Procesamiento mediante haz de electrones

El procesamiento mediante haz de electrones o irradiación electrónica es un proceso que utiliza electrones , generalmente de alta energía, para tratar un objeto con diversos fines. Este proceso puede realizarse a temperaturas elevadas y en atmósfera de nitrógeno. Entre los posibles usos de la irradiación electrónica se incluyen la esterilización , la alteración del color de las piedras preciosas y la reticulación de polímeros .

Las energías de los electrones suelen variar desde el rango de keV hasta el de MeV , dependiendo de la profundidad de penetración requerida. La dosis de irradiación se suele medir en grays , pero también en Mrads ( 1 Gy equivale a 100 rad ).

Los componentes básicos de un dispositivo típico de procesamiento por haz de electrones incluyen: ^{[ 1 ]} un cañón de electrones (compuesto por un cátodo, una rejilla y un ánodo), utilizado para generar y acelerar el haz primario; y un sistema óptico magnético (de 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 caliente del cañón emite electrones que son acelerados y conformados en un haz colimado por la geometría del campo electrostático establecida por la configuración de electrodos del cañón (rejilla y ánodo). El haz de electrones emerge 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) aplicado 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 convierte al procesamiento de materiales por haz de electrones en una técnica altamente eficiente energéticamente. Tras salir del cañón, el haz atraviesa un sistema de lente electromagnética y 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 del haz en una ubicación fija o para proporcionar algún tipo de movimiento oscilatorio.

En los polímeros, se puede utilizar un haz de electrones sobre el material para inducir efectos como la ruptura de la cadena (que acorta la cadena polimérica) y la reticulación . El resultado es un cambio en las propiedades del polímero, con el fin de ampliar su gama de aplicaciones. Los efectos de la irradiación también pueden incluir cambios en la cristalinidad y la microestructura . Generalmente, el proceso de irradiación degrada el polímero . Los polímeros irradiados a veces se pueden caracterizar mediante DSC , XRD , FTIR o SEM . ^{[ 2 ]}

En los copolímeros de poli( fluoruro de vinilideno -trifluoroetileno), la irradiación con electrones de alta energía reduce la barrera de energía para la transición de fase ferroeléctrica-paraeléctrica y disminuye las pérdidas por histéresis de polarización en el material. ^{[ 3 ]}

El procesamiento mediante haz de electrones consiste en 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 mediante haz de electrones se utiliza en la industria principalmente para tres modificaciones de productos:

• Reticulación de productos a base de polímeros para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas, químicas y otras.
• La degradación de materiales se utiliza a menudo en el reciclaje de materiales.
• Esterilización de productos médicos y farmacéuticos. ^{[ 4 ]}

La nanotecnología es una de las áreas de mayor crecimiento en ciencia e ingeniería. La radiación fue una de las primeras herramientas aplicadas en este campo; la disposición de átomos e iones se ha realizado mediante haces de iones o electrones durante muchos años. Las nuevas aplicaciones se refieren a la síntesis de nanoclústeres y nanocompuestos. ^{[ 5 ]}

La reticulación de polímeros mediante procesamiento con haz de electrones transforma un material termoplástico en un 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 las moléculas es el origen de todos los beneficios de la reticulación, incluida la mejora de las siguientes propiedades: ^{[ 7 ]}

• Térmica: resistencia a la temperatura, al envejecimiento, a los impactos a bajas temperaturas, etc.
• Propiedades mecánicas: resistencia a la tracción , módulo de elasticidad, resistencia a la abrasión, capacidad de presión, resistencia a la fluencia, etc.
• Química: resistencia al agrietamiento por tensión, etc.
• Otros: propiedades de memoria termorretráctil , coeficiente de temperatura positivo , etc.

