Znanstveniki s tehnološke univerze Nanyang v Singapurju (NTU Singapore) so razvili nov način za strjevanje lepil z magnetnim poljem.
Običajna lepila, kot je epoksi, ki se uporabljajo za lepljenje plastike, keramike in lesa, so običajno zasnovana tako, da se strjujejo z vlago, toploto ali svetlobo iz okolice. Pogosto zahtevajo posebne temperature strjevanja, ki segajo od sobne temperature do 80 stopinj Celzija.
Postopek strjevanja je potreben za zamreževanje in lepljenje lepila z obema pritrjenima površinama, ko lepilo kristalizira in se strdi, da doseže svojo končno trdnost.
Slika 1: (Od leve proti desni) NTU Izr. prof. Terry Steele, prof. Raju V. Ramanujan in dr. Richa Chaudhary, ki držijo različne mehke in trde materiale, vezane z njihovim novim magnetno-strjevalnim lepilom
NTU-jevo novo “magnetno-utrjevalno” lepilo se lahko strdi tako, da ga izpostavimo magnetnemu polju. To je zelo koristno v določenih okoljskih pogojih, kjer trenutna lepila ne delujejo dobro. Tudi kadar lepilo stisnemo med izolacijski material, kot sta guma ali les, tradicionalni aktivatorji, kot so toplota, svetloba in zrak, ne morejo zlahka doseči lepila.
Izdelki, kot so sestavljeni okvirji za kolesa, čelade in palice za golf, so narejeni z dvodelnimi epoksidnimi lepili, kjer se mešata smola in trdilec in reakcija se prične takoj.
Proizvajalci ogljikovih vlaken – tankih ogljikovih trakov, zlepljenih po plasteh – in izdelovalci športne opreme, ki vključuje ogljikova vlakna, uporabljajo za lepljenje velike visokotemperaturne pečice zato, da epoksi lepilo sušijo več ur. Ta energijsko intenziven postopek strjevanja je glavni razlog za visoke stroške izdelkov iz ogljikovih vlaken.
Novo lepilo “magnetno utrjevanje” je narejeno s kombiniranjem tipičnega komercialno dostopnega epoksidnega lepila s posebej prilagojenimi magnetnimi nanodelci, ki so jih izdelali znanstveniki v NTU. Za razliko od dvokomponentnih lepil (ki ima dve tekočini, ki ju je treba pred uporabo premešati) ga ni treba mešati z nobenim trdilom ali pospeševalnikom, kar olajša izdelavo in uporabo.
Lepilo veže materiale, ko se aktivira s prehodom skozi magnetno polje, ki ga zlahka ustvari majhna elektromagnetna naprava. Ta porabi precej manj energije kot velika industrijska peč.
En gram lepila, ki ga aktivira magnetno polje lahko aktivirate na primer z 200-vatno elektromagnetno napravo v petih minutah, za kar porabite 16,6 vatne ure. To je 120-krat manj energije kot tradicionalna 2000-vatna pečica, ki izdelke peče eno uro (porabi 2000 vatov), da utrdi običajno epoksidno lepilo.
Slika 2: Izr. prof. Steele (levo) in dr. Richa, ki z magnetnim poljem utrjujeta magnetno-strjevalno lepilo na bombažni mrežici
Lepilo so razvili profesor Raju V. Ramanujan, izredni profesor Terry Steele in dr. Richa Chaudhary z NTU School of Materials Science and Engineering. Ugotovitve so bile objavljene v znanstveni reviji Applied Materials Today [1] in ponujajo potencialno uporabo na številnih področjih.
To vključuje vrhunsko športno opremo, avtomobilske izdelke, elektroniko, energijo, vesoljsko in medicinsko proizvodnjo. Laboratorijski testi so pokazali, da ima novo lepilo trdoto do 7 megapaskalov, enako kot številna epoksi lepila na trgu.
Izredni profesor Steele, strokovnjak za različne vrste naprednih lepil, je pojasnil: »Naš ključni razvoj je način, kako lepila aktivirati v nekaj minutah po izpostavljenosti magnetnemu polju, hkrati pa preprečiti pregrevanje površin, na katere se nanašajo. To je pomembno, saj so nekatere površine, ki jih želimo združiti, izredno občutljive na toploto, na primer prožna elektronika in biorazgradljiva umetna masa. “
Kako deluje lepilo, ki ga aktivira magnetno polje?
Novo lepilo je narejeno iz dveh glavnih sestavnih delov – komercialno dostopnega epoksida, ki se strdi s toploto in oksida nanodelcev iz kemične kombinacije mangana, cinka in železa (MnxZn1-xFe2O4).
