O documento discute a aplicação de feixes de elétrons na cura por radiação e suas aplicações industriais. Apresenta os principais tipos de aceleradores de elétrons usados e exemplos de aplicações como cura de revestimentos, silicones, adesivos, materiais compósitos, esterilização de produtos médicos e alimentícios. A cura por feixe de elétrons oferece vantagens como alta velocidade de processamento e sustentabilidade ambiental.

1. FEIXE DE ELÉTRONS NA
CURA POR RADIAÇÃO E
SUAS APLICAÇÕES
Wilson Aparecido Parejo Calvo
Centro de Tecnologia das Radiações
IPEN-CNEN/SP
wapcalvo@ipen.br
Paulo Roberto Rela
CBE
prela06@yahoo.com.br

2. APPLICATIONS OF RADIATION AND
RADIOISOTOPES TECHNIQUES IN INDUSTRY
Residence Time Distribution
Mass balance
Thin Layer Activation
Gamma scanning
Neutron backscattering
Computer Fluid Dynamics
Single Particle Tracking
Emission computer tomography
Radiography
Digital radioscopy
Computer tomography
Nuclear related techniques
RADIOTRACERS AND
SEALED SOURCES
NDT
INDUSTRY
Gamma irradiation
Electron beam irradiation
Accelerator irradiation
Ion beam irradiation
RADIATION
PROCESSING
NUCLEONICS
GAUGES
NUCLEAR
ANALYTICAL
TECHNIQUES
Transmission
Backscattering
Multibeam & multienergy
Computer tomography
Low activity
Prompt Gamma (PGNAA)
Delayed gamma (DGNAA)
Gamma loggers
X-ray fluorescence (XRF)
Neutron activation analysis (NAA)
Ion beam analysis
Radiometric measurements
Related techniques
Source: IAEA

3. Gamma Rays, Electron Beam and X-Rays
Gamma Rays (60Co)
X-Rays
(10 MeV, 50 kW)
50 cm (1,0 g/cm3)
10 kGy/h
Electron Beam
(5–7 MeV)
5 cm (1,0 g/cm3)
72 MGy/h
> 50 cm (1,0 g/cm3)
100 kGy/h
Source: IBA and IPEN-CNEN/SP

4. SISTEMAS DE CURA (Térmica, UV e EB)
DILUENTE REATIVO
ADITIVOS
ADITIVOS
RESINA
RESINA
PIGMENTOS
SISTEMA
CONVENCIONAL
PIGMENTOS
DILUENTE REATIVO
FOTOINICIADOR
SOLVENTE
SISTEMA UV
ADITIVOS
RESINA
PIGMENTOS
SISTEMA EB
Source: RadTech South America

5. ELECTRON BEAM (EB)
FEIXE DE ELÉTRONS
Source: IBA and IPEN-CNEN/SP

6. FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA
POR FEIXE DE ELÉTRONS
Ligação molecular carbono-carbono antes da cura (LINEAR)
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Ligação molecular carbono-carbono, após a cura utilizando
Electron Beam (RETICULADO)

7. PROCESSO DE CURA POR FEIXE DE
ELÉTRONS (EB)
Não curado
 Os elétrons penetram no material
com velocidade de 2/3 da luz
 As duplas ligações carbono-carbono
são rompidas formando radicais
livres
C
C
 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
C
C
C
C
Curado por EB
C
C
C
C
C
C
C

8. ACELERADORES INDUSTRIAIS DE
ELÉTRONS
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 de Elétrons
 Vantagens: alta velocidade de processamento de produtos bem
definidos e de grandes superfícies com espessuras finas
 Limitações: baixo poder de penetração

