Электронно-лучевая обработка - Electron-beam processing
Электронно-лучевая обработка или электронное облучение (EBI) - это процесс, который включает использование электронов, обычно высокой энергии, для обработки объекта в различных целях. Это может происходить при повышенных температурах и в атмосфере азота. Возможные применения электронного облучения включают стерилизацию и сшивание полимеров.
Энергия электронов обычно варьируется от кэВ до МэВ в зависимости от необходимой глубины проникновения. Доза облучения обычно измеряется в серых тонах, но также и в Мрад ( 1 Гр эквивалентен 100 рад ).
Основные компоненты типичного устройства обработки электронного луча включают в себя: электронную пушку (состоящую из катода, сетки и анода), используемую для генерации и ускорения первичного луча; и магнитно-оптическая (фокусирующая и отклоняющая) система, используемая для управления способом, которым электронный луч падает на обрабатываемый материал («заготовку»). Во время работы катод пушки является источником термически испускаемых электронов, которые одновременно ускоряются и формируются в коллимированный пучок за счет геометрии электростатического поля, установленной используемой конфигурацией электрода пушки (решетки и анода). Затем электронный пучок выходит из узла пушки через выходное отверстие в аноде с заземляющим слоем с энергией, равной значению отрицательного высокого напряжения (рабочее напряжение пушки), приложенного к катоду. Такое использование постоянного высокого напряжения для создания пучка электронов высокой энергии позволяет преобразовывать входную электрическую мощность в мощность пучка с эффективностью более 95%, что делает обработку материалов электронным пучком высоко энергоэффективной. После выхода из пистолета луч проходит через систему электромагнитных линз и отклоняющих катушек. Линза используется для создания сфокусированного или расфокусированного пятна луча на заготовке, в то время как отклоняющая катушка используется для позиционирования пятна луча в неподвижном месте или обеспечения некоторой формы колебательного движения.
В полимерах электронный луч может быть использован на материале, чтобы вызвать такие эффекты, как разрыв цепи (что делает полимерную цепь короче) и сшивание . В результате меняются свойства полимера, что позволяет расширить область применения материала. Эффекты облучения могут также включать изменения кристалличности , а также микроструктуры . Обычно в процессе облучения полимер разрушается . Облученные полимеры иногда можно охарактеризовать с помощью DSC , XRD , FTIR или SEM .
В сополимерах поливинилиденфторид-трифторэтилен облучение высокоэнергетическими электронами снижает энергетический барьер для фазового перехода сегнетоэлектрик-параэлектрический и снижает потери на поляризационный гистерезис в материале.
Электронно-лучевая обработка включает облучение (обработку) изделий с помощью ускорителя электронным пучком высокой энергии . В ускорителях электронного пучка используется двухпозиционная технология, общая конструкция аналогична электронно-лучевому телевидению.
Электронно-лучевая обработка используется в промышленности в основном для трех модификаций изделий:
- Сшивание продуктов на основе полимеров для улучшения механических, термических, химических и других свойств,
- Деградация материала, часто используемая при переработке материалов,
- Стерилизация медицинских и фармацевтических товаров.
Нанотехнологии - одна из самых быстрорастущих новых областей науки и техники. Радиация - средство раннего применения в этой области; расположение атомов и ионов выполнялось с помощью ионных или электронных пучков в течение многих лет. Новые приложения касаются синтеза нанокластеров и нанокомпозитов.
Сшивание
Сшивание полимеров посредством обработки электронного пучка изменяет термопластичный материал в термореактивный . Когда полимеры сшиваются, движение молекул сильно затрудняется, что делает полимер устойчивым к нагреванию. Это соединение молекул является источником всех преимуществ сшивания, включая улучшение следующих свойств:
- Термический: устойчивость к температуре, старению, низкотемпературному воздействию и др.
- Механические: прочность на разрыв , модуль упругости, сопротивление истиранию, номинальное давление, сопротивление ползучести и т. Д.
- Химические: сопротивление растрескиванию под напряжением и т. Д.
- Другое: свойства памяти термоусадки , положительный температурный коэффициент и т. Д.
