CN113227510A - 电子束辐照产品和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了电子束辐照产品及其方法。特别地，本发明涉及包含经电子束辐照组分和第二组分的产品和方法。经电子束辐照组分可以是塑料。第二组分可以是建筑材料或建造材料。本发明还涉及用电子束制造改性聚合物材料的方法。方法包括通过定量给予电子束辐射来辐照材料的聚合物颗粒以生产包含经辐照聚合物颗粒的改性聚合物材料。

Description

电子束辐照产品和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月20日提交的美国临时申请号62/769892的优先权，将该临时申请的全部内容通过援引并入。

技术领域

本发明总体上涉及经电子束辐照产品和方法。

背景技术

塑料每天用于世界各地的产品中，并且鼓励消费者回收利用塑料，导致大量回收利用的塑料的可用性。在美国仅在2015年，产生了34,500,000吨的塑料，并且回收利用了3,100,000吨的塑料。再利用回收利用的塑料的一种方式是将塑料添加至建筑材料或建造材料。取决于建筑材料用途，塑料必须经过额外的加工，以便有利地添加至建筑材料。例如，可以将塑料用γ辐射辐照以便强化塑料并在建筑材料中提供额外的支撑和结构。然而，定量给予塑料γ辐射可能是耗时、昂贵的涉及放射性同位素的过程。

发明内容

本公开提供了安全且有成本效益的经电子束辐照产品及其方法。特别地，本公开描述了用一定剂量的电子束(e-束)辐射辐照回收利用的塑料。E-束辐照提供了一种用于快速定量给予塑料颗粒辐射的方法，同时减少了安全问题并使成本降低了近十倍。E-束辐照源使用电子来损坏回收利用的塑料或聚合物，从而避免有害的放射性同位素。电子束辐照削减了成本，因为电子束发射器或辐照器比γ辐照器更小且更紧凑。

本公开中所提供的e-束辐射剂量足以增加塑料的结晶度和交联、改变接触角和润湿性、并且产生官能团和自由基。塑料、或聚合物的这些改变产生了聚合物的一种或多种特性的可观察到的改变。例如，可以观察到模量、韧性、刚性、以及硬度的增加。通过在建筑和建造材料中添加经辐照塑料颗粒作为填料或成分，该经辐照塑料颗粒增加了建筑材料的强度和结构。

本发明可以用作用于聚合物改性和生产改性聚合物材料的在线系统。该改性聚合物材料主要由e-束辐照塑料组成，该塑料诸如塑料废物、塑料薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。

本发明提供了包含经辐照聚合物颗粒的产品。例如，可以进行本发明的方法以生产期望尺寸的辐照塑料废物。然后辐照塑料废物颗粒可以在建筑和建造材料中作为添加剂或填料使用。通过将经辐照塑料颗粒包含在建筑和建造材料中，使塑料废物再利用。另外，由于使用较少的原始材料和掺入辐射塑料颗粒的添加剂，建筑和建造材料较便宜。

在本发明的方法中可以使用任何合适的电子束机器或系统。这些机器可以专门出于生产本专利中所要求保护的产品的该经电子束辐照组分的目的而开发。这些系统可以出于这样的生产的唯一目的而开发：通过获取有来源的聚合物并且将材料转化成该经电子束辐照组分作为用于建造材料以及结构性和非结构性混凝土元件的成分。这些机器可以通过将商业上可获得的电子生成器集成进独特的系统设计中来特别地开发，该系统设计具有为实现本发明的方法所包括和所制造的特征。

在其他情况下，本发明的方法可以使用商业上可获得的电子束机器和系统。进一步地，在美国专利号5,612,588、美国专利号7,122,949、美国专利号4,954,744、美国专利号7,244,932、美国专利号6,327,339、以及美国印刷出版物号2002/0053353中描述了电子束机器和系统的非限制性实例，该专利中的每一个以其全文并入本文。

在本发明中，可以使用任何合适的电子束辐照器或电子束发射器。例如，典型的电子束系统包含电子束发射器或电子束辐照器、电源、用于将辐照前的材料带入机器的机械、用于确保该辐照前的材料与电子束相互作用的系统、用于从该机器输出辐照后的材料的机构，以及容纳系统内的所有辐射相关危害的外壳。该e-束发射器是包含产生该电子束的阴极的真空单元。电子在该发射器内部释放并且在真空装置内部产生电场以将这些电子加速成束。电子从该发射器的内部通过将该真空装置与环境空气分开的膜、并且到达用于辐照的目标材料上。

在本发明的一些实施例中，e-束机器被特别设计成通过电子束辐照来处理聚合物和改性聚合物材料。改性聚合物材料在建筑和建造材料中作为成分和填料、或添加剂使用。在某些实施例中，本发明涉及一种包含经电子束辐照组分和第二组分的产品。任选地，该产品可以包含一种或多种添加剂材料。

