Stærk sammenføjning af forskelligartede materialer er en central udfordring i mange industrier. Behovet for en god og billig løsning bliver forstærket af, at man mange steder har fået øjnene op for, at man i kombinationen af materialer med forskellige egenskaber kan opnå både bedre, stærkere og billigere produkter.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1/2, 2017 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Mikkel Kongsfelt, RadiSurf
Problemstillingen omkring sammenføjning af meget forskellige materialer fik i 2008 Aarhus Universitet, Grundfos A/S og SP Group A/S til at gå sammen i et forskningsprojekt med det formål at lave en kemisk løsning til vedhæftning mellem metal og plastmaterialer.
I forskningsprojektet blev en teknologi, som kan skabe stærk vedhæftning mellem metalemner og plastmaterialer, udviklet. Teknologien består grundlæggende i, at man fra metaloverfladen syntetiserer polymerbørster, der efterfølgende blandes med plastmaterialet, hvilket skaber en meget stærk binding imellem metal og plast. Polymerkæderne, som normalt er under 100 nm i længden (svarende til størrelsen af virus), er stabile, hvilket gør, at metalemner med polymerbørster kan opbevares på lager eller transporteres andetsteds til videre behandling. Det giver nogle unikke logistiske muligheder sammenlignet med håndteringen af andre primer- og limsystemer, hvilket har stor betydning for både produktion og økonomi.
Da polymerbørsterne på overfladen er kemisk designet til at blande sig med plastmaterialet, kan traditionelle metoder som sprøjtestøbning, solventsvejsning, ultralydssvejsning og varmpresning anvendes direkte oven på de behandlede overflader. Ved en tilstrækkelig effektiv opblanding af polymerbørsterne med den smeltede plast opnås der en sammenføjning, som endda er stærkere end plastmaterialet selv.
En stærk binding er dog ikke den eneste gevinst ved teknologien. Med god opblanding af de kun omkring 100 nm polymerbørster på metaloverfladen opnås et helt tæt interface med de samme diffusionsegenskaber som plastmaterialet. Det betyder i praksis, at man kan lave en så tæt samling imellem to vidt forskellige materialer, at indtrængning af uønskede væsker kan undgås. Samtidigt formindskes risikoen for bakterievækst, hvilket er et stort problem i udstyr til især fødevareproduktion.
En fødevaresikker løsning
Da teknologien består af et ultratyndt polymerlag, der er kovalent bundet til metaloverfladen, er risikoen for læk af materiale fra interfacet mellem de samlede emner forsvindende lille. Skulle det alligevel ske, vil mængden af materiale i samlingen alligevel være så forsvindende lille, at det næppe vil kunne udgøre en sikkerhedsrisiko. Med den meget mindre risiko for fødevareforurening sammenlignet med alternativerne åbner teknologien for, at man i fødevareindustrien fremover vil kunne anvende nye kombinationer af plast og metal i udstyr til både produktion og håndtering.
Fra forskningsprojekt til start-up
Da forskningsprojektet sluttede i 2013, stod det endnu ikke klart, hvor de helt oplagte anvendelsesmuligheder lå. Teknologien var uden tvivl grundlæggende stærk, men stadig relativt umoden, så der lå en stor udfordring i at få gjort den markedsklar. I de følgende år fortsatte arbejdet i det små med at udvikle og modne teknologien på både universitetet og i virksomhederne.
I slutningen af 2015 blev beslutningen om at stifte spinoff-virksomheden RadiSurf endelig taget. Målet var at bringe løsninger på markedet. Med støtte fra Innovationsfondens iværksætterpilot-ordning fik direktør Mikkel Kongsfelt mulighed for at arbejde målrettet på en kommercialisering af teknologien. I sit første leveår har RadiSurf været i stand til at vise, at teknologien kan tilpasses kundernes udfordringer og behov. Det har ført frem til den første underskrevne kontrakt. Samtidigt er antallet af medarbejdere steget fra en til fire, hvilket betyder, at virksomheden nu kan løfte selv større opgaver for kunder.
Sådan hjælpes kunderne med vedhæftningsproblemer
RadiSurf har med ny teknologi potentialet til at styrke mange virksomheders produkter, men der er store udfordringer, når en virksomhed skal drives med fundament i en teknologi og ikke et produkt.
