《Chemical Engineering Journal》：Radiation-enabled graft-assisted design of multifunctional EVA/BiOI/polypyrrole composites for EMI and X-ray twin shielding
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Sakshey Mittal | Arijit Ghoshal | Nitin Gumber | Anant Mitra | R.K. Mondal | K.A. Dubey | Y.K. Bhardwaj
印度孟买Homi Bhabha国家研究所，400094
摘要
设计轻
Sakshey Mittal | Arijit Ghoshal | Nitin Gumber | Anant Mitra | R.K. Mondal | K.A. Dubey | Y.K. Bhardwaj
印度孟买Homi Bhabha国家研究所，400094
摘要
设计轻质、柔性的聚合物材料，同时抑制电磁干扰并减弱电离辐射，仍然是材料工程领域尚未解决的问题。在本研究中，采用辐射辅助接枝策略，将乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）和氧化碘化铋（BiOI）基复合材料与聚吡咯（PPy）在单一功能结构中层次化合成。γ射线诱导的丙烯酸接枝形成了化学活性界面，使得PPy在EVA/BiOI基质中均匀原位聚合，并实现了强界面锚定。所得复合材料在X波段（8.2–12.4 GHz）表现出高电导率和稳定的电磁干扰（EMI）屏蔽性能，总平均屏蔽效果超过30 dB，这正是战略应用所追求的。在宽能量范围（30–250 keV）进行的X射线衰减研究表明，加入BiOI后衰减能力显著增强，15 phr BiOI负载时30 keV下的线性衰减系数达到0.360 mm?1。尽管PPy的改性导致衰减能力略有降低（主要是由于有效原子数减少），但复合材料仍保持了有效的辐射不透明性，并获得了电学性能和机械柔韧性。高Z值辐射不透明填料与辐射接枝导电聚合物网络的协同作用，为开发多功能屏蔽材料提供了一个可扩展且多用途的平台，这些材料与先进电子、医学诊断和电磁安全技术相关。
引言
随着核技术、医学成像、航空航天系统、高功率电子和国防应用的快速发展，对能够同时抵御电磁干扰（EMI）和高能电离辐射（如X射线和伽马射线）的材料的的需求日益增加[1]，[2]。传统上，EMI屏蔽和电离辐射屏蔽是分开处理的，这导致系统复杂性、重量、体积和成本增加。开发能够同时减弱这两种辐射的多功能屏蔽材料提供了一种技术上高效且经济上可行的替代方案。EMI屏蔽对于保护敏感电子元件免受电磁噪声影响、确保信号完整性和设备可靠性以及符合电磁兼容性（EMC）标准至关重要。同时，高能X射线和伽马射线的暴露对电子系统（通过辐射引起的退化和故障）和人类健康构成严重风险[3]，[4]。在核设施、粒子加速器、太空平台、医疗放射治疗单元和高空航空电子设备等环境中，这两种辐射通常共存，因此双功能屏蔽变得不可或缺。
能够减弱高能光子的材料通常依赖于高原子数（Z）成分来实现有效的光电吸收、康普顿散射和电子对产生机制[5]，[6]，而有效的EMI屏蔽则需要导电和/或以介电损耗为主的网络来反射和吸收电磁波。将这些功能整合到单一材料系统中，例如含有导电填料的聚合物复合材料中，通过接枝诱导的界面修饰和辐射衰减添加剂，可以实现紧凑、轻便且柔性的屏蔽解决方案，同时不牺牲机械完整性[7]，[8]，[9]，[10]。
随着对减重、柔韧性、耐腐蚀性和可持续性的日益重视，特别是在航空航天、便携式医疗设备、可穿戴辐射防护系统和辐射防护眼镜等领域[11]，[12]，这类多功能材料的重要性进一步凸显。高能辐射显著促进了先进多功能聚合物复合材料的可持续发展，例如通过伽马辐照和电子束处理，提高了机械强度、热稳定性和界面结合力，而无需有害化学添加剂或能耗高的工艺[8]，[13]。特别是经过辐射处理的聚合物复合材料通过改善填料分散性、增强界面结合力和可调的电学及屏蔽性能提供了额外的优势。此外，开发能够同时提供EMI和高能X射线/伽马射线屏蔽的材料对于在恶劣辐射和电磁环境中运行的下一代技术至关重要。这些材料不仅提高了安全性和可靠性，还有助于系统小型化、性能优化和长期运行稳定性，对先进的科学、工业和国防应用具有战略意义。
此外，像DLP 3D打印和熔融丝制造（FFF）这样的先进技术被用于合成含有高Z值填料的聚合物复合材料，用于许多辐射屏蔽研究[12]，[14]，[15]。最近，更多环保的方法，如基于生物的光聚合物，也被用于开发此类辐射屏蔽聚合物复合材料，结合了3D打印等先进技术[6]，[16]。Eken等人开发了一种基于生物的光聚合物，并使用3D打印技术制备了高达1.33 MeV的伽马屏蔽材料[17]。所有这些研究都强调了基于聚合物的环保和可持续辐射屏蔽材料的潜力。
