Las radiaciones constituyen hoy día un valioso medio de

las radiaciones
en los
procesos
industriales
Las radiaciones constituyen hoy día un valioso medio de
producción industrial. Anualmente se someten a irradiación materias
primas por valor de varios centenares de millones de dólares,
transformándose en productos de nuevas y mejores características.
El presente articulo, de carácter general, se basa en el trabajo presentado
en octubre en "Nuclex'69" (Basilea, Suiza), en nombre del
Organismo, por H.C. Yuan, F.Antoni y C.K. Beswick, y en él se
resumen los aspectos industriales de la radioesterilización
de artículos médicos y de los procesos de polimerización inducidos
por irradiación. El Dr. Antoni trabaja en la actualidad en el
Instituto Nacional de Radiobiología e Higiene Radiológica Frédéric
Joliot-Curie de Budapest (Hungría).
Las fuentes de radiación de que se trata en el presente articulo son
los radioisótopos y los aceleradores de partículas. Entre los primeros, el
cobalto-60 constituye la fuente de rayos gamma más comúnmente utilizada, por su abundancia y seguridad de funcionamiento. También puede
considerarse como fuente adecuada de rayos gamma el cesio-137, q u e
se obtiene de los productos de fisión en la generación de energía núcleoeléctrica. Las ventajas que brindan el cobalto-60 y el cesio-137 en los
procesos industriales son su fácil entretenimiento, bajo costo de reposición, regularidad de la energía emitida y gran penetración en el
tratamiento de objetos de espesor considerable. Se ha comprobado ya
el satisfactorio rendimiento del cobalto-60 en los procesos de radioesterilización, de elaboración de maderas plastificadas y de síntesis
química.
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En cuanto a los aceleradores, los que principalmente se utilizan son
los de haces de electrones con una energía de 0,3 a 3MeV. Permiten
obtener elevadas intensidades de dosis y velocidades suficientes de desplazamiento de los haces electrónicos, por lo que se prestan especialmente para el tratamiento continuo de láminas delgadas de plásticos,
tejidos y revestimientos superficiales. La elección de la fuente de radiación depende, pues, de la finalidad perseguida y de los materiales que
se vayan a tratar, y es muy conveniente tener en cuenta la uniformidad
de la dosis y las características del proceso.
Radioesterilización
Las modernas plantas de radioesterilización son instalaciones de gran
rendimiento destinadas a tratar artículos n o reutilizables y numerosos
accesorios quirúrgicos. Este tipo de esterilización está especialmente
indicado en el caso de artículos de plástico o de productos de origen
biológico, como son las suturas, cuya esterilización por métodos térmicos o químicos resulta difícil. La irradiación de los productos, previamente envasados en cajas de cartón herméticamente cerradas, facilita
el empleo de los artículos esterilizados. En efecto, gracias a la radioesterilización, es posible el empleo en medicina de las jeringas n o reutilizables.
U n a característica peculiar de las instalaciones de irradiación bien
proyectadas son las rigurosas medidas de precaución contra todo posible
accidente. Mediante numerosos dispositivos sensibles se puede detectar
cualquier anomalía en cuanto a ventilación, temperatura, suministro
de energía eléctrica y condiciones sísmicas, transmitiéndose esta información al pupitre de control para garantizar la seguridad. Se prevén asimismo dispositivos de enclavamiento para impedir la exposición
accidental a las radiaciones. El sistema automático de banda transporta-
Entre los productos de madera que se prestan a la plastiflcación por irradiación
figuran artículos de deporte, mangos de herramientas, entarimados, y
ensambladuras de muebles y mangos de herramienta. (Foto: USAEC)
•HHH
dora acciona los envases de manera que quede asegurada la irradiación
uniforme en el interior de los mismos, n o excediendo de 1,2 la razón
de la dosis máxima a la minima.
La capacidad de estas plantas oscila entre 100 000 y 1 5 0 0 000 curies
de cobalto-60, para la esterilización de 50 000 a 1 000 000 de pies cúbicos de productos. El costo de la esterilización es del orden de 0,20 a
i ,00 dólares por pie cúbico, según el volumen de los objetos tratados.
