Электронно-лучевая обработка
Электронно-лучевая обработка или электронное облучение ( EBI ) — это процесс, который предполагает использование электронов , обычно высокой энергии, для обработки объекта для различных целей. Это может происходить при повышенных температурах и атмосфере азота. Возможные применения электронного облучения включают стерилизацию , цвета драгоценных камней и сшивание полимеров изменение .
Энергия электронов обычно варьируется от диапазона кэВ до МэВ , в зависимости от требуемой глубины проникновения. Доза облучения обычно измеряется в греях , но также и в мрадах ( 1 Гр эквивалентен 100 рад ).
Основные компоненты типичного устройства электронно-лучевой обработки включают в себя: [1] электронная пушка (состоящая из катода, сетки и анода), используемая для генерации и ускорения первичного пучка; и магнитно-оптическая система (фокусировка и отклонение), используемая для управления тем, как электронный луч попадает на обрабатываемый материал («заготовку»). В процессе работы катод пушки является источником термически испускаемых электронов, которые одновременно ускоряются и формируются в коллимированный луч за счет геометрии электростатического поля, определяемой используемой конфигурацией электрода пушки (сетка и анод). Затем электронный луч выходит из узла пушки через выходное отверстие в заземляющем аноде с энергией, равной значению отрицательного высокого напряжения (рабочего напряжения пушки), приложенного к катоду. Такое использование постоянного высокого напряжения для создания высокоэнергетического электронного луча позволяет преобразовывать входную электрическую мощность в мощность луча с эффективностью более 95%, что делает электронно-лучевую обработку материалов высокоэнергетическим методом. После выхода из пушки луч проходит через электромагнитную линзу и систему отклоняющих катушек. Линза используется для создания сфокусированного или расфокусированного пятна луча на заготовке, а отклоняющая катушка используется либо для позиционирования пятна луча в неподвижном месте, либо для обеспечения некоторой формы колебательного движения.
В полимерах на материале можно использовать электронный луч, чтобы вызвать такие эффекты, как разрыв цепи (что делает полимерную цепь короче) и сшивание . Результатом является изменение свойств полимера, призванное расширить область применения материала. Эффекты облучения могут также включать изменения кристалличности и микроструктуры . Обычно процесс облучения разрушает полимер . Облученные полимеры иногда можно охарактеризовать с помощью DSC , XRD , FTIR или SEM . [2]
В сополимерах поли(винилиденфторид-трифторэтилен) облучение высокоэнергетическими электронами снижает энергетический барьер фазового перехода сегнетоэлектрик-параэлектрик и уменьшает поляризационные гистерезисные потери в материале. [3]
Электронно-лучевая обработка предполагает облучение (обработку) изделий с помощью высокоэнергетического ускорителя электронов . В электронно-лучевых ускорителях используется двухпозиционная технология, общая конструкция которых аналогична конструкции электронно-лучевого телевидения.
Электронно-лучевая обработка применяется в промышленности преимущественно для трех модификаций изделий:
- Сшивание изделий на основе полимеров для улучшения механических, термических, химических и других свойств,
- Деградация материалов, часто используемая при переработке материалов,
- Стерилизация медицинских и фармацевтических товаров. [4]
Нанотехнологии — одна из наиболее быстро развивающихся новых областей науки и техники. Радиация является одним из первых применяемых инструментов в этой области; Расположение атомов и ионов уже много лет осуществляется с использованием ионных или электронных пучков. Новые приложения касаются синтеза нанокластеров и нанокомпозитов. [5]
сшивание
[ редактировать ]Сшивание полимеров посредством электронно-лучевой обработки превращает термопластичный материал в термореактивный . [2] [6] Когда полимеры сшиты, молекулярное движение сильно затруднено, что делает полимер устойчивым к нагреванию. Такое соединение молекул является источником всех преимуществ сшивки, включая улучшение следующих свойств: [7]
- Термические: устойчивость к температуре, старению, низкотемпературному воздействию и т. д.
- Механические: предел прочности , модуль упругости, стойкость к истиранию, номинальное давление, сопротивление ползучести и т. д.
