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FEIXE DE ELÉTRONS NA
CURA POR RADIAÇÃO E
SUAS APLICAÇÕES
Wilson Aparecido Parejo Calvo
Centro de Tecnologia das Radiações
IPEN-CNEN/SP
Paulo Roberto Rela
CBE
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
rin
g
P.V
.C.W
ire
P.V
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Tire
He
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ka
ble
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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 !