CURSO BÁSICO RADTECH - FEIXE DE ELÉTRONS

FEIXE DE ELÉTRONS NA

CURA POR RADIAÇÃO E

SUAS APLICAÇÕES

Wilson Aparecido Parejo Calvo

Centro de Tecnologia das Radiações

IPEN-CNEN/SP

wapcalvo@ipen.br

Paulo Roberto Rela

CBE

prela06@yahoo.com.br

APPLICATIONS OF RADIATION AND

RADIOISOTOPES TECHNIQUES IN INDUSTRY

Gamma irradiation Electron beam irradiation Accelerator irradiation Ion beam irradiation

X-ray fluorescence (XRF) Neutron activation analysis (NAA) Ion beam analysis Radiometric measurements Related techniques

Radiography Digital radioscopy Computer tomography Nuclear related techniques

Transmission Backscattering Multibeam & multienergy Computer tomography Low activity Prompt Gamma (PGNAA) Delayed gamma (DGNAA) Gamma loggers

RADIOTRACERS AND SEALED SOURCES

NDT NUCLEONICS

GAUGES

NUCLEAR ANALYTICAL TECHNIQUES

RADIATION PROCESSING

INDUSTRY

Residence Time Distribution Mass balance Thin Layer Activation Gamma scanning Neutron backscattering Computer Fluid Dynamics Single Particle Tracking Emission computer tomography

Source: IAEA

Gamma Rays (60Co) Electron Beam

(10 MeV, 50 kW)

X-Rays

(5–7 MeV)

Gamma Rays, Electron Beam and X-Rays

Source: IBA and IPEN-CNEN/SP

50 cm (1,0 g/cm3)

10 kGy/h

5 cm (1,0 g/cm3)

72 MGy/h

> 50 cm (1,0 g/cm3)

100 kGy/h

SOLVENTE

PIGMENTOS

RESINA

ADITIVOS ADITIVOS ADITIVOS

RESINA RESINA

PIGMENTOS PIGMENTOS

DILUENTE REATIVO DILUENTE REATIVO

FO

TO

INIC

IAD

OR

SISTEMA

CONVENCIONAL

SISTEMA UV SISTEMA EB

SISTEMAS DE CURA (Térmica, UV e EB)

Source: RadTech South America

Source: IBA and IPEN-CNEN/SP

ELECTRON BEAM (EB)

FEIXE DE ELÉTRONS

C C C C C C

Ligação molecular carbono-carbono antes da cura (LINEAR)

Ligação molecular carbono-carbono, após a cura utilizando

Electron Beam (RETICULADO)

C

C

C

C

C

C

C

FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA

POR FEIXE DE ELÉTRONS

Os elétrons penetram no material

com velocidade de 2/3 da luz

As duplas ligações carbono-carbono

são rompidas formando radicais

livres

Os radicais procuram níveis de

energia mais baixos ligando-se a

outros radicais curando o material

A cura é praticamente instantânea

Processo a frio (acréscimo de até

15oC) e evita distorção

Não há necessidade de

fotoiniciadores

O produto não fica radioativo

Não curado

Curado por EB

C C C C C C

C

C

C

C

C

C

C

PROCESSO DE CURA POR FEIXE DE

ELÉTRONS (EB)

Classificação dos Aceleradores de Elétrons (função da energia do

feixe de elétrons)

Baixa energia: 150 keV to 300 keV

Média energia: 300 keV to 5 MeV

Alta energia: 5 MeV to 10 MeV

Vantagens e Limitações no Processamento por Feixe de Elétrons

Vantagens: alta velocidade de processamento de produtos bem

definidos e de grandes superfícies com espessuras finas

Limitações: baixo poder de penetração

ACELERADORES INDUSTRIAIS DE

ELÉTRONS

A cura por EB é definida em função do nível

do tratamento/ beneficio desejado que

depende da quantidade de energia a ser

depositada ou transferida ao produto – Dose

de radiação

Dose de radiação é definida como a quantidade de

energia depositada em uma determinada massa de

produto

Unidades utilizadas:

Gray= Joule/kg

Rad= 100Gy(USA)

PARÂMETROS ENVOLVIDOS NO

PROCESSO

Source: IPEN-CNEN/SP

X-ray conversion

Sterilization

Wire & Cable,

Waste Water Treatment

Foamed P. E. Plastics

Rubber Tire

Heat Shrinkable Tubing

De-NOx/De-SOx of

Exhaust Gas

Curing

(Coating/Lamination/Printing)

Ac

ce

lera

tio

n V

olt

ag

e (

kV

)

100

200

300

500

1000

2000

5000

Acceleration Voltage X Application

Do

se

(k

Gy)

100

300

Dose X Application

10

20

30

50

40

Ste

riliz

atio

n

Fo

am

ed

P.E

.

