Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
Este estudo apresenta um adesivo condutor anisotrópico de benzoxazina sustentável e de base biológica que alcança desempenho elétrico e confiabilidade comparáveis aos sistemas de epóxi comerciais, ao mesmo tempo em que oferece temperaturas de cura mais baixas, toxicidade reduzida e um menor potencial de aquecimento global.
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A eletrônica moderna depende de minúsculas e invisíveis pontes para conectar os componentes que fazem nossos dispositivos funcionarem. No mundo dos circuitos impressos, onde sensores delicados e chips são montados em folhas flexíveis de plástico ou até mesmo de papel, essas pontes são frequentemente feitas de uma cola especial chamada adesivo eletricamente condutivo. Esta cola deve fazer duas coisas difíceis ao mesmo tempo: ela deve segurar as partes firmemente no lugar e deve permitir que a eletricidade flua através dela em uma direção específica para completar um circuito. Por décadas, a indústria tem dependido de colas baseadas em epóxi, uma resina plástica comum. Embora eficazes, essas colas tradicionais têm um lado sombrio. Elas frequentemente requerem produtos químicos tóxicos para serem fabricadas, podem causar reações alérgicas para os trabalhadores que as manuseiam e devem ser armazenadas em freezers para evitar que endureçam cedo demais. Além disso, elas frequentemente contêm cargas metálicas que são prejudiciais ao meio ambiente. À medida que o impulso por uma tecnologia mais verde cresce, cientistas estão procurando por um aglutinante que seja mais seguro, mais fácil de usar e derivado da natureza em vez de petróleo.
Uma equipe de pesquisadores do RISE Research Institutes da Suécia e da Joanneum Research da Áustria desenvolveu um novo tipo de cola condutiva que aborda essas questões. Em vez de usar epóxi, eles recorreram a uma classe de materiais chamados benzoxazinas, que podem ser feitas de fontes de base biológica. Especificamente, eles criaram uma mistura usando uma molécula derivada do ácido difenólico, uma substância encontrada em resíduos da indústria madeireira, combinada com uma amina de cadeia longa. Essa combinação cria um aglutinante que endurece a uma temperatura muito mais baixa do que as benzoxazinas tradicionais, tornando-o seguro para uso em materiais sensíveis ao calor, como os filmes plásticos finos usados na eletrônica moderna. Para tornar a cola condutiva, os pesquisadores misturaram minúsculas esferas metálicas. Após testar várias opções, incluindo zinco e ferro, eles descobriram que as esferas de cobre funcionavam melhor. A mistura final, contendo trinta e cinco por cento de cobre em peso, formou uma ligação que permitia que a eletricidade fluísse verticalmente entre as camadas, enquanto bloqueava sua propagação lateral, um recurso crucial para prevenir curtos-circuitos em componentes eletrônicos minúsculos.
Os pesquisadores submeteram este novo adesivo a uma série de testes rigorosos para ver se ele poderia substituir o padrão atual da indústria. Eles montaram minúsculos chips de computador tanto em papel quanto em um filme plástico durável conhecido como Kapton, usando uma ferramenta aquecida para pressionar os componentes no lugar. A cola desempenhou um papel notável, criando conexões elétricas que eram tão fortes e condutivas quanto aquelas feitas por um produto comercial líder à base de epóxi. De fato, a nova cola segurou os componentes de forma tão segura que, quando tentaram remover os chips, o próprio substrato de papel rasgou antes que a cola falhasse. Isso demonstrou que a ligação não era apenas eletricamente sólida, mas também mecanicamente robusta. A equipe também submeteu os componentes colados a condições severas, incluindo calor e umidade elevados, bem como mudanças rápidas de temperatura projetadas para simular anos de desgaste em questão de semanas. O adesivo permaneceu estável durante todo o processo, não apresentando sinais de degradação ou perda de conexão elétrica.
Além do desempenho, o estudo analisou o custo ambiental da produção deste novo material. Ao comparar a nova cola de base biológica com um adesivo comercial à base de níquel, os pesquisadores calcularam a quantidade de dióxido de carbono emitido durante sua criação. A versão de base biológica produziu significativamente menos dióxido de carbono, com uma pegada de 5,48 quilogramas por quilograma de cola, comparado aos 6,27 quilogramas da alternativa comercial. O estudo sugere que esta vantagem ambiental poderia ser ainda maior se o processo de fabricação fosse livre de solventes e se o cobre utilizado fosse proveniente de materiais reciclados. O trabalho confirma que é possível criar adesivos eletrônicos de alto desempenho sem depender de epóxis tóxicos ou metais prejudiciais ao meio ambiente. Ao provar que uma cola de base biológica e de menor temperatura pode igualar a confiabilidade dos produtos comerciais atuais, esta pesquisa abre um caminho para um futuro mais sustentável para a montagem dos eletrônicos que alimentam nossas vidas diárias.
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