Danskutviklet superlim via nanoteknologi
Danske forskere, med Universitetet i Aarhus i spissen, har utviklet en ny fremgangsmåte som muliggjør sammenbinding av metall og plast på molekylært nivå. Dette ”molekylærlimet” gir sterke og tette bånd mellom materialer som ellers ikke ville holde sammen. Metoden har et stort potensial i korrosive miljøer, så som offshorenæringen. Sammenføyning av plast mot plast ligger også i prosjektet.
2
Bilder
En primer gir en ”skog” av molekylære polymerbørster som er fysisk eller kjemisk kompatibel med polymersmelten som skal ”limes”på. Sammenfiltring mellom børstene og den støpte polymersmelten gjør at belegget fester seg på overflaten. (Ill.: Mogens Hinge,
Hovedårsaken til delamineringen er lav adhesjon, dvs. mangel på sterke, kjemiske bindinger til overflaten. Eller beskrevet med andre ord: det er vanskelig å knytte sammen ulike typer materialer med tilstrekkelig sterke og tette bånd.
Disse problemene kan nå være løst av en forskergruppe ved Aarhus Universitet i samarbeid med to danske selskaper, SP Group og Grundfos.
Binder plast og metall
I løpet av de siste årene har forskergruppen utviklet en ny teknologi basert på nanopartikler som, på molekylært nivå, optimaliserer vedheft mellom plast og metall. Særlige fremskritt er blitt gjort i produksjonen av en primer som gir en overflate med en tett ”skog” av polymerbørster. Primeren ventes å få stor anvendelse til en lang rekke beleggingsformål, for ”smarte”, hybride materialkombinasjoner og for plastkompositter.
Laget av polymerbørster er svært tynt - vanligvis bare 30-200 nanometer, dvs. usynlig for det blotte øye.
Systemet sikrer en usedvanlig sterk vedheft mellom ulike materialer, som rustfritt stål og Teflon-lignende polymerer. Dermed reduseres risikoen for delaminering av polymercoatingen fra metallaget under, som ellers ville blitt etterfulgt av korrosjon. Slike skader gir næringer og samfunnet som helhet massive regninger for vedlikehold, reparasjoner og erstatningsprodukter.
Tre prosesstrinn
Vedheften skjer gjennom en prosess i tre trinn som vist på figuren:
1. I det første trinnet blir organiske molekyler med forutbestemte funksjonelle grupper bundet til overflaten av metall (jern, krom, stål, etc.) ved kombinert bruk av radikal- og elektrokjemi. Disse molekylene kalles primere, eller organiske peroksider, og er selve utgangspunktet for dannelse av polymerbørstene.
2. Ved å bruke kjente polymeriseringsteknikker, kan polymerbørstene påføres i forutbestemte tykkelser (vanligvis 30-200 nanometer) og tettheter. Her er den kjemiske forståelsen av polymerene viktig og avgjørende for å sikre at kun de riktige egenskapene bygges inn i børstene for å gjøre dem optimalt kompatible med polymerbelegget i etterfølgende trinn. For eksempel, hvis et belegg av PMMA benyttes, kan børstene bestå av det samme materiale som senere skal limes på.
3. I mange, industrielle prosesser påføres polymerbelegget i smeltet tilstand. Under rette betingelser blir polymerbørstene bundet sammen med polymerene i smelten. Med andre ord, polymerbørstene på overflaten fungerer som et molekylært lim. Det bidrar til at to uforenlige materialer, som for eksempel metall og plast, danner sterke, kjemiske bindinger og vil beholde vedheften.
Konkurransedyktig pris og kvalitet
Materialtesting har vist at festet mellom en ståloverflate og et pleksiglassbelegg tåler påkjenninger på rundt 100 kg per cm2. Det oppfyller de fleste, industrielle krav.
Det molekylære limet har en typisk tykkelse på 80 nanometer, noe som betyr at totalt sett, brukes så lite som 0,01 milligram lim per cm2.
Dette betyr også at selv om materialkostnadene for det molekylære limet er vesentlig høyere enn for konvensjonelle adhesivsystemer, vil teknologien fortsatt være svært konkurransedyktig både når det gjelder pris og kvalitet.
Enormt potensial – og flere aktører inn
En molekylær integrering av materialer har gode sjanser til å finne industrielle applikasjoner. Det kan for eksempel være å innkapsle elektronikk og generelt for mer effektiv korrosjonsbeskyttelse. Dette også takket være den høye holdbarheten av vedheften og av polymerbelegget.
Store industrielle aktører som LEGO, Kamstrup (en betydelig produsent av vannmålere) og det britiske selskapet Techflow (leverandør til oljeindustrien) har slått seg sammen med SP Group, Grundfos og Aarhus Universitet for å intensivere utvikling av kommersielle produkter basert på den nye oppdagelsen.
Gjennom dette samarbeidet vil det nye superlimet bli utviklet for å løse mange praktiske utfordringer, så som beskyttelse av oljeinnstallasjoner offshore, innkapsling av elektronikk og utvikling av vanntette forseglinger.
De danske forskerne jobber også med å lage erstatninger for O-ringer, som brukes for tetting av lokk, deksler, hetter, bolthoder osv.
”Smarte” overflater basert på polymerbørster forventes å være neste steg i prosjektet. Nå søkes det om finansiering for videre utvikling av neste generasjon av polymerbørster, en generasjon som forventes å gi opphav til ”smarte” overflater.
Ytterligere funksjonelle grupper vil kunne baseres på kjent kjemi og bidra til å justere egenskapene til børstene slik at de blir mottakelige for temperatur, lys, strømpulser, pH-endringer osv.
Dette ville ikke bare betydelig raskere, kjemiske optimaliseringsprosesser, det vil også gjøre det mulig å sammenføye mange kombinasjoner av metall og plast, eller plast og plast, med det samme molekylære limet.
I tillegg kan adhesjonen bli vesentlig modifisert med enkel utvendig manipulasjon. Man kan også tenke seg å ”åpne” sammenføyningen (disjoin) ved behov når de enkelte komponenter skal resirkuleres etter at produktet har gjort jobben sin.
Kort om prosjektdeltakerne Prosjektet har vært drevet av Institutt for kjemi og iNANO ved Aarhus Universitet samt SP Group og Grundfos. Finansieringen kommer fra det danske Rådet for strategisk forskning.
Sentrale personer i prosjektet er laboratorieleder Susie Ann Spiegelhauer og direktør for FoU i SP Group, Jens Hinke, materialspesialist Kristoffer Malmos og senior utviklingsingeniør Allan H. Holm fra Grundfos samt førsteamanuensis Mogens Hinge og Steen U. Pedersen og professor Kim Daasbjerg ved Aarhus Universitet.
(Artikkelen er basert på manus skrevet av Professor Kim Daasbjerg, Senter for tverrfaglig nanovitenskap, Aarhus Universitet. Oversatt og bearbeidet av Asle Isaksen, Plastforum.)