低能電子束設(shè)備與應(yīng)用

嚴(yán)鵬程 賈朝偉, 曾 利 劉 凡,

1（四川智研科技有限公司 綿陽 621000）

2（江蘇智研科技有限公司 鎮(zhèn)江 212400）

電子束(Electron beam,EB)是一種先進(jìn)制造技術(shù),是國外眾多高新技術(shù)產(chǎn)品背后的底層共性技術(shù),具有典型的"5E"特征:高效(Efficiency)、創(chuàng)新(Enabling)、 經(jīng) 濟(jì)(Economic)、 節(jié) 能(Energy‐Saving)、環(huán)保(Environment‐friendly)[1]。1973 年,荷蘭將第一臺低能電子束設(shè)備用于板材家具的涂裝固化。經(jīng)過八九十年代的快速發(fā)展，低能電子束固化技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的運(yùn)用，如高分子材料改性、印刷涂層固化、復(fù)合材料、輻照消毒滅菌等［2‐5］。低能電子束輻射加工、輻射固化、消毒滅菌等過程都是冷加工，應(yīng)用在熱敏感材料上尤具優(yōu)勢。低能電子束固化產(chǎn)品在耐污性能、耐刮痕性能、耐溶劑性能等方面更加優(yōu)異，并且在制造過程中無排放，無化學(xué)殘留。

由于國外的EB設(shè)備價(jià)格昂貴，與之配套的涂料、油墨等價(jià)格也十分昂貴。國內(nèi)自主研發(fā)的設(shè)備推出較晚，尤其是沒有適合研究開發(fā)用的價(jià)格低廉的小型低能EB實(shí)驗(yàn)設(shè)備，導(dǎo)致國內(nèi)配套的油墨、涂料、黏接劑等關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用工藝研究滯后，沒有形成完善的體系，制約了國內(nèi)低能EB應(yīng)用市場的發(fā)展。除了極少數(shù)無需配套深度技術(shù)研究的領(lǐng)域（電線電纜、熱縮制品等）有工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用外，國內(nèi)其他的領(lǐng)域應(yīng)用非常少見。

公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)從2003 年開始涉足民用低能電子加速器領(lǐng)域，經(jīng)過十幾年的深入研究，掌握了完整的核心技術(shù)體系，擁有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，于2015 年創(chuàng)立四川智研科技有限公司，2017 年正式創(chuàng)立江蘇智研科技有限公司，成為國內(nèi)首家專業(yè)提供低能EB設(shè)備及應(yīng)用技術(shù)的公司。公司推出了全球最小的桌面型實(shí)驗(yàn)用低能EB整機(jī)設(shè)備、可自由組合的MiniMEB 模塊、用于高速涂層固化低能EB設(shè)備，以及用于薄膜輻照改性和輪胎電子束預(yù)硫化的高轉(zhuǎn)換效率、高生產(chǎn)速度的EB設(shè)備等系列成熟的工業(yè)化產(chǎn)品。隨著國內(nèi)自主研發(fā)的高性價(jià)比低能EB設(shè)備的不斷推出，以及國家雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施，低能電子束在輻射改性、輻射固化、輻射消毒滅菌等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展前景。

1 工業(yè)輻照電子束設(shè)備分類

電子束設(shè)備種類繁多，在工業(yè)輻射加工行業(yè)，一般根據(jù)電子束能量范圍、技術(shù)類型、電子加速結(jié)構(gòu)和引出方式分類。詳細(xì)分類如表1所示，其中超低能電子束和低能電子束是智研科技的主要產(chǎn)品，包括掃描式和電子簾式引出兩種結(jié)構(gòu)形式。

表1 工業(yè)輻照電子束設(shè)備分類Table 1 Classification of industrial irradiation electron beam equipment

2 低能電子束核心技術(shù)

低能電子束設(shè)備的核心關(guān)鍵技術(shù)包括高壓電源、高壓傳輸線、電子源、加速結(jié)構(gòu)、引出窗、射線自屏蔽系統(tǒng)等，智研科技都擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。智研科技公司的電子束設(shè)備在核心技術(shù)上所具優(yōu)勢見表2。

表2 智研工業(yè)輻照電子束設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢Table 2 Key technical advantages of industrial irradiation electron beam equipment of Zhiyan company

續(xù)表

3 MEB-160型桌面電子束實(shí)驗(yàn)設(shè)備

國外EB實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴的價(jià)格制約了國內(nèi)配套涂料以及輻照工藝等技術(shù)的開發(fā)。智研科技研制的MEB‐160 和MEB‐200 型EB 實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積小、重量輕、價(jià)格親民、操作便利，突破了制約國內(nèi)電子束應(yīng)用配套技術(shù)開發(fā)的瓶頸，將助力國內(nèi)電子束技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

