Elektronenstrahlbearbeitung

Die Elektronenstrahlbearbeitung oder Elektronenbestrahlung ist ein Verfahren, bei dem Elektronen , meist mit hoher Energie, zur Behandlung eines Objekts für verschiedene Zwecke eingesetzt werden. Dies kann unter erhöhten Temperaturen und Stickstoffatmosphäre erfolgen. Mögliche Anwendungsgebiete der Elektronenbestrahlung sind Sterilisation , Farbveränderung von Edelsteinen und Vernetzung von Polymeren .

Die Elektronenenergien variieren typischerweise im keV- bis MeV -Bereich, abhängig von der erforderlichen Eindringtiefe. Die Bestrahlungsdosis wird üblicherweise in Gray , aber auch in Mrad gemessen ( 1 Gy entspricht 100 rad ).

Die grundlegenden Komponenten einer typischen Elektronenstrahlbearbeitungsanlage umfassen: ^{[ 1 ]} eine Elektronenkanone (bestehend aus Kathode, Gitter und Anode) zur Erzeugung und Beschleunigung des Primärstrahls; und ein magnetisch-optisches System (Fokussierung und Ablenkung) zur Steuerung des Auftreffens des Elektronenstrahls auf das zu bearbeitende Material (das „Werkstück“). Im Betrieb emittiert die heiße Kathode der Kanone Elektronen, die durch die elektrostatische Feldgeometrie der Elektrodenkonfiguration (Gitter und Anode) beschleunigt und zu einem kollimierten Strahl geformt werden. Der Elektronenstrahl tritt dann durch eine Austrittsöffnung in der Grundebene der Anode aus der Kanone aus. Seine Energie entspricht der an die Kathode angelegten negativen Hochspannung (Betriebsspannung der Kanone). Durch die Verwendung einer direkten Hochspannung zur Erzeugung eines hochenergetischen Elektronenstrahls wird die elektrische Eingangsleistung mit einem Wirkungsgrad von über 95 % in Strahlleistung umgewandelt. Dies macht die Elektronenstrahl-Materialbearbeitung zu einem hocheffizienten Verfahren. Nach dem Austritt aus der Laserkanone durchläuft der Strahl ein System aus elektromagnetischer Linse und Ablenkspule. Die Linse dient dazu, einen fokussierten oder defokussierten Strahlfleck auf dem Werkstück zu erzeugen, während die Ablenkspule den Strahlfleck entweder an einer festen Position fixiert oder eine oszillierende Bewegung erzeugt.

Bei Polymeren kann ein Elektronenstrahl eingesetzt werden, um Effekte wie Kettenbruch (wodurch die Polymerkette verkürzt wird) und Vernetzung hervorzurufen . Dies führt zu einer Veränderung der Polymereigenschaften, wodurch sich das Anwendungsspektrum des Materials erweitern soll. Die Bestrahlung kann auch die Kristallinität und die Mikrostruktur verändern . Üblicherweise führt die Bestrahlung zu einer Degradation des Polymers . Die bestrahlten Polymere können mitunter mittels DSC , XRD , FTIR oder SEM charakterisiert werden . ^{[ 2 ]}

In Poly( vinylidenfluorid- trifluorethylen)-Copolymeren senkt die Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen die Energiebarriere für den ferroelektrisch-paraelektrischen Phasenübergang und reduziert die Polarisationshystereseverluste im Material. ^{[ 3 ]}

Die Elektronenstrahlbearbeitung umfasst die Bestrahlung (Behandlung) von Produkten mit einem Hochenergie- Elektronenstrahlbeschleuniger . Elektronenstrahlbeschleuniger arbeiten nach dem Ein-/Ausschaltprinzip und sind in ihrer Bauweise dem eines Röhrenfernsehers ähnlich .

Die Elektronenstrahlbearbeitung wird in der Industrie hauptsächlich für drei Produktmodifikationen eingesetzt:

• Vernetzung von Produkten auf Polymerbasis zur Verbesserung der mechanischen, thermischen, chemischen und sonstigen Eigenschaften,
• Materialdegradation wird häufig beim Recycling von Materialien verwendet.
• Sterilisation von Medizin- und Pharmazeutika. ^{[ 4 ]}

Die Nanotechnologie zählt zu den am schnellsten wachsenden neuen Gebieten in Wissenschaft und Technik. Strahlung ist ein früh angewandtes Werkzeug in diesem Bereich; die Anordnung von Atomen und Ionen wird seit vielen Jahren mithilfe von Ionen- oder Elektronenstrahlen durchgeführt. Neue Anwendungen betreffen die Synthese von Nanoclustern und Nanokompositen. ^{[ 5 ]}

Die Vernetzung von Polymeren mittels Elektronenstrahlbehandlung wandelt einen thermoplastischen Werkstoff in einen Duroplasten um . ^{[ 2 ] [ 6 ]} Durch die Vernetzung von Polymeren wird die Molekülbewegung stark eingeschränkt, wodurch das Polymer hitzebeständiger wird. Diese Verknüpfung der Moleküle ist die Grundlage aller Vorteile der Vernetzung, einschließlich der Verbesserung der folgenden Eigenschaften: ^{[ 7 ]}

• Thermische Eigenschaften: Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen, Alterung, Kälteeinwirkung usw.
• Mechanische Eigenschaften: Zugfestigkeit , Elastizitätsmodul, Abriebfestigkeit, Druckfestigkeit, Kriechfestigkeit usw.
• Chemische Eigenschaften: Beständigkeit gegen Spannungsrisse usw.
• Sonstiges: Wärmeschrumpf -Gedächtniseigenschaften, positiver Temperaturkoeffizient usw.

