ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 3, с. 169-172
PАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ =
УДК 537.533.9,537.533.2,53.044
РАДИАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА НАТУРАЛЬНОГО ЛАТЕКСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШИРОКОАПЕРТУРНОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ
© 2015 г. М. С. Воробьёв*, В. В. Денисов*, Н. Н. Коваль*, В. В. Шугуров*, В. В. Яковлев*, K. Uemura**, P. Raharjo**
*Институт сильноточной электроники СО РАН 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 E-mail: vorobyovms@yandex.ru **ITAC Ltd
8-2 Kamisuwa Tsubame City Niigata 959-0181 Niigata, Japan Поступила в редакцию 15.09.2014 г.
При использовании ускорителя электронов на основе плазменного катода с сеточной стабилизацией границы эмиссионной плазмы и выводом пучка в атмосферу проведены эксперименты по радиационной обработке натурального латекса. Результаты радиационной обработки оценивались по изменению прочностных характеристик каучуковых образцов, изготовленных после термической вулканизации обработанного латекса. Максимальное значение прочности на разрыв таких образцов составило 21 МПа при введении в него суммарной дозы облучения около 27 Мрад, что является перспективным для экологически чистой вулканизации натурального латекса, используемого в медицинских целях.
DOI: 10.7868/S002311931503016X
Выведенные в атмосферу электронные пучки большого сечения площадью (102—104) см2 применяются в радиационно-химических процессах, для накачки газовых лазеров, полимеризации полиэфиров и др. [1—3]. Особенностью работы [4] является достижение высокого значения прочности на разрыв каучуковых образцов (до 35 МПа), изготавливаемых из натурального латекса со специальными добавками, обработанного непрерывным электронным пучком с током до 10 мА и энергией 250 кэВ. Целью такой электронно-пучковой обработки является образование дополнительных поперечных связей между молекулами цис-1,4-полиизопрена — основного компонента натурального латекса [5]. Недостатком этого метода является обязательное добавление в латекс нормального бутилакрилата или нонан-диол-диа-крилата, которые используются в качестве эффективных катализаторов для радиационной вулканизации латекса, но при этом увеличивают коагуляцию латекса и приводят к токсичным испарениям, что может поставить под угрозу цель коммерциализации процесса особенно при использовании латекса в медицинских целях. Стремление перейти к химически чистой обработке натурального латекса вызвано наличием различных аллергических реакций у человека на вещества (сера, эпоксидная смола и др.), вводимые в латекс, в том числе, при традиционном химическом методе обработки.
Из-за этого проблема химически чистой обработки натурального латекса с достижением повышенных механических свойств изготавливаемой из него конечной продукции стоит остро. В последние десятилетия для решения этой проблемы используется процесс у-облучения натурального латекса с использованием кобальтовых пушек (60Со), при котором максимальные значения прочности на разрыв образцов, изготовленных из обработанного таким способом латекса, достигают 18 МПа [5]. Производительность процесса обработки латекса на основе такого метода облучения составляет до 50 кг/ч и требует специальной радиационной защиты персонала от генерируемого излучения.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Основываясь на результатах предварительных исследований [6], для модификации натурального латекса под действием электронного пучка в настоящих исследованиях использовался импульсный широкоапертурный ускоритель электронов с плазменным катодом [7].
Схема импульсного широкоапертурного ускорителя электронов представлена на рис. 1. В вакуумной камере диаметром 80 см и длиной 130 см на проходном изоляторе закреплен сетчатый плазменный эмиттер 1 на основе дугового разряда
9
8
10 ре-
Рис. 1. Схема ускорителя электронов с сеточным плазменным эмиттером: 1 — плазменный эмиттер, 2 — полый анод, 3 — катод, 4 — поджигающий электрод, 5 —эмиссионная сетка, 6 — опорная решетка, 7 — выводная фольга, 8 — источник питания разряда, 9 — источник питания поджига, 10 — источник высокого напряжения.
низкого давления. Плазменный эмиттер представляет собой полый полуцилиндр из нержавеющей стали диаметром 30 см и длиной 80 см, на торцах которого закреплены два катодных узла на основе дуги низкого давления с инициированием катодного пятна разрядом по поверхности диэлектрика. Внутренняя поверхность полуцилиндра играет роль общего полого анода 2 для двух катодных узлов. Катодный узел состоит из диэлектрического основания, на котором закреплены магниевый катод 3 диаметром 4 мм и длиной 10 мм и поджигающий электрод 4, разделенные коаксиальным зазором 1 мм. На боковой стороне плазменного эмиттера имеется эмиссионное окно размерами (15 х 75) см2, перекрытое эмиссионной сеткой 5 из нержавеющей стали с размером ячейки (0.4 х 0.4) мм. Электроны извлекаются из плазмы через ячейки сетки под действием постоянного высокого напряжения до 200 кВ, обеспечиваемого источником 10, и ускоряются в промежутке между эмиссионной сеткой плазменного эмиттера и выпускным окном 6 размерами (15 х 75) см2, переОсновные параметры электронного пучка
Энергия электронов, кэВ от 100 до 200
Ток эмиссии, А от 5 до 100
Длительность импульса, мкс от 5 до 100
Частота следования импульсов, Гц от 1 до 50
Размеры пучка, мм 750х 150
Неоднородность плотности тока по сечению пучка, % ±15
крытым алюминий-магниевой фольгой 7 толщиной 30 мкм, проходя которую электроны выводятся из вакуума в атмосферу.