MEB‐160桌面型EB實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只需一張實(shí)驗(yàn)桌的面積和一個普通的AC220V供電插座，即可開啟EB輻射技術(shù)的研究開發(fā)工作。設(shè)備內(nèi)置氮?dú)獗Ｗo(hù)結(jié)構(gòu)和冷卻散熱系統(tǒng)，無需外接冷卻水，具有安全可靠的射線自屏蔽結(jié)構(gòu)，極低的泄漏劑量（低于自然環(huán)境中的本底劑量）。設(shè)備操作簡便，只需在觸摸屏上設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需的電子束能量和輻照劑量，一鍵啟動即可完成樣品輻照。一個樣品輻照實(shí)驗(yàn)僅需1～3 min，一個小時可以開展幾十次樣品輻照試驗(yàn)，開發(fā)效率極高。觸摸屏上自帶劑量深度分布曲線，方便研究人員隨時查看產(chǎn)品厚度所需要的電子束能量參數(shù)。

MEB‐160 桌面型的電子束能量調(diào)整范圍75～160 keV；MEB‐200 型可移動型的電子束能量調(diào)整范圍75～200 keV。樣品尺寸：300 mm×210 mm（可定制）。設(shè)備及尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 MEB‐160桌面電子束設(shè)備Fig.1 MEB‐160 desktop electron beam

圖2 MEB‐160型桌面電子束外型尺寸Fig.2 MEB‐160 overall dimension

桌面電子束在輻射固化行業(yè)應(yīng)用廣泛，如在油墨、涂料、膠黏劑、光油等印刷或涂層電子束固化的配方實(shí)驗(yàn)和研發(fā)。主要在科研院所、高校、有研發(fā)能力的企業(yè)，用于材料、配方等新材料、新工藝、新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。桌面型電子束固化裝置在2021年榮獲中國感光學(xué)會技術(shù)發(fā)明二等獎。

在消毒滅菌行業(yè)，如2021年智研科技的MEB‐160型桌面電子束應(yīng)用到中國科學(xué)院微生物研究所P3實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于新型冠狀病毒滅活研究，如圖3所示。

圖3 桌面電子束在P3實(shí)驗(yàn)室Fig.3 Desktop electron beam used in P3 Laboratory

4 CEB-200型高速EB固化設(shè)備

CEB‐200 型有兩種型號，劑量速度積分別為6 000 kGy·(m/min)和12 000 kGy·(m/min)，與國外最先進(jìn)的低能EB設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)。劑量速度積是指電子束設(shè)備在額定能量、額定功率（束流）、額定輻照寬度下劑量和速度的乘積，表示EB設(shè)備的輻照加工生產(chǎn)能力。例如，電子束能量為120 keV，輻照寬度1 200 mm；在產(chǎn)品最大傳輸速度為400 m/min時，產(chǎn)品吸收劑量為30 kGy，則表示為12 000 kGy·(m/min)@1 200 mm@120 keV。假如該設(shè)備用于輻照產(chǎn)品吸收劑量40 kGy 油墨的生產(chǎn)線,則生產(chǎn)速度最快為12 000 kGy·(m/min)/40 kGy=300 m/min@120 keV@1 200 mm。電子束能量90～200 keV，輻照寬度460～1 400 mm（可定制）；設(shè)備輻照室內(nèi)氮?dú)鉂舛却笥?9.99%；設(shè)備體積尺寸3 986 mm×2 880 mm×2 450 mm，主要應(yīng)用在薄膜輻射交聯(lián)［6］，以及壓敏膠、卷鋼卷鋁、離型紙、裝飾紙、裝飾膜［7‐8］、保護(hù)膜、復(fù)合材料、復(fù)合膜等行業(yè)印刷或涂層固化應(yīng)用，設(shè)備如圖4所示。

圖4 CEB‐200型電子束固化設(shè)備Fig.4 CEB‐200 electron beam curing equipment

圖4設(shè)備在膠黏劑輻射固化的工業(yè)化應(yīng)用。在國內(nèi)首套電子束膠帶涂層固化生產(chǎn)線上，選擇劑量速度積為6 000 kGy·(m/min)的CEB‐200 型電子束設(shè)備，在劑量30 kGy 條件下，生產(chǎn)線速度可達(dá)200 m/min。該生產(chǎn)線取消了傳統(tǒng)熱固化生產(chǎn)線大于40 m 的烘箱，縮短了生產(chǎn)線長度，替代了熱固化技術(shù)，固化過程無揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率，生產(chǎn)線如圖5所示。

