《Applied Radiation and Isotopes》：Development and Experimental Investigation of Lead-Free PMMA/Bi
2O
3 Nanocomposites for Gamma Radiation Shielding Applications
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通过溶液铸造法成功制备了PMMA/Bi2O3:SiO2纳米复合材料。
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随着Bi2O3:SiO2含量的增加（从5%到25%），观察到了其形态、结构、光学和辐射屏蔽性能的变化。
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FTIR光谱显示PMMA与Bi2O3:SiO2之间存在物理相互作用。
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通过溶液铸造法成功制备了PMMA/Bi2O3:SiO2纳米复合材料。
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随着Bi2O3:SiO2含量的增加（从5%到25%），观察到了其形态、结构、光学和辐射屏蔽性能的变化。
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FTIR光谱显示PMMA与Bi2O3:SiO2之间存在物理相互作用。
引言
农业、工业和医疗领域只是众多经常使用辐射的领域和行业中的一部分。然而，长期暴露于辐射会对健康造成重大危害。专门研究辐射屏蔽材料的研究人员致力于开发能够降低人类健康风险并防范放射性元素长期影响的安全材料[1]、[2]。历史上，辐射屏蔽主要依靠混凝土、合金、铅和陶瓷等材料来实现。尽管这些材料价格便宜且可塑性强，但它们也有一些缺点。例如，混凝土不透明，铺设需要大量空间；此外，长期暴露于辐射下会导致其密度下降、机械强度降低并变得更加脆弱。常用的铅基屏蔽材料对环境和人体健康都有不良影响，因此在使用时必须特别注意卫生问题[3]、[4]。
在辐射屏蔽应用中，纳米复合材料由于重量轻、体积小且更具柔韧性而优于传统材料。它们在衰减辐射方面也更高效，尤其是加入铋硅纳米颗粒后，其屏蔽性能得到进一步提升[5]、[6]、[47]。X光室的窗户和门可以使用专门的纳米复合材料制造，以便在暴露过程中进行观察和检查[7]、[8]、[48]。
尽管最近的研究表明，通过调整纳米复合材料和玻璃基屏蔽材料的成分和颗粒大小可以显著提高辐射衰减效果[44]、[45]、[46]，但热塑性聚合物的一个优点是它们可以重新塑形，从而可以通过三维打印、注塑成型和热成型等方法制造复杂的几何结构[10]、[49]。然而，它们对化学物质和热量的抵抗力较弱。热固性材料在固化过程中会形成不可逆的聚合物分子网络结构[11]、[50]，这使它们具有出色的耐化学性、耐热性和耐磨性。相比之下，热塑性材料由于可反复加热和冷却而能够形成复杂形状，但通常需要添加填料来提升性能[12]、[51]。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一种广泛使用的热塑性聚合物，因其高透明度和优异的光学性能常用于制造透明部件（如显示面板和光学透镜）[13]、[14]，同时也在医疗领域（如牙科材料和骨水泥）中有广泛应用[13]、[14]、[52]。
多种制备技术，包括溶液铸造和熔融混合，在生产具有优良物理化学性质的聚合物纳米复合材料中发挥着关键作用。先进的测试方法（如傅里叶变换红外光谱）对于理解和改善纳米复合材料内部的结构键合至关重要。这些方法有助于定制材料性能，并凸显其在辐射屏蔽领域的潜在应用[15]、[16]、[53]。
本研究采用了不同二氧化硅浓度的PMMA/Bi2O3:SiO2组合，制备了高效的辐射屏蔽纳米复合薄膜。详细研究了这些材料的光学和结构特性。通过线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、第十值层（TVL）、半值层（HVL）、辐射防护效率（RPE）和平均自由路径（MFP）评估了其屏蔽性能。此外，该材料表现出独特的优点：结合了优异的透明度、更好的伽马射线衰减效果以及更高的结构稳定性。与单一氧化物聚合物复合材料或重金属基材料相比，Bi2O3:SiO2改性的PMMA体系利用了强纳米颗粒-基体界面相互作用，增强了密度依赖的衰减效果，同时保持了薄膜的柔韧性和透明度。这类材料适用于医疗辐射防护、核设施和需要轻质屏蔽的空间应用。
章节摘录
PMMA/纳米复合材料的合成
通过将3.75克PMMA（C5H8O2）在30毫升氯仿（CHCl3）中加热一整天（使用磁力搅拌器）来制备PMMA[17]。然后逐步向溶解的PMMA中加入5%、10%、15%、20%和25%（按重量计）的二氧化硅。使用磁力搅拌器将5%、10%、15%、20%和25%的混合物与10毫升氯仿混合一个小时，之后再将每种浓度与30毫升PMMA溶液混合。
PMMA/BI2O3:SiO2的密度
样品的密度（ρ）根据公式（2）确定。如表1所示，计算出的样品密度值与其填料含量一起呈现。通常，向聚合物基体中添加纳米填料会增加密度。所得数值表明材料可能不够致密，可能存在微小孔隙。这可以通过SEM图像证实，如图4所示，图像中可以看到许多小点。
结论
本研究通过溶液铸造法成功制备了无铅PMMA/Bi2O3:SiO2纳米复合材料，并展示了其增强的光学和伽马辐射屏蔽性能。随着填料含量的增加，密度从纯PMMA的2.729克/厘米3升高到25%填料时的3.631克/厘米3，这与辐射-物质相互作用理论相符。线性衰减系数（LAC）随填料含量的增加而显著提高，在60 keV时达到0.812厘米?1（对于PMMA/25%Bi2O3:SiO2混合物）。
CRediT作者贡献声明
AML AIED ALMUTERY： 文章撰写及审稿编辑，原始草稿撰写。Mohd Khalid Matori： 验证。Chia Chin Hua： 实验研究。Siti Selina Abdul Hamid： 方法设计。Wan Nordiana Rahman： 监督指导。Faizal Mohamed： 实验研究。AML AIED ALMUTERY：文章撰写
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的实验结果。
阿姆尔·艾德·阿尔穆特里（Aml Aied Almutery）|万·诺迪安娜·拉赫曼（Wan Nordiana Rahman）|法伊扎尔·穆罕默德（Faizal Mohamed）|吉娅·钦·华（Chia Chin Hua）|西蒂·塞丽娜·阿卜杜勒·哈米德（Siti Selina Abdul Hamid）|莫赫德·卡利德·马托里（Mohd Khalid Matori）
