Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), hebben een nieuwe manier ontwikkeld om lijmen uit te harden met behulp van een magnetisch veld.

Conventionele lijmen zoals epoxy die worden gebruikt om plastic te verlijmen, keramiek en hout zijn meestal ontworpen om uit te harden met behulp van vocht, warmte of licht. Ze vereisen vaak specifieke uithardingstemperaturen, variërend van kamertemperatuur tot 80 graden Celsius.

Het uithardingsproces is nodig om de lijm te verknopen en te binden met de twee beveiligde oppervlakken terwijl de lijm kristalliseert en uithardt om zijn uiteindelijke sterkte te bereiken.

NTU's nieuwe 'magnetocuring' lijm kan uitharden door deze door een magnetisch veld te leiden. Dit is erg handig in bepaalde omgevingscondities waar de huidige lijmen niet goed werken. Ook, wanneer de lijm is ingeklemd tussen isolatiemateriaal zoals rubber of hout, traditionele activatoren zoals warmte, licht en lucht kunnen de lijm niet gemakkelijk bereiken.

Producten zoals composiet fietsframes, helmen en golfclubs, zijn momenteel gemaakt met tweecomponenten epoxylijmen, waarbij een hars en een verharder worden gemengd en de reactie onmiddellijk begint.

Voor fabrikanten van koolstofvezel - dunne linten koolstof die laag voor laag aan elkaar zijn gelijmd - en makers van sportuitrusting met koolstofvezel, hun fabrieken gebruiken grote, ovens op hoge temperatuur om de epoxylijm gedurende vele uren uit te harden. Dit energie-intensieve uithardingsproces is de belangrijkste reden voor de hoge kosten van koolstofvezel.

De nieuwe "magnetocuring" lijm is gemaakt door een typisch commercieel verkrijgbare epoxylijm te combineren met speciaal op maat gemaakte magnetische nanodeeltjes gemaakt door de NTU-wetenschappers. Het hoeft niet te worden gemengd met een verharder of versneller, in tegenstelling tot tweecomponentenlijmen (die twee vloeistoffen bevatten die voor gebruik moeten worden gemengd), waardoor het gemakkelijk te vervaardigen en toe te passen is.

Het bindt de materialen wanneer het wordt geactiveerd door een magnetisch veld te passeren, die gemakkelijk wordt gegenereerd door een klein elektromagnetisch apparaat. Dit verbruikt minder energie dan een grote conventionele oven.

Bijvoorbeeld, een gram magneto-uithardende lijm kan gemakkelijk in vijf minuten worden uitgehard door een elektromagnetisch apparaat van 200 watt (verbruik 16,6 wattuur). Dit is 120 keer minder energie nodig dan een traditionele oven van 2000 watt, die een uur nodig heeft (2000 watt uur verbruikt) om conventionele epoxy uit te harden.

Ontwikkeld door professor Raju V. Ramanujan, Universitair hoofddocent Terry Steele en Dr. Richa Chaudhary van de NTU School of Materials Science and Engineering, de bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Toegepaste materialen vandaag en bieden potentiële toepassing in een breed scala van gebieden.

Dit omvat hoogwaardige sportuitrusting, autoproducten, elektronica, energie, lucht- en ruimtevaart en medische productieprocessen. Laboratoriumtests hebben aangetoond dat de nieuwe lijm een ​​sterkte heeft tot 7 megapascal, vergelijkbaar met veel van de epoxylijmen op de markt.

Assoc Prof Steele, een expert in verschillende soorten geavanceerde lijmen, legde uit:"Onze belangrijkste ontwikkeling is een manier om lijmen uit te harden binnen enkele minuten na blootstelling aan een magnetisch veld, terwijl oververhitting van de oppervlakken waarop ze worden aangebracht wordt voorkomen. Dit is belangrijk omdat sommige oppervlakken die we willen verbinden extreem warmtegevoelig zijn, zoals flexibele elektronica en biologisch afbreekbare kunststoffen."