Cu

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g

P.V

.C.W

ire

P.V

.C.T

ap

e

P.E

.Wire

Ru

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Tire

He

at S

hrin

ka

ble

Tu

bin

g

De

-NO

x/D

e-S

Ox

of

Ex

ha

ust

Ga

s

ELECTRON BEAM APPLICATIONS

Source: IAEA

IAEA Specific Safety Guide

SSG-8

Radiation Safety of Gamma,

Electron and X Ray

Irradiation Facilities

Categoria I

Categoria II

Agência Internacional de Energia

Atômica (IAEA)

EQUIPAMENTOS

Nissin ESI

FEIXE DE ELÉTRONS (Electron Beam)

Web widths: 20 to 66” (508 to 1,676 mm)

Speed capability: 335 m/min

Thickness: 0.03 mm

Web widths: 30 to 120” (762 to 3,048

mm)

Speed capability: 305 m/min

Thickness: 0.35 mm

Energy Scineces, Inc. (ESI)

(www.ebeam.com)

UV/EB RADIATION CURING - Equipments

Source: ESI

PCT Engineered Systems, LLC

(www.teampct.com)

UV/EB RADIATION CURING - Equipments

Voltage: 125 to 300 keV

Web widths: 130” (3,300 mm)

Voltage: 70 to 125 keV

Web widths: 36”(914mm) to 68”(1,727mm)

Source: PCT

AEB two module pilot line

AEB two modules production line

AEB unit for surface decontamination

41 cm x 6.3 cm beam window

21 cm diameter module

Descontaminação superficial (EB)

Acelerador de

elétrons

Blindagem do

sistema de

transporte

Painel de

controle

Fonte de

alimentação

CLP/computador

EB Compacto

Unidade de Laboratório

EB versus UV (Free Radicals)

High energy

High crosslinking density

High penetration into opaque materials

No photoinitiators

Speed cure at hundredths of seconds

Effectiveness on thin layers

materials

Elaborate formulation for thick

layers

Low penetration limited to clear

materials

Photoinitiators need

Speed cure at tenths of seconds

Electron beam curing has several advantages

over conventional thermal curing methods:

Improved parts; improved material handling;

ability to combine various materials and

functions in a single operation; ability to

utilize lower cost tooling; and reduced cure

times

UV/EB RADIATION CURING - PERFORMANCE

Source: RadTech South America

ENERGY

Voltage (keV) Layer thickness (µm)

150 100

175 150

200 250

300 500

VELOCITY PROCESSING

Dose (kGy) Velocity (m/min) Applications

20 0-600 Silicone application

30 0-600 Printing

60 0-200 Adhesives

ELECTRON BEAM (EB) CURING

ITEMS DURABILITY

Titanium window 2,000 hours

Tungsten Filament 10,000 hours

O-rings 2,000 - 5,000 hours

Maintenance time * 20 - 30 hours/year

* Maintenance cost per year = ~ 5% of the Electron Beam

Accelerator’s price

Source: IPEN-CNEN/SP

0

100

200

300

0 100 200 300 400

Penetração (microns)

En

erg

ia (

ke

V)

Penetração do Feixe de Elétrons (EB)

Source: IPEN-CNEN/SP

Energia Necessária para Cura do Revestimento

(cal/g do material curado)

Solvente Água Cura por EB

177 cal/g 810 cal/g < 7cal/g

Economia de Energia

Source: IPEN-CNEN/SP

Sistemas Solvente Cura EB

Revestimento sólido 60% 100%

Energia para curar (kJ/m2) 328 0.86 (solvente = 27,3 kJ/g e

EB dose = 30 kGy)

Energia elétrica (Wh/m2) 91 0.24

Economia de Energia Elétrica

Source: IPEN-CNEN/SP

Zero VOC*: ASTM D5403-93 (2013) Standard Test

Methods for Volatile Content of Radiation Curable

Materials

Não há eliminação de gases (greenhouse)

Redução de perdas

Amigável ao Meio Ambiente

*VOC – Componentes orgânicos voláteis

Sistemas Solvente Cura EB

Sólidos no revestimento 60% 100%

Revestimento seco (g/m2) 20 g 20 g

VOC*/m2, g 12 g 0 g (Solvente = 0,9 g/cm3)

CO2 do solvente 7 g/m2 não há

(Incineração do solvente)

*VOC – Componentes orgânicos voláteis

Amigável ao Meio Ambiente

Source: Radtech (USA) 2006

Custo Anual de Processamento

COMPARAÇÃO DOS CUSTOS NA IMPRESSÃO DE

EMBALAGEM PARA PRODUTO ALIMENTÍCIO

América do Norte (RadTec 2006): mercado de 5 a 10% das

curas por radiação (UV/EB)

