Modulo 5 tecnologia eb

FEIXE DE ELÉTRONS NA CURA POR RADIAÇÃO E

SUAS APLICAÇÕESWilson Aparecido Parejo Calvo

Centro de Tecnologia das Radiações

IPEN-CNEN/SP

[email protected]

Paulo Roberto Rela

CBE

[email protected]

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

NDTNUCLEONICS

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/cm 3)10 kGy/h

5 cm (1,0 g/cm 3)72 MGy/h

> 50 cm (1,0 g/cm 3)100 kGy/h

CCC CC 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

CCC CC C

C

C

C

C

C

C

C

PROCESSO DE CURA POR FEIXE DE ELÉTRONS (EB)

� 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. PlasticsRubber Tire

Heat Shrinkable Tubing

De-NOx/De-SOx ofExhaust Gas

Curing(Coating/Lamination/Printing)

Acc

eler

atio

nV

olta

ge(k

V)

100

200

300

500

1000

2000

5000

Acceleration Voltage X Application

Dos

e (k

Gy)

100

300

Dose X Application

10

20

30

50

40

Ste

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ELECTRON BEAM APPLICATIONS

Source: IAEA

IAEA Specific Safety GuideSSG-8

Radiation Safety of Gamma, Electron and X RayIrradiation Facilities

Categoria I

Categoria II

Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA)

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 d e Elétrons

� Vantagens: alta velocidade de processamento de prod utos bem

definidos e de grandes superfícies com espessuras f inas

� Limitações: baixo poder de penetração

ACELERADORES INDUSTRIAIS DE ELÉTRONS

Aplicações dos AceleradoresIndustriais de Elétrons

150 keV - 300 keV

SOLVENTE

PIGMENTOS

RESINA

ADITIVOSADITIVOSADITIVOS

RESINARESINA

PIGMENTOSPIGMENTOS

DILUENTE REATIVODILUENTE REATIVO

FO

TO

INIC

IAD

OR

SISTEMA CONVENCIONAL

SISTEMA UV SISTEMA EB

SISTEMAS DE CURA (Térmica, UV e EB)

Source: RadTech South America

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

ENERGYVoltage (keV) Layer thickness (µm)

150 100175 150200 250300 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


0

100

200

300

0 100 200 300 400

Penetração (microns)

Ene

rgia

(ke

V)

Penetração do Feixe de Elétrons (EB)


Sistemas Solvente Cura EB

� Revestimento sólido 60% 100%

� Energia para curar (kJ/m 2) 328 0.86(solvente = 27,3 kJ/g eEB dose = 30 kGy)

� Energia elétrica (Wh/m 2) 91 0.24

Economia de Energia Elétrica


� 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

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

UV/EB RADIATION CURING

e5

efficient

enabling

economical

energy savings

environmental friendly

Source: RadTech

� Cura de materiais estruturais (materiais compostos)

X-33/Venture StarF22- ASTOVL

� Cura de silicones, adesivos e filmes

� Cura de revestimentos e tintas de impressão08/03/2008 : Food Contact

Notification (FCN) 772 -Food and Drug

Administration (FDA)

Permite o contato direto dos revestimentos

curados por UV&EB com alimentos

APLICAÇÕES

⇒⇒⇒⇒ Application of Radiation Technology in the Developm ent 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

DISINFESTATION OF SEEDS

Low Energy Electron Beam (105 to 145

keV)

Sources: Fraunhofer Institut-FEP (DRESDEN, Schimdt Seeger AG)

E-ventus (30 tons/h, € 35/ton, € 1.5 million)

SeedsFlowEB

Seed Treatment Principle Seed surface Seed layers

Disinfestation:

Chemical = 5%EB = 11%

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 AceleradoresIndustriais de Elétrons

300 keV - 10 MeV

Source: IBA and IPEN-CNEN/SP

ELECTRON BEAM (EB)

FEIXE DE ELÉTRONS

� 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


ACOME (Brazil) = 15,000 km/month

Source: IAEA and IPEN-CNEN/SP

HEAT SHRINKABLE TUBES IRRADIATION

SEMICONDUCTORS IRRADIATION and POLYMER DEGRADATION

PTFE (TeflonTM)PoweredDiodes

Japan: Automobiles

tires = 95%

IRRADIATION OF TIRES COMPONENTES

BRAZIL: Bridgestone-Firestone


� Indústrias Automobilísticas e Aeroespaciais

Materiais Compósitos

Materiais Compósitos

ACELETRON INDUSTRIAL IRRADIATION

18 kW (10 MeV)

Source: ACELETRON


• 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 FunctionalizeCarbon 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 PROCESSESNECESSARY CONTROLS

Gases Liquids Vapor Filtration Radiation

Time xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxxx xxxxxxxTemperature xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Package xxxxxx xxxxxx xxxxxxPressure xxxxxx xxxxxx xxxxxxxHumidity xxxxxx xxxxxx

Concentration xxxxxx xxxxxxpH 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 !