Une aubaine potentielle pour la fabrication verte, la nouvelle colle permet d’économiser de l’énergie, du temps et de l’espace –

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  • Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapour), ont mis au point une nouvelle façon de polymériser les adhésifs à l’aide d’un champ magnétique.

    Les adhésifs conventionnels comme l’époxy qui sont utilisés pour coller le plastique, la céramique et le bois sont généralement conçus pour durcir en utilisant l’humidité, la chaleur ou la lumière. Ils nécessitent souvent des températures de durcissement spécifiques, allant de la température ambiante à 80 degrés Celsius.

    Le processus de durcissement est nécessaire pour réticuler et coller la colle avec les deux surfaces fixées pendant que la colle cristallise et durcit pour atteindre sa résistance finale.

    La nouvelle colle «magnétocurcissable» de NTU peut durcir en la passant à travers un champ magnétique. Ceci est très utile dans certaines conditions environnementales où les adhésifs actuels ne fonctionnent pas bien. De plus, lorsque l’adhésif est pris en sandwich entre un matériau isolant comme le caoutchouc ou le bois, les activateurs traditionnels comme la chaleur, la lumière et l’air ne peuvent pas facilement atteindre l’adhésif.

    Les produits tels que les cadres de vélo en composite, les casques et les clubs de golf sont actuellement fabriqués avec des adhésifs époxy en deux parties, où une résine et un durcisseur sont mélangés et la réaction commence immédiatement.

    Pour les fabricants de fibre de carbone – de minces rubans de carbone collés couche par couche – et les fabricants d’équipements sportifs en fibre de carbone, leurs usines utilisent de grands fours à haute température pour durcir la colle époxy pendant de nombreuses heures. Ce processus de durcissement énergivore est la principale raison du coût élevé de la fibre de carbone.

    Le nouvel adhésif «magnétocurcissant» est fabriqué en combinant un adhésif époxy typique disponible dans le commerce avec des nanoparticules magnétiques spécialement adaptées fabriquées par les scientifiques de NTU. Il n’a pas besoin d’être mélangé avec un durcisseur ou un accélérateur, contrairement aux adhésifs à deux composants (qui ont deux liquides qui doivent être mélangés avant utilisation), ce qui le rend facile à fabriquer et à appliquer.

    Il lie les matériaux lorsqu’il est activé en passant à travers un champ magnétique, qui est facilement généré par un petit appareil électromagnétique. Cela consomme moins d’énergie qu’un grand four conventionnel.

    Par exemple, un gramme d’adhésif magnétocurcissable peut être facilement durci par un dispositif électromagnétique de 200 watts en cinq minutes (consommant 16,6 watts heures). C’est 120 fois moins d’énergie nécessaire qu’un four traditionnel de 2000 watts qui prend une heure (consommant 2000 wattheures) pour durcir l’époxy conventionnel.

    Développés par le professeur Raju V. Ramanujan, le professeur associé Terry Steele et le Dr Richa Chaudhary de la NTU School of Materials Science and Engineering, les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Matériaux appliqués aujourd’hui et offrent des applications potentielles dans un large éventail de domaines.

    Cela comprend les équipements sportifs haut de gamme, les produits automobiles, l’électronique, l’énergie, l’aérospatiale et les processus de fabrication médicale. Des tests en laboratoire ont montré que le nouvel adhésif a une force allant jusqu’à 7 mégapascals, à égalité avec la plupart des adhésifs époxy sur le marché.

    Assoc Prof Steele, un expert dans divers types d’adhésifs avancés, a expliqué: «Notre développement clé est un moyen de durcir les adhésifs en quelques minutes d’exposition à un champ magnétique, tout en empêchant la surchauffe des surfaces sur lesquelles ils sont appliqués. Ceci est important car certaines surfaces que nous voulons joindre sont extrêmement sensibles à la chaleur, comme les composants électroniques flexibles et les plastiques biodégradables. “

    Comment fonctionne la colle “magnétocurcissante”

    Le nouvel adhésif est composé de deux composants principaux: un époxy disponible dans le commerce qui est durci à la chaleur et des nanoparticules d’oxyde fabriquées à partir d’une combinaison chimique comprenant du manganèse, du zinc et du fer (MnxZn1-xFe2O4).

