Adhesivos - Loctite
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN INDICE PRÓLOGO 15 TEMA 1: INTRODUCCIÓN (Mario Madrid Vega, Loctite España) 1.1 Historia de
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
INDICE
PRÓLOGO
15
TEMA 1: INTRODUCCIÓN (Mario Madrid Vega, Loctite España) 1.1 Historia de los adhesivos
17
1.2 Ventajas y desventajas de los adhesivos
18
1.3 Adhesión y cohesión: modos de fallo
20
1.4 Clasificación de los adhesivos
21
TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante y Mario Madrid Vega, Loctite España) 2.1 Formación de la unión adhesiva (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
23
2.1.1 Introducción
23
2.1.2 Realización de la unión adhesiva
23
2.1.2.1 Limpieza adecuada de los adherentes
23
2.1.2.2 Selección del adhesivo
23
2.1.2.3 Diseño adecuado de la unión adhesiva
24
2.1.2.4 Obtención de un buen contacto interfacial
24
2.1.2.5 Creación de fuerzas de adhesión intrínsecas en la unión adhesiva
24
2.1.2.6 Control de la reticulación, cristalización o curado del adhesivo
25
2.1.2.7 Determinación de la adhesión
26
2.1.2.8 Determinación de la durabilidad de las uniones adhesivas
26
2.2 Tensión y energía superficiales: el ángulo de contacto (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
26
2.2.1 Introducción
26
2.2.2 Tipos de ángulos de contacto
27
2.2.3 Ángulos de contacto estáticos
28
2.2.4 Ángulos de contacto dinámicos
29
2.2.5 Determinación de la energía superficial de los sólidos
29
2.2.6 Ángulos de contacto y mojabilidad
31
2.3 Cálculo de tensión superficial, ángulos de contacto y energía superficial (Juan Carlos Cabanelas Valcárcel, Francisco Javier González Benito y María Eugenia Rabanal Jiménez, Universidad Carlos III de Madrid)
32
2.3.1 Tensión superficial
32
2.3.1.1 Introducción
32
2.3.1.2 Método de Wilhelmy
32
2.3.2 Ángulos de contacto
32
2.3.2.1 Introducción
32
2.3.2.2 Tipos de ángulos de contacto
33
2.3.2.3 Ángulo de contacto dinámico
33
1
INDICE
2.3.3 Cálculo de la energía superficial
34
2.3.4 Equipo instrumental
35
2.3.5 Procedimiento experimental: determinación de la energía superficial de fibras de vidrio comerciales
35
2.4 Conceptos básicos de la adhesión (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
36
2.5 Teorías de la adhesión (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
37
2.5.1 Introducción
37
2.5.2 Modelo mecánico
37
2.5.3 Modelo eléctrico
38
2.5.4 Modelo de la difusión
38
2.5.5 Modelo de la adsorción termodinámica (mojado superficial)
39
2.5.6 Modelo del enlace químico
40
2.5.7 Modelo ácido-base
41
2.5.8 Modelo reológico
41
2.5.9 Modelo de las capas débiles de rotura preferente
42
2.6 Composición de los adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite España)
42
2.7 Reología de los sistemas adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite España)
43
2.7.1 Introducción
43
2.7.2 La Reología: comportamientos newtoniano y hookiano
44
2.7.2.1 El comportamiento newtoniano: la viscosidad
44
2.7.2.2 El comportamiento hookiano: la elasticidad
45
2.7.2.3 Desviaciones del comportamiento lineal: comportamiento no newtoniano
45
2.7.3 Factores que afectan a la viscosidad de un fluido no-newtoniano
46
2.7.3.1 Dependencia de la temperatura
46
2.7.3.2 Dependencia de la presión
46
2.7.3.3 Dependencia de la tensión de cortadura
46
2.7.3.4 Dependencia del tiempo de solicitación
48
2.7.4 Comportamiento viscoelástico
48
2.7.5 Medida de las propiedades reológicas
50
2.7.6 Sistemas de medida de las propiedades reológicas
50
2.7.6.1 El viscosímetro tipo sandwich
50
2.7.6.2 El reómetro de flujo capilar
51
2.7.6.3 El reómetro de cono-placa
51
2.7.6.4 El reómetro de Couette
51
2.7.6.5 El reómetro de flujo comprimido
52
2.7.6.6 La espectrometría mecánica
52
2.7.7 Reología y aplicación de los adhesivos
52
TEMA 3: PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid; Mario Madrid Vega, Loctite España y Francisco López Martín, ETSIN de Madrid) 3.1 Propiedades mecánicas de los adhesivos (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid) 3.1.1 Comportamiento elástico frágil (tipo A)
55 55
2
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
3.1.1.1 Adhesivos termoestables
55
3.1.1.2 Adhesivos termoplásticos amorfos
55
3.1.2 Comportamiento elastoplástico (tipo B)
56
3.1.3 Comportamiento elástico (tipo C)
56
3.2 Solicitaciones de las uniones adhesivas (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid)
57
3.2.1 Esfuerzos transitorios
60
3.2.2 Esfuerzos estáticos o permanentes
60
3.2.3 Esfuerzos dinámicos
60
3.2.4 Esfuerzos combinados
61
3.3 Mecánica de la fractura (Mario Madrid Vega, Loctite España)
61
3.3.1 Introducción
61
3.3.2 Mecánica de la fractura de deformaciones finitas no lineales
62
3.3.3 Limitaciones de la mecánica de la fractura convencional
63
3.3.4 Mecánica de la fractura generalizada
63
3.4 Diseño de la junta adhesiva (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid)
65
3.4.1 Generalidades
65
3.4.2 Reglas de diseño de las uniones adhesivas
66
3.4.2.1 Diseño de uniones a solape
66
3.4.2.2 Diseño de uniones a tope: uniones tubulares
67
3.4.2.3 Diseño de uniones en T
68
3.4.2.4 Diseño de uniones en esquina
68
3.5 Ensayos no destructivos para la evaluación de las uniones adhesivas (Mario Madrid Vega, Loctite España)
69
3.5.1 Introducción
69
3.5.2 Descripción de los defectos
70
3.5.3 Aplicaciones y limitaciones de NDT en las uniones adhesivas
70
3.5.3.1 Inspección visual
70
3.5.3.2 Inspección mediante ultrasonidos
70
3.5.3.3 Radiografía de rayos-X
71
3.5.3.4 Radiografía de neutrones
71
3.5.3.5 Test de la moneda
71
3.5.3.6 Emisión acústica
72
3.5.3.7 Métodos NDT (ensayos no destructivos) especiales
72
3.6 Métodos estándar para la evaluación de las uniones adhesivas (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid)
72
3.6.1 Normas ASTM para la caracterización de uniones adhesivas
73
3.6.2 Ensayos estándar para retenciones y fijaciones con adhesivos anaeróbicos
78
3.6.3 Normativa ISO sobre adhesivos
78
3.6.4 Normativa UNE EN sobre adhesivos
79
3.7 Determinación práctica de las dimensiones de juntas adhesivas solapadas simples (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid, extraído de información de CIBA)
83
3.8 Análisis de las uniones a solape (Francisco López Martín, ETSIN de Madrid)
84
3
INDICE
3.8.1 Análisis elástico lineal
84
3.8.2 Análisis de Volkersen
85
3.8.3 Análisis de Goland y Reissner
86
3.8.4 Efecto de la flexión en una unión a solape doble
88
3.8.5 Segunda teoría de Volkersen
88
3.8.6 Revisión de Forest Products Laboratory (FPL)
88
TEMA 4: PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante; Francisco López Martín, ETSIN de Madrid y Mario Madrid Vega, Loctite España) 4.1 Introducción: objetivos (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
89
4.2 Descripción de los tratamientos (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
90
4.2.1 La limpieza superficial
90
4.2.2 El desengrasado en fase vapor
90
4.2.3 El tratamiento en baño de ultrasonidos
90
4.2.4 El frotado, la inmersión y el spray
90
4.2.5 Los tratamientos abrasivos
91
4.2.6 Los tratamientos químicos
91
4.2.7 Los primers
91
4.2.8 Los tratamientos de llama
92
4.2.9 El plasma de baja presión
92
4.2.10 La descarga en corona
93
4.3 Tratamientos superficiales de sólidos de baja energía superficial (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
93
4.3.1 Polímeros fluorados
93
4.3.2 Poliolefinas
93
4.3.3 Cauchos
94
4.3.4 Siliconas y cauchos termoplásticos
94
4.4 Tratamientos superficiales de sólidos de alta energía superficial (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
94
4.4.1 Materiales cerámicos
94
4.4.2 Materiales metálicos
94
4.5 Microgeometría superficial: rugosidad (Mario Madrid Vega, Loctite España)
95
4.6 Preparación superficial de materiales estructurales (Francisco López Martín, ETSIN de Madrid)
97
4.6.1 Introducción
97
4.6.2 Preparación superficial de los metales
98
4.6.2.1 La limpieza superficial
98
4.6.2.2 Los tratamientos abrasivos
99
4.6.2.3 Los tratamientos químicos
99
4.6.2.4 Los inhibidores para el retardo de la hidratación
99
4.6.2.5 El tratamiento con plasma
99
4.6.2.6 La aplicación de “primers”
99
4.6.3 Tratamientos superficiales de los materiales metálicos más frecuentes 4.6.3.1 Aleaciones de aluminio
101 101
4
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
4.6.3.2 Aceros
103
4.6.3.3 Aleaciones de titanio
104
4.6.3.4 Cobre
105
4.6.4 Tratamiento superficial de los cerámicos estructurales
105
TEMA 5: ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS (Mario Madrid Vega, Loctite España, incluye información extraída de documentación facilitada por 3M e IBERCERAS) 5.1 Adhesivos prepolimerizados en fase líquida
107
5.1.1 Adhesivos prepolimerizados en solución acuosa
107
5.1.2 Adhesivos prepolimerizados en solución orgánica
108
5.1.3 Adhesivos prepolimerizados en emulsión
108
5.2 Adhesivos prepolimerizados en fase sólida
109
5.2.1 Adhesivos piezosensibles
109
5.2.1.1 Introducción
109
5.2.1.2 Teoría de los autoadhesivos
109
5.2.1.3 Clases de autoadhesivos
110
5.2.1.4 El uso de resinas en los autoadhesivos
112
5.2.1.5 Clases de cintas adhesivas
113
5.2.2 Adhesivos termofusibles
114
5.2.2.1 Introducción
114
5.2.2.2 Composición de los hot-melt
115
5.2.2.3 Polímeros y copolímeros empleados en la formulación de un hot-melt
115
5.2.2.4 Resinas empleadas en la formulación de un hot-melt
115
5.2.2.5 Ceras empleadas en la formulación de un hot-melt
116
5.2.2.6 Formas de aplicación de un hot-melt
116
5.2.2.7 Características de los hot-melt
116
5.2.2.8 Aplicaciones de los hot-melt
117
TEMA 6: ADHESIVOS Y SELLADORES REACTIVOS (Mario Madrid Vega, Loctite España y Juan Manuel Martín García, Loctite España) 6.1 Principios sobre la polimerización
119
6.1.1 Introducción
119
6.1.2 Tipos de polimerización
120
6.1.3 Poliadición o polimerización “en cadena”
120
6.1.4 Policondensación o polimerización “en etapas”
121
6.2 Adhesivos rígidos
122
6.2.1 Los anaeróbicos
123
6.2.1.1 Generalidades
123
6.2.1.2 Composición de los anaeróbicos
123
6.2.1.3 Mecanismo de curado de los anaeróbicos
124
6.2.1.4 Ventajas de los anaeróbicos
125
6.2.1.5 Desventajas de los anaeróbicos
125
5
INDICE
6.2.1.6 Aplicaciones de los anaeróbicos
126
6.2.2 Los cianoacrilatos
126
6.2.2.1 Generalidades
126
6.2.2.2 Composición de los cianoacrilatos
127
6.2.2.3 Mecanismo de curado de los cianoacrilatos
127
6.2.2.4 Ventajas de los cianoacrilatos
128
6.2.2.5 Desventajas de los cianoacrilatos
128
6.2.2.6 Aplicaciones de los cianoacrilatos
129
6.2.3 Los epoxis
129
6.2.3.1 Generalidades
129
6.2.3.2 Composición de los epoxis
129
6.2.3.3 Mecanismo de curado de los epoxis
130
6.2.3.4 Ventajas de los epoxis
131
6.2.3.5 Desventajas de los epoxis
131
6.2.3.6 Aplicaciones de los epoxis
132
6.3 Adhesivos tenaces
132
6.3.1 Los acrílicos
132
6.3.1.1 Generalidades
132
6.3.1.2 Composición de los acrílicos
132
6.3.1.3 Mecanismo de curado de los acrílicos
133
6.3.1.4 Ventajas de los acrílicos
134
6.3.1.5 Desventajas de los acrílicos
135
6.3.1.6 Aplicaciones de los acrílicos
135
6.3.2 Los anaeróbicos tenaces
135
6.3.2.1 Generalidades
135
6.3.2.2 Composición de los anaeróbicos tenaces
135
6.3.2.3 Mecanismo de curado de los anaeróbicos tenaces
136
6.3.2.4 Ventajas de los anaeróbicos tenaces
136
6.3.2.5 Desventajas de los anaeróbicos tenaces
136
6.3.2.6 Aplicaciones de los anaeróbicos tenaces
136
6.3.3 Los cianoacrilatos tenaces
136
6.3.3.1 Generalidades
136
6.3.3.2 Composición de los cianoacrilatos tenaces
136
6.3.3.3 Mecanismo de curado de los cianoacrilatos tenaces
137
6.3.3.4 Ventajas de los cianoacrilatos tenaces
137
6.3.3.5 Desventajas de los cianoacrilatos tenaces
137
6.3.3.6 Aplicaciones de los cianoacrilatos tenaces
137
6.3.4 Los epoxis tenaces
138
6.3.4.1 Generalidades
138
6.3.4.2 Composición de los epoxis tenaces
138
6.3.4.3 Mecanismo de curado de los epoxis tenaces
138
6.3.4.4 Ventajas de los epoxis tenaces
138
6.3.4.5 Desventajas de los epoxis tenaces
138
6.3.4.6 Aplicaciones de los epoxis tenaces
139
6.4 Adhesivos flexibles
139
6
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
6.4.1 Las siliconas
140
6.4.1.1 Generalidades
140
6.4.1.2 Composición de las siliconas
140
6.4.1.3 Mecanismo de curado de las siliconas
140
6.4.1.4 Ventajas de las siliconas
141
6.4.1.5 Desventajas de las siliconas
141
6.4.1.6 Aplicaciones de las siliconas
141
6.4.2 Los poliuretanos
142
6.4.2.1 Generalidades
142
6.4.2.2 Composición de los poliuretanos
142
6.4.2.3 Mecanismo de curado de los poliuretanos
143
6.4.2.4 Las imprimaciones para los poliuretanos
143
6.4.2.5 Ventajas de los poliuretanos
144
6.4.2.6 Desventajas de los poliuretanos
144
6.4.2.7 Aplicaciones de los poliuretanos
144
6.4.3 Los silanos modificados
144
6.4.3.1 Generalidades
144
6.4.3.2 Composición de los silanos modificados
144
6.4.3.3 Mecanismo de curado de los silanos modificados
144
6.4.3.4 Ventajas de los silanos modificados
145
6.4.3.5 Desventajas de los silanos modificados
145
6.4.3.6 Aplicaciones de los silanos modificados
145
TEMA 7: TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES (Francisco Javier Valle Fonck, Loctite España; Juan José Lesmes Celorrio, Loctite España; Mario Madrid Vega, Loctite España; Francisco López Martín, ETSIN de Madrid; Rafael González Díaz, EUITA de Madrid y Eva Royuela Prieto, Loctite España) 7.1 Tecnologías anaeróbicas (Francisco Javier Valle Fonck, Loctite España y Juan José Lesmes Celorrio, Loctite España) 7.1.1 Fijación y sellado de elementos roscados
147 147
7.1.1.1 Introducción
147
7.1.1.2 Teoría de los montajes roscados: relación par de montaje/precarga
147
7.1.1.3 Par de desmontaje
149
7.1.1.4 Autoaflojamiento
150
7.1.1.5 Control del par de desmontaje con productos anaeróbicos
151
7.1.1.6 Atornillado de bridas con juntas
151
7.1.1.7 Sellado de roscas
153
7.1.1.8 Sistemas de sellado de roscas
153
7.1.1.9 Factores a considerar para el sellado de roscas
154
7.1.2 Retención de montajes cilíndricos
155
7.1.2.1 Generalidades
155
7.1.2.2 Inconvenientes de los sistemas tradicionales para la retención de piezas cilíndricas
156
7.1.2.3 Los adhesivos para la retención de elementos cilíndricos
157
7.1.2.4 Tipos de retenciones con adhesivos
158
7
INDICE
7.1.2.5 Propiedades de los montajes por deslizamiento con adhesivo
158
7.1.2.6 Propiedades de los montajes a presión con adhesivo
160
7.1.2.7 Propiedades de los montajes por contracción en caliente con adhesivo
162
7.1.2.8 Mejoras que introducen los montajes con interferencia adheridos sobre los montajes convencionales sin adhesivo
164
7.1.2.9 Otros diseños de retenciones adheridas
165
7.1.2.10 Cálculo de la resistencia de las retenciones
165
7.1.2.11 Aplicaciones típicas de retención de elementos cilíndricos
166
7.1.2.12 Efecto de las dilatación térmica diferencial
167
7.1.3 Sellado y acoplamiento de bridas
168
7.1.3.1 Generalidades del sellado de bridas
168
7.1.3.2 Juntas de Formación “In situ” (FIS)
169
7.1.3.3 Juntas rígidas de Formación “In Situ” (FIS rígidas)
169
7.1.3.4 Diseño de juntas rígidas con selladores anaeróbicos
169
7.1.3.5 Acoplamiento de bridas
171
7.1.3.6 Diseño de los acoplamientos de bridas tradicionales
171
7.1.4 Sellado de porosidades
172
7.1.4.1 Impregnación de piezas de fundición
173
7.1.4.2 Impregnación de piezas de metal sinterizado
174
7.1.4.3 Integración de la impregnación en otros procesos
174
7.2 Tecnología del curado por luz (extraído de información interna de Loctite)
175
7.2.1 Introducción
175
7.2.2 Principios básicos del curado por luz
175
7.2.2.1 El espectro electromagnético
175
7.2.2.2 Tipos de luz UV y luz visible
176
7.2.2.3 Uso comercial de la energía radiante
176
7.2.2.4 Química: la polimerización producida por la luz
176
7.2.2.5 Tipos de sistemas de curado por luz
177
7.2.2.6 Sistemas de radicales libres
177
7.2.2.7 Sistemas catiónicos
177
7.2.3 Equipos para el curado por luz
177
7.2.4 Factores a considerar para emplear las técnicas de curado por luz
177
7.2.4.1 Correspondencia entre el espectro de emisión y el fotoiniciador
177
7.2.4.2 Intensidad de luz sobre el producto
178
7.2.4.3 La potencia de la lámpara
178
7.2.4.4 Distancia entre la lámpara y el sustrato
178
7.2.4.5 Tipo de reflector
178
7.2.4.6 Duración de la lámpara
178
7.2.4.7 Características de transmisión del sustrato
178
7.2.4.8 Medición de la intensidad de luz
179
7.2.4.9 Profundidad de curado
179
7.2.4.10 Curado superficial
179
7.2.4.11 Velocidad de curado
180
7.2.5 Familias de adhesivos de curado por luz
180
8
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
7.3 Técnicas de sellado y rellenado con elastómeros (Mario Madrid Vega, Loctite España y Francisco Javier Valle Fonck, Loctite España)
180
7.3.1 Introducción
180
7.3.2 La tecnología del sellado
181
7.3.3 Familias de selladores elásticos más importantes y sus aplicaciones
181
7.3.4 Juntas flexibles de Formación “In Situ” (FIS flexibles)
182
7.3.5 Diseño de juntas flexibles con selladores de silicona
183
7.3.6 Juntas de Curado “In Situ” (CIS)
183
7.4 Unión estructural con adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite España)
184
7.4.1 Concepto de estructuralidad
184
7.4.2 Familias de adhesivos estructurales
185
7.4.3 Diseño de estructuras adheridas
186
7.4.3.1 Diseño con adhesivos rígidos
186
7.4.3.2 Diseño con adhesivos tenaces
189
7.4.3.3 Diseño con adhesivos flexibles
191
7.4.4 Comportamiento de los adhesivos estructurales frente a cargas de pelado y de desgarro
191
7.4.5 Aplicaciones estructurales de los adhesivos
192
7.5 Uniones híbridas (Francisco López Martín, ETSIN de Madrid)
193
7.5.1 Introducción
193
7.5.2 La investigación en unión de materiales en Europa
193
7.5.3 Generalidades de la unión híbrida soldadura/adhesivo
194
7.5.4 Configuración de la unión
195
7.5.5 Ventajas de la unión híbrida
197
7.5.6 Preparación superficial
197
7.5.7 Selección del adhesivo
199
7.5.8 Utillaje para uniones híbridas
200
7.5.9 Técnicas para uniones híbridas
200
7.5.10 Control de calidad
201
7.5.11 Ejemplos de aplicación de uniones adhesivas e híbridas en vehículos
201
7.6 Adhesivos aeronáuticos y espaciales: usos y aplicaciones (Rafael González Díaz, EUITA de Madrid)
205
7.6.1 Introducción
205
7.6.2 Tipos de adhesivos en la industria aeroespacial
206
7.6.2.1 Adhesivos para la madera: la caseína y los adhesivos sintéticos de urea-formaldehído
206
7.6.2.2 Adhesivos fenólicos y vinil-fenólicos
206
7.6.2.3 Adhesivos nitrilo-fenólicos
207
7.6.2.4 Adhesivos epoxi-fenólicos
207
7.6.2.5 Adhesivos epoxi
208
7.6.2.6 Adhesivos acrílicos
208
7.6.2.7 Adhesivos anaeróbicos
208
7.6.2.8 Adhesivos cianoacrílicos
209
7.6.2.9 Adhesivos de alta temperatura basados en poliimidas
209
7.6.2.10 Adhesivos base silicona
209
7.6.3 Tratamientos superficiales
210
9
INDICE
7.6.3.1 Madera
210
7.6.3.2 Aluminio
210
7.6.3.3 Titanio
211
7.6.3.4 Plásticos y materiales compuestos poliméricos
211
7.6.3.5 Imprimación superficial
212
7.6.4 Diseño de las uniones adhesivas
212
7.6.4.1 Unión de estructuras metálicas
214
7.6.4.2 Estructuras nido abeja
214
7.6.4.3 Estructuras de composites
214
7.7 Adhesivos y selladores para la Electrónica (Eva Royuela Prieto, Loctite España y Mario Madrid Vega, Loctite España) 7.7.1 Adhesión de componentes a placas de circuitos impresos
215 215
7.7.1.1 La Tecnología de Montaje Superficial (SMT)
215
7.7.1.2 Componentes para Montaje Superficial (SMD)
217
7.7.1.3 Placas de Circuito Impreso (PCB)
217
7.7.1.4 Adhesivos “chipbonder”: requisitos
218
7.7.1.5 Reología de los “chipbonder”
219
7.7.1.6 Sistemas de dosificación
220
7.7.1.7 Resistencia al movimiento del “chip”
222
7.7.1.8 Perfil de una estación de curado
222
7.7.1.9 Medida de la resistencia de la unión
222
7.7.1.10 Resistencia a procesos de soldadura
223
7.7.1.11 Propiedades eléctricas y frente a la corrosión de los “chipbonder”
224
7.7.1.12 Envasado y almacenaje de los “chipbonder”
224
7.7.2 Las pastas de soldar
225
7.7.2.1 Introducción
225
7.7.2.2 Ventajas del proceso de soldadura con pastas de soldar
226
7.7.2.3 Métodos de aplicación de las pastas de soldar
226
7.7.2.4 Proceso de soldadura por reflujo
228
7.7.2.5 Limpieza de las uniones
229
7.7.3 Revestimientos conformados
229
7.7.3.1 Introducción
229
7.7.3.2 Funciones de los revestimientos conformados
230
7.7.3.3 Factores a considerar para realizar un revestimiento conformado
230
7.7.3.4 Familias de adhesivos para el revestimiento de las PCB’s
230
7.7.3.5 Las técnicas de curado mediante luz ultravioleta
231
7.7.3.6 La limpieza de los sustratos
231
7.7.3.7 Métodos de aplicación de los revestimiento conformados
232
7.7.4 La tecnología del enmascaramiento
232
7.7.4.1 Generalidades
232
7.7.4.2 Sistemas de enmascaramiento
233
7.7.5 Sellado de relés
233
7.7.5.1 Introducción
233
7.7.5.2 Requisitos para sellar relés
233
7.7.5.3 Partes de un relé
234
10
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
7.7.5.4 Aplicaciones de sellado en los relés
234
7.7.6 Compuestos para el relleno y encapsulado
235
7.7.6.1 Generalidades
235
7.7.6.2 Tipos de productos para el relleno y el encapsulado
235
7.7.7 Adhesión de disipadores de calor: adhesivos conductores térmicos
235
7.7.7.1 Introducción
235
7.7.7.2 Métodos de conexión entre elementos de potencia y disipadores de calor
235
7.7.7.3 Métodos actuales para el acoplamiento de disipadores de calor
236
7.7.8 Adhesivos conductores eléctricos
236
7.7.9 Nuevas tecnologías SMD
236
7.7.9.1 Técnicas Chip on Board
236
7.7.9.2 Técnicas Flip Chip on Board (FCOB)
237
TEMA 8: COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LAS UNIONES ADHESIVAS (Juan Carlos Suárez Bermejo, ETSIN de Madrid) 8.1 Introducción
239
8.2 Efecto de la temperatura
240
8.2.1 Efectos interfaciales
240
8.2.2 Transiciones térmicas en adhesivos
240
8.2.3 Degradación térmica de adhesivos
242
8.2.3.1 Despolimerización
242
8.2.3.2 Degradación oxidativa
242
8.2.4 Límite de temperatura de los adhesivos
243
8.3 Efecto de la humedad
243
8.3.1 Difusión de agua en adhesivos
244
8.3.2 Degradación de la resistencia y modos de fallo
245
8.3.3 Mecanismos de pérdida de resistencia
247
8.3.3.1 Desplazamiento del adhesivo por el agua
247
8.3.3.2 Hidratación de capas de óxidos
248
8.3.4 Mejoras de la durabilidad de la unión
248
8.3.4.1 Interposición de barreras a la difusión de agua
248
8.3.4.2 Inhibición o retardo de la hidratación
249
8.3.4.3 Aplicación de la imprimación
249
8.4 Efectos combinados de la temperatura, la humedad y las tensiones mecánicas
250
8.4.1 Ensayos acelerados
250
8.4.2 Temperatura, humedad y tensión mecánica
252
8.4.2.1 Tensión mecánica
252
8.4.2.2 Temperatura
252
8.4.2.3 Humedad
253
8.4.2.4 Temperatura-Humedad
253
8.4.2.5 Humedad-Tensión mecánica
253
8.5 Durabilidad y predicción de la vida en servicio de uniones adhesivas estructurales
254
8.5.1 Ensayos a corto plazo
254
8.5.2 Ensayos a largo plazo
255
11
INDICE
8.5.3 Comparación de los ensayos a corto y largo plazo
257
TEMA 9: ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES (Manuel Ramos Rey, Loctite España; Eloy Ingraín Caballero, Loctite España y Mario Madrid Vega, Loctite España)
259
9.1 Dosificación y curado de los adhesivos (Manuel Ramos Rey, Loctite España y Eloy Ingraín Caballero, Loctite España) 9.1.1 Equipos para la dosificación de los adhesivos
259 259
9.1.1.1 Generalidades
259
9.1.1.2 Tipos de sistemas dosificadores de adhesivos
260
9.1.1.3 Sistemas dosificadores presión-tiempo
261
9.1.1.4 Sistemas detectores
262
9.1.2 Equipos para el curado por luz
262
9.1.2.1 La fuente de luz
262
9.1.2.2 Espectro de emisión
262
9.1.2.3 Intensidad
263
9.1.2.4 Lámparas de uso industrial
264
9.1.2.5 Lámparas de luz negra
264
9.1.2.6 Lámparas de vapor de mercurio de presión media con electrodos
264
9.1.2.7 Lámparas de vapor de mercurio de presión alta
265
9.1.2.8 Lámparas de vapor de mercurio sin electrodos
266
9.1.2.9 Lámparas de haluro metálico
266
9.1.2.10 Otras fuentes de luz
266
9.1.2.11 El reflector
267
9.1.2.12 La refrigeración
267
9.2 Seguridad e Higiene (Mario Madrid Vega, Loctite España) 9.2.1 Seguridad e Higiene de los adhesivos
267 267
9.2.1.1 Potencial y peligrosidad real
267