圖5 CEB‐200型電子束在膠帶固化行業(yè)應(yīng)用Fig.5 CEB‐200 used in tape curing industry

在高速輻射固化行業(yè)，如在煙包光油涂層固化生產(chǎn)線上，能量100～120 keV、劑量速度積為12 000 kGy·(m/min)的CEB‐200 型電子束設(shè)備在劑量30 kGy的條件下，生產(chǎn)線速度可達(dá)400 m/min。

表面消毒滅菌的應(yīng)用。在全球新冠疫情的2021 年，智研科技采用低能電子束輻照技術(shù)，結(jié)合福建師范大學(xué)和廈門金龍汽車在工藝技術(shù)上的研究，完成國內(nèi)首套工程化生產(chǎn)線。解決冷鏈?zhǔn)称吠獍b新冠病毒污染問題，完成冷鏈?zhǔn)称钒b的外表面新冠滅活。在不影響食品和保護(hù)作業(yè)人員安全前提下，對冷鏈?zhǔn)称吠獍b進(jìn)行輻照，達(dá)到消毒滅菌或滅活病毒效果。該項(xiàng)目由國家疾控中心主任高福院士、黃維院士、蘇國輝院士等組成的專家組一致同意通過驗(yàn)收。設(shè)備生產(chǎn)線如圖6所示。

圖6 CEB‐200型電子束在冷鏈包裝消殺應(yīng)用Fig.6 Application of CEB‐200 in cold chain packaging

該技術(shù)和裝置還適用于境外包裹、郵件和行李箱表面病毒、微生物、細(xì)菌的消殺。

5 CEB-500型高速輻照電子束設(shè)備

電子束能量300～500 keV，束流150 mA，采用自主研發(fā)的轉(zhuǎn)換效率90%的高壓電源、強(qiáng)流電子槍、高效加速管和高密度引出窗，整機(jī)能耗只有傳統(tǒng)地那米型電子加速器的40%左右。一臺CEB‐500型生產(chǎn)線產(chǎn)能與兩臺傳統(tǒng)地那米加速器生產(chǎn)線的產(chǎn)能相當(dāng)，整體能耗更低，有效降低用戶的投資成本和使用成本。CEB‐500型采用獨(dú)創(chuàng)的即開即用技術(shù)，正常開機(jī)無需進(jìn)行高壓鍛煉，通電即可生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。目前主要應(yīng)用在橡膠輪胎、太陽能乙稀-醋酸乙稀共聚物（EVA）薄膜、包裝薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶滅菌等行業(yè)。

在輪胎行業(yè)的應(yīng)用，如2009 年團(tuán)隊(duì)研發(fā)出國內(nèi)第一臺輪胎輻射預(yù)硫化自屏蔽電子束設(shè)備，成功用在輪胎半鋼簾子布預(yù)硫化生產(chǎn)線上［9］。CEB‐500 型獨(dú)創(chuàng)的緊湊型自屏蔽結(jié)構(gòu)，寬度僅1.2 m，可直接嵌入到已有生產(chǎn)線中，無需對生產(chǎn)線進(jìn)行大的改動，方便客戶使用最新的電子束預(yù)硫化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。隨著技術(shù)的發(fā)展，智研科技在第一代設(shè)備基礎(chǔ)上完成了設(shè)備小型化和升級。2017 年成功研發(fā)了第二代電子束輻射預(yù)硫化裝置，設(shè)備如圖7所示。

圖7 CEB‐500型電子束在輪胎橡膠領(lǐng)域應(yīng)用Fig.7 CEB‐500 used in tire rubber field

在太陽能EVA 薄膜輻射改性領(lǐng)域，如團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國內(nèi)第一臺太陽能白色EVA 薄膜輻照低能自屏蔽電子束設(shè)備，于2014 年在上海海優(yōu)威新材料股份有限公司建成并投入使用，隨后該行業(yè)增加了數(shù)十臺自屏蔽電子束設(shè)備，為推動太陽能行業(yè)快速發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。設(shè)備在太陽能EVA 膠膜的輻照交聯(lián)生產(chǎn)線上配合專用的高速自動收放卷設(shè)備，生產(chǎn)速度可達(dá)100 m/min，年運(yùn)行8 000 h，與傳統(tǒng)地那米EB設(shè)備相比可節(jié)省電費(fèi)約80萬元/年。電子束設(shè)備在太陽能EVA薄膜、食品包裝膜、建筑用膜生產(chǎn)線如圖8所示。

圖8 CEB‐500型電子束在太陽能EVA薄膜/食品包裝薄膜行業(yè)應(yīng)用Fig.8 Application of CEB‐500 in solar EVA film/food packaging film industry

