Размещено на сайте 05.02.2008.

Аббревиатура МАТХЭМ образована из названий самых известных полевых воздействий, которыми располагает тризовец. Есть воздействия менее известные, менее универсальные, но могущие оказаться необходимыми при решении ряда задач. К таким относительно малоизвестным и малоприменяемым полевым воздействиям относятся радиационные технологии.

До самого последнего времени вопрос о широких применениях радиационных технологий (РадТех.) практически не возникал, поскольку большинство советских работ в этой области были закрытыми, контакты разработчиков с пользователями вне своей административной ячейки (министерство или отрасль) были предельно затруднены. Сейчас, когда разработчики выбрались из-за высоких заборов с колючей проволокой на открытую «рыночную площадь-, никто не торопится приглашать их — потребитель зачастую просто не знает, что можно получить от этих технологий.

В основе РадТех лежат два фундаментальных физических открытия, сделанные в конце XIX века: естественная радиоактивность урановых руд, открытая Беккерелем, и генерация тормозного излучения, обнаруженная Рентгеном. Оба открытия легли в основу новой физическом картины мира, рентгеновское излучение сразу же было использовано для целей интроскопии.

Далее последовали Хиросима, ставшая символом сверхчеловеческой жестокости, и Чернобыль —символ бездумности, безответственности и бездуховности. После Чернобыля очень хотелось раз и навсегда вытравить из памяти человечества все то, что привело к катастрофе, сжечь все книги и развеять пепел по ветру, но джинн уже вырвался из бутылки, и нет заклинаний для того, чтобы загнать его обратно ... Человечеству придется сосуществовать с этим джинном, поэтому необходимо хоть немного знать о нем, чтобы превращать вред в пользу.

Самые большие «маленькие человечки»

На шкале электромагнитных волн выстроим шеренгу квантов —«маленьких человечков». Эта шкала, в отличие от солдатского строя, начинается с самых маленьких — квантов теплового, инфракрасного, излучения с энергией от 1,Зх106 до 1,5 эВ. Начиная с 760 нм наш строй «засветится», а при 400 нм или 3,1 эВ «потухнет», перейдет в ультрафиолет — вплоть до 10 нм, где при энергии 130 эВ начинается интересующая нас область.

При этих длинах волн и энергиях достаточно сильно сказываются корпускулярные свойства излучения, и в большинстве воздействий они выступают уже не как волны, а как частицы. Поэтому представление излучения с длинами волн менее 10 нм в виде «самых больших МЧ» физически достаточно обосновано. К нашей энергетической шеренге в этом районе вплотную примыкает и шеренга частиц — объектов, обладающих массой покоя, —электроны, протоны, нейтроны, ядра гелия (а — частицы) и тяжелые ядра отдачи. Именно здесь, в районе энергий более 200 эВ, различить «кто частица, а кто волна» практически невозможно, и в этом районе различия между В и П — Веществом и Полем (в терминах вепольного анализа) — теряют смысл.

Энергия ИК—излучения близка к энергиям, которые могут возбуждать колебания атомов и групп атомов в молекулах и приводить их в реакционно-способное состояние. Именно поэтому большинство химико-технологических процессов протекает при нагревании. Недостатком теплового возбуждения молекул является очень низкий КПД — в сложной молекуле энергия теплового излучения расходуется на возбуждение нескольких сотен видов колебаний, на которые не надо тратить энергию для осуществления необходимого целевого превращения. Значительно выше селективность для видимого и, особенно, УФ-света, поэтому с появлением в ближайшем будущем мощных перестраиваемых технологических лазеров можно ожидать развития фото- и УФ-химии.

Если тепловые, видимые и УФ-кванты раскачивают атомы и приводят к химическим превращениям, то для высокоэнергетических излучений в веществе уже. нет «химических» мишеней, и при поглощении такого большого кванта могут проходить энергоемкие процессы возбуждения глубоких электронных уровней вплоть до полного удаления электрона из атома — ионизации. Именно поэтому излучение с длиной волны менее 10 нм называется ионизирующим.

Ионизирующая частица продирается сквозь вещество, оставляя за собой «разруху и хаос» — обломки молекул, ядра атомов, выбитые из узлов кристаллической решетки, цепочки электрических зарядов. Качественный вид этой картины разрушения зависит от массы летящей частицы. Если «бестелесный» гамма-квант ионизирует только один из нескольких десятков тысяч встреченных атомов, пролетая в веществе десятки сантиметров, то величина пробега электрона не превышает нескольких миллиметров, а тяжелые ядра гелия (а -частицы) и ядра отдачи могут двигаться только в вакууме и взаимодействуют с поверхностью твердого вещества, выделяя всю свою гигантскую энергию в объеме нескольких десятков атомов. В микромире такие взаимодействия выглядят, вероятно, так же, как космические катастрофы для земного наблюдателя.