9.2.1.2 La regulación sobre materiales peligrosos
268
9.2.1.3 Información sobre sustancias peligrosas: establecimiento de los niveles de riesgo toxicológico
268
9.2.1.4 Evaluación de los riesgos toxicológicos: el TLV
269
9.2.1.5 Seguridad e Higiene de los adhesivos
269
9.2.2 Seguridad e Higiene de los equipos empleados en las técnicas de curado por luz
270
9.2.2.1 Emisión ultravioleta
270
9.2.2.2 Quemaduras UV en la piel y en los ojos
270
9.2.2.3 Equipo de protección
271
9.2.2.4 Límites de exposición
271
9.2.2.5 Exposición al ozono
271
9.2.2.6 Alto voltaje y alta temperatura
271
9.2.2.7 Manipulación de la lámpara
271
12
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 10. GLOSARIO DE TÉRMINOS (Información basada en la norma UNE PNE-EN 923 sobre “Adhesivos, Términos y Definiciones”) 273
TEMA 11. BIBLIOGRAFÍA Y PUBLICACIONES RELACIONADAS (Basado en la información facilitada por Francisco López Martín, ETSIN de Madrid; Juan Carlos Suárez Bermejo, ETSIN de Madrid; José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante y Mario Madrid Vega, Loctite España)
289
13
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
PRÓLOGO
Transcurridos tres años desde nuestra primera experiencia en el desarrollo de programas de formación sobre adhesivos dirigidos a profesorado, volvemos a recopilar una parte importante de la información actualizada sobre el mundo de los adhesivos. En aquella primera experiencia, que comenzó en el verano de 1996, se reunieron los conocimientos que se consideraban necesarios para capacitar al lector en la decisión y el uso de los adhesivos como solución al ensamblaje y al sellado de materiales. Posteriormente, entre los meses de Enero y Septiembre de 1997 se revisó y completó toda esa información conjuntamente con Miguel Ángel Martínez Casanova, profesor de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid, y Juan Carlos del Real Romero, profesor de la Universidad Pontificia Comillas de Madrid (I.C.A.I.). Todo ello gracias al interés y al apoyo mostrados por José Manuel Campos Hernández, Subdirector de las Escuelas Técnicas de la Universidad Pontificia Comillas de Madrid (I.C.A.I.), y por José Manuel Torralba Castelló, Catedrático del Área de Materiales de la Escuela Técnica de la Universidad Carlos III de Madrid. En esta ocasión, hemos reunido un foro de más de veinte profesores y catedráticos de diferentes escuelas de ingeniería y facultades procedentes de la Comunidad de Madrid durante los meses de Noviembre de 1999 y Junio de 2000. Gracias a la participación de más de diez ponentes hemos conseguido abarcar una visión completa y plural que cubre los aspectos más relevantes sobre el mundo de los adhesivos. Es muy probable que ciertas informaciones sean redundantes, pero hemos preferido respetar los textos elaborados por cada autor. En contrapartida, la versión actual es más rica y plural, tanto por la participación de un mayor número de ponentes, como por la tan diversa procedencia de la información aquí reunida. Con esta recopilación se pretende cubrir el vacío que hay actualmente sobre el conocimiento acerca del fenómeno de la adhesión y de los adhesivos. Está dirigida fundamentalmente a estudiantes de ciclos superiores, más concretamente de carreras técnicas, aunque el enfoque de la obra cubre tanto aspectos tecnológicos, como físico-químicos, los cuales son básicos para comprender el fenómeno de la adhesión. Se ha pretendido reunir en una misma obra conocimientos sobre los principios de la adhesión y, al mismo tiempo, sobre los usos y tecnologías actuales asociadas a los adhesivos. Esperamos que todo este esfuerzo común sirva como plataforma de lanzamiento para que esta experiencia se lleve a otras comunidades y que el conocimiento sobre adhesivos se haga extensivo a todas las escuelas de ingeniería. Agradecemos su participación como ponentes a José Miguel Martín Martínez (Universidad de Alicante), Mª Eugenia Rabanal (Universidad Carlos III de Madrid), Juan Carlos del Real Romero (Universidad Pontificia Comillas de Madrid), Francisco López Martín (ETSI Navales de Madrid), Miguel Ángel Martínez Casanova (Universidad Carlos III de Madrid), Juan Manuel Martín García (Loctite España), Francisco Javier Valle Fonck (Loctite España), Juan José Lesmes Celorrio (Loctite España), Rafael González Díaz (EUIT Aeronáutica de Madrid), Javier Sánchez-Valero Catalá (CASA), Eva Royuela Prieto (Loctite España), Juan Carlos Suárez Bermejo (ETSI Navales de Madrid) y Eloy Ingrain Caballero (Loctite España). A la ETSI Navales de Madrid y, en particular, a Juan Carlos Suárez Bermejo y Francisco López
15
PRÓLOGO
Martín por hacer posible la presencia de José Miguel Martín Martínez (Universidad de Alicante) en Madrid. A Antonio Segura (LOCTITE ESPAÑA), Marcial Ares (SONOPRES IBERMEMORY) y Emilio Ramos (CICSA) por hacer posible la visita a líneas de fabricación con uso de adhesivos. A Raúl Verdú (INSTITUTO DE F.P. “Puerta Bonita”) por su enorme trabajo arreglando todas las figuras y maquetando toda la información, dándole presencia. A Natividad Antón Iglesias (Universidad Carlos III de Madrid), Antonio Portolés García (ETSI Industriales de Madrid), Javier Oñoro López (ETSI Industriales de Madrid), Gerardo Romaní Labanda (ETSI Industriales de Madrid), Giancarlo Soler (ETSI Industriales de Madrid), Antonia Jiménez Morales (Universidad Carlos III de Madrid), María del Mar Cledera Castro (Universidad Pontificia Comillas de Madrid), Juan Carlos del Real Romero (Universidad Pontificia Comillas de Madrid), Juan Carlos Suárez Bermejo (ETSI Navales de Madrid), Francisco López Martín (ETSI Navales de Madrid), Alicia Larena Pellejero (ETSI Industriales de Madrid), Daniel F. Gallego Ramos (EUIT Aeronáutica de Madrid), Jacinto Julio Alonso Pérez (EUIT Aeronáutica de Madrid), Julián José Narbón Prieto (EUIT Industrial de Madrid), José Antonio Lozano Ruiz (EUIT Industrial de Madrid), Sara Gómez Martín (EUIT Industrial de Madrid), Ricardo García Ledesma (EUIT Industrial de Madrid), Philip Siegmann (Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Físicas), Luis Miguel Sánchez Brea (Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Físicas) y Luis Lobato (Universidad Complutense de Madrid, Instituto Meteorológico) por su asistencia a las conferencias. Y al Departamento Técnico de Loctite España (Consuelo López, Benigno Gómez, Manuel Ramos, Juan José Lesmes, Juan Manuel Martín, Francisco Javier Valle, Jesús Sánchez y Eloy Ingraín) por su apoyo incondicional, tanto logístico como técnico. NOTA IMPORTANTE: Este libro no ha sido elaborado ni para su comercialización, ni para beneficio económico de nadie. No es un libro a la venta. Las informaciones contenidas han sido cedidas por parte de los respectivos autores, sin interferir en modo alguno con los derechos de autor que pudieran derivarse de su publicación en cualquier medio. La finalidad única de este libro es la difusión del conocimiento sobre los adhesivos. Madrid, 15 de Octubre de 2000
16
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 1: INTRODUCCIÓN (Mario Madrid Vega, Loctite España)
1.1 Historia de los adhesivos
unión de caucho a metal. Los adhesivos en base a látex se desarrollaron hacia 1897.
Si miráramos atentamente a nuestro alrededor podríamos observar que la práctica totalidad de los objetos que nos rodean presentan ejemplos de adhesiones. Sin ir más lejos, en el mundo animal podemos encontrar ejemplos sobre el uso de agentes adhesivos: así, por ejemplo, las telas de araña deben su consistencia estructural a la presencia de agentes “tackificantes” o adhesivos. Otra muestra es el uso de sustancias con características adhesivas en la construcción de los nidos de los pájaros.
Las primeras cintas industriales fueron desarrolladas alrededor de 1920 por Drew (3M). El impulso más espectacular que experimentó el adhesivo industrial fue provocado por las necesidades tecnológicas que planteó la industria armamentística durante la II Guerra Mundial. Así, en este período se empiezan a comercializar, entre otras resinas, los adhesivos epoxi, cuya patente había aparecido en 1943.
El uso del adhesivo por el hombre se remonta a la Prehistoria. Se han encontrado vestigios de collares en los cuales se empleó la sangre animal como agente adhesivo. Las estatuas babilonias, que datan del año 4000 AC., dan fe del uso de los cementos bituminosos como primeros adhesivos estructurales empleados por el hombre. Los egipcios emplearon adhesivos hacia el 1800 AC. para unir láminas de madera. En este caso el adhesivo empleado procedía de la cocción de huesos de animales.
La tecnología anaeróbica tiene su aplicación en la industria armamentística a partir de 1953. Posteriormente se introduce en la industria de la automoción. Aunque tales sustancias ya fueron descritas por Burnett y Nordlander en los años 40’, fue Vernon K. Krieble el científico que modificó la composición de aquellas resinas convirtiéndolas en adhesivos aptos para su uso industrial.
Durante la Edad Media desaparece el uso masivo de todos estos adhesivos. No es hasta el siglo XIX cuando se comienzan a descubrir los primeros adhesivos industriales, y en el siglo XX cuando se empiezan a producir y a emplear de un modo industrial.
Aunque descubiertos por científicos de Eastman Kodak a principios de los 50’ fue Loctite quien comercializó los cianoacrilatos con fines industriales hacia 1958. Su uso fundamental se encuadró dentro de la industria electrónica, aunque pronto se extendió a otros sectores. En la actualidad se están empezando a emplear con fines médicos como sutura química.
Se puede decir que la primera aplicación industrial que tuvo el adhesivo fue su uso en los sellos de correos. El uso de adhesivos en base a almidón permitió que la correspondencia pudiera ser franqueada simplemente con adherir un pedazo de papel al sobre. Este invento, cuyo uso comenzó hacia 1840, fue tan bien recibido que aún en la actualidad se sigue empleando.
Los adhesivos reforzados con caucho comienzan a emplearse a partir de 1965. Pretenden cubrir aquellas aplicaciones en las cuales las uniones adhesivas pueden ser sometidas a esfuerzos de pelado. Por último el empleo masivo de adhesivos elásticos, fundamentalmente poliuretanos, comienza a principios de los 80’, cuando se comprueban los beneficios de tales adhesivos para la construcción de estructuras que pueden verse sometidas a movimientos relativos de los sustratos. Los poliuretanos habían sido descubiertos durante la II
Sin embargo el uso del adhesivo en otras industrias tiene su comienzo cuando en 1843 Charles Goodyear descubre la vulcanización como método para mejorar las características mecánicas de los cauchos. Este proceso además permitía la
17
INTRODUCCIÓN
Guerra Mundial por la industria militar alemana.
dos en cualquier línea productiva.
La química involucrada en el desarrollo de las distintas familias de adhesivos fue mayoritariamente descubierta durante la primera mitad del siglo XX. En la actualidad es difícil encontrar formulaciones “revolucionarias”.
En cuanto a la formulación de los adhesivos, en la actualidad se tienden a evitar los productos en base a solvente debido a los problemas de Seguridad e Higiene de estas sustancias, al margen de su carácter dañino para el medio ambiente. Además, la gran mayoría de las formulaciones actuales evitan monómeros volátiles, es decir, de bajo peso molecular. Las concentraciones de aditivos que pudieran resultar dañinos se eliminan o, cuando menos, se reducen al mínimo posible.
Fundamentalmente, se tiende más a investigar sobre lo conocido para buscar nuevas aplicaciones. Así, es de sobra conocido el uso de resinas epoxi, entre otras, en la industria aeronáutica. Formulaciones más recientes introducen cargas elastoméricas a estos adhesivos, con lo que su aplicación se puede ampliar a uniones que precisan de adhesivos menos rígidos. En la actualidad se está trabajando en combinaciones entre poliuretanos y epoxis.
1.2 Ventajas y desventajas de los adhesivos Se puede definir adhesivo como aquella sustancia que aplicada entre las superficies de dos materiales permite una unión resistente a la separación. Denominamos sustratos o adherentes a los materiales que pretendemos unir por mediación del adhesivo. El conjunto de interacciones físicas y químicas que tienen lugar en la interfase adhesivo/adherente recibe el nombre de adhesión.
La fabricación de poliuretanos ha experimentado un tremendo desarrollo durante los últimos 15 años. Aunque se conocían desde mucho antes, su uso como adhesivos en la construcción, la industria naviera y la industria de la automoción ha tenido un enorme impulso recientemente. Los adhesivos cianoacrílicos fueron, en un principio, investigados como posibles sustitutos de los puntos de sutura tradicionales. Sin embargo su uso ha abarcado numerosos sectores de la industria, y sólo durante los últimos años se ha desarrollado su uso médico. Aunque los adhesivos anaeróbicos se emplean en elementos de máquinas desde hace décadas, ha sido hace aproximadamente 20 años cuando se han empezado a aplicar masivamente en motores, cajas de cambio, sistemas de transmisión, etc. Su uso va estrechamente ligado con el enorme incremento que han experimentado las vidas medias de funcionamiento de las máquinas.
Fig. 1.1: Esquema básico de una unión adhesiva.
Como ya se mencionaba en el apartado anterior, las líneas actuales de investigación van dirigidas más hacia la mejora de las familias adhesivas existentes que hacia el descubrimiento de otras nuevas. Así, en la actualidad el desarrollo de los equipos dosificadores está permitiendo una automatización aún mayor de los procesos de dosificación de los adhesivos. De hecho ya existen multitud de equipos controlables por medio de autómatas programables y que pueden ser inserta-
Es importante dejar claro que cada tipo de adhesivo tiene un ámbito de aplicación que depende de sus propiedades mecánicas y químicas, tanto antes como después de producirse su endurecimiento. Así un poliuretano, por ejemplo, es un adhesivo idóneo para conferir estructuralidad al conjunto de la carrocería y a las ventanas de un vehículo. Sus propiedades adhesivas son muy inferiores a las de una resina epoxi, pero su elasticidad le permite soportar y amortiguar las deformaciones a las
18
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
que pueden verse sometidas tales estructuras. Bajo estas condiciones un adhesivo epoxi es excesivamente rígido para soportar los cambios que se producen en la geometría de la estructura. Otro ejemplo sería las cintas adhesivas de baja adhesión que no destruyen el sustrato. Sería absurdo emplear en tal caso adhesivos de mayor rendimiento, que podrían dañar los materiales cuando aquéllos fueran eliminados.
superficies en puntos localizados. Las estructuras adheridas soportan cargas entre un 30% y un 100% superiores sin llegar a torcerse.
Fig.1.3: Comparación entre una unión adhesiva y una unión remachada. Se puede observar como la primera tiene un efecto rigidizador muy superior sobre la junta.
Las uniones adhesivas presentan las siguientes ventajas con respecto a otros métodos de ensamblaje de materiales: Distribución uniforme de tensiones: se eliminan las puntas de tensión que aparecen en los taladros roscados y lisos empleados para montar tornillos y remaches. Asimismo, se evitan los cambios estructurales producidos por la soldadura en el material, que afectan su resistencia a la fatiga bajo cargas dinámicas.
No se produce distorsión del sustrato: las piezas no se calientan y no sufren deformaciones debidas al calor o a esfuerzos mecánicos. Además, se permite el montaje sencillo de sustratos de diferentes masas y dimensiones. Permiten la unión económica de distintos materiales: aunque la soldadura, por ejemplo, ya permite unir materiales cerámicos y metales, los adhesivos son una solución económica para la unión de materiales diferentes. Uniones selladas: los adhesivos actúan también como selladores. En ocasiones se emplean para hacer estancas otras uniones mecánicas. Aislamiento: permite la unión de metales de diferentes propiedades electroquímicas, evi-
Fig. 1.4: En el segundo caso, la presencia de adhesivo evita la formación de una pila galvánica.
Fig. 1.2: Distribución de la tensión en montajes soldados, remachados y unidos con adhesivos.
Rigidización de las uniones: los adhesivos forman uniones continuas entre las superficies de la junta. Estas uniones son mucho más rígidas que las realizadas por remaches o puntos de soldadura que sólo conectan las
19
INTRODUCCIÓN
tando fenómenos como la corrosión galvánica bimetálica, la erosión por fricción y la corrosión por frotamiento. Por efecto ocupacional también evitan la entrada de agentes corrosivos como la humedad y el aire. Reducción del número de componentes, como tornillos, pasadores, remaches, abrazaderas, etc., lo cual disminuye los costes asociados a la manipulación y almacenaje de estas piezas. Mejora el aspecto del producto: las uniones adhesivas son más lisas, escondiendo las juntas a la vista y mejorando la estética del conjunto. Compatibilidad del producto: los adhesivos aceleran los procesos de ensamblaje, aumentando la capacidad de producción. Uniones híbridas: los adhesivos usados en conjunción con métodos de ensamblaje mecánico mejoran el rendimiento global de la junta.
Sustrato 1 ADHESIÓN COHESIÓN
Moléculas adhesivas
ADHESIÓN
Sustrato 2 Fig. 1.5: Fases de una unión adhesiva.
- La
fuerza interna del adhesivo o cohesión
Por adhesión se entiende la fuerza de unión en la interfase de contacto entre dos materiales. Las fuerzas físicas de atracción y adsorción, que se describen como fuerzas de van der Waals, tienen una gran importancia en la unión. El rango de estas fuerzas intermoleculares es considerablemente más bajo si el material adhesivo no está en contacto íntimo con las zonas a unir. Este es el motivo por el que el adhesivo debe penetrar totalmente en la rugosidad superficial y mojar toda la superficie. La resistencia de la fuerza adhesiva depende del grado de mojado (contacto intermolecular) y de la capacidad adhesiva de la superficie. Para una determinada tensión superficial del adhesivo, el mojado depende de la energía superficial del sustrato, aunque puede verse reducido si existen contaminantes superficiales.
Como inconvenientes de los adhesivos, podemos destacar: Preparación superficial: puede ser necesaria para lograr resultados fiables. Tiempos de curado: la producción puede retrasarse cuando se emplean adhesivos que precisan tiempos de curado prolongados para lograr la resistencia a la manipulación y la resistencia funcional. Desmontaje: las uniones adhesivas pueden ser difíciles de desmontar. Resistencias mecánica y a la temperatura limitadas: los adhesivos son polímeros y en consecuencia tienen resistencias mecánica y a la temperatura limitadas. Inexistencia de ensayos no destructivos, que garanticen la resistencia de la unión adhesiva. En producciones en cadena se realizan muestreos y ensayos destructivos.
La cohesión es la fuerza que prevalece entre las moléculas dentro del adhesivo, manteniendo el material unido. Estas fuerzas incluyen: - Fuerzas intermoleculares de atracción (fuerzas de van der Waals) - Enlaces entre las propias moléculas de polímero Podemos evaluar la adhesión de dos sustratos simplemente realizando un ensayo de rotura de la unión adhesiva. Así, el fallo de una unión adhesiva puede ocurrir según tres posibles modos:
1.3 Adhesión y cohesión: modos de fallo Los adhesivos son puentes entre las superficies de los sustratos, tanto si son del mismo, como si son de distinto material. El mecanismo de unión depende de:
- Separación por cohesión: cuando se produce la ruptura del adhesivo. - Separación por adhesión: cuando la separación se produce en la interfase sustrato-adhesivo. - Ruptura de sustrato: cuando el propio sustrato rompe antes que la unión adhesiva o que la
- La
fuerza de unión del adhesivo al sustrato o adhesión
20
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Fig. 1.6: Modos de fallo de las uniones adhesivas.
interfase sustrato-adhesivo.
antes de ser aplicado el adhesivo sobre la unión, y adhesivos reactivos. Estos últimos se caracterizan porque el adhesivo en estado líquido, viscoso, gel, etc. se halla constituido por monómeros o cadenas oligómeras que polimerizan y/o se entrecruzan durante el proceso de polimerización que ocurre cuando tal adhesivo se ubica entre los sustratos a unir. Dentro de estos grandes grupos se definen diversas subclases:
Cuando se diseña una unión adhesiva se pretende que la rotura no sea en ningún caso adhesiva, es decir, que la separación nunca se produzca en la interfase sustrato-adhesivo. Los modos de rotura adhesiva no son nunca predecibles, puesto que la magnitud de la fuerza de adhesión, como se verá en posteriores temas, depende de un gran número de factores rara vez controlables en su totalidad. Por el contrario, sí se pueden conocer las características mecánicas del adhesivo y, por tanto, se pueden predecir las cargas a la rotura en modo cohesivo bajo diferentes tipos de esfuerzos.
ADHESIVOS PREPOLIMERIZADOS (El polímero base ya existe en el seno del propio adhesivo): En fase líquida: Soluciones acuosas de origen natural: . Origen mineral: cementos, colas . Origen animal: caseína . Origen vegetal: celulosa, almidón, colofonia
1.4 Clasificación de los adhesivos Las dificultades fundamentales a la hora de realizar una clasificación son la gran variedad de bases químicas de los adhesivos y la gran diversidad de sustratos posibles. Además, cada adhesivo requiere distintos métodos de tratamiento para cada sustrato. Por este motivo los sistemas más adecuados para la clasificación de los adhesivos se basan en las propiedades más importantes de éstos.
Soluciones acuosas de origen sintético: . PVP (Polivinilpirrolidona) . PEG (Polietilenglicol) . PAV (Polialcohol vinílico) Soluciones orgánicas: suelen ser lineales y adquieren propiedades elásticas tras la vulcanización, la cual en ocasiones tiene lugar con el oxígeno del aire. . Caucho natural . Polienos . Polidienos . Elastómeros termoplásticos (SBR)
Una de las clasificaciones más empleadas se basa en el mecanismo de formación de la junta adhesiva. Así, se pueden distinguir dos grandes grupos de adhesivos. Los adhesivos prepolimerizados, es decir, aquéllos cuyo polímero ya existía
21
INTRODUCCIÓN
Emulsiones o líquidas: tienden a sustituir a los anteriores por los problemas derivados del uso de disolventes en su formulación. . PVC . Polietileno . Poliacetato de vinilo . Poliacrílicos (acrílicos y metacrílicos) En fase sólida: Adhesivos sensibles a la presión o piezosensibles (PSA): son adhesivos con una reología especial que les permite deformarse y mojar los sustratos en estado sólido. . Adhesivos de contacto . Películas y cintas autoadhesivas . Adhesivos reposicionables . Adhesivos reactivables por calor Adhesivos termofusibles o Hot Melts: son adhesivos que humectan los sustratos cuando se calientan por encima de la temperatura de reblandecimiento del termoplástico y al enfriar adquieren la consistencia de un plástico. . Polietileno . EVA . Poliamidas . Poliésteres ADHESIVOS REACTIVOS (el adhesivo contiene el monómero u oligómero que polimerizará para generar el polímero curado final) Mediante poliadición: . Anaeróbicos . Acrílicos . Cianoacrilatos . Siliconas de poliadición . Poliésteres . Polisulfuros Mediante policondensación: . Poliuretanos . Epoxis . Siliconas de policondensación . Fenólicos
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante y Mario Madrid Vega, Loctite España)
2.1. Formación de la unión adhesiva (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
7.Determinar la adhesión usando un ensayo adecuado a la aplicación final de la unión adhesiva y a las solicitaciones mecánicas que va a soportar durante su uso. 8.Determinación de la durabilidad de la unión (realización de ensayos de fatiga y envejecimiento).
