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 en una 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 entre keV y MeV , dependiendo de la profundidad de penetración requerida. La dosis de irradiación se mide normalmente en grays , pero también en Mrads ( 1 Gy equivale a 100 rad ).
Los componentes básicos de un dispositivo típico de procesamiento de haz 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 sobre el material que se está procesando (la "pieza de trabajo"). En funcionamiento, el cátodo del cañón es la fuente de electrones emitidos térmicamente que se aceleran y se moldean en un haz colimado por la geometría del campo electrostático establecida por la configuración del electrodo del cañón (rejilla y ánodo) utilizada. El haz de electrones emerge entonces del conjunto del cañón 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 del cañón) que se aplica al cátodo. Este uso de un 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 de la pistola, el haz pasa a través de una lente electromagnética y un sistema de bobina deflectora. La lente se utiliza para producir un punto de haz enfocado o desenfocado sobre la pieza de trabajo, mientras que la bobina deflectora se utiliza para posicionar 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 hace que la cadena del polímero sea más corta) y la reticulación . El resultado es un cambio en las propiedades del polímero, que tiene como objetivo ampliar el rango de aplicaciones del material. Los efectos de la irradiación también pueden incluir cambios en la cristalinidad , así como en la microestructura . Por lo general, el proceso de irradiación degrada el polímero . Los polímeros irradiados a veces se pueden caracterizar utilizando 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 mediante 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 áreas de mayor crecimiento en la ciencia y la ingeniería. La radiación es una de las primeras herramientas aplicadas en esta área; la disposición de átomos e iones se ha realizado utilizando haces de iones o electrones durante muchos años. Las nuevas aplicaciones se refieren a la síntesis de nanoagrupaciones y nanocompuestos. [5]
La reticulación de polímeros mediante un proceso de haz de electrones transforma un material termoplástico en un termoendurecible . [2] [6] Cuando se reticulan polímeros, el movimiento molecular se ve gravemente impedido, lo que hace que el polímero sea estable frente al calor. Esta unión de moléculas es el origen de todos los beneficios de la reticulación, 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 con haz de electrones de material termoplástico da como resultado una serie de mejoras, como un aumento de la resistencia a la tracción y la resistencia a la abrasión, al agrietamiento por tensión y a los disolventes. Los reemplazos de articulaciones, como las rodillas y las caderas, se están fabricando a partir de polietileno de peso molecular ultraalto reticulado debido a las excelentes características de desgaste resultantes de una amplia investigación. [8]
Los polímeros que se reticulan comúnmente mediante el proceso de irradiación con haz de electrones incluyen cloruro de polivinilo ( PVC ), poliuretanos termoplásticos y elastómeros (TPU), tereftalato de polibutileno (PBT), poliamidas / nailon (PA66, PA6 , PA11, PA12), fluoruro de polivinilideno ( PVDF ), polimetilpenteno (PMP), polietilenos ( LLDPE , LDPE , MDPE, HDPE, UHMW PE) y copolímeros de etileno 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 una 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 las líneas de agua en las construcciones de viviendas nuevas. Las tuberías PEX duran más que las de cobre y tienen características de rendimiento superiores a las de este último en muchos aspectos. [11]
La espuma también se produce mediante procesamiento por haz de electrones para producir un producto de alta calidad, de celdas finas y estéticamente agradable. [12] [13]
Los gránulos de resina que se utilizan 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 produce la reticulación y la formación de geles. Estos gránulos de resina, como el polipropileno y el polietileno, se pueden utilizar para crear espumas y otras piezas de menor densidad, ya que aumenta la "resistencia de fusión" del polímero. [14]
La escisión de la cadena o degradación de polímeros también se puede lograr mediante el procesamiento con haz de electrones. El efecto del haz de electrones puede causar la degradación de polímeros, rompiendo cadenas y, por lo tanto, reduciendo el peso molecular . Los efectos de escisión de la cadena observados en el politetrafluoroetileno (PTFE) se han utilizado para crear micropolvos finos a partir de desechos o materiales de baja calidad. [4]
La escisión de la cadena es la ruptura de cadenas moleculares para producir las subunidades moleculares requeridas a partir de la cadena. El procesamiento por haz de electrones permite la escisión de la cadena sin el uso de productos químicos agresivos que se utilizan habitualmente 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, obteniendo así una materia prima que luego puede utilizarse para producir detergentes biodegradables y sustitutos de alimentos dietéticos.
El "teflón" (PTFE) también se procesa con haz de electrones, lo que permite molerlo hasta convertirlo en un polvo fino para su uso 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, la eliminación de insectos vivos de cereales, tabaco y otros cultivos a granel sin procesar. [16]
La esterilización con electrones presenta ventajas significativas sobre otros métodos de esterilización que se utilizan actualmente. El proceso es rápido, fiable y compatible con la mayoría de los materiales, y no requiere ninguna cuarentena después del procesamiento. [17] En el caso de algunos materiales y productos sensibles a los efectos oxidativos, los niveles de tolerancia a la radiación para la irradiación con haces de electrones pueden ser ligeramente superiores a los de la exposición a rayos 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 han demostrado reducir los efectos degradativos del oxígeno. [18]
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