Adhesivos
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Adhesivos
Un adhesivo es un material que, al ser depositado sobre otras superficies, puede generar una unión resistente entre ambos. Los materiales unidos se denominan adherentes o substratos26, mientras que el proceso de atracción establecido por fuerzas intermoleculares entre dos superficies es la adhesión. Las interacciones interatómicas y moleculares que tienen lugar entre substratos de tipo polimérico encuentran su estudio en diversas disciplinas científicas, como son la química de superficies, la física de polímeros, la reología (aplicada al estudio de los adhesivos fluidos) y el análisis del fallo de la unión adhesiva. El uso de plásticos de polietileno, polipropileno y poliolefina termoplástica (TPO) en aplicaciones tales como piezas automotrices, utensilios, juguetes, recipientes, otros productos moldeados y películas para embalaje, es cada vez más común. Para decorar y/o proteger los productos hechos de esos plásticos, frecuentemente se aplican recubrimientos o se imprimen diseños estéticos sobre las piezas plásticas. La adhesión a piezas plásticas no tratadas se puede conseguir utilizando el Promotor de Adhesión, como parte de un primario promotor de adherencia o formulando un acabado de una sola capa que contenga un promotor de adhesión como aditivo. Algunos otros plásticos, tales como PPO y nylon y superficies no plásticas, como aluminio y acero galvanizado, pueden ser más receptivos a tintas y recubrimientos que contengan promotores de adhesión. La adhesión de recubrimientos y tintas a productos plásticos de la industria en general y partes automotrices requiere resistencia a diversas y severas condiciones ambientales, como exposición a la gasolina, lluvia ácida, productos químicos y humedad. Los promotores de adhesión son particularmente útiles para garantizar las propiedades de adhesión de recubrimientos o tintas bajo severas condiciones ambientales. Para aplicaciones en artes gráficas y tintas, los promotores de adhesión proporcionan propiedades adicionales tales como secado rápido y mayor elongación.
Adhesión
La mayoría de los materiales poliméricos se pueden unir a otros materiales mediante adhesivos. Algunos de ellos se pueden unir sin ningún tratamiento superficial; otros requieren un tratamiento superficial para lograr una adherencia suficiente. Principios de la unión adhesiva Un adhesivo es una sustancia capaz de mantener juntos los materiales mediante la unión a la superficie. Hay muchos tipos de adhesivos disponibles; se pueden clasificar de varias formas, por ejemplo, según el modo de aplicación, la composición química, la idoneidad para determinados sustratos y el coste. Esencialmente, se debe aplicar un adhesivo al sustrato (o adherente) en forma fluida para humedecer la superficie por completo y no dejar huecos, incluso si la superficie es rugosa. Para cumplir con estos requisitos, debe tener una viscosidad baja en el momento de la aplicación. Para crear una unión fuerte, la capa adhesiva debe exhibir una alta fuerza de cohesión, es decir, debe fraguar. Esto suele suceder mediante la eliminación del disolvente o el agua, mediante solidificación, cristalización, polimerización y/o reticulación. Mojar una superficie y esparcir un líquido depende principalmente de la naturaleza de la superficie del sustrato y de la tensión superficial del líquido. La humectabilidad de una superficie sólida depende de su energía superficial, expresada por su tensión superficial crítica. La tensión superficial crítica indica la tensión superficial máxima permisible en un líquido (es decir, adhesivo) para un sustrato particular. Para asegurar la extensión y humectación, el adhesivo líquido debe tener una tensión superficial no mayor que la superficie crítica de tensión del sustrato (es decir, adherente sólido). Cuando el sustrato es orgánico y no demasiado polar, el parámetro de solubilidad (δ) es una cantidad útil en la selección de un adhesivo adecuado.