2.1.1 Introducción Las uniones adhesivas deben diseñarse para una aplicación concreta.
2.1.2.1 Limpieza adecuada de los adherentes Una unión adhesiva adecuada requiere : Las funciones que tiene la limpieza de los adherentes son las que siguen:
1.Asegurar el uso de materias primas de primera calidad. 2.Cuidadoso control de calidad de los materiales a unir. 3.Realizar un exhaustivo y cuidadoso control de todas las etapas necesarias para realizar la unión adhesiva. 4.Respetar los tiempos necesarios para realizar la unión. 5.Trabajar en condiciones adecuadas (espacio, ventilación, atmósfera controlada). 6.Seguir escrupulosamente la normativa vigente tanto a nivel técnico como medioambiental.
1.Asegurar un adecuado control de calidad de los adherentes (materias primas de calidad, adecuado procesado, regularidad de la producción). 2.Conocer la existencia de agentes desmoldeantes (disminuyen notablemente la adhesión). 3.Realizar una limpieza previa de los adherentes mediante disolventes y/o detergentes, etc. Utilizar medios mecánicos en caso necesario.
2.1.2.2 Selección del adhesivo 2.1.2 Realización de la unión adhesiva
A la hora de seleccionar el adhesivo idóneo para una aplicación deben contemplarse los siguientes factores:
Las etapas a seguir en la realización de las uniones adhesivas son las siguientes:
1.Capacidad de adhesión inherente al sustrato. 2.Condiciones de uso de la unión adhesiva : a)Esfuerzos: tensión, cizalladura, fatiga, impacto. b)Factores químicos : i)Externos: disolventes, ácidos, álcalis. ii)Internos: migraciones de especies de bajo peso molecular, reacciones de la interfase. 3.Medioambiente de trabajo de la unión adhesiva.
1.Limpieza adecuada de los adherentes. 2.Selección del adhesivo más adecuado al sustrato y aplicación deseada. 3.Diseño adecuado de la unión adhesiva. 4.Obtención de un buen contacto interfacial (mojado) adhesivo/sustrato. 5.Creación de fuerzas de adhesión intrínsecas en la unión. 6.Control de la reticulación, curado o cristalización del adhesivo.
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
4.Requisitos especiales conductividad, aislamiento térmico, color, proceso de fabricación de la unión. 5.Restricciones de producción: estabilidad de los materiales, método de aplicación del adhesivo. 6.Precio. 7.Factores de salud y seguridad: normativa vigente.
La siguiente tabla muestra las energías superficiales relativas de algunos materiales. Material Óxidos metálicos Acrílicos PVC Siliconas Teflón
Energía superficial Muy alta
Muy baja
Tabla 2.1: Energías superficiales relativas de algunos materiales. 2.1.2.3 Diseño adecuado de la unión adhesiva A la hora de diseñar las uniones adhesivas la forma, tamaño y grosor de los adherentes determina el tipo de adhesivo que es más conveniente utilizar. En cualquier caso, el diseño adecuado de la unión adhesiva debe conseguir minimizar la propagación de fracturas que se puedan iniciar en la unión adhesiva.
La siguiente tabla muestra los valores de tensión superficial de algunos adhesivos. Adhesivo
gLV (dinas.cm-1)
Resina fenólica
78
Adhesivo de urea-formaldehido Adhesivo de fenol-resorcinol Adhesivo de caseína
71 48 47
2.1.2.4 Obtención de un buen contacto interfacial
Resina epoxi Látex de poliacetato de vinilo Adhesivo de nitrocelulosa
47 38 26
La apetencia de un sustrato a ser unido a otro se cuantifica mediante la energía superficial (gSV ), la cual se obtiene a partir de medidas de ángulos de contacto. Las superficies de los materiales tienen mayor o menor apetencia para ser unidas. Así, podemos distinguir entre:
Tabla 2.2: Valores de tensión superficial de algunos adhesivos.
2.1.2.5 Creación de fuerzas de adhesión intrínsecas en la unión adhesiva
1.Superficies con baja energía superficial (menor de 30 mJ/m2 ) = Apolares. 2.Superficies con alta energía superficial (entre 60 y 300 mJ/m2 ) = Polares.
Para que se produzca adhesión se deben desarrollar interacciones en la interfase. Para ello, es necesario crear uniones de naturaleza física o química. Una alta adhesión no requiere necesariamente crear enlaces químicos en la interfase. Las fuerzas de van der Waals y los enlaces de hidrógeno son suficientes, ya que se generan múltiples puntos de contacto entre cadenas del polímero y la superficie del sustrato.
Fig.2.1: Esquema de la relación entre energía superficial de sólido, líquido y vapor en equilibrio
Si las fuerzas de adhesión no son suficientemente elevadas, se pueden incrementar mediante : Un adhesivo mojará a un sólido si se cumple que la energía superficial del sólido es superior a la del líquido (g SV > g LV ). Las diferencias entre ambas energías no deben ser muy importantes.
1.Tratamientos superficiales del sustrato. 2.Adición de promotores de la adhesión al adhesivo.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
2.1.2.6 Control de la reticulación, cristalización o curado del adhesivo
1.Cinéticas de reacción rápidas, es decir, tiempos abiertos cortos. 2.Son adhesivos caros. 3.En ocasiones requiere la mezcla de dos componentes.
Los adhesivos experimentan modificaciones físico-químicas que modifican sus propiedades. Estas modificaciones deben ser consideradas en detenimiento para lograr las prestaciones adecuadas de las uniones adhesivas:
Los adhesivos termofusibles se basan en polímeros termoplásticos que tienen baja capacidad calorífica como el EVA, o las poliolefinas. Son adhesivos viscosos, por lo que pueden presentar pobre mojabilidad de los sustratos. Son adecuados para sustratos porosos (papel, cartón, telas). Son, además, adhesivos rápidos, pero requieren la aplicación de presión durante la formación de la unión adhesiva. Presentan tiempos abiertos cortos.
1.Reacción química: mediante calor, presión, agentes de curado, radiación UV, etc. Son los denominados adhesivos reactivos. 2.Enfriamiento de un líquido fundido. Son los adhesivos termofusibles (hot melts). 3.Secado por evaporación de disolvente. Son los adhesivos en disolución. 4.Presión. Son las cintas adhesivas y los PSA’s (Pressure Sensitive Adhesives).
Los adhesivos en disolución contienen hasta un 30% de sólidos, en los adhesivos en base solvente, o hasta un 55% de sólidos, en los adhesivos en emulsión. Ejemplos de estos adhesivos son los adhesivos de contacto o las emulsiones de PVA. No presentan problemas de mojabilidad de los sustratos, pero hay que eliminar el disolvente mediante dos sistemas:
Los adhesivos de reacción química, curan mediante: 1.Polimerización en etapas por condensación, como las resinas epoxi. 2.Polimerización por adición, como los cianoacrilatos.
1.Sustratos porosos: eliminación por capilaridad. 2.Sustratos no porosos: evaporación forzada.
En los adhesivos de reacción química a temperatura ambiente, la reacción es inicialmente rápida pero puede tardar meses en completarse. Estos adhesivos pueden ser algunos de los siguientes:
Las limitaciones de los adhesivos en disolución son las siguientes:
1.Bicomponentes: mediante el sistema resina más endurecedor, como por ejemplo los epoxis. 2.Monocomponentes: reticulables con humedad, luz ultravioleta, reacción anaeróbica, etc. Como por ejemplo los cianoacrilatos.
1.El disolvente puede atacar a los sustratos. 2.Se requiere tiempo para su eliminación. 3.Problemas de costo, inflamabilidad y toxicidad. Los adhesivos sensibles a la presión y las cintas adhesivas se soportan generalmente sobre un carrier. Ejemplos de estos adhesivos son las cintas adhesivas y los adhesivos reposicionables. No presentan una alta adhesión pero pueden unirse a cualquier tipo de sustratos. Son adhesivos prácticamente exentos de disolventes. Se caracterizan por presentar tack (pegajosidad) y por generar una adhesión inmediata adecuada. El mecanismo por el que actúan es la difusión de cadenas de polímero a la superficie.
En ocasiones las reacción química tiene lugar a elevada temperatura. Las ventajas de este procedimiento de reticulación son las siguientes: 1.Se evitan problemas debidos a evaporación del disolvente. 2.En muchos casos, no se precisa adquirir equipos de aplicación sofisticados. 3.Buena resistencia de las uniones a la temperatura. Las limitaciones de este procedimiento de reticulación son las que siguen:
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
2.1.2.7. Determinación de la adhesión
disolventes, entre otros.
La resistencia a la separación de las uniones adhesivas se obtiene empleando el ensayo más adecuado. El ensayo debe diseñarse de acuerdo a la aplicación esperada en la unión adhesiva. Para evaluar si una unión adhesiva es adecuada se deben considerar tanto la resistencia a la separación como el modo de fallo de la unión adhesiva.
Los ensayos más habituales son: 1.Wedge edge Boeing. 2.Tapered Double Cantilever Beam.
2.2 Tensión y energía superficiales: el ángulo de contacto (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
Los ensayos más habituales para evaluar la resistencia de las uniones son: 1.Ensayos de pelado (T, 180º, 90º). 2.Ensayos de cizalla (single lap-shear). 3.Ensayos de torsión.
2.1.2.8. Determinación de la durabilidad de las uniones adhesivas Las uniones adhesivas deben ser sometidas a ensayos de fatiga y envejecimiento ya que su durabilidad depende de la degradación producida por el ambiente de trabajo de la unión. Los ensayos más frecuentes implican envejecimiento en ciclos de humedad-temperatura, influencia de la luz ultravioleta, corrosión salina e inmersión en Fig.2.4: Diferentes grados de mojado en un sistema líquido-sólido en equilibrio. Fig.2.2: Ensayo “wedge edge” de la Boeing. Se determina el crecimiento de la grieta sometida a un envejecimiento acelerado.
2.2.1. Introducción
Fig.2.3: Ensayo de “double cantilever Beam”.
La adhesión implica la unión de dos superficies. Para cuantificarla, es preciso determinar la energía superficial de cada material que se va a unir.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Existen diversos métodos para asignar las propiedades de superficie de los materiales. La medida de ángulos de contacto es la más precisa y sensible.
ángulos de contacto y el trabajo de adhesión o energía superficial (ecuación de Young):
La condición, necesaria aunque no suficiente, para que se produzca adhesión es que el sustrato debe ser mojado por el adhesivo.
Las medidas de ángulos de contacto para cuantificar la mojabilidad de los materiales tienen las siguientes ventajas:
Se dice que un líquido moja a un sólido cuando el ángulo de contacto que forma una gota de adhesivo sobre el sólido es menor de 90º. Por el contrario, un líquido no moja al sólido cuando el ángulo es mayor de 90º. El mojado es pobre sobre materiales de baja energía superficial, mientras que se produce una alta mojabilidad sobre materiales de alta energía superficial. La mojabilidad es aceptable sobre sustratos de energía superficial media.
1.Método simple. 2.Rapidez. 3.Sensible a las características superficiales de los sólidos.
WA = USV (1+cosq)
Sus limitaciones son, sin embargo: 1.Problemas de reproducibilidad. 2.Interpretación de los resultados experimentales. 3.Rugosidad superficial. La precisión aceptable en las medidas de los ángulos de contacto es de ± 2 grados.
2.2.2 Tipos de ángulos de contacto q 90º: Líquido no moja al sólido
Se pueden distinguir diferentes tipos de ángulo de contacto.
Fig.2.5: Sistema sólido-líquido-vapor en equilibrio.
Los ángulos de contacto termodinámicos son los que se obtienen de superficies lisas e indeformables, carentes de heterogeneidades superficiales. Su valor se corresponde con los cálculos termodinámicos. En la práctica, son muy pocos los ángulos que responden a estas premisas. La mayoría de las superficies de los sólidos son irregulares. Los ángulos de contacto que se miden son reales, pero no representan las propiedades superficiales del sólido.
La relación entre la adhesión y el ángulo de contacto se deduce de la ecuación de Young. Para ello partimos de la ecuación de la energía libre de expansión de una gota en una superficie. DG S = DA (U SL - U0 SV) + DAULV cos (q -Dq) Si la expansión es infinitesimal:
Por otra parte, dependiendo de la manera de determinarlos, los ángulos de contacto pueden ser estáticos o dinámicos. En el primer caso, la gota de líquido se deposita en la superficie del sólido y se espera a que se alcance el equilibrio. Por el contrario, si la medida se realiza de forma instantánea mientras se deposita el líquido de forma continua, se miden ángulos de contacto dinámicos.
DG s lim = =0 DA DA®0
ULV cosq = U SV - U SL - p0 El trabajo de adhesión se define como: WA = USV + ULV - USL Sustituyendo, se obtiene la relación entre los
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
Fig.2.6: Expansión espontánea de una gota depositada en la superficie de un sólido liso.
El aparato empleado para medir ángulos de contacto estáticos es el goniómetro. Consta de los siguientes componentes fundamentales: 1.Cámara termostatizada de vidrio o cuarzo, en la que se deposita el sólido. En su parte superior se encuentra la jeringa que contiene el líquido. 2.Una fuente de luz que permite obtener el perfil de la gota en la superficie del sólido. Suele contener un filtro para facilitar la medida. 3.Un ocular al que se le puede acoplar una cámara fotográfica o de vídeo para seguir las evoluciones de la gota en la superficie del sólido. Cuando la superficie del material es rugosa o heterogénea se produce un equilibrio metaestable. En tales casos, se mide el ángulo de contacto microscópico (q 0 ) y se realizan las siguientes aproximaciones para obtener ángulos de contacto en superficies rugosas:
2.2.3 Ángulos de contacto estáticos Se producen sobre superficies sólidas lisas, homogéneas, planas y no deformables. De este modo se establece un equilibrio estable y se realiza una medida del ángulo de contacto de equilibrio. La expansión de la gota de líquido en la superficie tiene lugar mediante un movimiento espontáneo.
1.Ecuación de Wenzel: cos q e = r cosq0 q e = ángulo de contacto de equilibrio r = factor de rugosidad, característico del sólido
La cinética de expansión del líquido en una superficie depende de los siguientes factores:
2.Ecuación de Cassie: cos qe = f1 cos q 01 + f2 cos q 02
1.El grado de interacción superficial. 2.La viscosidad del líquido.
f1 = fracción del área superficial con un ángulo intrínseco q 01 f2 = 1 -f1 = fracción del área superficial con un ángulo intrínseco q 02 q 02 = ángulo de contacto intrínseco de la fracción f2
Fig.2.7: Esquema básico de un goniómetro para la medida de ángulos de contacto estáticos
Existen dos procedimientos de medida: 1.Aumento y disminución del volumen de la gota de líquido depositada en la superficie del sólido. 2.Depositar una gota del líquido en la superficie inclinando la base. El ángulo de avance se obtiene en la parte inferior de la gota situada en la plataforma y el de retroceso en la parte superior.
3.El volumen de la gota. No es un factor crítico cuando sobrepasa un valor mínimo. 4.La temperatura.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Fig.2.11: Sistema dinámico para la determinación de ángulos de contacto.
Fig.2.8: Aumento y disminución del volumen de la gota de líquido depositada en la superficie del sólido, para la medida del ángulo de contacto.
Los ángulos de contacto dinámicos se determinan cuando no es posible obtener adecuadamente los ángulos de contacto estáticos. Es el caso de fibras, películas delgadas de polímeros y metales. Los sistemas de medida empleados son los tensiómetros.
Fig.2.9: Sistema de medida de ángulos de contacto: se deposita una gota del líquido en la superficie inclinando la base. El ángulo de avance se obtiene en la parte inferior de la gota situada en la plataforma y el de retroceso en la parte superior.
2.2.5 Determinación de la energía superficial de los sólidos Existen varios métodos para determinar la energía superficial de los materiales. Uno de los que
Fig.2.12: Determinación de la energía superficial mediante el método de la tensión superficial crítica (método de Zisman). Representaciones de Zisman de varias series homólogas de líquidos depositados en Teflón: , RX; , alquinbencenos; ,n - alcanos; dilaquil éteres; , siloxanos; ,otros líquidos polares.
2.2.4 Ángulos de contacto dinámicos
Fig.2.10: Ángulos de contacto dinámicos.
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
Algunos son los que siguen: 1.Good y Grifalco. U Sl = U S + U l - 2F (U S Ul )1/2 2.Fowkes. U Sl = U l + U l - 2 (Ud sU dl )1/2 3.Owens y Wendt. Fig. 2.13: Determinación de la energía superficial mediante el método de la tensión superficial crítica (método de Zisman). Representación de Zisman de PTFE utilizando varios líquidos: , n-alcanos; , otros hidrocarburos; , ésteres; , hidrocarburos halogenados pero no fluorados; , fluorocarbonos; , otros líquidos.
U1 (1+cosq) = 2 (U ds Ud l) 1/2 +2 (U ps Up l) 1/2 4.Wu. (U d Ud ) (Up Up ) U1 (1+cosq) = 4 d s dl + 4 p s pl (U s+U l ) (U s+U l ) Existen otros métodos que, además de considerar las componentes de dispersión Ys d, incluyen el efecto ácido-base Y sAB de la energía superficial. El método propuesto por Van Oss y Good es uno de los más conocidos y se basa en que la adhesión intrínseca se debe fundamentalmente a interacciones ácido-base. Se considera que la energía superficial de un sólido se debe expresar como la suma de las componentes mencionadas.
eran más empleados es el de la tensión superficial crítica o método de Zisman. Tabla 2.3: Energía libre superficial (mJ/m2 ) Energías libres superficiales de líquidos Líquido glvD glvP empleados para la medida Agua 22.0 50.2 de ángulos de contacto. Glicerol 34.0 30.0
glv 72.2 64.0
Formamida Di-iodometano Etan - 1,2 - diol
32.3 48.5 29.3
26.0 2.3 19.0
58.3 50.8 48.3
1-Bromonaftaleno Dimetilsulfóxido Tricresilfosfato
44.6 34.9 36.2
0.0 8.7 4.5
44.6 43.6 40.7
Piridina Dimetilformamida Poliglicol E-200
37.2 32.4 28.2
0.8 4.9 15.3
38.0 37.3 43.5
Poliglicol 15-200 2-Etoxietanol Hexadecano
26.0 23.6 27.6
10.6 5.0 0.0
36.6 28.6 27.6
Tetradecano Dedecano Decano
26.7 25.4 23.9
0.0 0.0 0.0
26.7 25.4 23.9
Octano Hexano
21.8 18.4
0.0 0.0
21.8 18.4
Fig.2.14: Representación gráfica de Owens y Wendt para un caucho de estireno-butadieno halogenado con ácido tricloroisocianúrico: , agua; , etilenglicol; , glicerina; , 1-bromonaftaleno.
U = Ud s +UAB s No obstante, el método de Zisman no contempla la diferente naturaleza de las interacciones que tienen lugar en la interfase entre sólido y líquido. Otros métodos consideran las componentes de dispersión Ys d y polar Yp s de la energía superficial.
La componente ácido-base Y sAB se puede evaluar según diversos métodos: 1.Método de E. Papirer: emplea la cromatogra-
30
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
fía inversa. Se usan series homólogas de hidrocarburos para calcular Ys d. El uso de moléculas con carácter ácido o básico permite obtener Y sAB . 2.Método de F. Fowkes: emplea la aproximación de Gutmann sobre interacciones ácidobase.
1.Poco volátil. 2.Poco viscoso. 3.No ser tóxico. 4.No debe reaccionar con la luz, la humedad o la temperatura. 5.No debe atacar o reaccionar con la superficie del sólido.
-DHAB = CA CB + E AE B Donde, DH AB = entalpía ácido-base CA , EA = constantes características del ácido CB , E B = constantes características de la base
3.Método de Good y Van Oss: se emplean tres líquidos, uno apolar y dos de diferentes características ácido-base.
Los líquidos mas adecuados y habituales para realizar medidas de ángulos de contacto son los siguientes: 1.Polar: Agua 2.No polar: CH2 I2 , 1-bromo naftaleno, n-alcanos (>C5) 3.Polar / no polar: etano diol, glicerina, dimetil sulfóxido, dimetil formamida Asimismo, el tipo y la homogeneidad de la rugosidad superficial determinan la validez de los ángulos de contacto por los siguientes motivos:
U 1(1+cosq)= =2(U ds Ud l) 1/2 +2(U+1/2SU+1/2l)(U-1/2S U -1/2l)
1.El líquido puede quedarse tapando la entrada de las heterogeneidades.
Las interacciones ácido base se evalúan como: UABS = (U+S U-S )1/2 En algunos sólidos predominan la componente ácida y en otros la componente básica. Sin embargo, si una de las dos es muy pequeña, Y sAB es nula. 2.En algunos casos no es posible distinguir entre mojabilidad parcial y mojabilidad total, aunque el ángulo de contacto sea similar.
La aproximación ácido-base en la adhesión está siendo cuestionada y revisada actualmente.
2.2.6 Ángulos de contacto y mojabilidad Las medidas de ángulos de contacto están sometidas a severas limitaciones. Los valores de ángulos de contacto deben considerarse con reserva, debido a que ciertos aspectos limitan su validez. Algunos de estos aspectos son: 1.El líquido seleccionado 2.La rugosidad en la superficie
Fig.2.16: Ángulos de contacto y mojabilidad. Mojado de una superficie rugosa: (a) ángulo de contacto intrínseco = 120º - mojado parcial en el equilibrio. (b) mojado completo en el equilibrio. (c) ángulo de contacto intrínseco = 105º - mojado parcial en estado metaestable. (d) mojado completo en el equilibrio.
El líquido seleccionado para realizar las mediciones debe cumplir los siguientes requisitos:
31
Fig.2.15: Ángulos de contacto y mojabilidad. Ausencia de relación entre “mojado superficial” y ángulo de contacto: (a) Mojado deficiente. (b) mojado parcial. (c) mojado total.
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
2.3 Cálculo de tensión superficial, ángulos de contacto y energía superficial (Juan Carlos Cabanelas Valcárcel, Francisco Javier González Benito y María Eugenia Rabanal Jiménez, Universidad Carlos III de Madrid)
que el ángulo de contacto es q=0º, porque la mayoría de los líquidos mojan totalmente la superficie del metal. Entonces, como cosq tiende a uno, la tensión superficial del fluido puede ser calculada fácilmente a partir de la ecuación anterior, si la longitud de mojado es conocida.
2.3.1 Tensión superficial
2.3.1.1 Introducción La tensión superficial es una medida directa de las fuerzas intermoleculares. La tensión en las capas superficiales es el resultado de la atracción de todo el material por la capa superficial y esta atracción tiende a reducir el número de moléculas en la región superficial originando un aumento en la distancia intermolecular. Las fuerzas de atracción más comunes son las de van der Waals, y estas pueden ser atribuidas a efectos diferentes: 1.Fuerzas de dispersión: debidas al movimiento electrónico interno y son independientes del movimiento dipolar. 2.Fuerzas polares: debidas a la existencia de dipolos eléctricos permanentes y efectos de inducción de dipolos permanentes sobre moléculas polarizables.
Fig.2.17: Método de Wilhelmy.
2.3.2 Ángulos de contacto 2.3.1.2 Método de Wilhelmy Este método, para la determinación de tensiones superficiales de líquidos y para la determinación de ángulos de contacto, fue desarrollado en el último siglo por Ludwig F. Wilhelmy.
2.3.2.1 Introducción En el mundo real, las superficies sólidas son raramente homogéneas como consecuencia de su exposición a contaminantes, residuos de lubricantes, lluvia ácida y partículas en el aire. Esto influye en aspectos tales como la adherencia, biocompatibilidad o lubricidad, etc. Las modificaciones son invisibles incluso a los más avanzados microscopios o instrumentos espectroscópicos. Sin embargo, medidas de ángulo de contacto son las únicas vías de información, pero éstas están limitadas por técnicas ópticas que utilizan gotas minúsculas de líquido, que pueden llegar a dar perfiles superficiales erróneos, especialmente en superficies rugosas o no homogéneas.
La vasija con el líquido para ser examinado se eleva hasta que el líquido tome contacto con el plato. La fuerza de atracción del líquido sobre el plato es una medida directa de la tensión superficial del líquido según la ecuación: F s= w Lcosq Fw= Fuerza de Wilhelmy L = Longitud de mojado q = Ángulo de contacto. Con el uso del plato de platino podemos asumir
Por otro lado, el ángulo de contacto dinámico
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
llega más allá de estas limitaciones: examina un área de superficie y proporciona una curva característica de histéresis de avance y retroceso (diferencia entre los ángulos de avance y retroceso) de la superficie completa, proporcionando información sobre la estructura superficial, así como de los procesos de disolución, adsorción y orientación de grupos moleculares en la superficie durante el proceso de mojado. Este método depende menos del operador, es altamente reproducible y menos sensible a cambios de concentración localizados en la interfase aire/líquido. Con este método, puede conocerse el ángulo de contacto de fibras tan pequeñas como 5 micras de diámetro.
te cuando el líquido está en reposo con respecto al sólido.
Fig.2.19: Ángulo de avance y de retroceso.
El método tradicional de determinación del ángulo de contacto es un goniómetro . La gota se coloca sobre una superficie, que contiene dentro una célula que tiene ventanas ópticas en la parte anterior y posterior. Con una luz detrás de la célula, la gota se puede visualizar con un microscopio o una cámara, El ángulo se mide con un prolongador. Cuando la gota está en reposo, el ángulo que se mide está normalmente cerca del ángulo de retroceso. Los ángulos de avance pueden ser aproximados con este método, sin embargo la medición es con frecuencia difícil.
2.3.2.2 Tipos de ángulos de contacto Un ángulo de contacto es el ángulo que forma un líquido con un sólido en la interfase sólido/líquido/vapor. Cada combinación de líquido-sólido forma un ángulo de contacto característico en la interfase. En la mayoría de los casos un cambio en las propiedades de la superficie del sólido será medible por un cambio en el ángulo de contacto.
