摘 要：在熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）中添加金屬屏蔽材料鎢粉，采用3D打印的方式制作防護(hù)材料，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，觀察其護(hù)理應(yīng)用效果。結(jié)果表明，當(dāng)在TPU-1195A中添加80%鎢粉時(shí)，防護(hù)材料拉伸強(qiáng)度和硬度分別為36.7 MPa、63 HA，熔體黏度較小且分解溫度高于245 ℃，此時(shí)防護(hù)材料的力學(xué)性能、流變性能以及熱穩(wěn)定性較好，可以用于3D打??；防護(hù)材料的屏蔽性能隨鎢粉含量的增加而提高，較佳鎢粉含量為 80%，此時(shí)，防護(hù)材料拉伸強(qiáng)度最高為 36.7 MPa，X 射線屏蔽率為 85%；與普通防護(hù)服相比，80%W/TPU-1195A全面X射線防護(hù)服具備更好的X射線屏蔽性能和舒適性，且可操作性良好。

關(guān)鍵詞：熱塑性聚氨酯彈性體；鎢粉；3D打印；拉伸強(qiáng)度；屏蔽性能

中圖分類號(hào)：TQ334.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）03-0111-04

Observation on protective materials used in radiology andtheir nursing application effects

QIAN Xiaoqin

（Kunshan Sixth People’s Hospital，Kunshan 215300，Jiangsu China）

Abstract：Add metal shielding material tungsten powder to thermoplastic polyurethane elastomer（TPU），use 3Dprinting to produce protective materials，and test their performance to observe their nursing application effect. Theresults show thatwhen 80% tungsten powder is added to TPU-1195A，the tensile strength and hardness of the pro?tective material are 36.7 MPa and 63 HA，respectively. The melt viscosity is small and the decomposition tempera?ture is higher than 245 ℃. At this time，the mechanical properties，rheological properties，and thermal stability ofthe protective material are good，and it can be used for 3D printing.The shielding performance of protective materi?als increases with the increase of tungsten powder content. The optimal tungsten powder content is 80%. At thistime，the tensile strength of the protective material is the highest，at 36.7 MPa，and the X-ray shielding rate is 85%.Compared with ordinary protective clothing，the 80% W/TPU-1195A comprehensive X-ray protective clothing hasbetter X-ray shielding performance and comfort，and good operability. In summary，the protective material has goodcomprehensive performance and has application value.

Key words：thermoplastic polyurethane elastomer；tungsten powder；3d printing；tensile strength；shielding perfor?Mance

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，核能的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)防輻射也越來(lái)越重視，特別是在核能研究、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域 [1-2] 。因此，關(guān)于防輻射材料的研究刻不容緩。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。例如，在超細(xì)纖維表面上負(fù)載鑭、鈰、釓、鉺這4種稀土元素，制備了一種復(fù)合防射線屏蔽材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究 [3] 。除了稀土元素屏蔽材料外，將傳統(tǒng)混煉工藝和多輥壓延工藝結(jié)合，制備了一種硫酸鋇/橡膠防護(hù)材料 [4] 。以天然皮革作為基體材料，添加適量的碘化銫，制備了一種可穿戴的復(fù)合屏蔽材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究 [5] 。參考以上學(xué)者的研究思路和試驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步優(yōu)化防護(hù)材料的制備工藝，提高防護(hù)材料性能，本試驗(yàn)以熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）為基體材料，以鎢粉作為屏蔽劑材料，采用3D打印工藝制備防護(hù)材料，并對(duì)其性能和應(yīng)用效果進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主 要 材 料 ：熱 塑 性 聚 氨 酯 彈 性 體（TPU）（1195A、1185A，銳鑫垚新材料）；鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）（工業(yè)純，和信化工）；鎢粉（工業(yè)純，粒徑2～6μm，創(chuàng)豐鎢業(yè)）。