Al generalizarse cada vez m á s la radioesterilización, se propuso, en
la reunión de un grupo de expertos en irradiación con rayos gamma
y electrones, celebrada en Copenhague en 1964, preparar un manual.
El proyecto de este manual se redactó en 1966 bajo los auspicios del
Organismo Internacional de Energía Atómica y se sometió a un primer
examen en el Simposio sobre radioesterilización de productos médicos,
reunido por el OIEA en Budapest en 1967. En el referido proyecto se
hace constar que el rendimiento de la radioesterilización depende del
número y de los tipos de organismos contaminantes, asi como de las
condiciones ambientales de las instalaciones. Por tanto, en la práctica,
el cumplimiento de las normas microbiológicas ha de basarse en un
control dosimétrico adecuado y en la comparación del recuento bacterian o antes y después de la irradiación. Las dosis recomendadas han de
considerarse en función de los artículos que vayan a esterilizarse, de
su grado de contaminación y del margen de seguridad que exija el
uso a que se destinen.
Actualmente, la práctica de la radioesterilización se h a extendido a
la preparación industrial de enzimas y, posiblemente, a la de algunas
vacunas.
Materiales fibrosos impregnados
Impregnando maderas con un m o n ó m e r o e irradiando a continuación
se obtienen las maderas plastificadas. Una gran fracción de las moléculas
monómeras se polimerizan in situ, rellenando las células de la madera.
La irradiación provoca, en menor proporción, la copolimerización por
injerto del m o n ó m e r o en la celulosa, proceso que depende en gran
medida del grado de hinchazón de las fibras.
Hay ya cuatro fabricantes d e maderas plastificadas en los Estados
Unidos y uno en Francia, todos los cuales utilizan metacrilato de metilo.
Una firma británica proyecta desde hace poco tiempo la comercialización
de un producto a base de madera y una mezcla de estireno y acrilonitrilo. Entre los artículos fabricados figuran entarimados y mangos d e
cuchillería, pero hay más en proyecto.
La madera tratada resulta superior a la natural en cuanto a las siguientes características: flexión estática, resistencia al esfuerzo cortante, estabilidad de dimensiones, resistencia a la compresión, asi como resistencia
a los agentes atmosféricos, la pudrición y la abrasión. En algunos casos,
existe la posibilidad de conseguir maderas plastificadas de combustión
lenta, si se utiliza un m o n ó m e r o adecuado. Ahora bien, estas maderas
n o son más fáciles de trabajar ni clavar que la madera natural. En
comparación con los plásticos, las maderas plastificadas resultan superiores en lo que respecta a la mayoría de las propiedades mecánicas y
resisten mejor al calor. Se prevé su aplicación en la construcción, la
industria del mueble y la producción de artículos especiales.
Se ha calculado que el precio de venta de las maderas plastificadas
a base de metacrilato de metilo, ascendería a 1,50 dóls./board foot
(1 board foot = 0,00236 metros cúbicos), lo que es muy superior
al precio de la madera ordinaria (0,35 dóls./board foot). En la práctica,
el costo de fabricación depende de la clase de la madera, del monómero
y de las condiciones de trabajo. A continuación se ilustra la influencia
reciproca de estos factores:
________ Ciclo de impregnación
Madera - = C d I 3 Z _ _ ^
Porcentaje de carga — ~ 2 ^ ^ = >
~~
Dosis total
""
Monómero
I
Condiciones de trabajo
Intensidad
de dosis
Transmisión
de calor
Aditivos
Incluso en igualdad de condiciones, la variación, según el tipo de
m o n ó m e r o y la dosis total correspondiente, del volumen de materiales
tratados influirá considerablemente en el costo de producción, como
indica la Tabla I, basada en el supuesto de que el producto contiene
un 25% de polímero.