Mediante el uso del tensiómetro podremos: -Determinar de una manera completamente automática la energía libre superficial de sólidos. -Calcular automáticamente las componentes polares y de dispersión de la energía libre superficial. -Hacer medidas de los ángulos de contacto dinámico a varias velocidades. -Determinar los ángulos de contacto de polvos y calcular de la energía libre superficial. -Medir la adsorción y comportamiento de absorción de materiales. -Determinar las densidades de líquidos. -Medir la longitud de mojado de superficies sólidas y de fibras simples. -Medir la tensión superficial de líquidos.
Fig.2.18: Representación del ángulo de contacto.
A menudo sólo se considera un ángulo de contacto y éste es el formado cuando el líquido esta en reposo. Sin embargo, cuando el líquido se mueve se observan realmente dos ángulos dinámicos. Uno es el formado cuando el líquido se extiende sobre una superficie (ángulo de avance).
2.3.2.3 Ángulo de contacto dinámico La inmersión del plato en el líquido y la salida de éste permite la determinación del ángulo de avance-retroceso con el método de Wilhelmy. Se mide la fuerza ejercida sobre el plato, que es función de la profundidad de inmersión. Esta fuerza
Un segundo ángulo de contacto, el ángulo de retroceso, se forma cuando el líquido se retira de la superficie. Este ángulo se observa generalmen-
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
consta de dos componentes (Fw y F a). La fuerza de Wilhelmy, Fw, tiene efecto sólo sobre la superficie líquida. Esta fuerza es constante durante el tiempo de inmersión y ascensión del plato, y por ello es válida la primera ecuación. La fuerza de empuje, Fa es una función lineal de la profundidad de inmersión d para el caso de una superficie ideal.
cosq =
1 (F + Fa ) s. L
Este método es recomendado si las muestras tienen una estructura constante y puede utilizarse para determinar energías superficiales. Por otro lado, es posible determinar ángulos de contacto en muestras de distinta geometría al plato a través de una ligera modificación del método de Wilhelmy.
F a = r·g·l·w·d Siendo,
2.3.3 Cálculo de la energía superficial
r = densidad del líquido g = 9.81 m/s2 ( constante gravitacional ) l = longitud del plato w = anchura del plato d = profundidad de inmersión
La tensión interfacial entre dos fases, según Good y Grifalco, es la siguiente. s12 = s1 + s2 - 2F Ö s1 s2 Siendo s1, s2 las tensiones superficiales de las fases simples, y s12 la tensión interfacial entre las fases; F es un parámetro de interacción, que debe ser calculado empíricamente.
Para el caso, en que el ángulo de contacto de avance y retroceso sea de 90º, el coseno del ángulo de contacto se hace cero. Esto provocaría una línea recta en el gráfico de fuerza frente a profundidad de inmersión y sería, en este caso, el resultado de la fuerza de empuje solamente.
Fowkes introdujo las fuerzas de dispersión debido a la carga asimétrica alrededor de los átomos o con respecto al centro de gravedad de las moléculas. Según éste, la tensión interfacial tiene la siguiente expresión.
Fig.2.20: Curva de histéresis ideal.
s12 = s1 + s2 - 2Ö s
d 1
s
d
2
Mientras que las fuerzas de dispersión existen en todas las moléculas, las fuerzas polares existen sólo en moléculas especiales. Estas fuerzas surgen de la diferencia de electronegatividad entre los diferentes átomos en la misma molécula. Owens, Wendt, Rabel y Kaeble introdujeron la existencia de la componente polar según. s= s
d+
sp
donde s d es la componente de dispersión y s es la componente polar de la tensión interfacial. A no ser que el ángulo de contacto sea 0º, los ángulos de contacto de avance y retroceso son diferentes, por lo que obtendremos una curva. Como la fuerza de Wilhelmy se ha mantenido constante, ésta se añade al término de empuje. La función lineal, que describe la fuerza resultante F puede ser calculada mediante una regresión lineal, conocidos todos los parámetros. Por tanto, el ángulo de contacto se calcula a partir de la siguiente ecuación.
p
Sí dos líquidos o una superficie sólida y un líquido entran en contacto, habrá una interacción entre las partes polares de ambas fases al igual que entre las partes de dispersión, pero no entre las partes polares y las de dispersión. La tensión interfacial de dos fases en contacto es siempre más baja que el total de las tensiones interfacial de las fases separadas. Esto es debido a las interacciones en la interfase. En el caso en que
34
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
una de las dos fases en contacto es no polar sólo son posibles las interacciones debidas a la dispersión. De este modo, si un líquido con componente polar y de dispersión entra en contacto con una superficie sólida que sólo contiene componente de dispersión, la energía de interacción puede ser sólo referida a la componente de dispersión.
Dependiendo de las características del mismo podrá aplicarse al cálculo de ángulos de contacto y a la determinación de energías libres superficiales. Los equipos más sencillos son capaces de medir con suficiente fiabilidad tensiones superficiales de líquidos (método del anillo de Du Noüy Fig.2.21: Medidas con tensiómetro mediante el método del anillo: 1-guía para tubo dosificador; 2termopar para medida de la temperatura; 3recipiente termostatizado; 4- varilla suspendida para la fijación de muestras.
Incluyendo la última ecuación mencionada en la anterior, Owens, Wendt, Rabel y Kaeble, considerando que el parámetro F es 1, propusieron lo siguiente. s12 = s1 + s2 - 2Ö s
d 1
s
d
2+
2Ö s p 1 s
p 2
En el caso de que la parte polar y de dispersión de una de las fases sea conocida, preferiblemente la del líquido, las componentes polares y de dispersión de la otra fase pueden ser determinadas mediante medidas del ángulo de contacto. Wu utilizó la media armónica en lugar de la geométrica para la determinación de las componentes polares y de dispersión, llegando a la siguiente ecuación. s 12 = s1 + s2 -
4s d 1 s s
d
1+
d 2
s
d 2
4s
p
s
1
p
1
o del plato de Wilhelmy). El método del plato permite, además, medir la tensión en interfases líquido-líquido. Para la medida de ángulos de contacto suelen utilizarse equipos con cámara y microscopio incorporados. En ellos se sitúa la muestra sólida en forma plana en un portamuestras capaz de desplazarse en tres dimensiones, y se deposita una gota de líquido en la superficie de la muestra, observándola a través de un microscopio de medida alineado horizontalmente. Normalmente es posible determinar la altura y diámetro de la gota, así como su ángulo de contacto con la superficie.
s p2
+s
p
2
También se puede definir a partir de la media armónico-geométrica. s12 = s1 + s2 - 2Ö s
d
1
s 22 -
4s p 1 s p 2 s p1 + s p2
Los equipos más completos son capaces de determinar tanto tensiones superficiales de líquidos como ángulos de contacto y, por tanto, energías libres superficiales. En este caso, el ángulo de contacto se determina a partir del comportamiento dinámico en avance y retroceso del sólido en el seno del líquido.
Todas las ecuaciones son válidas, pero ninguna de ellas podría ser usada en todos los supuestos. La primera ecuación de Wu es válida para sistemas tales como soluciones orgánicas, agua, polímeros y pigmentos orgánicos. Los resultados que se obtienen utilizando la última ecuación son buenos para sistemas de elevada energía como mercurio, vidrios y óxidos metálicos. La ecuación de Owens, Wendt, Rabel y Kaeble es aplicable a sistemas polares.
2.3.5 Procedimiento experimental: determinación de la energía superficial de fibras de vidrio comerciales
2.3.4 Equipo instrumental
Con los ángulos de contacto de líquidos diferentes en un mismo sólido, es posible calcular, utilizando distintos métodos de cálculo, la energía superficial de materiales con superficies tan hete-
El equipo utilizado en medidas de tensión superficial se denomina tensiómetro.
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
rogéneas como las fibras de vidrio comerciales, es decir, fibras de vidrio reforzadas con el correspondiente ensimaje.
adhesión adecuada. En algunos casos, no hay correspondencia entre las predicciones basadas en las propiedades superficiales del adhesivo y del sustrato (adhesión intrínseca) y la adhesión medida mediante un ensayo mecánico (adhesión experimental). La adhesión es, pues, un fenómeno complejo.
Fig.2.22: Medida del ángulo de contacto de una fibra simple con un tensiómetro.
El concepto de distancia en la interfase puede justificar la falta de acuerdo entre la adhesión intrínseca y la experimental. Así, se pueden definir tres zonas diferentes en la interfase, dependiendo de la distancia respecto a la superficie del sustrato, que pueden ser caracterizadas mediante tres procesos o mecanismos diferentes : 1.Región comprendida entre la superficie del adherente hasta 1 nm. En ella se producen enlaces químicos entre átomos del adhesivo y del adherente (interacciones químicas). Se caracteriza mediante medidas de ángulos de contacto y espectroscopía Auger. Cuando la ruptura de la unión se produce en esta zona de la interfase, suele existir acuerdo entre adhesión intrínseca y experimental. 2.Región comprendida entre 1 y 103 nm. En ella se producen cambios morfológicos en la estructura de las cadenas poliméricas (interacciones moleculares entre cadenas de polímero). Es una zona de la reticulación, cristalización o curado de adhesivos. Se caracteriza mediante las técnicas habituales de análisis de superficie (espectroscopía IRATR, XPS). Cuando la ruptura de la unión adhesiva se produce en esta zona, las propiedades de cohesión del adhesivo determinan la adhesión experimental. Es además una zona influenciada por las propiedades superficiales del adherente y del sustrato. 3.Región situada por encima de 103 nm. Es la zona en la que se transmiten los esfuerzos mecánicos realizados durante un ensayo de medida de la adhesión (interacciones a larga distancia entre grandes moléculas). Influyen en ella las propiedades reológicas y viscoelásticas del adhesivo. Se caracteriza mediante técnicas de caracterización de polímeros (DSC, DMTA, reometría de esfuerzo controlado, ensayos esfuerzo-deformación). Cuando la ruptura de la unión adhesiva se produce en esta zona no existe acuerdo entre la adhesión intrínseca y la experimental, siendo difícil de predecir la magnitud de la
Fig.2.23: Diagrama para la determinación de la energía superficial por el método de Owens/Wendt.
Los cálculos se pueden realizar siguiendo el método de Owens/Wendt.
2.4 Conceptos básicos de la adhesión (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante) Por adhesivo se entiende aquella sustancia que aplicada a las superficies de dos materiales permite una unión resistente a la separación. Existen adhesivos estructurales y no estructurales. El adherente o sustrato es el material que se quiere unir. Por adhesión entendemos las interacciones físicas y químicas en la interfase. Es, en consecuencia, un fenómeno de superficie. La interfase es una fase de características diferenciadas entre el adhesivo y el adherente. Sus propiedades determinan que se produzca una
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
adhesión práctica.
adhesiva puede ser explicada considerando varios modelos de adhesión conjuntamente. Conviene saber, no obstante, que la carencia de adhesión en algunas uniones no puede ser explicada mediante los modelos de adhesión existentes. Los modelos de adhesión más aceptados son el modelo mecánico, el modelo de la difusión, y el modelo de las capas débiles de ruptura preferente.
2.5.2 Modelo mecánico Es la primera y más antigua de las teorías de adhesión. Considera que la adhesión se debe al anclaje del adhesivo en los poros y oquedades superficiales del sustrato. Dos son las contribuciones que favorecen la adhesión : Fig.2.24: Regiones en la interfase. 1.El aumento de la superficie del sustrato debido a la creación de rugosidades. 2.La penetración del adhesivo en las oquedades del sustrato. Este modelo explica la adhesión de materiales porosos (madera, tejidos, fibras textiles, papel). Sin embargo, en algunas uniones adhesivas hay que considerar la contribución de otros modelos de adhesión: 1.Eliminación de capas débiles de ruptura preferente (producidas al eliminar las capas más externas del sustrato). 2.Incremento de la mojabilidad (aumento de energía superficial).
Fig.2.25: Redisposición de un oligómero del etileno en una superficie de grafito, al transcurrir el tiempo desde que se ponen en contacto.
Algunas de las uniones adhesivas que se justifican mediante el modelo mecánico son las siguientes: 1)Metalizado de plásticos. Los plásticos no tienen afinidad por los metales. La creación de heterogeneidades en la superficie del plástico favorece el anclaje del recubrimiento metálico. 2)Tratamiento de metales por abrasión mecánica (uniones estructurales de metales y aleaciones metálicas). Se realiza antes de aplicar tratamientos químicos, produciendo los siguientes efectos: a)Creación de una topografía superficial adecuada. b)Eliminación de sustancias antiadherentes
2.5 Teorías de la adhesión (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
2.5.1 Introducción Los mecanismos o modelos de adhesión tratan de explicar las causas por las que se produce la adhesión entre dos materiales. No existe un modelo de adhesión universal. En general, cada unión
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
de la superficie como contaminantes o grasas. c)Incremento de la superficie de unión del adhesivo con el metal.
del metal al adhesivo para equilibrar los niveles de Fermi de ambos. El resultado es la creación de una doble capa eléctrica en la interfase. La existencia de la doble capa eléctrica se observa realizando experimentos muy sencillos. Por ejemplo, cuando las uniones adhesivo/metal se separan a alta velocidad, aparecen destellos eléctricos. Además, se observa un incremento de la adhesión. Las fuerzas electrostáticas implicadas en la separación de la unión pueden ser el resultado más que la causa del incremento de la adhesión.
2.5.4 Modelo de la difusión Permite explicar la autoadhesión entre polímeros idénticos. Postula como mecanismo de adhesión la migración de cadenas poliméricas entre las dos superficies de los polímeros en contacto.
Fig.2.26: Fuerzas de pelado de uniones de una película de cobre a níquel/ laminado epoxi: Influencia de la topografía superficial en la adhesión.. El modelo de adhesión mecánica es de gran importancia. En algunas uniones adhesivas, la adhesión que se obtiene mediante tratamientos químicos es similar a la que producen los tratamientos mecánicos.
Para que se produzca una difusión óptima, los polímeros deben ser miscibles, es decir, solubles entre sí. La miscibilidad de los polímeros se puede cuantificar mediante los parámetros de solubilidad (d) los cuales se miden en Hildebrands:
Debemos distinguir dos topografías diferentes en la superficie: hendiduras o poros. Los poros se crean en metales fundamentalmente mediante tratamiento con chorro de arena. El efecto que se produce es un incremento de la superficie de contacto con el adhesivo. Las hendiduras generan una adhesión inferior que los poros, pero mejoran en mayor medida el mojado de la superficie.
DH - RT 1/2 d=( v ) V Donde, DHv = Calor molar de vaporización R =Constante de los gases T =Temperatura (K) V =Volumen molar Polímero n-hexano Tetracloruro de carbono Tolueno
Fig.2.27: Diferentes topografías creadas en las superficies de sustratos mediante abrasión mecánica.
2.5.3 Modelo eléctrico
d (J/cm3 ) 1/2 14.8 17.6 18.3
2-Butanona Benceno Ciclohexanona
18.5 18.7 19.0
Estireno Clorobenceno Acetona
19.0 19.4 19.9
Tetrahidrofurano Metanol Agua
20.3 29.7 47.9
Tabla 2.4: Parámetro de solubilidad de algunos disolventes.
En uniones metal/adhesivo, la diferente naturaleza de los materiales (el adhesivo suele ser un polímero) facilita la transferencia de electrones
38
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Polímero
d (J/cm3 ) 1/2
Politetrafluoroetileno
12.7
Poli(dimetil siloxano)
14.9
Polietileno
16.2
Polipropileno
16.6
Polibutadieno
17.6
Poliestireno
17.6
Poli(metil metacrilato)
18.6
Poli(cloruro de vinilo)
19.4
Poli(acetato de vinilo)
21.7
Poli(etilen tereftalato)
21.9
Nylon-6,6
27.8
Poliacrilonitrilo
31.5
1)No considera la disipación viscoelástica producida cuando se realiza un ensayo mecánico de adhesión. 2)Los efectos debidos al tiempo de contacto y peso molecular de los polímeros pueden explicarse también considerando variaciones en la cinética del proceso de mojabilidad de los sustratos.
Tipo de enlace
Enlaces primarios Iónico
Energía de enlace (kJ/mol)
600-1100
Covalente Metálico Enlaces donor - aceptor Interacciones ácido-base de Bronsted (enlace iónico primario) Interacciones ácido-base de Lewis
Tabla 2.5:Parámetro de solubilidad de algunos polímeros.
Enlaces secundarios Enlaces de hidrógeno Enlaces de hidrógeno que involucran fluor
Los valores de los parámetros de solubilidad dependen del grado de interacciones intermoleculares en el disolvente o polímero. Así, las sustancias apolares poseen únicamente fuerzas de van der Waals de London, presentando parámetros de solubilidad pequeños. Las sustancias que forman enlaces de hidrógeno y/o contienen grupos polares (cloro, carbonilo, amidas), presentan parámetros de solubilidad superiores.
60-700 110-350 Hasta 1000 Hasta 80
Hasta 40
Enlaces de hidrógeno que excluyen el fluor Enlaces de van der Waals Interacciones dipolo-dipolo permanente Interacciones dipolo-dipolo inducido Fuerzas de dispersión de London
10-25 4-20 Menor de 2 0,08-40
Tabla 2.6: Energía de enlace de las diferentes interacciones que intervienen en la adsorción superficial.
Dos polímeros, dos disolventes o un polímero y un disolvente son miscibles si poseen parámetros de solubilidad parecidos. No obstante, existen excepciones a esta regla general.
2.5.5 Modelo de la adsorción termodinámica (mojado superficial)
Los aciertos del modelo de la difusión son que demuestra:
Es un modelo de validez general para cualquier proceso de adhesión. El modelo termodinámico establece que para que se produzca una adecuada adhesión deben existir múltiples zonas de contacto entre el adhesivo y la superficie del sustrato. La adhesión termodinámica será tanto mejor cuanta mayor sea la mojabilidad del adhesivo por el sustrato.
1)La pobre adhesión de las poliolefinas (polietileno, polipropileno). 2)La pobre miscibilidad de la mayoría de los polímeros en agua (dagua = 47.9 Hildebrands frente a d polímeros < 35 Hildebrands). 3)Los polímeros con muy diferentes parámetros de solubilidad no presentan adhesión. 4)La autoadhesión de plásticos mediante soldadura por aplicación de calor o con disolventes.
La adhesión termodinámica implica la creación de fuerzas intermoleculares en la interfase adhesivo/sustrato. Dichas fuerzas son enlaces secundarios (“físicos”), tales como fuerzas de van der Waals y enlaces de hidrógeno. No obstante, conviene destacar que la adhesión mediante fuerzas secundarias puede ser muy fuerte si se produce un
Sin embargo, el modelo de la difusión presenta las siguientes limitaciones:
39
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
elevado número de enlaces.
dos orgánicos: a)Forman una monocapa sobre la super ficie de los sustratos. b)Suelen incrementar la durabilidad de las uniones adhesivas.
Adicionalmente a los enlaces secundarios, se pueden generar enlaces primarios (“químicos”) en la interfase, principalmente enlaces covalentes y enlaces iónicos. Su contribución a la adhesión forma parte del modelo del enlace químico. De acuerdo con el modelo termodinámico, la adhesión se produce cuando el adhesivo moja al sustrato. Para cuantificar la mojabilidad se miden los ángulos de contacto (q) de diversos líquidos patrón sobre la superficie del sustrato. A partir de los valores de ángulo de contacto se puede calcular la energía de superficie (W A) del sustrato: WA = U1 (1+cos q)
Fig.2.28: Interacción iónica entre ZnO y ácido poliacrílico.
dondeUl es la tensión superficial del líquido. La mojabilidad óptima se consigue cuando el ángulo de contacto es bajo. Además se produce una adecuada adhesión intrínseca cuando WA del sustrato es mayor que la energía superficial del adhesivo. Por otra parte, es recomendable que ambas energías superficiales sean del mismo orden de magnitud.
2)Incorporación de primers. Un primer es un compuesto que se adiciona a la superficie de un sustrato para aumentar la fuerza de unión a un adhesivo y/o para aumentar la durabilidad de la unión adhesiva.
2.5.6 Modelo del enlace químico Considera que la adhesión se debe a la creación de enlaces primarios entre el sustrato y el adhesivo. Esto se logra mediante: 1)Tratamientos superficiales de los sustratos. 2)Empleo de adhesivos reactivos (por ejemplo, epoxi o cianoacrilatos). Se pueden formar diferentes tipos de enlaces: Fig.2.29: Estructura de g - amino propil trietoxi silano en la superficie de una sílice.
1)Covalentes: por ejemplo, en la interfase entre elastómeros y adhesivos epoxi. 2)Iónicos: por ejemplo, la interacción de óxido de zinc con ácido poliacrílico.
Los silanos son los primers más usuales. Su estructura está constituida por una cadena química relativamente corta que contiene en un extremo un grupo polar y en el otro un grupo apolar.
Hay dos sistemas reconocidos en la bibliografía cuya adhesión se justifica fundamentalmente mediante adhesión química: 1)Incorporación de complejos organometálicos: contienen un átomo metálico central (titanio, circonio, cobalto) rodeado de ligan-
X3 Si (CH2 )n Y X = grupo hidrolizable (reacciona con un grupo
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
A ¬ :B
adecuado del adhesivo). Y= grupo organofuncional que reacciona con el sustrato. n suele oscilar entre 1 y 3.
Las propiedades ácido-base se pueden cuantificar utilizando diferentes aproximaciones:
Los silanos actúan creando una capa de espesor monomolecular en la superficie del sustrato. Generan uniones mediante enlaces covalentes, de manera que se crea un retículo que permite el anclaje de los adhesivos. Incrementan la adhesión de los siguientes sistemas, entre otros:
Fig.2.30: Adsorción de PMMA sobre sílice en medio ácido, básico y neutro.
1)Materiales y fibras de vidrio. 2)Promotor de la adhesión de sustratos metálicos como el aluminio. 3)Aditivo para incrementar la mojabilidad de adhesivos como epoxis y poliuretanos.
2.5.7 Modelo ácido-base El modelo ácido-base justifica la adhesión en base a interacciones químicas de esa naturaleza. Las sustancias se clasifican como sigue según sus propiedades ácido-base: 1.E. Papirer: uso de cromatografía inversa. 2.F. Fowkes: emplea la aproximación de Gutmann sobre interacciones ácido-base. 3.R. Good, C. Van Oss. emplean medidas de ángulos de contacto.
1)Acido = aceptor electrónico, donador de protones. Por ejemplo: a)Moléculas con un halógeno como PVC, PE y PP clorados o fluoruro de polivinilo. b)Sustancias inorgánicas como Sílice o Fe2O 3 .
Este modelo ha sido uno de los más populares en los años 80. Actualmente se considera como una aproximación que permite justificar solamente la adhesión de algunas uniones realizadas con aleaciones de aluminio y adhesivos epoxi.
2)Base = donador electrónico, aceptor de protones. Por ejemplo: a)Ésteres, cetonas, éteres. b)Polímeros como PMMA, poliestireno, EVA, policarbonatos o poliimidas. c)Sustancias inorgánicas como CaCO3 o Al 2O 3 .
2.5.8 Modelo reológico
3)Anfótero = Puede actuar como donador o aceptor electrónico o de protones. Por ejemplo: a)Amidas, aminas, alcoholes. b)Polímeros como poliamidas o PVA. c)Sustancias inorgánicas : a-Al2 O 3
Considera que al realizar un ensayo de adhesión, los sustratos y las uniones se someten a solicitaciones mecánicas que dirigen la ruptura de la unión a un lugar diferente dependiendo de la naturaleza y magnitud de las solicitaciones. La energía de separación (W) de una unión adhesiva depende de la adhesión intrínseca (W o) y de las propiedades reológicas de los materiales implicados en la unión.
El modelo ácido-base establece que la adhesión se debe a interacciones ácido-base o donador (B) aceptor (A) :
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
W = W o x f(V,T)
El principio del modelo es el que sigue: la propagación de la fractura de una unión adhesiva no tiende a producirse en la zona interfacial, sino que tiende a dirigirse hacia zonas débiles de la superficie del sustrato o del adhesivo (“weak boundary layer”).
f (T,V) es función de las propiedades másicas del adhesivo. Depende de la velocidad de separación durante el ensayo de adhesión (V), la temperatura (T) y la geometría del sustrato. La adhesión intrínseca, Wo , es la contribución reversible a la adhesión, y f (V,T) contabiliza la deformación irreversible de la unión adhesiva producida durante el proceso de separación.
Las capas interfaciales de cohesión débil se producen por diversas circunstancias : 1)Contaminación (por ejemplo: burbujas de aire, polvo, humedad) que no se ha eliminado de la superficie del sustrato antes y/o durante la formación de la unión adhesiva. Es común en los metales. 2)Sustancias de bajo peso molecular o aditivos que migran a la interfase una vez que se ha formado la unión. Es el caso de la migración de antioxidantes (como ceras y estearatos) a la superficies de los cauchos. 3)Reacciones entre el sustrato y el adhesivo una vez que se ha producido la unión adhesiva. Se puede producir la creación de nuevas estructuras cuyas propiedades sean diferentes a las de la interfase. Algunos ejemplos son: a)Unión de polietileno con aluminio. b)Unión fibra de carbono/matriz epoxi. c)Caucho SBR/Aluminio. 4)Excesivo o inadecuado tratamiento superficial: a)Abrasión excesiva produce un debilitamiento mecánico del material que puede favorecer fallos prematuros o inesperados en las uniones adhesivas. b)Halogenación excesiva de cauchos provoca un deterioro de la superficie tratada que genera un “endurecimiento” de la superficie en contacto con la interfase.
2.5.9 Modelo de las capas débiles de rotura preferente Es uno de los modelos de adhesión más comunes. Permite explicar la carencia de adhesión en muchas uniones. Existen dos casos tipificados: 1.El tratamiento superficial de un sustrato demasiado agresivo produce una capa superficial deteriorada, la cual cuando se realice un ensayo de adhesión, actuará como zona débil y la fractura de la unión se dirigirá hacia esta zona. En tal caso, el fallo de la unión no será interfacial sino cohesivo en la capa superficial tratada. 2.Una limpieza inadecuada de la superficie puede reducir el número de puntos de anclaje en la interfase y, por tanto, deteriorar la adhesión.
Fig.2.31: Dos casos tipificados de capas interfaciales de cohesión débil en uniones adhesivas.