本发明的方法使用e-束机器辐照塑料或塑料废物。该塑料可以任选地在辐照前被切碎成期望的尺寸。在实施例中，该塑料可以任选地在辐照前被粉碎成期望的尺寸。因此，在本发明的方法中可以使用任何尺寸的塑料废物。对于更大尺寸的塑料，本发明的装置和系统可以包含尺寸减小塑料修改器。这样的系统可以被设计为具有电子束的在线生产系统以生产切碎、或粉碎、且辐照的塑料。

经电子束辐照组分可以是任何合适的材料。例如，该经电子束辐照组分可以是聚合物。在实例中，该经电子束辐照组分是塑料。可以使用任何合适的塑料，诸如回收利用的塑料。例如，该塑料可以选自由以下组成的组：塑料废物、塑料废物薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。

本发明的产品可以包含沥青、水泥、混凝土、水泥浆、保温材料、建筑饰面材料、灌浆、以及砂浆。该第二组分可以是建筑材料、建造材料、或任何结构材料。该建筑或建造材料可以是用于建筑和建造的任何合适的材料，诸如用于生产以下的材料：沥青、水泥、混凝土、水泥浆、保温材料、建筑饰面材料、灌浆、以及砂浆。

在某些实施例中，本发明涉及用电子束制造改性聚合物材料的方法。通过定量给予颗粒电子束辐射来辐照材料的聚合物颗粒，从而生产包含经辐照聚合物颗粒的改性聚合物材料。可以将该材料作为添加剂用于建造材料，该建造材料选自由以下组成的组：沥青、水泥、混凝土、水泥浆、保温材料、灌浆、以及砂浆。该方法可以包括向该材料中添加至少一种添加剂。

聚合物颗粒可以包含选自由以下组成的组的塑料：塑料废物、塑料废物薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。在一些实施例中，该方法进一步包括减小材料中聚合物颗粒的尺寸。例如，减小该材料中聚合物颗粒的该尺寸可以包括将该塑料切碎和/或粉碎。在一些实施例中，在电子束辐照之前发生该塑料切碎和/或粉碎。

该方法可以进一步包括用环境控制器影响气体-塑料表面反应以导致该塑料中除了断链以及交联之外的接触角和润湿性改变、产生官能团和自由基。

在某些实施例中，本发明涉及用于提供电子束辐照塑料的方法。将塑料提供至电子束辐照器。例如，该塑料选自由以下组成的组：塑料废物、塑料废物薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。

塑料可以移动通过该电子束辐照器中的电子束路径。该电子束辐照器包含电源、真空装置、以及在该真空装置内用于释放电子的阴极，其中在该真空装置内产生的电场将该电子加速成束。将该塑料移动通过该电子束辐照器中的该电子束路径以便改变该塑料并形成经电子束辐照塑料。在一些实施例中，该方法可以进一步包括例如用环境控制器影响气体-塑料表面反应。

电子束(e-束)辐照塑料是该电子束辐照器的输出物。可以将该经e-束辐照塑料作为添加剂用于建造材料，该建造材料选自由以下组成的组：沥青、水泥、混凝土、水泥浆、保温材料、建筑饰面材料、灌浆、以及砂浆。

本发明的电子束辐照产品和方法提供了更安全、更快速的辐照用于用作建筑或建造材料中的添加剂或填料的塑料的方式。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的产品。

图2示出了根据本发明的实施例的产品。

图3是根据本发明的实施例形成包括经辐照聚合物颗粒的混合物的示例性方法的流程图。

图4是形成e-束辐照塑料的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本发明的方法使用e-束机器辐照聚合物、聚合物废物、塑料或塑料废物，并生产改性的辐照塑料和聚合物颗粒。塑料可以任选地在辐照前被切碎和/或粉碎成期望的尺寸。在本发明的方法中可以使用任何合适尺寸的塑料废物。对于更大尺寸的塑料，本发明的装置和系统可以包含尺寸减小塑料修改器。系统可以被设计为具有电子束的在线生产系统以生产切碎、或粉碎、且辐照的塑料。

在本发明中，e-束机器可以被特别设计成通过电子束辐照来处理聚合物和改性聚合物材料。改性聚合物材料可以在建筑和建造材料以及结构性和非结构性混凝土元件中用作成分或填料、或添加剂。在一些实施例中，经e-束辐照塑料颗粒可以在除了建筑或建造工业以外的应用中使用的材料中用作成分、填料、或添加剂。

本发明可以用作用于聚合物改性和生产改性聚合物材料的在线系统。改性聚合物材料主要由e-束辐照塑料组成，该塑料诸如塑料废物、塑料薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。

