Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
Deze studie presenteert een duurzame, bio-gebaseerde benzoxazine anisotrope geleidende lijm die vergelijkbare elektrische prestaties en betrouwbaarheid bereikt met commerciële epoxy-systemen, terwijl deze lagere uithardingstemperaturen, verminderde toxiciteit en een lagere opwarming van de aarde biedt.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Moderne elektronica vertrouwen op minuscule, onzichtbare bruggen om de componenten te verbinden die onze apparaten laten werken. In de wereld van gedrukte circuits, waar delicate sensoren en chips op flexibele vellen plastic of zelfs papier worden gemonteerd, zijn deze bruggen vaak gemaakt van een speciale lijm genaamd een elektrisch geleidende lijm. Deze lijm moet twee moeilijke dingen tegelijk doen: het moet de onderdelen stevig op hun plaats houden, en het moet elektriciteit doorlaten in een specifieke richting om een circuit te voltooien. Decennialang heeft de industrie vertrouwd op lijmen gebaseerd op epoxy, een veelvoorkomende kunststof hars. Hoewel effectief, hebben deze traditionele lijmen een duistere kant. Ze vereisen vaak giftige chemicaliën om te maken, kunnen allergische reacties veroorzaken bij de werknemers die ermee werken, en moeten in vriezers worden bewaard om te voorkomen dat ze te vroeg uitharden. Bovendien bevatten ze vaak metaalvulstoffen die schadelijk zijn voor het milieu. Naarmate de push voor groenere technologie groeit, zoeken wetenschappers naar een bindmiddel dat veiliger, gemakkelijker in gebruik en afgeleid is van de natuur in plaats van aardolie.
Een team onderzoekers van RISE Research Institutes of Sweden en Joanneum Research in Oostenrijk heeft een nieuw type geleidende lijm ontwikkeld die deze problemen aanpakt. In plaats van epoxy te gebruiken, hebben zij zich gericht op een klasse materialen genaamd benzoxazinen, die gemaakt kunnen worden van bio-gebaseerde bronnen. Specifiek creëerden zij een mengsel met behulp van een molecuul afgeleid van difenolzuur, een stof die te vinden is in afval uit de houtindustrie, gecombineerd met een langketenige amine. Deze combinatie creëert een bindmiddel dat bij een veel lagere temperatuur uithardt dan traditionele benzoxazinen, wat het veilig maakt voor gebruik op hittegevoelige materialen zoals de dunne plastic films die in moderne elektronica worden gebruikt. Om de lijm geleidend te maken, mengden de onderzoekers er minuscule metalen bolletjes doorheen. Na het testen van verschillende opties, waaronder zink en ijzer, ontdekten zij dat koperen bolletjes het beste werkten. Het uiteindelijke mengsel, dat dertigenvijf procent koper per gewicht bevat, vormde een verbinding die elektriciteit verticaal tussen lagen liet stromen terwijl het de stroom blokkeerde om zijwaarts te verspreiden, een cruciale functie voor het voorkomen van kortsluitingen in minuscule elektronische componenten.
De onderzoekers onderwierpen deze nieuwe lijm aan een reeks strenge tests om te zien of het de huidige industriestandaard kon vervangen. Ze monteerden minuscule computerchips op zowel papier als een duurzame plastic film die bekend staat als Kapton, waarbij ze een verwarmde tool gebruikten om de componenten op hun plaats te drukken. De lijm presteerde opmerkelijk goed en creëerde elektrische verbindingen die net zo sterk en geleidend waren als die gemaakt door een toonaangevend commercieel epoxy-gebaseerd product. Sterker nog, de nieuwe lijm hield de componenten zo stevig vast dat toen ze probeerden de chips eraf te trekken, het papieren substraat zelf scheurde voordat de lijm faalde. Dit bewees dat de verbinding niet alleen elektrisch deugde, maar ook mechanisch robuust was. Het team onderwierp de gelijmde componenten ook aan zware omstandigheden, waaronder hoge hitte en vochtigheid, evenals snelle temperatuurwisselingen die bedoeld waren om jaren van slijtage te simuleren in slechts enkele weken. De lijm bleef gedurende de hele periode stabiel en vertoonde geen tekenen van degradatie of verlies van de elektrische verbinding.
Naast prestaties keek de studie ook naar de milieukosten van de productie van dit nieuwe materiaal. Door de nieuwe bio-gebaseerde lijm te vergelijken met een commerciële nikkelgebaseerde lijm, berekenden de onderzoekers de hoeveelheid koolstofdioxide die tijdens de creatie ervan werd uitgestoten. De bio-gebaseerde versie produceerde aanzienlijk minder koolstofdioxide, met een voetafdruk van 5,48 kilogram per kilogram lijm, vergeleken met 6,27 kilogram voor het commerciële alternatief. De studie suggereert dat dit milieuvoordeel nog groter zou kunnen zijn als het productieproces oplosmiddelvrij zou worden gemaakt en als het gebruikte koper uit gerecyclede materialen zou worden gewonnen. Het werk bevestigt dat het mogelijk is om hoogwaardige elektronische lijmen te creëren zonder afhankelijk te zijn van giftige epoxy's of milieubelastende metalen. Door te bewijzen dat een bio-gebaseerde lijm die bij een lagere temperatuur werkt de betrouwbaarheid van huidige commerciële producten kan evenaren, opent dit onderzoek een pad naar een duurzamere toekomst voor de assemblage van de elektronica die ons dagelijks leven aandrijven.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.