JP2022507774A - 電子ビーム照射生産物および方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、電子ビーム照射生産物およびその方法を提供する。特に、本発明は、電子ビーム照射構成要素と、第２の構成要素とを備えている生産物および方法を対象とする。電子ビーム照射構成要素は、プラスチックであり得る。第２の構成要素は、建築材料または建設材料であり得る。本発明は、電子ビームを用いて変性ポリマー材料を製造する方法も対象とする。方法は、電子ビーム放射線を当てることによって、材料のポリマー粒子を照射し、照射ポリマー粒子を備えている変性ポリマー材料を生産することを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、参照することによってその全体として組み込まれる、２０１８年１１月２０日に出願された、米国仮出願第６２／７６９８９２号の優先権を主張する。

（発明の分野）
本発明は、概して、電子ビーム照射生産物および方法に関する。

プラスチックは、世界中で生産物において日常的に使用されており、消費者は、プラスチックをリサイクルするように促され、大量のリサイクルされたプラスチックの利用可能性をもたらしている。２０１５年には、米国だけで、３，４５０万トンのプラスチックが、発生させられ、３１０万トンのプラスチックが、リサイクルされた。リサイクルされるプラスチックを別の目的のために再利用する方法は、プラスチックを建築材料または建設材料に添加することである。建築材料の使用に応じて、プラスチックは、建築材料への有益な添加材であるために、追加の処理を経なければならない。例えば、プラスチックは、プラスチックを強化し、追加の支持および構造を建築材料内に提供するために、ガンマ放射線で照射され得る。しかしながら、プラスチックにガンマ放射線を当てることは、時間がかかり、放射性同位体を伴う高価なプロセスであり得る。

本開示は、安全かつコスト効果的である電子ビーム照射生産物およびその方法を提供する。特に、本開示は、リサイクルされたプラスチックをある線量の電子ビーム（ｅ－ビーム）放射線で照射することを説明する。電子ビーム照射は、安全性の懸念を減少させ、コストを約１０分の１に減少させながら、プラスチック粒子に放射線を迅速に当てるための方法を提供する。電子ビーム照射源は、電子を使用して、リサイクルされたプラスチックまたはポリマーを損傷させ、それによって、有害な放射性同位体を回避する。電子ビーム照射は、電子ビームエミッタまたは照射器が、ガンマ照射器より小型であり、かつよりコンパクトであるので、コストを削減する。

本開示に提供される電子ビーム放射線線量は、プラスチックの結晶性および架橋結合を増加させ、接触角度および湿潤性を変化させ、官能基およびフリーラジカルを生産するために十分である。プラスチックまたはポリマーのこれらの変化は、ポリマーの１つ以上の特性の観察可能な変化を生産する。例えば、弾性係数、靭性、剛性、および硬度の増加が、観察され得る。照射プラスチック粒子を充填材または原料として建築および建設材料内に添加することによって、照射プラスチック粒子は、強度および建設を建築材料に加える。

本発明は、変性ポリマー材料のポリマー修飾および生産のためのインラインシステムとして使用され得る。変性ポリマー材料は、主に、プラスチック廃棄物、プラスチック薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末等の電子ビーム照射プラスチックから成る。

本発明は、照射ポリマー粒子を備えている生産物を提供する。例えば、本発明の方法は、所望のサイズの照射プラスチック廃棄物を生産するために実施され得る。照射プラスチック廃棄物粒子は、次いで、建築および建設材料内で添加材または充填材として使用され得る。照射プラスチック粒子を建築および建設材料内に含むことによって、プラスチック廃棄物は、別の目的のために再利用される。加えて、建築および建設材料は、より少ない元の材料を使用し、照射プラスチック粒子の添加材を組み込むことに起因して、あまり高価ではない。

任意の好適な電子ビーム機械またはシステムが、本発明の方法において使用され得る。これらの機械は、本特許において請求される生産物の電子ビーム照射構成要素を生産する目的のために、排他的に開発され得る。これらのシステムは、供給されたポリマーを受け取り、建設材料および構造用および非構造用コンクリート要素のための原料として、材料を電子ビーム照射構成要素に変形させることによって、そのような生産の唯一の目的のために開発され得る。これらの機械は、本発明の方法を遂行するために含まれ、および製造される特徴とともに、市販の電子発生器を固有のシステム設計の中に統合することによって、特に開発され得る。

他の事例において、本発明の方法は、商業的に利用可能である電子ビーム機械およびシステムを使用し得る。さらに、電子ビーム機械およびシステムの非限定的例は、米国特許第５，６１２，５８８号、米国特許第７，１２２，９４９号、米国特許第４，９５４，７４４号、米国特許第７，２４４，９３２号、米国特許第６，３２７，３３９号、および米国印刷公開第２００２／００５３３５３号（それぞれ、その全体として本明細書に組み込まれる）に説明される。

本発明において、任意の好適な電子ビーム照射器または電子ビームエミッタが、使用され得る。例えば、典型的電子ビームシステムは、電子ビームエミッタまたは電子ビーム照射器と、電力供給源と、照射前材料を機械の中にもたらすための機械類と、照射前材料との電子ビームの相互作用を確実にするためのシステムと、照射後材料を機械から出力するための機構と、システム内の全ての放射線関連危険物を含む筐体とを備えている。電子ビームエミッタは、電子ビームを生産するカソードを備えている真空ユニットである。電子が、エミッタの内側に放出され、電場が、真空の内側に生成され、これらの電子を加速し、ビームにする。電子は、エミッタの内側から、真空を周囲空気から分離する膜を通して、照射のための標的材料上に通過する。

本発明のいくつかの実施形態において、電子ビーム機械は、ポリマーを取り扱い、電子ビーム照射によって、ポリマー材料を変性させるように特に設計される。変性ポリマー材料は、原料および充填材または添加材として、建築および建設材料内で使用される。ある実施形態において、本発明は、電子ビーム照射構成要素と、第２の構成要素とを備えている生産物を対象とする。随意に、生産物は、１つ以上の添加材材料を備え得る。

