Elektronstrålebehandling - Electron-beam processing

For elektronstråle, se Katodestråle .

Elektron-stråle-behandling eller elektronbestråling (EBI) er en prosess som involverer anvendelse av elektroner, vanligvis av høy energi, for å behandle en gjenstand for en rekke formål. Dette kan skje under forhøyede temperaturer og nitrogenatmosfære. Mulige bruksområder for elektronbestråling inkluderer sterilisering og tverrbinding av polymerer.

Elektronenergier varierer vanligvis fra keV til MeV- området, avhengig av den nødvendige penetrasjonsdybden. Bestrålingsdosen måles vanligvis i gråtoner, men også i Mrads ( 1 Gy tilsvarer 100 rad ).

De grunnleggende komponentene i en typisk elektronstrålebehandlingsenhet inkluderer: en elektronpistol (bestående av en katode, rutenett og anode), som brukes til å generere og akselerere primærstrålen; og et magnetisk optisk (fokuserings- og avbøyningssystem), som brukes til å kontrollere måten elektronstrålen påvirker materialet som behandles ("arbeidsstykket"). I drift er pistolkatoden kilden til termisk utsendte elektroner som både akselereres og formes til en kollimert stråle ved hjelp av den elektrostatiske feltgeometrien som er etablert av konfigurasjonen av pistolelektroden (rutenett og anode). Elektronstrålen kommer deretter ut fra pistolenheten gjennom et utgangshull i jordplananoden med en energi lik verdien av den negative høyspenningen (pistolens driftsspenning) som påføres katoden. Denne bruken av en direkte høyspenning for å produsere en høyenergi elektronstråle tillater konvertering av inngangseffekt til stråleeffekt med mer enn 95% effektivitet, noe som gjør behandling av elektronstråle materiale til en svært energieffektiv teknikk. Etter at du har gått ut av pistolen, passerer strålen gjennom et elektromagnetisk linse- og avbøyningsspiralsystem. Linsen brukes til å produsere enten en fokusert eller defokusert strålepunkt på arbeidsstykket, mens avbøyningsspolen brukes til å enten plassere strålepunktet på et stasjonært sted eller gi en eller annen form for oscillerende bevegelse.

I polymerer kan en elektronstråle brukes på materialet for å indusere effekter som kjedesplissing (som gjør polymerkjeden kortere) og tverrbinding . Resultatet er en endring i egenskapene til polymeren, som er ment å utvide bruksområdet for materialet. Effekten av bestråling kan også omfatte endringer i krystallinitet , så vel som mikrostruktur . Vanligvis nedbryter bestrålingsprosessen polymeren . De bestrålte polymerene kan noen ganger karakteriseres ved bruk av DSC , XRD , FTIR eller SEM .

I poly (vinylidenfluorid-trifluoretylen) kopolymerer senker høyenergi elektronbestråling energibarrieren for den ferroelektriske-paraelektriske faseovergangen og reduserer polarisasjonshysteresetap i materialet.

Elektronstrålebehandling innebærer bestråling (behandling) av produkter ved hjelp av en høyenergi elektronstråleakselerator . Elektronstråleakseleratorer bruker en av-på-teknologi, med en felles design som ligner på en katodestråle- TV.

Elektronstrålebehandling brukes i industrien primært til tre produktendringer:

  • Tverrbinding av polymerbaserte produkter for å forbedre mekaniske, termiske, kjemiske og andre egenskaper,
  • Materiell nedbrytning ofte brukt i gjenvinning av materialer,
  • Sterilisering av medisinske og farmasøytiske varer.

Nanoteknologi er et av de raskest voksende nye områdene innen vitenskap og ingeniørfag. Stråling er et tidlig anvendt verktøy i dette området; arrangement av atomer og ioner har blitt utført ved hjelp av ion- eller elektronstråler i mange år. Nye applikasjoner gjelder syntese av nanokluster og nanokompositter.

