Các nhà khoa học phát minh ra keo dính hoạt hoá bằng từ trường

Quá trình khô cứng là rất quan trọng trong việc liên kết và hàn gắn hai bề mặt bằng keo, bởi lúc này, keo dính sẽ kết tinh và cứng lại để đạt được độ chắc cao nhất.

Loại keo dính khô cứng bằng từ trường (magnetocuring) mà các nhà khoa học đến từ Đại học Công nghệ Nanyang (NTU, Singapore) phát triển được có thể khô cứng lại khi được đưa qua một từ trường. Điều này cực kỳ hữu ích trong những điều kiện môi trường nhất định, nơi các loại keo dính hiện nay không phát huy hiệu quả. Ngoài ra, khi keo dính được đưa vào giữa các chất liệu cách điện như gỗ hay cao su, các chất hoạt hoá như nhiệt, ánh sáng, và không khí sẽ không thể tiếp cận keo một cách dễ dàng được.

Các sản phẩm như khung sườn xe đạp, mũ bảo hiểm, và gậy golf phức hợp hiện được chế tạo bằng cách sử dụng keo dính epoxy hai phần, trong đó nhựa thông và chất làm cứng được trộn lẫn với nhau, dẫn đến một phản ứng hoá học diễn ra ngay lập tức.

Đối với các nhà sản xuất sợi carbon - những dải carbon mỏng được dán lại với nhau theo từng lớp - và các nhà sản xuất trang thiết bị thể thao sử dụng sợi carbon, các nhà máy của họ sử dụng các lò lớn, nhiệt độ cao, để làm khô cứng keo dính epoxy trong suốt nhiều giờ. Quá trình làm khô cứng đòi hỏi nhiều năng lượng này là lý do chính giải thích tại sao giá thành sợi carbon lại cao đến vậy.

Loại keo dính magnetocuring mới được chế tạo bằng cách kết hợp một loại keo dính epoxy thông thường với những hạt nano từ tính chuyên dụng do các nhà khoa học NTU phát triển. Nó không cần phải được trộn lẫn với bất kỳ chất làm cứng hay chất gia tốc (phụ gia tăng tốc quá trình đông cứng) nào, không như các loại keo dính hai thành phần (vốn bao gồm hai chất lỏng phải được trộn với nhau trước khi sử dụng), giúp việc sản xuất và ứng dụng trở nên dễ dàng hơn.

Loại keo dính mới này có thể gắn kết các vật liệu khi được hoạt hoá bằng cách đưa qua một từ trường, vốn dễ dàng tạo ra được mà chỉ cần một thiết bị điện từ cỡ nhỏ. Quá trình này sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với lò cỡ lớn truyền thống.

Ví dụ, 1 gram keo dính magnetocuring có thể dễ dàng làm khô cứng bởi một thiết bị điện từ 200-watt trong 5 phút (tiêu thụ 16,6 Wh). Mức năng lượng này thấp hơn 120 lần so với một chiếc lò 2.000-watt truyền thống, vốn mất 1 giờ (tiêu thu 2.000Wh) để làm khô cứng epoxy truyền thống.

Phó giáo sư Steele và Tiến sỹ Richa đang làm khô cứng keo magnetocuring trong một khối bông gòn bằng trường điện từ.

Được phát triển bởi Giáo sư Raju V. Ramanujan, Phó giáo sư Terry Steele, và Tiến sỹ Richa Chaudhary từ Đại học Kỹ thuật và Khoa học Vật liệu của NTU, phát minh này đã được công bố trên tạp chí khoa học Applied Materials Today và mang lại ứng dụng tiềm năng trên một loạt các lĩnh vực khác nhau, bao gồm sản xuất trang thiết bị thể thao cao cấp, các sản phẩm xe hơi, đồ điện tử, năng lượng, hàng không, và y tế. Các bài test phòng thí nghiệm cho thấy loại keo dính mới này có độ bền lên đến 7 megapascals, tương đương với nhiều loại keo dính epoxy trên thị trường.

Phó giáo sư Steele, một chuyên gia về nhiều loại keo dính tiên tiến, giải thích: "Trọng tâm nghiên cứu của chúng tôi là tìm ra cách làm khô cứng keo dính trong vài phút tiếp xúc với từ trường, đồng thời ngăn hiện tượng quá nhiệt đối với các bề mặt dính keo. Điều này rất quan trọng khi mà một số bề mặt chúng tôi muốn gắn kết cực kỳ nhạy cảm với nhiệt, ví dụ như các thiết bị điện tử uốn dẻo và các loại nhựa phân huỷ sinh học"

Keo dính magnetocuring hoạt động ra sao?

