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La progressiva presa di possesso degli ecosistemi da parte dell’uomo, ha richiesto alla scienza stessa un continuo sviluppo nei confronti di materiali e metodologie, che si adattassero il più possibile alla linea intuitiva e integrativa della biotecnologia.
In conformità a quest’interpretazione e, con una nuova presa di coscienza, i ricercatori hanno iniziato a indirizzarsi sempre più verso nuove materie ecologiche. Soprattutto nello sviluppo di materiali che siano di minor impatto sull’ambiente e che, nel contempo, non risultino depotenziati delle loro funzioni. Lo scopo, è di agevolare l’uomo nel processo di produzione nel fattore spazio-tempo e soprattutto a livello di risparmio energetico.
Su questa linea pensiero si è mossa la ricerca degli scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), che sono riusciti a sviluppare un nuovo tipo di adesivo il cui processo di indurimento, si basa sull’uso di un campo magnetico. La scoperta, davvero particolare, rappresenta un buon vantaggio per la biotecnologia, poiché oltre al risparmio di energie cambia radicalmente il processo di solidificazione dei collanti tradizionali.
Plastica, ceramica e legno, sono materiali che di norma sono incollati con adesivi la cui polimerizzazione avviene con l’umidità, il calore o la luce.
Alla base, le resine epossidiche – cioè polimeri termoindurenti – costituiti da una resina base e da un indurente, che richiedono una condizione termica di polimerizzazione che va dalla temperatura ambiente fino a 80°C. Il processo di polimerizzazione è necessario per reticolare e incollare la sostanza adesiva con le due superfici fissate. Infatti, la colla cristallizza e si irrobustisce per raggiungere la sua resistenza finale.
Gli scienziati inventano una nuova sostanza adesiva che si innesca tramite un campo magnetico
I ricercatori hanno chiamato questo processo “magnetocuring” (in italiano magneto-polimerizzante), di NTU proprio perchè l’adesivo si salda grazie ad un campo magnetico.
Il risultato ha entusiasmato gli autori che rilevano come tutto ciò sia utile con temperature sfavorevoli, cioè quando alcuni adesivi non riescono indurirsi.
In aggiunta, l’accento è posto su una considerazione: cioè quando l’inserimento dell’adesivo tra alcuni materiali isolanti tradizionali, come legno o gomma, non permettono a luce o aria di filtrare facilmente e ciò rende difficile la compattezza.
Prodotti come telai di biciclette in materiale composito, caschi e mazze da golf, sono realizzati con adesivi epossidici in due parti, dove si mescolano sia una resina sia un indurente: la reazione inizia immediatamente.
Per i produttori di fibra di carbonio (sottili nastri di carbonio incollati insieme strato per strato); e per chi produce attrezzature sportive fatte con lo stesso materiale, sono utilizzati, per molte ore, forni ad alta temperatura per fissare la colla epossidica. Questo processo di polimerizzazione ad alto dispendio energetico è la ragione principale del costo elevato della fibra di carbonio.
Polimerizzazione e risultati
Il nuovo adesivo “magnetocuring ” è realizzato combinando un tipico adesivo epossidico, disponibile in commercio con nanoparticelle magnetiche appositamente realizzate dagli scienziati della NTU.
Non ha bisogno di essere miscelato con alcun indurente o accelerante, a differenza degli adesivi bicomponenti (che hanno due liquidi che devono essere miscelati prima dell’uso), il che lo rende facile da produrre e da applicare.
Lega i materiali quando viene attivato passando attraverso un campo magnetico, che viene facilmente generato da un piccolo dispositivo elettromagnetico. Questo utilizza meno energia di un grande forno convenzionale.
Ad esempio, un grammo di adesivo magnetocuring, può essere facilmente polimerizzato da un dispositivo elettromagnetico da 200 Watt in 5 minuti (con un consumo di 16,6 W/h). Un’energia 120 volte inferiore rispetto a un forno tradizionale da 200 Watt che richiede un’ora (consumando 2000 W/h) per polimerizzare l’epossidico tradizionale.
Gli Autori
Sviluppati dal Professor Raju V. Ramanujan, dal Professore Associato Terry Steele e dal Dr. Richa Chaudhary della NTU School of Materials Science and Engineering, i risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Applied Materials Today e offrono una potenziale applicazione in una vasta gamma di campi.