在本发明的方法中可以使用任何合适的电子束机器或系统。典型的电子束系统包含电子束发射器或电子束辐照器、电源、用于将辐照前的材料带入机器的机械、用于确保该辐照前的材料与电子束相互作用的系统、用于从该机器输出辐照后的材料的机构，以及容纳系统内的所有辐射相关危害的外壳。e-束发射器是产生电子束的真空单元。电子在该发射器内部释放并且在真空装置内部产生电场以将这些电子加速成束。电子从该发射器的内部通过将该真空装置与环境空气分开的膜、并且到达用于辐照的目标材料上。在本发明的范围之外，e-束机器已经用于特定实施例，该特定实施例覆盖了尤其包括用于食品和药品包装的表面杀菌、用于印刷和涂覆的固化和工程材料、以及空气处理的一系列应用。

本发明所提供的e-束辐射剂量足以形成以下改变中的至少一种：增加塑料的结晶度和交联、改变接触角和润湿性、产生官能团和自由基。塑料、或聚合物的这些改变产生了聚合物的一种或多种特性的可观察到的改变。作为实例，辐射的剂量可以对应于足以使聚合物的结晶度增加大于约10％(例如，大于约15％)的剂量。结晶度改变可以例如对于产生聚合物的一种或多种特性的可观察到的改变是有用的。例如，改变包括聚合物的模量、韧性、刚性、以及硬度中的一种或多种的增加。

进一步地，辐射的剂量可以是各种不同因素中的任何一项或多项的函数。例如，辐射剂量可以是聚合物的组成和包括处于辐照状态的聚合物的颗粒的建筑或建造材料的目标压缩强度的函数。包含经电子束辐照组分可以允许将产生整体益处的混合调整。例如，经辐照塑料颗粒可以增加建筑和建造材料的强度和结构。在其他情况下，整体益处可以是每m³的混凝土中的水泥含量的减少，因此提供了可持续性减少的碳足迹的益处。在本发明的其他方面，整体益处可以是增加混凝土的压缩强度和其他机械特性，诸如增加混凝土的耐久性。

在某些方面，本发明涉及一种包含经电子束辐照组分和第二组分的产品。该经电子束辐照组分是塑料。经第二组分是建筑材料或建造材料以及结构性和非结构性混凝土元件。在一些实施例中，经e-束辐照塑料颗粒可以在除了建筑或建造工业以外的应用中使用的材料中用作成分、填料、或添加剂。

图1和2示出了根据本发明的示例性实施例的产品。图1示出了根据本发明的实施例的容纳产品110的容器100。产品110包含经辐照聚合物颗粒130和第二材料120。图2示出了根据本发明的实施例的容纳产品210的容器200。产品210包含经辐照聚合物颗粒230、第二材料220、以及至少一种添加剂240。

本发明的某些实施例包括用于材料的e-束辐照的方法。例如，材料可以包含聚合物或聚合物颗粒。聚合物或聚合物颗粒可以是塑料或塑料废物。塑料或塑料废物可以包含粉碎的塑料、切碎的塑料、塑料粒料、塑料薄片、以及塑料粉末。本发明的方法包括将塑料提供进机器中并使其通过机器中的电子束路径。这导致聚合物与e-束的相互作用。e-束改变了塑料本体和表面。经改变的塑料产品离开机器并且可以用作建造材料的添加剂。一些实施例包括在辐照过程之前将塑料切碎成期望的尺寸。一些实施例包括在辐照过程之前将塑料粉碎成期望的尺寸。

在某些方面，本发明涉及用电子束辐照器制造改性聚合物材料的方法。方法包括通过定量给予电子束辐射来辐照材料的聚合物颗粒，从而生产包含经辐照聚合物颗粒的改性聚合物材料。

图3示出了形成经辐照聚合物颗粒、第二材料、和/或添加剂的混合物的示例性方法300的流程图。方法可以包括将聚合物改变尺寸和/或切碎或粉碎成预定尺寸320。然后聚合物颗粒由e-束辐照器接收340。将聚合物颗粒通过定量给予电子束辐射来辐照360。然后形成经辐照聚合物颗粒、第二材料、和/或添加剂的混合物380。

在某些方面，本发明涉及用于提供电子束辐照塑料的方法。方法包括向电子束辐照器提供塑料；将塑料移动通过电子束辐照器中的电子束路径以改变塑料并形成经电子束辐照塑料；以及将电子束辐照塑料从电子束辐照器输出。

图4示出了由e-束辐照器形成e-束辐照塑料的示例性方法400的流程图。方法可以包括将塑料改变尺寸和/或切碎或粉碎420。将塑料提供至e-束辐照器440。E-束辐照塑料通过将塑料移动通过电子束路径来形成460。然后从e-束辐照器输出e-束辐照塑料480。

在本发明的某些方面，提供了用于辐照聚合物颗粒的系统。可以使用任何合适的聚合物颗粒。例如，聚合物可以是塑料并且塑料可以包含粉碎的塑料、切碎的塑料、塑料粒料、塑料薄片、以及塑料粉末。