Métodos de tratamiento de superficies
Las superficies a unir, Independientemente del método de unión o del tipo de adhesivo, deben estar limpios. A menudo es suficiente lavarlos con disolventes para eliminar los contaminantes (por ejemplo, aceites), pero a veces el pulido de la superficie la limpia y la rugosidad mejora la unión en virtud de proporcionar una mayor área de superficie. Si la superficie del polímero que se va a unir con adhesivo tiene una energía superficial demasiado baja, debe tratarse para aumentarla. La energía del tratamiento superficial mejora la humectación de la superficie por el adhesivo y la fuerza de unión. Los métodos que se utilizan con mayor frecuencia son el tratamiento con llama, el tratamiento corona y el tratamiento con plasma. El tratamiento con llama es un proceso comercial para hacer que las poliolefinas y el tereftalato de polietileno sean receptivos a adhesivos, recubrimientos y tintas de impresión. El artículo polimérico (por ejemplo, película) se pasa sobre una llama oxidante formada por una mezcla rica en oxígeno (con respecto a la estequiometría) de gas hidrocarburo. La llama de gas contiene fragmentos y especies excitados [por ejemplo, oxígeno atómico (O), NO, OH y otros] que pueden extraer hidrógeno de la superficie del polímero, que luego es reemplazado por grupos funcionales oxigenados (principalmente C=O y OH).
Tratamiento de descarga de corona
El tratamiento de descarga de corona se lleva a cabo a presión atmosférica en contraste con el plasma de baja temperatura (frío) que requiere vacío. Corona es una corriente de partículas cargadas (por ejemplo, electrones e iones) que se acelera mediante un campo eléctrico. Se genera cuando un espacio lleno de aire u otro gas se somete a un voltaje lo suficientemente alto como para establecer una reacción en cadena de colisiones de partículas de alta velocidad con moléculas neutrales que dan como resultado la generación de más iones. La superficie tratada tiene una energía superficial más alta y, por lo tanto, se puede humedecer fácilmente. Se utiliza la descarga de corona producida por la corriente alterna de alta tensión y alta frecuencia. Los principales parámetros para el control de este proceso de tratamiento incluyen el voltaje, el ancho del entrehierro, la velocidad película-banda y el ancho de los electrodos. La mayoría de las máquinas permiten el tratamiento en un lado de la banda y requieren dos pasadas para el tratamiento de dos lados.
Plasma
El plasma (descarga luminiscente) se produce excitando un gas con energía eléctrica. Es una colección de partículas cargadas que contienen iones positivos y negativos. También pueden estar presentes otros tipos de fragmentos (por ejemplo, radicales libres, átomos y moléculas). El plasma es conductor de electricidad y está influenciado por un campo magnético. Es intensamente reactivo, por lo que puede modificar las superficies de los plásticos. Puede usarse para tratar piezas para hacer que sus superficies sean más duras, rugosas, más humectables y más fáciles de adherir. El tratamiento con plasma se puede realizar en una variedad de piezas de plástico e incluso en aditivos en polvo como pigmentos y cargas.
Evaluación del nivel del tratamiento superficial
Hay varias formas de probar el nivel de cualquiera de los tratamientos anteriores. Un método común implica el uso de soluciones hechas de dos compuestos químicos que producen líquidos (dinas líquidos) con tensiones superficiales en el rango de 30 a 70 dinas cm1. La prueba consiste en colocar gotitas de los diferentes dinas líquidos sobre la superficie tratada y observar el esparcimiento de las gotas en 2 s. Los sucesivos líquidos con diferentes tensiones superficiales permiten el estrechamiento del rango de tensión superficial de la banda. Este método es subjetivo, pero proporciona un medio rápido de evaluación del nivel de tratamiento. También hay bolígrafos que funcionan de manera similar a los líquidos dina. Un enfoque más cuantitativo es la medición del ángulo de contacto, que disminuye con el aumento del nivel de tratamiento.
