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多“才”多“艺”之工业领域——非凡的辐射加工

2019-01-22 16:40          辐照 核技术 辐照技术 辐照加工
辐射加工,被誉为人类“加工技术的第三次革命”,是指利用射线辐照被加工物体,使其品质或性能得以显著提升的技术。这种技术有别于传统的机械加工和热加工技术,射线深入到物质内部进行“加工”・其原理并非基于分子热运动,而是射线与物质相互作用产生的各种效应,且在常温下进行,是一种清洁的加工技术。

国内外,辐射加工在高分子材料、食品保藏、卫生医疗用品的消毒等诸多领域广泛应用。

一、辐射改性得良材

人们利用辐射加工制造出具有神奇属性的材料,解决了生产、生活中的难题,如信息功能材料、能源功能材料、智能材料、生物材料、碳素材料、环保材料、高性能结构材料、功能高分子材料先进复合材料等等。

电线、电缆常常长期被埋在地下泡在水中或长年累月暴露在空气中经受着风吹雨淋和日晒,因而它要有优良的电气性能的同时还要具备较强的抗氧化性能。航天航空、海上采油、通信、核能开发等许多领域都会用到高品质的电线电缆,辐照加工帮人们解决了上述问题。

聚氯乙烯受到γ射线或电子東照射后,聚氯乙烯分子间的柔性线性结构交联为刚性的三维立体结构,使材料性质发生显著变化,具有“记忆”原来形态的性能,可通过加热恢复原状,此外还具有良好的阻燃性、耐寒性、耐热性、耐恶劣环境等特点。这种材料制成的电缆(图3-14)已广泛应用于大亚湾核电站、神州5号航天工程、三峡水利枢组、庆祝建国50周年天安门广场改造等国家重点工程项目中。

图3-14辐射加工的电缆

含胶双壁热缩套管(图3-15)外层采用优质的聚烯烃合金,内层热熔胶复合加工而成。经电子加速器辐照交联、连续扩张后形成最终产品:外层具有柔软、低温收缩、绝缘、防腐、耐磨等优点内层具有低熔点、粘附力好、防水密封和机械应变缓冲性能等优点这项技术广泛应用于电子设备的接线防水、防漏气,多股线東的密封防水(如家电线束、汽车线束等),电线电缆分支处的密封防水,金属管线的防腐保护,电线电缆的修补,水泵和潜水泵的接线防水等作业。

图3-15辐射交联热缩套管 图3-16辐射加工的热缩袋

利用“记忆效应”,还可以制造热缩膜。热缩膜可以做保鲜食品袋(热缩袋,图3-16)。装进食品抽真空之后,再加热,食品袋就会强烈收缩,紧贴在食品上。这样,食品就可以隔绝空气,长期保存不变质,确保食品安全。人们从超市买来的烧鸡、烤鸭就是这样的包装。

二、病毒细菌的“快速杀手”

有数据显示,每张人民币平均含菌量17.8万个,5角、1元、1角面额的纸币,每张附带的菌数更高达1800万个。人民币在流通过程中接触人员众多,层次复杂,已成为致病细菌传播的重要途径之,因此钱币需要消毒。除此之外,医疗用品、食品、餐具、衣物内等也都需要消毒灭菌。可以说消毒灭菌已经成为人类生活重要的组成部分。

常规的消毒灭菌方法有高温高压、气体熏蒸消毒,但这两种方法有较大的缺点。高温高压法存在灭菌不彻底的弊端,同时对材料有所选择,不适用于那些对热敏感的材料(如塑料制品、一些橡胶制品等)。气体熏蒸方法是用化学气体熏蒸物品从而达到消毒、灭菌的方法,该方法主要使用环氧乙烷、溴甲烷等化学物质。因此,要求包装材料必须透气(又不能透菌),否则在产品中将有化学物质残留,同时不能滲进气体的地方将会有微生物残留。特别值得指出的是,这些化学物质是强致癌物质,虽然对残留量有严格的限值,但毕竟还是有残留,对人类健康造成一定的程度的威胁。因此,欧共体及其贸易伙伴自1991年起就明文禁止在医疗保健行业采用环氧乙烷、溴甲烷熏蒸法进行灭菌处理。根据1989年《蒙特利尔议定书》条款,必须停止使用损害臭氧层的二溴化乙烯,溴甲烷或环氧乙烷等用于食品熏蒸和灭菌的化学物质。

取而代之的是无污染的钻一等γ射线辐照灭菌法。辐照灭菌法就是利用放射源的γ射线及加速器产生的高能电子東或X射线照射被灭菌物品。射线会破坏物品中微生物的结构(直接或间接破坏微生物的核糖核酸、蛋白质和酶),从而发挥杀灭微生物的作用。辐射灭菌较前两种灭菌方法有很大的优势,非常适用于医疗用品的灭消毒:1)辐射灭菌的处理是在常温下进行的,适用于对热敏感的塑料制品、生物制品和药物(图3-17~图3-19):2)辐射穿透力强,杀菌均匀彻底,能够辐照密封包装产品;3)辐射灭菌速度快,可连续作业,适合于大规模加工(加工现场见图3-20)。