这些系统可以专门出于生产本专利中所要求保护的产品的经电子束辐照组分的目的而开发。

本发明的系统可以包括包含一个或多个电子发射器或电子束辐照器的机器。例如，电子发射器可以包含在真空腔室内部的电子源、产生离开源的加速电子流的电源、以及允许电子离开发射器的电子窗。

本发明的系统可以进一步包括将塑料输入机器的移动部件。移动部件可以通过在发射器与塑料材料之间产生相对运动来将塑料暴露于电子束。移动部件可以进一步输出辐照产品。

在实施例中，在发射器与通过塑料之间的相对运动机构是塑料颗粒的重力辅助运动。可以提供气刀和/或引导和控制机构以确保在重力模式下下落塑料的厚度的均匀性。

在实施例中，在发射器与通过塑料之间的相对运动机构经过输送带或运载在束下方通过的容器中。在这样的实施例中，可以振动输送带以确保塑料颗粒在束下方通过时改变取向。可以以单层或多层提供颗粒，并且束电压和气隙将决定遍及塑料颗粒以及遍及颗粒的层所接收的剂量。

本发明的系统可以进一步包括控制器。例如，本发明的系统可以包括通过改变一个或多个参数来调整所递送的电子束剂量率的控制器。参数的实例包括改变速度、改变发射器束输出、以及改变发射器与塑料之间的距离。

本发明的系统可以进一步包括安全和/或保护设备。例如，可以提供x射线屏蔽以便保护工人、公众、以及环境免受来自加速器操作的不必要辐射。

在实施例中，本发明的系统可以进一步包括环境控制机构。环境控制机构可以在发射器外部并且在机器内部。环境控制机构除了影响电子轰击断链和交联外，还可以影响气体-塑料表面化学反应。

在一些实施例中，本发明的系统进一步包括用于在辐照之前机械改变塑料的集成系统。例如，可以在辐照之前将塑料粉碎、切碎、薄片化、以及形成粉末。

在一些实施例中，本发明涉及一种用于e-束辐照的系统。例如，系统可以包括加工单元、材料源、容器、混合器、水合源、以及控制器。在使用中，控制器可以与加工单元、材料源、混合器、以及水合源中的一个或多个连通，以将聚合物的颗粒形成为辐照形式并且将呈辐照形式的聚合物的颗粒至少与第二材料和/或添加剂混合以在容器中形成建筑材料或建造材料。因为呈辐照形式的聚合物的颗粒可以衍生自与低于与第二材料相关的那些温室气体排放的温室气体排放相关的一个或多个源(例如，塑料(诸如回收利用的塑料)的e-束辐照)，用呈辐照形式的聚合物的颗粒以给定体积替换第二材料的一部分可以导致建筑材料或建造材料作为传统建筑和建造材料的对环境负责的替代物是有用的。

在一些实施例中，系统可以具有可用于形成建筑或建造材料的预定组成的基本上固定的操作参数，这样的基本上固定的操作参数在大规模制造中是有用的。然而，在某些实施中，系统可以具有可用于修改建筑材料的组成的一个或多个可调节的操作参数，诸如可以用于改变建筑材料的配制品以适应特定的标准。

通常，加工单元可以包括辐射源(诸如e-束辐照器)，其被定位成将可控剂量的辐射引导至由加工单元所限定的体积中的聚合物颗粒。作为更具体的实例，e-束辐照器设施可以以适合于在与商业规模上的大量生产相配的规定时间(例如小于1分钟)内辐射聚合物的颗粒的速率(例如，以kGy/秒计，对照γ系统中的Gy/分钟)递送辐射。在此工作中，我们已经在小于10秒内实现了1mm塑料颗粒的全范围加工。

在某些实施中，加工单元可以包括与体积连通(例如，通过重力进料、输送机、或其组合)的研磨机，使得在研磨机中加工的材料可以移动进体积中用于辐照。研磨机可以接收呈非辐照形式的聚合物的颗粒的原始形式(例如，薄片)，并且进一步地或替代地，可以机械地减小聚合物的颗粒的原始形式的尺寸。研磨机可以加工原始形式的聚合物的颗粒以实现任何合适的尺寸分布。例如，研磨机可以加工原始形式的聚合物的颗粒以实现具有大于约100微米且小于约200微米的平均粒度的尺寸分布。研磨机可以包括例如球磨机。作为更具体的实例，研磨机可以包括高能球磨机。另外地、或可替代地，研磨机包括适用于破碎聚合物的颗粒的其他硬件。虽然已经将研磨机描述为在辐照之前研磨聚合物的颗粒，但应当理解的是，研磨机可以另外地或可替代地被定位于在辐照之后研磨聚合物的颗粒。

