，μ_m值出现一个陡峭的上升；随后，随着能量增加，康普顿散射成为主要作用，μ_m值缓慢下降并趋于稳定。这表明复合材料，特别是高WO₃含量的配方，在低能到中能伽马射线屏蔽方面尤为有效。

为了更直观地评价屏蔽效能，研究还计算了伽马射线/X射线相互作用参数，包括半值层(HVL)、十值层(TVL)和平均自由程(MFP)。这些参数值越小，表明材料衰减辐射所需厚度越薄，屏蔽效率越高。如图12-14所示，所有这三个参数的大小顺序均为：PEN > NW5 > NW10 > NW20。这直接证明了NW20复合材料的屏蔽性能最优。例如，在31 keV能量下，PEN的HVL高达1.745 cm，而NW20则锐减至0.082 cm，屏蔽厚度减少了95.3%（表5）。

最后，研究人员比较了实验结果的可靠性。如图11所示，所有实验测量的μ_m值的不确定度均在可接受的范围内（3.45%至7.69%），且与理论预测值的偏差也较小，进一步证实了实验结果和材料性能的可靠性。

结论与讨论

本研究成功开发并系统表征了用于伽马辐射屏蔽的聚萘二甲酸乙二酯(PEN)/氧化钨(WO₃)复合材料。研究得出的核心结论是，通过引入高原子序数的WO₃作为填料，复合材料的伽马射线屏蔽性能得到了显著提升。这种提升在低能区（31-276 keV）尤为突出，归因于WO₃填料带来的密度增加和光电效应增强。

通过FTIR、SEM、TGA和拉伸测试等表征手段，研究证实了WO₃与PEN基体之间形成了物理相互作用，填料在低含量时分散良好，但在高含量（10-20 wt%）时会发生团聚。WO₃的加入显著提高了复合材料的热稳定性和刚度，但也导致了拉伸强度和断裂伸长率的下降，使材料变脆。

关键的辐射屏蔽测试结果表明，随着WO₃含量的增加，材料的质量衰减系数(μ_m)增大，而半值层(HVL)、十值层(TVL)和平均自由程(MFP)减小，表明屏蔽效率提高。特别地，20 wt% WO₃含量的复合材料(NW20)在所有测试能量范围内均表现出最优的屏蔽性能。实验结果与XCOM理论计算及EGS4蒙特卡罗模拟结果高度吻合，验证了材料的可靠性和研究方法的准确性。

这项研究的重要意义在于，它为开发新一代的辐射屏蔽材料提供了一种可行的方案。PEN/WO₃复合材料结合了聚合物基体的轻质、可加工性、耐热性与WO₃填料的高效屏蔽能力，有望成为传统铅基材料的环保、轻量化替代品，尤其适用于对重量和灵活性有要求的医疗、工业及核能领域。论文也指出，为了克服高填料含量导致的脆性和团聚问题，未来可以通过对填料进行表面改性等方法来进一步优化复合材料的力学性能与屏蔽效能之间的平衡，从而推动其走向更广泛的实际应用。