2.6 Composición de los adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite España) Los adhesivos se nombran, comúnmente, según el producto base que los constituyen. Sin embargo las propiedades del adhesivo no son únicamente consecuencia de las propiedades del componente base, sino también del resto de aditivos empleados en su formulación. Los constituyentes de un adhesivo varían enormemente en base a la familia adhesiva a la que pertenezcan. No es posible hablar de una química
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
común, dado que los mecanismos de curado pueden ser muy dispares. Sin embargo se puede mencionar una serie de componentes presentes en los adhesivos más importantes que se definen en base a su función, aunque las sustancias químicas empleadas pueden ser muy variadas.
de la adhesión: generan enlaces primarios con el sustrato cuando es necesario mejorar la durabilidad del adhesivo. l)Estabilizantes: para mejorar la vida útil del producto. m)Agentes antibacterianos y fungicidas. 3.Cargas/espesantes: en general son sustancias empleadas para modificar la reología del adhesivo antes de curar y/o las características mecánicas del adhesivo curado, aunque también se pueden usan cargas inertes para abaratar el producto final. 4.Disolventes: sustancias que se emplean únicamente en los adhesivos en disolución y los adhesivos de contacto. Favorecen la procesabilidad y el “tack” del adhesivo. En muchas ocasiones se emplea agua en lugar de un disolvente orgánico. 5.Endurecedores: empleados como segundo componente en los adhesivos bicomponentes. Mezclados con el otro componente provocan la reacción química de curado.
Los constituyentes de un adhesivo genérico pueden ser: 1.Producto base: puede ser un único producto, mezcla de varios productos o modificaciones químicas de ciertos productos base. Es, casi siempre, una mezcla de monómeros, oligómeros y/o polímeros. 2.Aditivos: son sustancias que hacen variar las características físico-químicas del monómero, oligómero o polímero base del adhesivo antes y después de su curado. Podemos distinguir: a)Iniciadores: en el caso de adhesivos monocomponentes reactivos se deben emplear sustancias que mediante algún tipo de mecanismo se activen e inicien la reacción de polimerización. b)Agentes de reticulación: empleados para lograr la termoestabilización de ciertos adhesivos reactivos. c)Diluyentes: reducen la concentración de sólidos del adhesivo mejorando su mojabilidad. Modifican, además, propiedades como la viscosidad y la procesabilidad. d)Colorantes: confieren color al adhesivo. e)Antioxidantes: evitan fenómenos de oxidación del monómero. f)Plastificantes: modifican la temperatura de transición vítrea y, en consecuencia, las propiedades físicas del adhesivo una vez curado. g)Agentes de “tack” o resinas tackificantes: sustancias que confieren untuosidad al adhesivo. Pueden ser sustancias naturales (derivados de resinas de pino) o sintéticas (derivados de residuos del petróleo). h)Surfactantes o tensoactivos: agentes que mejoran la estabilidad de los adhesivos emulsionados. i)Sustancias fluorescentes: permiten la localización del adhesivo sobre la pieza mediante detectores adecuados. j)Carriers: soportes sólidos empleados fundamentalmente en adhesivos piezosensibles. k)Agentes de acoplamiento o promotores
2.7. Reología de los sistemas adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite España)
2.7.1 Introducción Los adhesivos presentan propiedades físico-químicas muy diferenciadas antes y después de su curado. Antes, deben ser fluidos capaces de ser transportados hasta la superficie de los sustratos y copiar su superficie. Después, deben presentar propiedades mecánicas adecuadas a los requisitos del ensamblaje. La transformación que experimenta el adhesivo se denomina curado. Sólo hay una familia de adhesivos que no experimente curado, los adhesivos piezosensibles entre los que se encuentran las archiconocidas cintas adhesivas. Las propiedades reológicas de los adhesivos antes del curado afectan a características tales como la procesabilidad, la dosificación o la capacidad de relleno de holgura. Por otro lado, son indicadores del rendimiento del producto y, en consecuencia, indicadores de su calidad. Una de las mediciones típicas para comprobar el buen estado de un adhesivo es la de la viscosidad.
43
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
2.7.2 La Reología: comportamientos newtoniano y hookiano
fluido.
La Reología es la ciencia que estudia la deformación y el flujo de la materia. El término “Reología” fue acuñado por el profesor Bingham del Colegio Lafayette, en Indiana. Esta definición fue aceptada cuando se fundó la Sociedad Americana de Reología en 1929. La Reología abarca el estudio de materiales muy diversos como pinturas, plásticos, cauchos, lubricantes, materiales biológicos, asfaltos, etc. Sin embargo, muchos fluidos no son objeto de estudio por parte de la Reología. Es necesario, pues, definir el espectro de materiales que realmente cubre esta rama del saber.
Fig.2.32: Representación del flujo viscoso de un fluido newtoniano.
La diferencia entre sólidos y líquidos es intuitiva. Consideramos un sólido a aquel material que ofrece una resistencia a la deformación. Cuando solicitamos un sólido recibimos una respuesta elástica y posteriormente, una vez superado el límite elástico, una respuesta plástica. La ley de Hook gobierna el comportamiento del sólido dentro de la región elástica.
Muchos fluidos cumplen el principio que Isaac Newton enunció en el siglo XVII según el cual “la resistencia al deslizamiento ofrecida por un fluido es proporcional a la velocidad a la cual se separan entre si las partes del líquido”. Según este principio, la fuerza por unidad de área necesaria para producir el movimiento o tensión de cortadura t=F/A, es proporcional a la velocidad de deformación también a cortadura g= U/d . La constante de proporcionalidad es el denominado coeficiente de viscosidad h:
Un fluido, sin embargo, es un material que fluye incluso por efecto de la gravedad de manera que adopta la forma del envase que lo contiene. Cuando solicitamos un fluido recibimos una respuesta viscosa, gobernada por la ley de Newton.
t = hg donde t es la tensión de cortadura en Pascales (Pa), h el coeficiente de viscosidad en Pascales segundo (Pa·s) y g la velocidad de deformación en segundos a la menos uno (s -1). La viscosidad de un fluido Newtoniano es independiente de la velocidad de deformación y del historial de deformaciones.
Entre estos dos comportamientos ideales se hayan una serie de sustancias que responden de forma no lineal cuando son solicitados, o bien, presentan patrones de respuesta elásticos o viscosos dependiendo de la velocidad de solicitación o la escala temporal en la que se observa la deformación. Estos materiales son objeto de estudio por parte de la Reología.
La siguiente tabla muestra algunas viscosidades típicas. Aunque la unidad formal es el Pa·s, es común ver las viscosidades representadas en mPa·s, ya que el agua tiene una viscosidad de 1 mPa·s. Incluso el aire, aún siendo un gas, presenta una viscosidad que es cien veces inferior a la del agua.
2.7.2.1 El comportamiento newtoniano: la viscosidad Una de las propiedades más importantes que caracterizan la capacidad de deformación de un fluido frente a una solicitación es su viscosidad. La viscosidad se define como la resistencia que presentan las moléculas de un fluido a su separación. Esquemáticamente, podemos representar dos láminas de fluido separadas por un espesor de
44
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
MATERIAL
tensiones de cortadura, la relación resulta como sigue:
VISCOSIDAD (Pa·s)
Bitumen Polímeros fundidos
100.000.000 1.000
Jarabes Miel líquida Glicerina
t = Gg
100 10 1
Aceite de oliva Agua Aire
donde t es la tensión de cortadura en Pascales (Pa), G el módulo de rigidez en Pascales (Pa) y g el ángulo de deformación. Representado de forma esquemática, un bloque de sólido hookiano se deforma bajo una tensión de cortadura t para formar un ángulo de deformación g :
0.01 0.001 0.00001
En la siguiente tabla se muestran las velocidades de deformación a cortadura típicas de algunos procesos comunes. Conviene destacar que ciertos procesos en los que se trabaja con espesores de fluido muy pequeños, como cuando se pinta a brocha o se saca brillo a los zapatos, imprimen velocidades de deformación extremadamente elevadas, de hasta 10 6 s -1. En el otro extremo, procesos como la sedimentación producen movimientos muy pequeños de capas por lo que siendo aún un procesos a cortadura presentan velocidades de deformación muy pequeñas de en torno a 10 -6 s -1.
PROCESO
Fig.2.33: Representación de la deformación angular elástica de un sólido hookiano deformado a cortadura.
En resumidas cuentas, hemos visto las ecuaciones que rigen los fluidos puramente viscosos (ley de Newton) y los sólidos puramente elásticos (ley de Hook). Sin embargo, durante el siglo XIX se comprobó que existían ciertos materiales cuyo comportamiento mecánico se desviaba del viscoso y del elástico puros. Así, Weber observó por ejemplo que los hilos de seda sufrían una deformación inicial seguida de una alargamiento paulatino cuando se sometían a cargas constantes de estiramiento. Cuando se dejaba de solicitar el hilo retornaba lentamente a sus dimensiones originales. Igualmente, Maxwell observó un cierto comportamiento elástico en ciertos líquidos.
VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN (S -1)
Sedimentar Nivelar Desaguar Masticar Pintar a brocha Sacar brillo a los zapatos
0.000001 - 0.0001 0.01 - 0.1 0.1 - 10 1 - 100 1 - 1.000 10.000 - 1.000.000
A pesar de que Newton introdujo estas ideas en 1687, no fue hasta el siglo XIX cuando Navier y Stokes desarrollaron de forma independiente una teoría tridimensional consistente para los fluidos newtonianos. Las ecuaciones que gobiernan estos fluidos se denominan ecuaciones de NavierStokes.
2.7.2.3 Desviaciones del comportamiento lineal: comportamiento no newtoniano A pesar de su definición como ciencia, la Reología no se dedica al estudio de los fluidos puramente viscosos o de los sólidos puramente elásticos. Los materiales objeto de estudio por parte de la Reología son aquéllos cuyo comportamiento se separa de los anteriormente mencionados. Multitud de materiales como las fibras sintéticas, los polímeros, los detergentes líquidos, los aceites multigrado, las pinturas que no gotean, los cosméticos y, por supuesto, los adhesivos, obede-
2.7.2.2 El comportamiento hookiano: la elasticidad En contraposición a los fluidos Newtonianos, cuyo comportamiento es puramente viscoso, los materiales sólidos hookianos cumplen por debajo de su límite elástico la ley de Hook. Aplicada a
45
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
cen a comportamientos mecánicos a medio camino entre los líquidos y los sólidos.
la energía cinética de las moléculas de fluido que debilita la atracción intermolecular y facilita la separación de las moléculas frente a esfuerzos cortantes.
Muchos fluidos reales presentan al mismo tiempo comportamientos pseudoplástico y elástico. Estos fluidos pueden caracterizarse mediante una ley empírica potencial:
La viscosidad de los fluidos newtonianos decrece al aumentar la temperatura siguiendo de forma aproximada la relación de Arrhenius:
t = kg n
h = Ae-B/T
donde k y n son constantes características del fluido. El parámetro k cuantifica la consistencia del fluido: cuanto mayor es k, más viscoso es el fluido. El parámetro n es una medida del grado de comportamiento no-newtoniano.: cuanto más lejos se halle de la unidad más pronunciadas serán las propiedades no-newtonianas del fluido.
Donde T es la temperatura absoluta y A y B son constantes del líquido. En general, para los líquidos newtonianos, cuanto mayor es la viscosidad mayor es su dependencia de la temperatura. Esto nos obliga a emplear baños termostatizados para la medida de la viscosidad.
Hay numerosas descripciones fenomenológicas, moleculares y empíricas del comportamiento de los fluidos no-newtonianos que tienen aplicación en muchos problemas reológicos relacionados con la elasticidad, tensiones de fluencia y enrollamientos moleculares.
Los fluidos no-newtonianos presentan una dependencia mecánica de la temperatura que afecta en realidad a la fase continua. En ocasiones, se producen variaciones extraordinariamente altas, por ejemplo en suspensiones cuando alguna de las fases supera la temperatura de fluencia. A veces se producen cambios de fases que producen variaciones dramáticas de viscosidad. Los cambios de solubilidad también pueden provocar desviaciones de la ley de Arrhenius.
2.7.3 Factores que afectan a la viscosidad de un fluido no-newtoniano Los denominados fluidos no-newtonianos presentan un comportamiento mecánico dependiente no sólo de la temperatura y la presión, como es el caso de los fluidos puramente newtonianos. Los factores que afectan a la viscosidad de un fluido no-newtoniano son los que siguen:
2.7.3.2 Dependencia de la presión La viscosidad de los líquidos aumenta de forma exponencial con la presión isotrópica, puesto que se dificulta la separación entre las partículas de fluido. La única excepción es el agua a 30ºC, para la cual se observa en primer lugar una disminución seguida en último caso de un aumento exponencial.
1.La temperatura. 2.La presión. 3.La velocidad de deformación. 4.El tiempo.
Las variaciones de viscosidad son, no obstante, pequeñas para cambios de presión cercanos a la presión atmosférica, por los que desde un punto de vista práctico su efecto se ignora en los viscosímetros.
Vamos a describir cuáles son los efectos que producen sobre la viscosidad cada uno de los factores anteriores.
2.7.3.1 Dependencia de la temperatura
2.7.3.3 Dependencia de la tensión de cortadura
Generalmente, la viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura, es decir, se incrementa su fluidez. Esto se debe a que el aumento de la temperatura es consecuencia de un incremento de
Como ya se ha comentado hasta ahora, los fluidos newtonianos no presentan variaciones en su comportamiento mecánico en todo el rango de solicitaciones. Cualquier fluido que presente una
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
desviación de este comportamiento es no-newtoniano.
dad aumenta con la velocidad de deformación. Estos fluidos se denominan “dilatantes”. Aunque son mucho menos comunes que los fluidos pseudoplásticos existen ejemplos de fluidos dilatantes, como las tierras movedizas.
La desviación más común del comportamiento newtoniano lineal es el “pseudoplástico” y se produce cuando las viscosidades observadas a bajas velocidades de deformación son mayores que las observadas a altas velocidades de deformación. Sucede que a valores extremos de velocidad de deformación el comportamiento es prácticamente newtoniano, es decir, independiente de la velocidad de deformación (la viscosidad es constante). Estas regiones se conocen con el nombre de newtoniana inferior y newtoniana superior, referidas a valores bajos o altos de velocidad de deformación, respectivamente. El mayor valor de viscosidad correspondiente a la región newtoniana inferior se conoce con el nombre de viscosidad en estático.
Fig.2.35: Variación de la viscosidad de diversos fluidos a diferentes velocidades de deformación.
Otros materiales presentan un esfuerzo mínimo de deformación, por debajo del cual presentan un comportamiento elástico. Este efecto se denomina “efecto Bingham”. Se puede decir que para estos materiales la viscosidad en estático es infinito, y no cabe duda sobre la existencia de una primera región newtoniana.
Fig.2.34: Fluidos newtonianos: A, relación lineal entre esfuerzo de cortadura y velocidad de deformación; B, la viscosidad del fluido permanece constante a cualquier velocidad de deformación.
Fig.2.36: Variación de la resistencia a cortadura de varios fluidos a diferentes velocidades de deformación.
Algunos ejemplos de fluidos pseudoplásticos son los polímeros fundidos, la sangre y muchos adhesivos. Existen multitud de disposiciones moleculares que producen pseudoplasticidad. Un ejemplo común sucede cuando partículas con formas irregulares se alinean en la dirección de flujo del líquido. Entonces, presentan una superficie menor y una viscosidad de arrastre inferior por lo que la resistencia frente a esfuerzos de cortadura disminuye. En cuanto desaparece el esfuerzo, el movimiento browniano se encarga de devolver la orientación aleatoria de la partículas. Otros procesos que inducen pseudoplasticidad son el desenrrollamiento de cadenas largas de polímeros, la deformación de partículas maleables o la rotura de agregados.
Existen diversos modelos matemáticos que describen estas desviaciones del comportamiento newtoniano, entre ellas el modelo potencial mencionado anteriormente. Todos ellos son básicamente empíricos y son consecuencia del ajuste de las curvas experimentales a ecuaciones que reproduzcan los datos obtenidos en el laboratorio.
Existe algunos materiales en los que la viscosi-
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO
2.7.3.4 Dependencia del tiempo de solicitación
de forma cíclica un adhesivo tixotrópico aparece un fenómeno acusado de histéresis. Se necesita mayor esfuerzo en la curva ascendente que en la descendente, lo cual hace evidente un cambio en la microestructura del fluido.
En muchas ocasiones, la medida de la viscosidad de un fluido no-newtoniano no sólo depende del esfuerzo de cortadura (a presión y temperatura constantes) y experimenta variaciones a lo largo del tiempo de solicitación. Este efecto es consecuencia de una reorganización microestructural del fluido que puede ser reversible o irreversible.
El componente más común que se emplea para impartir tixotropía en un adhesivo es la sílice. La sílice consta de partículas mas o menos esféricas de dióxido de silicio con diámetros del orden de los 100nm. En la práctica estas partículas forman agregados, que a su vez se agrupan para formar aglomerados de mayor tamaño. Cuando una dispersión de tales aglomerados se deja en reposo, se forma una estructura tridimensional tipo gel. Cuando se solicita a cortadura esta estructura, se rompe y se facilita su flujo. El ciclo es reversible pero dependiente del tiempo. Cuanto más dura el proceso de disgregación más se deshace la estructura. En reposo el material recupera gradualmente su estructura hasta que se reconstruye la red tridimensional.
Fig.2.37: Variación temporal de la viscosidad de diversos fluidos sometidos a diferentes tensiones de cortadura.
Conviene destacar que la tixotropía es un fenómeno enteramente dependiente de la historia del material. Por tanto, cualquier predicción sobre el flujo del material debe realizarse con un conocimiento pleno del historial de solicitaciones/deformaciones que haya experimentado el fluido.
Según la definición aceptada, un descenso gradual de la viscosidad bajo tensión seguido de una recuperación paulatina de la estructura cuando el esfuerzo desaparece se denomina “tixotropía”. El efecto opuesto se denomina “reopexia”.
2.7.4 Comportamiento viscoelástico La tixotropía se suele dar en líquidos que presentan pseudoplasticidad. Igualmente suelen coincidir comportamientos reopéxicos y dilatantes en un mismo fluido. La forma en la que el fenómeno se manifiesta depende del tipo de ensayo realizado.
Ciertos materiales presentan desviaciones de los comportamientos elástico y viscoso cuando la velocidad de solicitación varía. Así, ciertos cauchos de silicona fluyen de forma viscosa por el simple efecto de la gravedad adaptándose al envase que los contiene, como si de un líquido puramente viscoso se tratara. Estos mismos materiales, se comportan como sólidos elásticos frente a velocidades de solicitación mayores y de hecho rebotan cuando se lanzan contra una pared o el suelo.
Cuando se barre el velocidades de deformación
Fig.2.38: Efecto de histéresis en los fluidos tixotrópicos bajo barridos cíclicos de velocidad de deformación.
En ciertos materiales es frecuente la existencia de un comportamiento reológico mixto, con una componente elástica y otra viscosa, debido a la existencia de diferentes mecanismos de deformación. La dependencia de la velocidad de deformación queda patente para estos materiales. El acercamiento clásico a la descripción de la
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
g =
respuesta de materiales que presentan propiedades viscosas y elásticas está basado en la analogía con el comportamiento de ciertos elementos mecáni-
t
G
(1-e-t/l)
h donde l = es el denominado tiempo de relaG jación. Como puede apreciarse de la definición de tiempo de relajación, cuanto mayor sea la componente elástica respecto a la viscosa, menor será el tiempo de respuesta; mientras que si la componente viscosa es elevada, el tiempo de respuesta del material a una deformación también lo será. El modelo mecánico más completo y que representa mejor el comportamiento general de los materiales viscoelásticos es el modelo de Berger, el cual combina los modelos de Maxwell y de Voight y puede aplicarse a cualquier tipo de respuesta. La utilización de una componente puramente viscosa en el modelo de Berger podría indicar que todos los materiales tienen tendencia a deformarse permanentemente, es decir, que mostrarían una deformación viscosa cuando son sometidos a una fuerza. Este hecho no siempre se observa, puesto que depende del tiempo de relajación del material y del tiempo que éste sea observado mientras dura la fuerza aplicada (tiempo experimental), así como la magnitud de tal fuerza.
Fig.2.39: Modelos de comportamiento elástico, viscoso y viscoelástico
cos. Estos modelos son apropiados solamente para pequeñas amplitudes de desplazamiento, siendo inadecuados para predecir una deformación continua o el comportamiento de flujo de los materiales reales.
Para definir la escala temporal en Reología se emplea el denominado Número de Deborah, que matemáticamente se define como:
Como se aprecia, en el modelo de Maxwell, durante la aplicación de la fuerza existe una deformación elástica instantánea, sucedida por una deformación plástica. Cuando se elimina esta fuerza, la deformación provocada por el elemento viscoso no se recupera, el sistema sólo retorna la deformación elástica.
donde T es el tiempo característico de en el que se observa la deformación y t es el tiempo característico del material. El valor de t es infinito para sólidos elásticos hookianos y cero para líquidos viscosos newtonianos. Para valores cercanos a la unidad:
D e = t/T
D e>>1:Deformación elástica. El material se comporta como un sólido. D e = 1:Comportamiento viscoelástico. D e WA . Éste era un resultado esperado, puesto que en este caso se generan enlaces primarios (covalentes) en la intercara, que elevan drásticamente el valor de q 0 mientras que no afecta a W A que sólo depende de las interacciones de van der Waals.
Fig.3.19: Evolución de la resistencia con el incremento del área de adhesión cuando aumentamos la anchura y la longitud de solape.
3.4 Diseño de la junta adhesiva (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid)
3.4.1 Generalidades Un paso extremadamente importante durante el proceso de diseño de la junta adhesiva es establecer los requisitos de la aplicación. Propiedades como la resistencia a cortadura, la resistencia a impacto, la pérdida de resistencia por envejecimiento térmico, las tolerancias de montaje (holguras), la resistencia a distintas condiciones ambientales y a disolventes, los tiempos de manipulación requeridos y los límites aceptables para cualquiera de tales pruebas son ejemplos de características que deben ser especificadas.
Esto es debido a que las tensiones se acumulan en los extremos de la zona de solapamiento. Cuando se incrementa la longitud de solape, la
El tipo de proceso de limpieza, la preparación superficial y los límites de rugosidad superficial que pueden ser tolerados deben ser especificados.
Fig.3.20: Efecto del incremento de solape en la tensión medida en la línea media del solape.
Lo ideal es describir o identificar de forma fácilmente comprensible los métodos de prueba empleados para determinar las propiedades de la adhesión y del adhesivo a emplear, como hacen por ejemplo los ensayos normalizados de los distintos organismos de normalización. Tanto el diseño como la elección del adhesivo deben acomodarse a la aplicación, evitando en la medida de lo posible juntas adhesivas sobredimensionadas, que suelen encarecer de forma desproporcionada e innecesaria los costes de montaje. Los factores geométricos que se consideran en primer lugar son la anchura de la adhesión, la longitud de solapamiento y los espesores de adhesivo
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
tensión máxima disminuye para una fuerza dada. Si se sigue incrementando la longitud de solape, sólo se consigue una pequeña disminución de la tensión máxima, mientras que las zonas centrales de la unión adhesiva existe una zona libre de carga. Como regla práctica no conviene solapar mas de 25 -30 mm, ya que no se consigue un incremento de la resistencia de la unión.
micen las operaciones de ensamblaje con adhesivo. .Recordar que debemos anticiparnos a todas las posibles solicitaciones (particularmente las de pelado y desgarramiento) que puedan aparecer durante el ensamblaje o las operaciones de manipulación, así como las que se puedan producir durante el funcionamiento de la pieza. .Evitar partes con curvaturas complejas.
La longitud y la anchura no son las únicas variables geométricas que influyen en la resistencia de la adhesión. La carga a partir de la cual un substrato comenzará a deformarse plásticamente depende de su rigidez y grosor. Sucede con frecuencia que la resistencia de adhesión de dos piezas delgadas supera el límite elástico y la resistencia última de los substratos.
3.4.2 Reglas de diseño de las uniones adhesivas Es imposible dar reglas de diseño para todos los tipos de uniones posibles, así que se comentaran los tipos más comunes de uniones y las posibles soluciones para mejorar su rendimiento.
De Bruine y Houwink analizaron la relación entre grosor, solapamiento y tensión, definiendo como “factor de junta” la relación entre la raíz cuadrada del grosor y la longitud de solapamiento.
3.4.2.1 Diseño de uniones a solape En el diseño de uniones adhesivas las uniones solapadas son las que más frecuentemente se encuentran. Este tipo de unión es de gran utilidad y existen multitud de soluciones para mejorar la distribución de tensiones.
Fig.3.21: Relación entre la resistencia y el factor de junta de una unión solapada..
Como se vio anteriormente en el caso de uniones solapadas las fuerzas están desalineadas respecto a la línea de adhesión y bajo una carga determinada se produce una distorsión de los substratos, provocando unos momentos flectores que generan esfuerzos de desgarro. En el caso de que aparezcan fuerzas sólo en un lado de la unión se pueden inducir esfuerzos de pelado. En estos casos existen distintas soluciones para mejorar la resistencia. Estas mejoras van en tres caminos:
Algunas consideraciones de diseño importantes se pueden resumir en los siguientes puntos:
1.Rediseñar la junta para asegurar el alineamiento de los esfuerzos. 2.Rigidizar la zona de la unión para evitar esfuerzos de desgarro. 3.Se puede aumentar la flexibilidad de los bordes de los substratos para que se adapten mejor a los esfuerzos evitando así esfuerzos de pelado.
.Utilizar siempre la mayor área posible, respetando las limitaciones de costo de la aplicación. .Alinear correctamente las uniones de modo que las tensiones puedan ser absorbidas en la dirección de mayor resistencia de la unión. .Maximizar esfuerzos de cortadura y minimizar esfuerzos de pelado y de desgarramiento. .Diseñar subensamblajes de modo que se mini-
En las siguientes figuras se pueden observar
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
algunas de estas soluciones.
En el caso de que en estas uniones solapadas aparezcan esfuerzos de pelado, se pueden utilizar varias soluciones pero todas van en la dirección de restringir el movimiento en el borde de la unión. Esto se puede conseguir aumentando la rigidez o el área de adhesivo en el borde del sustrato, generando un doblez con lo cual tenemos un anclaje mecánico o utilizando un remache o un punto de soldadura en el borde.
