Questo dispositivo è una macchina acceleratrice di elettroni a bassa energia. La tecnologia consente l’emissione di elettroni a diversi valori di energia per irradiare la superficie di materiali diversi: di conseguenza, è possibile ottenere modifiche superficiali, tramite la conversione di energia elettrica in corrente elettrica.

La tecnologia Electron Beam (EB) utilizza elettroni accelerati per trattare materiali in modo rapido ed efficiente. Attraverso un acceleratore, un catodo in tungsteno riscaldato emette elettroni che, grazie a una differenza di potenziale tra catodo e anodo, vengono accelerati nel vuoto e poi rilasciati nella camera di irraggiamento tramite una finestra sottile in titanio. Quando gli elettroni colpiscono il materiale, ionizzano gli atomi e ne favoriscono la reticolazione, la polimerizzazione, la sterilizzazione e il trattamento superficiale. Alcuni elettroni penetrano in profondità, consentendo di trattare anche gli strati interni del materiale. Uno dei principali vantaggi dell’EB è la capacità di ottenere un curing e un’asciugatura quasi istantanei, eliminando la necessità di forni di essiccazione e solventi. I prodotti trattati risultano pronti all’uso immediatamente dopo il processo, garantendo significativi risparmi energetici e una notevole riduzione degli scarti. Inoltre, l’impianto richiede spazi ridotti e consumi contenuti, rendendo la tecnologia EB una soluzione sicura, ecologica ed economicamente vantaggiosa per applicazioni in rivestimenti, incollaggi, sterilizzazione e produzione di materiali avanzati.

Applicazioni

Il processo di irradiazione elettronica consente la modifica delle proprietà chimiche e fisiche dei materiali polimerici migliorando la qualità del prodotto. Nei nostri laboratori, il fascio di elettroni viene utilizzato per le seguenti applicazioni:

Polimerizzazione di monomeri per l’incorporazione nei tessuti
Curing di film adesivi
Reticolazione non termica di adesivi
Sterilizzazione superficiale
Curing resine su processo di filament winding
Miglioramento della resistenza meccanica dei compositi
Realizzazione di materiali compositi multilayer

Caratteristiche

La tecnologia a fascio di elettroni è sicura, precisa, facilmente controllabile e, a differenza delle fonti radioattive, può essere accesa/spenta.

L’energia del fascio di elettroni e la potenza di uscita possono essere modulate su un’ampia gamma. La tecnologia basata sull’acceleratore di elettroni per modificare la superficie del materiale è più sostenibile dal punto di vista ambientale rispetto ai metodi chimici perché non richiede solventi o agenti tossici.

Specifiche Tecniche

Il nostro acceleratore di elettroni opera sfruttando il principio dell’emissione termoionica: un catodo in tungsteno, riscaldato, emette un flusso di elettroni che viene poi accelerato nel vuoto grazie a una differenza di potenziale tra catodo e anodo. Questo fascio viene opportunamente collimato e deflesso, in modo analogo al funzionamento di un tubo a raggi catodici di una televisione analogica. Gli elettroni vengono accelerati a energie comprese tra 150 e 300 KeV, con una corrente massima di 30 mA, per raggiungere un dose-rate massimo pari a 202 kGy/s.

La macchina, situata presso NTT, adotta un sistema a singolo triodo, dotato di un catodo in tungsteno e di un cilindro Wehmelt, operante in camera ad alto vuoto. Il fascio emesso viene regolato in ampiezza e posizione verticale tramite un dispositivo di deflessione X/Y, che consente di effettuare una scansione efficace sulla finestra di uscita, avente dimensioni di 75 x 700 mm. Infine, il fascio di elettroni passa dalla camera ad alto vuoto all’ambiente esterno attraverso una lamina sottile in titanio, la quale permette di mantenere le condizioni di vuoto nell’area del catodo. Il sistema di vuoto impiega una configurazione a doppia pompa, formata da una pompa turbomolecolare e una rotazionale, per raggiungere e mantenere rapidamente le condizioni ottimali sia all’interno dell’acceleratore di elettroni sia del sistema di scansione.

L’alta tensione viene generata mediante una serie di trasformatori operanti a una frequenza media di circa 35 kHz, abbinati a un amplificatore, e la sezione ad alta tensione è ospitata in un serbatoio ermeticamente sigillato contenente olio per trasformatori. Il sistema integra inoltre un’unità di raffreddamento ad acqua, indispensabile per mantenere sotto controllo la temperatura della finestra di uscita del fascio, del comparto del vuoto e del trasformatore. L’acceleratore è protetto da una schermatura composita che prevede, in sequenza, una lamiera di acciaio inossidabile da 4 mm per supporto strutturale, uno strato di piombo con uno spessore medio di 35 mm e una lamiera finale in acciaio inossidabile da 2 mm, la quale previene il contatto degli ossidi di piombo con i materiali presenti nella camera di trattamento.

Il dimensionamento della schermatura è stato calcolato considerando le peggiori condizioni operative (V = 300 kV, I = 30 mA), ed è essenziale per proteggere dall’emissione di raggi X derivante dall’irradiazione. Il cannone elettronico, infine, è integrato in una struttura protettiva realizzata in acciaio inossidabile e piombo, dotata di dispositivi specifici per la lavorazione continua di materiali flessibili.Il sistema del vuoto è una struttura a doppia pompa, composta da una pompa turbomolecolare e da una pompa rotazionale aggiuntiva che consente di raggiungere e mantenere rapidamente le condizioni di vuoto sia all’interno dell’acceleratore di elettroni che del sistema di scansione. L’alta tensione viene prodotta tramite una serie di trasformatori con una frequenza media di circa 35 kHz e un amplificatore.

La sezione ad alta tensione si trova in un serbatoio contenente olio ermeticamente sigillato per trasformatori. Il sistema include un’unità di raffreddamento ad acqua, necessaria per refrigerare la finestra di uscita del fascio di elettroni, il sistema del vuoto e il trasformatore. L’acceleratore è schermato con una struttura composita composta da una lamiera di acciaio inossidabile spessa 4 millimetri (funzione di supporto), uno strato di piombo (spessore medio 35 millimetri) e un’ulteriore lamiera di acciaio inossidabile spessa 2 millimetri che impedisce il contatto degli ossidi di piombo con i materiali nella camera di trattamento. Il dimensionamento della struttura di schermatura è stato calcolato considerando le peggiori condizioni di lavoro (V= 300 KV, I= 30 mA). La schermatura è necessaria per schermare i raggi X emessi a seguito dell’irradiazione. Il cannone elettronico è integrato in una struttura protettiva in acciaio inossidabile e piombo, dotata di dispositivi idonei per la lavorazione continua di materiali flessibili.Quando elettroni ad alta energia irradiano un campione, inizia il trasferimento di energia agli elettroni di legame chimico del materiale.

L’effetto finale è la generazione di radicali liberi e di conseguenza l’aumento della reattività chimica del campione trattato. Di conseguenza, vengono abilitati processi chimico-fisici come la reticolazione, l’innesto e la polimerizzazione dei materiali trattati. La presenza di radicali liberi nelle catene polimeriche aumenta la funzionalizzazione di diversi gruppi, quindi è possibile modificare la superficie del materiale polimerico, migliorando di conseguenza le proprietà meccaniche e termiche. L’energia del fascio varia a seconda del campo di applicazione, nonché delle tipologie di materiali da trattare.