主要設(shè)備：CREE-6014A-2 型煉膠機(jī)（科銳儀器科技）；CZ-8025 型平板硫化機(jī)（昌哲試驗(yàn)機(jī)械）；LXT-800 型強(qiáng)力破碎機(jī)（利欣特）；YF-8116型熔體流動(dòng)速率儀（源峰檢測(cè)設(shè)備）；HNB-500N型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（森倍科技）；MLW-400型毛細(xì)管流變儀（長(zhǎng)春智能）；BXT-TGA105 型熱重分析儀（BAXIT巴謝特）；ZBLX-A型硬度計(jì)（正瑞泰邦電子）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 防護(hù)材料配方及打印參數(shù)

本試驗(yàn)以熱塑性聚氨酯彈性體為基體材料，然后加入適量份數(shù)的的屏蔽劑鎢粉，制備3D打印線材 [6-7] 。再利用熔融沉積制造（FDM）3D打印成型工藝，制備放射科用的防護(hù)材料。防護(hù)材料的具體配方以及打印參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.2.2 防護(hù)材料的制備

（1）用電子天平稱取適量的 1185A 型 TPU、1195A型TPU熱塑性基體材料，加入密煉機(jī)中。再添加適量的金屬屏蔽材料鎢粉和塑化劑DOP，進(jìn)行加熱共混，獲得復(fù)合屏蔽材料；

（2）使用強(qiáng)力破碎機(jī)將復(fù)合屏蔽材料粉碎，并用平板硫化機(jī)熱壓成片。放置一段時(shí)間冷卻后，繼續(xù)用強(qiáng)力破碎機(jī)進(jìn)行高速粉碎處理，過(guò)篩（60目），獲得復(fù)合屏蔽材料粉末；

（3）將復(fù)合屏蔽材料粉末放入熔體流動(dòng)速率儀中進(jìn)行拉絲處理，制備直徑在1.7 mm左右的3D復(fù)合屏蔽絲材；

（4）按表1中的3D打印參數(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)，通過(guò)FDM 3D打印成型工藝，將3D復(fù)合屏蔽絲材制成防護(hù)材料試樣，備用。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 力學(xué)性能

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)防護(hù)材料試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，通過(guò)硬度計(jì)對(duì)防護(hù)材料試樣進(jìn)行硬度測(cè)試。

1.3.2 流變性能

通過(guò)流變儀測(cè)試防護(hù)材料試樣的流變性能。

1.3.3 熱性能

通過(guò)熱重分析儀對(duì)試樣進(jìn)行TGA測(cè)試，分析其熱穩(wěn)定性。

1.3.4 屏蔽性能

輻射源采用X射線發(fā)射器，然后保持X射線發(fā)射器的幾何中心和探測(cè)器的幾何中心不變，在無(wú)復(fù)合防護(hù)材料時(shí)測(cè)試空氣比釋動(dòng)能率，記為H O 。然后將復(fù)合防護(hù)材料放置在X射線發(fā)射器與探測(cè)器之間，測(cè)試此時(shí)的空氣比釋動(dòng)能率，記為H。之后，通過(guò)公式計(jì)算復(fù)合防護(hù)材料對(duì)X射線的屏蔽率（ η ），具體公式如下 [8-10] ：式中： η 為X射線屏蔽率；H為有防護(hù)材料時(shí)的空氣比釋動(dòng)能率； H 0 為無(wú)防護(hù)材料時(shí)的空氣比釋動(dòng)能率。

2 結(jié)果與分析

2.1 基體材料的選擇

對(duì)不同基體材料的3D打印復(fù)合屏蔽絲材進(jìn)行拉強(qiáng)度和硬度分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，對(duì)于純熱塑性基體材料TPU-1195A，其拉伸強(qiáng)度和硬度分別為38.5 MPa、59 HA。在添加80%鎢粉后，80%W/TPU-1195A的拉伸強(qiáng)度和硬度分別為36.7 MPa、63 HA，這與TPU-1195A相比，拉伸強(qiáng)度和硬度變化均較小。然而，對(duì)于純熱塑性基體材料 TPU-1185A，其拉伸強(qiáng)度和硬度分別為24.5 MPa、41 HA。在 添 加 80% 鎢 粉 后 ，80% W/TPU-1185A 的拉伸強(qiáng)度和硬度分別為 11.2 MPa、43 HA。這與TPU-1185A相比，拉伸強(qiáng)度降低一半左右，而硬度變化不大。但是，80%W/TPU-1185A的拉伸強(qiáng)度和硬度明顯均低于80%W/TPU-1195A，無(wú)法保證在3D打印工藝中的正常進(jìn)絲。因此，本試驗(yàn)選擇TPU的型號(hào)為1195A。