Что можно сделать с помощью ионизирующих излучений

Как получить излучения

Первыми источниками ионизирующих излучений, которые были использованы в радиационной химии, были рентгеновские трубки (для у-излучений) и естественные радиоактивные элементы: радий и уран со сложным набором всех трех видов излучения — а (ядра гелия), р ( электроны) и у.

Сейчас промышленность использует мощные у-источники на основе Со, разнообразные ускорители электронов: линейные, Ван-де-Граафа, электронные трансформаторы, циклотроны, ядерные реакторы.

Основным механизмом взаимодействия ионизирующих излучений с веществом является разрыв химических связей с образованием в веществе заряженных частиц, поэтому радиационные технологии следует использовать тогда, когда такие реакционно-способные куски молекул могут вызывать дальнейшие превращения. Кроме того, можно использовать свойство ионизирующих излучений (в зависимости от физической природы) проникать на разную глубину внутрь вещества. К настоящему времени в промышленности используются следующие радиационные технологии.

Отверждение полимерных композиций

Для того чтобы получить изделие из полимерных материалов типа реактопластов, таких как фенолформальдегидные, эпоксидные или уретановые смолы, необходимо произвести химическое связывание друг с другом их относительно «коротких» цепей в трехмерную сетку, что делается обычно с помощью специальных сшивающих агентов, имеющих по две функциональные группы. Но традиционная технология химической сшивки обладает целым букетом недостатков: отвердители дороги и очень токсичны, невозможно создать долгоживущие смеси смолы с отвердителем — вспомните неудобства оперирования с эпоксидным компаундом, время жизни которого после введения отвердителя не превышает 15-20 минут.

Радиационное отверждение композиций идет только под лучом, причем нет необходимости введения сшивающих агентов — взаимодействующие группы образуются за счет разрыва цепей основных полимеров. Этот процесс хорошо управляем, источник облучения может быть расположен как непосредственно в линии формирования изделий, так и отделен, и отверждение (если это необходимо технологу) можно разнести и во времени, и в пространстве. Так, тонкие кабели отверждают непосредственно при формовании, а толстые и жесткие — в бухтах. Сейчас в мире с помощью радиационных технологий производится до 8% кабелей, а это — миллионы погонных метров.

Пленки

Облучение длинноцепных полимеров приводит к повышению механической проч­ости и термостойкости пластиков и дает еще один очень интересный эффект — полимеры с «памятью формы». Если пленку в виде рукава облучить, создав какое-то количество межмолекулярных сшивок, после этого растянуть при нагревании и затем охладить, не снимая нагрузки, то при последующем нагревании она «садится» до первоначального размера. Это позволяет разрешить одно из ключевых противоречий, возникающих при упаковке изделий — упаковка должна быть свободной, чтобы в нее было легко поместить изделие, и упаковка должна быть тесной, «точь-в-точь», чтобы хорошо упаковать изделие. Достаточно поместить кусок мяса, банку консервов, радиодетали в широкий пленочный рукав и слегка его нагреть -происходит усадка пленки. Термоусаживаемыми пленками обжимают электромонтажные «косы», из них делают бесфланцевые соединения труб, в том числе соединения труб разного диаметра.

Селективные воздействия

Если радиационное отверждение в массе является неплохой альтернативой химическому отверждению, то существует ряд задач, с которыми химические методы просто не справляются, а именно:

облучение через маску, при котором часть изделия имеет одни характеристики (жесткое, прочное, неэластичное), а часть —другие (высокая вязкость, эластичность, возможность склеивания);

придание сверхтонкому поверхностному слою полимерного изделия высоких прочностных характеристик — аналог поверхностной закалки металлов;

облучение одного или нескольких слоев в структуре многослойных композитов;

частичное сшивание, что необходимо при ряде технологических процессов, в частности при сборке автопокрышек. В традиционном процессе сборки присутствует сильное противоречие — заготовка должна быть мягкая, податливая, чтобы ею можно было заполнить форму, и заготовка
не должна быть мягкой, податливой, чтобы заполненная форма выдержала ряд последующих технологических операций до стадии, на которой происходит окончательное отверждение. К сожалению, химическая подшивка либо полностью исключена, потому что процесс сшивки необратим (идет до тех пор, пока не израсходуется весь сшивающий агент), либо требует двух разных сшивающих агентов, которые могли бы включаться при разных температурах, что резко усложняет и удорожает технологический процесс. Радиационное отверждение идет настолько глубоко, насколько это необходимо технологу.

