Ny nanoteknologi baner vej for superlim
Danske forskere har udviklet en metode, der på molekylært niveau gør det muligt at forene metal og plastik. Med den 'molekylære lim' kan der skabes stærke og tætte samlinger mellem materialer, som ellers ikke kan hænge sammen.

Sådan fungerer metoden til sammenføjning af metal- og plastmaterialer – trin for trin. Næste skridt er at tilføje justerbare egenskaber, så metoden kan bruges med endnu flere materialekombinationer. (Ill.: Aarhus Universitet)

 

Mange har sikkert oplevet problemet med at male på metaloverflader, hvor malingen skaller af efterfølgende.

Eller man har stået med en ødelagt teflonpande, hvor teflonlaget har sluppet sit tag i det underliggende metal.

Årsagen er, at det er svært at få de forskellige materialetyper til at danne virkelig stærke og tætte samlinger.

Disse problemer arbejder en forskningsgruppe inden for overfladekemi ved Aarhus Universitet på at løse sammen med virksomhederne SP Group A/S og Grundfos A/S.

Fakta

En polymer er en naturlig eller syntetisk forbindelse oftest med høj molekylvægt, som er dannet ved sammenkædning af op til millioner af identiske eller i hvert fald sammenlignelige enheder kaldet monomerer. Sammenkædningsprocessen kaldes polymerisering.

Gennem de seneste år har gruppen udviklet ny nanoteknologi til nøjagtigt at kunne styre materialers vedhæftningsevne på molekylært niveau.

Især har fremstilling af overfladebundne polymerbørster medført store fremskridt inden for coating-teknologi, smarte hybridmaterialer og polymerkompositter.

Disse børster af polymerer er meget små – oftest kun 30−200 nanometer lange svarende til en milliontedel af den typiske længde af menneskehår.

En nanometer er en milliardtedel af en meter, og materialer i nanostørrelse er derfor for små til at kunne ses med det blotte øje.

Overfladebelægninger hjælper os – men skal være bedre endnu

Første test af superlimen: en gynge limet til en kran kan snildt bære en 70 kilo tung akademiker (Foto: Privat).

Både i industrielle processer og i produkter indtager overfladebelægning og vedhæftning en central rolle. De kan beskytte mod rust og anden korrosion, mindske friktion, afvise snavs, øge slidstyrken og pynte på produkternes ydre.

Hidtil har anvendelsen af polymerbelægninger på en række materialer dog været begrænset af muligheden for at etablere stærke kemiske bindinger til overfladen.

Med de nye teknikker kan man nu modificere metallers overflader med specialdesignede polymerbørster, der sikrer ekstraordinært stærke sammenføjninger af forskellige materialer som for eksempel rustfrit stål og teflonlignende polymerer.

Derved reduceres risikoen for delaminering af den påførte polymerbelægning– altså at materialerne falder fra hinanden – og efterfølgende korrosion, som ellers ville kunne påføre industri og samfund udgifter i milliardstørrelse til vedligeholdelse, reparation og nyanskaffelse.

 

Sådan laver man molekylær lim

Fakta

Nano betyder dværg på græsk, og det bruges som prefix i metersystemet ligesom giga, mega, kilo, milli og mikro. En nanometer er en milliardtedel af en meter. Eller sagt på en anden måde: 1 x 10-9 meter. En nanometer er 80.000 gange mindre end diameteren af et menneskehår og 10 gange diameteren af et brintatom. "Nano" kan man ikke se selv. Man er henvist til computerskabte billeder lavet af signaler fra måleinstrumenter, som for at gøre alle forvirrede i daglig tale kaldes for scanning probe mikroskoper, som STM og AFM. Kilde: Sciencesite.dtu.dk

Sammenføjninger af metal-plast sker via en tre-trins proces som illustreret i skemaet.

 

  1. I første trin bindes organiske molekyler med forudbestemte funktionelle grupper til metallet (jern, krom, stål, etc.) ved brug af elektrokemi. Disse molekyler kaldes primers eller i dette tilfælde også initiatorer, da de udgør udgangspunktet for den videre fremstilling af polymerbørster.
     
  2. Ved brug af velbeskrevne polymerisationsteknikker kan polymerbørster laves i forudbestemte længder (typisk 30–200 nanometer) og tætheder. I denne del af processen er forskernes kemiske viden om polymerer uhyre vigtig for at kunne give børsterne netop de egenskaber, der vil gøre dem kompatible med polymersmelten i næste trin.
     