Ti nanodelci so zasnovani tako, da se segrejejo, ko skozi njih prehaja elektromagnetna energija, kar aktivira postopek strjevanja. Ti posebni nanodelci lahko nadzorujejo najvišjo temperaturo in hitrost segrevanja, kar preprečuje pregrevanje in nastanek žarišč.
Brez potrebe po velikih industrijskih pečeh ima aktiviranje lepila manjši odtis v prostoru in porabi energije. Energijska učinkovitost v postopku sušenja je ključnega pomena za zeleno proizvodnjo, kjer so izdelki izdelani pri nižjih temperaturah in porabijo manj energije za ogrevanje in hlajenje.
Slika 3: Novo lepilo, ki se strdi ob prisotnosti magnetnega polja se nanese tako kot običajno lepilo in ima po utrjevanju podobno trdnost kot običajno epoksi lepilo
Na primer, proizvajalci športnih čevljev imajo pogosto težave s segrevanjem lepil med gumijastimi podplati in zgornjo polovico čevlja, saj je guma toplotni izolator in se upira prenosu toplote na običajno epoksi lepilo. Pečica je potrebna za dolgotrajno segrevanje čevlja, preden lahko toplota doseže lepilo.
Uporaba lepila, aktiviranega z magnetnim poljem, to težavo obide, tako da se postopek strjevanja neposredno aktivira zgolj v lepilu.
Na dno sistemov transportnih trakov je mogoče vgraditi tudi izmenično magnetno polje, zato lahko izdelke z vnaprej nanesenim lepilom strdijo, ko potujejo skozi magnetno polje.
Izboljšanje proizvodne učinkovitosti
Profesor Raju Ramanujan, ki je mednarodno priznan zaradi svojega napredka na področju magnetnih materialov, je vodil projekt in napoveduje, da bi tehnologija lahko povečala učinkovitost proizvodnje tam, kjer so potrebni lepilni spoji.
“Naši magnetni nanodelci z nadzorovano temperaturo so zasnovani tako, da jih mešamo z obstoječimi lepilnimi formulacijami v enem loncu, zato bi lahko veliko lepil na osnovi epoksida na trgu pretvorili v lepilo, ki se aktivira z magnetnim poljem,” je dejal Ramanujan.
Slika 4: NTU Prof Raju drži in upogiba dva kosa lesa, ki ju na sredini veže lepilo, ki se utrdi s pomočjo magnetnega polja in tako demonstrira močno vezno trdnost lepila
»Hitrost in temperaturo strjevanja je mogoče prilagoditi tako, da lahko proizvajalci obstoječih izdelkov preoblikujejo ali izboljšajo svoje obstoječe proizvodne metode. Na primer, namesto da bi na običajnem tekočem traku nanesli lepilo in ga delno strdili, bi lahko bil nov postopek predhodno nanašanje lepila na vse dele in nato njihovo sušenje, ko se premikajo po transportni verigi. Brez pečic bi to privedlo do veliko manjših zastojev in učinkovitejše proizvodnje. “
Prvi avtor študije dr. Richa Chaudhary je dejal: “Utrjevanje našega novo razvitega lepila traja le nekaj minut namesto ur, vendar je kljub temu sposobno pritrditi površine z visoko trdnimi vezmi, za kar je veliko zanimanje v športu, medicinski, avtomobilski in letalski industriji. Ta učinkovit postopek lahko prinese tudi prihranek stroškov, saj se prostor in energija, potrebna za običajno toplotno strjevanje, bistveno zmanjšata. “
Ta triletni projekt je podprla Agencija za znanost, tehnologijo in raziskave (A * STAR).
Pri predhodnem delu na toplotno aktiviranem lepilu je bil uporabljen električni tok, ki teče skozi tuljavo, znan kot indukcijsko utrjevanje, kjer se lepilo segreva in suši od zunaj. Njegove pomanjkljivosti vključujejo pregrevanje površin in neenakomerno lepljenje zaradi nastanka vročih točk znotraj lepila.
V nadaljevanju ekipa upa, da bodo proizvajalci lepil vključili v trženje svoje tehnologije. Patent so prijavili prek NTUitive – univerzitetnega podjetja za inovacije in podjetja. Za raziskave so se že zanimali pri proizvajalcih športne opreme.
1: “Magnetocuring of temperature failsafe epoxy adhesives” objavljeno v decembrski reviji Applied Materials Today. doi.org/10.1016/j.apmt.2020.100824
Povzeto po: https://www.ntu.edu.sg/mse/news-events/news/detail/ntu-scientists-invent-glue-activated-by-magnetic-field-professor-raju-v.-ramanujan-and-associate-professor-terry-steele
2021 / 34
