电子束实验室系统| 2015-10-01 | PCI Magazine

如今，电子束(EB)系统已成为一种广泛使用的制造方法。他们被公认为易于操作，操作和关注安全。电子束加工可以在真空、部分真空或非真空条件下进行。高真空条件导致在电子灯和目标衬底之间的气体分子更少，这导致散射更少和更紧密的光束。

低能电子束技术被定义为加速电压小于300千伏的电子束操作。低能EB用于许多表面固化，交联，剪切，接枝和表面杀菌应用。低能量电子束系统也使用钨丝在真空下产生持续的电子流，通过钛箔窗口推进到目标衬底上。标准的商用低能电子束系统宽度从30“(762mm)到108”(2743 mm)不等，这取决于电子束的设计宽度。在窄网加工领域，密封低能电子束灯的窗宽从220毫米到400毫米不等。真空泵是不需要紧凑，密封电子束流系统，不需要更换灯丝或箔。像灯泡一样，电子灯作为一个备件被全部替换。在服务时间至关重要的应用程序中，这是一个至关重要的好处。

EB固化，交联，表面杀菌，接枝

简单来说，EB支持剪切、链接和粘贴:

Cut:对聚合物进行杀菌和控制分子量降低;
链接:聚合物交联或液体油墨固化到固体涂料;
浆糊:将第二种聚合物接枝到主干聚合物上。

与传统的热风干燥方法相比，EB固化需要更小的占地面积和更少的操作劳动力，并将涂料、油墨和粘合剂的完全固化时间大大缩短到不到一秒。EB固化体系对环境有利，因为它消除了大部分挥发性有机化合物，耗能小，且操作温度接近室温。与自由基UV固化相反，自由基EB固化需要光引发剂(或至少将一些光反应性部分纳入低聚物中)，不添加光引发剂即可发生。EB系统产生的加速电子有足够的能量打开材料内部的反应化学键，而不需要光引发剂。键的打开(切割)导致自由基的产生，引发聚合。EB直接在材料中产生自由基的能力也使其在各种其他过程中有用。

1952年，阿瑟·查尔斯比(Arthur Charlesby)发现用EB可以实现聚合物(如聚乙烯)的辐射交联。今天，在这一领域的一个非常成熟的应用是交联聚乙烯基薄膜，以提供肉类和奶酪包装的热收缩性能，这是由Cryovac在20世纪50年代末开创的。大约在同一时期，瑞侃公司开始用EB交联技术为电话交换机引进电缆和电线，最终发展成为一项价值10亿美元的业务。乙炔交联的其他成熟应用包括高性能压敏胶粘剂和汽车轮胎内层橡胶帘线的预硫化处理。

当聚合物链断裂并不能重新结合时，就会发生断裂。聚合物断裂的最终结果是分子量降低。EB裂变的工业过程(除灭菌外)不像固化或交联那样常见。EB裂解的例子有:对聚四氟乙烯(PTFE)进行加工以制造用于蜡和润滑剂的低分子量碎片，以及对需要对纤维素进行改性的纸浆进行辐照。

电子束诱导的接枝共聚(EIGC)发生在聚合物底物上形成的自由基成为单体聚合的起始位点或全官能团的附着位点——通常也称为“接枝从”和“接枝到”方法。最终的结果是两种不同的聚合物共价连接，形成一种新的共聚物材料。EB接枝不像固化或交联那样为人所知，但却是创造新功能材料的重要过程。可用于改性聚合物薄膜、凝胶、纤维、珠粒或膜的性能。EB接枝的应用包括为特定分离或纯化过程量身定制的聚合物膜的生产、热响应表面和维生素e稳定的植入物。

利用高能EB系统进行灭菌是很好的。高能EB杀菌技术的主要替代方案包括伽玛射线照射、过氧化氢和环氧乙烷，操作成本高，对人类和环境有危害。使用低能耗的“电子束灯”进行无菌包装和医疗设备的表面灭菌正迅速成为表面灭菌的首选方法，因为它无需使用化学品和水，能够减少通常与化学灭菌工艺相关的能源和废物处理费用。2015年，跨国食品包装和加工公司利乐宣布在全球推出配备ebeam的E3平台灌装机，其中包含紧凑的低能电子束灯。“这种灯取代了过氧化氢作为对包装材料消毒的方法。电子束的使用使利乐客户能够减少对环境的影响，同时提高生产速度(超过60%)并降低运营成本。”¹