Para tratar de reducir el costo, se debe recurrir a monómeros de costo
unitario bajo y reducir el contenido de monómero, asi como la dosis
de irradiación. Debe procurarse la buena calidad del producto por la
uniformidad del tratamiento y la adecuación entre las propiedades físicas
y el uso al que se destina. Puesto que en la fabricación de las maderas
plastificadas interviene tanto la homopolimerización como la polimerización por injerto, conviene también estudiar la influencia que sobre las
propiedades físicas ejerce la magnitud de esta última.
Tabla I. Variación del costo de fabricación con el monómero empleado
Monómero
Dosis
Mrad
Volumen
C o s t o p o r k g de p r o l u c t o ,
en d ó l s .
relativo
Total
de material Impreg- Irradia- Monónación
ción
mero
tratado
Acetato de vinilo
Cloruro de vinilo
Metacrilato de metilo
0,5
0,6
1,5
1
0,83
0,33
0,03
0,02
0,03
0,03
0,03
0,07
0,08
0,05
0,16
0,14
0,10
0,26
La mejora de la calidad de la madera por impregnación ha dado lugar
a la aparición de una amplia gama de materiales fibrosos impregnados.
H a dado buenos resultados el tratamiento de tableros de bagazo, el
b a m b ú y el yute por radiopolimerización de monómeros vinilicos. Los
productos acabados poseen una buena estabilidad de dimensiones, resistencia a los insectos y los hongos, y mayor resistencia mecánica.
Con este tratamiento se podrán convertir algunas materias fibrosas
baratas y abundantes en materiales apropiados para la construcción,
por ejemplo, de viviendas prefabricadas. Si se utiliza un monómero de
bajo costo, el producto puede llegar a competir en precio con la madera
natural. Si estas tentativas se ven coronadas por el éxito, se abrirá
u n nuevo mercado a los fabricantes de monómeros; además, se disp o n d r á en las regiones tropicales de un material de construcción, barato
y de fácil montaje, resistente a la deformación y a la pudrición.
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Hormigón de mayor resistencia
A raíz de la comercialización de las maderas plastificadas, se
ha aplicado una técnica análoga de impregnación e irradiación en el
Laboratorio Nacional de Brookhaven para estudiar materiales a base
de hormigón y polímero. Los compuestos de hormigón-polímero con
un contenido de 6,7% de metacrilato de metilo ofrecen excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión (véase la Tabla I I ) .
Tabla II. Compuestos de hormigón-polímero
Propiedades
Resistencia a l a compresión, Ib/pulg2
Resistencia a la tracción, lb/pulg2
Módulo de elasticidad, lb/pulg2
Módulo de rotura, lb/pulg2
Resistencia a la congelación-deshielo, pérdida en peso
M e j o r a en %
20255
1627
6,3 X 106
2637
0,5%
285
290
80
256
375
Este material ha de encontrar aplicaciones en las obras de construcción
que se realicen en regiones cuyas condiciones sean muy rigurosas.
Curado de pinturas y revestimientos
El curado por irradiación electrónica de pinturas a base de poliésteres
n o saturados y resinas acnlicas está a punto de alcanzar la escala
industrial. Este procedimiento ofrece las siguientes ventajas netas sobre
los métodos ordinarios:
1. Curado instantáneo en el aire a la temperatura ambiente;
2. Simplificación en el manejo y almacenamiento de las pinturas, al
no precisarse catalizador alguno;
3. Se precisa menos superficie, siendo el tratamiento continuo;
4. Revestimiento continuo de materiales base sensibles al calor sin
que experimenten daño alguno;
5. Se impide la contaminación, pues se reduce al mínimo la cantidad
de monómero que se volatiliza.
Se emplean aceleradores de 300 a 500 keV para tratar tableros de
4 pies de anchura, a velocidades de hasta 80 pies lineales/minuto. El
espesor del revestimiento no debe rebasar las 10 milésimas de pulgada.