本発明の方法は、電子ビーム機械を使用して、プラスチックまたはプラスチック廃棄物を照射する。プラスチックは、随意に、照射前に所望のサイズに破砕され得る。ある実施形態において、プラスチックは、随意に、照射前に所望のサイズに粉砕され得る。したがって、任意のサイズのプラスチック廃棄物が、本発明の方法において使用され得る。より大きいサイズプラスチックに関して、本発明の装置およびシステムは、サイズ低減プラスチック修正器を備え得る。そのようなシステムは、破砕または粉砕された照射プラスチックを生産するための電子ビームを用いたインライン生産システムとして設計され得る。

電子ビーム照射構成要素は、任意の好適な材料であり得る。例えば、電子ビーム照射構成要素は、ポリマーであり得る。ある例において、電子ビーム照射構成要素は、プラスチックである。リサイクルされたプラスチック等の任意の好適なプラスチックが、使用され得る。例えば、プラスチックは、プラスチック廃棄物、プラスチック廃棄物薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末から成る群から選択され得る。

本発明の生産物は、アスファルト、セメント、コンクリート、セメントペースト、断熱材料、建築用外装材料、グラウト、およびモルタルを備え得る。第２の構成要素は、建築材料、建設材料、または任意の建設材料であり得る。建築または建設材料は、建築および建設において使用されるアスファルト、セメント、コンクリート、セメントペースト、断熱材料、建築用外装材料、グラウト、およびモルタルの生産において使用される材料等、任意の好適な材料であり得る。

ある実施形態において、本発明は、電子ビームを用いて変性ポリマー材料を製造する方法を対象とする。材料のポリマー粒子は、粒子に電子ビーム放射線を当てることによって照射され、それによって、照射ポリマー粒子を備えている変性ポリマー材料を生産する。材料は、アスファルト、セメント、コンクリート、セメントペースト、断熱材、グラウト、およびモルタルから成る群から選択される建設材料への添加材として使用され得る。方法は、少なくとも１つの添加材を材料に添加することを含み得る。

ポリマー粒子は、プラスチック廃棄物、プラスチック廃棄物薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末から成る群から選択されるプラスチックを備え得る。いくつかの実施形態において、方法は、材料におけるポリマー粒子のサイズを低減させることをさらに含む。例えば、材料におけるポリマー粒子のサイズを低減させることは、プラスチックを破砕および／または粉砕することを含み得る。いくつかの実施形態において、プラスチックを破砕および／または粉砕することは、電子ビーム照射の前に生じる。

方法は、ガス－プラスチック表面反応に周囲コントローラを用いて影響を及ぼし、接触角度および湿潤性の変化、鎖切断および架橋結合に加えた官能基およびフリーラジカルの生産をプラスチック内にもたらすことをさらに含み得る。

ある実施形態において、本発明は、電子ビーム照射プラスチックを提供する方法を対象とする。プラスチックが、電子ビーム照射器に提供される。例えば、プラスチックは、プラスチック廃棄物、プラスチック廃棄物薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末から成る群から選択される。

プラスチックは、電子ビーム照射器における電子ビーム経路を通して移動させられ得る。電子ビーム照射器は、電源と、真空と、電子を放出するための真空の内側のカソードとを備え、真空の内側で生成された電場は、電子を加速し、ビームにする。プラスチックは、プラスチックを改変し、電子ビーム照射プラスチックを形成するために、電子ビーム照射器における電子ビーム経路を通して移動させられる。いくつかの実施形態において、方法は、例えば、周囲コントローラを用いて、ガス－プラスチック表面反応に影響を及ぼすことをさらに含み得る。

電子ビーム（ｅ－ビーム）照射プラスチックは、電子ビーム照射器の出力である。電子ビーム照射プラスチックは、アスファルト、セメント、コンクリート、セメントペースト、断熱材料、建築用外装材料、グラウト、およびモルタルから成る群から選択される建設材料への添加材として使用され得る。

本発明の電子ビーム照射生産物および方法は、建築または建設材料内の添加材または充填材としての使用のためのプラスチックを照射するためのより安全で、より高速の方法を提供する。

図１は、本発明の実施形態による、生産物を示す。 図２は、本発明の実施形態による、生産物を示す。 図３は、本発明の実施形態による、照射ポリマー粒子を含む混合物を形成する例示的方法のフローチャートである。 図４は、電子ビーム照射プラスチックを形成する例示的方法のフローチャートである。

本発明の方法は、電子ビーム機械を使用して、ポリマー、ポリマー廃棄物、プラスチック、またはプラスチック廃棄物を照射し、変性された照射プラスチックおよびポリマー粒子を生産する。プラスチックは、随意に、照射前に、所望のサイズに破砕および／または粉砕され得る。任意の好適なサイズのプラスチック廃棄物が、本発明の方法において使用され得る。より大きいサイズのプラスチックに関して、本発明の装置およびシステムは、サイズ低減プラスチック修正器を備え得る。システムは、破砕または粉砕され、照射されたプラスチックを生産するための電子ビームを用いたインライン生産システムとして設計され得る。

本発明において、電子ビーム機械は、ポリマーを取り扱い、電子ビーム照射によって、ポリマー材料を変性させるように特に設計され得る。変性ポリマー材料は、建築および建設材料、および構造用および非構造用コンクリート要素における原料、または充填材または添加材として使用され得る。いくつかの実施形態において、電子ビーム照射プラスチック粒子は、原料、充填材、または添加材として、建築または建設産業以外の用途において使用される材料において使用され得る。

本発明は、変性ポリマー材料のポリマー変性および生産のためのインラインシステムとして使用され得る。変性ポリマー材料は、主に、プラスチック廃棄物、プラスチック薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末等のプラスチックの電子ビーム照射から成る。

