Электронно-лучевая обработка - Википедия - Electron-beam processing

Для электронного луча см. Электронно-лучевая.

Электронно-лучевая обработка или же электрон облучение (EBI) это процесс, который включает использование электронов, обычно с высокой энергией, для обработки объекта в различных целях. Это может происходить при повышенных температурах и в атмосфере азота. Возможные варианты использования электронного облучения включают: стерилизация и сшивание полимеров.

Энергии электронов обычно отличаются от кэВ к МэВ диапазон, в зависимости от необходимой глубины проникновения. Доза облучения обычно измеряется в серые но и в Мрады (1 Гр эквивалентно 100 рад).

Основные компоненты типичного устройства обработки электронного луча показаны на рисунке.[1] Электронная пушка (состоящая из катода, сетки и анода) используется для генерации и ускорения первичного пучка. Магнитно-оптическая (фокусирующая и отклоняющая) система используется для управления способом, которым электронный луч падает на обрабатываемый материал («заготовку»). В процессе работы катод пушки является источником термически испускаемых электронов, которые ускоряются и формируются в коллимированный пучок за счет геометрии электростатического поля, установленной конфигурацией используемого 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 получения 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 либо для позиционирования пятна луча в неподвижном месте, либо для обеспечения некоторой формы колебательного движения.

В полимерах электронный луч может использоваться 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 в кристалличность, а также микроструктура. Обычно процесс облучения разлагает полимер. Облученные полимеры иногда можно охарактеризовать с помощью DSC, XRD, FTIR, или же SEM.[2]

В сополимерах поливинилиденфторид-трифторэтилен облучение высокоэнергетическими электронами снижает энергетический барьер для фазового перехода сегнетоэлектрик-параэлектрический и снижает потери на поляризационный гистерезис в материале.[3]

Электронно-лучевая обработка предполагает облучение (обработку) изделий с использованием высокоэнергетических электронный луч ускоритель. Электронно-лучевые ускорители используют технологию включения-выключения, общая конструкция аналогична конструкции электронно-лучевая телевидение.

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 используется при переработке материалов,
  • Стерилизация медицинских и фармацевтических товаров.[4]

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.[5]

Сшивание

В сшивание полимеров посредством электронно-лучевой обработки превращает термопластичный материал в термореактивный.[6][7] 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:[8]

  • Термический: устойчивость к температуре, старению, низкотемпературному воздействию и др.
  • Механический: предел прочности, модуль упругости, сопротивление истиранию, номинальное давление, сопротивление ползучести и т. д.
  • Химические: сопротивление растрескиванию под напряжением и т. Д.
  • Другой: термоусадка свойства памяти, положительный температурный коэффициент, так далее.

Сшивка - это соединение соседних длинных молекул сеткой связей, вызванное химической обработкой или обработкой электронным пучком. Электронно-лучевая обработка термопластического материала приводит к целому ряду улучшений, таких как повышение прочности на разрыв и устойчивости к истиранию, растрескиванию под напряжением и растворителям. Замены суставов, таких как колени и бедра, производятся из сшитых материалов. полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы благодаря отличным характеристикам износостойкости благодаря обширным исследованиям.[9]

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 (ПВДФ ), полиметилпентен (PMP), полиэтилены (ЛПЭНП, LDPE, MDPE, HDPE, UHMW PE) и сополимеры этилена, такие как этиленвинилацетат (EVA) и этилентетрафторэтилен (ЭТФЭ). В некоторых полимерах используются добавки, которые делают полимер более легко сшиваемым под действием облучения.[10]

Примером сшитой электронным пучком части является соединитель из полиамида, разработанный, чтобы выдерживать более высокие температуры, необходимые для пайки бессвинцовым припоем, требуемым инициативой RoHS.[11]

Сшитый полиэтилен Трубопровод, называемый PEX, обычно используется в качестве альтернативы медным трубам для водопровода в более новом жилищном строительстве. Трубопроводы из PEX долговечнее меди и по своим эксплуатационным характеристикам во многих отношениях превосходят медь.[12]

Пену также производят с помощью электронно-лучевой обработки для получения высококачественного, мелкоячеистого, эстетичного продукта.[13][14]

Разветвление с длинной цепью

Гранулы смолы, используемые для производства пенопласта 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.[15]