Tverrbinding

Den tverrbinding av polymerer gjennom elektronstråle behandling endrer et termoplastisk materiale inn i en herdeplast . Når polymerer er tverrbundet, hindres den molekylære bevegelsen sterkt, noe som gjør polymeren stabil mot varme. Denne sammenkoblingen av molekyler er opprinnelsen til alle fordelene ved tverrbinding, inkludert forbedring av følgende egenskaper:

Tverrbinding er sammenkoblingen av tilstøtende lange molekyler med bindingsnettverk indusert ved kjemisk behandling eller elektronstrålebehandling. Elektronstrålebehandling av termoplastisk materiale resulterer i en rekke forbedringer, slik som en økning i strekkfasthet og motstand mot slitasje, spenningssprengning og løsningsmidler. Leddutskiftninger som knær og hofter blir produsert av tverrbundet polyetylen med høy høy molekylvekt på grunn av de utmerkede slitasjegenskapene på grunn av omfattende forskning.

Polymerer som ofte er tverrbundet ved bruk av elektronstrålebestrålingsprosessen inkluderer polyvinylklorid ( PVC ), termoplastiske polyuretaner og elastomerer (TPUer), polybutylentereftalat (PBT), polyamider / nylon (PA66, PA6 , PA11, PA12), polyvinylidenfluorid ( PVDF ), polymetylpenten (PMP), polyetylener ( LLDPE , LDPE , MDPE, HDPE, UHMW PE), og etylenkopolymerer som etylenvinylacetat (EVA) og etylentetrafluoretylen (ETFE). Noen av polymerene bruker tilsetningsstoffer for å gjøre polymeren lettere bestrålingstverrbindbar.

Et eksempel på en tverrbundet del av elektronstrålen er kobling laget av polyamid, designet for å motstå de høyere temperaturene som trengs for lodding med den blyfrie loddetinn som kreves av RoHS-initiativet.

Tverrbundet polyetylenrør kalt PEX brukes ofte som et alternativ til kobberrør for vannledninger i nyere hjemmekonstruksjon. PEX-rør vil overleve kobber og har ytelsesegenskaper som er overlegne kobber på mange måter.

Skum produseres også ved hjelp av elektronstrålebehandling for å produsere høykvalitets, fincellet, estetisk tiltalende produkt.

Langkjedet forgrening

Harpikspellets som brukes til å produsere skummet og termoformede deler kan behandles med elektronstråle til et lavere doseringsnivå enn når tverrbinding og geler forekommer. Disse harpikspellets, slik som polypropylen og polyetylen, kan brukes til å lage skum med lavere tetthet og andre deler, siden polymerens "smeltestyrke" økes.

Kjedesplissing

Kjedesnitting eller polymernedbrytning kan også oppnås ved behandling av elektronstråler. Effekten av elektronstrålen kan forårsake nedbrytning av polymerer, bryte kjeder og redusere molekylvekten . Kjedesplissingseffektene som er observert i polytetrafluoretylen (PTFE) har blitt brukt til å lage fine mikropulver av skrap eller materialer som ikke er i kvalitet.

Kjedesnitt er å bryte fra hverandre for å produsere nødvendige molekylære underenheter fra kjeden. Elektronstrålebehandling gir kjedesplissing uten bruk av sterke kjemikalier som vanligvis brukes til å initiere kjedesplissing.

Et eksempel på denne prosessen er nedbrytning av cellulosefibre ekstrahert fra tre for å forkorte molekylene, og derved produsere et råmateriale som deretter kan brukes til å produsere biologisk nedbrytbare vaskemidler og diett-materstatninger.

"Teflon" (PTFE) er også behandlet med elektronstråler, slik at den kan males til et fint pulver for bruk i blekk og som belegg for bilindustrien.

Mikrobiologisk sterilisering

Elektronstrålebehandling har evnen til å bryte DNA-kjedene i levende organismer, for eksempel bakterier, noe som resulterer i mikrobiell død og gjør rommet de bor sterile. E-strålebehandling har blitt brukt til sterilisering av medisinske produkter og aseptiske emballasjematerialer for matvarer, samt desinfisering, eliminering av levende insekter fra korn, tobakk og andre ubehandlede bulkavlinger.

Sterilisering med elektroner har betydelige fordeler i forhold til andre steriliseringsmetoder som for tiden er i bruk. Prosessen er rask, pålitelig og kompatibel med de fleste materialer, og krever ingen karantene etter behandlingen. For noen materialer og produkter som er følsomme for oksidative effekter, kan strålingstoleransenivået for elektronstrålebestråling være litt høyere enn for gammaeksponering. Dette skyldes høyere dosehastigheter og kortere eksponeringstider for e-strålebestråling, som har vist seg å redusere nedbrytningseffekten av oksygen.

Merknader