9. PARÂMETROS ENVOLVIDOS NO
PROCESSO
 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)
Source: IPEN-CNEN/SP

10. ELECTRON BEAM APPLICATIONS
300
500
Foamed P. E. Plastics
De-NOx/De-SOx of
Exhaust Gas
40
30
300
200
100
Curing
(Coating/Lamination/Printing)
P.V.C.Wire
50
20
10
Curing
Rubber Tire
Foamed P.E.
Heat Shrinkable Tubing
100
Sterilization
1000
Wire & Cable,
Waste Water Treatment
Dose (kGy)
Acceleration Voltage (kV)
2000
Rubber Tire
Sterilization
De-NOx/De-SOx of Exhaust Gas
Heat Shrinkable Tubing
X-ray conversion
P.E.Wire
5000
Dose X Application
P.V.C.Tape
Acceleration Voltage X Application
Source: IAEA

11. Agência Internacional de Energia
Atômica (IAEA)
IAEA Specific Safety Guide
SSG-8
Radiation Safety of Gamma,
Electron and X Ray
Irradiation Facilities
Categoria I
Categoria II

12. FEIXE DE ELÉTRONS (Electron Beam)
EQUIPAMENTOS
Nissin
ESI

13. UV/EB RADIATION CURING - Equipments
Energy Scineces, Inc. (ESI)
(www.ebeam.com)
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
Source: ESI

14. UV/EB RADIATION CURING - Equipments
PCT Engineered Systems, LLC
(www.teampct.com)
Voltage: 70 to 125 keV
Voltage: 125 to 300 keV
Web widths: 36”(914mm) to 68”(1,727mm)
Web widths: 130” (3,300 mm)
Source: PCT

15. AEB two module pilot line

16. AEB two modules production line

17. Descontaminação superficial (EB)
AEB unit for surface decontamination
41 cm x 6.3 cm beam window
21 cm diameter module

18. EB Compacto
Unidade de Laboratório
Acelerador de
elétrons
Blindagem do
sistema de
transporte
Painel de
controle
Fonte de
alimentação
CLP/computador

19. UV/EB RADIATION CURING - PERFORMANCE
EB
versus
 High energy
 High crosslinking density
 High penetration into opaque materials
 No photoinitiators
 Speed cure at hundredths of seconds
UV (Free Radicals)
 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
Source: RadTech South America

20. ELECTRON BEAM (EB) CURING
ENERGY
Voltage (keV)
150
175
200
300
VELOCITY PROCESSING
Layer thickness (µm)
100
150
250
500
ITEMS
Dose (kGy)
20
Velocity (m/min)
0-600
Applications
Silicone application
30
0-600
Printing
60
0-200
Adhesives
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
Source: IPEN-CNEN/SP

21. Penetração do Feixe de Elétrons (EB)
Energia (keV)
300
200
100
0
0
100
200
300
400
Penetração (microns)
Source: IPEN-CNEN/SP

22. Economia de Energia
Energia Necessária para Cura do Revestimento
(cal/g do material curado)

Solvente
177 cal/g
Água
810 cal/g
Cura por EB
< 7cal/g
Source: IPEN-CNEN/SP

23. Economia de Energia Elétrica
Sistemas
Solvente
Cura EB
 Revestimento sólido
60%
100%
 Energia para curar (kJ/m2)
328
0.86
91
0.24
(solvente = 27,3 kJ/g e
EB dose = 30 kGy)
 Energia elétrica (Wh/m2)
Source: IPEN-CNEN/SP

24. Amigável ao Meio Ambiente

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
*VOC – Componentes orgânicos voláteis

25. Amigável ao Meio Ambiente
Sistemas
 Sólidos no revestimento
 Revestimento seco (g/m2)
 VOC*/m2, g
Solvente
60%
20 g
12 g
Cura EB
100%
20 g
0g
(Solvente = 0,9 g/cm3)
 CO2 do solvente
(Incineração do solvente)
*VOC – Componentes orgânicos voláteis
7 g/m2
não há