由加工单元所限定的体积可以与材料源中的一个或多个连通，使得在辐照之后，呈辐照形式的聚合物的颗粒可以移动进材料源中的相应的一个或多个中。可以根据适用于安全且有效地移动聚合物的颗粒的各种不同技术中的任一种来进行将呈辐照形式的聚合物的颗粒从体积移动进一个或多个材料源中。例如，可以将经辐照聚合物颗粒通过移动从体积延伸至一个或多个材料源的输送机而从体积移动进一个或多个材料源中。

在某些实施例中，在容器中形成建筑或建造材料之前，材料源可以各自储存建筑或建造材料的单独组分。因此，例如，经辐照聚合物颗粒可以储存在材料源中。另外地、或可替代地，建筑或建造材料可以储存在材料源中。进一步地，至少一种添加剂可以储存在材料源中。虽然各材料源中的组分的这样的分离可以用于控制建筑或建造材料的组成精确度，但应当理解的是，其他储存技术也在本公开的范围内。因此，例如，建筑材料或建造材料的多种组分可以同时储存在材料源中的单个材料源中，如可以用于预混合组分的某些组合(例如，预混合水泥和至少一种添加剂)。

材料源可以是适用于稳定地储存建筑或建造材料的组分的各种不同类型的容器中的任一种。如在本上下文中所使用的，材料的稳定储存可以包括降低各单独组分的无意的聚集、沉降、和/或水合的可能性。例如，材料源可以是支撑在容器上方的料斗。材料源可以各自包括单独的阀。阀的每一个可以选择性地致动以控制材料源中的单独一个的单独内容物的递送。进一步地，阀的每一个可以包括计量孔口以促进精确计量从材料源中的单独一个进入容器的材料的流量。

通常，容器可以具有适合于支撑以特定制造工艺所需的量混合建筑或建造材料的内含物的尺寸和形状。进一步地、或替代地，容器可以由适用于经受住腐蚀或可能与建筑或建造材料相关的其他形式的退化的材料(例如，钢)形成。

混合器可以被布置在容器中以促进将建筑材料的构成组分混合成均匀混合物。如本文所使用的，均匀混合物应理解为包括均匀性的小变化，使得建筑材料的体积组成在容器内变化小于约±5％(例如，小于约±1％)。混合器可以是可用于组合建筑材料的构成组分的各种不同类型的机构中的任何一种或多种。因此，例如，混合器可以包括转子或其他类似部件，其基本上可浸没在建筑材料中并且相对于容器可移动以混合建筑材料的组分。另外地、或可替代地，容器自身可以移动(例如通过旋转、振动、或其组合)以混合建筑材料的组分。因此，应当更一般地理解的是，建筑材料的构成组分可以通过各种不同形式的机械搅拌中的任何一种或多种形成为均匀混合物。进一步地、或替代地，在其中将足够量的水合引入容器中的建筑材料中的情况下，建筑材料的构成组分可以进一步地或者替代地通过容器中的水的流动混合。

通常，控制器可以包括一个或多个处理器以及其上存储有计算机可执行指令的非瞬态计算机可读介质，计算机可执行指令用于使一个或多个处理器与根据以下更详细描述的方法中的任何一个或多个的一个或多个方面的系统的一个或多个其他部件连通。虽然控制器可以是单个控制器，但是仪器可以被实施为多个分布式控制器(例如，单独可操作的)，诸如可以用于控制系统的各个方面，特别是在其中系统本身分布在多个位置的情况下。这样的分布式控制器可以相互连通(例如，通过数据网络)。

在某些实施中，控制器可以与阀电连通以控制将聚合物的颗粒、水泥、以及至少一种添加剂相对于彼此以可控的比例分配进容器中。另外地、或可替代地，控制器可以与混合器电连通以控制混合器的运动(例如，旋转速度、旋转方向、或其组合)。

进一步地，控制器可以与水合源电连通以控制进入容器的水流的流速或总量，使得可以如对于特定应用所期望的将目标量的水分引入建筑材料中。控制器可以进一步与加工单元电连通以控制聚合物的颗粒的制备的一个或多个不同方面。例如，控制器可以控制研磨机的致动以使聚合物的颗粒形成目标尺寸分布。作为另外的或可替代的实例，控制器可以控制聚合物的颗粒进入和离开由加工单元所限定的体积的运动，以控制被递送以形成经辐照聚合物颗粒的辐射的量。

γ辐射与电子辐射的对比

在一些情况下，将聚合物或塑料用γ辐照进行辐照。然而，出于许多原因，电子辐照是期望的。例如，电子辐射递送更快的剂量(kGy/秒与Gy/分钟对比)。电子辐射是对成本敏感的选择，因为每台机器相对于加工设施的成本在价格上大约下降了一百倍。电子辐射还提供了将电子辐照机器定位在配套设施之处的能力。此外，由于没有放射性同位素，因此拥有和/或操作电子辐照源所需的规章更少。相比之下，γ源必须含有相当大量和危险的活性衰变同位素。