任意の好適な電子ビーム機械またはシステムが、本発明の方法において使用され得る。典型的電子ビームシステムは、電子ビームエミッタまたは電子ビーム照射器と、電力供給源と、照射前材料を機械の中にもたらすための機械類と、照射前材料との電子ビームの相互作用を確実にするためのシステムと、照射後材料を機械から出力するための機構と、システム内の全ての放射線関連危険物を含む筐体とを備えている。電子ビームエミッタは、電子ビームを生産する、真空ユニットである。電子が、エミッタの内側に放出され、電場が、これらの電子を加速しビームにするために真空の内側で生成される。電子は、照射のための標的材料上へ、エミッタの内側から真空を周囲空気から分離する膜を通過する。本発明の範囲外では、電子ビーム機械は、とりわけ、食品および医薬品パッケージングのための表面滅菌、印刷およびコーティングのための材料の硬化およびエンジニアリング、および空気処理を含む、ある範囲の用途を対象とする具体的実施形態のために使用されている。

本発明に提供される電子ビーム放射線線量は、以下の変化のうちの少なくとも１つを作るために十分である：プラスチックの結晶性および架橋結合の増加、接触角度および湿潤性の変化、官能基およびフリーラジカルの生産。プラスチックまたはポリマーのこれらの変化は、ポリマーの１つ以上の特性の観察可能な変化を生産する。例として、放射線の線量は、ポリマーの結晶性を約１０パーセントより大きく（例えば、約１５パーセントより大きく）増加させるために十分な線量に対応し得る。結晶性の変化は、例えば、ポリマーの１つ以上の特性の観察可能な変化を生産するために有用であり得る。例えば、変化は、ポリマーの弾性係数、靭性、剛性、および硬度のうちの１つ以上のものの増加を含む。

さらに、放射線の線量は、種々の異なる要因のうちの任意の１つ以上のものの関数であり得る。例えば、放射線線量は、ポリマーの組成物と、照射された状態におけるポリマーの粒子を含む建築または建設材料の標的化された圧縮強度との関数であり得る。電子ビーム照射構成要素を含むことは、全体的利点をもたらすであろう混合調節を可能にし得る。例えば、照射プラスチック粒子は、強度および構造を建築および建設材料に加え得る。他の事例において、全体的利点は、コンクリートのｍ^３あたりのセメント含有量における低減であり、したがって、継続可能な低減させられた二酸化炭素排出量の利点を提供し得る。本発明の他の側面において、全体的利点は、増加させられた圧縮強度、およびコンクリートの増加させられた耐久性等のコンクリートの他の機械的特性であり得る。

ある側面において、本発明は、電子ビーム照射構成要素と、第２の構成要素とを備えている生産物を対象とする。電子ビーム照射構成要素は、プラスチックである。第２の構成要素は、建築材料または建設材料および構造用および非構造用コンクリート要素である。いくつかの実施形態において、電子ビーム照射プラスチック粒子は、原料、充填材、または添加材として、建築または建設産業以外の用途において使用される材料においてで使用され得る。

図１および２は、本発明の例示的実施形態による生産物を示す。図１は、本発明の実施形態による生産物１１０を含むレセプタクル１００を示す。生産物１１０は、照射ポリマー粒子１３０と、第２の材料１２０とを備えている。図２は、本発明の実施形態による、生産物２１０を含む、レセプタクル２００を示す。生産物２１０は、照射ポリマー粒子２３０と、第２の材料２２０と、少なくとも１つの添加材２４０とを備えている。

本発明のある詳述される実施形態は、材料の電子ビーム照射のための方法を含む。例えば、材料は、ポリマーまたはポリマー粒子を備え得る。ポリマーまたはポリマー粒子は、プラスチックまたはプラスチック廃棄物であり得る。プラスチックまたはプラスチック廃棄物は、粉砕されたプラスチック、破砕されたプラスチック、プラスチックペレット、プラスチック薄片、およびプラスチック粉末を備え得る。本発明の方法は、プラスチックを、機械の中に機械内の電子ビーム経路を通して提供することを含む。これは、ポリマーとの電子ビームの相互作用をもたらす。電子ビームは、プラスチックバルクおよび表面を改変する。改変されたプラスチック生産物は、機械から退出し、建設材料への添加材として使用され得る。いくつかの実施形態は、照射プロセスに先立って、プラスチックを所望のサイズに破砕することを含む。いくつかの実施形態は、照射プロセスに先立って、プラスチックを所望のサイズに粉砕することを含む。

ある側面において、本発明は、電子ビーム照射器を用いて変性ポリマー材料を製造する方法を対象とする。方法は、電子ビーム放射線を当てることによって、材料のポリマー粒子を照射し、それによって、照射ポリマー粒子を備えている変性ポリマー材料を生産することを含む。

図３は、照射ポリマー粒子、第２の材料、および／または添加材の混合物を形成する例示的方法３００のフローチャートを示す。方法は、ポリマーのサイズを変更することおよび／または所定のサイズに破砕または粉砕すること３２０を含み得る。ポリマー粒子は、次いで、電子ビーム照射器によって受け取られる３４０。ポリマー粒子は、電子ビーム放射線を当てることによって照射される３６０。照射ポリマー粒子、第２の材料、および／または添加材の混合物が、次いで、形成される３８０。

ある側面において、本発明は、電子ビーム照射プラスチックを提供する方法を対象とする。方法は、プラスチックを電子ビーム照射器に提供することと、プラスチックを電子ビーム照射器における電子ビーム経路を通して移動させ、プラスチックを改変し、電子ビーム照射プラスチックを形成することと、電子ビーム照射プラスチックを電子ビーム照射器から出力することとを含む。

図４は、電子ビーム照射プラスチックを電子ビーム照射器から形成する例示的方法４００のフローチャートを示す。方法は、プラスチックのサイズを変更および／または破砕または粉砕するステップ４２０を含み得る。プラスチックが、電子ビーム照射器に提供される４４０。電子ビーム照射プラスチックが、電子ビーム経路を通してプラスチックを移動させることによって形成される４６０。電子ビーム照射プラスチックは、次いで、電子ビーム照射器から出力される４８０。

本発明のある側面において、ポリマー粒子を照射するためのシステムが、提供される。任意の好適なポリマー粒子が、使用され得る。例えば、ポリマーは、プラスチックであり得、プラスチックは、粉砕されたプラスチック、破砕されたプラスチック、プラスチックペレット、プラスチック薄片、およびプラスチック粉末を備え得る。

