Gemakkelijker onthechten met thermisch expandeerbare partikels

Om te voldoen aan de eisen van de Europese Green Deal en het Actieplan Circulaire Economie neemt de maakindustrie grote stappen om duurzame producten en processen te realiseren. Belangrijke industriële sectoren zoals automotive, machinebouw en de bouwsector integreren efficiënte lichtgewicht structuren, duurzame ontwerpen met meerdere materialen en herbruikbare en recycleerbare onderdelen. Aangezien kleefstoffen een belangrijke rol spelen bij de assemblage van dergelijke producten zal lijm die op verzoek kan onthechten de duurzaamheidsinspanningen versnellen en het wijdverbreide gebruik van recycling- en hergebruikstrategieën mogelijk maken. In het COOCK-project voor circulaire verlijming heeft Flanders Make innovatieve onthechtingstechnologieën bestudeerd en ontwikkeld om de recycleerbaarheid van onderdelen in de nabije toekomst te verbeteren.

Wat is onthechting en hoe kan het worden bereikt?

Bij veel assemblageprocessen wordt lijm gebruikt om onderdelen aan elkaar te bevestigen. Onthechten is het proces van het scheiden van deze onderdelen zonder permanente schade. Dit is een belangrijke stap bij het repareren, hergebruiken of recycleren van onderdelen. Bij moderne smartphones bijvoorbeeld is het scherm vaak aan het frame gelijmd, waardoor het erg moeilijk is een gebarsten scherm te vervangen of de zeldzame aardmetalen erin te recycleren.

Het onthechtingsproces kan via drie hoofdmechanismen verlopen:

Mechanisch onthechten

In de meeste gevallen is mechanisch onthechten de minst gewenste methode. Bij deze methode passen we mechanische kracht toe op de lijmlaag totdat deze scheurt en de onderdelen loslaten. Structurele lijmen met hoge prestaties worden echter gewoonlijk gebruikt om ongepland loskomen te voorkomen, zodat de krachten die nodig zijn om mechanisch loskomen te bereiken vrij hoog kunnen zijn, met een hoog risico op schade aan de onderdelen. Het proces is ook moeilijk te controleren en de resultaten kunnen onvoorspelbaar zijn.

Elektrochemische onthechting

Een relatief nieuwe methode van onthechting is de elektrochemische methode. Deze methode maakt gebruik van speciale kleefstoffen die kunnen worden verwijderd met behulp van lichtbronnen zoals UV, elektrische stromen of chemische oplosmiddelen. Dit soort kleefstoffen is echter nog betrekkelijk nieuw en technologisch nog niet zo ver ontwikkeld.

Thermische onthechting

Een derde methode is thermische onthechting, waarbij de lijm tot een hoge temperatuur wordt verwarmd en van een sterke, verharde toestand overgaat in een zachtere toestand. In deze zachtere toestand is een kleine mechanische kracht voldoende om de onderdelen los te maken. Een groot voordeel van dit onthechtingsmechanisme is dat de gecontroleerde verwarmingstechnologie commercieel beschikbaar en direct schaalbaar is. Bovendien kan vrijwel elke structurele lijm met deze techniek worden verwijderd. Zowel convectie- als inductieverwarming worden vaak gebruikt om thermische onthechting te bereiken. Beide benaderingen hebben hun specifieke voor- en nadelen. Bij convectieverwarming zijn er vele soorten ovens in de handel om een bepaalde temperatuur te bereiken. Maar de hele assemblage wordt tot die temperatuur verhit, waardoor andere onderdelen kunnen worden beschadigd. Met inductieverwarming kan de warmte op specifieke plaatsen worden gericht. Maar het vereist ook kleefstoffen die elektriciteit kunnen geleiden of met het magnetisch veld kunnen reageren. Bij beide benaderingen wordt de lijm zachter gemaakt tot de verbinding met weinig kracht kan worden verbroken. Bij Flanders Make hebben we echter een derde optie ontwikkeld binnen thermische onthechting.