Varios de los principales fabricantes de pinturas han conseguido composiciones que curan, con un excelente acabado, con dosis de 6 a 12
Mrad. Este nuevo método de curado abrirá nuevas aplicaciones a las
pinturas a base de poliésteres, que no necesitan disolvente para su
empleo. Con anterioridad, las principales objeciones que se hacían
a las pinturas a base de poliésteres eran la dificultad que ofrecía su
curado, su limitado período de conservación y la dificultad de evitar
superficies pegadizas. El curado por irradiación ha de eliminar todos
estos inconvenientes. Se ha conseguido también el desarrollo industrial
de otro grupo de materiales de revestimiento a base de resinas aerificas;
Acelerador lineal (CIRCE 10) para irradiaciones industriales. (Foto: Compagnie Genérale de Télégraphie
Sans Fil, Francia)
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el curado por irradiación se extenderá probablemente en el futuro a
los uretanos y a las resinas epoxi.
Con aceleradores potentes, del orden de 1,5 a 3MeV, resulta también
posible curar materiales laminados preparados en h ú m e d o y armados
con fibra de vidrio, materiales previamente impregnados e incluso compuestos para moldear. Los materiales curados por irradiación pueden
competir con los curados por prensado en caliente, tanto en propiedades
mecánicas como en costo. Para una dosis total de 5 Mrad, el costo,
suponiendo una producción a escala semiindustrial, es de alrededor
de cuatro centavos de dólar por kilogramo de producto. Ahora bien,
es menester perfeccionar aún más las características técnicas de los aceleradores para hacer posible el curado de objetos de formas geométricas
complicadas.
Tejidos con nuevas propiedades
Al cabo de un decenio de intensas investigaciones, el curado de tejidos
por irradiación ha alcanzado la escala industrial. La energía de las radiaciones favorece el injerto de un m o n ó m e r o vinilico determinado en la
celulosa, con lo que se impide el encogimiento y arrugamiento de las
telas de algodón, al tiempo que se conserva la agradable sensación de
las fibras naturales.
Este sistema de curado por irradiación se basa en la adición de un
m o n ó m e r o vinilico multifuncional a la celulosa. En realidad, el proceso
completo tiene lugar en dos etapas sucesivas y puede desarrollarse según
el método a) o el b):
a) Injerto químico del m o n ó m e r o en la celulosa, seguido de reticulación radioinducida.
b) Injerto radioinducido del m o n ó m e r o vinilico en la celulosa, seguido
de reticulación catalizada por un ácido.
El curado aumenta los ángulos de recuperación de los pliegues, tanto
en seco como en húmedo, y fija éstos de manera permanente. La irradiación n o origina disminución significativa alguna de la resistencia a la
tracción, al desgaste o a la abrasión de las fibras tratadas.
Aprestando el algodón natural con resinas, puede hacerse más
resistente al agua y ser más fácil eliminar en él las manchas de grasa
y reducirse su mojabilidad. Como la permeabilidad y sorción de la
humedad en un tejido son importantes para que éste resulte cómodo
y llevadero, es innecesario cargar la celulosa con una cantidad excesiva
de polímero, que podria incluso alterar la textura de la fibra. Es preferible, y también más económico, utilizar una pequeña cantidad de
m o n ó m e r o unido por reticulación a la fibra, que conserve las propiedades del algodón en cuanto a permeabilidad y sorción de la humedad
("respiración"). Con este tratamiento se ha conseguido una buena resistencia a los agentes atmosféricos, el m o h o y la podredumbre.
Es esencial que el tejido aprestado con resina no irrite la piel humana,
que n o acumule cargas electrostáticas y que su teñibilidad n o resulte
afectada. Hasta la fecha, la metilolacrilamida ha resultado ser un monómero muy flexible en su aplicación industrial.
Para la producción en escala industrial, los aceleradores de electrones
pueden suministrar grandes dosis, del orden de varios megarad por
segundo, y tratar los tejidos a una velocidad de 30 a 40 metros por
minuto. El acelerador se puede incorporar fácilmente en el circuito de
producción de las fábricas de tejidos, siendo su gasto de explotación
inferior a un centavo de dólar por metro de tejido.
8
<^k
^^
^ )
p i a n t a de esterilización
de material quirúrgico,
(Foto: Gillette)
La irradiación se efectúa a la temperatura ambiente, se puede aplicar
sin dilación alguna y reduce en gran medida los vapores y olores asociados por lo común a las operaciones desarrolladas a alta temperatura.