これらのシステムは、本特許において請求される生産物の電子ビーム照射構成要素を生産する目的のために、排他的に開発され得る。

本発明のシステムは、１つ以上の電子エミッタまたは電子ビーム照射器を備えている機械を備え得る。例えば、電子エミッタは、真空チャンバの内側の電子源と、源から離れる加速電子流を発生させるための電力供給源と、電子がエミッタから出射することを可能にする電子窓とを備え得る。

本発明のシステムは、プラスチックを機械の中に入力する可動部品をさらに備え得る。可動部品は、エミッタとプラスチック材料との間の相対的運動を生成することによって、プラスチックを電子ビームにさらし得る。可動部品は、照射生産物をさらに出力し得る。

ある実施形態において、エミッタと通過するプラスチックとの間の相対的移動機構は、プラスチック粒子の重力支援移動である。エアナイフおよび／またはガイおよび制御機構が、重力モードで落下するプラスチックの厚さの均一性を確実にするために提供され得る。

ある実施形態において、エミッタと通過するプラスチックとの間の相対的移動機構は、コンベヤベルトの上を通り過ぎるか、またはビームの下を通るコンテナの中で搬送される。そのような実施形態において、コンベヤベルトは、ビーム下を通過するとき、プラスチック粒子が向き変化させることを確実にするために振動させられ得る。粒子は、単一層または多層内に提供され得、ビーム電圧および空気間隙は、プラスチック粒子全体を通して、および粒子の層全体を通して受け取られる線量を決定付けるであろう。

本発明のシステムはさらに、コントローラを備え得る。例えば、本発明のシステムは、１つ以上のパラメータを変動させることによって、送達される電子ビーム線量率を変調するコントローラを備え得る。パラメータの例は、変動する速度、変化するエミッタビーム出力、およびエミッタとプラスチックとの間の変化する距離を含む。

本発明のシステムは、安全性および／または保護機器をさらに備え得る。例えば、Ｘ線遮蔽体が、加速器動作からの不必要な放射線に対して作業者、一般大衆、および環境を保護するために、提供され得る。

ある実施形態において、本発明のシステムは、周囲制御機構をさらに備え得る。周囲制御機構は、エミッタの外部かつ機械の内部にあり得る。周囲制御機構は、電子衝撃鎖切断および架橋結合に加え、ガス－プラスチック表面化学反応に影響を及ぼし得る。

いくつかの実施形態において、本発明のシステムは、照射に先立つプラスチックの機械的改変のための統合されたシステムをさらに備えている。例えば、プラスチックは、照射に先立って、粉末に粉砕、破砕、薄片化、および形成され得る。

いくつかの実施形態において、本発明は、電子ビーム照射のためのシステムを対象とする。例えば、システムは、処理ユニットと、材料源と、レセプタクルと、ミキサと、水和源と、コントローラとを含み得る。使用時、コントローラは、処理ユニット、材料源、ミキサ、および水和源のうちの１つ以上のものと通信し、ポリマーの粒子を照射された形態へと形成し、照射された形態におけるポリマーの粒子を少なくとも第２の材料および／または添加材と混合し、建築材料または建設材料をレセプタクル内に形成し得る。照射された形態におけるポリマーの粒子は、第２の材料に関連付けられるそれらより低い温室効果ガス放出量に関連付けられた１つ以上の源（例えば、リサイクルされたプラスチック等のプラスチックの電子ビーム照射）から導出され得るので、所与の体積の第２の材料の一部を照射された形態におけるポリマーの粒子で置換することは、従来の建築および建設材料のための環境に優しい代用品として有用である、建築材料または建設材料をもたらし得る。

いくつかの実施形態において、システムは、建築または建設材料の所定の組成物を形成するために有用な実質的に固定された動作パラメータを有し得、そのような実質的に固定された動作パラメータは、大規模製造において有用である。しかしながら、ある実装では、システムは、建築材料が具体的基準に適応するために、変動する調合のために有用であり得るように、建築材料の組成物を変性させるために有用な１つ以上の調節可能動作パラメータを有し得る。

一般に、処理ユニットは、制御された線量の放射線を処理ユニットによって画定された体積においてポリマーの粒子に向けるように位置付けられた放射線源（電子ビーム照射器等）を含み得る。より具体的例として、電子ビーム照射器設備が、商業規模での大量生産と適合性がある事前に規定された時間（例えば、１分未満）以内にポリマーの粒子を照射するために好適なある率（例えば、ガンマシステムにおけるＧｙ／分とは対照的に、ｋＧｙ／秒）で放射線を送達し得る。この研究で、我々は、１ｍｍのプラスチック粒子の完全範囲の処理を１０秒未満で達成した。

ある実装では、処理ユニットは、粉砕機内で処理される材料が照射のための体積の中に移動可能であるように、その体積と連通する（例えば、重力給送、コンベヤ、またはそれらの組み合わせを通して）、粉砕機を含み得る。粉砕機は、非照射形態における未加工形態（例えば、薄片）のポリマーの粒子を受け取り得、さらにまたは代わりに、未加工形態のポリマーの粒子のサイズを機械的に低減させ得る。粉砕機は、任意の好適なサイズ分布を達成するために、未加工形態のポリマーの粒子を処理し得る。例えば、粉砕機は、約１００ミクロンを上回り、かつ約２００ミクロン未満の平均粒子サイズを有するサイズ分布を達成するために、未加工形態のポリマーの粒子を処理し得る。粉砕機は、例えば、ボールミルを含み得る。より具体的例として、粉砕機は、高エネルギーボールミルを含み得る。加えて、または代替として、粉砕機は、ポリマーの粒子の粉砕のために好適な他のハードウェアを含む。粉砕機は、照射に先立って、ポリマーの粒子を研削するように説明されたが、粉砕機は、加えて、または代替として、照射に続いて、ポリマーの粒子を粉砕するように位置付けられ得ることを理解されたい。

