El procesamiento por haz de electrones o irradiación de electrones ( EBI ) es un proceso que implica el uso de electrones , generalmente de alta energía, para tratar un objeto con diversos fines. Esto puede tener lugar a temperaturas elevadas y atmósfera de nitrógeno. Los posibles usos de la irradiación de electrones incluyen la esterilización , la alteración de los colores de las piedras preciosas y la reticulación de polímeros .
Las energías de los electrones suelen variar desde el rango de keV a MeV , dependiendo de la profundidad de penetración requerida. La dosis de irradiación se suele medir en grises pero también en mrads ( 1 Gy equivale a 100 rad ).
Los componentes básicos de un dispositivo típico de procesamiento de haces de electrones incluyen: [1] un cañón de electrones (que consta de un cátodo, una rejilla y un ánodo), utilizado para generar y acelerar el haz primario; y un sistema óptico magnético (enfoque y deflexión), utilizado para controlar la forma en que el haz de electrones incide en el material que se procesa (la "pieza de trabajo"). En funcionamiento, el cátodo de la pistola es la fuente de electrones emitidos térmicamente que son acelerados y conformados en un haz colimado por la geometría del campo electrostático establecida por la configuración del electrodo de la pistola (rejilla y ánodo) utilizada. Luego, el haz de electrones emerge del conjunto de la pistola a través de un orificio de salida en el ánodo del plano de tierra con una energía igual al valor del alto voltaje negativo (voltaje de funcionamiento de la pistola) que se aplica al cátodo. Este uso de alto voltaje directo para producir un haz de electrones de alta energía permite la conversión de la energía eléctrica de entrada en energía del haz con una eficiencia superior al 95%, lo que hace que el procesamiento de materiales con haz de electrones sea una técnica de alta eficiencia energética. Después de salir del arma, el rayo pasa a través de una lente electromagnética y un sistema de bobina de desviación. La lente se usa para producir un punto de haz enfocado o desenfocado en la pieza de trabajo, mientras que la bobina de desviación se usa para colocar el punto de haz en una ubicación estacionaria o proporcionar alguna forma de movimiento oscilatorio.
En los polímeros, se puede utilizar un haz de electrones sobre el material para inducir efectos como la escisión de la cadena (que acorta la cadena del polímero) y la reticulación . El resultado es un cambio en las propiedades del polímero, que pretende ampliar la gama de aplicaciones del material. Los efectos de la irradiación también pueden incluir cambios en la cristalinidad , así como en la microestructura . Generalmente, el proceso de irradiación degrada el polímero . Los polímeros irradiados a veces pueden caracterizarse mediante DSC , XRD , FTIR o SEM . [2]
En los copolímeros de poli(fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno), la irradiación de electrones de alta energía reduce la barrera energética para la transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica y reduce las pérdidas por histéresis de polarización en el material. [3]
El procesamiento por haz de electrones implica la irradiación (tratamiento) de productos utilizando un acelerador de haz de electrones de alta energía . Los aceleradores de haz de electrones utilizan una tecnología de encendido y apagado, con un diseño común similar al de un televisor de rayos catódicos .