低能耗EB技术的新机遇

在研发和概念验证中使用全量生产的低能电子束系统所面临的挑战是很多的。全面的电子束系统从未打算用于研究——数量和耗材会迅速增加——而且在工厂预定关闭时间之外获得商业电子束对整个新产品开发过程是一个挑战和破坏。在服务中心完成这些任务同样乏味:出差、有限的现场灵活性，以及缺乏即时反馈的特定研究工具和基础设施，这使得它成为一个门槛很高的方法，只有真正忠诚或禅宗的个性才会满意。

2001年，先进电子束(AEB)推出了一种紧凑的实验室系统(应用开发单元，简称ADU)，该系统包含一个10英寸宽的密封管灯，不需要外部真空泵，也不需要现场更换箔片或灯丝。全球安装了70多个adu，其中许多至今仍在运行。这种紧凑的系统是第一个。它的最大工作电压为150 kV。虽然它的渗透能力有限，但它为实验室和配方商提供了一个优秀的工具，以支持EB产品、工艺和应用开发。AEB已经停业了。

2012年，COMET集团旗下的COMET电子束技术公司制造的新型电子束实验室系统实现了商业化。2022世界杯八强水位分析COMET AG公司是安全无损检测工业x射线源和系统的全球领导者。EBLab采用了COMET公司的密封灯技术，目前在全球范围内分布，包含一个200千伏的灯。300千伏版本的电子束灯也正在开发中，预计将于2016年发布。EBLab200采用了专利的密封灯技术，无需外部真空泵和箔片更换，这些都是大型非集成灯EB系统操作和维护方案的一部分。

密封灯(图1)与高压电缆和电源集成，形成电子束发动机。这种灯技术允许处理电压范围从80到200千伏，这是一个明显的更广泛的功率范围比以往的其他实验室规模的系统。该电子束灯还被COMET公司的PCT工程系统有限责任公司集成为屏蔽内联卷至卷和3D固化系统配置，用于产品开发和生产。因此，从EBLab到全面生产系统的产品开发转移是直接和直接的。

为了提高人们对低能耗电子束技术的认识，以及获取和使用EBLab-200系统，COMET于2015年初在其位于瑞士弗拉马特的全球总部建立了EBLab“工作室”车间区域，并在美国、中国和韩国建立了区域设施。2015年6月，COMET与位于亚特兰大的Georgia Power和富国银行达成合作，以推广低能耗ebeam技术。佐治亚电力公司是南方公司拥有和经营的四家电力公用事业公司中最大的一家。在乔治亚电力公司的客户资源中心(CRC)安装了一个全面运行的EBLab单元，并将用于2015年下半年的一系列共同赞助的研讨会活动。所有有兴趣购买COMET EBLab或PCT集成系统的EBLab研讨会参与者现在都可以向美国富国银行租赁。

除了定于2015年在乔治亚电力公司CRC举办的EBLab研讨会，COMET和PCT正在通过旨在建立基于电子束应用专业核心领域的机构间合作的项目，积极向整个美洲的大学和机构研究设施推广EBLab和电子束技术。北美地区的希望在于，围绕新兴电子束流应用蓬勃发展的大学间合作将与EBLab机构合作伙伴建立起来，鼓励他们建立聚焦于低能电子束技术的课程。到目前为止，双方的合作已经产生了许多ebeam应用的研究项目，并产生了同行评议的论文和文章。

结论

低能电子束加工是一项不断发展的技术。经过几十年的改进和整合，它继续为专注于可持续性、消费者安全、成本竞争力和产品差异化的制造商和品牌所有者提供显著提高生产效率和环境效益的潜力。专注于更小的足迹、可获得性和可负担性的优化将继续普及低能电子束的新兴产品应用的兴趣。在ebeam成为一个家喻户晓的词之前，通过低能量电子束价值链与关键利益相关者的合作将继续不可或缺。

确认

作者要感谢COMET集团的Michael Bielmann博士和Kaspar Zimmerli博士，以及PCT工程系统有限责任公司的John Salkeld和Steve Lapin博士对本文的贡献。同样感谢乔治亚电力公司的CRC作为推广低能电子束技术的合作伙伴。

参考文献

1 Eagle, J.利乐推出eBeam替代过氧化氢杀菌包装材料。https://plus.google.com/110511156977251851193/posts,截止2015年6月23日。

2https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Radiography/EquipmentMaterials/xrayGenerators.htm．