Otra ventaja de trabajar a la temperatura ambiente es que el deterioro
de los tejidos y el riesgo de incendio se reducen al mínimo.
Se conocen dos métodos diferentes para la obtención de tejidos de
planchado permanente. En ambos se utiliza una emulsión de metilolacrilamida, con adición de una sal d e cinc, que favorece la hinchazón
de la celulosa para que las moléculas del monómero se difundan con
mayor facilidad y rapidez en las fibras.
En el caso de las fibras sintéticas, el injerto de un monómero apropiado puede mejorar su teñibilidad y propiedades electrostáticas. Las experiencias de injerto radioinducido en diversas fibras parecen indicar que,
tanto las características superficiales como la cristalinidad de la fibra,
desempeñan un papel importante en la formación del polímero injertado.
Para obtener resultados óptimos, es preferible injertar una gran cantidad
de cadenas laterales cortas que un pequeño número de cadenas laterales
largas, debiéndose evitar en la medida de lo posible la formación de
homopolímeros.
Modificación de materiales plásticos
La modificación directa de la estructura de los polímeros es, en realidad, la aplicación industrial más inmediata que ofrecen las radiaciones.
La reticulación de los termoplásticos se consigue normalmente por
irradiación de los productos extruidos. La energía de las radiaciones
emitidas por los aceleradores origina la formación de radicales libres
en los polímeros, radicales que, al recombinarse, causan la reticulación,
aumentando la resistencia del polímero al calor y a los disolventes.
Una sociedad norteamericana lanzó la cinta de polietileno irradiado
hace más de diez años. En el revestimiento de hilos y cables, el polietileno irradiado resulta prácticamente inmune al agrietamiento por
tensión y puede prestar servicio continuo a temperaturas de hasta 130°C.
Igualmente, se pueden mejorar sus propiedades aislantes.
Se ha aprovechado el efecto de "memoria" o propiedad de contraerse
con el calor, que presenta el polietileno irradiado, en la fabricación
del producto Cryovac L. Se extruye polietileno de densidad baja
o media, formando un tubo que se prensa a continuación para obtener
una cinta de un espesor de 20 a 60 milésimas de pulgada. Se irradia
con electrones de 500 keV a 2|MeV y, seguidamente, se inyecta aire
y estira, obteniéndose una película adecuada para envasar alimentos y
otros artículos. Están entrando también en la fase de producción industrial los tubos y bolsas de polietileno contraibles por el calor, de
mayor resistencia al choque y la tracción.
La espuma de polietileno es otro producto que se obtiene irradiando
polietileno de baja densidad con una dosis de lOMrad, en presencia
de un agente espumante. Tiene una densidad que oscila entre 0,035 y
0 , l l g / c m J y una resiliencia del 53% en el caso de la espuma más
ligera. Es un buen aislante del calor, pues posee una conductividad
térmica sumamente baja, por lo que puede utilizarse para aislamientos
a baja temperatura, hasta -70° C. Por un procedimiento análogo, se produce también espuma de metacrilato de metilo polimerizado. La principal ventaja que ofrece la irradiación es la de impedir la deformación
del polímero por fluencia, cuando la espuma se produce a temperaturas
elevadas.
La reticulación del látex del caucho natural exige una dosis de 13 Mrad.
Mediante el empleo de sensibilizadores, como el cloroformo o el tetracloruro de carbono, se puede reducir considerablemente esta dosis.
Con la irradiación se obtiene una película de excelentes propiedades
mecánicas, que se puede aplicar a la vulcanización de objetos de pequeño
espesor.
Polímeros fundamentales de mejores propiedades
La finalidad de la copolimerización radioinducida por injerto de plásticos con m o n ó m e r o s adecuados es mejorar las propiedades de los polímeros fundamentales para conseguir materiales más perfeccionados.
El polietileno y el cloruro de polivinilo son dos de los plásticos
corrientes que más se investigan.