Fig.3.24: Métodos para evitar las tensiones de pelado en adhesivos rígidos.
Fig.3.22: Juntas solapadas.
3.4.2.2 Diseño de uniones a tope: uniones tubulares Las uniones a tope presentan buenas resistencia frente a esfuerzos de tracción y aún mejores frente a los de compresión. Sin embargo, estas uniones son problemáticas ya que se pueden generar con cierta facilidad esfuerzos de desgarro si se produce un desalineamiento de las fuerzas respecto al eje de revolución. Habitualmente en estos casos se suelen emplear chaflanes, canales y escalones para facilitar la inserción de ambas piezas, aumentando así el área de contacto e incrementando a su vez la resistencia al desgarro por el impedimento mecánico que se produce. Otro problema que tienen estas uniones es la imposibilidad de inspeccionar la unión, ya que el interior es inaccesible. El uso de orificios para la
Fig.3.23: Terminaciones de junta para reducir la rigidez.
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
inyección del adhesivo y la apertura de canales para facilitar el escape del aire ocluido, son algunas de las soluciones para asegurar que el adhesivo ha rellenado toda la cavidad.
les (T), son los mas peligrosos, ya que generan esfuerzos de desgarro y de pelado. En el caso de fuerzas normales (N) son más peligrosos los esfuerzos de compresión ya que pueden provocar el pandeo de la chapa y la aparición de momentos flectores sobre ella.
Fig.3.25: Uniones en tubo para cargas axiales y torsionales.
Fig.3.27: Mejoras de diseño para uniones en T.
En general todos los diseños en este tipo de uniones se dirigen al empleo de escuadras y elementos que aumenten en área de la unión, así como la rigidez del conjunto, a fin de evitar la flexión en el caso de esfuerzos transversales.
En la siguiente figura se observan algunas modificaciones en el diseño de estas uniones para mejorar su comportamiento.
3.4.2.4 Diseño de uniones en esquina Para estas uniones son válidas las reglas y recomendaciones realizadas para las uniones en T. Las uniones a 90º usualmente empleadas en soldadura no son validas en este caso, ya que se pueden
Fig.3.26: Ejemplo de introducción de una mejora en el diseño de un conjunto cilíndrico unido con adhesivo.
3.4.2.3 Diseño de uniones en T Fig.3.28: Mejoras de diseño para uniones en esquina.
En este tipo de uniones los esfuerzos transversa-
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
generar con cierta facilidad esfuerzos de desgarro y pelado. La utilización de elementos suplementarios de refuerzo permiten una mejora considerable. Las uniones mediante refuerzos de escuadras o el encastrado en piezas auxiliares, son las soluciones más habituales en estos casos.
Fig.3.30: Modificaciones de diseño en uniones adhesivas.
En las figuras que vienen a continuación se aprecia que con los mismos elementos constructivos y con pequeñas modificaciones en el diseño se pueden obtener mejoras significativas en las prestaciones de una estructura. Obsérvese el caso de la siguiente figura, la cual representa una estructura en forma de caja sometida a un esfuerzo de tracción. En este caso la solución B es la más adecuada, ya que en la solución A se produce una flexión del elemento inferior. Esta deflexión genera un momento flector que tiende a abrir la unión y producir un desgarro de la unión.
3.5 Ensayos no destructivos para la evaluación de las uniones adhesivas (Mario Madrid Vega, Loctite España)
3.5.1 Introducción La calidad de las uniones adhesivas se determina mediante un elevado número de elementos interrelacionados, incluyendo los constituyentes y el proceso de ensamblaje. Una vez que se ha realizado la unión adhesiva, su inspección se limita a la comprobación de las dimensiones del producto y si efectivamente las piezas están unidas. A partir de este punto se requieren técnicas de evaluación no destructiva (NDE). La finalidad de estas técnicas es detectar defectos en la unión, determinar las propiedades del adhesivo y, finalmente, asegurar el rendimiento de la junta adhesiva.
Fig.3.29: Modificación de diseño en uniones adhesivas.
Conclusiones parecidas se pueden extraer de los ejemplos que aparecen en la figura siguiente. A menudo, como se ha visto en algún ejemplo anterior los adhesivos se combinan con operaciones de conformado, atornillado, remachado o soldado, resultando auténticas formas híbridas de ensamblaje. En cuanto al diseño, en general la idea consiste en eliminar la dependencia del tiempo de curado del adhesivo y minimizar los problemas debidos a esfuerzos de pelado y de desgarro durante el funcionamiento del conjunto. El adhesivo reduce la concentración de esfuerzos y mejora el rendimiento del ensamblaje frente a cargas dinámicas.
Uno de los métodos más sencillos consiste en el seguimiento de la propagación del sonido en el ensamblaje para detectar defectos en la unión adhesiva. Sin embargo, es un sistema limitado y poco fiable, puesto que sólo sirve para detectar defectos de cierta magnitud. Igualmente, otras limitaciones parecen insalvables mediante el uso de métodos NDE. Es el caso de la imposibilidad de determinar resistencias reales (más relacionadas con el punto más débil de la
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
unión que con la resistencia media que puede ser sensiblemente superior) o de detectar fallos adhesivos (en la intercara adhesivo/sustrato).
alguno de los siguientes: 1.Adhesivo escasamente curado o adhesivo excesivamente curado. 2.Exceso de espesor de adhesivo por insuficiente presión durante el ensamblaje o falta de coincidencia de los sustratos. Resulta en la aparición de porosidades o huecos. 3.Adhesivo espumoso o poroso producido por un curado excesivamente rápido (rampa de calentamiento muy pronunciada en adhesivos de curado por calor). 4.Pérdida de la durabilidad a largo plazo por presencia de excesiva humedad en el adhesivo antes de su curado.
Como resultado de las limitaciones mencionadas, los métodos NDE se emplean en la práctica para detectar defectos. El método NDE más sensible y fiable para uniones adhesivas se basa en los ultrasonidos. Allí donde los ultrasonidos están limitados se emplean otros métodos NDE como las holografía y la detección térmica. El empleo de ordenadores mejora la detectabilidad de los defectos.
3.5.2 Descripción de los defectos 3.5.3 Aplicaciones y limitaciones de NDT en las uniones adhesivas
Existe una enorme variedad de grietas o discontinuidades que pueden aparecer en las estructuras adheridas. En las uniones metal-metal, los defectos son normalmente huecos o despegues.
Existen multitud de métodos NDT disponibles para la inspección. A continuación se describirán algunos de los que se pueden emplear para la inspección de estructuras adheridas.
Los defectos de intercara se deben a errores cometidos durante el pretratamiento de los adherentes, antes del proceso real de ensamblaje. Generalmente, estos defectos sólo se evitan realizando controles como el de rotura de gota (comprobación de la buena mojabilidad de la superficie) o la caracterización del pretratamiento (por ejemplo, el espesor del anodizado o de la imprimación) puesto que no son detectables mediante métodos de ensayo no destructivos (NDT).
3.5.3.1 Inspección visual La inspección visual se aplica tanto a la evaluación de los materiales, como a la de ciertos recubrimientos o la comprobación de que el proceso de curado (presión, temperatura, tiempo, etc.) ha sido correcto. Asimismo, nos permite revelar defectos como fracturas en el metal o en el adhesivo, despegues, delaminaciones, impactos, inclusión de elementos extraños, aparición de burbujas o cualquier otro defecto mecánico.
Fig.3.31: Defectos típicos en uniones adhesivas.
3.5.3.2 Inspección mediante ultrasonidos Se emplean ultrasonidos entre 2.25 y 10 Mhz. A continuación se mencionan las técnicas existentes: 1.Eco de un pulso de contacto: se emplea el mismo transductor para emitir y detectar la reflexión del pulso de ultrasonidos. 2.Transmisión por contacto: el detector del pulso se coloca al lado opuesto del emisor del pulso de ultrasonidos. 3.Método de inmersión: el ensamblaje se
Los defectos del adhesivo curado pueden ser
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
sumerge en un tanque de agua. El pulso se detecta por reflexión, por transmisión o empleando una placa reflectora.
Fig.3.35: Detección de defecto en un laminado de material compuesto mediante representación C. Técnica de conmutación.
La mayor limitación de los métodos de ultrasonidos es la aparición de interferencias debidas al espesor del adhesivo o de los sustratos, y que pueden hacer creer al usuario que existen despegues donde no los hay.
3.5.3.3 Radiografía de rayos-X Es un método relativamente caro, pero que permite realizar inspecciones en un solo barrido. Es capaz de detectar discontinuidades, variaciones de densidad y variaciones de absorción de rayos-X en los materiales. Es especialmente ventajoso para ciertos adhesivos que son opacos a los rayos-X, por lo que permite una detección rápida de los huecos y las porosidades.
Fig.3.32: Gráfico del eco de propagación de ultrasonidos en un laminado sin defectos.
3.5.3.4 Radiografía de neutrones Tiene similitudes con la radiografía de rayos-X, pero presenta ventajas ya que no es tan sensible a las variaciones de densidad o de espesor de los materiales. Se emplea para determinar la presencia de huecos o porosidades en el adhesivo (los hidrógenos de los polímeros absorben los neutrones y los hacen opacos) cuando la inspección con rayos-X no es adecuada, aunque su uso como método rutinario es caro.
Fig.3.33: Gráfico del eco de propagación de ultrasonidos en un laminado con defectos.
3.5.3.5 Test de la moneda El método más simple para inspeccionar una unión adhesiva consiste en golpear la estructura con una moneda y comprobar cualquier cambio de tono del sonido producido, normalmente relacionados con despegues grandes (del orden de 38 mm). No permite detectar defectos menores o aquéllos que aparezcan en uniones adhesivas internas, como en el caso de multicapas.
Fug.3.34: Detección de defecto en un laminado de material compuesto mediante representación C. Técnica continua.
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
3.5.3.6 Emisión acústica
cies adhesivas en la fase de diseño.
En algunos casos, las técnicas de emisión acústica son más efectivas que los ultrasonidos o los rayos-X convencionales para detectar corrosión interna en los metales y adhesivo degradado por la humedad. El principio del método es la detección de ondas acústicas o mecánicas producidas por transformaciones físicas o mecánicas de los materiales. En lo que se refiere a la detección de corrosión en la línea de unión, sólo es posible si no se ha eliminado el agua del área.
En la actualidad la normativa generada por los distintos cuerpos normativos es muy abundante, siendo de especial importancia ASTM e ISO. En España como en el resto de los países de la Unión Europea el CEN esta homogeneizando en colaboración con los distintos cuerpos normativos nacionales (BS, DIN, AENOR, AFNOR,etc.) toda la normativa europea, así las norma EN son validas para todos los países de la Unión. En el caso de ASTM el comité encargado de los adhesivos es el D14 y el de los selladores el C24. El comité D14 de ASTM tiene 11 subcomités dedicados al desarrollo de especificaciones de materiales y métodos de ensayo para adhesivos. La ASTM publica dentro del Annual Book of ASTM Standars un tomo (Volumen 15.06) dedicado a los adhesivos que contiene una compilación de especificaciones, practicas y métodos de ensayo.
3.5.3.7 Métodos NDT (ensayos no destructivos) especiales Existe una gran variedad de métodos NDT, entre los cuales podemos mencionar: 1.Interferometría holográfica 2.Inspección térmica o infrarroja 3.Inspección termográfica 4.Ensayos de estanqueidad 5.Holografía acústica
En el tema de adhesivos el CEN y AENOR también tienen unos comités específicos, siendo respectivamente el nº 193 y el nº 143. A su vez estos comités están divididos en siete subcomités:
3.6 Métodos estándar para la evaluación de las uniones adhesivas (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid)
SC1:Terminología y ensayos generales. SC2:Adhesivos estructurales. SC3:Adhesivos para papel y cartón. SC4:Adhesivos para la construcción. SC5:Adhesivos para cuero y calzado. SC6:Adhesivos para tuberías de plástico. SC7:Adhesivos para la madera y productos derivados de la madera.
Para poder seleccionar un adhesivo y predecir su comportamiento en una aplicación se emplea la hoja de datos técnicos que elabora el fabricante. Los valores que se incluyen corresponden a ensayos normalizados. Dado el elevado número de factores que afectan en el rendimiento de un adhesivo, sólo son comparables entre sí los resultados obtenidos mediante un mismo ensayo normalizado.
Una diferencia que tienen los ensayos mecánicos de adhesivos, frente a otro materiales como los metales o los polímeros como materias primas, es que son muy inusuales los ensayos de adhesivos en masa, donde lo que se ensaya es una pieza monolítica del adhesivo polimerizado.
Hay multitud de métodos estándar para evaluar el comportamiento de las uniones adhesivas. Tales métodos permiten predecir la resistencia de las juntas adhesivas frente a diferentes tipos de esfuerzos o diferentes condiciones de envejecimiento. Asimismo también existen normas sobre preparaciones superficiales para los distinto tipos de substratos, nomenclatura y terminología, métodos de muestreo y presentación de resultados, etc. Estas normas son una herramienta indispensable para comparar y seleccionar las diferentes espe-
En el ensayo de metales se suele ensayar el material bajo distintas condiciones de esfuerzo (tracción, flexión, cizalla), sin embargo en los adhesivos lo que se ensaya es la unión, ya que en ésta tiene una gran importancia el diseño así como el tipo de substrato que se está empleando. Así bajo estas premisas los ensayos mecánicos de uniones adhesivas más extendidos son los ensayos de tracción en uniones a tope, cizalla en
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
uniones solapadas, desgarro y pelado.
Properties of Adhesives in Plywood Type Construction in Shear by Tension Loading. D907-96a: Terminology of Adhesives. $D950-94: Test Method for Impact Strength of Adhesive Bonds. $D1002-94: Test Method for Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading (Metal-to-Metal). $D1062-96 e1: Test Method for Cleavage Strength of Metal-to-Metal Adhesive Bonds. $D1084-88: Test Methods for Viscosity of Adhesives. D1101-92: Test Methods for Integrity of Glue Joints in Structural Laminated Wood Products for Exterior Use. D1144-94: Practice for Determining Strength Development of Adhesive Bonds. $D1146-88 (1994) e1: Test Method for Blocking Point of Potentially Adhesive Layers. $D1151-90 (1995): Test Method for Effect of Moisture and Temperature on Adhesive Bonds. $D1183-96 e1: Test Methods for Resistance of Adhesives to Cyclic Laboratory Ageing Conditions. $D1184-93: Test Method for Flexural Strength of Adhesive Bonded Laminated Assemblies. D1304-93: Test Methods for Adhesives Relative to Their Use as Electrical Insulation. D1337-96: Test Method for Storage Life of Adhesives by Consistency and Bond Strength. D1338-91: Test Method for Working Life of Liquid or Paste Adhesives by Consistency and Bond Strength. $D1488-96: Test Method for Amylaceous Matter in Adhesives. $D1489-93: Test Method for Nonvolatile Content of Aqueous Adhesives. D1490-96 e1: Test Method for Nonvolatile Content of Urea-Formaldehyde Resin Solutions. $D1579-92: Test Method for Filler Content of Phenol, Resorcinol, and Melamine Adhesives. $D1582-93: Test Method for Nonvolatile Content of Liquid Phenol, Resorcinol, and Melamine Adhesives. $D1583-96: Test Method for Hydrogen Ion Concentration of Dry Adhesive Films. $D1780-94: Practice for Conducting Creep Tests of Metal-to-Metal Adhesives.
3.6.1 Normas ASTM para la caracterización de uniones adhesivas La siguiente lista incluye las normas ASTM más empleadas para la caracterización de los adhesivos: Ha sido extraída del libro anual de normas ASTM de 1997, volumen 15.06 sobre “Adhesivos”. El código que identifica cada norma incluye en formato de dos cifras (por ejemplo 97), después de un guión, el año original de adopción del estándar o, en caso de revisión, el año en que tuvo lugar. Las letras que siguen al año significan que se han realizado varias revisiones durante ese año (a = 2 revisiones, b = tres revisiones, etc.). Las normas aprobadas sin cambios se indican con el año completo en el que se volvieron a aprobar entre paréntesis. Las épsilon indican cambios de editorial desde la última revisión o aprobación. El número que sigue indica el número de revisiones (e1 = 1 revisión, e2 = 2 revisiones, etc.). Las referencias marcadas con el símbolo $ han sido aprobadas para su empleo por el Departamento de Defensa Americano. La referencia marcada con el símbolo § corresponde a una norma extraída oficialmente de un estándar de una Sociedad. C557-93a: Specification for Adhesives for Fastening Gypsum Wallboard to Wood Framing. $D896-92: Test Method for Resistance of Adhesive Bonds to Chemical Reagents. $D897-95a: Test Method for Tensile Properties of Adhesive Bonds. $D898-96: Test Method for Applied Weight per Unit Area of Dried Adhesive Solids. $D899-94: Test Method for Applied Weight per Unit Area of Liquid Adhesive. $D903-93: Test Method for Peel or Stripping Strength of Adhesive Bonds. D904-94: Practice for Exposure of Adhesive Specimens to Artificial Light. $D905-94: Test Method for Strength Properties of Adhesive Bonds in Shear by Compression Loading. $D906-94a: Test Method for Strength
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$D1781-93: Method for Climbing Drum Peel Test for Adhesives. D1828-96: Practice for Atmospheric Exposure of Adhesive-Bonded Joints and Structures. D1874-62 (1993) e1: Specification for Wateror Solvent-Soluble Liquid Adhesives for Automatic Machine Sealing of Top Flaps of Fiberboard Shipping Cases. $D1875-95: Test Method for Density of Adhesives in Fluid Form. $D1876-95: Test Method for Peel Resistance of Adhesives (T-Peel Test). D1879-70 (1994): Practice for Exposure of Adhesive Specimens to High-Energy Radiation. D1916-93: Test Method for Penetration of Adhesives. D1994-95: Test Method for Determination of Acid Numbers of Hot-Melt Adhesives. D1995-92: Test Method for Multi-Modal Strength of Autoadhesives (Contact Adhesives). D2093-92: Practice for Preparation of Surfaces of Plastics Prior to Adhesive Bonding. D2094-91 (1995): Practice for Preparation of Bar and Rod Specimens for Adhesion Tests. D2095-96 e1: Test Method for Tensile Strength of Adhesives by Means of Bar and Rod Specimens. D2293-96: Test Method for Creep Properties of Adhesives in Shear by Compression Loading (Metal-to-Metal). D2294-96: Test Method for Creep Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal-to-Metal). D2295-96: Test Method for Strength Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading at Elevated Temperatures (Metal-to-Metal). D2339-94093a: Test Method for Strength Properties of Adhesives in Two-Ply Wood Construction in Shear by Tension Loading. D2556-93a: Test Method for Apparent Viscosity of Adhesives Having Shear-RateDependent Flow Properties. D2557-93: Test Method for Tensile-Shear Strength of Adhesives in the Subzero Temperature Range from -267.8 to -55ºC (-450 to 67ºF). D2559-92 (1996): Specification for Adhesives for Structural Laminated Wood Products for Use Under Exterior (Wet Use) Exposure Conditions. D2651-90 (1995): Practice for Preparation of Metal Surfaces for Adhesive Bonding.
D2674-72 (1994): Methods of Analysis of Sulfochromate Etch Solution Used in Surface Preparation of Aluminium. D2739-90 (1995): Test Method for Volume Resistivity of Conductive Adhesives. D2851-86 (1993) e1: Specification for Liquid Optical Adhesive. D2918-93: Practice for Durability Assessment Of Adhesive Joints Stressed in Peel. $D2919-95: Test Method for Determining Durability of Adhesive Joints Stressed in Shear by Tension Loading. D2979-95: Test Method for Pressure-Sensitive Tack of Adhesives Using an Inverted Probe Machine. D3110-95: Specification for Adhesives Used in Laminate Joints for Nonstructural Glued Lumber Products (Discontinued 1997§). D3111-88 (1994) e1: Test Method for Flexibility Determination of Hot-Melt Adhesives by Mandrel Bend Test Method. D3121-94: Test Method for Tack of PressureSensitive Adhesives by Rolling Ball. D3163-96: Test Method for Determining Strength of Adhesively Bonded Rigid Plastic Lap-Shear Joints in Shear by Tension Loading. D3164-92a: Test Method for Strength Properties of Adhesively Bonded Plastic Lap-Shear Sandwich Joints in Shear by Tension Loading. D3165-95: Test Method for Strength Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading of Laminated Assemblies. D3166-93: Test Method for Fatigue Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading (Metal / Metal). D3167-93: Test Method for Floating Roller Peel Resistance of Adhesives. D3310-90 (1995): Test Method for Determining Corrosivity of Adhesives Materials. D3433-93: Practice for Fracture Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Metal Joints. D3434-96: Practice for Multiple-Cycle Accelerated Ageing Test (Automatic Boil Test) for Exterior Wet Use Wood Adhesives. $D3482-90 (1995): Test Method for Determining Electrolytic Corrosion of Copper by Adhesives. D3498-93: Specification for Adhesives for Field-Gluing Plywood to Lumber Framing for Floor Systems.
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D3528-96: Test Method for Strength Properties of Double Lap Shear Adhesive Joints by Tension Loading. D3535-92 (1996): Test Method for Resistance to Deformation Under Static Loading for Structural Wood Laminating Adhesives Used Under Exterior (Wet Use) Exposure Conditions. D3632-77 (1990) e1: Test Method for Accelerated Ageing of Adhesive Joints by the Oxygen-Pressure Method. D3658-90 (1995): Test Method for Determining the Torque Strength of Ultraviolet (UV) Light-Cured Glass/Metal Adhesives Joints. D3762-79 (1993) e1: Test for AdhesiveBonded Surface Durability of Aluminium (Wedge Test). D3807-93: Test Method for Strength Properties of Adhesives in Cleavage Peel by Tension Loading (Engineering Plastics-toEngineering Plastics).
D3808-96: Practice for Qualitative Determination of Adhesion of Adhesives to Substrates by Spot Adhesion Test Method. D3929-96 e1: Test Method for Evaluating the Stress Cracking of Plastics by Adhesives Using the Bent-Beam Method. D3930-93: Specification for Adhesives for Wood-Based Materials for Construction of Manufactured Homes. D3931-93: Test Method for Determining Strength of Gap-Filling Adhesive in Shear by Compression Loading. D3933-93: Guide for Preparation of Aluminium Surfaces for Structural Adhesives Bonding (Phosphoric Acid Anodizing). D3983-93: Test Method for Measuring Strength and Shear Modulus of Nonrigid Adhesives by the Thick-Adherend TensileLap Specimen. D4027-93: Test Method for Measuring Shear Properties of Structural Adhesives by the
Tabla 3.1: Ensayos ASTM.
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Modified-Rail Test. $D4300-93: Test Method for Ability of Adhesive Films to Support or Resist the Growth of Fungi. $D4317-94: Specification for Polyvinyl Acetate-Based Emulsion Adhesives. $D4338-90: Test Method for Flexibility Determination of Supported Adhesive Films by Mandrel Bend Test Method. $D4339-95: Test Method for Determination of the Odour of Adhesives. D4426-96: Test Method for Determination of Percent Nonvolatile Content of Liquid Phenolic Resins Used for Wood Laminating. D4497-94: Test Method for Determining the Open Time of Hot Melt Adhesives (Manual Method). D4498-95: Test Method for Heat-Fail Temperature in Shear of Hot Melt Adhesives. D4499-95: Test Method for Heat Stability of Hot-Melt Adhesives. $D4500-95: Test Method for Determining Grit, Lumps, or Undissolved Matter in WaterBorne Adhesives. D4501-95: Test Method for Shear Strength of Adhesive Bonds Between Rigid Substrates by the Block-Shear Method. D4502-92: Test Method for Heat and Moisture Resistance of Wood-Adhesive Joints. D4562-90 (1995) e1: Test Method for Shear Strength of Adhesives Using Pin-and-Collar Specimen.· D 4680-92: Test Method for Creep and Time to Failure in Static Shear by Compression Loading (Wood-to-Wood). D4688-95: Test Methods for Evaluating Structural Adhesives for Finger Jointing Lumber. $D4689-95a: Specification for Adhesive,
Casein-Type. $D4690-95a: Specification for UreaFormaldehyde Resin Adhesives. $D4783-93: Test Methods for Resistance of Adhesive Preparations in Container to Attack by Bacteria, Yeast, and Fungi. D4800-94: Guide for Classifying and Specifying Adhesives. D4896-95: Guide for Use of Adhesive-Bonded Single Lap-Joint Specimen Test Results. $D5040-90: Test Methods for Ash Content of Adhesives. D5041-93b: Test Methods for Fracture Strength in Cleavage of Adhesives in Bonded Joints. D5113-90: Test Methods for Determining Adhesive Attack on Rigid Cellular Polystyrene Foam. D5215-93: Test Methods for Instrumental Evaluation of Staining of Vinyl Flooring by Adhesives. D5266-92: Practice for Estimating the Percentage of Wood Failure in Adhesive Bonded Joints. D5267-92: Test Method for Determination of Extrudability of Cartridge Adhesives. D5364-93: Specification for Anaerobic SingleComponent Adhesives (AN). D5572-95 e1: Specification for Adhesives used for Finger Joints in Nonstructural Lumber Products. D5573-94: Practice for Classifying Failure Modes in Fiber-Plastic (FRP) Joints. D5574-94: Test Method for Establishing Allowable Mechanical Properties of WoodBonding Adhesives for Design of Structural Joints. D5648-94: Test Method for Torque-Tension Relationship of Adhesives Used on Threaded Fasteners (Lubricity). Tabla 3.2: Ensayos para retenciones y fijaciones con adhesivos anaeróbicos.