只有少数研究尝试同时针对EMI屏蔽和电离辐射衰减。例如，Akman等人开发了一种含有不同比例铌的聚合物复合材料，实现了约14 dB的EMI屏蔽效果（SE），同时也展示了伽马射线的衰减能力。类似地，Dhand等人报道了玄武岩纤维/碳纳米管（CNT）/环氧树脂复合材料，提供了约30.4 dB的EMI SE以及X射线屏蔽效果；然而，这需要高达40 wt%的CNT负载，限制了其实际应用性。这些研究凸显了高效双功能系统的稀缺性[1]，[2]。
基于铋的化合物，特别是氧化碘化铋（BiOI），因其铋和碘的高原子数而成为有效的辐射不透明剂，从而提高了X射线的衰减效率[18]，[19]，[20]。由于EVA（乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物）具有成本效益、易于加工、良好的机械性能和相对较好的辐射稳定性，被选为基体基质。将BiOI与导电聚合物（如PPy）结合，为创建既能抑制EMI又能阻挡电离辐射的双功能材料提供了有希望的途径。尽管这种辐射工程化的多功能策略具有潜力，但尚未得到充分探索。在这方面，我们最近的工作引入了辐射功能化的丙烯酸接枝EVA/BiOI复合材料，其中接枝的EVA基质促进了聚吡咯（PPy）的原位形成。这种设计使PPy成为EMI屏蔽的主要贡献者，而BiOI由于其高原子数确保了有效的X射线衰减。所得的EVA/BiOI/AA/PPy复合材料在X波段（8–12 GHz）实现了约34 dB的EMI SE，同时在30–120 keV范围内表现出有效的X射线衰减，凸显了它们作为轻质、无铅、双功能屏蔽材料的潜力。基于这些见解，本研究进一步研究了含有BiOI的导电EVA材料，重点优化BiOI浓度，评估辐射诱导接枝的效果，并促进PPy的形成，以实现增强的EMI屏蔽效率，同时展示其辐射不透明性。
章节摘录
材料
从印度LG Chemicals购买的EVA共聚物，醋酸乙烯酯含量为25%，熔体流动指数为19 g/10 min（在190°C和2.56 kg条件下）。吡咯（纯度99%）单体从印度SRL Pvt. Ltd.购买。五水合硝酸铋[Bi(NO3)3·5H2O]、98%的碘化钾（KI，99%）、丙烯酸（AA）单体、莫尔盐、硫酸以及所有其他分析级化学品均从Merck采购。使用前未对这些材料进行进一步纯化。
在固定辐射剂量15 kGy的条件下，根据我们之前的研究[21]，研究了丙烯酸（AA）在EVA和EVA/BiOI（EB）复合材料上的接枝率（GY）。EVA在15 kGy时的接枝率为39.62 ± 2.8%（表1）。相比之下，在相同条件下，EB10（10 phr BiOI负载）和EB15（15 phr BiOI负载）复合材料的接枝率分别为33.82 ± 1.62%和31.73 ± 1.15%（表1）。
EMI屏蔽
评估了原始EVA、其BiOI复合材料及其PPy功能化类似物在X波段（8.2–12.4 GHz）区域衰减入射辐射的电磁干扰（EMI）屏蔽效果（SE）。与其绝缘性质一致，原始EVA的屏蔽能力几乎可以忽略不计，SET仅限于约1.5 dB。单独加入BiOI仅带来了轻微的改进，EB15的SET值为约2.18 dB，
不同能量下的线性衰减系数
首先通过放射变色成像在30至250 keV的光子能量范围内检查了EB复合材料及其辐射改性的PPy类似物的X射线屏蔽性能（图7A）。纯净的EVA薄膜在所有能量下几乎透明，证实了它们有限的光子相互作用能力。相比之下，EB复合材料及其PPy类似物在30 keV时产生了明显的暗圆斑点，反映了强烈的光子吸收
结论
在本研究中，采用辐射辅助接枝策略构建了将电导率和电离辐射衰减集成在单一柔性平台中的EVA基复合材料。γ射线诱导的丙烯酸接枝实现了EVA基质、BiOI填料和聚吡咯之间的强界面耦合，有效稳定了导电网络，并防止了机械应力下的涂层分层。
CRediT作者贡献声明
Sakshey Mittal：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理。Arijit Ghoshal：方法论、研究、正式分析、数据管理。Nitin Gumber：方法论、研究、正式分析、数据管理。Anant Mitra：方法论、研究、正式分析、数据管理。R.K. Mondal：撰写——原始草稿、验证、监督、方法论、正式分析、概念化。K.A. Dubey：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