処理ユニットによって画定された体積は、材料源のうちの１つ以上と連通し得、それによって、照射に続いて、照射された形態におけるポリマーの粒子は、材料源のうちのそれぞれの１つ以上の中に移動可能であり得る。体積から１つ以上の材料源の中への照射された形態におけるポリマーの粒子の移動は、ポリマーの粒子を安全かつ効率的に移動させるために好適な種々の異なる技法のいずれかに従って実施され得る。例えば、照射ポリマー粒子は、体積から１つ以上の材料源まで延びているコンベヤの移動を通して、体積から材料源のうちの１つ以上の中に移動させられ得る。

ある実施形態において、材料源の各々は、建築または建設材料をレセプタクル内で形成することに先立って、建築または建設材料の個々の構成要素を貯蔵し得る。したがって、例えば、照射ポリマー粒子が、材料源内に貯蔵され得る。加えて、または代替として、建築または建設材料が、材料源内に貯蔵され得る。さらに、少なくとも１つの添加材が、材料源内に貯蔵され得る。それぞれの材料源内の構成要素のそのような隔離は、建築または建設材料の組成正確度を制御するために有用であり得るが、他の貯蔵技法も、本開示の範囲内であることを理解されたい。したがって、例えば、建築または建設材料の複数の構成要素が、構成要素のある組み合わせを予混合する（例えば、セメントおよび少なくとも１つの添加材を予混合する）ために有用であり得るように、材料源のうちの単一の１つ内に同時に貯蔵され得る。

材料源は、建築または建設材料の構成要素を安定して貯蔵するために好適な種々の異なるタイプのコンテナのいずれかであり得る。この文脈において使用されるように、材料の安定貯蔵は、各それぞれの構成要素の意図されない凝集、沈降、および／または水和の可能性を低減させることを含み得る。例えば、材料源は、レセプタクルの上方に支持される、ホッパであり得る。材料源の各々は、それぞれの弁を含み得る。弁の各々は、材料源のそれぞれのもののそれぞれの含有量の送達を制御するように選択的に作動可能であり得る。さらに、弁の各々は、材料源のそれぞれのものからレセプタクルの中への材料の流動の正確な計測を促進するために、計測オリフィスを含み得る。

一般に、レセプタクルは、特定の製造プロセスのために要求される量において建築または建設材料の内容物の混合を支持するために好適なサイズおよび形状であり得る。さらに、または代わりに、レセプタクルは、建築または建設材料に関連付けられ得る、腐食または他の形態の劣化に耐えるために好適な材料（例えば、鋼鉄）から形成され得る。

ミキサは、レセプタクル内に配置され、建築材料の構成要素の均質混合物への混合を促進し得る。本明細書で使用されるように、均質混合物は、建築材料の体積組成物がレセプタクル内で約±５パーセント未満（例えば、約±１パーセント未満）変動するような均質性のわずかな変動を含むと理解されるものとする。ミキサは、建築材料の組成構成要素を組み合わせるために有用な種々の異なるタイプの機構のうちの任意の１つ以上のものであり得る。したがって、例えば、ミキサは、建築材料内に実質的に潜水可能であり、建築材料の構成要素を混合するためにレセプタクルに対して移動可能である回転子または他の類似構成要素を含み得る。加えて、または代替として、レセプタクル自体が、移動し（例えば、回転、振動、またはそれらの組み合わせを通して）、建築材料の構成要素を混合し得る。したがって、より一般的には、建築材料の組成構成要素は、種々の異なる形態の機械的撹拌のうちの任意の１つ以上を通して、均質混合物に形成され得ることを理解されたい。さらに、または代わりに、十分な量の水和がレセプタクル内の建築材料の中に導入される事例において、建築材料の組成構成要素は、レセプタクル内の水の流動を通してさらに、または代わりに混合され得る。

一般に、コントローラは、１つ以上のプロセッサと、その上に貯蔵されるコンピュータ実行可能命令を有する非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体とを含み得、命令は、下記により詳細に説明される方法のうちの任意の１つ以上のものの１つ以上の側面に従って、１つ以上のプロセッサにシステムの１つ以上の他の構成要素と通信させる。コントローラは、単一コントローラであり得るが、器具は、特に、システム自体が、複数の場所にわたって分散させられる事例において、システムの個々の側面を制御するために有用であり得るように、複数の分散型コントローラ（例えば、個々に動作可能である）として実装され得る。そのような分散型コントローラは、互いに通信し得る（例えば、データネットワークを通して）。

ある実装では、コントローラは、互いに対して制御された割合において、レセプタクルの中へのポリマーの粒子、セメント、および少なくとも１つの添加材の分注を制御するための弁と電気通信し得る。加えて、または代替として、コントローラは、ミキサと電気通信し、ミキサの移動（例えば、回転速度、回転方向、またはそれらの組み合わせ）を制御し得る。

さらに、コントローラは、水和源と電気通信し、標的量の湿気が、特定の用途のための所望に応じて、建築材料の中に導入され得るように、レセプタクルの中に流動する水の率または総量を制御し得る。コントローラは、処理ユニットとさらに電気連信し、ポリマーの粒子の調製の１つ以上の異なる側面を制御し得る。例えば、コントローラは、粉砕機の作動を制御し、ポリマーの粒子を標的サイズ分布に形成し得る。追加の例または代替例として、コントローラは、処理ユニットによって画定された体積の中およびそれから外へのポリマーの粒子の移動を制御し、照射ポリマー粒子を形成するために送達される放射線の量を制御し得る。

（ガンマ放射と電子放射の比較）
いくつかの事例において、ポリマーまたはプラスチックが、ガンマ照射で照射される。しかしながら、電子照射が、いくつかの理由から、望ましい。例えば、電子放射は、より高速の線量を送達する（Ｇｙ／分と比較して、ｋＧｙ／秒）。電子放射は、コストに敏感なオプションであり、機械対処理設備あたりのコストは、約１００分の１の価格における削減である。電子放射は、パートナー設備における電子照射機械を位置特定する能力も提供する。さらに、放射性同位体の欠如に起因して、電子照射源を所有および／または動作させるために要求される規制がより少ない。対照的に、ガンマ源は、膨大な量の危険な放射性崩壊同位体を含まなければならない。