对比光子和电子的损坏力

当对比电子束和γ射线的力学时，与γ射线相比，电子在每一离子、每一行进距离上对聚合物造成大得多的损坏。

其中许多损坏源于γ和电子相互作用的截面、或者将发生任何相互作用的每入射颗粒概率。对于与每种类型的入射颗粒的每种类型的反应，存在许多截面-将各截面根据这些参数独立地测量或制表。这允许例如与电子相比γ射线将导致每单位距离损坏的概率的1:1对比。为此，使用NIST数据库ESTAR(Electron STopping And Range in matter[在物质中的电子停止和范围])和X射线质量衰减系数，它们共同绘制各颗粒穿越相同介质损失能量有多快的图。对于此实例，考虑聚乙烯，其是以约0.86g/cm³的密度广泛使用的典型塑料。考虑相同能量的γ和电子，并且在此取1MeV。

在此计算中，假定相同能量的两种类型的辐射(γ和电子)在相同介质中的相同通量，计算剂量率。这将给出各类型的辐射在造成损坏方面的有效性的对比。

NIST X射线质量衰减系数数据库给出了0.0726cm²/g的质量衰减系数以用于以下等式：

在以上等式中，I是穿过具有密度ρ和质量衰减系数(μ/ρ)的介质穿越距离x的束的强度(原始I₀)。量

称为衰减系数，单位为cm^-1，并且因此其倒数可以作为相互作用之间的光子平均自由程。

对于聚乙烯中约1MeV光子，这达到约13.8cm。这在物理上意味着用γ射线辐照塑料的一些事情。特别地，γ射线与聚乙烯(以及对于该物质的所有物质)弱相互作用，需要厚体积以有效地使用γ射线能量。进一步地，除非在辐照期间旋转，否则待辐照的物质将被不均匀地辐照。另外，辐照将花费极长的时间。

假定能量低于几个MeV，γ射线与物质中的电子相互作用。机理可以是光电效应(光子的吸收、电子的发射)、康普顿(Compton)散射(电子的散射及其随后的发射)、或对生成(电子/正电子对的产生)中的任一种。如果(保守地)假定每个γ射线经由光电效应与物质相互作用、沉积其所有能量，则来自具有通量

(以光子/cm²s计)的1MeVγ射线束的剂量率给出为：

在以上等式中，MM是平均聚乙烯单体的摩尔质量，N_{阿佛加德罗}是阿伏加德罗数(6.023*10²³原子/摩尔)，N是每单位体积聚乙烯单体的数量密度(约1.1*10²²单体/cm³)，σ是微观截面，

是如在NIST数据库上找到的聚乙烯的质量衰减系数，并且E_γ是以焦耳计的光子的能量(注意，1MeV＝1.6*10^-13J)。

使用本发明的实施例的值，并且假定约10¹⁴光子/cm²s的γ射线通量，剂量率是约0.00035Gy/秒。在此注意的是，聚乙烯的密度以kg/cm³计使用以达到以Gy/秒计的剂量率。由于剂量率非常低，因此需要分批过程以便用γ射线有效地辐照塑料，加上旋转和混合以确保均匀辐照。应当注意的是，在约13.8cm的平均自由程的情况下，几cm的批次厚度将被几乎均匀地辐照，伴随缓慢但按指数方式减小剂量率作为进入塑料中的距离的函数。

对于电子计算相同的量。在实施例中，可以用ESTAR数据库找到1MeV电子的停止功率和范围。质量标准化范围是约0.4155g/cm²，并且当除以聚乙烯的密度时，得到约0.489cm的路径量，刚好低于约5mm。

Q.Yan和L.Shao,2017,J.Nuclear Materials[核材料杂志],485:98-104(其内容全部并入本文)，提供了作为进入材料中的深度的函数的由约1MeV电子沉积多少能量的解释。在Yan和Shao文章中讨论了由约1MeV电子在纯Fe中沉积的能量。这样的曲线在聚乙烯中将被拉伸约八倍，在约2.5mm的范围内沉积显著的能量。简单地注意的是，约1MeV电子以如此短的距离沉积其能量的大部分(约1-1/e、或约63％)，当简单地用电子代替γ时，对于相同的参数，简单的标度计算给出约0.019Gy/秒的剂量率。换言之，与具有此等效能量的γ射线相比，电子在每单位长度转移能量方面更有效约55.2倍。

对比1MeV光子与200keV电子的改进计算

大多数商业电子发射器在大致150keV-250keV下释放电子辐照，因此保证了待使用的两种类型的颗粒的对比。来自NIST的ESTAR表给出了约0.04215g/cm²的质量标准化范围，其对应于约0.036cm(约360微米)的颗粒范围。大部分能量沉积在该范围的前半部分，这意味着大致170微米的粒度将被约200keV电子束均匀且最有效地辐照。假定约170微米的内联(inline)塑料层厚度，使用以上使用的相同标度关系，这导致约200keV电子，其是每一颗粒约1MeVγ射线损坏的约77倍。