低能電子束在線消毒滅菌行業(yè)應(yīng)用，如智研科技低能電子束在PET 瓶無菌灌裝行業(yè)的工業(yè)化生產(chǎn)線的應(yīng)用，通過電子束對PET 瓶的輻照滅菌［10‐11］，替代過氧乙酸等化學(xué)滅菌技術(shù)，產(chǎn)品無化學(xué)殘留，實(shí)現(xiàn)低溫消毒滅菌；保證無菌灌裝的安全、環(huán)保、節(jié)能、高效率和高經(jīng)濟(jì)效益消毒滅菌。生產(chǎn)線集吹瓶、滅菌、灌裝、旋蓋、包裝為一體，如圖9所示。

圖9 CEB‐500型電子束在PET瓶無菌灌裝行業(yè)應(yīng)用Fig.9 Application of CEB‐500 in PET bottle aseptic filling industry

該設(shè)備可對瓶體內(nèi)外360o全面無死角（含瓶口、瓶頸、瓶身和瓶底）滅菌。設(shè)備滅菌速度可達(dá)24 000/36 000/48 000瓶/h，滅菌效果可達(dá)6log以上（6log是指滅菌后細(xì)菌數(shù)量為滅菌前細(xì)菌數(shù)量的1×10-6），相對于傳統(tǒng)方式節(jié)約能耗85%，減少污水排放。

6 MiniMEB模塊

MiniMEB 模塊電子束能量90～200 keV，束流30 mA，電子束照射寬度330 mm。采用高壓電源與EB 模塊分離的方式，用柔軟的高壓電纜連接，方便用戶自建小型連續(xù)生產(chǎn)線或中試生產(chǎn)線，也可用多臺MiniMEB組成寬幅生產(chǎn)線。

低能電子束在氣體處理，如消毒滅菌、降解、除味等方面的應(yīng)用。作為特殊環(huán)境和特殊區(qū)域的應(yīng)用，而且可移動應(yīng)用，具體應(yīng)用如圖10所示。

圖10 電子束模塊在氣體處理行業(yè)的應(yīng)用Fig.10 Application of electron beam module in gas processing industry

低能電子束在線消毒滅菌應(yīng)用，如利用1個或多個MiniMEB 模塊，國外有利用三個模塊，120o環(huán)繞方式照射生物藥品、牛奶、食品等包裝盒，提高無菌灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低能耗及減少污染物排放，模塊如圖11所示。

圖11 智研電子束模塊在線消毒滅菌應(yīng)用Fig.11 Application of on‐line disinfection and sterilization of MiniMEB module

7 低能電子束設(shè)備參數(shù)

電子束設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)包括電子束能量、束流強(qiáng)度、吸收劑量、輻照寬度、劑量均勻性［12］等，可供設(shè)備選型參考，具體如圖12所示。

圖12 電子束設(shè)備參數(shù)選擇Fig.12 Selection of parameters of electron beam equipment

結(jié)合產(chǎn)品需要處理部位的厚度，以及在此厚度深度方向上的劑量分布均勻性或梯度的要求，可以初步確定電子束能量的范圍。對于油墨、膠黏劑、涂料等涂層的電子束固化，需要固化的厚度均在0.1 mm 以內(nèi)，因此采用低能電子束能量為100～150 keV 比較合適。對于PE/POF/PVDC 等食品包裝薄膜、太陽能EVA 薄膜、輪胎橡膠等高分子材料的輻照改性，處理厚度約在0.2～1.0 mm，因此采用電子束能量一般在200～500 keV范圍。

8 總結(jié)

隨著國內(nèi)自主研發(fā)的低能EB設(shè)備的推出，以及配套工藝和材料研究日益成熟，低能電子束這一先進(jìn)的基礎(chǔ)共性技術(shù)，必將賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。江蘇智研科技已建有實(shí)驗(yàn)研發(fā)用100～200 keV 電子束設(shè)備，100～500 keV 電子束應(yīng)用中試實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線，為下游行業(yè)客戶提供研發(fā)和中試的共享研發(fā)平臺；同時還建設(shè)有工業(yè)化生產(chǎn)線，為新材料、新技術(shù)和新工藝發(fā)展提供共享平臺；提供小批量實(shí)驗(yàn)，批量加工的共享工廠。智研科技將不斷推出適合各領(lǐng)域應(yīng)用的低能EB設(shè)備，與應(yīng)用研發(fā)的科研院所、高校以及行業(yè)用戶一起，共同為實(shí)現(xiàn)國家雙碳目標(biāo)出作出貢獻(xiàn)。

作者貢獻(xiàn)說明 嚴(yán)鵬程和賈朝偉在本文的工作中完成了相關(guān)應(yīng)用的梳理，分析及總結(jié)，是文章的主要創(chuàng)作者和執(zhí)行者。曾利和劉凡為文章提供了相關(guān)素材來源，并對文章的撰寫與修改提供了積極的建議。