В описываемом ускорителе электронов с сетчатым плазменным эмиттером и выводом пучка в атмосферу параметры пучка (энергия электронов, амплитуда тока пучка, длительность и частота следования импульсов) независимо регулируются в широком диапазоне (таблица, рис. 2). Регулировка амплитуды тока пучка осуществляется путем изменения величины тока в разрядных ячейках плазменного эмиттера, длительность импульса тока пучка и частота следования таких импульсов определяются временем горения разряда и частотой его инициирования, соответственно.
Для эффективного образования поперечных связей необходимо равномерное облучение латекса по его объему. При энергии электронов 200 кэВ глубина проникновения электронов в латекс составляет ~0.2 мм, что не позволяет одновременно обрабатывать большой объем латекса. Поэтому в отличие от работы [6], где использовалась роторная система прокачки латекса, в настоящей работе была разработана и изготовлена система для многократного прохождения латекса под пучком электронов (рис. 3), состоящая из перистальтического насоса 1 со скоростью подачи латекса 40 л/ч, реакционной кюветы, где происходила обработка латекса, и системы трубопроводов. Реакционная кювета состоит из емкости для накопления латекса 2, зоны обработки 3 размером (17 х 9) см2, расположенной под углом 3° к плоскости выводной опорной структуры фольгового окна, и емкости слива 4, где происходит перемешивание латекса. В итоге равномерность облучения достигается обеспечением ламинарного движения латекса в зоне обработки с заданной скоростью, и дальнейшим перемешиванием обработанного латекса с исходным и частично обработанным.
Величина дозы облучения должна быть достаточно большой для образования максимального количества поперечных связей, но ограничена такой величиной, при которой не происходит коагуляции латекса уже в процессе его обработки. Поэтому, зная параметры системы прокачки латекса и параметры пучка, был подобран следующий режим его оптимальной обработки импульсным электронным пучком: ускоряющее напряжение 160 кВ, ток эмиссии 30 А, длительность импульса 35 мкс, частота следования импульсов 10 Гц.
После облучения латекса из него изготавливались образцы размером (150 х 100 х 0.5) мм, которые в течение 24 ч выдерживались в атмосфере воздуха при комнатной температуре, а затем после вымачивания в 1%-ном растворе аммиака нагревались в печи при температуре 70°С до полной вулканизации. Из полученного каучукового полотна вырубались образцы в форме "лопатки"
3
РАДИАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА НАТУРАЛЬНОГО ЛАТЕКСА
171
/э, А
60 Г
50 40 30 20 10
(а)
0 20 40 60 80 100120140160180 иу, кВ
10
(б)
20
30
1р, А
40
50
Рис. 2. Зависимость тока эмиссии 1э от величины ускоряющего напряжения иу при = 50 А (а) и от тока разряда при иу = 160 кВ (б).
для зажима их в универсальной испытательной машине "Zwick-2.5", с помощью которой эти образцы по стандартной методике разрывались для определения их прочности на разрыв.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Известно, что самым важным в практическом отношении радиолитическим превращением в полимерах является сшивание [3]. В результате, при увеличении дозы облучения сетчатая структура полимера становится все более частой, а прочность образцов, изготовленных из обработанного пучком латекса, линейно растет (рис. 4).
Максимальное значение прочности на разрыв каучуковых образцов, составившее 21 МПа, получено при введении в натуральный латекс дозы облучения, равной 27 Мрад. По литературным данным, это значение прочности на разрыв является рекордным среди химически чистых процессов получения натурального каучука. Дальнейшее увеличение дозы облучения, поглощенной жидким натуральным латексом, приводит к его вулканизации уже в процессе электронно-пучковой обработки и к образованию на поверхности латекса стекловидного слоя, что делает невозможным его использование, и, в частности, изготовление и исследование каучуковых образцов.
е -Ъеаш
3
1
Рис. 3. Схема системы прокачки латекса.
Т, МПа
0 5 10 15 20 25 30 Б, Мрад
Рис. 4. Зависимость прочности на разрыв образцов Т от введенной в латекс дозы облучения Б.
ВЫВОДЫ
Показана возможность эффективного использования широкоапертурного импульсного электронного пучка с длительностью импульсов в десятки микросекунд в процессах предварительной радиационной сшивки натурального латекса без добавления дополнительных веществ, ускоряющих процесс вулканизации.
Полученный режим облучения натурального латекса под действием импульсного электронного пучка позволяет получать максимальное значение прочности на разрыв каучуковых образцов 21 МПа при введении в натуральный латекс дозы облучения, равной 27 М
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.