较高的电子损坏力

电子的损坏力强烈地依赖于γ射线的能量，因此可以通过简单地说应该对比低能量γ射线(约10keV-200keV)来“拆穿”此论点，低能量γ射线具有比在1MeV下的那些高10-1000倍的光电效应截面。

然而，大多数γ辐照器发射1MeV范围内的γ射线。换言之，发射更低能量γ射线的同位素通常不从反应器提取或有意地培养。对于^99mTc，存在值得注意的例外，其由于其6天的半衰期而用于医学成像。

进一步地，低能量γ射线、高活性(对于高通量)、以及高半衰期的组合是非常罕见的，尤其是在用于反应器或衍生自稳定元素的材料之中。高半衰期和高活性仅需要大量的材料。

γ射线源仅与产生它们的一样强，并且它们的强度随时间呈指数衰减。相比之下，可以使电子源(1)以更大的功率输出更大的电流、或者(2)并联以辐照更大的体积。

此外，由于与光子相比电子的相互作用的更高的截面(以及因此更低的范围)，电子束辐照路径使其自身直接适合于在线辐照。

另外，当辐照塑料时，特别是在含有氧气和氮气的覆盖气体(诸如空气)中，电子辐照的能量密度的许多独特方面赋予额外的化学变化。电子辐照引起空气中的离子化、产生自由基，自由基通过它们的反应直接或间接产生高度化学活性物种，诸如臭氧、过氧化氢(在水蒸气存在下)、以及硫/氮氧化物化合物。这些化合物进一步改变了塑料颗粒的表面的化学结构，将其从通常惰性的、单键键合的氢封端表面改变成表面封端结构和悬空键的更复杂的混合物。在某些实施例中，这些新的表面结构是水泥内的相，混凝土中的连续相，可以更好地固定并且强烈地结合至塑料。尽管该效应在γ辐照下发生，但是在电子辐照下显示出更强的效应。

剂量和填充分数的更宽范围

当使用电子辐照塑料(诸如用于建造材料的填料、或添加剂)时，比迄今所测试的剂量和填充分数的范围更宽的剂量和填充分数是可能的。这是由于在辐射损坏中存在强剂量率效应。例如，在金属中，增加剂量率导致更小的每一颗粒损坏(不是每单位时间)，使得可能需要更高的总积分通量或能量沉积以导致相同的损坏。这是部分地由于重叠的损坏级联(对于更重的带电和不带电颗粒的情况)、更小的级联间复合半径、以及在极端情况下升高的温度并且从而更快的缺陷扩散。

在本发明中，预期将发生这样的剂量率效应，将比当前测试快10-1000倍施加的电子辐照的最佳剂量变化至高得多的剂量。从金属中的辐照损坏领域借用的经验法则是，剂量率的数量级增加可以使每颗粒的损坏降低约两倍。有必要进一步测试以确定这样的指导原则是否将适用于聚合物。

本发明的实施例包括任何合适剂量的电子束辐照。在一些情况下，剂量范围从约1kGy至约1000kGy。在一些情况下，1000kGy的损坏可能严重削弱塑料的结构。此外，在某些实施例中，1kGy的剂量可能不赋予有益效果。

本发明的实施例包括用于任何合适的建筑材料或建造材料的任何合适的填充分数。在一些情况下，填充分数是建筑材料或建造材料的按重量计约0％至约5％。在某些实例中，建筑材料或建造材料的按重量计的填充分数是混凝土的胶凝材料部分的按重量计0.5％-10％。

在一些实施例中，经电子束辐照组分是塑料。本发明可以包含任何合适的塑料。例如，在一些实施例中，塑料选自由以下组成的组：塑料废物、塑料废物薄片、塑料粒料、以及塑料颗粒。

在一些实施例中，第二组分是建筑材料或建造材料。建筑材料或建造材料可以是任何合适的材料。在一些实例中，建筑材料或建造材料包含沥青、水泥、混凝土、水泥浆、保温材料、灌浆、以及砂浆。

按重量计填充分数受颗粒的尺寸效应的影响。更小的颗粒具有成比例地更大的表面积，并且因此将更牢固地结合至周围的胶凝基质。更小的颗粒也将可能诱导更多且更强的相的形成，所述相诸如水钙沸石(gismondine)，赋予额外的强度。在一些实施例中，例如，粒度是约100μm，允许约5％的填充分数。此填充分数对于颗粒的良好分散是可行的，因为胶凝相将仍然是相当连续的。

