Forskere opfinder lim aktiveret af magnetfelt

Forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), har udviklet en ny måde at helbrede klæbemidler ved hjælp af et magnetfelt.

Konventionelle klæbemidler som epoxy, der bruges til at binde plast, keramik og træ er typisk designet til at hærde ved hjælp af fugt, varme eller lys. De kræver ofte specifikke hærdningstemperaturer, lige fra stuetemperatur op til 80 grader Celsius.

Hærdningsprocessen er nødvendig for at tværbinde og binde limen med de to sikrede overflader, når limen krystalliserer og hærder for at opnå sin endelige styrke.

NTUs nye 'magnetocuring' lim kan hærde ved at føre den gennem et magnetfelt. Dette er meget nyttigt under visse miljøforhold, hvor nuværende klæbemidler ikke fungerer godt. Også, når klæbemidlet er klemt mellem isolerende materiale som gummi eller træ, traditionelle aktivatorer som varme, lys og luft kan ikke let nå klæbemidlet.

Produkter såsom sammensatte cykelstel, hjelme og golfkøller, er i øjeblikket fremstillet med to-delt epoxylim, hvor en harpiks og en hærder blandes, og reaktionen starter med det samme.

For producenter af kulfiber - tynde bånd af kulstof, der er limet sammen lag for lag - og producenter af sportsudstyr, der involverer kulfiber, deres fabrikker bruger store, ovne med høj temperatur til at hærde epoxylim over mange timer. Denne energikrævende hærdningsproces er hovedårsagen til de høje omkostninger ved kulfiber.

Det nye "magnethærdende" klæbemiddel fremstilles ved at kombinere et typisk kommercielt tilgængeligt epoxyklæbemiddel med specialtilpassede magnetiske nanopartikler fremstillet af NTU -forskerne. Det behøver ikke at blive blandet med nogen hærder eller accelerator, i modsætning til tokomponentlim (som har to væsker, der skal blandes før brug), gør det let at fremstille og anvende.

Det binder materialerne, når det aktiveres ved at passere gennem et magnetfelt, som let genereres af en lille elektromagnetisk enhed. Dette bruger mindre energi end en stor konventionel ovn.

For eksempel, et gram magnethærdende klæbemiddel kan let hærdes af en 200 Watt elektromagnetisk enhed på fem minutter (forbruger 16,6 Wattimer). Dette er 120 gange mindre energibehov end en traditionel 2000 Watt ovn, som tager en time (forbruger 2000 Watt) at hærde konventionel epoxy.

Udviklet af professor Raju V. Ramanujan, Lektor Terry Steele og Dr. Richa Chaudhary fra NTU School of Materials Science and Engineering, resultaterne blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Anvendt materiale i dag og tilbyde potentiel anvendelse inden for en lang række områder.

Dette omfatter avanceret sportsudstyr, bilprodukter, elektronik, energi, rumfarts- og medicinske fremstillingsprocesser. Laboratorieundersøgelser har vist, at det nye klæbemiddel har en styrke på op til 7 megapascal, på niveau med mange af epoxylimerne på markedet.

Assoc Prof Steele, en ekspert i forskellige former for avancerede klæbemidler, forklarede:"Vores centrale udvikling er en måde at helbrede klæbemidler inden for få minutter efter udsættelse for et magnetfelt, samtidig med at forhindre overophedning af overfladerne, som de påføres. Dette er vigtigt, da nogle overflader, vi ønsker at forbinde, er ekstremt varmefølsomme, såsom fleksibel elektronik og bionedbrydeligt plast. "

Hvordan 'magnetocuring' lim fungerer

Det nye klæbemiddel består af to hovedkomponenter - en kommercielt tilgængelig epoxy, der hærdes gennem varme, og oxid -nanopartikler fremstillet af en kemisk kombination, herunder mangan, zink og jern (MnxZn _1-x Fe ₂ O ₄ ).

Disse nanopartikler er designet til at varme op, når elektromagnetisk energi ledes gennem dem, aktivering af hærdningsprocessen. Den maksimale temperatur og opvarmningshastighed kan styres af disse særlige nanopartikler, eliminerer overophedning og hotspotdannelse.

Uden behovet for store industrielle ovne, aktiveringen af ​​limen har et mindre fodaftryk i termer af plads og energiforbrug. Energieffektiviteten i hærdningsprocessen er afgørende for grøn fremstilling, hvor produkter fremstilles ved lavere temperaturer, og bruger mindre energi til opvarmning og køling.

For eksempel, producenter af sportssko har ofte svært ved at opvarme klæbemidlerne mellem gummisålene og den øverste halvdel af skoen, da gummi er en varmeisolator og modstår varmeoverførsel til den konventionelle epoxylim. En ovn er nødvendig for at opvarme skoen i lang tid, før varmen kan nå limen.

Brug af magnetfeltaktiveret lim omgår denne vanskelighed, ved direkte aktivering af hærdningsprocessen kun i limen.

Det skiftevis magnetiske felt kan også indlejres i bunden af ​​transportbåndssystemer, så produkter med påført lim kan hærdes, når de passerer gennem magnetfeltet.

Forbedring af produktionseffektivitet

Prof Raju Ramanujan, der er internationalt anerkendt for sine fremskridt inden for magnetiske materialer, ledede i fællesskab projektet og forudser, at teknologien kan øge effektiviteten i fremstilling, hvor der er behov for klæbende samlinger.

"Vores temperaturkontrollerede magnetiske nanopartikler er designet til at blive blandet med eksisterende en-gryds klæbende formuleringer, så mange af de epoxybaserede klæbemidler på markedet kunne omdannes til magnetfeltaktiveret lim, "Sagde prof Ramanujan.

"Hærdningens hastighed og temperatur kan justeres, så producenter af eksisterende produkter kunne redesigne eller forbedre deres eksisterende fremstillingsmetoder. For eksempel, i stedet for at påføre lim og hærde den del for del i en konventionel samlebånd, den nye proces kan være at påføre lim på alle delene på forhånd og derefter helbrede dem, når de bevæger sig langs transportørkæden. Uden ovne, det ville føre til meget mindre nedetid og mere effektiv produktion. "

Første forfatter til undersøgelsen, Dr. Richa Chaudhary sagde, "Hærdningen af ​​vores nyudviklede magnethærdende klæbemiddel tager kun flere minutter i stedet for timer, og alligevel er i stand til at sikre overflader med højstyrkebindinger, som er af stor interesse for sporten, medicinsk, bil- og rumfartsindustrien. Denne effektive proces kan også medføre omkostningsbesparelser, da pladsen og energien, der er nødvendig til konventionel varmehærdning, reduceres betydeligt. "

Tidligere arbejde med varmeaktiveret lim brugte en elektrisk strøm, der strømmer gennem en spole, kendt som induktionshærdning, hvor limen opvarmes og hærdes udefra. Imidlertid, dens ulemper omfatter overophedning af overfladerne og ujævn binding på grund af hotspot -dannelse i klæbemidlet.

Bevæger sig fremad, teamet håber at engagere klæbende producenter til at samarbejde om kommercialisering af deres teknologi. De har indgivet patent via NTUitive, universitetets innovation og virksomhedsselskab. De har allerede modtaget interesse for deres forskning fra sportsartikelfabrikanter.