P(VDF-HFP)-Bi2O3多层聚合物复合材料的结构与屏蔽性能研究：一种柔性无铅X射线防护材料的开发与应用

为解决传统铅基防护材料毒性高、柔韧性差的问题，研究人员开发了Bi2O3/P(VDF-HFP)柔性复合材料。通过溶液浇铸法制备不同填料浓度的薄膜，系统评估其机械性能、热稳定性及X射线衰减效率。结果表明，20 wt% Bi2O3的复合材料在60 kVp下实现88%衰减率，同时保持10.7 MPa拉伸强度和480°C热稳定性，为医疗/工业辐射防护提供了环保解决方案。

　　

在医疗诊断和工业检测领域，X射线技术虽不可或缺，但长期暴露会引发癌症等健康风险。传统铅基防护材料因毒性高、重量大且缺乏柔韧性，难以满足现代可穿戴设备需求。为此，开发兼具高效屏蔽性能和机械柔性的无铅材料成为研究热点。泰国Nakhon Si Thammarat Rajabhat大学团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表研究，通过将氧化铋(Bi₂O₃)纳米颗粒嵌入聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物[P(VDF-HFP)]基质，制备出新型柔性防护材料。

研究采用溶液浇铸法制备5-50 wt% Bi₂O₃含量的复合薄膜，通过SEM、AFM观察形貌，XRD、FTIR分析结构，TGA评估热稳定性，并测试60/80 kVp下的X射线衰减性能。

3.1 结构形貌分析

SEM显示低浓度Bi₂O₃分散均匀，20 wt%时形成可控孔隙结构，50 wt%出现明显团聚。AFM测得50 wt%样品表面粗糙度(Sq)达189.30 nm，接触角提升至121.5°，证实填料增加表面疏水性。

3.2 晶体结构表征

XRD表明Bi₂O₃使复合材料结晶度从60.51%提升至86.94%，FTIR证实填料与聚合物通过F···Bi等相互作用形成稳定界面。

3.3 热性能

TGA显示复合材料呈现两阶段降解，50 wt%样品残炭率达75.79%，T_max维持在474-493°C，显著优于纯聚合物。

3.4 机械性能

拉伸测试揭示填料浓度与柔性的权衡：20 wt%样品保持10.7 MPa强度和4.7%延伸率，而50 wt%样品脆性显著增加。

3.5 X射线衰减性能

四层20 wt%复合膜在60 kVp下实现88%衰减率，50 wt%样品达92%。多层结构通过累积效应提升屏蔽效率，80 kVp时仍保持70%衰减。

该研究创新性地通过调控填料浓度和层状结构设计，解决了辐射防护材料"高屏蔽-低柔性"的矛盾。20 wt% Bi₂O₃/P(VDF-HFP)复合材料兼具81.99%结晶度、480°C热稳定性和120°疏水角，其性能优于多数报道的聚合物基屏蔽材料。这种可溶液加工、环境友好的材料为开发轻量化医疗防护装备提供了新思路，尤其适用于需要频繁弯曲的防护场景。未来通过表面改性优化填料分散性，有望进一步突破性能瓶颈。