钴钨酸盐（CoWO4）的掺入对PVC/PEG复合材料的荧光性能和辐射屏蔽效果的影响

《Radiation Physics and Chemistry》：The role of cobalt tungstate (CoWO4) loading on the fluorescence and radiation shielding efficacy of PVC/PEG composites

　　

A.M. El-Naggar|A.A. Albassam

沙特阿拉伯国王沙特大学理学院物理与天文系可再生能源应用研究主席，邮政信箱2455，利雅得，11451，沙特阿拉伯

摘要

本研究探讨了钨酸钴（CoWO₄）纳米颗粒掺入对柔性聚氯乙烯/聚乙二醇（PVC/PEG）复合薄膜的荧光和伽马射线屏蔽特性的影响。荧光研究表明，该复合材料具有宽的发射带，随着填料含量的增加，荧光强度逐渐降低了约70%；同时，其色度坐标在不同激发波长下表现出可调的变化。在15 keV下的辐射屏蔽线性衰减系数（LAC）从未掺杂混合物的11.606 cm^?1显著增加到30 wt%复合材料的38.277 cm^?1，提高了3.3倍。低能量下的半值层（HVL）从0.059 cm减少到0.018 cm。15 keV下的质量衰减系数（MAC）从8.629 cm²/g增加到11.664 cm²/g。有效原子序数（Z_eff）从15.03增加到17.20，且加入填料后快中子去除截面（FNRCS）显著改善。在1 cm厚度下评估了透射系数（TF）和辐射防护效率（RPE）。随着CoWO₄含量的增加，TF持续降低；例如，在0.5 MeV时，从纯聚合物的88.49%降至30 wt%复合材料的74.38%。暴露和能量吸收累积因子也随着CoWO₄含量的增加而降低。

引言

聚合物复合材料已成为一类多样化的材料，能够提供可调节的物理、化学和功能特性，以满足现代技术的需求（Heiba等人，2025a, 2025b, 2025c）。

聚氯乙烯（PVC）被用作电力线路的绝缘材料。由于其低成本、生产简便和刚性等优良特性，这种聚合物被用作热塑性材料（Alsaif等人，2023）。聚乙二醇（PEG）的化学特性使其在许多生物应用中特别有用（Mohammed等人，2023）。PVC和PEG是互补的聚合物组合：PVC提供结构稳定性和加工性能，而PEG赋予材料柔韧性并影响结晶和链动力学。最新研究表明，PEG具有内在的团簇诱导荧光，而PVC通过激子发射贡献荧光特性（Sharmin等人，2025；Rajendran等人，2009）。

钨酸钴（CoWO₄）因其在光致发光、光电设备、颜料添加剂、微波介电陶瓷、闪烁材料和催化领域的应用而受到广泛关注（Adib等人，2016）。CoWO₄作为一种多功能纳米填料，显著改善了聚合物复合材料的光学和辐射屏蔽性能。其重要性在于其独特的物理化学性质，这些性质同时影响荧光行为和光子衰减能力（Abdel-Kader和Mohamed，2024a）。

通过添加适当的填料，可以改变聚合物的性能（Abdel-Kader等人，2024；Abdel-Kader等人，2023；Mohamed和Abdel-Kader，2020a, 2020b）。传统的屏蔽材料如铅和混凝土虽然有效，但在重量、柔韧性、加工性能和环境毒性方面存在限制（El-Sharkawy等人，2025；Sayed等人，2025；Negm等人，2024）。相比之下，基于聚合物的屏蔽材料可以设计得轻便、无铅，并且易于制成复杂形状，适用于个人防护设备、医学成像和航空航天应用（Mohamed等人，2025；Dorostkar和Saray，2025a；Joshi等人，2024；Isazadeh和Saray，2025；Zeng等人，2023；Salem等人，2025）。PVC/NiWO₄样品具有有效的辐射屏蔽能力，使其成为可行的辐射屏蔽材料候选者（Alruwaili和Shalaby，2024）。（PVA–PVP/SiC–Bi₂O₃）PNC薄膜暴露于伽马射线时表现出极高的衰减系数，表明它们作为柔性纳米器件材料的潜力巨大（AL-Issawe等人，2025a）。吖啶橙染料是一种有效的方法，可改善（PVA-PVP）聚合物的光学和特定辐射衰减性能（Mohammed等人，2026）。添加了纳米级钇的ABS聚合物是一种有效的辐射屏蔽材料（Bulut，2024）。PMMA-WO₃复合材料可作为高效、轻便且透明的伽马射线屏蔽材料（Dorostkar和Saray，2025b）。制备的透明PMMA/SiO₂纳米复合材料在结构、光学和辐射屏蔽应用中表现出良好性能（Almutery等人，2025）。PVA-PVP/SiC–ZnO样品显示出优异的伽马射线衰减系数（AL-Issawe等人，2025b）。实验和理论结果一致表明，增加Pb₃O₄浓度可以提高PVA薄膜对伽马射线穿透的衰减效果（Hamed等人，2025）。（PVA）1?x（PbI₂）_x纳米复合材料的MAC值随PbI₂浓度的增加而提高。随着PbI₂掺量的增加，半值层（HVL）减小，这表明x = 0.04是最佳的屏蔽材料（Alziyadi等人，2025）。PbI₂水平对PVA/PbI₂样品的结构、热学、光学和辐射屏蔽特性的影响（Hashim等人，2025）。PVB/FeWO₄样品的快中子去除截面（FNRCS）值随着FeWO₄纳米颗粒的加入而增加。PVB/FeWO₄纳米复合材料被推荐为环保的无铅辐射屏蔽替代品（Alruwaili等人，2026）。