Сшивание - это соединение соседних длинных молекул сеткой связей, вызванное химической обработкой или обработкой электронным пучком. Электронно-лучевая обработка термопластического материала приводит к ряду улучшений, таких как повышение прочности на разрыв и устойчивости к истиранию, растрескиванию под напряжением и растворителям. Замены суставов, такие как колени и бедра, производятся из сшитого сверхвысокомолекулярного полиэтилена из-за превосходных характеристик износа благодаря обширным исследованиям.
Полимеры, обычно сшиваемые с использованием процесса облучения электронным пучком, включают поливинилхлорид ( ПВХ ), термопластичные полиуретаны и эластомеры (TPU), полибутилентерефталат (PBT), полиамиды / нейлон (PA66, PA6 , PA11, PA12), поливинилиденфторид ( PVDF ), полиметилпентен (PMP), полиэтилены ( LLDPE , LDPE , MDPE, HDPE, UHMW PE) и сополимеры этилена, такие как этилен-винилацетат (EVA) и этилентетрафторэтилен (ETFE). В некоторых полимерах используются добавки, которые делают полимер более легко сшиваемым под действием облучения.
Примером сшитой электронным лучом части является соединитель из полиамида, разработанный, чтобы выдерживать более высокие температуры, необходимые для пайки бессвинцовым припоем, требуемым инициативой RoHS.
Трубопроводы из сшитого полиэтилена, называемые PEX, обычно используются в качестве альтернативы медным трубам для водопроводов в новом жилищном строительстве. Трубопроводы из PEX долговечнее меди и по своим эксплуатационным характеристикам превосходят медь по многим параметрам.
Пену также производят с помощью электронно-лучевой обработки для получения высококачественного, мелкоячеистого, эстетичного продукта.
Разветвление с длинной цепью
Гранулы смолы, используемые для производства пены и термоформованных деталей, можно обрабатывать электронным лучом до более низкого уровня дозы, чем при сшивании и гелеобразовании. Эти гранулы смолы, такой как полипропилен и полиэтилен, можно использовать для создания пен с более низкой плотностью и других деталей, поскольку «прочность расплава» полимера увеличивается.
Разрыв цепи
Разрыв цепи или деградация полимера также может быть достигнута с помощью электронно-лучевой обработки. Воздействие электронного луча может вызвать деградацию полимеров, разрыв цепей и, следовательно, снижение молекулярной массы . Эффект разрыва цепи, наблюдаемый в политетрафторэтилене (ПТФЭ), был использован для создания тонких микропорошков из лома или некондиционных материалов.
Разрыв цепи - это разрыв молекулярных цепей с образованием требуемых молекулярных субъединиц из цепи. Электронно-лучевая обработка обеспечивает разрыв цепи без использования агрессивных химикатов, обычно используемых для инициирования разрыва цепи.
Примером этого процесса является разрушение целлюлозных волокон, извлеченных из древесины, с целью укорачивать молекулы, тем самым производя сырье, которое затем можно использовать для производства биоразлагаемых моющих средств и заменителей диетической пищи.
«Тефлон» (ПТФЭ) также обрабатывается электронным лучом, что позволяет измельчать его до мелкого порошка для использования в чернилах и в качестве покрытий для автомобильной промышленности.
Микробиологическая стерилизация
Электронно-лучевая обработка имеет способность разрывать цепочки ДНК в живых организмах, таких как бактерии, что приводит к гибели микробов и делает пространство, в котором они обитают, стерильным. Электронно-лучевая обработка использовалась для стерилизации медицинских изделий и асептических упаковочных материалов для пищевых продуктов, а также для дезинсекции, уничтожения живых насекомых из зерна, табака и других необработанных сыпучих культур.
Стерилизация электронами имеет значительные преимущества перед другими методами стерилизации, которые используются в настоящее время. Этот процесс быстрый, надежный, совместим с большинством материалов и не требует карантина после обработки. Для некоторых материалов и продуктов, чувствительных к окислительному воздействию, уровни радиационной стойкости для электронно-лучевого облучения могут быть немного выше, чем для гамма-облучения. Это происходит из-за более высоких мощностей дозы и более короткого времени воздействия электронного пучка, которые, как было показано, снижают разрушающее действие кислорода.