Mercado total de produtos UV/EB (2005) = 95.000 ton

Gary Cohen Executive Director RadTech 2006

MERCADO PARA OS ACELERADORES DE

ELÉTRONS (150keV – 300keV)

Aplicações dos Aceleradores

Industriais de Elétrons

150 keV - 300 keV

UV/EB RADIATION CURING

e5 efficient

enabling

economical

energy savings

environmental friendly

Source: RadTech

Cura de materiais estruturais (materiais compostos)

X-33/Venture Star F22- ASTOVL

Cura de silicones, adesivos e filmes

Cura de revestimentos e tintas de impressão

08/03/2008 : Food Contact

Notification (FCN) 772 -

Food and Drug

Administration (FDA)

Permite o contato direto

dos revestimentos

curados por UV&EB com

alimentos

APLICAÇÕES

SUBSTRATOS

ONDE O FEIXE DE

ELÉTRONS PODE

SER APLICADO

Papel e papelão

Bobinas metálicas

Paineis de madeira

Filmes plásticos

APLICAÇÕES

Application of Radiation Technology in the Development of Advanced Packaging

Materials for Food Products: Development of Advanced Food Packaging Materials

Based on Polymer Petroleum-Derived for Pre-Packaged Irradiated Foods and

Based on Biobased and Compostable Materials for Dry Food Packaging

Source: IAEA and IPEN-CNEN/SP

Advanced Packaging Materials

Aplicações dos Aceleradores

Industriais de Elétrons

300 keV - 10 MeV

Aceleradores dimensionados pelo

fabricante

Alta blindagem

Formação de raios X durante a

irradiação

Necessitam atmosfera inerte em

função da formação de ozônio

Exaustão

ACELERADORES DE ELÉTRONS NO IPEN-

CNEN/SP (1,5 MeV)

Atmosfera inerte

Escala de laboratório = amostra contida em recipiente fechado

Escala industrial = Fluxo de gás inerte entre a janela do

acelerador e a amostra

PROCESSO DE CURA POR FEIXE DE ELÉTRONS

NO IPEN-CNEN/SP (1,5 MeV)

IRRADIATION OF WIRE/ELECTRIC CABLES AND

POLYETHILINE FOAM

Source: IPEN-CNEN/SP

ACOME (Brazil) = 15,000 km/month

Source: IAEA and IPEN-CNEN/SP

HEAT SHRINKABLE TUBES IRRADIATION

SEMICONDUCTORS IRRADIATION and POLYMER DEGRADATION

PTFE (TeflonTM) Powered

Diodes

Japan: Automobiles

tires = 95%

IRRADIATION OF TIRES COMPONENTES

BRAZIL: Bridgestone-Firestone

Source: IPEN-CNEN/SP

Indústrias Automobilísticas e

Aeroespaciais

Materiais Compósitos

Materiais Compósitos

ACELETRON INDUSTRIAL IRRADIATION

18 kW (10 MeV)

Source: ACELETRON

Source: IPEN-CNEN/SP

• Potatoes and Onions (0.05-0.15kGy)

• Bread (2-10kGy)

• Military Food (10-50kGy)

• Strawberries (0.2-1.0kGy)

Brazilian Agrobusiness:

43% of the total exportation

FOOD IRRADIATION

RHODOTRON

TT200 (100 kW)

Radiation Curing of

Composites for Enhancing

their Features and Utility in

Health Care and Industry:

Development of Radiation

Processing to Functionalize

Carbon Nanofiber to Use in

Nanocomposite for

Industrial Application

Source: IAEA, IPEN-CNEN/SP and CBE

Sterilized

Medical

Devices:

135.000

m³/year

STERILIZATION OF MEDICAL, PHARMACEUTICAL AND

BIOLOGICAL PRODUCTS

World: ~60% (1500 electron beam

accelerators)

Source: IAEA

STERILIZATION PROCESSES

NECESSARY CONTROLS

Gases Liquids Vapor Filtration Radiation

Time xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxxx xxxxxxx

Temperature xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Package xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Pressure xxxxxx xxxxxx xxxxxxx

Humidity xxxxxx xxxxxx

Concentration xxxxxx xxxxxx

pH xxxxxx

Source: EB-Tech

Beam Energy: 0.4 ~ 0.7

MeV

Beam Power: 20 kW

Total weight: 40 tons

MOBILE ELECTRON ACCELERATOR

Mobile e-beam in flue gas purification from oil-

refinery in Saudi Arabia

Source: EB-Tech

MUITO

OBRIGADO !