Радиационная стерилизация

Уничтожение болезнетворных микробов со времен Пастера и Коха традиционно осуществляется нагреванием в автоклавах либо химическими агентами — сулемой, йодом, спиртом, хлорной известью, окисью этилена. Это очень энергоемко, не дает полной гарантии, портит материалы. Ни один из химических и термохимических методов не позволяет стерилизовать изделия из таких низкотермостойких материалов, как полиэтилен. Радиационные методики легко позволяют убить абсолютно всю болезнетворную флору в таких дозах (до 25 крад), которые не влияют существенно на стерилизуемые материалы. Если же облучаемый материал обладает большой чувствительностью к облучению, то заранее «подкладывают подушку» — в состав облучаемой смеси вводят антирады. Десятками независимых экспериментов показано, что пищевые продукты после лучевой стерилизации абсолютно безопасны для здоровья и в 25 странах такая обработка разрешена законом.

Покрытия, особые случаи отверждения

Магнитные пленки, отвержденные радиационным способом, обладают высоким качеством, т.к. такое отверждение обеспечивает хорошее сцепление между магнитным лаком и полимерной основой.

Радиационное воздействие на полиграфический оттиск дает возможность получать оттиски высокого качества, в сочетании с высокой скоростью печати,

поскольку позволяет пользоваться типографскими красками, растворенными в низкомолекулярном продукте, полимеризующимся на бумаге под действием излучения, а не раствором красок в инертном растворителе, который приходится испарять с бумаги. Именно этот процесс — высушивание краски — лимитирует скорость печати. Кроме того, при радиационном отверждении отсутствуют выбросы паров растворителей. Очистка атмосферного воздуха от них представляет серьезную техническую проблему — при суровом экологическом законодательстве расходы на очистку выбросов становятся сравнимы со стоимостью производства, а объем очистных сооружений сравним с объемом технологического оборудования. Также очень выгодно радиационное отверждение полимерной основы при печати на полимерных материалах, не впитывающих жидкую фазу.

Активация неорганических материалов

Известно, что окраска некоторых видов драгоценных камней и стекол обуславливается не наличием в их составе пигмента, а присутствием дефектов структуры, создающих оптические неоднородности, величина которых сравнима с длиной световой волны. Такие дефекты структуры возникают из-за наличия примесей, заряженных частиц. Старые мастера передавали из поколения в поколение секреты перекраски камней, способы их «оживления» («жемчуг любит, чтобы его носили ...», камни запекали в хлебе, скармливали козленку, непременно черному или белому, непременно в новолуние и т.п.). Высокая проникающая и ионизирующая способность излучений позволяет усиливать и закреплять цвет многих драгоценных камней, улучшает полупроводниковые свойства материалов.

Ионизирующие излучения способны активировать даже такие инертные материалы, как силикаты — облученный песок приобретает свойства цемента, к поверхности такого песка можно «прививать» полимеры —одевать песчинку в полимерную «шубу», что дает возможность получать материалы с абсолютно новыми свойствами, сочетающими в себе противоречивые свойства эластичности и коррозионной устойчивости органических пластмасс с прочностью и термостойкостью.

Радиационная технология как альтернатива традиционным технологиям

«Девяносто шесть дорог
Есть, чтоб песнь сложить ты мог,
И любая правильна —
Поверь!»
Р.Киплинг

Утверждение Киплинга справедливо не только для песен — большинство промышленных продуктов и материалов могут быть получены разными, зачастую альтернативными, путями. Когда-то конкурировали между собой бессемеровский и мартеновский процессы выплавки стали, сейчас — доменно-мартеновский комплекс с прямым восстановлением металлизированного окатыша и т.п. В таких условиях вопрос о применимости радиационных технологий переносится в область технико-экономических исследований. Как правило, радиационные технологии — энергосберегающие, экологически чистые, но фондоемкость их выше, и им, к сожалению, сопутствует радиофобия, укрепившаяся после Чернобыля.

Заключение

Мы не ставили своей целью дать практические рецепты, такие, чтобы читатель, схватив в руки номер «Журнала ТРИЗ», побежал внедрять у себя радиационную технологию — нет, для этого требуются достаточно специфичные знания и навыки. Нет, мы хотели проинформировать тризовца-читателя, что существует еще целый куст технических решений, пока малоизвестных, но дающих возможность выходить на принципиально новые решения, разрешать «крутые» ТП нетрадиционными средствами, а в слово МАТХЭМ стоит добавить еще одну букву.

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.