- Химические: устойчивость к растрескиванию под напряжением и т. д.
- Прочее: свойства памяти термоусадки , положительный температурный коэффициент и т. д.
Сшивание — это соединение соседних длинных молекул с помощью сетей связей, вызванное химической обработкой или электронно-лучевой обработкой. Электронно-лучевая обработка термопластических материалов приводит к ряду улучшений, таких как увеличение прочности на разрыв и устойчивость к истиранию, растрескиванию под напряжением и растворителям. Замены суставов, такие как колени и бедра, производятся из сшитого полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы из-за его превосходных характеристик износа, полученных в результате обширных исследований. [8]
Полимеры, обычно сшитые с помощью процесса электронно-лучевого облучения, включают поливинилхлорид ( ПВХ ), термопластичные полиуретаны и эластомеры (ТПУ), полибутилентерефталат (ПБТ), полиамиды / нейлон (ПА66, ПА6 , ПА11, ПА12), поливинилиденфторид ( ПВДФ ), полиметилпентен (PMP), полиэтилены ( LLDPE , LDPE , MDPE, HDPE, UHMW PE) и сополимеры этилена, такие как этилен-винилацетат (EVA) и этилен-тетрафторэтилен (ETFE). В некоторых полимерах используются добавки, делающие полимер более легко сшиваемым под воздействием облучения. [9]
Примером детали, сшитой электронным лучом, является разъем из полиамида, разработанный для того, чтобы выдерживать более высокие температуры, необходимые для пайки бессвинцовым припоем, требуемой инициативой RoHS. [10]
Трубы из сшитого полиэтилена, называемые PEX, обычно используются в качестве альтернативы медным трубам для водопроводов в новых домах. Трубы из полиэтилена PEX прослужат дольше меди и имеют эксплуатационные характеристики, которые во многих отношениях превосходят медь. [11]
Пену также производят с помощью электронно-лучевой обработки для получения высококачественного, мелкоячеистого, эстетически привлекательного продукта. [12] [13]
Разветвление с длинной цепью
[ редактировать ]Гранулы смолы, используемые для производства пенопласта и термоформованных деталей, могут подвергаться электронно-лучевой обработке с более низким уровнем дозы, чем при сшивании и гелеобразовании. Эти гранулы смолы, такие как полипропилен и полиэтилен, можно использовать для создания пенопластов и других деталей с более низкой плотностью, поскольку «прочность расплава» полимера увеличивается. [14]
Разрезание цепи
[ редактировать ]Разрыв цепи или деградация полимера также могут быть достигнуты посредством электронно-лучевой обработки. Воздействие электронного луча может вызвать деградацию полимеров, разрыв цепей и, следовательно, снижение молекулярной массы . Эффекты разрыва цепи, наблюдаемые в политетрафторэтилене (ПТФЭ), использовались для создания мелких микропорошков из отходов или некондиционных материалов. [4]
Разрыв цепи — это разрыв молекулярных цепей с образованием необходимых молекулярных субъединиц из цепи. Электронно-лучевая обработка обеспечивает разрыв цепи без использования агрессивных химикатов, обычно используемых для инициирования разрыва цепи.
Примером этого процесса является расщепление целлюлозных волокон, извлеченных из древесины, с целью сокращения молекул, в результате чего получается сырье, которое затем можно использовать для производства биоразлагаемых моющих средств и заменителей диетических продуктов.
«Тефлон» (ПТФЭ) также подвергается электронно-лучевой обработке, что позволяет измельчать его до мелкого порошка для использования в чернилах и покрытиях для автомобильной промышленности. [15]
Микробиологическая стерилизация
[ редактировать ]Электронно-лучевая обработка способна 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 применяется 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. [16]
Стерилизация электронами имеет значительные преимущества перед другими методами стерилизации, используемыми в настоящее время. Этот процесс быстрый, надежный, совместимый с большинством материалов и не требует карантина после обработки. [17] Для некоторых материалов и изделий, чувствительных к окислительному воздействию, уровни радиационной толерантности при электронно-лучевом облучении могут быть несколько выше, чем при гамма-облучении. Это связано с более высокими мощностями дозы и более коротким временем воздействия электронного пучка, которое, как было показано, снижает деградационное воздействие кислорода. [18]
Примечания
[ редактировать ]- ^ Хэмм, Роберт В.; Хамм, Марианна Э. (2012). Промышленные ускорители и их применение . Всемирная научная. ISBN 978-981-4307-04-8 .