Onthechting door thermisch expandeerbare deeltjes

Thermisch expandeerbare deeltjes (TEP's) worden veel gebruikt in verschillende soorten schuim. Deze deeltjes met lage dichtheid bestaan uit vloeibare koolwaterstoffen die zijn ingekapseld in een polymeer omhulsel. Bij een bepaalde triggertemperatuur verandert de vloeibare koolwaterstof in gas en zet uit, waardoor de polymere mantel naar buiten wordt gedrukt en dunner wordt. Bij volledige expansie kunnen thermisch expandeerbare deeltjes meer dan 5 maal hun oorspronkelijke volume bereiken. Wanneer deze deeltjes met de lijm worden gemengd en de triggertemperatuur wordt bereikt, verandert hun expansie de lijm in schuim en verminderen de mechanische eigenschappen ervan. De twee delen kunnen dan gemakkelijk en met weinig kracht worden gescheiden. De thermische triggering van deze deeltjes kan worden bereikt door elke verwarmingsmethode, en hybride verwarmingsmethoden zijn mogelijk. Zo kan bijvoorbeeld inductieverwarming worden gebruikt om de uitzetting van deze deeltjes op gang te brengen wanneer geleidende substraten worden gebruikt. Deze deeltjes kunnen echter alleen worden gebruikt als de uithardingstemperatuur van de lijm ruim onder de triggeringstemperatuur van de deeltjes ligt. Bovendien kan de toevoeging van deze deeltjes aan structurele lijmen de mechanische eigenschappen van de lijm beïnvloeden. Daarom is een zorgvuldige afweging van de hoeveelheid TEP in de lijm in combinatie met het juiste ontwerp van de lijmverbinding van essentieel belang.

Thermal expanding particles

Wij hebben het gebruik van de TEP's voor machinebouw en chipfabricage gedemonstreerd. Voor deze demonstratie hebben wij een glazen lens overwogen die met MMA-lijm op een aluminium beugel is bevestigd. Het doel is deze assemblage te ontkoppelen en de duurdere lens, die van speciaal optisch glas is gemaakt, terug te kunnen hergebruiken. De resultaten zijn veelbelovend. Binnen 10 minuten konden wij het geheel in een convectieoven zonder mechanische krachten losmaken.

TEP Demo

Hoe dicht zijn we bij onthechting op verzoek?

In deze blogpost hebben we het landschap van de ontkoppelingstechnologieën in een bredere context besproken. Enerzijds is onthechting door elektrochemische methoden zoals UV of oplosmiddelen weliswaar veelbelovend, maar nog niet klaar voor grootschalig commercieel gebruik. Er is nog fundamenteel inzicht nodig om deze speciale lijmformules te ontwikkelen, in combinatie met de opschaling van de triggeringstechnologieën naar volledige commerciële apparatuur. Anderzijds zijn alle noodzakelijke elementen van de methoden voor thermische onthechting commercieel beschikbaar en schaalbaar. Thermische ontkoppeling kan derhalve rechtstreeks in industriële toepassingen worden toegepast.

Om thermische onthechting met succes in de industrie toe te passen, moet echter rekening worden gehouden met de volgende elementen:

  • De juiste keuze van additieve deeltjes (ferro-elektrische/ferromagnetische deeltjes en TEP's) en hun inhoudspercentage in de lijm.
  • Toevoeging van deeltjes aan de lijm vermindert de prestaties, waardoor het ontwerp van de lijmverbinding moet worden aangepast.
  • Het ontwerp van de procesparameters om het gehele verlijmings- en onthechtingsproces te optimaliseren (onthechtingstijd, thermische energie, enz.).

Het oplossen van dit raadsel van de onthechting van lijmverbindingen op verzoek loont, omdat het het volledige potentieel van duurzame en herbruikbare producten in de circulaire economie van de toekomst ontsluit.

Geïnteresseerd?

Bedrijven die de juiste lijm voor hun toepassing willen selecteren of debondable lijmen in hun productie willen implementeren, kunnen altijd contact met ons opnemen. Met ons team van deskundigen in het laboratorium voor verbindingen en materialen kunnen wij u helpen de juiste lijm en het juiste verbindingsontwerp te kiezen, en zullen wij u begeleiden bij de noodzakelijke stappen om onthechting op verzoek in uw productiefaciliteit op te voeren.

Ahmed Elmahdy, Onderzoeksingenieur

Ahmed Elmahdy is onderzoeksingenieur en Europees lijmspecialist bij het Flanders Make Joining & Materials labo. Hij heeft een werktuigbouwkundige achtergrond en een doctoraat in polymeren en composieten van de Universiteit Gent. Ahmed heeft meer dan 10 jaar academische en industriële ervaring in het ontwikkelen van materiaal- en structuurtests en karakteriseringsoplossingen voor de luchtvaart- en machinebouwsector. Binnen Flanders Make richt Ahmed zich op de ontwikkeling van innovatieve en opgeschaalde circulaire hechtings- en debondingoplossingen voor lijmverbindingen.