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D5649-94: Test Method for Torque Strength of Adhesives Used on Threaded Fasteners (Lubricity). D5656-95: Test Method for Thick Adherend Metal Lap-Shear Joints for Determination of the Stress-Strain Behavior of Adhesives in Shear by Tension Loading. D5657-95: Test Method for Fluid Tightness Ability of Adhesives Used on Threaded Fasteners. D5751-95: Specification for Adhesives Used for Laminate Joints in Nonstructural Lumber Products. D5824-95: Test Method for Determining Resistance to Delamination of Adhesive Bonds in Overlay-Wood Core Laminates Exposed to Heat and Water. D5868-95: Test Method for Lap Shear Adhesion for Fiber Reinforced Plastic (FRP) Bonding. D5999-96: Test Method for Noninterference of Adhesives in Repulping. D6004-96: Test Method for Determining Adhesive Shear Strength of Carpet Adhesives. D6005-96: Test Method for Determining Slump Resistance of Carpet Adhesives. E229-92: Test Method for Shear Strength and Shear Modulus of Structural Adhesives.
bonded assemblies (ED. 2; 4 P; B) ISO 4588:1995 Adhesives — Guidelines for the surface preparation of metals (ED. 2; 7 P; D) ISO 6237:1987 Adhesives — Wood-to-wood adhesive bonds — determination of shear strength by tensile loading (ED. 1; 8 P; D) ISO 6238:1987 Adhesives — Wood-to-wood adhesive bonds — determination of shear strength by compression loading (ED. 1; 8 P; D) ISO 6922:1987 Adhesives — Determination of tensile strength of butt joints (ED. 1; 3 P; B) ISO 7387-1:1983 Adhesive — With solvents for assembly of PVC-U pipe elements — characterisation — Part 1: Basic test methods (ED. 1; 10 P; E) ISO 8510-1:1990 Adhesives — Peel test for a flexible-bonded-to-rigid test specimen assembly — Part 1: 90 degree peel (ED. 1; 5 P; C) ISO 8510-2:1990 Adhesives — Peel test for a flexible-bonded-to-rigid test specimen assembly — Part 2: 180 degree peel (ED. 1; 5 P; C) ISO 9142:1990 Adhesives — Guide to the selection of standard laboratory ageing conditions for testing bonded joints (ED. 1; 20 P; K) ISO 9142:1990/COR 1:1995 (ED. 1; 1 P; *) ISO 9653:1998 Adhesives — Test method for shear impact strength of adhesive bonds (ED. 2; 6 P; C) ISO 9664:1993 Adhesives — Test methods for fatigue properties of structural adhesives in tensile shear (ED. 1; 10 P; E) ISO 9665:1998 Adhesives — Animal glues — Methods of sampling and testing (ED. 2; 23 P; L) ISO 10123:1990 Adhesives — Determination of shear strength of anaerobic adhesives using pin-and-collar specimens (ED. 1; 4 P; B) ISO 10354:1992 Adhesives — Characterisation of durability of structural-adhesive-bonded assemblies —Wedge rupture test (ED. 1; 4 P; B) ISO 10363:1992 Hot-Melt Adhesives — Determination of thermal stability (ED. 1; 3 P; B) ISO 10364:1993 Adhesives — Determination of working life (pot life) of multi-component adhesives (ED. 1; 3 P; B)
3.6.2 Ensayos estándar para retenciones y fijaciones con adhesivos anaeróbicos Existen ensayos específicos para otros tipos de uniones como son los casos de fijaciones de tornillos y retenciones de ejes mediante adhesivos anaeróbicos, como se puede ver en el cuadro adjunto.
3.6.3 Normativa ISO sobre adhesivos A continuación se incluye una recopilación de las normas publicadas por ISO para la caracterización de los adhesivos: ISO 4578:1997 Adhesives — Determination of peel resistance of high-strength adhesive bonds — Floating-roller method (ED. 3; 6 P; C) ISO 4587:1995 Adhesives — Determination of tensile lap-shear strength of rigid-to-rigid
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ISO 10365:1992 Adhesives — Designation of main failure patterns (ED. 1; 3 P; B) ISO 10964:1993 Adhesives — Determination of torque strength of anaerobic adhesives on threaded fasteners (ED. 1; 4 P; B) ISO 11003-1:1993 Adhesives — Determination of shear behaviour of structural bonds — Part 1: Torsion test method using butt-bonded hollow cylinders (ED. 1; 7 P; D) ISO 11003-2:1993 Adhesives — Determination of shear behaviour of structural bonds — Part 2: Thick-adherend tensile-test method (ED. 1; 12 P; F) ISO 11339:1993 Adhesives — 180 degree peel test for flexible-to-flexible bonded assemblies (T-peel test) (ED. 1; 3 P; B) ISO 11343:1993 Adhesives — Determination of dynamic resistance to cleavage of high strength adhesive bonds under impact conditions — Wedge impact method (ED. 1; 6 P; C) ISO 13445:1995 Adhesives — Determination of shear strength of adhesive bonds between rigid substrates by the block-shear method (ED. 1; 4 P; B) ISO 13895:1996 Adhesives — Guidelines for the surface preparation of plastics (ED. 1; 7 P; D) ISO 14615:1997 Adhesives — Durability of structural adhesive joints — Exposure to humidity and temperature under load (ED. 1; 8 P; D) ISO 14676:1997 Adhesives — Evaluation of the effectiveness of surface treatment techniques for aluminium — Wet-peel test by floating-roller method (ED. 1; 4 P; B) ISO 14679:1997 Adhesives — Measurement of adhesion characteristics by a three-point bending method (ED. 1; 11 P; F) ISO 15107:1998 Adhesives — Determination of cleavage strength of bonded joints (ED. 1; 5 P; C) ISO 15108:1998 Adhesives — Determination of strength of bonded joints using a bendingshear method (ED. 1; 4 P; B) ISO 15109:1998 Adhesives — Determination of the time to rupture of bonded joints under static load (ED. 1; 4 P; B) ISO 15166-1:1998 Adhesives — Methods of preparing bulk specimens — Part 1: Twopart systems (ED. 1; 5 P; C)
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3.6.4 Normativa UNE EN sobre adhesivos A continuación se incluye una recopilación de las normas publicadas por UNE para la caracterización de adhesivos. UNE 104236:1988 Impermeabilización. Materiales bituminosos y bituminosos modificados. Pegamentos bituminosos. UNE 104281-5-1:1990 Materiales bituminosos y bituminosos modificados. Pinturas y adhesivos. Métodos de ensayo. Toma de muestras. UNE 104281-5-17:1988 Materiales bituminosos y bituminosos modificados. Pinturas y adhesivos. Métodos de ensayo. Envejecimiento artificial acelerado con tubos fluorescentes de luz U.V. UNE 104281-5-2:1986 Materiales bituminosos y bituminosos modificados. Pinturas y adhesivos. Métodos de ensayo. Conservación en el envase. UNE 104281-5-3:1986 Materiales bituminosos y bituminosos modificados. Pinturas y adhesivos. Métodos de ensayo. Estabilidad a la dilución. UNE 104281-5-7:1987 Materiales bituminosos y bituminosos modificados. Pinturas y adhesivos. Métodos de ensayo. Materia fija y volátil. UNE 104281-5-8:1986 Materiales bituminosos y bituminosos modificados. Pinturas y adhesivos. Métodos de ensayo. Contenido de agua. UNE 21356/1C:1984 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. Condiciones generales y métodos de ensayo. UNE 21356:1978 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. Condiciones generales y de ensayo. UNE 21357-1:1977 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. Especificaciones para cintas de PVC plastificado con adhesivo no termoendurecible. UNE 21357-2:1980 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. Especificaciones para cintas de papel celulosa corrugado con adhesivos termoendurecibles. UNE 21357-3:1983 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. Especificaciones para cintas de papel
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
celulosa con adhesivos termoendurecibles. UNE 21357-4:1983 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. especificaciones para cintas de película de poliéster (PETP) con adhesivo termoendurecible. UNE 21357-5:1983 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. Especificaciones para cintas de película de poliéster (PETP) con adhesivo no termoendurecible. UNE 21357-6:1991 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. Especificaciones para cintas de película de policarbonato con adhesivo no termoendurecible. UNE 21357-7:1991 Materiales aislantes eléctricos. Cintas adhesivas sensibles a la presión. especificaciones para cintas de película de poliimida con adhesivo termoendurecible. UNE 53038:1955 Materiales plásticos. Determinación de la adherencia en adhesivos para madera. UNE 53174:1985 Plásticos. Adhesivos para uniones encoladas de tubos y accesorios de poli (cloruro de vinilo) no plastificado utilizadas en conducciones de fluidos con o sin presión. Características. UNE 53175:1985 Plásticos. Adhesivos para uniones encoladas de tubos y accesorios de poli (cloruro de vinilo) no plastificado utilizadas en conducciones de fluidos con o sin presión. Métodos de ensayo UNE 53355:1980 Plásticos. Métodos de toma de muestra de los adhesivos y de sus materias primas. UNE 53357:1981 Plásticos. Adhesivos. Determinación del extracto seco en adhesivos, colas y productos similares que contengan disolventes orgánicos. UNE 56702-1:1969 Colas. Terminología. UNE 56702-2:1969 Colas. Clasificación. UNE 59032:1988 Calzado. Ensayo de adhesivos en medio disolvente y en dispersión. Comprobación de la aptitud al pegado de materiales. UNE-EN 1066:1997 Adhesivos. Toma de muestras. UNE-EN 1067:1997 Adhesivos. Examen y preparación de muestras para ensayo. UNE-EN 12002:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la deformación transversal de adhesivos y materiales de rejuntado cementosos.
UNE-EN 12003:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la resistencia a la cizalladura de los adhesivos de resinas reactivas. UNE-EN 12023:1997 Cintas autoadhesivas. Medida de la transmisión de vapor de agua en una atmósfera cálida y húmeda. UNE-EN 12024:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la resistencia a la temperatura y humedad elevadas. UNE-EN 12025:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la resistencia al desgarro por el método del péndulo. UNE-EN 12026:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la fuerza de desenrollado a alta velocidad. UNE-EN 12027:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la resistencia a la llama. UNE-EN 12028:1996 Cintas autoadhesivas. Medida del alargamiento bajo una carga estática. UNE-EN 12029:1996 Cintas autoadhesivas. Determinación de iones corrosivos solubles en agua. UNE-EN 12030:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la resistencia al impacto. UNE-EN 12031:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la resistencia al estallido. UNE-EN 12032:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la adhesión de cintas adhesivas termoendurecibles durante su curado. UNE-EN 12033:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la adhesión de cintas adhesivas termoendurecibles después de su curado. UNE-EN 12034:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la longitud de un rollo de cinta adhesiva. UNE-EN 12036:1996 Cintas autoadhesivas. Penetración del disolvente en cintas adhesivas enmascaradoras. UNE-EN 1239:1999 Adhesivos. Estabilidad congelación - descongelación. UNE-EN 1240:1999 Adhesivos. Determinación del valor de hidroxilo y/o del contenido de hidroxilo. UNE-EN 1241:1999 Adhesivos. Determinación del índice de acidez. UNE-EN 1242:1999 Adhesivos. Determinación del contenido de isocianato. UNE-EN 1243:1999 Adhesivos. Determinación del formaldehído libre en los condensados de amino y amidoformaldehído. UNE-EN 1244:1999 Adhesivos. Determinación
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del color y/o cambios de color de revestimientos adhesivos bajo la influencia de la luz. UNE-EN 1245:1999 Adhesivos. Determinación del pH. Método de ensayo. UNE-EN 1246:1999 Adhesivos. Determinación del contenido de cenizas total del contenido de cenizas sulfatadas. UNE-EN 1308/A1:1999 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación del deslizamiento. UNE-EN 1308:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación del deslizamiento. UNE-EN 1322/A1:1999 Adhesivos para baldosas cerámicas. Definiciones y terminología. UNE-EN 1322:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Definiciones y terminología. UNE-EN 1323/A1:1999 Adhesivos para baldosas cerámicas. Placas de hormigón para ensayos. UNE-EN 1323:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Placas de hormigón para ensayos. UNE-EN 1324/A1:1999 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la resistencia a la cizalladura de los adhesivos de dispersión. UNE-EN 1324:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la resistencia a la cizalladura de los adhesivos de dispersión. UNE-EN 1346/A1:1999 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación del tiempo abierto. UNE-EN 1346:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación del tiempo abierto. UNE-EN 1347/A1:1999 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la capacidad humectante. UNE-EN 1347:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la capacidad humectante. UNE-EN 1348/A1:1999 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la resistencia a la tracción de los aditivos cementosos. UNE-EN 1348:1997 Adhesivos para baldosas cerámicas. Determinación de la resistencia a la tracción de los adhesivos cementosos. UNE-EN 1464:1996 Adhesivos. Determinación de la resistencia al pelado en juntas pegadas de alta resistencia. Método del rodillo móvil. UNE-EN1 465:1996 Adhesivos. Determinación
de la resistencia a la cizalladura por tracción de juntas pegadas de substratos rígidos. UNE-EN 1939:1997 Cintas autoadhesivas. Medida de la adhesión, sobre acero inoxidable o sobre su propio reverso, mediante pelado. UNE-EN 1940:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la resistencia a la rotura. UNE-EN 1941:1996 Cintas autoadhesivas. Medida del alargamiento a la rotura. UNE-EN 1942:1996 Cintas autoadhesivas. Medida del espesor. UNE-EN 1943:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la adhesión mediante una fuerza estática de cizalla. UNE-EN 1944:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la fuerza de desenrollado a baja velocidad. UNE-EN 1945:1996 Cintas autoadhesivas. Medida de la adhesión instantánea. UNE-EN 204:1993 Clasificación de adhesivos no estructurales para uniones de madera y productos derivados de la madera. (versión oficial en 204:1991). UNE-EN 205:1993 Métodos de ensayo para adhesivos para la madera de uso no estructural. Determinación de la resistencia a la cizalladura de tracción de juntas solapadas. (versión oficial en 205:1991). UNE-EN 2243-2:1993 Material aeroespacial. Adhesivos estructurales. Métodos de ensayo. Parte 2: Pelado de metal-metal. (versión oficial en 2243-2:1991). UNE-EN 2243-3:1993 Material aeroespacial. Adhesivos estructurales. Métodos de ensayo. Parte 3: Ensayo de pelado metal - núcleo de nido de abeja. (versión oficial en 22433:1991). UNE-EN 2243-4:1993 Material aeroespacial. Adhesivos estructurales. Métodos de ensayo. Parte 4: Ensayo de tracción perpendicular para metal - nido de abeja. (versión oficial en 2243-4:1991). UNE-EN 2243-5:1993 Material aeroespacial. Adhesivos estructurales. Métodos de ensayo. Parte 5: ensayos de envejecimiento. (versión oficial en 2243-5:1992). UNE-EN 26922:1995 Adhesivos. Determinación de la resistencia a la tracción de uniones a tope. (ISO 6922:1987). (versión oficial en 26922:1993). UNE-EN 28510-1:1995 Adhesivos. Ensayo de pelado para una union encolada de adherente flexible sobre rígido. Parte 1: Pelado a
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PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
90 º. (ISO 8510-1:1990). (versión oficial en 28510-1:1993). UNE-EN 28510-2:1995 Adhesivos. Ensayo de pelado para una union encolada de adherente flexible sobre rígido. Parte 2: Pelado a 180 º. (ISO 8510-2:1990). (versión oficial en 28510-2:1993). UNE-EN 29142:1995 Adhesivos. Guía para la selección de condiciones normalizadas de envejecimiento en laboratorio al ensayar juntas pegadas. (ISO 9142:1990). UNE-EN 29653:1995 Adhesivos. Métodos de ensayo de la resistencia a la cizalladura por impacto en juntas pegadas. (ISO 9653:1991). UNE-EN 301:1994 Adhesivos para estructuras de madera bajo carga. Adhesivos de policondensación de tipos fenólicos y aminoplásticos. Clasificación y especificaciones de comportamiento. (versión oficial en 301:1992). UNE-EN 302-1:1994 Adhesivos para estructuras de madera bajo carga. Métodos de ensayo. Parte 1: Determinación de la resistencia del pegado a la cizalladura por tracción longitudinal. (versión oficial en 302-1:1992). UNE-EN 302-2:1994 Adhesivos para estructuras de madera bajo carga. Métodos de ensayo. Parte 2: Determinación de la resistencia a la delaminación (método de laboratorio). (versión oficial en 302-2:1992). UNE-EN 302-3:1994 Adhesivos para estructuras de madera bajo carga. Métodos de ensayo. Parte 3: Determinación de la influencia de los tratamientos cíclicos de temperatura y humedad sobre la resistencia a la tracción transversal. (versión oficial en 302-3:1992). UNE-EN 302-4:1994 Adhesivos para estructuras de madera bajo carga. Métodos de ensayo. Parte 4: Determinación de la influencia de la contracción sobre la resistencia a la cizalladura. (versión oficial en 302-4:1992). UNE-EN 522:1998 Adhesivos para piel y materiales para calzado. Resistencia de la unión. Requisitos mínimos y clasificación de adhesivos. UNE-EN 542:1996 Adhesivos. Determinación de la densidad. UNE-EN 543:1996 Adhesivos. Determinación de la densidad aparente de adhesivos en polvo y en granza. UNE-EN 60454-1:1997 Cintas adhesivas sensibles a la presión para usos eléctricos. Parte 1: Requisitos generales. UNE-EN 60454-2:1997 Cintas adhesivas sen-
sibles a la presión para usos eléctricos. Parte 2: Métodos de ensayo. UNE-EN 60454-3-10:1997 Cintas adhesivas sensibles a la presión para usos eléctricos. Parte 3: Especificaciones para materiales particulares. Hoja 10: Requisitos para cintas de película de acetato-butirato de celulosa con adhesivo de caucho termoendurecible. UNE-EN 60454-3-13:1997 Cintas adhesivas sensibles a la presión para usos eléctricos. Parte 3: Especificaciones para materiales particulares. Hoja 13: Requisitos para cintas de tela tejida compuestas por mezcla de celulosa y viscosa, con un lado recubierto con material termoplástico y el otro lado con adhesivo de caucho termoendurecible. UNE-EN 827:1996 Adhesivos. Determinación del contenido en sólidos convencional y del contenido en sólidos a masa constante. UNE-EN 828:1999 Adhesivos. Mojabilidad. Determinación por medida del ángulo de contacto y de la tensión superficial crítica de la superficie sólida. UNE-EN 924:1995 Adhesivos. Adhesivos con base disolvente y exentos de disolvente. Determinación del punto de inflamación. UNE-EN ISO 10363:1996 Adhesivos termofusibles. Determinación de la estabilidad térmica (ISO 10363:1992). UNE-EN ISO 10365:1996 Adhesivos. Designación de los principales modelos de rotura (ISO 10365:1992). UNE-EN ISO 10964:1997 Adhesivos. Determinación del par de desmontaje en elementos de fijación roscados encolados con adhesivos anaeróbicos (ISO 10964:1993). UNE-EN ISO 9664:1996 Adhesivos. Métodos de ensayo para la resistencia a la fatiga por esfuerzo de cizalla de adhesivos estructurales (ISO 9664:1993). UNE-EN ISO 9665:1996 Adhesivos. Colas animales. Métodos de toma de muestras y ensayo (ISO 9665:1993). UNE-ENV 1965-1:1997 Adhesivos estructurales. Corrosión. Parte 1: Determinación y clasificación de la corrosión de un sustrato de cobre. UNE-ENV 1965-2:1997 Adhesivos estructurales. Corrosión. Parte 2: Determinación y clasificación de la corrosión de un sustrato en latón. UNE-ENV 1966:1998 Adhesivos estructurales. Caracterización de una superficie
82
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
mediante la medida de la adhesión por el método de flexión en tres puntos. UNE-ENV 1967:1997 Adhesivos estructurales. Evaluación de la efectividad de las técnicas de tratamiento superficial para aluminio usando un ensayo de pelado húmedo en combinación con el método del rodillo móvil. PNE-EN 1238 Adhesivos. Determinación de la temperatura de reblandecimiento de adhesivos termoplásticos (anillo y bola). PNE-EN 1391 Adhesivos para piel y materiales de calzado. Método para evaluar la aptitud al pegado de materiales. Requisitos mínimos y clasificación de materiales. PNE-EN 1392 Adhesivos para piel y materiales de calzado. Adhesivos en base disolvente y en dispersión. Métodos de ensayo para medir la resistencia de la unión en condiciones específicas. PNE-EN 923 Adhesivos. Términos y definiciones.
1.El solape óptimo para un adherente de un espesor dado. 2.El espesor de sustrato óptimo para un solape dado. El solape y el espesor se pueden determinar de forma directa a partir de un diagrama basado en ensayos prácticos. Los ensayos para determinar la resistencia a cortadura media de diferentes solapes (l) y espesores (t) de sustrato deben ser suficientes
Fig.3.37: Diagrama de correlación entre resistencia a cortadura del adhesivo y t/l de los sustratos.
para representar una curva de resistencia a cortadura frente al cociente entre espesor de adherente y solape t/l.
3.7 Determinación práctica de las dimensiones de juntas adhesivas solapadas simples (Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid, extraído de información de CIBA)
Cualquier punto concreto de una curva establecida representa (para las uniones realizadas entre el mismo adhesivo y el mismo material como sustrato) el estado de tensiones de una junta adhesiva y representa la relación entre las dimensiones de la junta (eje horizontal), la tensión de cortadura media en el adhesivo (eje vertical) y la tensión de tracción media en el sustrato (inclinación de una línea recta trazada desde el origen hasta ese punto).
La resistencia a cortadura de una junta adhesiva solapada simple depende de la naturaleza del sustrato, del adhesivo, del espesor del sustrato y del área de solape.
El solape óptimo (t) se determina empleando conjuntamente el diagrama y la siguiente fórmula: t=s t l Esta fórmula se deriva de: . Los requisitos de diseño conocidos: P= Carga por unidad de ancho de junta t= Espesor de sustrato (en el caso de varios espesores, el inferior)
Fig.3.36: Junta a solape simple. l: solape; t: espesor de la placa.
. Los anteriores determinan: s = P/t Tensión de tracción media en el metal t = P/l Tensión de cortadura media en la
Dados la carga requerida y el sustrato y adhesivo a ser empleado, se puede predecir:
83
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
3.8 Análisis de las uniones a solape (Francisco López Martín, ETSIN de Madrid)
junta Sustituyendo por P resulta la ecuación anterior. Fig.3.38: Signos convencionales para las tensiones de una unión solapada . P: Carga por unidad de ancho; s, tensión media de tracción; t: Tensión media a cortadura en la unión adhesiva.
3.8.1 Análisis elástico lineal La unión a solape, en la que dos placas están unidas mediante una capa de adhesivo, es una de las uniones más comunes que se encuentran en la práctica. Uniones de este tipo construidas con placas de aluminio de 25mm de ancho, 12mm de longitud y 1,6mm de espesor se utilizan en control de calidad. La unión es fácil de hacer y los resultados son sensibles tanto a la calidad del adhesivo como a la preparación superficial realizada sobre los adherentes.
El solape óptimo se determina como sigue: 1.Se calcula s a partir de P y t. 2.Se traza una línea recta desde el origen con inclinación viene dada por s. 3.Se lee el valor de t en el punto en el que la recta trazada corta la curva. 4.Una vez determinados s y t , y conocido t, se sustituyen lo valores en la ecuación: t =s t l y se calcula en solape óptimo. La desviación del solape óptimo reduce la eficiencia de la unión. Solapes demasiado pequeños causan el fallo de la junta por debajo de la carga requerida, mientras que solapes excesivos pueden generar uniones innecesariamente grandes. El espesor de sustrato óptimo se determina como sigue:
Fig.3.40: Deformaciones exageradas en una unión a solape simple. (a) con adherentes rígidos; (b) con adherentes elásticos.
1.Se calcula t a partir de P y l. 2.Se lee el valor de t/l a partir de es valor de t en la curva. 3.Una vez determinado t/l y conociendo l, se calcula el espesor óptimo.
El análisis más simple considera que los adherentes son rígidos y que el adhesivo sólo deforma a cortadura. Si el ancho de solape es b, la longitud de solape l, y la carga P, entonces la tensión de cortadura t viene dada por:
Fig.3.39: Empleo de un diagrama de correlación en un diseño de junta.
t =P bl y la tensión a tracción del adherente crecerá linealmente hasta cero a lo largo de la longitud de solape. En la figura anterior se muestra una unión similar pero en la que los adherentes ahora se comportan elásticamente. Para el adherente superior, la tensión de tracción es máxima donde
84
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
comienza el solape y su valor cae hasta cero en el extremo solapado de la placa. Así, la deformación a tracción en estos puntos debe cambiar progresivamente a lo largo de la longitud de solape l. La situación contraria se da en el adherente inferior. Así, suponiendo continuidad en la interfase adhesivo/adherente, los paralelogramos de adhesivo uniformemente deformados a cortadura se distorsionan. Este fenómeno se denomina “cortadura diferencial”, y fue analizado en 1938 por Volkersen.
desplazamiento relativo de los dos adherentes, superior e inferior, d, a lo largo del solape tenemos: dx = d0 - ò
x
e1 dx+ò
-1/2
x
-1/2
e2dx
donde d 0 es el desplazamiento relativo para x= -1/2, y e1 y e2 son las distribuciones de las deformaciones directas de los adherentes 1 y 2. Para la unidad de ancho de solape, siendo P la carga aplicada, para el adherente superior tenemos: e1 = 1 Et1
3.8.2 Análisis de Volkersen
[ P-ò
x
-1/2
t x dx
]
y para el inferior: e2 =
1 Et2
x
ò-1/2 t x dx
donde E es el módulo de Young para los adherentes. Para el adhesivo tenemos: dx = Fig.3.41: Unión a solape simple analizada por Volkensen (1938): geometría no deformada.
t3 G
tx
donde G es el módulo del adhesivo. Operando con las ecuaciones anteriores se obtiene una ecuación diferencial de la forma: t xII = w 2 tx que tiene una solución de la forma: tx = A 1 coshw x + A2 senhw x donde A1 y A2 son constantes arbitrarias, definidas por las condiciones de contorno. Si procedemos en términos adimensionales, esto es: t=
tx tm
donde t m es la tensión a cortadura promediada. Con condiciones de contorno apropiadas obtenemos la distribución de la tensión a cortadura del adhesivo:
Fig.3.42: Unión a solape simple analizada por Volkensen (1938): unión deformada.
t = w cosh wX + 2 senh w/2 donde: w2 = (1 + Y )f
En el análisis de Volkersen, en el que la cortadura queda confinada al adhesivo, se supone que éste deforma sólo a cortadura mientras que el adherente sólo lo hace a tracción. Considerando el
Y =
85
t1 t2
Y-1 ) w senh wX ( Y-1 2 cosh w/ 2
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
f =
X=
donde P es la carga aplicada y t el espesor de los adherentes (el espesor de la línea de pegado no se tuvo en cuenta). Si la carga aplicada a la unión es muy pequeña, no tiene lugar la rotación de la línea de solape. En ese caso, M 0»Pt/2 y K»1.0. Cuando se aumenta la carga, la línea de solape rota, haciendo que la línea de acción de la carga pase más cerca e incluso coincida con el eje axial de los adherentes, y así se reduce el valor del factor K. En esta primera aproximación se supone que la unión adhesiva es indeformable, es decir, que rota como un conjunto.