Vernetzung bezeichnet die Verbindung benachbarter langer Moleküle durch Bindungsnetzwerke, die durch chemische Behandlung oder Elektronenstrahlbehandlung induziert werden. Die Elektronenstrahlbearbeitung von thermoplastischen Materialien führt zu einer Reihe von Verbesserungen, wie z. B. einer Erhöhung der Zugfestigkeit und der Beständigkeit gegen Abrieb, Spannungsrisskorrosion und Lösungsmittel. Gelenkersatz wie Knie- und Hüftprothesen werden aufgrund der hervorragenden Verschleißeigenschaften, die durch umfangreiche Forschung erzielt wurden, aus vernetztem ultrahochmolekularem Polyethylen hergestellt. ^{[ 8 ]}

Zu den Polymeren, die üblicherweise mittels Elektronenstrahlvernetzung vernetzt werden, gehören Polyvinylchlorid ( PVC ), thermoplastische Polyurethane und Elastomere (TPUs), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyamide / Nylon (PA66, PA6 , PA11, PA12), Polyvinylidenfluorid ( PVDF ), Polymethylpenten (PMP), Polyethylene ( LLDPE , LDPE , MDPE, HDPE, UHMW -PE) und Ethylen-Copolymere wie Ethylen-Vinylacetat (EVA) und Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE). Einige dieser Polymere werden mit Additiven versetzt, um ihre Vernetzbarkeit durch Bestrahlung zu verbessern. ^{[ 9 ]}

Ein Beispiel für ein mittels Elektronenstrahlvernetzung hergestelltes Bauteil ist ein aus Polyamid gefertigter Steckverbinder, der so konstruiert ist, dass er den höheren Temperaturen standhält, die zum Löten mit dem gemäß der RoHS-Initiative geforderten bleifreien Lot erforderlich sind. ^{[ 10 ]}

Vernetztes Polyethylenrohr , auch PEX genannt, wird häufig als Alternative zu Kupferrohren für Wasserleitungen im Neubau verwendet. PEX-Rohre sind langlebiger als Kupferrohre und weisen in vielerlei Hinsicht überlegene Leistungseigenschaften auf. ^{[ 11 ]}

Schaumstoffe werden auch mittels Elektronenstrahlbearbeitung hergestellt, um ein hochwertiges, feinzelliges und ästhetisch ansprechendes Produkt zu erhalten. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Die zur Herstellung von Schaumstoffen und thermogeformten Teilen verwendeten Harzpellets können mittels Elektronenstrahlbehandlung mit einer geringeren Dosis als bei Vernetzung und Gelbildung verarbeitet werden. Diese Harzpellets, beispielsweise aus Polypropylen und Polyethylen, eignen sich zur Herstellung von Schaumstoffen und anderen Bauteilen mit geringerer Dichte, da die Schmelzfestigkeit des Polymers erhöht wird. ^{[ 14 ]}

Kettenspaltung oder Polymerabbau kann auch durch Elektronenstrahlbearbeitung erreicht werden. Der Elektronenstrahl bewirkt den Abbau von Polymeren, indem er Ketten spaltet und dadurch das Molekulargewicht reduziert. Die in Polytetrafluorethylen (PTFE) beobachteten Kettenspaltungseffekte wurden genutzt, um aus Schrott- oder minderwertigen Materialien feine Mikropulver herzustellen. ^{[ 4 ]}

Kettenspaltung bezeichnet das Aufbrechen von Molekülketten, um die benötigten Molekülbausteine ​​zu gewinnen. Die Elektronenstrahlbehandlung ermöglicht Kettenspaltung ohne den Einsatz aggressiver Chemikalien, die üblicherweise zur Initiierung von Kettenspaltungen verwendet werden.

Ein Beispiel für diesen Prozess ist das Aufbrechen von aus Holz gewonnenen Zellulosefasern, um die Moleküle zu verkürzen und so einen Rohstoff zu gewinnen, der dann zur Herstellung biologisch abbaubarer Waschmittel und Diätnahrungsmittelersatzstoffe verwendet werden kann.

„Teflon“ (PTFE) wird ebenfalls mittels Elektronenstrahlbearbeitung hergestellt, wodurch es zu einem feinen Pulver vermahlen werden kann, das in Tinten und als Beschichtung für die Automobilindustrie verwendet wird. ^{[ 15 ]}

Die Elektronenstrahlbehandlung ist in der Lage, die DNA-Stränge lebender Organismen wie Bakterien zu spalten, was zum Absterben der Mikroorganismen und zur Sterilisation des von ihnen bewohnten Bereichs führt. Die Elektronenstrahlbehandlung wird zur Sterilisation von Medizinprodukten und aseptischen Verpackungsmaterialien für Lebensmittel sowie zur Desinfektion, also zur Beseitigung lebender Insekten aus Getreide, Tabak und anderen unverarbeiteten Schüttgütern, eingesetzt. ^{[ 16 ]}

Die Sterilisation mit Elektronen bietet gegenüber anderen gängigen Sterilisationsverfahren erhebliche Vorteile. Das Verfahren ist schnell, zuverlässig und mit den meisten Materialien kompatibel und erfordert keine Quarantäne im Anschluss. ^{[ 17 ]} Bei einigen oxidativ empfindlichen Materialien und Produkten kann die Strahlentoleranz bei Elektronenbestrahlung etwas höher sein als bei Gammabestrahlung. Dies liegt an den höheren Dosisleistungen und kürzeren Bestrahlungszeiten der Elektronenbestrahlung, die nachweislich die schädliche Wirkung von Sauerstoff reduzieren. ^{[ 18 ]}