可逆粘合技術(shù)的案例
耐180℃高溫的環(huán)氧樹脂可逆粘合劑
來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
粘合劑是為能源、建筑和汽車等主要行業(yè)使用的物體創(chuàng)造輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。然而，目前的粘合劑有一個共同的問題：可拆卸和可重復(fù)使用的粘合劑大多沒有很好的粘性；超粘性粘合劑是不可逆的。開發(fā)可逆性粘合劑可以充分利用其可回收性和可持續(xù)性，因此在電子和醫(yī)藥等領(lǐng)域具有很大的意義。然而，強粘性需要一個固定的強交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，而可逆性粘合劑則需要依賴于動態(tài)鏈的運動。由于強交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)鏈運動的相互排斥，很難同時滿足粘合劑的兩個方面 - 高性能和可逆性。
02
成果掠影
近日，比利時根特大學Filip E. Du Prez教授課題組開發(fā)了兩種用于環(huán)氧樹脂硬化的動態(tài)聚酰胺固化劑，合成了一類新的動態(tài)環(huán)氧樹脂粘合劑，在保持快速脫粘能力的同時，顯著提高了粘合劑的使用溫度（>180℃）。該粘合劑可以在高溫下被觸發(fā)，同時在很寬的溫度范圍內(nèi)保持粘合，對于工業(yè)上相關(guān)的溫度窗口來說，是對現(xiàn)有粘合劑樹脂技術(shù)的高度補充。研究成果以“Epoxy Adhesives with Reversible Hardeners: Controllable Thermal Debonding in Bulk and at Interfaces”為題發(fā)表于《Advanced Materials》。
03
圖文導讀
圖1. 可逆環(huán)氧粘合劑的設(shè)計策略。
圖2.
展開 德工程師發(fā)明塑料與鋁粘合技術(shù)
一個德國研究組的工程師最近發(fā)明了一種通過用紅外激光預(yù)處理鋁板來將塑料與鋁粘合的技術(shù)。他們的成果發(fā)表在了“Journal of Laser Applications”雜志上。研究人員發(fā)現(xiàn)，用連續(xù)激光束對鋁表面進行粗糙處理會產(chǎn)生與熱塑性聚酰胺的機械互鎖，從而產(chǎn)生顯著的強粘附力。 作者之一Jana Gebauer說：“在其他連接方法中，一般需要一個我們希望的塑料部件來與金屬部件配合。而在注塑成型過程中，我們直接在機器腔內(nèi)的金屬部件頂部生成塑料部件。因此，由于特定的熱條件，與熱壓或其他連接技術(shù)相比，這是非常困難的。”
為了解決這些問題，Gebauer和她的同事每次在鋁板表面使用連續(xù)激光和一次脈沖作用20皮秒，這樣可以使鋁板表面更粘，以便在其上模塑聚酰胺層。然后，他們將片材放入注塑模具中，并用熱塑性聚酰胺包覆成型，熱塑性聚酰胺是一種與尼龍相關(guān)的聚合物，常用于機械部件，如電動工具外殼，機械螺釘和齒輪。
Gebauer說：“之后我們分析了鋁板的表面形貌并對粘接行為進行了機械測試，以找出哪些參數(shù)可以實現(xiàn)最大的粘接強度。”
使用光學三維共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行的測試結(jié)果表明，與連續(xù)激光預(yù)處理鋁板溝槽中的形貌相比，用脈沖激光處理的鋁板溝槽中具有更平滑的線圖案。用紅外激光處理的鋁板也表現(xiàn)出更強的粘合性，但是隨著水分含量的增加，這些性能會降低。
盡管團隊取得了成功，但Gebauer認為，要了解如何優(yōu)化金屬表面的預(yù)處理以使制造過程更加經(jīng)濟，還有很多得工作要做。現(xiàn)在，她和她的同事們在研究模塑熱塑性塑料在冷卻時如何收縮。
Gebauer說：“熱收縮導致機械應(yīng)力的產(chǎn)生，這會分離兩個部件。目前的挑戰(zhàn)是找到一種結(jié)構(gòu)來補償收縮過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，同時要求這種結(jié)構(gòu)不會由于激光處理而造成鋁的軟化。
展開 牙科鉻鈷金屬粘合劑噴射3D打印技術(shù)應(yīng)用
這套機器具有高達16升的可變構(gòu)建尺寸和高速單程打印噴頭，使金屬零件的生產(chǎn)速度比傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)快10倍。這一優(yōu)勢將幫助牙科技術(shù)人員擴大他們現(xiàn)有的產(chǎn)量，每天可生產(chǎn)數(shù)百個定制零件。
△3D打印和拋光的可移動部分義齒框架。照片來自Desktop Health
