氧化铋橡胶复合材料的X射线防护性能研究

辽宁省医疗器械检验检测院 （辽宁 沈阳 110171）

内容提要： 含铅的X射线防护材料在目前的市场中比较常见，但却有质量偏重、有毒性、易造成环境污染和生物体伤害等缺点，氧化铋（Bi2O3）橡胶复合材料很好地规避了这些问题。通过对含有不同成分比例的氧化铋橡胶复合材料铅当量的测量，分析其对X射线的防护性能，以便更好地将该类产品应用到实际中。

随着人类需求的不断提高以及现代科学的不断发展，X射线被广泛应用于医疗领域。在提高患者病症诊断和治疗效果的同时，却也因为辐射剂量的增加，对患者和医生的健康产生了严重的影响。为此，辐射安全防护问题越来越受到人们的普遍关注，X射线防护材料成分的研究和应用也成为必不可缺的重要组成部分。

目前市场上比较常见的X射线防护产品如铅防护衣、铅防护帽、铅防护围领等，都是以铅作为X射线防护材料的主要组成成分，有质量偏重、有毒性、易造成环境污染和人体伤害等缺点。铋是一种新型的“绿色金属”，其衰减系数比铅大。氧化铋（Bi2O3）具有成本低廉，烧结挥发性小，几乎不会对人体造成伤害以及环境造成污染等优点，因此可以作为铅的理想替代品之一。逐渐开始有一些防护产品的生产厂商，研究将不同比例的氧化铋加入到橡胶中，制得高密度的橡胶。与铅橡胶相比，该高密度橡胶更薄、更轻，具有密度大和吸收射线能力强的特点，与其他有机化合物或者高分子化合物很好的结合，制成具有抗X射线辐射功能的复合材料，在今后X射线防护材料的制备和研究中将具有广阔的前景。

1.氧化铋橡胶复合材料X射线防护性能试验

1.1 防护材料

目前市场上大部分X射线防护材料仍然采用铅作为主要元素，而用新材料代替铅成为目前主要的研究方向。诊断用X射线的能量范围一般在40～150kV，其中80～100kV最为常用。据统计，当X射线能量在40～90kV时，是铅的弱吸收区，而这一范围的能量区诊断X射线光子分布最多，也正好是特征峰的所在处。这个区域最需要X射线吸收物质能起到较好的吸收作用，而铅的效果却并不是最佳。

为了更有效地防护能量在100kV以下的诊断用X射线，需要选择一些其他元素，其在40～90kV的X射线防护能力更强，以弥补铅的不足。铋的原子序数较大，具有高密度、高强度以及良好的X射线吸收能力，是防护X射线很好的一种物质。它不容易被身体吸收，不致癌，也不损害DNA构造，可以通过排尿带出体外。基于以上原因，本文将试验氧化铋的X射线防护性能，分析其是否能够达到或者超越铅的应用。

1.2 氧化铋橡胶复合材料试验

氧化铋橡胶复合材料X射线防护性能试验参照YY 0318-2000《医用诊断X射线辐射防护器具 第3部分：防护服和性腺防护器具》中相关产品的测试方法进行。由于只有试验管电压对防护性能影响较大，而试验管电流和试验加载时间的影响很小，因此选择不影响试验结果而且尽量较低X射线剂量的固定管电流和加载时间，即50mA和80ms，分别测量80kV、90kV和100kV试验管电压下氧化铋含量10%的橡胶复合材料、氧化铋含量20%的橡胶复合材料和氧化铋含量33%的橡胶复合材料（以下简称被测样品）的防护性能。

1.2.1 铅当量试验。在窄射束情况下，即在X射线源和辐射探测器之间，离辐射探测器大约0.2m的位置放置一个中间有小圆孔的光阑。在80kV的管电压条件下，需将0.15mmCu放在射线束中，来减少杂散射线对试验结果造成的影响，一般放在限束器的位置上。然后先将被测样品放置在X射线源和辐射探测器之间，贴近辐射探测器的地方，测量其衰减X射线后的剂量值，再移走样品，并在同一个位置放置标准铅片，测量剂量值。为了计算的准确性，尽量选择剂量值刚好大于和小于并且最接近被测样品剂量值的两个铅片厚度，通过模拟线性插值法，计算出被测样品的铅当量。同样，在90kV的管电压下，放入0.20mmCu，100kV的管电压下，放入0.25mmCu，进行铅当量试验。

