Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
Este estudio presenta un adhesivo conductor anisotrópico de benzoxazina sostenible y de base biológica que logra un rendimiento eléctrico y una fiabilidad comparables a los sistemas de epoxi comerciales, al tiempo que ofrece temperaturas de curado más bajas, una toxicidad reducida y un menor potencial de calentamiento global.
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La electrónica moderna depende de diminutos e invisibles puentes para conectar los componentes que hacen que nuestros dispositivos funcionen. En el mundo de los circuitos impresos, donde delicados sensores y chips se montan sobre láminas flexibles de plástico o incluso de papel, estos puentes suelen estar hechos de un pegamento especial llamado adhesivo conductor de electricidad. Este pegamento debe hacer dos cosas difíciles a la vez: debe sujetar las piezas firmemente en su lugar y debe permitir que la electricidad fluya a través de él en una dirección específica para completar un circuito. Durante décadas, la industria ha dependido de pegamentos basados en epoxi, una resina plástica común. Aunque son efectivos, estos pegamentos tradicionales tienen un lado oscuro. A menudo requieren productos químicos tóxicos para su fabricación, pueden causar reacciones alérgicas en los trabajadores que los manipulan y deben almacenarse en congeladores para evitar que se endurezcan demasiado pronto. Además, suelen contener rellenos metálicos que son perjudiciales para el medio ambiente. A medida que crece la presión por una tecnología más ecológica, los científicos buscan un aglutinante que sea más seguro, más fácil de usar y derivado de la naturaleza en lugar del petróleo.
Un equipo de investigadores de los Institutos de Investigación RISE de Suecia y Joanneum Research en Austria ha desarrollado un nuevo tipo de pegamento conductor que aborda estos problemas. En lugar de utilizar epoxi, recurrieron a una clase de materiales llamados benzoxazinas, que pueden fabricarse a partir de fuentes de base biológica. Específicamente, crearon una mezcla utilizando una molécula derivada del ácido difenólico, una sustancia que se encuentra en los desechos de la industria de la madera, combinada con una amina de cadena larga. Esta combinación crea un aglutinante que se endurece a una temperatura mucho más baja que las benzoxazinas tradicionales, lo que lo hace seguro para su uso en materiales sensibles al calor, como las finas películas de plástico utilizadas en la electrónica moderna. Para hacer que el pegamento sea conductor, los investigadores mezclaron diminutas esferas metálicas. Tras probar varias opciones, incluyendo zinc e hierro, descubrieron que las esferas de cobre funcionaban mejor. La mezcla final, que contenía un treinta y cinco por ciento de cobre en peso, formó un enlace que permitía que la electricidad fluyera verticalmente entre las capas mientras bloqueaba su propagación lateral, una característica crucial para prevenir cortocircuitos en componentes electrónicos diminutos.
Los investigadores sometieron este nuevo adhesivo a una serie de rigurosas pruebas para ver si podía reemplazar el estándar actual de la industria. Montaron diminutos chips de computadora tanto en papel como en una película plástica duradera conocida como Kapton, utilizando una herramienta térmica para presionar los componentes en su lugar. El pegamento funcionó de manera notable, creando conexiones eléctricas que eran tan fuertes y conductoras como las hechas con un producto comercial líder basado en epoxi. De hecho, el nuevo pegamento sujetaba los componentes de forma tan segura que, cuando intentaron retirar los chips, el propio sustrato de papel se rasgó antes de que el pegamento fallara. Esto demostró que el enlace no solo era eléctricamente sólido, sino también mecánicamente robusto. El equipo también sometió los componentes pegados a condiciones severas, incluyendo calor y humedad elevados, así como cambios rápidos de temperatura diseñados para simular años de desgaste en cuestión de semanas. El adhesivo se mantuvo estable durante todo el proceso, sin mostrar signos de degradación o pérdida de la conexión eléctrica.
Más allá del rendimiento, el estudio analizó el coste ambiental de la producción de este nuevo material. Al comparar el nuevo pegamento de base biológica con un adhesivo comercial basado en níquel, los investigadores calcularon la cantidad de dióxido de carbono emitido durante su creación. La versión de base biológica produjo significativamente menos dióxido de carbono, con una huella de 5,48 kilogramos por kilogramo de pegamento, frente a los 6,27 kilogramos de la alternativa comercial. El estudio sugiere que esta ventaja ambiental podría ser aún mayor si el proceso de fabricación se realizara sin disolventes y si el cobre utilizado procediera de materiales reciclados. El trabajo confirma que es posible crear adhesivos electrónicos de alto rendimiento sin depender de epoxis tóxicos o metales perjudiciales para el medio ambiente. Al demostrar que un pegamento de base biológica y de menor temperatura puede igualar la fiabilidad de los productos comerciales actuales, esta investigación abre el camino hacia un futuro más sostenible para el ensamblaje de la electrónica que impulsa nuestra vida cotidiana.
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