Разрыв цепи

Разрыв цепи или разложение полимера также может быть достигнута с помощью электронно-лучевой обработки. Воздействие электронного луча может вызвать деградацию полимеров, разрыв цепей и, следовательно, уменьшение молекулярный вес. Эффекты разрыва цепи, наблюдаемые в политетрафторэтилен (ПТФЭ) использовались для создания тонких микропорошков из лома или некондиционных материалов.[4]

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.[16]

Микробиологическая стерилизация

Электронно-лучевая обработка имеет способность разрывать цепи 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 стерилизация медицинских изделий и асептических упаковочных материалов для пищевых продуктов, а также обеззараживание, уничтожение живых насекомых в зерне, табаке и других необработанных насыпных культурах.[17]

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.[18] Для некоторых материалов и продуктов, чувствительных к окислительному воздействию, уровни радиационной стойкости для электронно-лучевого облучения могут быть немного выше, чем для гамма-воздействия. Это происходит из-за более высоких мощностей дозы и более короткого времени воздействия электронного пучка, которые, как было показано, снижают разрушающее действие кислорода.[19]

Примечания

  1. ^ Хамм, Роберт В .; Хамм, Марианна Э. (2012). Промышленные ускорители и их применение. World Scientific. ISBN  978-981-4307-04-8.
  2. ^ Имам, Мухаммад А; ДЖИЛАНИ, ШАИК; РАНГАРИ, ВИДЖАЯ К. (октябрь 2015 г.). «Влияние электронно-лучевого излучения на тепловые и механические свойства нанокомпозитных волокон нейлона-6, пропитанных алмазом и углеродными нанотрубками с алмазным покрытием». Международный журнал нанонауки. World Scientific. Дои:10.1142 / S0219581X15500313.
  3. ^ Чэн, Чжун-Ян; Bharti, V .; Май, Тиан; Сюй, Тянь-Бин; Zhang, Q. M .; Рамотовски, Т .; Райт, К. А .; Тинг, Роберт (ноябрь 2000 г.). "Влияние облучения электронами высоких энергий на электромеханические свойства сополимеров поливинилиденфторид-трифторэтилен 50/50 и 65/35". Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Society. 47 (6): 1296–1307. Дои:10.1109/58.883518. PMID  18238675. S2CID  22081881.
  4. ^ а б Bly, J. H .; Электронно-лучевая обработка. Ярдли, Пенсильвания: Международная информационная ассоциация, 1988.
  5. ^ Хмелевский, Анджей Г. (2006). «Мировые разработки в области радиационной обработки материалов в конце 21 века» (PDF). Нуклеоника. Институт ядерной химии и технологий. 51 (Приложение 1): S3 – S9.
  6. ^ Имам, Мухаммад А; ДЖИЛАНИ, ШАИК; РАНГАРИ, ВИДЖАЯ К. (октябрь 2015 г.). «Влияние электронно-лучевого излучения на тепловые и механические свойства нанокомпозитных волокон нейлона-6, пропитанных алмазом и углеродными нанотрубками с алмазным покрытием». Международный журнал нанонауки. World Scientific. Дои:10.1142 / S0219581X15500313.
  7. ^ Berejka, Anthony J .; Дэниел Монтони; Маршалл Р. Клеланд; Лоик Луазо (2010). «Радиационное отверждение: покрытия и композиты» (PDF). Нуклеоника. Институт ядерной химии и технологий. 55 (1): 97–106.
  8. ^ "Технологии". E-BEAM.[нужен лучший источник ]
  9. ^ http://www.massgeneral.org/research/researchlab.aspx?id=1018
  10. ^ «Фторированные полимеры». BGS.
  11. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-08-26. Получено 2014-08-21.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  12. ^ «Перекрестное связывание». Iotron Industries: Услуги по стерилизации электронным пучком. Архивировано из оригинал на 2012-12-25. Получено 2013-02-11.
  13. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-08-26. Получено 2014-08-21.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  14. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-08-26. Получено 2014-08-21.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  15. ^ http://www.ebeamservices.com/pdf/E-BEAM-Foam-Applications.pdf
  16. ^ "Разрыв цепи". Iotron Industries: Услуги по стерилизации электронным пучком. Архивировано из оригинал на 2012-12-25. Получено 2013-02-11.
  17. ^ Сингх А., Сильверман Дж., Ред. Радиационная обработка полимеров. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 1992.
  18. ^ «Иотрон Индастриз». Iotron Industries: Услуги по стерилизации электронным пучком.[нужен лучший источник ]
  19. ^ «Материальные аспекты: обработка облучением» (PDF). Стеригенные.