Сінгапурські вчені винайшли клей, який можна активувати магнітним полем. Це може допомогти виробникам вуглецевого волокна, які використовують епоксидний клей, для затвердіння якого необхідні високотемпературні печі та великий проміжок часу. Одному граму нового клею необхідно у 120 разів менше енергії для затвердіння, повідомляють вчені у статті, опублікованій у журналі Applied Materials Today.
DANIEL SANTOS / GETTY IMAGES
Чим вчених не влаштовував клей?
Клейові технології викликають великий і зростаючий інтерес в широкому спектрі традиційних і нових областей застосування. Однокомпонентні клеї, які використовуються для склеювання пластику, кераміки та дерева, зазвичай тверднуть під дією вологи, тепла і світла. А ті, що містять смолу і затверджувач, які змішуються та викликають негайну реакцію затвердіння, часто псують продукт через деформацію, яка з’являється через нерівномірний температурний цикл між підкладками і смолами.
Виробники вуглецевого волокна та виробники виробів з нього, протягом багатьох годин використовують великі високотемпературні печі для затвердіння епоксидного клею. Цей енергоємний процес затвердіння є основною причиною високої вартості вуглецевого волокна.
Процес затвердіння необхідний для зшивання і зв'язування клею з двома закріпленими поверхнями в міру того, як клей кристалізується і твердне для досягнення своєї остаточної міцності. А енергоефективність процесу затвердіння має вирішальне значення для екологічного виробництва, коли продукти виробляються при більш низьких температурах і використовують менше енергії для нагріву і охолодження. Наприклад, виробники спортивного взуття часто зазнають труднощів з нагріванням клею між гумовою підошвою і верхньою половиною взуття, оскільки гума є теплоізолятором і перешкоджає передачі тепла звичайному епоксидному клею. Піч необхідна, щоб нагріти взуття протягом тривалого часу, перш ніж тепло досягне клейового шару. Спроби подолати ці перешкоди привели до альтернативних методів, таких як фотозатвердіння, затвердіння електронним пучком і електрозатвердіння. У своїй новій роботі вчені вирішили використати магнітні поля.
Чим допоможе магнітне поле?
Затвердіння клею завдяки магнітному полю може бути корисним у певних умовах навколишнього середовища, коли існуючі клеї погано працюють: наприклад, коли клей затиснутий між ізоляційними матеріалом, такими як гума або дерево, і традиційні активатори, такі як тепло, світло і повітря, не можуть легко досягти клею. Крім того, новий клей використовує магнітні наночастинки та комбінується зі звичайним епоксидним клеєм і не потребує додаткових затверджувачів і прискорювачів, що спрощує виготовлення і нанесення. Він активується, проходячи через магнітне поле, яке легко генерується невеликим електромагнітним пристроєм. Це споживає менше енергії, ніж звичайна піч.
Наприклад, один грам такого «магнітного» клею може легко затвердіти за допомогою 200-ватного електромагнітного пристрою за п'ять хвилин, а це в 120 разів менше енергії, ніж потрібно для традиційної печі потужністю 2000 ват, для затвердіння клею в якій потрібна година. Ключовою розробкою є затвердіння клеїв протягом декількох хвилин після впливу магнітного поля, що запобігає перегріву поверхонь, на які вони наносяться. Це важливо, оскільки деякі поверхні, які ми хочемо поєднати, надзвичайно чутливі до нагрівання, наприклад гнучка електроніка і біорозкладаний пластик. Лабораторні випробування показали, що новий клей має міцність до 7 мегапаскалей, нарівні з багатьма епоксидними клеями на ринку.
Як він працює?
Новий клей складається з двох основних компонентів — епоксидної смоли, що зазвичай твердіє під дією тепла, і наночастинок оксиду марганцю, цинку і заліза, які призначені для нагріву при проходженні через них електромагнітної енергії, що активує процес затвердіння. За допомогою них можна контролювати максимальну температуру і швидкість нагріву, що виключає шкідливий перегрів. Змінне магнітне поле може бути вбудоване у нижню частину конвеєрних систем, тому продукти з попередньо нанесеним клеєм можуть затвердівати одразу на традиційній складальній лінії. За словами вчених, затвердіння займатиме всього кілька хвилин замість годин, і при цьому дасть змогу створити високоміцне з’єднання, що необхідно для медичної, автомобільної та аерокосмічної промисловості. Використання «магнітного» клею скорочує витрати енергії, необхідні для звичайного термічного затвердіння, а магнітні наночастинки можна змішати зі звичайними епоксидними клеями, представленими на ринку.