Hoe 'magnetocuring' lijm werkt

De nieuwe lijm bestaat uit twee hoofdcomponenten:een in de handel verkrijgbare epoxy die door hitte wordt uitgehard, en oxide nanodeeltjes gemaakt van een chemische combinatie waaronder mangaan, zink en ijzer (MnxZn _1-x Fe ₂ O ₄ ).

Deze nanodeeltjes zijn ontworpen om op te warmen wanneer er elektromagnetische energie doorheen gaat, het uithardingsproces activeren. De maximale temperatuur en verwarmingssnelheid kunnen worden geregeld door deze speciale nanodeeltjes, het elimineren van oververhitting en hotspotvorming.

Zonder de noodzaak van grote industriële ovens, de activering van de lijm heeft een kleinere voetafdruk in termen van ruimte en energieverbruik. De energie-efficiëntie in het uithardingsproces is cruciaal voor groene productie, waar producten bij lagere temperaturen worden gemaakt, en verbruiken minder energie voor verwarming en koeling.

Bijvoorbeeld, fabrikanten van sportschoenen hebben vaak moeite om de lijm tussen de rubberen zolen en de bovenste helft van de schoen op te warmen, omdat rubber een warmte-isolator is en bestand is tegen warmteoverdracht naar de conventionele epoxylijm. Er is een oven nodig om de schoen lang op te warmen voordat de hitte de lijm kan bereiken.

Het gebruik van door magnetisch veld geactiveerde lijm omzeilt deze moeilijkheid, door het uithardingsproces alleen direct in de lijm te activeren.

Het wisselmagneetveld kan ook worden ingebed aan de onderkant van transportbandsystemen, zodat producten met vooraf aangebrachte lijm kunnen worden uitgehard wanneer ze door het magnetische veld gaan.

Verbetering van de productie-efficiëntie

Prof Raju Ramanujan, die internationaal wordt erkend voor zijn vooruitgang in magnetische materialen, leidde het project gezamenlijk en voorspelt dat de technologie de efficiëntie van de productie zou kunnen verhogen waar lijmverbindingen nodig zijn.

"Onze temperatuurgecontroleerde magnetische nanodeeltjes zijn ontworpen om te worden gemengd met bestaande eenpotslijmformuleringen, zoveel van de op epoxy gebaseerde lijmen op de markt zouden kunnen worden omgezet in door magnetische velden geactiveerde lijm, " zei Prof Ramanujan.

"De snelheid en temperatuur van het uitharden kan worden aangepast, zodat fabrikanten van bestaande producten hun bestaande productiemethoden konden herontwerpen of verbeteren. Bijvoorbeeld, in plaats van lijm aan te brengen en deel voor deel uit te harden in een conventionele assemblagelijn, het nieuwe proces zou kunnen zijn om vooraf lijm op alle onderdelen aan te brengen en ze vervolgens uit te harden terwijl ze langs de transportketting bewegen. Zonder ovens, het zou leiden tot veel minder uitvaltijd en een efficiëntere productie."

Eerste auteur van de studie, Dr. Richa Chaudhary zei:"Het uitharden van onze nieuw ontwikkelde magneto-uithardende lijm duurt slechts enkele minuten in plaats van uren, en toch in staat is om oppervlakken te bevestigen met zeer sterke verbindingen, die van groot belang is in de sport, medisch, auto- en ruimtevaartindustrie. Dit efficiënte proces kan ook leiden tot kostenbesparingen, aangezien de ruimte en energie die nodig zijn voor conventionele warmteuitharding aanzienlijk worden verminderd."

Eerder werk aan door warmte geactiveerde lijm gebruikte een elektrische stroom die door een spoel vloeide, bekend als inductieharding, waar de lijm van buitenaf wordt verwarmd en uitgehard. Echter, de nadelen zijn onder meer oververhitting van de oppervlakken en ongelijkmatige hechting als gevolg van hotspotvorming in de lijm.

Vooruit gaan, het team hoopt lijmfabrikanten te betrekken bij de commercialisering van hun technologie. Ze hebben een patent aangevraagd via NTUitive, het innovatie- en ondernemingsbedrijf van de universiteit. Ze hebben al belangstelling gekregen voor hun onderzoek van fabrikanten van sportartikelen.