因此，与1MeV光子相比，200keV电子对每一颗粒的损坏大于75倍。当使用电子辐照时存在许多额外的益处。例如，益处可以包括增加的表面改性、所施加的损坏的更好的均匀性、以及连续可变的束能量和电流。

与γ设施相比，当使用电子束时，等效设施的成本缩减了100倍。由于没有屏蔽、许可、规章、以及辐射保护要求，成本降低成倍。成本降低也是由于电子的特短程。

剂量率效应可能使最佳电子辐照剂量移动到显著高于50kGy的γ最佳值，从而允许宽得多的剂量范围。更高的填充分数是可能的，因为e-束辐照适合于在线均匀辐照塑料纳米颗粒。

援引并入

贯穿本披露已经参考和引用了其他文献，比如专利、专利申请、专利公开物、杂志、书籍、论文、网页内容。出于所有目的将所有这些文献特此通过引用以其全文结合在此。

等同物

虽然已经结合某些实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员在阅读了前述说明书之后将能够对在此阐述的组合物和方法进行各种改变、等同物的替代、以及其他变更。

Claims (27)

1.一种产品，其包含：

经电子束辐照组分；以及

第二组分。

2.如权利要求1所述的产品，其中，所述经电子束辐照组分是塑料。

3.如权利要求2所述的产品，其中，所述塑料选自由以下组成的组：塑料废物、塑料废物薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。

4.如权利要求1所述的产品，其中，所述第二组分是建筑材料或建造材料。

5.如权利要求1所述的产品，其中，所述产品是沥青。

6.如权利要求1所述的产品，其中，所述产品是水泥。

7.如权利要求1所述的产品，其中，所述产品是混凝土。

8.如权利要求7所述的产品，其中，所述经电子束辐照组分允许混合调整，所述混合调整提供每m³混凝土的化学掺合料含量的一部分的取代。

9.如权利要求7所述的产品，其中，所述经电子束辐照组分允许混合调整，所述混合调整提供每m³混凝土的水泥含量的一部分的取代。

10.如权利要求1所述的产品，其中，所述产品是水泥浆。

11.如权利要求1所述的产品，其中，所述产品是保温材料或建筑饰面材料。

12.如权利要求1所述的产品，其中，所述产品是灌浆。

13.如权利要求1所述的产品，其中，所述产品是砂浆。

14.一种用电子束制造改性聚合物材料的方法，所述方法包括：

通过定量给予材料电子束辐射来辐照所述材料的聚合物颗粒，从而生产包含经辐照聚合物颗粒的改性聚合物材料。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述聚合物颗粒包含选自由以下组成的组的塑料：塑料废物、塑料废物薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。

16.如权利要求15所述的方法，其进一步包括减小所述材料中聚合物颗粒的尺寸。

17.如权利要求16所述的方法，其中，减小所述材料中聚合物颗粒的所述尺寸包括将所述塑料切碎或粉碎。

18.如权利要求17所述的方法，其中，在电子束辐照之前发生所述塑料切碎或粉碎。

19.如权利要求14所述的方法，其进一步包括向所述材料中添加至少一种添加剂。

20.如权利要求14所述的方法，其进一步包括用环境控制器，通过接触角和润湿性的改变、官能团和自由基的产生、或电子轰击断链和交联中的至少一种来影响气体-塑料表面反应。

21.如权利要求14所述的方法，其中，将所述材料作为添加剂用于建造材料，所述建造材料选自由以下组成的组：沥青、水泥、混凝土、水泥浆、保温材料、灌浆、以及砂浆。

22.一种用于提供经电子束辐照塑料的方法，所述方法包括：

向电子束辐照器提供塑料；

将所述塑料移动通过所述电子束辐照器中的电子束路径以改变所述塑料并形成经电子束辐照塑料；以及

将所述经电子束辐照塑料从所述电子束辐照器输出。

23.如权利要求22所述的方法，其中，将所述经电子束辐照塑料作为添加剂用于建造材料，所述建造材料选自由以下组成的组：沥青、水泥、混凝土、水泥浆、保温材料、灌浆、以及砂浆。

24.如权利要求22所述的方法，其中，所述塑料选自由以下组成的组：塑料废物、塑料废物薄片、塑料粒料、塑料颗粒、以及塑料粉末。

25.如权利要求22所述的方法，其进一步包括用环境控制器，通过接触角和润湿性的改变、官能团和自由基的产生、或电子轰击断链和交联中的至少一种来影响气体-塑料表面反应。

26.如权利要求22所述的方法，其进一步包括振动运载颗粒的输送带或具有颗粒自由下降部分中的一者，在该自由下降部分中多于一个发射器将电子束引导至所有颗粒表面。

27.如权利要求22所述的方法，其中，所述电子束辐照器包含电源、真空装置、以及在所述真空装置内用于释放电子的阴极，其中在所述真空装置内产生的电场将所述电子加速成束。

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