利用3D DLP打印技术制备基于生物材料的光敏聚合物-科尔曼石树脂复合材料，用于高级辐射防护

《Applied Radiation and Isotopes》：Production of Bio-based Photopolymer–Colemanite Resin Composites Using 3D DLP Printing for Advanced Radiation Protection

生物基光敏树脂与Colemanite矿物复合材料的DLP 3D打印制备及辐射屏蔽性能研究，通过添加0-5wt% Colemanite改善伽马射线（356-1333 keV）衰减能力，同时分析其微观结构、物理化学性质和机械性能，证实该材料在环保和辐射防护方面具有应用潜力。

　　
生物基光聚合树脂-Colemanite复合材料在辐射屏蔽领域的创新应用研究

近年来，生物基光聚合树脂因其可持续性和可加工性备受关注，尤其在辐射屏蔽领域展现出独特优势。本研究创新性地将天然硼矿物Colemanite引入3D打印树脂体系，通过数字光处理（DLP）技术制备出新型复合材料，系统评估其在γ射线屏蔽效能及机械性能方面的综合表现。

传统辐射屏蔽材料普遍存在环境负荷大、机械性能不足等问题。铅基材料虽能有效衰减射线，但具有毒性高、难以回收等缺陷；混凝土等结构材料密度大且加工复杂，难以适应现代精密制造需求。DLP 3D打印技术凭借其高分辨率、快速成型和功能化改性潜力，为开发新型辐射屏蔽材料提供了技术支撑。该技术通过数字投影精确控制树脂固化过程，特别适合制备含无机填料的复合结构，能够有效解决传统材料中性能与工艺的矛盾。

Colemanite作为天然硼矿物，具有独特的晶体结构和丰富的硼元素含量。其化学组成为2CaO·3B?O?·5H?O，晶体中硼元素以B?O??结构存在，这种特殊架构使其在γ射线屏蔽领域具有天然优势。研究表明，硼矿物的质量吸收系数随射线能量变化呈现规律性特征，在医疗、工业探伤等场景中具有应用潜力。但现有研究多聚焦于传统加工方式，对DLP打印复合材料的系统研究仍属空白。

本研究构建了含Colemanite（0%、1%、3%、5 wt%）的梯度复合材料体系，采用FlashForge FHD 1200专用树脂系统，通过DLP打印技术制备标准试件。材料配比包含50%聚氨酯丙烯酸树脂、40%丙烯酸单体、5%光引发剂及5%着色剂，确保生物基成分占比超过80%。通过调节Colemanite添加量，系统研究其对材料宏观性能和微观结构的影响规律。

在辐射屏蔽性能测试方面，采用ORTEC? 905-4型碘化钠探测器对133Ba（356 keV）、137Cs（662 keV）、60Co（1173 keV）及1333 keV四个典型γ射线能级进行衰减特性测试。实验发现，随着Colemanite含量从0%提升至5%，线性衰减系数（μ）呈现显著递增趋势，最高增幅达47.6%。质量衰减系数（MAC）变化规律显示，在低能区（<662 keV）提升幅度更为显著，而在高能区（>1173 keV）表现趋于稳定。这种能依赖性衰减特性源于Colemanite的硼氧网络结构对低能γ射线的高效捕获，以及矿物晶体对高能射线的散射-吸收协同作用。

材料表征方面，扫描电镜（SEM）显示添加1-5% Colemanite后材料表面出现明显的层状晶体结构，当含量达3%时晶界排列密度增加23%，表明填料均匀分散。X射线衍射（XRD）分析证实Colemanite在树脂中的结晶度保持完整，未发生明显相变。红外光谱（FTIR）特征峰分析表明，矿物与树脂界面形成氢键结合，在1200-1300 cm?1区域出现B-O键特征吸收峰位移，证实化学键合形成。热重分析（TG）显示复合材料热稳定性提升，5% Colemanite添加量可使热分解起始温度提高58℃。

机械性能测试揭示了复合材料的多功能特性。在保持优异辐射屏蔽性能的同时，5% Colemanite添加量试样的压缩强度达到89.7 MPa，比纯树脂提升42%，拉伸强度达23.5 MPa，断裂伸长率保持18.2%的韧性。微观结构分析表明，Colemanite的片状结构在树脂基体中形成三维互穿网络，这种结构设计既增强了材料力学性能，又优化了射线衰减路径。特别在DLP打印层间结合处，Colemanite的刚性结构有效抑制了层间分离现象，使得复合材料在承受多次γ射线辐照后仍保持稳定的物理性能。

研究创新性地将传统硼矿应用与3D打印技术相结合，开辟了天然矿物在功能材料领域的应用新路径。Colemanite的添加不仅显著提升γ射线衰减能力（在356 keV时，5%添加量试样μ值达0.0392 cm?1，较空白组提升28.4%），更实现了材料性能的协同优化。通过调节Colemanite含量，可在辐射屏蔽效能与材料力学性能之间实现精准平衡，满足不同应用场景的需求。这种基于可再生资源的复合材料制备技术，为解决传统辐射屏蔽材料的环境问题提供了新思路。

该研究成果在多个领域具有潜在应用价值：在医疗领域，可开发出兼具影像屏蔽与生物相容性的手术器械固定结构；在工业探伤中，可制成可定制形状的轻量化屏蔽罩；在核废料处理方面，其生物降解特性有助于减少最终处置成本。未来研究可进一步探索Colemanite与其他功能填料的协同效应，优化DLP打印参数与材料性能的对应关系，推动该技术向产业化应用转化。

当前研究仍存在若干技术难点需要突破。首先，Colemanite的表面改性技术尚不完善，存在团聚倾向，需开发新型分散剂或表面处理工艺。其次，材料长期辐照下的性能退化机制尚未明确，建议建立加速老化测试模型。此外，实际应用中需解决大尺寸打印时的层间结合强度问题，可尝试引入梯度填充结构设计。这些研究方向将为后续工作提供重要参考。

总体而言，本研究通过系统研究Colemanite在DLP 3D打印复合材料的性能机制，证实了天然矿物在辐射屏蔽领域的应用可行性。其成果不仅为开发新型环保屏蔽材料提供了实验数据支持，更为生物基功能材料的多尺度结构设计奠定了理论基础。该技术路线的探索，对推动可持续发展理念在材料科学领域的实践具有重要示范意义。