CoWO₄作为一种活性填料，增强了聚合物复合材料的辐射和光学性能。它能够抑制和调节荧光，并显著提高辐射屏蔽效果，使其成为制造现代技术和安全用途的智能多功能聚合物材料的关键成分。

尽管基于钨酸盐的聚合物复合材料在辐射屏蔽方面取得了进展，但仍存在一些关键问题尚未解决。首先，大多数研究集中在单一聚合物基质中的镍钨酸盐（NiWO₄、FeWO₄）上，而具有高原子序数（W，Z = 74；Co，Z = 27）、优良的光致发光特性和催化活性的钨酸钴（CoWO₄）很少被作为同时具有光学和屏蔽功能的双功能填料进行研究。其次，现有报告通常分别研究荧光调制或伽马射线衰减，而没有探讨相同填料浓度对单一柔性复合材料中这两种特性的影响。第三，虽然研究了PVC/PEG等聚合物混合物的内在团簇诱导发射，但重金属钨酸盐纳米颗粒对该发射的影响及其与辐射屏蔽效率的相关性尚未系统量化。因此，本研究的新颖之处在于：（i）首次将CoWO₄纳米颗粒系统地掺入PVC/PEG混合物中作为多功能填料；（ii）同时评估荧光淬灭（强度降低超过70%）和色度调节以及全面的光子/中子衰减参数（LAC、MAC、Z_eff、HVL、MFP、FNRCS、累积因子）；（iii）证明CoWO₄的掺入不仅抑制了聚合物的团簇诱导发射，还提高了辐射屏蔽效果，达到与传统材料相当的水平（例如，在15 keV时LAC增加了3.3倍）。这种综合的光学-辐射方法使本研究区别于以往仅分别研究光学和屏蔽功能的钨酸盐-聚合物复合材料的研究。

本研究制备并表征了一系列含有不同重量百分比（0–30 wt%）CoWO₄纳米颗粒的PVC/PEG柔性复合薄膜。本研究旨在将光学功能化和辐射屏蔽结合起来，引入含CoWO₄的PVC/PEG作为先进光学-辐射应用的可行材料解决方案。

章节摘录

所用原材料

聚氯乙烯（PVC，Sigma-Aldrich），聚乙二醇（PEG，MW = 4000 g/mol），六水合硝酸钴（Sigma Aldrich）和0.9 M二水合钨酸钠（Sigma Aldrich，99%）。

纳米填料样品的制备

CoWO₄通过沉淀-老化法合成。在典型程序中，0.01 mol六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O（Sigma-Aldrich，99%）溶解在50 mL蒸馏水中。另外，0.01 mol二水合钨酸钠（Na₂WO₄·2H₂O（Sigma-Aldrich，99%）溶解在50 mL蒸馏水中

结构研究

通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）工具分析了所制备材料的相组成和形态。图1a展示了不同CoWO₄含量（0–30 wt%）的PVC/PEG复合材料的XRD图谱。基础聚合物混合物在19.18°和23.34°处有两个明显的反射峰，代表PEG相（Sagadevan等人，2016；Taha等人，2018），以及一个位于约41.06°的较弱峰，与PVC相关（Bhavsar和Tripathi，

结论

本研究成功制备了含有不同浓度（0–30 wt%）CoWO₄纳米颗粒的柔性PVC/PEG复合薄膜。CoWO₄作为一种多功能改性剂，显著改善了光学荧光性能和辐射屏蔽效果。XRD和SEM测量验证了单斜相CoWO₄在聚合物基质中的有效分散。PVC/PEG混合物的固有荧光特性通过添加

资助

正在进行的研究资助计划-研究主席（ORF-RC-2026-03-09），沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学。

CRediT作者贡献声明

A.M. El-Naggar：数据管理、形式分析、方法论、监督、初稿撰写、审稿与编辑。A.A. Albassam：数据管理、方法论、资源、软件、监督、验证、可视化。

利益冲突声明

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