2.2 鎢粉含量的影響

2.2.1 拉伸強(qiáng)度分析

圖2為不同鎢粉含量下的復(fù)合防護(hù)材料拉伸強(qiáng)度結(jié)果。

由圖2可知，當(dāng)復(fù)合防護(hù)材料中的金屬屏蔽材料鎢粉含量從60%逐漸增加到90%時(shí)，拉伸強(qiáng)度先提高后降低。當(dāng)鎢粉含量為 60%時(shí)，拉伸強(qiáng)度為30.2 MPa。當(dāng)鎢粉含量為80%時(shí)，復(fù)合防護(hù)材料的拉伸強(qiáng)度提高到最大值，為36.7 MPa，這與鎢粉含量為60%時(shí)相比，提高幅度達(dá)到21.5%。此后，當(dāng)鎢粉含量繼續(xù)增加時(shí)，拉伸強(qiáng)度迅速下降。當(dāng)鎢粉含量達(dá)到90%時(shí)，拉伸強(qiáng)度下降至29.4 MPa，這與最大值相比，降幅達(dá)到19.9%。

綜合分析可知，發(fā)生以上這些現(xiàn)象的原因是，本試驗(yàn)制備的復(fù)合防護(hù)材料基體為TPU-1195A，其拉伸性能主要來(lái)自于TPU-1195A。而金屬屏蔽材料鎢粉的添加，會(huì)使復(fù)合防護(hù)材料基體中產(chǎn)生較多的應(yīng)力集中點(diǎn)。因此，當(dāng)復(fù)合防護(hù)材料受到拉伸作用時(shí)，一些與TPU-1195A基體結(jié)合較弱的鎢粉會(huì)出現(xiàn)脫粘的現(xiàn)象，從而在材料基體內(nèi)部形成孔洞，進(jìn)而引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，使復(fù)合防護(hù)材料被破壞，拉伸性能下降 [17-18] 。當(dāng)復(fù)合防護(hù)材料中添加的鎢粉含量適量時(shí)，材料基體內(nèi)部的鎢粉呈懸浮狀均勻分布，且添加的鎢粉能夠較好地被TPU-1195A基體材料包裹，因此，復(fù)合防護(hù)材料的拉伸性能較好。然而，當(dāng)復(fù)合防護(hù)材料中添加的金屬屏蔽材料鎢粉超過(guò)80%時(shí)，TPU-1195A基體材料的體積分?jǐn)?shù)下降，使復(fù)合防護(hù)材料整體的流動(dòng)性降低。因此，添加的鎢粉不能被TPU-1195A基體材料充分包裹，且鎢粉之間還會(huì)存在較多的空隙和孔洞，所以，復(fù)合防護(hù)材料的拉伸性能迅速下降。同時(shí)，當(dāng)添加的鎢粉含量越多時(shí)，在復(fù)合防護(hù)材料中，鎢粉間更容易發(fā)生點(diǎn)接觸和線接觸現(xiàn)象，從而產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)一步加大TPU-1195A基體材料包裹鎢粉的難度。因此，復(fù)合防護(hù)材料內(nèi)部的空隙、孔洞增加，內(nèi)部缺陷更多。

在受到外力作用時(shí)，這些缺陷處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，使復(fù)合防護(hù)材料被破壞，拉伸性能下降 [19-20] 。綜上，當(dāng)在復(fù)合防護(hù)材料中添加80%金屬屏蔽材料鎢粉時(shí)，材料拉伸性能較佳。