Dalle attrezzature sportive di alta fascia, a prodotti automobilistici, elettronica, energia, aerospaziale e processi di produzione medica, i test di laboratorio hanno dimostrato che il nuovo adesivo ha una forza fino a 7 megapascal, (MPa) che insieme al gigapascal (GPa) sono usati rispettivamente per misurare la resistenza dei materiali e il loro modulo di elasticità. Quindi tutto alla pari con molti degli adesivi epossidici presenti sul mercato.
Il Prof. Steele, esperto in vari tipi di adesivi avanzati, ha spiegato:
“La chiave dello sviluppo del nostro adesivo, è trattare i collanti con un’esposizione di pochi minuti ad un campo magnetico; evitando il surriscaldamento delle superfici su cui vengono applicati. Questo è importante perché alcune superfici che vogliamo unire sono estremamente sensibili al calore, come l’elettronica flessibile e la plastica biodegradabile“.
Come funziona la colla “a magnetizzazione”
“Il nuovo adesivo è costituito da due componenti principali – un epossidico disponibile in commercio che viene polimerizzato a caldo e nanoparticelle di ossido ricavate da una combinazione chimica che comprende manganese, zinco e ferro (MnxZn1-xFe2O4)”.
Queste nanoparticelle sono progettate per riscaldarsi quando l’energia elettromagnetica è fatta passare attraverso di esse, attivando il processo di polimerizzazione. La temperatura massima e la velocità di riscaldamento possono essere controllate da queste speciali nanoparticelle, eliminando il surriscaldamento e la formazione di punti bruciati.
A questo punto non sono più necessari forni industriali perché la colla si attiva con una minore spesa elettrica, oltre che a occupare uno spazio ridotto.
L’efficienza energetica nel processo di polimerizzazione è fondamentale per la produzione ecologica, dove i prodotti sono realizzati a temperature più basse e utilizzano meno energia per il riscaldamento e il raffreddamento.
Un esempio importante arriva direttamente dai produttori di scarpe sportive. La difficoltà sta nel riscaldare gli adesivi tra le suole di gomma e la metà superiore della scarpa, poiché la gomma è un isolante termico e resiste alla trasmissione del calore alla colla epossidica convenzionale. Quindi, è necessario un forno per riscaldare la scarpa per un lungo periodo di tempo prima che il calore possa raggiungere la colla.
Una colla magnetica, a questo punto, rede il processo più semplice, bypassando questo problema e attivandosi perfettamente nel processo di indurimento.
Miglioramento dell’efficienza produttiva
Il Prof. Raju Ramanujan, riconosciuto a livello internazionale per i suoi progressi nel campo dei materiali magnetici, prevede che la tecnologia potrebbe aumentare l’efficienza della produzione laddove sono necessari giunti adesivi. Il Prof. Ramanujan spiega:
“Le nostre nanoparticelle magnetiche a temperatura controllata sono progettate per essere miscelate con le formulazioni adesive esistenti in un unico punto, quindi molti degli adesivi a base epossidica presenti sul mercato potrebbero essere convertiti in colla magnetica attivabile sul campo“.
“La velocità e la temperatura di indurimento 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 indurirla pezzo per pezzo in una linea di assemblaggio convenzionale, il nuovo processo potrebbe essere quello di pre-applicare la colla su tutti i pezzi e poi indurirli mentre si muovono lungo la catena di trasporto. Senza i forni, si otterrebbe una riduzione dei tempi di fermo macchina e una produzione più efficiente“.
Il primo autore dello studio, il Dott. Richa Chaudhary ha detto:
“L’indurimento del nostro adesivo magnetoresistente di nuova concezione, richiede solo alcuni minuti invece di ore; eppure è in grado di fissare superfici con legami ad alta resistenza. Il che è di notevole interesse per l’industria sportiva, medica, 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 si riducono notevolmente”.
IL progetto della durata di 3 anni è sostenuto dall’Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca (A*STAR).
I precedenti lavori sulla colla attivata a caldo, utilizzavano una corrente elettrica che scorreva attraverso una bobina – nota come indurimento a induzione – dove la colla era riscaldata e polimerizzata dall’esterno. Tuttavia, i suoi svantaggi includono il surriscaldamento delle superfici; ed ancora l’incollaggio non uniforme 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 attraverso NTUitive, la società d’innovazione e impresa dell’università, ricevendo interesse da parte dei produttori di articoli sportivi.