La reticulación es la interconexión de moléculas largas adyacentes mediante redes de enlaces inducidas por tratamiento químico o tratamiento con haz de electrones. El procesamiento con haz de electrones de materiales termoplásticos produce una serie de mejoras, como un aumento de la resistencia a la tracción y a la abrasión, el agrietamiento por tensión y los disolventes. Las prótesis articulares, como las de rodilla y cadera, se fabrican con polietileno de ultra alto peso molecular reticulado debido a sus excelentes características de resistencia al desgaste, resultado de una extensa investigación. ^{[ 8 ]}

Entre los polímeros que se reticulan comúnmente mediante el proceso de irradiación con haz de electrones se incluyen el cloruro de polivinilo ( PVC ), los poliuretanos y elastómeros termoplásticos (TPU), el tereftalato de polibutileno (PBT), las poliamidas / nylon (PA66, PA6 , PA11, PA12), el fluoruro de polivinilideno ( PVDF ), el polimetilpenteno (PMP), los polietilenos ( LLDPE , LDPE , MDPE, HDPE, UHMW PE) y los copolímeros de etileno, como el etileno-acetato de vinilo (EVA) y el etileno tetrafluoroetileno (ETFE). Algunos polímeros utilizan aditivos para facilitar la reticulación por irradiación. ^{[ 9 ]}

Un ejemplo de una pieza reticulada por haz de electrones es un conector fabricado con poliamida, diseñado para soportar las temperaturas más altas necesarias para la soldadura 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 la construcción de viviendas nuevas. Las tuberías de PEX duran más que el cobre y tienen características de rendimiento superiores en muchos aspectos. ^{[ 11 ]}

La espuma también se produce mediante procesamiento con haz de electrones para obtener un producto de alta calidad, de celdas finas y estéticamente agradable. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Los gránulos de resina utilizados para producir la espuma y las piezas termoformadas pueden procesarse con haz de electrones a un nivel de dosis menor que cuando se produce la reticulación y la gelificación. Estos gránulos de resina, como el polipropileno y el polietileno, pueden utilizarse para crear espumas de menor densidad y otras piezas, ya que aumenta la resistencia a la fusión del polímero. ^{[ 14 ]}

La ruptura de cadena o la 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 los polímeros, rompiendo las cadenas y, por lo tanto, reduciendo el peso molecular . Los efectos de ruptura de cadena observados en el politetrafluoroetileno (PTFE) se han utilizado para crear micropartículas finas a partir de materiales de desecho o de baja calidad. ^{[ 4 ]}

La escisión de cadena consiste en la ruptura de cadenas moleculares para producir las subunidades moleculares necesarias. El procesamiento mediante haz de electrones permite la escisión de cadena sin el uso de productos químicos agresivos, que se emplean habitualmente para iniciar este proceso.

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 utilizarse para producir detergentes biodegradables y sustitutos de alimentos dietéticos.

El "teflón" (PTFE) también se procesa mediante haz de electrones, lo que permite molerlo hasta obtener un polvo fino para su uso en tintas y como recubrimientos para la industria automotriz. ^{[ 15 ]}

El procesamiento mediante 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. Este procesamiento se ha utilizado para la esterilización de productos médicos y materiales de envasado aséptico para alimentos, así como para la desinfestación, es decir, la eliminación de insectos vivos de granos, tabaco y otros cultivos a granel sin procesar. ^{[ 16 ]}

La esterilización con electrones presenta ventajas significativas sobre otros métodos de esterilización actualmente en uso. El proceso es rápido, fiable y compatible con la mayoría de los materiales, y no requiere cuarentena posterior. ^{[ 17 ]} Para algunos materiales y productos sensibles a los efectos oxidativos, los niveles de tolerancia a la radiación para la irradiación con haz de electrones pueden ser ligeramente superiores a los de la exposición a rayos gamma. Esto se debe a las mayores tasas de dosis y los tiempos de exposición más cortos de la irradiación con haz de electrones, que han demostrado reducir los efectos degradantes del oxígeno. ^{[ 18 ]}