Se ha estudiado con éxito en el Japón el injerto de butadieno gaseoso
en cloruro de polivinilo. Este, en forma de polvo, se irradia juntamente
con el butadieno en una vasija cilindrica provista de una fuente interna
de cobalto-60, de 6 000 curies. La mejora más importante conseguida
es elevar a 1 3 0 k g - c m / c m 2 la resistencia al choque, en el caso del polimero con un 8-25% de injerto. Esta resistencia es 50 veces superior
a la del cloruro de polivinilo ordinario. El injerto del polietileno con
butadieno puede mejorar su reactividad química y su flexibilidad
mecánica.
El injerto por vía radioquímica se utiliza en la preparación de resinas
y membranas de intercambio iónico. Se ofrecen otras posibles
aplicaciones en los procesos industriales, químicos y en la desalación
del agua.
10
Polimerización en sistemas poco corrientes
La irradiación a elevadas energías es el único método aplicable para
provocar la polimerización en estado sólido, por formación de radicales
libres, de cationes o de aniones. La polimerización en estado sólido
permitiría controlar en mayor grado las estructuras estéricas o cristalinas
de las moléculas de los polímeros.
La polimerización de trioxano, altamente purificado y previamente
irradiado, ha alcanzado la fase de la planta piloto en el Japón. Se calcula
que el costo de la irradiación es del orden de 1 centavo de dólar por
kg de producto, suponiendo un rendimiento de saturación del 65% y
una capacidad de producción de 8 000 toneladas anuales.
Se ha seguido investigando la polimerización del etileno y su copolimerización con otros monómeros, por efecto combinado de las radiaciones y las altas presiones. En el caso del polietileno se han construido
ya varias plantas piloto para perfeccionar el correspondiente proceso.
De todas formas, las aplicaciones industriales de las radiaciones dependerán de su competitividad con los procedimientos clásicos, bien
arraigados y comercializados desde hace más de veinte años.
Consideraciones generales
No cabe duda de que la radioesterilización ha afianzado sus posiciones
en la industria. Según se vaya adquiriendo experiencia, disminuirán
probablemente los gastos de primer establecimiento de las plantas.
Los problemas que plantea la aplicación de las radiaciones en la industria de los plásticos son tanto de carácter económico como técnico.
Entre las consideraciones de orden económico relativas a la viabilidad
de una aplicación industrial de las radiaciones cabe citar:
El costo de la fuente y el de su instalación
La reposición de la fuente
La amortización
La conservación
El factor de utilización
El volumen de producción para una cantidad dada de energía generada.
Esta última consideración está directamente relacionada con el tipo
de proceso de que se trate.
La dosis total guarda estrecha relación con el volumen de materiales
tratados; las siguientes cifras, que indican el costo de diversos tratamientos con aceleradores, permiten formarse una idea general:
Material
Unidad
Tejidos
Revestimientos
superficiales
yarda
pie
cuadrado
libra
Película de
libra
polietileno
Espuma de
libra
polietileno
Tubos, contraíales
libra
de polietileno
D o s i s , Mrad
5
6—12
20
C o s t o , ce
1
0,12—0,17
0,6 —0,9
8
5
10
3
20
15
Sin embargo, la determinación de la intensidad de dosis óptima para
un proceso dado presupone el estudio tecnológico de los parámetros
11
correspondientes. Casi siempre los procesos son exotérmicos y, como
se ha indicado, en muchos de ellos intervienen fenómenos de mezcla
o difusión.
Los principios básicos son, en general, análogos a los de los m é t o d o s
tradicionales, pero la situación es más compleja en lo que atañe a la
distribución de los flujos de radiación, con la consiguiente influencia
scbre la velocidad de las transformaciones.
En aquellos procesos en los q u e se desprende m u c h o calor de polimerización, no debe descuidarse la estabilidad ni el control de la vasija
de reacción.
Es evidente que, dada la complejidad de los procesos radioquimicos,
lo que procede eS una planificación concienzuda de los sistemas y seguir
laborando por su perfeccionamiento tecnológico, fomentando asi las
aplicaciones industriales de las radiaciones en el futuro.
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