電子ビーム処理

電子ビーム処理または電子照射( EBI )は、さまざまな目的で物体を処理するために、通常は高エネルギーの電子を使用するプロセスです。これは、高温および窒素雰囲気下で行われる場合があります。電子照射の可能な用途には、殺菌、宝石の色の変更、およびポリマーの架橋などがあります。

電子エネルギーは、必要な浸透深度に応じて、通常keVからMeVの範囲で変化します。照射線量は通常グレイで測定されますが、 Mradで測定されることもあります( 1 Gyは100 radに相当します)。

典型的な電子ビーム処理装置の基本コンポーネントには、次のものが含まれます。^[1]一次ビームを生成および加速するために使用される電子銃 (カソード、グリッド、およびアノードで構成)、および電子ビームが処理対象の材料 (「ワークピース」) に衝突する方法を制御するために使用される磁気光学 (フォーカスおよび偏向) システム。動作中、銃のカソードは、使用される銃電極 (グリッドとアノード) 構成によって確立された静電場ジオメトリによって加速され、平行ビームに成形される熱放出電子のソースです。次に、電子ビームは、カソードに適用される負の高電圧 (銃の動作電圧) の値に等しいエネルギーで、グランドプレーン アノードの出口穴を通って銃アセンブリから出ます。高エネルギー電子ビームを生成するために直接高電圧を使用するこの方法により、入力電力を 95% を超える効率でビーム電力に変換できるため、電子ビーム材料処理はエネルギー効率の高い技術になります。銃から出たビームは、電磁レンズと偏向コイル システムを通過します。レンズはワークピース上に焦点を合わせたまたは焦点をずらしたビームスポットを生成するために使用され、偏向コイルはビームスポットを静止した位置に配置したり、何らかの振動運動を提供したりするために使用されます。

ポリマーでは、電子ビームを材料に照射して、鎖切断（ポリマー鎖が短くなる）や架橋などの効果を誘発することがあります。その結果、ポリマーの特性が変化し、材料の用途範囲が広がります。照射の影響には、結晶度や微細構造の変化も含まれます。通常、照射プロセスによりポリマーが劣化します。照射されたポリマーは、 DSC、XRD、FTIR、またはSEMを使用して特性評価されることがあります。^[2]

ポリ（フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン）共重合体では、高エネルギー電子照射により強誘電-常誘電相転移のエネルギー障壁が低下し、材料の分極ヒステリシス損失が減少する。^[3]

電子ビーム処理では、高エネルギー電子ビーム加速器を使用して製品を照射（処理）します。電子ビーム加速器はオンオフ技術を利用しており、一般的な設計はブラウン管テレビに似ています。

電子ビーム処理は、主に次の 3 つの製品変更のために産業界で使用されています。

• ポリマーベースの製品の架橋により機械的、熱的、化学的およびその他の特性を改善します。
• 材料のリサイクルでよく使われる材料の劣化、
• 医療品および医薬品の滅菌^[4]

ナノテクノロジーは科学と工学において最も急速に成長している新しい分野の一つです。放射線はこの分野で早くから応用されているツールであり、原子とイオンの配置は長年にわたりイオンビームや電子ビームを使用して行われてきました。新しい応用はナノクラスターとナノ複合材料の合成に関するものです。^[5]

電子線処理によるポリマーの架橋は、熱可塑性材料を熱硬化性材料に変化させます。[ 2 ] ^{[ 6]}ポリマーが架橋されると、分子の動きが著しく妨げられ、ポリマーは熱に対して安定します。この分子の結合が、架橋のすべての利点の源であり、以下の特性の改善が含まれます。^[7]

• 耐熱性：温度、老化、低温衝撃などに対する耐性。
• 機械的特性:引張強度、弾性率、耐摩耗性、圧力定格、耐クリープ性など。
• 化学的：耐応力亀裂性など
• その他：熱収縮メモリ特性、正の温度係数など。

架橋とは、化学処理または電子ビーム処理によって誘導された結合ネットワークによって隣接する長い分子を相互接続することです。熱可塑性材料の電子ビーム処理により、引張強度、摩耗、応力亀裂、溶剤に対する耐性の向上など、さまざまな機能強化が実現します。膝や股関節などの関節置換は、広範な研究による優れた耐摩耗特性のため、架橋超高分子量ポリエチレンから製造されています。 ^[8]

電子線照射プロセスを使用して一般的に架橋されるポリマーには、ポリ塩化ビニル（PVC）、熱可塑性ポリウレタンおよびエラストマー（TPU）、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリアミド/ナイロン（PA66、PA6、PA11、PA12）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリメチルペンテン（PMP）、ポリエチレン（LLDPE、LDPE、MDPE、HDPE、UHMW PE）、エチレン-酢酸ビニル（EVA）やエチレンテトラフルオロエチレン（ETFE）などのエチレン共重合体などがあります。一部のポリマーは、ポリマーをより容易に照射架橋できるようにするために添加剤を使用しています。^[9]

電子ビーム架橋部品の一例としては、ポリアミド製のコネクタがあり、RoHS指令で要求される鉛フリーはんだ付けに必要な高温に耐えられるように設計されています。^[10]

PEXと呼ばれる架橋ポリエチレン配管は、新築住宅の水道管に銅配管の代替としてよく使用されています。PEX配管は銅よりも長持ちし、多くの点で銅よりも優れた性能特性を備えています。^[11]

フォームは電子ビーム処理を使用して製造され、高品質で細かいセルを持ち、見た目にも美しい製品を生産します。^{[12] [13]}

フォームや熱成形部品の製造に使用される樹脂ペレットは、架橋やゲル化が発生するよりも低い線量レベルで電子ビーム処理することができます。ポリプロピレンやポリエチレンなどのこれらの樹脂ペレットは、ポリマーの「溶融強度」が増加するため、低密度フォームやその他の部品を作成するために使用できます。^[14]

電子ビーム処理によって、鎖切断やポリマーの分解も実現できます。電子ビームの効果によりポリマーが分解し、鎖が切断されて分子量が低下します。ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）で観察される鎖切断効果は、スクラップや不良品から微細なマイクロパウダーを作成するために使用されています。^[4]

鎖切断とは、分子鎖を分解して、鎖から必要な分子サブユニットを生成することです。電子ビーム処理では、通常、鎖切断を開始するために使用される強力な化学物質を使用せずに、鎖切断を実現します。

このプロセスの一例としては、木材から抽出したセルロース繊維を分解して分子を短くし、生分解性洗剤やダイエット食品の代替品の製造に使用できる原料を生成することが挙げられます。

「テフロン」（PTFE）も電子ビーム処理されており、細かい粉末に粉砕してインクや自動車産業のコーティングに使用することができます。^[15]

電子ビーム処理は、細菌などの生物のDNA鎖を切断する能力があり、その結果、微生物が死滅し、それらが生息する空間が無菌状態になります。電子ビーム処理は、医薬品や食品の無菌包装材料の殺菌、穀物、タバコ、その他の未加工のバルク作物から生きた昆虫を除去する害虫駆除に使用されています。^[16]

電子による滅菌は、現在使用されている他の滅菌方法に比べて大きな利点があります。このプロセスは迅速で信頼性が高く、ほとんどの材料と互換性があり、処理後に検疫を必要としません。^[17]酸化効果に敏感な一部の材料や製品の場合、電子線照射の放射線耐性レベルはガンマ線照射よりもわずかに高くなる可能性があります。これは、電子線照射の線量率が高く、照射時間が短いためであり、酸素の劣化効果を軽減することが示されています。^[18]