2.2.2 屏蔽性能分析

根據(jù)1.3.4中的測(cè)試方法，在TPU-1195A為熱塑性基體材料條件下，對(duì)不同鎢粉含量下的復(fù)合防護(hù)材料進(jìn)行X射線屏蔽性能測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著復(fù)合防護(hù)材料中添加的金屬屏蔽材料鎢粉含量增加，材料對(duì)X射線的屏蔽率也不斷增加。當(dāng)復(fù)合防護(hù)材料中鎢粉含量為80%時(shí)，X射線屏蔽率達(dá)到85%，屏蔽性能良好。本試驗(yàn)采用的屏蔽劑材料為鎢粉，其屏蔽性能較好，且與傳統(tǒng)的屏蔽材料鉛相比毒性較小。結(jié)合圖5中的測(cè)試結(jié)果可知，通過(guò)3D打印成型的復(fù)合防護(hù)材料屏蔽性能良好。為保證3D打印成型工藝正常進(jìn)行，提升復(fù)合防護(hù)材料的力學(xué)性能和屏蔽性能，本試驗(yàn)確定以80%W/TPU-1195A復(fù)合防護(hù)材料作為放射科用的防護(hù)材料，并對(duì)其護(hù)理應(yīng)用效果進(jìn)行觀察。

2.3 應(yīng)用效果

2.3.1 一般資料

以3D打印成型的80%W/TPU-1195A復(fù)合防護(hù)材料制作可移動(dòng)式的全面X射線防護(hù)服，進(jìn)行臨床護(hù)理應(yīng)用效果試驗(yàn)。以全面X射線防護(hù)服作為實(shí)驗(yàn)組，以普通防護(hù)服作為對(duì)照組。

2.3.2 試驗(yàn)方法

在放射科第1術(shù)者和第2術(shù)者處，分別檢測(cè)普通防護(hù)服和全面X射線防護(hù)服的不同身體部位的X輻射劑量率。讓20名放射科醫(yī)師先后穿上普通防護(hù)服、全面X射線防護(hù)服進(jìn)行模擬手術(shù)，然后不相互交流，獨(dú)立對(duì)兩類防護(hù)服的可操作性以及舒適性進(jìn)行評(píng)分。

2.3.3 觀察指標(biāo)

射線防護(hù)：X射線防護(hù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB Z130—2013 [11-12] 。

可操作性和舒適性：分別自制可操作性和舒適性調(diào)查問(wèn)卷，記錄并分析醫(yī)師評(píng)價(jià)結(jié)果。其中，可操作性總分0～10分，不好為0～2分、一般為3～5分、好為6～8分、非常好為9～10分。舒適性總分0～10分，難受為0～2分、一般為3～5分、舒適為6～8分、非常舒適為9～10分。

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：通過(guò)軟件對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。 “P＜0.05”為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3.4 X射線防護(hù)評(píng)價(jià)

X射線防護(hù)評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，全面X射線防護(hù)服在身體頭部和足部處的X射線防護(hù)效率明顯高于普通防護(hù)服。這表明，采用復(fù)合防護(hù)材料制備的全面X射線防護(hù)服可以降低身體各部位的X射線劑量率（P＜0.01）。

2.3.5 可操作性和舒適性評(píng)價(jià)

結(jié)合表3和表4可知，在可操作性方面，雖然全面X射線防護(hù)服略低于普通防護(hù)服，但是這2種防護(hù)服的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在舒適性方面，全面X射線防護(hù)服明顯比普通防護(hù)服更為舒適。這些現(xiàn)象表明，與普通防護(hù)服相比，全面X射線防護(hù)服可操作性良好，舒適性更佳。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)基體材料為1195A型熱塑性聚氨酯彈性體（TPU），且添加80%鎢粉時(shí)，防護(hù)材料的拉伸強(qiáng)度和硬度分別為36.7 MPa、63 HA，熔體黏度較小且分解溫度高于245 ℃。此時(shí)，防護(hù)材料具備良好的力學(xué)性能、流變性能和熱穩(wěn)定性；

（2）隨著鎢粉含量的增加，防護(hù)材料對(duì)X射線的屏蔽性能提高。當(dāng)鎢粉含量為80%時(shí)，防護(hù)材料拉伸性能最佳，且對(duì)X射線的屏蔽率達(dá)到85%，屏蔽性能較好；

（3）由80%W/TPU-1195A防護(hù)材料制作的全面X射線防護(hù)服在頭部、足部處的屏蔽性能明顯優(yōu)于普通防護(hù)服，可操作性良好，舒適性更佳。

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（責(zé)任編輯：平 海）