三、辐照保鮮绿色无毒

相较于使用药物保鲜食品,辐照保鲜持久,且无残留。日常生活中许多植物食品,会在适当的条件下发芽、发霉甚至腐烂导致不能食用,如发芽的土豆含有大量龙葵素,食用后会引起中毒症状。植物发芽是繁衍生殖的自然属性,而往往只需要小一部分用于繁殖新物品,大部分用于日常餐桌上食用。因此,用于食用的产品应采取适当措施防止其发芽繁殖。

人们发现,射线可以降低或抑制植物中的分生孢子,延长食品的休眠期甚至终止食品的生命活动,从而达到保存食物的目的。此外如辐射灭菌一样,射线还能杀灭食品中的细菌或植物害虫,防止微生物引起的食品腐烂,延长食品的保存期,提高食品的卫生品质。例如,流通在各大超市里面的定量小包装鲜肉产品,普通包装的产品在2~4℃时鲜肉的保质期是2天,即使采用真空包装,其保质期也只有5~7天。但是,如果采用真空包装再利用低剂量辐照处理,该产品可在2~4℃范围内保质期延长至30天。这样才能有足够的时间“漂洋过海”来丰富人们的餐桌。而且经过辐照处理的鲜肉已经有效地杀灭了各类寄生虫和致病菌,有利于各类食源性疾病的预防(图3-21)。

新捕捞的鱼虾,新屠宰的猪羊肉,经过清洗、装进包装袋、抽真空密封和射线辐照灭菌处理等环节后,人们食用时既方便卫生又新鲜可口(图3-22)。图3-23给出了经过辐照加工食品的标志。

四、杀灭顽固的细菌

2001年美国发生了炭疽攻击事件,从9月18日开始有人把含有炭疽杆菌的信件寄给数个新闻媒体办公室以及两名民主党参议员。这个事件导致五人死亡,17人被感染,一度引起世界各国恐慌。为杀灭炭疽菌,美国政府紧急采用电子加速器对接收的邮件进行辐照,阻止了炭疽菌的进一步传播和扩散,从而化解了炭痴菌危机。

为什么炭疽菌如此可怕?专家告诉我们说,炭疽菌以孢子形式传播,那些儿乎无生命的孢子藏在邮件里,无论是严冬或酷暑,外界的变化对它们都不起作用,孢子们在静静地等待时机,一旦被人们接触,它们就会成为致命病菌。

我国自行开发研制的自屏蔽式电子束辐射灭菌加速器(图3-24),其电子枪可发射出高功率的电磁波,当传送带上的被照射物品通过高能电子辐射区后,被辐射物品中的生物细就会被全部杀死,可杀灭邮件、邮包中的炭疽菌、天花、鼠疫等生物细菌,而经过处理的邮件和物品不会残留任何放射性。

图3-24电子加速器邮件消毒灭菌

辐射加工利用伽玛射线和电子東用于高分子合成、材料改性灭菌、卫生材料和药品的消毒及食品保鲜,具有显著的优点。首先,与化学法相比,无需高温高压,不需要引发剂、催化剂,基本属于“冷加工”,可用于热敏材料和生物功能材料等的加工:第二,利用电离辐射的穿透性无需对包装好的物品进行拆包加工:第三,加工过程可以实现自动化,实现连续做工,减少人力成本:第四,加工过程对环境对环境影响小,除少量臭氧外,儿乎无有害物质产出并排放。用于辐射加工的电离辐射主要米源于伽玛辐照装置和电子加速器。

辐照装置

辐照加工是在辐照加工厂里进行的,其进行辐照加工的设施通常叫做辐照装置。辐照装置内部区域分控制区和监督区。控制区墙壁厚实,门禁严密,还设有迷道,确保射线无法穿出控制区。辐照加工时控制区内严禁有人员停留。监督区内主要有操作台和监视报警系统,通过多重技防设施,确保辐射安全。在辐照装置内部,应用广泛的放射源是的钻,的钻放射源被放置在辐照室的水井内屏蔽存放。当辐照作业时,操作人员通过控制台将放射源从水中吊起至工作位,辐照围绕在放射源周边的物品。常见γ辐照装置以放射源为核心,包括放射源升级系统、控制系统、产品传输系统等辅助系统。以动态悬挂链式辐照装置(图3-25~图3-27)为例,其受照物品由悬挂货箱经运送轨道送入辐照室,工作时辐照室控制区内无任何人员。其原理类似于挂炉烤鸭,其中放射源就是好比燃烧的木炭,货箱就似烤鸭。

除了γ辐照装置外,加速器装置(图3-28)是辐射加工另一个重要的射线源。加速器装置是以电子加速器为核心设备的产生、加速、引出和应用带电粒子束流的装备。电子加速器与放射源的重要区别是,只有在通电高压状态才发射射线,而放射源的特点是无时无刻都有放射性直至衰变为稳定的核素。加速器装置一般设在专门的混凝土屏蔽房间内,电子加速器被断电断压后射线立即停止发出因此在停工期间无须特别防护人员即可安全进出辐照加工车间。辐照加工时,加速器被通电加高压,电子東流被引出并辐照产品。加速器装置的受照物品传动系统类似于辐照装置辐照加工车间通过工程设计和安全管理等措施防止人员进入。

图3-28 电子加速器辐照装置



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