Tipos de adhesivos poliméricos
Como se señaló anteriormente, los adhesivos a base de polímeros se pueden clasificar de varias formas diferentes. Pueden ser líquidos de diferente viscosidad, representados por adhesivos a base de disolventes, dispersiones o emulsiones acuosas y látex, monómeros u oligómeros. En todos los casos, el componente principal es un compuesto orgánico, como un polímero (dispersiones, emulsiones y látex) o un monómero u oligómero que forma la película adhesiva. Los polímeros utilizados en los adhesivos son principalmente termoplásticos o elastómeros que a menudo se combinan con resinas pegajosas. Los monómeros y oligómeros deben polimerizarse para formar una película lo suficientemente fuerte. En algunos casos, todas estas sustancias adhesivas pueden reticularse para aumentar aún más la fuerza cohesiva, la resistencia al calor y la resistencia química de la unión. Los adhesivos de contacto son principalmente adhesivos a base de solvente o agua, con mayor frecuencia contienen elastómeros combinados con agentes de pegajosidad y exhiben una pegajosidad agresiva. Una vez que se unen los componentes recubiertos con adhesivos de contacto, la unión es fuerte y permanente. Los adhesivos termofusibles son materiales 100% no volátiles, es decir, que no contienen disolventes, agua u otros vehículos volátiles. Son sólidos a temperatura ambiente, pero fluidos a temperaturas elevadas. Los adhesivos termofusibles se aplican en estado fundido con equipo especial, a menudo en forma de perlas o tiras. Después de la aplicación, la unión y el enfriamiento, los adhesivos termofusibles vuelven al estado sólido y desarrollan su máxima resistencia. Los adhesivos de ensamblaje activados por calor son adhesivos a base de solución que se aplican a las superficies de dos sustratos y se secan. Luego, antes del ensamblaje, las superficies revestidas se calientan a una temperatura suficientemente alta y luego se presionan juntas. Los adhesivos de dos partes constan de dos componentes empaquetados por separado, que se mezclan justo antes de su uso. Después de mezclar estos dos componentes, comienzan a reaccionar. A medida que avanza la reacción, la capa adhesiva se vuelve más fuerte. La reacción es más ampliamente una polimerización (poliadición, policondensación, etc.). La reacción puede completarse en poco tiempo (minutos), pero puede llevar horas o días, según el sistema.
- Los adhesivos de curado por humedad se basan en compuestos que curan por exposición a la humedad. Se mantienen en envases impermeables hasta su aplicación sobre el sustrato. La reacción suele tardar días en completarse, ya que depende de la difusión de la humedad a través de la capa aplicada. Los adhesivos anaeróbicos son líquidos de un solo componente que pueden almacenarse a temperaturas normales en presencia de oxígeno y luego polimerizar rápidamente a sólidos al quedar confinados entre dos superficies que excluyen el aire. En cuanto a la naturaleza química, son muchos los polímeros que se utilizan en los adhesivos. Una lista detallada está más allá del alcance de este libro, por lo que solo se enumeran (a continuación) los polímeros, monómeros y oligómeros más utilizados. Los elastómeros se utilizan ampliamente en adhesivos a base de solvente, a base de agua (látex), de contacto, sensibles a la presión y de fusión en caliente.
- Los adhesivos a base de elastómero pueden contener una amplia variedad de materiales componentes (resinas, agentes de pegajosidad, cargas, plastificantes, antioxidantes, agentes de curado, etc.).
- Los adhesivos a base de solventes se preparan simplemente disolviendo el compuesto de caucho en un solvente volátil adecuado. Los termofusibles basados en elastómeros son generalmente mezclas del elastómero base y una resina pegajosa y otros ingredientes que afectan su fusión y viscosidad en estado fundido. Los hot melts no contienen ingredientes volátiles, como se señaló anteriormente.
- Los adhesivos elastoméricos a base de látex contienen una variedad de otros materiales (p. Ej., Coloides protectores, emulsionantes, tensioactivos, espesantes y estabilizadores de emulsión). Los siguientes elastómeros se utilizan normalmente en la mayoría de los adhesivos comerciales: caucho natural, poliisopreno, caucho de estireno-butadieno, caucho de polibutadieno, caucho de acrilonitrilo, policloropreno, caucho de acrilato, caucho de poliuretano, caucho de polisulfuro, caucho de silicona, elastómeros carboxílicos y copolímeros de etileno y vinilo acetato. Los elastómeros termoplásticos (por ejemplo, SBS, SIS y TPU) se utilizan más ampliamente en adhesivos termofusibles, sensibles a la presión, por contacto y activados por calor solos o en mezclas con otros elastómeros y resinas. Las resinas epoxi se emplean principalmente en sistemas adhesivos de dos partes con diferentes tiempos de curado y con diferentes características de unión.