（光子および電子の損傷力の比較）
電子ビームおよびガンマ光線の力学を比較すると、電子は、ガンマ光線と比較して、進行距離あたりのイオンあたり、ポリマーへのより多くの損傷を引き起こす。

この多くは、ガンマおよび電子相互作用のための断面、または、任意の相互作用が発生するであろう入射粒子あたりの確率にその起源を有する。多くの断面が、あらゆるタイプの入射粒子とのあらゆるタイプの反応のために存在する（各々は、これらのパラメータに応じて、独立して、測定または表集計される）。これは、例えば、ガンマ光線が、電子と比較して、単位距離あたり損傷を引き起こすであろう、確率の１：１比較を可能にする。これに関して、ＮＩＳＴデータベースＥＳＴＡＲ（物質中の電子阻止および飛程）およびＸ線質量減衰係数が、使用され、それらは、各粒子が同一媒体を横断してエネルギーを喪失する速度の詳細を一緒に説明する。この例に関して、約０．８６ｇ／ｃｍ^３の密度を伴って広く使用されている典型的プラスチックであるポリエチレンが、検討される。同一エネルギーのガンマおよび電子が、検討され、ここでは、１ＭｅＶとされる。

この計算では、線量率が、同一エネルギーにおいて、同一媒体中にある同一の両方のタイプの放射線（ガンマおよび電子）束を仮定すると、計算される。これは、損傷を引き起こすときの各タイプの放射線の有効性の比較を与えるであろう。

ＮＩＳＴＸ線質量減衰係数データベースは、以下の式において使用される質量減衰係数０．０７２６ｃｍ^２／ｇを与える。

上記式では、Ｉは、密度ρおよび質量減衰係数（μ／ρ）を伴う媒体を通した距離ｘを横断するビームの強度（元々は、Ｉ_０）である。量

は、ｃｍ^－１の単位における減衰係数と呼ばれ、したがって、その逆数は、相互作用間の光子の平均自由経路と見なされ得る。

ポリエチレン中の約１ＭｅＶ光子に関して、これは、約１３．８ｃｍとなる。これは、物理的に、ガンマ光線を用いたプラスチックの照射に関して、いくつかのことを意味する。特に、ガンマ光線は、ポリエチレン（さらに言えば、全ての物質）と弱相互作用し、ガンマ光線エネルギーを効率的に使用するために、厚い体積を要求する。さらに、照射される物質は、照射中、回転させられない限り、非均一に照射されるであろう。照射は、著しく長時間にも及ぶであろう。

ガンマ光線は、数ＭｅＶを下回るエネルギーと仮定すると、物質中の電子と相互作用する。その機構は、光電効果（光子の吸収、電子の射出）、コンプトン散乱（その後続射出を伴う電子の散乱）、または電子対生産（電子／陽電子対の生成）のいずれかであり得る。（保守的に）全てのガンマ光線が、光電効果を介して、物質と相互作用し、そのエネルギーの全てを堆積させると仮定される場合、束Φ（光子／ｃｍ^２ｓ単位）を伴う１ＭｅＶガンマ光線のビームからの線量率は、以下のように与えられる：

上記の式では、ＭＭは、平均ポリエチレンモノマーのモル質量であり、Ｎ_{Ａｖｏｇａｄｒｏ}は、アボガドロ定数（６．０２３＊１０^２３原子／モル）であり、Ｎは、単位体積あたりのポリエチレンモノマーの密度数（約１．１＊１０^２２モノマー／ｃｍ^３）であり、σは、ミクロ断面であり、

は、ＮＩＳＴデータベース上で見出されるようなポリエチレンに関する質量減衰係数であり、Ｅ_γは、ジュール単位の光子のエネルギーである（１ＭｅＶ＝１．６＊１０^－１３Ｊであることに留意されたい）。

本発明の実施形態に関する値を使用して、約１０^１４光子／ｃｍ^２ｓのガンマ光線束を仮定すると、線量率は、約０．０００３５Ｇｙ／秒である。ここで、ポリエチレンの密度がＧｙ／秒における線量率に達するためにｋｇ／ｃｍ^３単位で使用されたことに留意されたい。非常に低い線量率により、バッチプロセスが、ガンマ光線を用いてプラスチックを効果的に照射するために要求され、加えて、均一照射を確実にするために、回転および混合が、要求される。約１３．８ｃｍの平均自由経路では、数ｃｍのバッチ厚が、ほぼ均一に照射され、プラスチックの中への距離の関数として、ゆっくりとではあるが、線量率を指数関数的に減少させるであろうことに留意されたい。

同量が、電子に関して計算される。ある実施形態において、ＥＳＴＡＲデータベースが、１ＭｅＶ電子に関する阻止能および飛程を見出すために使用され得る。質量正規化範囲は、約０．４１５５ｇ／ｃｍ^２であり、ポリエチレンの密度によって除算すると、約５ｍｍをわずかに下回る約０．４８９ｃｍの経路量が得られた。

Ｑ．ＹａｎａｎｄＬ．Ｓｈａｏ，２０１７，Ｊ．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，４８５：９８－１０４（その内容は、全体として本明細書に組み込まれる）は、材料の中への深度の関数として約１ＭｅＶ電子によって堆積させられるエネルギーの量の解説を提供する。純Ｆｅにおいて約１ＭｅＶ電子によって堆積させられるエネルギーが、Ｙａｎ ａｎｄ Ｓｈａｏの記事において議論されている。そのような曲線は、ポリエチレンにおいて約８倍引き伸ばされ、約２．５ｍｍの範囲にわたってかなりのエネルギーを堆積させるであろう。単に、ガンマに電子を代用すると、約１ＭｅＶ電子は、そのエネルギーの大部分（約１－１／ｅまたは約６３％）をそのような短距離において堆積させ、単純スケーリング計算が、同一パラメータに関して約０．０１９Ｇｙ／秒の線量率を与えることだけに留意されたい。換言すると、電子は、この同等エネルギーのガンマ光線と比較して、単位長あたりのエネルギーを輸送するとき、約５５．２倍より効果的である。