  3. I mange industrielle processer pålægges polymerbelægningen som en smeltet masse, hvilket under de rette procesbetingelser tillader polymerbørsterne at opblandes i den smeltede polymer, så de fanges heri efter afkøling.

Med andre ord kommer de overfladebundne polymerbørster til at fungere som en slags molekylær lim, der vil kunne binde to uforenelige materialer som eksempelvis metal og plastik sammen i en stærk sammenføjning.

 

Teknologien er konkurrencedygtig på pris og kvalitet

Træktest har vist, at vedhæftningen mellem en ståloverflade og en belægning af plexiglas kan klare en vægt på omkring 100 kilogram pr. cm2, hvilket vil kunne opfylde de fleste industrielle krav.

Samtidig skal man huske på, at tykkelsen af den molekylære lim kun er på typisk 80 nanometer, hvilket gør, at der totalt set bruges så lidt lim som 0,01 milligram pr. cm2.

Anden test af superlimen: limen måtte dog give op overfor tre akademikere med en samlet kampvægt på 280 kilo (Foto:Privat).

Det betyder, at selvom materialeprisen for den molekylære lim bliver betragteligt højere end for traditionelle limsystemer, skulle teknologien alligevel kunne blive yderst konkurrencedygtig på såvel pris som kvalitet.

 

Industrien vil have molekylær lim

En molekylær integration af materialer vil have gode chancer for at finde industriel anvendelse ved indkapsling af elektronik og i det hele taget til mere effektiv korrosionsbeskyttelse som følge af den store holdbarhed af sammenføjninger/polymerbelægninger.

Senest har LEGO, Kamstrup A/S, som er storproducent af vandmålere, og det engelske Techflow, som er leverandør til olieindustrien, meldt sig ind i forsknings- og udviklingsarbejdet for sammen med SP Group A/S, Grundfos A/S og Aarhus Universitet at intensivere udviklingen af kommercielle produkter baseret på opdagelsen.

Den nye superlim skal igennem dette samarbejde udvikles til at løse mange konkrete udfordringer. Det drejer sig for eksempel om beskyttelse af olieudstyr, indkapsling af elektronik og udvikling af vandtætte forseglinger. Der arbejdes også på at skabe en erstatning for den vidt udbredte O-ring, som benyttes til at tætne under dæksler, låg og bolthoveder.

 

Næste generations polymerbørster venter i kulissen

Fakta

Forskningsprojektet involverer Institut for Kemi og iNANO ved Aarhus Universitet, SP Group A/S og Grundfos A/S. Det Strategiske Forskningsråd har støttet projektet med 9 millioner kroner, mens de to virksomheder hver især har bidraget med yderligere 1 million kroner. Nøglepersonerne i samarbejdet er laboratoriechef Susie Ann Spiegelhauer og udviklingsdirektør Jens Hinke fra SP Group A/S, materialespecialist Kristoffer Malmos og senior udviklingsingeniør Allan H. Holm fra Grundfos A/S samt lektor Mogens Hinge, lektor Steen U. Pedersen og professor Kim Daasbjerg fra Aarhus Universitet.

Forskningsgruppen ved Aarhus Universitet forsøger i øjeblikket at skaffe yderligere midler til udvikling af næste generations polymerbørster, der skal føre til smarte overflader.

I disse børster vil flere funktionelle grupper blive introduceret på kemisk vis for at give børsterne egenskaber, som vil kunne finjusteres ved hjælp af temperatur, lys, strømpulser eller pH-værdi.

Gevinsten vil være, at den kemiske optimeringsproces ikke alene bliver betragteligt hurtigere, men også at langt flere kombinationer af metal-plast eller endda plast-plast materialer vil kunne sammenføjes med den samme molekylære lim.

Derudover vil vedhæftningsevnen kunne ændres markant ved en simpel ydre påvirkning og fjernes helt, når de enkelte bestanddele efter produktets levetid ønskes genbrugt.

Om artiklens forfatter

Professor Kim Daasbjerg er forsker ved Institut for Kemi og Interdisciplinært Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet.

Han blev den 18. april 2013 tildelt Den Danske Polymerpris – ATV | Elastyrenprisen 2013 på 100.000 kr. af Akademiet for De Tekniske Videnskaber.

Kim Daasbjerg modtager prisen for at have bidraget til nytænkning og fremvist markante resultater inden for kemisk forskning i og udvikling af syntetiske polymerer.