Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), hanno sviluppato un nuovo modo di polimerizzare gli adesivi utilizzando un campo magnetico.

Adesivi convenzionali come la resina epossidica che vengono utilizzati per incollare la plastica, la ceramica e il legno sono generalmente progettati per polimerizzare utilizzando l'umidità, calore o luce. Spesso richiedono temperature di polimerizzazione specifiche, che vanno dalla temperatura ambiente fino a 80 gradi Celsius.

Il processo di indurimento è necessario per reticolare e legare la colla con le due superfici fissate mentre la colla si cristallizza e si indurisce per raggiungere la sua resistenza finale.

La nuova colla "magnetopolimerizzante" di NTU può polimerizzare facendola passare attraverso un campo magnetico. Questo è molto utile in determinate condizioni ambientali in cui gli adesivi attuali non funzionano bene. Anche, quando l'adesivo è inserito tra materiale isolante come gomma o legno, attivatori tradizionali come il calore, luce e aria non possono raggiungere facilmente l'adesivo.

Prodotti come telai per biciclette in composito, caschi e mazze da golf, sono attualmente realizzati con adesivi epossidici bicomponenti, dove una resina e un indurente vengono miscelati e la reazione inizia immediatamente.

Per i produttori di fibra di carbonio, sottili nastri di carbonio incollati insieme strato per strato, e per i produttori di attrezzature sportive che utilizzano la fibra di carbonio, le loro fabbriche usano grandi, forni ad alta temperatura per polimerizzare la colla epossidica per molte ore. Questo processo di polimerizzazione ad alta intensità energetica è la ragione principale dell'alto costo della fibra di carbonio.

Il nuovo adesivo "magnetocuring" è realizzato combinando un tipico adesivo epossidico disponibile in commercio con nanoparticelle magnetiche appositamente realizzate dagli scienziati NTU. Non necessita di miscelazione con alcun indurente o accelerante, a differenza degli adesivi bicomponenti (che hanno due liquidi che devono essere miscelati prima dell'uso), rendendo facile la produzione e l'applicazione.

Lega i materiali quando viene attivato passando attraverso un campo magnetico, che è facilmente generato da un piccolo dispositivo elettromagnetico. Questo utilizza meno energia di un grande forno convenzionale.

Per esempio, un grammo di adesivo magnetodurente può essere facilmente polimerizzato da un dispositivo elettromagnetico da 200 Watt in cinque minuti (consumando 16,6 Watt ore). Si tratta di 120 volte meno energia necessaria rispetto a un tradizionale forno da 2000 Watt che impiega un'ora (consumando 2000 Watt ore) per polimerizzare la resina epossidica convenzionale.

Sviluppato dal professor Raju V. Ramanujan, Professore Associato Terry Steele e Dr. Richa Chaudhary della NTU School of Materials Science and Engineering, i risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Materiali applicati oggi e offrono potenziali applicazioni in una vasta gamma di campi.

Ciò include attrezzature sportive di fascia alta, prodotti automobilistici, elettronica, energia, processi di produzione aerospaziale e medica. Test di laboratorio hanno dimostrato che il nuovo adesivo ha una forza fino a 7 megapascal, alla pari con molti degli adesivi epossidici sul mercato.

Assoc Prof Steele, un esperto in vari tipi di adesivi avanzati, ha spiegato:"Il nostro sviluppo chiave è un modo per polimerizzare gli adesivi entro pochi minuti dall'esposizione a un campo magnetico, evitando il surriscaldamento delle superfici su cui vengono applicati. Questo è importante in quanto alcune superfici che vogliamo unire sono estremamente sensibili al calore, come l'elettronica flessibile e le plastiche biodegradabili".

Come funziona la colla "magnetopolimerizzante"

Il nuovo adesivo è composto da due componenti principali:una resina epossidica disponibile in commercio che si indurisce con il calore, e nanoparticelle di ossido ottenute da una combinazione chimica che include manganese, zinco e ferro (MnxZn _1-x Fe ₂ oh ₄ ).

Queste nanoparticelle sono progettate per riscaldarsi quando l'energia elettromagnetica passa attraverso di esse, attivando il processo di stagionatura. La temperatura massima e la velocità di riscaldamento possono essere controllate da queste speciali nanoparticelle, eliminando il surriscaldamento e la formazione di hotspot.

Senza la necessità di grandi forni industriali, l'attivazione della colla ha un minor ingombro in termini di spazio e consumo energetico. L'efficienza energetica nel processo di polimerizzazione è cruciale per la produzione verde, dove i prodotti sono realizzati a temperature più basse, e consumano meno energia per il riscaldamento e il raffreddamento.

Ad esempio, i produttori di scarpe sportive hanno spesso difficoltà a riscaldare gli adesivi tra le suole in gomma e la metà superiore della scarpa, poiché la gomma è un isolante termico e resiste alla trasmissione del calore alla colla epossidica convenzionale. È necessario un forno per riscaldare a lungo la scarpa prima che il calore possa raggiungere la colla.

L'uso della colla attivata dal campo magnetico aggira questa difficoltà, attivando direttamente il processo di polimerizzazione solo nella colla.

Il campo magnetico alternato può essere incorporato anche nella parte inferiore dei sistemi di nastri trasportatori, così i prodotti con colla pre-applicata possono essere polimerizzati quando passano attraverso il campo magnetico.

Miglioramento dell'efficienza produttiva

Prof Raju Ramanujan, riconosciuto a livello internazionale per i suoi progressi nei materiali magnetici, ha guidato congiuntamente il progetto e prevede che la tecnologia potrebbe aumentare l'efficienza della produzione laddove sono necessari giunti adesivi.

"Le nostre nanoparticelle magnetiche a temperatura controllata sono progettate per essere miscelate con formulazioni adesive monocomponenti esistenti, così tanti degli adesivi a base epossidica sul mercato potrebbero essere convertiti in colla attivata dal campo magnetico, "Ha detto il professor Ramanujan.

"La velocità e la temperatura di polimerizzazione possono essere regolate, così i produttori di prodotti esistenti potrebbero riprogettare o migliorare i loro metodi di produzione esistenti. Per esempio, invece di applicare la colla e polimerizzarla parte per parte in una catena di montaggio convenzionale, il nuovo processo potrebbe essere quello di pre-applicare la colla su tutte le parti e poi polimerizzarle mentre si muovono lungo la catena di trasporto. Senza forni, porterebbe a tempi di fermo molto inferiori e una produzione più efficiente."

Primo autore dello studio, La dottoressa Richa Chaudhary ha detto:"L'indurimento del nostro adesivo magnetodurente di nuova concezione richiede solo alcuni minuti invece di ore, eppure è in grado di fissare superfici con legami ad alta resistenza, che è di notevole interesse per lo sport, medico, industria automobilistica e aerospaziale. Questo processo efficiente può anche portare a risparmi sui costi poiché lo spazio e l'energia necessari per l'indurimento a caldo convenzionale vengono ridotti in modo significativo".

Il lavoro precedente sulla colla attivata dal calore utilizzava una corrente elettrica che scorreva attraverso una bobina, noto come polimerizzazione a induzione, dove la colla viene riscaldata e indurita dall'esterno. Però, i suoi inconvenienti sono il surriscaldamento delle superfici e l'incollaggio irregolare dovuto alla formazione di punti caldi all'interno dell'adesivo.

Andando avanti, il team spera di coinvolgere i produttori di adesivi per collaborare alla commercializzazione della loro tecnologia. Hanno depositato un brevetto tramite NTUitive, la società di innovazione e impresa dell'università. Hanno già ricevuto interesse per la loro ricerca dai produttori di articoli sportivi.