（１ＭｅＶ光子と２００ｋｅＶ電子を比較する修正された計算）
大部分の商業用電子エミッタは、電子照射を概ね１５０～２５０ｋｅＶにおいて放出し、したがって、使用される２つのタイプの粒子の比較は、是認される。ＮＩＳＴからのＥＳＴＡＲ表は、約０．０４２１５ｇ／ｃｍの質量正規化範囲を与え、それは、約０．０３６ｃｍ（約３６０ミクロン）の粒子範囲に対応する。エネルギーの大部分は、範囲の前半において堆積させられ、概ね１７０ミクロンの粒子サイズが、約２００ｋｅＶ電子ビームによって均一かつ最も効率的に照射されるであろうことを意味する。上記に使用される同一スケーリング関係を使用すると、これは、約１７０ミクロンのインラインプラスチック層厚を仮定すると、約２００ｋｅＶ電子が粒子あたり約１ＭｅＶガンマ光線の約７７倍の損傷をもたらす。

（電子のより高い損傷力）
電子の損傷電力は、ガンマ光線のエネルギーに大きく依存し、したがって、１ＭｅＶにおけるそれらより１０～１，０００倍の光電効果断面を有する、低エネルギーガンマ光線（約１０～２００ｋｅＶ）を比較すべきことを単に言うことによって、この議論の「誤りを覆す」ことができる。

しかしながら、大部分のガンマ照射器は、１ＭｅＶ範囲におけるガンマ光線を放出する。換言すると、より低いエネルギーガンマ光線を放出する同位体は、一般に、反応器から抽出されない、または意図的に作り出されない。明らかな例外として、その６日の半減期の理由から、医療撮像のために使用される^９９ｍＴｃが、存在する。

さらに、低エネルギーガンマ光線、高放射能（高流束用）、および長半減期の組み合わせは、著しく稀である（特に、原子炉において使用される、または安定元素から導出される材料の中で）。長半減期および高放射能は、単に、大量の材料を要求する。

ガンマ光線源は、それらが作製された強さでしかなく、その強度は、時間に伴って、指数関数的に減弱する。対照的に、電子源は、（１）より多くの電力を用いて、より多くの電流を出力するか、または、（２）並列に置かれ、より大きい体積を照射するかのいずれかであるように作製されることができる。

さらに、電子ビーム照射ルートは、光子と比較して、より広い電子の相互作用断面（したがって、より低い範囲）に起因して、まさにインライン照射に適している。

加えて、電子照射のエネルギー密度のいくつかの固有の側面は、特に空気等の酸素および窒素を含むカバーガス中において、プラスチックを照射するとき、追加の化学変化を与える。電子照射は、イオン化を空気中で引き起こし、フリーラジカルを生成し、それは、直接または間接的に、その反応を通して、オゾン、過酸化水素（水蒸気の存在下）、および硫黄／窒素酸化物化合物等の高度に化学的に活性した種を生成する。これらの化合物は、プラスチック粒子の表面の化学構造をさらに改変し、それを通常不活性である単結合水素終端表面から表面終端構造およびダングリングボンドのより複雑な混合物に変化させる。ある実施形態において、それは、セメント内で段階的に生じるこれらの新しい表面構造に対してであり、コンクリート内の連続相が、プラスチックにより良好に根付き、強く結合し得る。この効果は、ガンマ照射を用いても生じるが、より強い効果は、電子照射を用いて示される。

（より広範囲の線量および充填割合）
建設材料のための充填材または添加材のため等の電子照射プラスチックを使用すると、これまで試験されたものよりもさらにより広範囲の線量および充填割合が、可能である。これは、放射線損傷における強線量率効果の存在に起因する。例えば、金属では、線量率の増加は、より高い総フルエンスまたはエネルギー堆積が、同一損傷を招くために要求され得るように、（単位時間あたりではなく）粒子あたりより少ない損傷を招く。これは、部分的に、重複損傷カスケード（より強く荷電された粒子および非荷電粒子の場合）、より小さいカスケード間再結合半径、および、極端な場合、高温、それによってより高速の瑕疵拡散に起因する。

本発明において、そのような線量率効果が、生じ、現在の試験より１０～１，０００倍高速で印加される電子照射の最適線量をはるかに高い線量にシフトさせるようにことが予期される。金属中の照射損傷の分野から導入される経験則として、１桁の線量率の増加は、粒子あたり損傷を約２分の１に減少させ得る。さらなる試験が、そのようなガイドラインがポリマーにも適用されるであろうかどうかを決定するために必要である。

本発明の実施形態は、任意の好適な線量の電子ビーム照射を備えている。いくつかの事例において、線量は、約１ｋＧｙ～約１，０００ｋＧｙに及ぶ。いくつかの事例において、１，０００ｋＧｙの損傷は、プラスチックの構造を著しく弱くし得る。さらに、ある実施形態において、１ｋＧｙの線量は、有益な効果を全く与えないこともある。

本発明の実施形態は、任意の好適な建築材料または建設材料において使用するための任意の好適な充填割合を備えている。いくつかの事例において、充填割合は、建築材料または建設材料の重量比約０％～約５％である。ある例において、建築材料または建設材料の重量比充填割合は、コンクリートのセメント質材料部分の重量比０．５～１０％。

いくつかの実施形態において、電子ビーム照射構成要素は、プラスチックである。本発明は、任意の好適なプラスチックを備え得る。例えば、いくつかの実施形態において、プラスチックは、プラスチック廃棄物、プラスチック廃棄物薄片、プラスチックペレット、およびプラスチック粒子から成る群から選択される。

いくつかの実施形態において、第２の構成要素は、建築材料または建設材料である。建築材料または建設材料は、任意の好適な材料であり得る。いくつかの例において、建築材料または建設材料は、アスファルト、セメント、コンクリート、セメントペースト、断熱材、グラウト、およびモルタルを備えている。