El procesamiento por haz de electrones se utiliza en la industria principalmente para tres modificaciones de productos:
La nanotecnología es una de las nuevas áreas de más rápido crecimiento en ciencia e ingeniería. La radiación es una herramienta tempranamente aplicada en esta área; La disposición de átomos e iones se realiza desde hace muchos años mediante haces de iones o electrones. Las nuevas aplicaciones se refieren a la síntesis de nanoclusters y nanocompuestos. [5]
La reticulación de polímeros mediante el procesamiento de haces de electrones convierte un material termoplástico en termoestable . [2] [6] Cuando los polímeros se reticulan, el movimiento molecular se ve gravemente impedido, lo que hace que el polímero sea estable frente al calor. Este bloqueo de moléculas es el origen de todos los beneficios del entrecruzamiento, incluida la mejora de las siguientes propiedades: [7]
La reticulación es la interconexión de moléculas largas adyacentes con redes de enlaces inducidas por un tratamiento químico o un tratamiento con haz de electrones. El procesamiento por haz de electrones de material termoplástico da como resultado una serie de mejoras, como un aumento en la resistencia a la tracción y la resistencia a la abrasión, el agrietamiento por tensión y los solventes. Los reemplazos de articulaciones como las de rodillas y caderas se fabrican a partir de polietileno reticulado de peso molecular ultraalto debido a las excelentes características de desgaste resultantes de una extensa investigación. [8]
Los polímeros comúnmente reticulados mediante el proceso de irradiación con haz de electrones incluyen cloruro de polivinilo ( PVC ), poliuretanos y elastómeros termoplásticos (TPU), tereftalato de polibutileno (PBT), poliamidas / nylon (PA66, PA6 , PA11, PA12), fluoruro de polivinilideno ( PVDF ), polimetilpenteno (PMP), polietilenos ( LLDPE , LDPE , MDPE, HDPE, UHMW PE) y copolímeros de etileno tales como etileno-acetato de vinilo (EVA) y etileno tetrafluoroetileno (ETFE). Algunos de los polímeros utilizan aditivos para hacer que el polímero sea más fácilmente reticulable por irradiación. [9]
Un ejemplo de pieza reticulada por haz de electrones es un conector hecho de poliamida, diseñado para soportar las temperaturas más altas necesarias para soldar con la soldadura sin plomo requerida por la iniciativa RoHS. [10]
Las tuberías de polietileno reticulado llamadas PEX se utilizan comúnmente como alternativa a las tuberías de cobre para líneas de agua en construcciones de viviendas más nuevas. Las tuberías PEX durarán más que el cobre y tienen características de rendimiento superiores al cobre en muchos aspectos. [11]
La espuma también se produce mediante procesamiento por haz de electrones para producir un producto estéticamente agradable, de células finas y de alta calidad. [12] [13]
Los gránulos de resina utilizados para producir la espuma y las piezas termoformadas se pueden procesar con haz de electrones a un nivel de dosis más bajo que cuando se producen reticulación y geles. Estos gránulos de resina, como el polipropileno y el polietileno, se pueden utilizar para crear espumas de menor densidad y otras piezas, a medida que aumenta la "resistencia de la fusión" del polímero. [14]
La escisión de cadenas o la degradación de polímeros también se pueden lograr mediante el procesamiento con haces de electrones. El efecto del haz de electrones puede provocar la degradación de los polímeros, rompiendo cadenas y por tanto reduciendo el peso molecular . Los efectos de escisión de cadenas observados en el politetrafluoroetileno (PTFE) se han utilizado para crear micropolvos finos a partir de desechos o materiales de mala calidad. [4]
La escisión de cadenas es la ruptura de cadenas moleculares para producir las subunidades moleculares requeridas de la cadena. El procesamiento por haz de electrones proporciona la escisión de la cadena sin el uso de productos químicos agresivos que normalmente se utilizan para iniciar la escisión de la cadena.
Un ejemplo de este proceso es la descomposición de las fibras de celulosa extraídas de la madera para acortar las moléculas, produciendo así una materia prima que luego puede usarse para producir detergentes biodegradables y sustitutos de alimentos dietéticos.
El "teflón" (PTFE) también se procesa con haz de electrones, lo que permite molerlo hasta obtener un polvo fino para utilizarlo en tintas y recubrimientos para la industria automotriz. [15]
El procesamiento por haz de electrones tiene la capacidad de romper las cadenas de ADN en organismos vivos, como las bacterias, lo que provoca la muerte microbiana y esteriliza el espacio que habitan. El procesamiento por haz de electrones se ha utilizado para la esterilización de productos médicos y materiales de envasado aséptico para alimentos, así como para la desinfestación y la eliminación de insectos vivos de cereales, tabaco y otros cultivos a granel sin procesar. [dieciséis]
La esterilización con electrones tiene importantes ventajas sobre otros métodos de esterilización actualmente en uso. El proceso es rápido, confiable y compatible con la mayoría de los materiales y no requiere ninguna cuarentena posterior al procesamiento. [17] Para algunos materiales y productos que son sensibles a los efectos oxidativos, los niveles de tolerancia a la radiación para la irradiación con haces de electrones pueden ser ligeramente más altos que para la exposición gamma. Esto se debe a las tasas de dosis más altas y los tiempos de exposición más cortos de la irradiación con haces de electrones, que se ha demostrado que reducen los efectos degradativos del oxígeno. [18]
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