輻射加工是一門利用電離輻射作用使材料或其組份的物理性能發(fā)生有用變化的技術(shù)。這種輻射具有相當(dāng)高的能量,足以引發(fā)原子或分子電離。這種作用使化學(xué)鍵斷裂生成自由基。自由基具有很高的活性,是輻射誘發(fā)的許多所需變化的根源。
有好幾種因素促使輻射在工業(yè)上應(yīng)用的范圍擴(kuò)展和輻射裝置激增。其中有:已經(jīng)具備功率大而單位輻射成本低的電子加速器;有很強(qiáng)的T輻射源可資利用;對(duì)所涉及的化學(xué)原理有了更透徹的了解;與其相競(jìng)爭(zhēng)的加工操作所需能源費(fèi)用增加。
過(guò)程
在各種塑料、彈性體或其他大分子中,可以同時(shí)或有競(jìng)爭(zhēng)地發(fā)生交聯(lián)和降解這兩種作用。發(fā)生交聯(lián)時(shí),分子結(jié)合在一起,降低了其通常的移動(dòng)性,即不會(huì)失去形狀,不再具有真熔點(diǎn)。降解過(guò)程發(fā)生時(shí)則分子鏈斷裂。兩種過(guò)程都引起材料發(fā)生重大變化;二者之中常有一過(guò)程占主導(dǎo)地位(但也可能并非如此)。根據(jù)二過(guò)程的相對(duì)動(dòng)力學(xué),材料可以是“交聯(lián)性”的,也可以是“降解性”的,依總體上占優(yōu)勢(shì)的那個(gè)過(guò)程而定。此外,如常見(jiàn)于芳烴(苯環(huán))含量高的材料那樣,我們還稱之為“有耐力”材料。交聯(lián)或降解可以由幾種作用所引起。通常采用電離輻射輻照或化學(xué)方法,化學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是只需要少量的物質(zhì),輻照的優(yōu)點(diǎn)是快速而經(jīng)濟(jì)。
輻射源
工業(yè)用電離輻射一般有兩類,即來(lái)自鉆-60一類放射性物質(zhì)的y射線和來(lái)自加速器的高能電子束。
γ射線穿透力強(qiáng),可以處理很厚的物體,但通常加工速率慢。
電子束的穿透力低得多,但電子發(fā)生機(jī)可以具備很大的功率,高達(dá)數(shù)百千瓦,因此產(chǎn)品的產(chǎn)量可以等于或超過(guò)涉及應(yīng)用輻射裝置的其他工業(yè)操作的產(chǎn)量。
目前工業(yè)電子發(fā)生機(jī)已具有更高電子伏(達(dá)5百萬(wàn)伏)的產(chǎn)品,因此穿透性極限的條件有所松動(dòng)。但是,小型低壓系統(tǒng)(200—500kV)也有產(chǎn)品,占地面積小至819 cm2,卻能發(fā)生數(shù)十千瓦的電子功率。現(xiàn)有設(shè)備的多功用性,使得工業(yè)輻射加工的應(yīng)用由電子加速器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷,因?yàn)殡娮蛹铀倨鹘?jīng)濟(jì)、有效、生產(chǎn)速率高、經(jīng)加工的產(chǎn)品質(zhì)量高。
輻射加工參數(shù)
電子加速器產(chǎn)生的輻射用加速器電子伏數(shù)(決定穿透能力的參數(shù))和電子束電流或每秒所釋發(fā)的電子數(shù)來(lái)表征。如果電子伏數(shù)大到足以穿透產(chǎn)品,則在具備實(shí)現(xiàn)所需過(guò)程所需能量的情況下,電子束電流決定產(chǎn)量或加工速率。電子束所存儲(chǔ)的能量稱為劑量,通常表示為兆拉德(Mrad)或千戈瑞(kGy)。1兆拉德是一百萬(wàn)拉德;回拉德劑量表示每克產(chǎn)品吸收10-5J的能量。 10千戈瑞相當(dāng)于 1兆拉德。
加速器輸出額定量表示為千瓦(電子伏X電流)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),1kw電子功率理論上能夠釋放1兆拉德劑量給362。87kg(產(chǎn)品)幾。實(shí)際加工速率可由理論加工速率乘以實(shí)際過(guò)程的效率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
在總體經(jīng)濟(jì)效果角逐中,輻射加工方法可能能夠單以單位成本低取得成功。此處的關(guān)鍵是所需生產(chǎn)能力必須大到足以利用輻射系統(tǒng)的全部能力。更新型的強(qiáng)有力的電子束系統(tǒng)由此可以以很低的單位加工成本作為其特色。雖然就投資費(fèi)用而言可能其它系統(tǒng)要優(yōu)勝得多,但就單位加工成本而言,由于輻射系統(tǒng)的加工速率遠(yuǎn)比其他系統(tǒng)為大,輻射系統(tǒng)便占有優(yōu)勢(shì)。
應(yīng)用
輻射加工的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面:
用于電線電纜的絕緣包皮的交聯(lián),這大概是輻射加工最知名最廣泛的應(yīng)用。交聯(lián)能夠改良耐應(yīng)力破裂、耐磨蝕和防變形性能,提高使用溫度和耐受流體作用的性能。
通過(guò)交聯(lián)可大幅度改進(jìn)熱收縮塑料的收縮記憶性。如同電線電纜中的應(yīng)用一樣,用于塑料管和部件的交聯(lián)以改良性能。外科用具和其他一次性醫(yī)療用具的冷消毒。單體接枝聚合到織物基料上以改進(jìn)抗污性和染色性。消除或大幅度減少許多塑料包裝材料和食品飲料包裝材料中殘余單體(Lomo法)。無(wú)溶劑、或少溶劑無(wú)溶劑排放、室溫速聚有機(jī)涂料的固化。聚乙烯泡沫塑料的交聯(lián)以控制泡孔結(jié)構(gòu)、發(fā)泡程度,改進(jìn)表面狀況,或恢復(fù)韌性。橡膠或其他彈性體的硫化(但一般不包括了基橡膠)。聚丙烯和纖維素塑料一類塑料有控降解。均聚物熔體指數(shù)的有控改性。