充填割合重量比は、粒子のサイズ効果によって影響される。より小さい粒子は、比例してより表面積を有し、したがって、周囲セメント質マトリクスにより強く接合するであろう。より小さい粒子は、ギスモンド沸石等のより多くのより強い位相の形成を誘発し、追加の強度を与える可能性も高いであろう。いくつかの実施形態において、例えば、粒子サイズは、約１００μｍであり、約５％の充填割合を可能にする。この充填割合は、セメント質相が、依然として、非常に連続であろうから、粒子の良好な分散を伴って実行可能である。

したがって、２００ｋｅＶ電子は、１ＭｅＶ光子と比較して、粒子あたり７５倍を上回る損傷をもたらす。電子照射を使用するとき、多数の追加の利点が、存在する。例えば、利点は、増加させられた表面変性、印加される損傷のより良好な均一性、および持続的に可変のビームエネルギーおよび電流を含み得る。

同等設備のコストは、ガンマ設備と比較して、電子ビームを使用すると、１００分の１に縮む。コスト削減は、遮蔽体、使用許諾、規制、および放射線保護要件が無いことによって増される。コスト削減は、非常に小範囲の電子にも起因し得る。

線量率効果は、最適電子照射線量を５０ｋＧｙのガンマ最適量より著しく高い線量にシフトさせ、したがって、さらにより広い範囲の線量を可能にする可能性が高い。より高い充填割合も、プラスチックナノ粒子をインラインで均一に照射するための電子ビーム照射の好適性に起因して可能である。

（参照による組み込み）
特許、特許出願、特許公開、機関誌、本、論文、ウェブコンテンツ等の他の文書の参照および引用が、本開示の全体を通して行われている。全てのそのような文書は、あらゆる目的で、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。

（均等物）
本発明は、ある実施形態と関連して説明されたが、当業者は、前述の明細書を熟読後、本明細書に記載される組成物および方法に対する種々の変更、均等物の代用、および他の改変をもたらすことが可能であろう。

Claims (27)

1. 生産物であって、前記生産物は、
   電子ビーム照射構成要素と、
   第２の構成要素と
   を備えている、生産物。
2. 前記電子ビーム照射構成要素は、プラスチックである、請求項１に記載の生産物。
3. 前記プラスチックは、プラスチック廃棄物、プラスチック廃棄物薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末から成る群から選択される、請求項２に記載の生産物。
4. 前記第２の構成要素は、建築材料または建設材料である、請求項１に記載の生産物。
5. 前記生産物は、アスファルトである、請求項１に記載の生産物。
6. 前記生産物は、セメントである、請求項１に記載の生産物。
7. 前記生産物は、コンクリートである、請求項１に記載の生産物。
8. 前記電子ビーム照射構成要素は、コンクリートのｍ^３あたりの化学混合物含有量の一部の置き換えを提供する混合調節を可能にする、請求項７に記載の生産物。
9. 前記電子ビーム照射構成要素は、コンクリートのｍ^３あたりのセメント含有量の一部の置き換えを提供する混合調節を可能にする、請求項７に記載の生産物。
10. 前記生産物は、セメントペーストである、請求項１に記載の生産物。
11. 前記生産物は、断熱材料または建築用外装材料である、請求項１に記載の生産物。
12. 前記生産物は、グラウトである、請求項１に記載の生産物。
13. 前記生産物は、モルタルである、請求項１に記載の生産物。
14. 電子ビームを用いて変性ポリマー材料を製造する方法であって、前記方法は、
    材料に電子ビーム放射線を当てることによって前記材料のポリマー粒子を照射し、それによって、照射ポリマー粒子を備えている変性ポリマー材料を生産することを含む、方法。
15. 前記ポリマー粒子は、プラスチック廃棄物、プラスチック廃棄物薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末から成る群から選択されるプラスチックを備えている、請求項１４に記載の方法。
16. 前記材料におけるポリマー粒子のサイズを低減させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記材料における前記ポリマー粒子のサイズを低減させることは、前記プラスチックを破砕または粉砕することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記プラスチックを破砕または粉砕することは、電子ビーム照射の前に生じる、請求項１７に記載の方法。
19. 少なくとも１つの添加材を前記材料に添加することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
20. 接触角度および湿潤性の変化、官能基およびフリーラジカルの生産、または電子衝撃鎖切断および架橋結合のうちの少なくとも１つによって、周囲コントローラを用いてガス－プラスチック表面反応に影響を及ぼすことをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
21. 前記材料は、アスファルト、セメント、コンクリート、セメントペースト、断熱材、グラウト、およびモルタルから成る群から選択される建設材料への添加材として使用される、請求項１４に記載の方法。
22. 電子ビーム照射プラスチックを提供する方法であって、前記方法は、
    プラスチックを電子ビーム照射器に提供することと、
    前記プラスチックを前記電子ビーム照射器における電子ビーム経路を通して移動させ、前記プラスチックを改変し、電子ビーム照射プラスチックを形成することと、
    前記電子ビーム照射プラスチックを前記電子ビーム照射器から出力することと
    を含む、方法。
23. 前記電子ビーム照射プラスチックは、アスファルト、セメント、コンクリート、セメントペースト、断熱材、グラウト、およびモルタルから成る群から選択される建設材料への添加材として使用される、請求項２２に記載の方法。
24. 前記プラスチックは、プラスチック廃棄物、プラスチック廃棄物薄片、プラスチックペレット、プラスチック粒子、およびプラスチック粉末から成る群から選択される、請求項２２に記載の方法。
25. 接触角度および湿潤性の変化、官能基およびフリーラジカルの生産、または電子衝撃鎖切断および架橋結合のうちの少なくとも１つによって、周囲コントローラを用いてガス－プラスチック表面反応に影響を及ぼすことをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
26. 前記粒子を搬送するコンベヤベルトを振動させること、または２つ以上のエミッタが前記ビームを全ての粒子表面に向けている粒子自由落下区分を有することのうちの１つをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
27. 前記電子ビーム照射器は、電源と、真空と、電子を放出するための前記真空の内側のカソードとを備え、前記真空の内側で生成された電場は、前記電子を加速し、ビームにする、請求項２２に記載の方法。

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