- ^ Jump up to: а б Имам Мухаммад А; ДЖЕЛАНИ, ШАЙК; РАНГАРИ, ВИДЖАЯ К. (октябрь 2015 г.). «Влияние электронно-лучевого облучения на тепловые и механические свойства нанокомпозитных волокон нейлона-6, пропитанных алмазом, и углеродных нанотрубок с алмазным покрытием». Международный журнал нанонауки . 15 (1н02). Всемирная научная. дои : 10.1142/S0219581X15500313 .
- ^ Ченг, Чжун-Ян; Бхарти, В.; Май, Тиан; Сюй, Тянь-Бин; Чжан, КМ; Рамотовский, Т.; Райт, Калифорния; Тинг, Роберт (ноябрь 2000 г.). «Влияние облучения высокоэнергетическими электронами на электромеханические свойства сополимеров поли(винилиденфторид-трифторэтилен) 50/50 и 65/35». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 47 (6). Общество IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты: 1296–1307. дои : 10.1109/58.883518 . ПМИД 18238675 . S2CID 22081881 .
- ^ Jump up to: а б Блай, Дж. Х.; Электронно-лучевая обработка. Ярдли, Пенсильвания: International Information Associates, 1988.
- ^ Хмелевский, Анджей Г. (2006). «Мировые разработки в области радиационной обработки материалов в конце XXI века» (PDF) . Нуклеоника . 51 (Приложение 1). Институт ядерной химии и технологий: S3–S9.
- ^ Берейка, Энтони Дж.; Дэниел Монтони; Маршалл Р. Клеланд; Лоик Луазо (2010). «Радиационное отверждение: покрытия и композиты» (PDF) . Нуклеоника . 55 (1). Институт ядерной химии и технологий: 97–106.
- ^ «Технология» . ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛУЧ. [ нужен лучший источник ]
- ^ «Лаборатория ортопедии Харриса (HOL) - Массачусетская больница общего профиля, Бостон, Массачусетс» . Архивировано из оригинала 26 августа 2014 г. Проверено 21 августа 2014 г.
- ^ «Фторированные полимеры» . БГС.
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 августа 2014 г. Проверено 21 августа 2014 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Перекрестные ссылки» . Iotron Industries: услуги по обработке электронно-лучевой стерилизацией. Архивировано из оригинала 25 декабря 2012 г. Проверено 11 февраля 2013 г.
- ^ «Технология | Toray Plastics (Америка), Инк» . Архивировано из оригинала 26 августа 2014 г. Проверено 21 августа 2014 г.
- ^ «Электронно-лучевая обработка, электронно-лучевая обработка, сшивание пластмасс, стерилизация медицинского оборудования — Новости E-BEAM» . Архивировано из оригинала 26 августа 2014 г. Проверено 21 августа 2014 г.
- ^ http://www.ebeamservices.com/pdf/E-BEAM-Foam-Applications.pdf [ только URL-адрес PDF ]
- ^ «Разрыв цепи» . Iotron Industries: услуги по обработке электронно-лучевой стерилизацией. Архивировано из оригинала 25 декабря 2012 г. Проверено 11 февраля 2013 г.
- ^ Сингх А., Сильверман Дж., ред. Радиационная обработка полимеров . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 1992.
- ^ «Иотрон Индастриз» . Iotron Industries: услуги по обработке электронно-лучевой стерилизацией. [ нужен лучший источник ]
- ^ «Аспекты материалов: обработка облучением» (PDF) . Стеригеника. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июня 2016 г. Проверено 29 ноября 2010 г.