Shop系統(tǒng)還將使牙科技術(shù)人員能夠打印密集、復(fù)雜的零件，并在出爐時具有令人難以置信的細節(jié)和表面光潔度。單程打印頭具有1600個原始DPI，比傳統(tǒng)的粘合劑噴射系統(tǒng)的分辨率高400%。同時，打印頭的5倍噴嘴冗余度使打印質(zhì)量更加可靠。
Desktop Health的商店系統(tǒng)現(xiàn)在可用于牙科實驗室，已經(jīng)具備了制造鉻鈷合金部件的能力，并將在美國食品和藥物管理局批準后投入商業(yè)使用。
展開 德國一工程師發(fā)明塑料與鋁粘合技術(shù)
一個德國研究組的工程師最近發(fā)明了一種通過用紅外激光預(yù)處理鋁板來將塑料與鋁粘合的技術(shù)。他們的成果發(fā)表在了“Journal of Laser Applications”雜志上。研究人員發(fā)現(xiàn)，用連續(xù)激光束對鋁表面進行粗糙處理會產(chǎn)生與熱塑性聚酰胺的機械互鎖，從而產(chǎn)生顯著的強粘附力。
作者之一Jana Gebauer說：“在其他連接方法中，一般需要一個我們希望的塑料部件來與金屬部件配合。而在注塑成型過程中，我們直接在機器腔內(nèi)的金屬部件頂部生成塑料部件。因此，由于特定的熱條件，與熱壓或其他連接技術(shù)相比，這是非常困難的。”
為了解決這些問題，Gebauer和她的同事每次在鋁板表面使用連續(xù)激光和一次脈沖作用20皮秒，這樣可以使鋁板表面更粘，以便在其上模塑聚酰胺層。然后，他們將片材放入注塑模具中，并用熱塑性聚酰胺包覆成型，熱塑性聚酰胺是一種與尼龍相關(guān)的聚合物，常用于機械部件，如電動工具外殼，機械螺釘和齒輪。
Gebauer說：“之后我們分析了鋁板的表面形貌并對粘接行為進行了機械測試，以找出哪些參數(shù)可以實現(xiàn)最大的粘接強度。”
使用光學三維共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行的測試結(jié)果表明，與連續(xù)激光預(yù)處理鋁板溝槽中的形貌相比，用脈沖激光處理的鋁板溝槽中具有更平滑的線圖案。用紅外激光處理的鋁板也表現(xiàn)出更強的粘合性，但是隨著水分含量的增加，這些性能會降低。
盡管團隊取得了成功，但Gebauer認為，要了解如何優(yōu)化金屬表面的預(yù)處理以使制造過程更加經(jīng)濟，還有很多得工作要做。現(xiàn)在，她和她的同事們在研究模塑熱塑性塑料在冷卻時如何收縮。
Gebauer說：“熱收縮導致機械應(yīng)力的產(chǎn)生，這會分離兩個部件。目前的挑戰(zhàn)是找到一種結(jié)構(gòu)來補償收縮過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，同時要求這種結(jié)構(gòu)不會由于激光處理而造成鋁的軟化。
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大眾汽車聯(lián)手惠普，應(yīng)用粘合劑噴射技術(shù)
與惠普合作開發(fā)的3D打印機基于粘合劑噴射工藝，這是對先前選擇性激光熔化（SLM）工藝的補充。與其他金屬3D打印解決方案相比，惠普的粘合劑噴射使金屬3D打印更加輕松快捷。在該方法中，使用金屬粉末和分層施加的粘合劑制造部件。然后在燒結(jié)過程中“烘烤”打印出的金屬部件。
大眾目前正在將該技術(shù)用于可定制組件，如個性化鑰匙環(huán)和外置銘牌。大眾汽車的多年計劃是使用HP的粘合劑噴射來生產(chǎn)具有滿足結(jié)構(gòu)要求的更高性能的功能部件。
大眾汽車的3D打印中心占地面積為3,100平方米。現(xiàn)在，一個規(guī)劃師和研究人員團隊致力于開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝。在未來協(xié)議的框架內(nèi)，建立了一個新的增材制造單位，提供11個面向未來的工作崗位。
在開幕式上，增材制造主管Oliver Pohl評論道：“在這里，我們創(chuàng)建了一個創(chuàng)新中心，對未來大眾汽車具有巨大的戰(zhàn)略意義。”
工作委員會成員Susanne Preuk說：“3D打印中心的落成突顯了創(chuàng)新基金II的重要性，這使得這樣的投資成為可能，工作委員會歡迎公司開放新技術(shù)，并以面向未來的方式塑造它們，以符合員工的利益。”
據(jù)南極熊了解，大眾汽車并不是唯一一家開設(shè)3D打印制造中心的汽車公司。南極熊曾報道福特汽車(Ford Motor)斥資4,500萬美元在底特律以西的密歇根州雷德福鎮(zhèn)(Redford town)建立了先進的制造中心。先進制造中心擁有23臺3D打印機，并與10家增材制造公司合作。該中心正在測試來自Stratasys、惠普、EOS和其他供應(yīng)商的3D打印機，以適應(yīng)汽車制造。這使得福特的專家們能夠開發(fā)出不同材料的應(yīng)用——從沙子到尼龍粉再到碳。據(jù)該公司稱，目前正在開發(fā)的一款應(yīng)用程序有可能為該公司節(jié)省200多萬美元。