    Ces nanoparticules sont conçues pour chauffer lorsque l’énergie électromagnétique les traverse, activant le processus de durcissement. La température maximale et la vitesse de chauffage peuvent être contrôlées par ces nanoparticules spéciales, éliminant ainsi la surchauffe et la formation de points chauds.

    Sans avoir besoin de grands fours industriels, l’activation de la colle a un encombrement réduit en termes d’espace et de consommation d’énergie. L’efficacité énergétique du processus de durcissement est cruciale pour la fabrication écologique, où les produits sont fabriqués à des températures plus basses et utilisent moins d’énergie pour le chauffage et le refroidissement.

    Par exemple, les fabricants de chaussures de sport ont souvent des difficultés à chauffer les adhésifs entre les semelles en caoutchouc et la moitié supérieure de la chaussure, car le caoutchouc est un isolant thermique et résiste à la transmission de chaleur à la colle époxy conventionnelle. Un four est nécessaire pour chauffer la chaussure pendant une longue période avant que la chaleur n’atteigne la colle.

    L’utilisation de colle activée par champ magnétique contourne cette difficulté, en activant directement le processus de séchage uniquement dans la colle.

    Le champ magnétique alternatif peut également être intégré au bas des systèmes de bande transporteuse, de sorte que les produits avec de la colle pré-appliquée peuvent être durcis lorsqu’ils traversent le champ magnétique.

    Améliorer l’efficacité de la fabrication

    Le professeur Raju Ramanujan, qui est internationalement reconnu pour ses avancées dans le domaine des matériaux magnétiques, a dirigé conjointement le projet et prédit que la technologie pourrait augmenter l’efficacité de la fabrication là où des joints adhésifs sont nécessaires.

    «Nos nanoparticules magnétiques à température contrôlée sont conçues pour être mélangées avec des formulations adhésives à un pot existantes, de sorte que la plupart des adhésifs à base d’époxy sur le marché pourraient être convertis en colle activée par champ magnétique», a déclaré le professeur Ramanujan.

    “La vitesse et la température de durcissement peuvent être ajustées, de sorte que les fabricants de produits existants pourraient reconcevoir ou améliorer leurs méthodes de fabrication existantes. Par exemple, au lieu d’appliquer de la colle et de la faire durcir pièce par pièce dans une chaîne d’assemblage conventionnelle, le nouveau processus pourrait consister à pré-appliquez de la colle sur toutes les pièces, puis faites-les durcir au fur et à mesure qu’elles se déplacent le long de la chaîne du convoyeur. Sans les fours, cela entraînerait beaucoup moins de temps d’arrêt et une production plus efficace. “

    Le premier auteur de l’étude, le Dr Richa Chaudhary, a déclaré: «Le durcissement de notre nouvel adhésif magnéto-durcissant ne prend que quelques minutes au lieu d’heures, mais il est capable de sécuriser les surfaces avec des liaisons à haute résistance, ce qui est d’un intérêt considérable dans le sport, industries médicales, automobiles et aérospatiales. Ce processus efficace peut également entraîner des économies de coûts, car l’espace et l’énergie nécessaires au durcissement thermique conventionnel sont considérablement réduits. “

    Ce projet de trois ans a été soutenu par l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A? STAR).

    Des travaux antérieurs sur la colle activée par la chaleur utilisaient un courant électrique circulant à travers une bobine, connue sous le nom de durcissement par induction, où la colle est chauffée et durcie de l’extérieur. Cependant, ses inconvénients comprennent une surchauffe des surfaces et une liaison inégale due à la formation de points chauds à l’intérieur de l’adhésif.

    À l’avenir, l’équipe espère inciter les fabricants d’adhésifs à collaborer à la commercialisation de leur technologie. Ils ont déposé un brevet auprès de NTUitive, la société d’innovation et d’entreprise de l’université. Ils ont déjà suscité l’intérêt pour leurs recherches de la part des fabricants d’articles de sport.

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