Des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour), ont développé une nouvelle façon de durcir 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 à l'aide d'humidité, chaleur ou lumière. Ils nécessitent souvent des températures de durcissement spécifiques, allant de la température ambiante jusqu'à 80 degrés Celsius.

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

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

Des produits tels que des cadres de vélo en composite, casques et clubs de golf, sont actuellement fabriqués avec des adhésifs époxy à deux composants, où une résine et un durcisseur sont mélangés et la réaction démarre immédiatement.

Pour les fabricants de fibre de carbone - de minces rubans de carbone collés ensemble couche par couche - et les fabricants d'équipements sportifs impliquant de la fibre de carbone, leurs usines utilisent de grandes, fours à haute température pour durcir la colle époxy pendant plusieurs heures. Ce processus de durcissement énergivore est la principale raison du coût élevé de la fibre de carbone.

Le nouvel adhésif "magnéto-curant" est fabriqué en combinant un adhésif époxy typique disponible dans le commerce avec des nanoparticules magnétiques spécialement conçues par les scientifiques de NTU. Il n'a pas besoin d'être mélangé avec un durcisseur ou un accélérateur, contrairement aux colles bi-composants (qui ont deux liquides qu'il faut mélanger avant utilisation), le rendant facile à fabriquer et à appliquer.

Il colle les matériaux lorsqu'il est activé par passage dans 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 magnéto-durcissant peut être facilement polymérisé par un appareil électromagnétique de 200 watts en cinq minutes (consommant 16,6 wattheures). C'est 120 fois moins d'énergie nécessaire qu'un four traditionnel de 2000 watts qui prend une heure (consommant 2000 watts-heures) pour durcir l'époxyde conventionnel.

Développé par le professeur Raju V. Ramanujan, Professeur agrégé Terry Steele et 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 une application potentielle dans un large éventail de domaines.

Cela comprend les équipements sportifs haut de gamme, produits automobiles, électronique, énergie, procédés de fabrication aérospatiale et médicale. Des tests en laboratoire ont montré que le nouvel adhésif a une résistance allant jusqu'à 7 mégapascals, à égalité avec de nombreux 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 après l'exposition à un champ magnétique, tout en évitant 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, tels que l'électronique flexible et les plastiques biodégradables."

Comment fonctionne la colle 'magnéto-curante'

Le nouvel adhésif est composé de deux composants principaux :un époxy disponible dans le commerce qui est durci par la chaleur, et des nanoparticules d'oxyde fabriquées à partir d'une combinaison chimique comprenant du manganèse, zinc et fer (MnxZn 1 fois Fe 2 O 4 ).

Ces nanoparticules sont conçues pour s'échauffer lorsque l'énergie électromagnétique les traverse, activer le processus de durcissement. La température maximale et la vitesse de chauffage peuvent être contrôlées par ces nanoparticules spéciales, éliminant 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 de consommation d'espace et d'énergie. L'efficacité énergétique dans le processus de durcissement est cruciale pour la fabrication verte, où les produits sont fabriqués à des températures plus basses, et utiliser 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 longtemps 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 durcissement uniquement dans la colle.

Le champ magnétique alternatif peut également être intégré au bas des systèmes de bandes transporteuses, ainsi, les produits avec de la colle pré-appliquée peuvent être durcis lorsqu'ils passent à travers le champ magnétique.

Améliorer l'efficacité de la fabrication

le professeur Raju Ramanujan, qui est internationalement reconnu pour ses avancées dans les 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 monopot existantes, tant d'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, afin que les fabricants de produits existants puissent 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 de montage conventionnelle, le nouveau processus pourrait consister à pré-appliquer de la colle sur toutes les pièces, puis à les durcir au fur et à mesure qu'elles se déplacent le long de la chaîne du convoyeur. Sans fours, cela conduirait à beaucoup moins de temps d'arrêt et à une production plus efficace."

Premier auteur de l'étude, Le Dr Richa Chaudhary a déclaré :"Le durcissement de notre adhésif magnéto-curant nouvellement développé ne prend que quelques minutes au lieu de plusieurs heures, et pourtant est capable de sécuriser des surfaces avec des liaisons à haute résistance, qui est d'un intérêt considérable pour le sport, médical, industries automobile et aérospatiale. Ce processus efficace peut également entraîner des économies car l'espace et l'énergie nécessaires pour le durcissement thermique conventionnel sont considérablement réduits."

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

Avancer, l'équipe espère engager les fabricants d'adhésifs à collaborer à la commercialisation de leur technologie. Ils ont déposé un brevet via NTUitive, l'entreprise d'innovation et d'entreprise de l'université. Ils ont déjà suscité l'intérêt des fabricants d'articles de sport pour leurs recherches.