1.2.2 衰减率试验。在宽射束情况下，即在X射线源和辐射探测器之间，贴近辐射探测器的位置放置一个中间有小圆孔的光阑。在80kV的管电压条件下，放置0.15mmCu，将被测样品放置在X射线源和光阑之间，紧贴光阑的位置上，测量其衰减X射线后的剂量值。然后移走被测样品，再次曝光，记录剂量值。两次剂量值的比值，即得出被测样品的衰减率。同样，在90kV的管电压下，放入0.20mmCu，100kV的管电压下，放入0.25mmCu，进行衰减率试验。

2.氧化铋橡胶复合材料X射线防护性能试验的结果分析

2.1 试验结果

铅当量试验结果。80kV、90kV和100kV试验管电压下，氧化铋含量10%的橡胶复合材料测得的铅当量分别是：0.0016mmPb、0.015mmPb、0.0012mmPb；氧化铋含量20%的橡胶复合材料测得的铅当量分别是：0.0043mmPb、0.048mmPb、0.0043mmPb；氧化铋含量33%的橡胶复合材料测得的铅当量分别是：0.0076mmPb、0.077mmPb、0.0070mmPb。

衰减率试验结果。80kV、90kV和100kV试验管电压下，氧化铋含量10%的橡胶复合材料测得的衰减率分别是：1.02、1.01、1.01；氧化铋含量20%的橡胶复合材料测得的衰减率分别是：1.04、1.04、1.04；氧化铋含量33%的橡胶复合材料测得的衰减率分别是：1.08、1.07、1.06。

2.2 结果分析

从铅当量和衰减率这两个指标考查的X射线防护性能试验结果来看，随着氧化铋橡胶复合材料中氧化铋含量的增加，其X射线的防护性能不断提高。这主要是由于在此能量下X射线光子与物质相互作用主要通过光电效应的方式衰减X射线能量，随着氧化铋质量分数的增加使光电效应增强，因此衰减系数增大。铋作为一种高原子序数的元素，由于其对X射线光子的衰减系数高，且无毒，很有希望将来代替铅成为X射线的绿色屏蔽材料。

由铅当量的测试结果可以看出，氧化铋含量20%的橡胶复合材料的铅当量值是氧化铋含量10%的橡胶复合材料的铅当量值的3倍左右，即此时氧化铋含量增加1倍，其铅当量值增加2倍。氧化铋含量33%的橡胶复合材料的铅当量值是氧化铋含量20%的橡胶复合材料的铅当量值的1.8倍左右，即此时氧化铋含量增加0.65倍，其铅当量值增加0.8倍。而衰减率测试结果的数据是较为平稳的增长。由此可以看出，随着氧化铋成分的增加，橡胶复合材料的防护性能在增强，但是趋势是增幅逐渐变小，这主要是由于X射线光子与材料作用后，能量降低，而材料对一些能量降低的光子吸收作用较弱，因此随着氧化铋含量的继续增加，材料对X射线的防护性能增幅会减小。如何能达到氧化铋成分适度，价格适宜，将是未来继续研究的方向。

2.3 氧化铋防护材料的应用

使用氧化铋的优势主要体现在以下几方面：①铋是毒性最小的重金属之一，且密度和原子序数高，能够满足防护材料基本需求。②价格比较适中，较常用的防护材料主要有钨、铅、铋等。其中钨的价格最贵，其次是铋。虽然铋比铅的价格贵，但考虑到铅的毒性和未来的安全培训等方面的额外费用，铋的价格更为适中。③氧化铋的密度和氧化铅相近，可以在使用氧化铅的产品中1:1进行取代而减少毒性和污染，更加实用。

氧化铋是一种具有优良发光特性的功能粉体，现已有将10%的钨、铋、氧化铋加入到丁基橡胶中，制得高密度的橡胶复合材料。与铅橡胶相比，该高密度橡胶更薄、更轻、防护X射线效果更优于含铅橡胶。氧化铋的衰减系数与氧化铅的衰减系数相似，说明氧化铋是氧化铅的良好替代物，用铋取代铅制备的X射线防辐射材料将是一种无毒，防护效果显著具有更广泛前景的复合材料。此外，由于氧化铋存在密度过大，表面能较高，极易团聚，选择合适的表面活性剂，适当地改变条件对纳米氧化铋进行表面改性，降低氧化铋的表面能，提高纳米氧化铋粒子与有机溶剂或高分子基体的相容性，制备出纳米氧化铋复合材料将拓宽氧化铋抗X射线辐射功能在更多领域中应用。

3.小结

本文通过对氧化铋含量10%、20%和33%的橡胶复合材料的防护性能进行试验，即通过检测其铅当量和衰减率，来分析和研究此类材料屏蔽X射线的能力。在这三个材料中，随着氧化铋含量的升高，其防护性能也越来越好，而且本次试验的橡胶复合材料非常轻薄，加上氧化铋绿色环保无毒的特性，未来将有很广泛的应用空间。