26. Custo Anual de Processamento
Source: Radtech (USA) 2006

27. COMPARAÇÃO DOS CUSTOS NA IMPRESSÃO DE
EMBALAGEM PARA PRODUTO ALIMENTÍCIO

28. MERCADO PARA OS ACELERADORES DE
ELÉTRONS (150keV – 300keV)
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

29. Aplicações dos Aceleradores
Industriais de Elétrons
150 keV - 300 keV

30. UV/EB RADIATION CURING
e5
efficient
enabling
economical
energy savings
environmental friendly
Source: RadTech

31. APLICAÇÕES
 Cura de revestimentos e tintas de impressão
08/03/2008 : Food Contact
Notification (FCN) 772 Food and Drug
Administration (FDA)
 Cura de silicones, adesivos e filmes
Permite o contato direto
dos revestimentos
curados por UV&EB com
alimentos
 Cura de materiais estruturais (materiais compostos)
X-33/Venture Star
F22- ASTOVL

32. APLICAÇÕES
 Papel e papelão
 Filmes plásticos
 Paineis de madeira
 Bobinas metálicas
SUBSTRATOS
ONDE O FEIXE DE
ELÉTRONS PODE
SER APLICADO

33. Advanced Packaging Materials
 Application of Radiation Technology in the Development 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

34. Aplicações dos Aceleradores
Industriais de Elétrons
300 keV - 10 MeV

35. ACELERADORES DE ELÉTRONS NO IPENCNEN/SP (1,5 MeV)
 Aceleradores dimensionados pelo
fabricante
 Alta blindagem
 Formação de raios X durante a
irradiação
 Necessitam atmosfera inerte em
função da formação de ozônio
 Exaustão

36. PROCESSO DE CURA POR FEIXE 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

37. IRRADIATION OF WIRE/ELECTRIC CABLES AND
POLYETHILINE FOAM
ACOME (Brazil) = 15,000 km/month
Source: IPEN-CNEN/SP

38. HEAT SHRINKABLE TUBES IRRADIATION
SEMICONDUCTORS IRRADIATION and POLYMER DEGRADATION
Powered
Diodes
PTFE (TeflonTM)
Source: IAEA and IPEN-CNEN/SP

39. IRRADIATION OF TIRES COMPONENTES
Japan: Automobiles
tires = 95%
BRAZIL: Bridgestone-Firestone
Source: IPEN-CNEN/SP

40. Materiais Compósitos
 Indústrias Automobilísticas e
Aeroespaciais

41. Materiais Compósitos

42. ACELETRON INDUSTRIAL IRRADIATION
18 kW (10 MeV)
Source: ACELETRON

43. FOOD IRRADIATION
• Military Food (10-50kGy)
• Potatoes and Onions (0.05-0.15kGy)
• Bread (2-10kGy)
• Strawberries (0.2-1.0kGy)
Brazilian Agrobusiness:
43% of the total exportation
Source: IPEN-CNEN/SP

44. RHODOTRON
TT200 (100 kW)
 Radiation Curing of
Composites for Enhancing
their Features and Utility in
Health Care and Industry:
Development of Radiation
Processing to Functionalize
Carbon Nanofiber to Use in
Nanocomposite for
Industrial Application
Sterilized
Medical
Devices:
135.000
m³/year
Source: IAEA, IPEN-CNEN/SP and CBE

45. STERILIZATION OF MEDICAL, PHARMACEUTICAL AND
BIOLOGICAL PRODUCTS
World: ~60% (1500 electron beam
accelerators)
STERILIZATION PROCESSES
NECESSARY
CONTROLS
Time
Temperature
Package
Pressure
Humidity
Concentration
pH
Gases
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
Liquids
Vapor
Filtration
Radiation
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
xxxxxxx
xxxxxxx
xxxxxxx
xxxxxx
xxxxxx
Source: IAEA

46. MOBILE ELECTRON ACCELERATOR
Beam Energy: 0.4 ~ 0.7
MeV
Beam Power: 20 kW
Total weight: 40 tons
Source: EB-Tech

47. Mobile e-beam in flue gas purification from oilrefinery in Saudi Arabia
Source: EB-Tech

48. MUITO
OBRIGADO !