Радиационно-химические технологии. Классификация. Примеры

При воздействии на вещества ионизирующих излучений высоких энергий происходят различные химические превращения. Использование этого явления для совершенствования ХТП имеет большое практическое значение, так как в технике получения мощных излучений за последние годы имеются существенные достижения и эта область усиленно развивается. Таким образом, есть все основания ожидать, что радиационно-химические процессы имеют большое будущее.

Ионизирующей способностью обладают как электромагнитные излучения (рентгеновские лучи, γ-лучи и др.), так и заряженные частицы (электроны, протоны и др.).

Процессы, протекающие при облучении вещества, разделяются на три основные стадии. На первой, физической, стадии происходит столкновение заряженной частицы с молекулами вещества, в результате чего химическая энергия частицы передается молекулам, что приводит к изменению их энергетического состояния. При этом возникает большое число «активированных» молекул, нестабильных в состоянии возбуждения.

Вторая стадия состоит в распадении возбужденных (нестабильных) молекул либо во взаимодействии их с другими молекулами. В результате образуются ионы, атомы и радикалы, т. е. промежуточные активные частицы.

На третьей стадии, образовавшиеся активные частицы вступают в химическое взаимодействие с другими окружающими молекулами или друг с другом с образованием конечных химических про­дуктов.

Реакции активных частиц с молекулами отличаются от реакции невозбужденных молекул друг с другом. Для того чтобы невозбужденные молекулы вступили во взаимодействие, им необходимо сообщить некоторую избыточную энергию ε (энергию активации), что достигается, например, повышением температуры. Реакции радикалов с молекулами требуют преодоления относительно небольшого энергетического барьера (20—40 кДж-моль^-1). В результате этого радиационно-химические реакции протекают с большой ско­ростью даже при низкой температуре; в отличие от обычных химических реакций скорость радиационных процессов мало зависит от температуры.

Радиационно-химический процесс характеризуется радиационным выходом G, равным числу превратившихся (или образовавшихся) молекул вещества на 100 эВ поглощенной энергии. Для обычных реакций выход G составляет от 1 до 20 молекул. При этом энергия расходуется непосредственно на осуществление процесса взаимодействия. Такие процессы имеют ограниченное применение, поскольку требуют больших затрат энергии. В цепных радиационно-химических процессах электромагнитное излучение играет роль инициатора, поэтому радиационный коэффициент достигает большой величины (G — 10³—10⁶). Среди процессов, в которых излучение инициирует протекание не цепных реакций, практическое осуществление нашли радиационно-химические процессы сшивания отдельных макромолекул при облучения высокомолекулярных соединений. Так, например, в результате сшивания поли­этилена повышается его термостойкость и прочность, а для каучука обеспечивается его вулканизация. На этой основе разработано радиационно-химическое производство упрочненных и термостойких полимерных пленок, труб, кабельной изоляции, процесс вулканизации резино-технических изделий и др.

К числу интенсивно излучаемых и практически осуществляемых цепных радиационно-химические процессов относятся различные процессы полимеризации, а также синтеза ряда низкомолекулярных соединений. Важное практическое значение приобрели ра­диационные методы отверждения связующих (полиэфиры и др.); в производстве стеклопластиков и при нанесении лакокрасочных покрытий на металлические, деревянные и пластмассовые изделия. Большой интерес представляют также радиационно-химические процессы модифицирования простых материалов (древесины, бетона, торфа и т. д.) путем пропитки их мономерами (метилметакрилатом, стиролом и др.) и последующей поляризацией этих мономеров с помощью γ-излучения.

Для разработки и внедрения в промышленность экономичных радиационно-химических процессов возникла радиационно-химическая технология, а также радиационно-химическое аппаратуростроение, в разработку теоретических основ которых вложен ог­ромный труд советских ученых.