Loại keo dính mới được cấu thành từ 2 thành phần chính - một loại epoxy thông thường, được làm khô cứng bởi nhiệt, và các hạt nano oxide chế tạo từ một hợp chất hoá học bao gồm mangan, kẽm và sắt.

Những hạt nano này được thiết kế để nóng lên khi năng lượng điện từ chạy qua chúng, hoạt hoá quá trình khô cứng. Nhiệt độ và tần suất làm nóng tối đa có thể được kiểm soát bởi các hạt nano đặc biệt này, giải quyết được vấn đề quá nhiệt và sự hình thành các điểm nhiệt độ cao.

Vì không cần lò công nghiệp cỡ lớn, việc hoạt hoá keo dính sẽ có thể được thực hiện trong những không gian diện tích nhỏ hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Tính hiệu quả về mặt năng lượng trong quá trình làm khô là cực kỳ quan trọng đối với sản xuất xanh, một mô hình mà trong đó các sản phẩm được sản xuất ở những mức nhiệt độ thấp hơn, và sử dụng ít năng lượng hơn vào việc nung nóng và làm nguội.

Ví dụ, các nhà sản xuất giày thể thao thường gặp khó khăn trong việc nung nóng keo dính ở giữa đế cao su và nửa trên của giày, bởi cao su là chất cách điện và cản trở việc truyền nhiệt đến lớp keo epoxy truyền thống. Người ta cần lò công nghiệp để nung nóng giày trong một quãng thời gian dài trước khi nhiệt có thể truyền đến lớp keo.

Sử dụng keo hoạt hoá bằng từ trường giúp vượt qua được rào cản này khi nó chỉ làm một việc là trực tiếp kích hoạt quá trình khô cứng của lớp keo mà thôi.

Từ trường còn có thể được nhúng vào phần đáy của hệ thống băng chuyền, để các sản phẩm với lớp keo đã được dán sẵn có thể được làm khô khi chúng đi ngang qua từ trường.

Giáo sư Raju uốn cong hai thanh gỗ được dính lại với nhau bằng keo magnetocuring để chứng minh lực liên kết rất mạnh của nó.

Cải thiện tính hiệu quả trong sản xuất

Giáo sư Raju Ramanujan, một chuyên gia nổi tiếng thế giới về vật liệu từ tính, đã dẫn dắt dự án và dự đoán rằng công nghệ này có thể cải thiện tính hiệu quả trong sản xuất những sản phẩm có khớp nối bằng keo.

"Các hạt nano từ tính kiểm soát nhiệt độ của chúng tôi được thiết kế để hoà trộn với các công thức keo dính một thành phần hiện có, do đó nhiều keo dính epoxy trên thị trường có thể được chuyển thành keo hoạt hoá bằng từ trường" - ông nói.

"Tốc độ và nhiệt độ của quá trình làm khô có thể kiểm soát được, vì vậy các nhà sản xuất các sản phẩm hiện nay có thể tái thiết kế hoặc cải thiện các phương thức sản xuất hiện có của họ. Ví dụ, thay vì dán keo và làm khô nó theo từng phần trong một dây chuyền lắp ráp truyền thống, quy trình mới có thể là dán trước keo lên mọi thành phần và sau đó làm khô chúng trong khi chúng di chuyển dọc theo băng chuyền. Không cần lò công nghiệp, quy trình này sẽ tốn ít thời gian hơn và hiệu quả hơn".

Đồng tác giả nghiên cứu, Tiến sỹ Richa Chaudhary, cho biết: "Quy trình làm khô cứng loại keo magnetocuring mới phát triển của chúng tôi chỉ mất vài phút thay vì vài giờ, nhưng vẫn đảm bảo cố định được các bề mặt bằng lực liên kết mạnh, rất quan trọng trong ngành thể thao, y tế, xe hơi, và hàng không. Quy trình hiệu quả này còn giúp tiết kiệm chi phí bởi không gian và năng lượng cần cho việc làm khô cứng keo bằng nhiệt truyền thống sẽ được giảm đi đáng kể".

Trước đây, đã từng có một số công trình nghiên cứu phương thức hoạt hoá keo bằng một dòng điện chạy qua cuộn dây, gọi là "induction-curing", trong đó keo được nung nóng và làm khô cứng lại từ bên ngoài. Tuy nhiên, điểm trừ của nó là các bề mặt có thể bị quá nhiệt và lực liên kết không đều bởi sự hình thành các điểm nóng bên trong keo.

Trong thời gian đến, các nhà nghiên cứu hi vọng sẽ làm việc được với các nhà sản xuất keo dính nhằm hợp tác thương mại hoá công nghệ này. Họ cũng đã đăng ký một bằng sáng chế và nhận được sự quan tâm từ các nhà sản xuất sản phẩm thể thao.