Med udgangspunkt i kundernes problemstilling, laver RadiSurf først et forslag til, hvordan problemet kan løses, og hvordan det i givet fald bedst kan testes. Når den rigtige materialekombination er blevet etableret, indgås et samarbejde med kunden om udvikling og test af prototypeløsninger. Efter fremstilling af et vist antal prototyper – typisk 50-500 stk. – kan kunden vælge at teste løsningen i egen produktion eller hos RadiSurf. Hvis prototyperne viser sig at opfylde alle ønskede krav og specifikationer, vil en reel produktion efterfølgende kunne opsættes med RadiSurf som rådgivere.
Et godt eksempel er en kunde, der stod med problemstillingen at lime træ og aluminium sammen på en god og effektiv måde. Ganske vist findes der i dag glimrende poly(urethan) (PUR) lime til træ, men de binder desværre typisk ikke så godt på aluminiumsoverflader. For at løse denne udfordring, udviklede RadiSurf en belægningsløsning, der nu tillader effektiv sammenføjning af aluminium og træ med både kommercielle en- og to-komponent PUR-lime. Faktisk viser selve limningen sig at være stærkere end træet, hvori bruddet ene og alene sker i stresstests.
Fremtidige anvendelsesmuligheder
Teknologien finder umiddelbart sit største potentiale inden for områder, hvor eksisterende løsninger ikke er gode nok. Det er typisk områder, hvor der stilles store krav til samlingens tæthed og kemiske sammensætning som inden for fødevare eller medico, eller hvor samlingens tykkelse er afgørende som for designindustrien. Et område med stort potentiale inden for næsten alle materialer er 3D-print. Når der printes med plastmaterialer, er vedhæftningen af materialet helt afgørende for printets kvalitet. Den nødvendige vedhæftning kan bl.a. opnås ved at lave en coating med RadiSurf-teknologien på metaloverfladen inden printet.
Den grundlæggende kemi
Helt grundlæggende laver vi det kemiske link mellem to materialer. Det betyder, at vi i én og samme struktur skal kombinere to funktionaliteter, der kan binde til vidt forskellige materialer. For at takle denne opgave deles processen op i flere trin:
Trin 1: Skab en stærk binding til metaloverfladen
Ved elektrokemisk reduktion af et diazoniumsalt i opløsning dannes et meget reaktivt arylradikal. Det kan efterfølgende reagere med metaloverfladen og skabe en stærk kovalent binding hertil.
Trin 2: På metaloverfladen bygges polymerbørster, der matcher plastmaterialet
De påsatte molekyler er designet med en specifik funktionel gruppe, der kan bruges som initiator i en polymeriseringsreaktion. Med ”Atomic Transfer Radical Polymerisation” kan et lag af polymerbørster bygges kontrolleret op fra metaloverfladen. Ved nøje at styre den kemiske sammensætning, længden af polymerbørsterne og deres tæthed kan laget designes med nøjagtigt de egenskaber, som er nødvendige for, at det kan binde sig til det plastmateriale, der skal bruges som coating.
Trin 3: Tilfør plastmaterialet
Det sidste, men meget afgørende trin, er opblanding af det tynde polymerlag på metaloverfladen med det plastmateriale, der skal bindes til. En af de store styrker ved teknologien er, at man kan anvende mange forskellige metoder til at gøre dette – kravet er blot, at plastmaterialets overflade skal være enten opløst eller smeltet, når sammenføjningen sker. Eksempelvis kan sprøjtestøbning af plastmaterialer uden videre anvendes direkte oven på de coatede metaloverflader.
Fra vedhæftning af termoplast til vedhæftning af gummi
RadiSurf-teknologien er i første omgang udviklet til coatings bestående af termoplastiske eller thermoset-materialer, men mange andre materialer vil i fremtiden også kunne adresseres, herunder gummi. Gummibelægninger anvendes meget i fødevareindustrien, hvor de udsættes for hårde rengøringsbetingelser, der stiller store krav til vedhæftningen. Mange produkter ender med at fejle, fordi vedhæftningen mellem metal og gummi ikke er stærk nok. For fødevarebranchen er dette specielt kritisk, da man i værste fald risikerer afsmitning fra vedhæftningslaget til fødevaren og/eller drikkevandet.
De kemiske processer i gummi er langt mere komplekse end for termoplastiske/thermoset materialer, blandt andet på grund af den vulkaniseringsproces, som gummi gennemgår. Af den grund kan teknologien ikke blot kopieres, men skal videreudvikles for at kunne virke med gummi. RadiSurf har derfor valgt at indgå i et samarbejde med Aarhus Universitet og AVK Gummi A/S. Projektet støttes af Innovationsfonden med 8,8 millioner kroner og løber over de næste tre år. Læs mere om projektet her: http://innovationsfonden.dk/da/case/molekylaer-lim-skal-sammenfoeje-gummi-og-metal.