福特汽車的制造和生產(chǎn)中有3D打印零件。
展開 粘合劑噴射金屬3D打印技術(shù)，已開始應(yīng)用在汽車和航空航天業(yè)
NCAM技術(shù)專家Usama Attia說“Digital Metal的技術(shù)為金屬增材制造提供了巨大的潛力和生產(chǎn)力。”
NCAM的增材制造技術(shù)經(jīng)理David Brackett博士補充說：“這是一種非常快速的技術(shù)，可以打印出復(fù)雜和具有高度細節(jié)的設(shè)計，并且擁有比使用熔化的增材制造工藝更廣泛的材料選擇， 我們很高興能夠向我們合作的公司提供此服務(wù)。“
Digital Metal的3D打印專業(yè)技術(shù)是生產(chǎn)小型且?guī)缀涡螤顝?fù)雜的部件，其粘合劑噴射技術(shù)可以打印出分辨率高達35μm的精細細節(jié)。
DM P2500系統(tǒng)將在RAPID + TCT 2018上展覽，提供了一個尺寸為203 x 180 x 69 mm的構(gòu)建平臺，在燒結(jié)后，縮放后的尺寸為170 x 150 x 57 mm。根據(jù)該公司的最新數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部合同服務(wù)，它有30多種不同的批量生產(chǎn)組件，其中一些批量訂單達到每年多達40,000個零件。
Digital Metal已經(jīng)與瑞典高性能跑車制造商Koenigsegg，豪華汽車品牌沃爾沃以及消費品，工程服務(wù)和航空航天系統(tǒng)集團霍尼韋爾建立了合作伙伴關(guān)系。
截至2018年7月，Digital Metal的合作伙伴中增加兩家新公司，并簽署協(xié)議，將DM P2500以及其他設(shè)備，消耗品，服務(wù)和支持交付給目前未公開的汽車和航空領(lǐng)域“領(lǐng)先”公司。
MTC與包括LPW，西門子，空中客車和EOS在內(nèi)的100多個工程行業(yè)成員建立了聯(lián)系，有望成為英國增材制造技術(shù)的中心樞紐。
2017年，MTC宣布將管理由歐洲航天局（ESA）建立的增材制造基準中心（AMBC）。此外，整個2018年，該中心一直呼吁利益相關(guān)方幫助制定其增材制造技能能力框架，幫助實現(xiàn)工程領(lǐng)域廣泛的專業(yè)技能短缺。
展開 華中科技大學趙彥兵/聶蘭蘭/武漢大學張玉峰CEJ：通過等離子體技術(shù)制備鄰苯二酚改性殼聚糖生物粘合劑
相較傳統(tǒng)的手術(shù)縫合和機械固定，醫(yī)用粘合劑操作簡便、即時有效，是時代發(fā)展的必然產(chǎn)物。然而，目前商業(yè)化的醫(yī)用膠粘劑存在生物相容性差和動態(tài)濕粘合性弱等不容忽視的缺陷，開發(fā)具有高性能的醫(yī)用膠粘劑仍然迫在眉睫。
近日，華中科技大學國家納米藥物工程技術(shù)研究中心趙彥兵教授課題組、電氣學院聶蘭蘭老師與武漢大學口腔醫(yī)院張玉峰教授課題組三方合作，利用一種綠色環(huán)保的新型電化學技術(shù)——輝光放電等離子體（GDEP）技術(shù)制備了貽貝殼聚糖水凝膠，使其具有較高的力學強度和長期的動態(tài)組織粘附性，可用作快速止血的傷口愈合敷料。
圖1.CS-GA水凝膠的合成路線及其在傷口愈合中的應(yīng)用
GDEP在放電過程中能夠產(chǎn)生大量的反應(yīng)活性較高的反應(yīng)中間體（如H·、·OH、1O2、O2-等），從而在不使用任何有毒試劑和催化劑的情況下可以高效地進行化學反應(yīng)。本研究首次利用GDEP法在不添加其他化學試劑的情況下實現(xiàn)了沒食子酸在殼聚糖主鏈上的可控接枝，并且合成的CS-GA表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能。
圖2. CS-GA結(jié)構(gòu)表征和抗氧化活性研究
該水凝膠具有良好的可塑性、自愈合性能、高力學性能和良好的組織粘附性，在實際應(yīng)用中具有優(yōu)異的順應(yīng)性。通過搭接剪切試驗測定CS-GA-3與豬皮組織作用30 min的粘附強度可達84.65 ± 1.67 kPa。
圖3. CS-GA水凝膠的力學性能和生物粘附性評價
抗菌實驗證明CS-GA水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有明顯的抑制效果，且隨著抑菌效果隨沒食子酸接枝量的提高而顯著增強。
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