- Adhesivos a base de poliuretano e isocianato: Ciertos tipos de adhesivos de poliuretano son sistemas de dos componentes, que consisten en un poliol (a menudo un poliol oligomérico) y un poliisocianato, que se mantienen separados y se mezclan solo antes de su uso. La fuerza de unión se desarrolla con bastante rapidez. Otros sistemas adhesivos de poliuretano incluyen poliuretanos termoplásticos utilizados en termofusibles, dispersiones acuosas de poliuretano, polvos y películas. Los isocianatos solos se utilizan como imprimaciones o como agentes de reticulación en ciertos adhesivos elastoméricos preparados con disolventes inertes completamente secos.
- Siliconas: las siliconas se pueden utilizar en sistemas de dos componentes y también como adhesivos y selladores de curado por humedad de un solo paquete. Cianoacrilatos: los adhesivos de cianoacrilato forman una unión adhesiva fuerte rápidamente, típicamente en 1 min. Este es el resultado de una polimerización aniónica iniciada por especies débilmente básicas (por ejemplo, agua o alcohol) a temperatura ambiente. Otros polímeros usados para adhesivos son copolímeros de etileno-acetato de vinilo, polivinil acetal, poliamidas, poliimidas, polibencimidazoles, polibenzotriazoles y otros usados para aplicaciones especializadas.
Aplicación de adhesivos
La mayoría de adhesivos se aplican en forma líquida. Los métodos de aplicación comúnmente usados son cepillado, rociado, inmersión, revestimiento con cortina, aplicación por rodillo y aplicación de una perla o franja de un termofusible.
Formación de uniones adhesivas
Cuando se aplica un adhesivo como una solución en un solvente volátil o como una dispersión o emulsión acuosa, el solvente o el agua deben evaporarse. En la mayoría de los casos, esto ocurre durante un tiempo relativamente corto a temperatura ambiente. En ocasiones, el tiempo de secado se puede reducir aplicando aire caliente o sobre la superficie de las piezas a unir o utilizando calentadores infrarrojos. El montaje de la junta debe realizarse mientras la capa adhesiva tenga una adherencia suficiente. Entonces, cada tipo de adhesivo tiene un tiempo de apertura específico. El tiempo abierto o rango de unión es el tiempo máximo que se puede permitir que dos superficies recubiertas con un adhesivo se sequen (o se enfríen si se aplican en estado fundido) antes de unir y aún así tener una adhesión satisfactoria. Depende de la aplicación específica y puede variar desde 1 min hasta. 24 h. A pesar de eso, esta prueba (peeling) proporciona una evaluación rápida de la tensión de corte del adhesivo y puede servir como un buen método de cribado de adhesivos para una aplicación específica. La probeta para la prueba de tracción adhesiva puede adoptar varias formas; una configuración simple consta de dos cilindros que están unidos en sus extremos. La junta se carga hasta la falla en ángulo recto con el plano del adhesivo y la tensión de falla se determina dividiendo la carga de falla por el área cargada. Las probetas de tracción se utilizan ampliamente para probar la resistencia de las uniones de caucho y plásticos a metales. Las pruebas de pelado se utilizan generalmente para adhesivos elastoméricos. Una versión típica es la prueba de pelado en T, en la que se pelan dos tiras de sustrato unidas cara a cara y se registra la fuerza necesaria para separarlas. El pelado se puede hacer en un ángulo de 90, típicamente para dos sustratos flexibles o en un ángulo de 180 para pelar un sustrato flexible de un sustrato rígido. Otras pruebas de adhesivos (por ejemplo, prueba de cuña, prueba de resistencia a la rotura, prueba de resistencia al impacto y prueba de resistencia a la fatiga) están diseñadas para aplicaciones y condiciones de servicio específicas.