Gl 2 Et1t3 x l
y -1 / 2 £ X £ 1 / 2 Para el caso de adherentes de igual espesor, t1 = t 2 = t. Entonces Y=1 y w = (2f ) 1/2. La tensión de cortadura máxima en el adhesivo tiene lugar en las zonas finales de la unión: tmax =
f
La segunda aproximación teórica de Goland y Reissner es aplicable a uniones adhesivas reales. Se puede establecer una serie de ecuaciones diferenciales que son resolubles (Cornell, 1953) si tratamos la unión adhesiva como un número infinito de muelles a cortadura con un número infinito de muelles a tracción/compresión en la dirección Y. Haciendo la suposición de deformación plana, este planteamiento permite obtener la distribución a cortadura (t3x ) y la distribución a tensión normal (s3y ).
f
Ö 2 coth Ö 2
Es importante observar que para longitudes de solape grandes: Gl Ö( 2Ett ) 2
tmax =
3
y el valor absoluto de la tensión a cortadura máxima, t max , es proporcional a:
Ö ( 2ttG )
El intervalo de validez de la segunda aproximación de Goland y Reissner viene dado por:
3
que es independiente de la longitud de solape.
t1 G3 t3 G 1
La teoría desarrollada por Volkersen no tiene en cuenta dos factores importantes. Primero, las direcciones de las dos cargas P no son axiales. En consecuencia, aparecerá un momento flector aplicado a la unión añadido a la tensión a cortadura por tracción. Segundo, los adherentes flexan, y como consecuencia se producirá una rotación de la unión. La rotación modifica la dirección de la línea de carga en la dirección del solape, poniendo de manifiesto un problema geométricamente no lineal, ya que los desplazamientos de la unión no son proporcionales a la carga aplicada.
y
t 1 E3 t3 E1
< 0.1
donde E, G y t son el módulo de Young, el módulo de cortadura y el espesor respectivamente, y los subíndices 1 y 3 se refieren a los adherentes y al adhesivo. El límite superior del intervalo de validez viene dado por consideraciones de energía de deformación, ya que la teoría desprecia el trabajo realizado por las tensiones s1 y y t 1x en los adherentes frente al trabajo realizando por las tensiones s3y y t 3x en la capa de adhesivo. Una demostración de cómo se obtienen estos límites fue dada por Sneddon en 1961. Según este autor, para una unión a solape simple en la que:
3.8.3 Análisis de Goland y Reissner Goland y Reissner en 1944 tuvieron en cuenta el efecto anteriormente mencionado usando un factor K que relaciona el momento flector en el adherente al final del solape, M0 , con el estado de carga, mediante la expresión: M0 = KP
< 0.1
t1 = t2 = 1.62mm, t3 = 0.25mm G 1 = G 2 = 25.9GNm-2, E1 = E2 = 69GNm-2 G 3 = 1.72 GNm-2, E3 = 4.82GNm-2 tenemos:
t
t1G 3
2
t3G 1
86
= 0.43
y
t1E3 t3E 1
= 0.45
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
y la teoría de Goland y Reissner no es estrictamente aplicable. Sin embargo, Lubkin y Reissner en 1956 consideraban que los resultados de los experimentos de foto elasticidad presentados por Cornell en 1953 muestran que los límites de la teoría son conservadores, aunque ellos no dan indicaciones de los verdaderos límites.
donde
Estos límites serán aplicables a cualquier teoría que haga suposiciones similares a la de Goland y Reissner omitiendo las deformaciones a cortadura y las tensiones a tracción a través de los adherentes.
.cosh
lx C
[(R l 2
3
cos
lx C
2
K 2
+ (R1 l2
senh
lx C
- lK´cosh l cos l K 2
sen
lx C
( 6EEt t ) 3
1/4
3
C t
( 3(1 - n ) sE ) 2
1/2
La tensiones máximas generadas al cargar una unión a solape tienen lugar en las zonas finales de la región de solape. Se puede observar que la tensión máxima por unidad de carga en la unión decrece cuando aumenta el valor de la carga. El decrecimiento con mayor pendiente tiene lugar en los valores de la tensión a tracción máxima por unidad de carga de la solución corregida. El trabajo mediante técnicas fotoelásticas de McLaren y MacInnes en 1958 confirma cualitativamente que la máxima tensión por unidad de carga en una unión a solape simple decrece cuando se aumenta el valor de la carga aplicada a la unión.
Fig.3.43: Tensiones a tracción y cortadura máximas,s3y, t 3x , en función de la carga aplicada teniendo en cuenta la segunda aproximación de Goland y Reissner.
).
- lK´senh l sen l
C t
Una serie de estudios paramétricos de las soluciones de Goland y Reissner fue llevada fue levada a cabo por Kutscha y Hofer en 1969 e hicieron notar que la tensión aplicada en los adherentes no se puede desarrollar debido a que el factor K va cambiando de valor a medida que se incrementa la carga.
Kutscha y Hofer en 1969 indican que la solución para la tensión normal, s3y , fue presentada incorrectamente en el artículo original. La solución ha sido examinada y comprobada, y el resultado correcto, como lo dio también Sneddon en 1961 es: C2 R
l=
R1 = coshl senl + senhl cos l R2 = senhl cosl - coshl senl R3 = 2(senh2 + sen2l)
Benson en 1969 indicó más limitaciones fundamentales en la teoría de Goland y Reissner, señalando que el empleo del factor K permite tratar la rotación de la región de solape, pero sin embargo, las tensiones internas en la unión son obtenidas suponiendo que no hay rotación. La solución para los esfuerzos de cortadura en el adhesivo y las tensiones de tracción es sólo estrictamente precisa para K=1.0, esto es, para cargas muy bajas. Debería ser tenido en cuenta que en las consideraciones para relacionar el factor K con la carga se supone que la unión es indeformable, esto es, que el espesor de la línea de pegado es nulo, mientras que la segunda aproximación supone un espesor finito.
st2
l 2
K´= K
No serán aplicables, sin embargo, a teorías tridimensionales presentadas más tarde, como la de Adams y Peppiatt en 1973, porque la tensión a cortadura en los adherentes se supone que varía linealmente a través del espesor. Esta teoría omite la existencia de tensiones a tracción dentro de la capa de adhesivo.
s3y =
C=
)
] 87
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUES DEL CURADO
Fig.3.44: Tensión máxima a tracción en el adhesivo de una unión a solape simple en función de E del adhesivo.
desarrollar explícitamente a partir de las funciones solución de las tensiones de cortadura y normales en la capa de adhesivo.
3.8.6 Revisión de Forest Products Laboratory (FPL) Ya en el año 1964, el interés por las uniones adhesivas hizo que el Laboratorio de Materiales de la Fuerza Aérea de los EE.UU. encargara a los laboratorios FPL una revisión crítica en el campo del diseño de estas uniones. Este trabajo incluyó estudios y análisis exhaustivos de la bibliografía relacionada con aspectos teóricos y experimentales de uniones a solape, propiedades mecánicas de adhesivos en película en uniones, criterios de fallo de uniones y métodos empíricos de diseño de la unión. Basadas en los resultados de este estudio se formularon las recomendaciones oportunas para realizar una investigación de mayor alcance en esta área.
3.8.4 Efecto de la flexión en una unión a solape doble Aunque no hay momento flector neto en una unión a solape doble simétrica como ocurre con una unión a solape simple, debido a que la carga se aplica a través del adhesivo a los adherentes fuera de su línea axial neutra, la unión a solape doble experimenta flexión interna. En una unión a solape doble simétrica el adherente central no experimenta un momento flector neto, pero los adherentes exteriores flexan, produciéndose un aumento de las tensiones a tracción a través de la capa de adhesivo al final de la región de solape donde no están cargados, y de las tensiones de compresión al final donde están cargados.
3.8.5 Segunda teoría de Volkersen Tratando el adhesivo de la misma forma que Goland y Reissner, Volkersen en 1965 planteó un sistema de ecuaciones diferenciales resolubles, para describir las tensiones de tracción y las tensiones cortadura en la capa de adhesivo de una unión a solape doble. El segundo modelo teórico de Volkersen para la unión a solape doble omite las mismas tensiones en el adherente como hace la segunda teoría de Goland y Reissner, por lo tanto tiene los mismos límites de validez. La flexión en la unión a solape doble no causa rotaciones en la región de solape, y por lo tanto la tensión por unidad de carga en el adhesivo no depende de la carga aplicada. Así, la carga aplicada se puede
88
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 4: PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante; Francisco López Martín, ETSIN de Madrid y Mario Madrid Vega, Loctite España)
4.1 Introducción: objetivos (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
secas y no sólo al anclaje mecánico, para asegurar una buena adhesión inmediata y una larga durabilidad de las uniones. No obstante, es muy conveniente generar sobre el sustrato una topografía superficial que multiplique la superficie real de la interfase. 3.Facilitar la reproducibilidad de los resultados. 4.Evitar la formación de capas de débil cohesión, producidas, por ejemplo, por la migración de plastificantes a la superficie del sustrato.
La adhesión es un fenómeno de superficie. El espesor dentro del cual tienen lugar las interacciones entre adhesivo y sustrato (interfase adhesiva) tiene una magnitud del orden de las distancias intermoleculares. Es claro suponer que cualquier sustancia intermedia va a interferir en este fenómeno. Es más, cualquier capa exterior de composición o estructura diferente de la del seno del sustrato va a afectar en la calidad de cualquier adhesión.
Fig.4.1: Diagrama que muestra la estructura de capas y la rugosidad que se puede esperar sobre la superficie de un metal sin preparar. La escala de la rugosidad superficial puede ser del orden de los micrones.
Cuando se buscan uniones reproducibles con durabilidad se necesitan procesos que aseguren la aptitud de la superficie para adherir o lo que es lo mismo, que se halle exenta de cualquier agente extraño que provenga del entorno o del mismo sustrato. Estos procesos de denominan tratamientos superficiales. Los tratamientos superficiales no son siempre imprescindibles. Sin embargo su aplicación permite optimizar la adhesión y, cuando menos, reproducir las características de la adhesión en grandes cadenas productivas preservando los niveles de calidad diseñados. Los objetivos de un tratamiento superficial son:
Estos objetivos se logran mediante diferentes técnicas basadas en la eliminación de los contaminantes superficiales, por métodos mecánicos o químicos o en la modificación física o química de la superficie, para lograr rugosidades adecuadas para la adhesión o para modificar la estructura de enlaces de la superficie.
1.Desarrollar la fuerza y la durabilidad de las adhesiones, optimizando el contacto intermolecular entre adhesivo (y/o imprimación) y sustrato. Podemos distinguir: a)Sustratos de baja energía superficial: elevación de la energía superficial mediante tratamientos mecánicos o modificaciones químicas. b)Sustratos de alta energía superficial: uso, por ejemplo, de imprimaciones organometálicas para evitar la degradación, por ejemplo causada por la humedad. 2.En cualquier caso se debe lograr que la adhesión sea debida a fuerzas de adhesión intrín-
En ocasiones el tratamiento superficial tiene como función facilitar la reticulación del adhesivo, actuando como un activador. En otras ocasiones se pretende proteger la superficie del sustrato, especialmente en el caso de metales. Existe una enorme variedad de tratamientos superficiales que pueden ser empleados para ade-
89
PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
cuar cada superficie a un determinado proceso de adhesión. Los factores que deben considerarse para decidir la preparación superficial idónea podrían resumirse entre los siguientes: .Tamaño y forma geométrica de las superficies. .Tipo de instrumentación disponible. .Estabilidad de los materiales. .Posibilidad de migraciones superficiales. Los efectos que logra el tratamiento superficial, como resumen de lo dicho hasta ahora, son algunos o la totalidad de los descritos a continuación: .Eliminación de sustancias capaces de formar capas interfaciales de débil cohesión. .Creación de grupos específicos en la superficie que favorezcan la adhesión intrínseca. .Creación de una topografía superficial adecuada.
Fig.4.2: Desengrasado con disolvente orgánico en fase vapor.
4.2 Descripción de los tratamientos (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante)
4.2.3 El tratamiento en baño de ultrasonidos
4.2.1 La limpieza superficial La limpieza superficial consiste en la eliminación de la suciedad o contaminación superficial de un sustrato, sin provocar alteraciones físicas o químicas del mismo. Existen tres procedimientos de limpieza con disolventes:
Mediante el tratamiento en baño de ultrasonidos se obtienen limpiezas superficiales de alta calidad mediante irradiación de ondas ultrasónicas a través de un disolvente o mezcla de disolventes adecuada. Esto provoca una rápida agitación y cavitación que eliminan las partículas más inaccesibles. Las frecuencia de los ultrasonidos se hallan en el rango de los 20000 a 50000 Hz.
.Desengrasado en fase vapor. .Tratamiento en baño de ultrasonidos. .Frotado, inmersión o spray.
4.2.2 El desengrasado en fase vapor Mediante el desengrasado en fase vapor la superficie del sustrato se pone en contacto con vapor caliente de un disolvente capaz de solubilizar aceites, grasa, parafinas sólidas, etc. Se produce una acumulación de vapor caliente en la superficie fría de la pieza, hasta que el peso de la gota provoca su retorno al baño de disolvente.
Fig.4.3: Sistema de limpieza en baño de ultrasonidos.
4.2.4 El frotado, la inmersión y el spray El Frotado, la inmersión y el spray son los
90
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
métodos más simples y versátiles, pero a su vez, son más difíciles de controlar. El frotado consiste en el paso con intensidad de un paño, brocha o papel de celulosa empapado en el disolvente. La operación se debe repetir varias veces, hasta que no exista evidencia de contaminación en la superficie a limpiar.
Fig.4.5: Tratamiento abrasivo mediante chorro de arena.
Tras realizar un tratamiento abrasivo se debe proceder a una limpieza de los sustratos tratados para eliminar restos de polvo, contaminantes, etc. y llevar a cabo la adhesión antes de que aparezca la corrosión o la contaminación. Existen tratamientos abrasivos químicos que eliminan la capa más externa de material. Los agentes químicos empleados se denominan “decapantes”.
Fig.4.4: Limpieza de superficies mediante frotado.
La inmersión en baños de disolvente es útil para la limpieza de piezas pequeñas. En ocasiones precisa de la ayuda de brochas, frotado, etc.
4.2.6 Los tratamientos químicos Los tratamientos químicos crean grupos polares en la superficie de los sustratos. Estos grupos son responsables de uniones de mayor durabilidad. Los tratamientos químicos más usuales son:
El método por spray asegura que todo el disolvente que llegue a la superficie de la pieza sea limpio. Sin embargo, es un método más costoso que los anteriores.
.Acido crómico: empleado para el PE. .Disoluciones de sodio: para plásticos y poliolefinas fluoradas. .Ciclación (con ácido sulfúrico): para cauchos. .Halogenación: también para cauchos.
4.2.5 Los tratamientos abrasivos Los tratamientos abrasivos son fundamentalmente lijados, cardados, chorro de arena, chorro de granalla, etc. El método de abrasión elegido y las variables experimentales dependerán del sustrato y del proceso de unión. Los efectos que producen sobre los sustratos son:
Hay otro grupo de tratamientos químicos (los decapantes) que no modifican químicamente la superficie pero que eliminan las capas débiles (por ejemplo de óxido). Se emplean habitualmente en metales.
.Eliminación de los contaminantes superficiales. .Creación de una superficie activa. .Aumento del área de contacto con el adhesivo. .Se retarda la fractura mecánica de la unión adhesiva.
4.2.7 Los primers Los primers o imprimaciones son sustancias que se emplean como intermedio entre el adhesivo y el sustrato. Tienen muy diversas funciones. Así, en superficies de alta energía superficial por
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
ejemplo se emplean para incrementar la resistencia de las uniones adhesivas a la fatiga, la temperatura y la humedad. En algunas ocasiones protegen la superficie del sustrato frente a agentes físicos o químicos, aunque con ello también se dota a tales sustratos de propiedades antiadherentes. Pueden producir los siguientes efectos:
método se emplea fundamentalmente para la adhesión de poliolefinas. Los mejores resultados se logran con un exceso de oxígeno en la mezcla de combustión.
1.Protección de la superficie del sustrato. 2.Mejora de la interacción entre el adhesivo y el sustrato. a)Incrementando la mojabilidad de los adhesivos muy viscosos. b)Permitiendo la adhesión de sustratos difíciles de unir. c)Creando una capa de mayor energía superficial. d)Aumentando la vida de servicio de la unión adhesiva. e)Mejorando la adhesión de los adhesivos. 3.Mejora de las propiedades cohesivas de sustratos inconsistentes. 4.Flexibilización del tratamiento superficial. 5.Generación de características particulares: a)Reduciendo la penetración de la humedad. b)Eliminando rugosidad superficial. 6.Absorción e inclusión de la suciedad superficial inherente a ciertos sustratos. 7.Protección de la interfase adhesiva frente a la radiación UV.
Fig.4.6: Tratamiento de llama.
4.2.9 El plasma de baja presión El tratamiento mediante plasma de baja presión se comenzó a utilizar con profusión desde 1960. El plasma puede ser generado en el aire (descarga corona) o a presión reducida (“glow discharge”). En lugar de un gas (aire, amoníaco, argón, nitrógeno, oxígeno, tetrafluorometano, etc.) se puede emplear un polímero, produciendo un efecto que se conoce con el nombre de “grafting”. Mediante este método se pueden lograr grosores controlados y reproducibles que actúan como primers. Fundamentalmente los efectos que produce el tratamiento con plasma sobre los sustratos son los siguientes:
Existen ciertas imprimaciones que se pueden emplear para activar la superficie de polímeros difíciles de adherir. Todos los polímeros tienen en común una marcada apolaridad que dificulta el mojado del adhesivo y, como consecuencia, sólo son capaces de generar enlaces intermoleculares de baja energía. Estas imprimaciones se recomiendan para adherir poliolefinas, politetrafluoroetileno y siliconas, entre otros. Se diseñan para su uso con cianoacrilatos debido al mecanismo de curado y a la elevada polaridad de estos adhesivos.
4.2.8 Los tratamientos de llama Se basan en la oxidación superficial debida a una reacción que se inicia por radicales libres creados a alta temperatura (2000ºC). De manera muy esquemática se pasan los polímeros por varios quemadores durante menos de 1 segundo. Este
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Fig.4.7: Tratamiento mediante plasma de baja presión.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
.Limpieza superficial. .Degradación de las zonas superficiales. .Reticulación de los polímeros en la superficie. .Oxidación superficial. .Polimerización y “grafting” en la superficie del sustrato. .Implantación iónica.
cial para su preparación. Sin embargo, existen materiales polímeros de uso muy extendido y que presentan superficies de muy baja energía superficial. En tales casos se debe acudir a tratamientos superficiales específicos.
4.3.1 Polímeros fluorados 4.2.10 La descarga en corona
Existe una serie de polímeros fluorados (PTFE, PCTFE, FEP, fluoruro de polivinilo y polifluoruro de polivinilideno) que presentan unas características de baja adhesividad muy marcadas. En consecuencia, es absolutamente necesario preparar superficialmente estos polímeros para poder emplearlos como sustratos en adhesiones. Los tratamientos posibles son los siguientes:
La técnica de descarga en corona consiste en hacer pasar la película de polímero sobre un electrodo metálico recubierto de un material dieléctrico al que se le hace llegar un alto voltaje procedente de un generador de alta frecuencia (10-20 kHz). Normalmente el voltaje se incrementa en ciclos hasta que se ioniza el gas, generándose un plasma a presión atmosférica que se conoce como “descarga corona”.
.Abrasión: mejora la adhesión pero aún no es efectiva. .Tratamiento de “marcado” (etching): se aplican disoluciones de sodio en THF o amoníaco líquido. Este tratamiento crea una serie de insaturaciones superficiales y una capa de 1 mm. de carbono que dan un aspecto pardo negruzco al polímero. Este color puede ser atenuado por lavado con acetona. .Tratamiento electroquímico. .Soldadura con superficies de alta energía superficial. .Imprimaciones empleadas en conjunción con cianoacrilatos.
Fig.4.8: Tratamiento de descarga en corona.
4.3.2 Poliolefinas Las poliolefinas son un grupo de polímeros que incluyen el HDPE, el LDPE y el PP, entre otros. Son también de baja reactividad y baja energía superficial. Se pueden realizar los siguientes tratamientos:
Se trata de un tratamiento muy efectivo para las poliolefinas que crea en la superficie grupos carbonilo promotores de la adhesión y eleva la energía superficial del polímero.
.Limpieza con disolventes: cloroformo para PE de alta densidad y para PP. .Tratamiento de llama: para PE de baja densidad. .Tratamiento químico: el más habitual se realiza con ácido crómico. Su efecto consiste en crear insaturaciones C=O y rugosidad en la superficie. El tratamiento debe realizarse en tiempos inferiores a 1 min. y a temperatura ambiente para evitar la formación de una
4.3 Tratamientos superficiales de sólidos de baja energía superficial (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante) Muchos polímeros no presentan problemas de adhesión y precisan únicamente limpieza superfi-
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
capa de débil cohesión. .Soldadura con superficies de alta energía superficial. .Imprimaciones empleadas en conjunción con cianoacrilatos.
4.4.1 Materiales cerámicos Los materiales cerámicos son, generalmente, de gran estabilidad química. Presentan problemas de adhesión cuando son vítreos, ya que sólo se unen de forma duradera mediante adhesivos capaces de generar enlaces químicos. Por este motivo, precisan de agentes de acoplamiento, generalmente en base a silanos, que creen enlaces primarios en la interfase adhesivo/sustrato.
4.3.3 Cauchos Los cauchos tienen muy buenas características adhesivas durante el proceso de vulcanización. Sin embargo, una vez vulcanizados pueden presentar problemas de adhesión. Para favorecer la unión a otros sustratos se suele aplicar una imprimación sobre el caucho. Los tratamientos superficiales empleados suelen ser:
4.4.2 Materiales metálicos Los metales, desde el punto de vista de la adhesión, tienen una serie de características particulares:
.Hinchado con disolventes .Abrasión mecánica .Halogenación .Ciclación
1.Alta energía superficial. 2.Presentan capas de débil cohesión: a)Recubrimientos superficiales. b)Adsorción de humedad y contaminación atmosférica. c)Capas superficiales de óxido. 3.La adhesión inicial es adecuada pero tiende a disminuir con el tiempo, fundamentalmente debido a la formación progresiva de capas de óxido superficial. Por este motivo se precisa de tratamientos superficiales que mejoren la durabilidad frente a los agentes externos.
4.3.4 Siliconas y cauchos termoplásticos Las siliconas y los cauchos termoplásticos presentan asimismo problemas de adhesividad. Se pueden emplear los siguientes tratamientos: .Plasma .Descarga corona .Abrasión .Tratamiento con ácido crómico .Tratamiento con llama .Limpieza con disolvente .Imprimaciones empleadas en conjunción con cianoacrilatos
Los tratamientos superficiales comúnmente empleados en metales son: 1.Limpieza con disolvente. Baños de disolvente, paños empapados en el disolvente o baños de ultrasonidos. Tradicionalmente se empleaba el 1,1,1-tricloroetano, pero sus efectos perjudiciales sobre la capa de ozono lo han convertido en un disolvente de uso muy restringido. Al finalizar el tratamiento se realiza un lavado con limpiador alcalino. Puede además aplicarse un tratamiento químico o una abrasión. 2.Abrasión mecánica. Se emplea esmeril, cepillo de púas, papel lija o chorro de granalla, que es el más efectivo de todos. Posteriormente se debe realizar un lavado con disolvente para eliminar impurezas. La efectividad del tratamiento deriva de la creación de una topografía superficial, de un incremento de la superficie de unión, una mejora del mojado y una eliminación de la
4.4 Tratamientos superficiales de sólidos de alta energía superficial (José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante) Cuando hablamos de materiales con alta energía superficial tenemos que diferenciar claramente entre materiales cerámicos y metálicos.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
4.5 Microgeometría superficial: rugosidad (Mario Madrid Vega, Loctite España)
contaminación superficial. 3.Tratamientos químicos. Alargan la vida de servicio de las uniones adhesivas pero tienen sus limitaciones ya que se requieren un cuidadoso control por la generación de residuos y la posibilidad de modificación de la propiedades intrínsecas del metal. 4.Imprimaciones. Generalmente silanos. 5.Tratamiento con plasma. En el caso de sólidos con elevada energía superficial, los efectos del tratamiento con plasma son los siguientes: i)Se eliminan las sustancias de pequeño peso molecular de la superficie (marcado). ii)Se polimeriza una imprimación en la superficie del sustrato con lo que se logra una notable mejora de la durabilidad de la unión adhesiva, aunque con el consiguiente incremento en costes. iii)Se implantan átomos extraños en el sustrato que van a facilitar la creación de enlaces primarios. iv)Si se inyecta un producto pulverulento en una corriente de plasma, éste se puede depositar en la superficie del sustrato como si se tratara de un spray (recubrimientos mediante proyección térmica). Con este procedimiento se pueden recubrir metales con capas de óxidos refractarios (Al2 O3 , ZrO 2, etc.).
Partiendo de la certeza de que el fenómeno de la adhesión es un fenómeno superficial, no es difícil entender que la microgeometría de la superficie influya en la resistencia de la adhesión. La relación exacta entre resistencia, durabilidad y rugosidad superficial es difícil de prever y puede variar entre adhesivos. Superficies rugosas proporcionan un anclaje mecánico para el adhesivo, pero pueden quedar atrapados pequeños volúmenes de aire, causando un mojado incompleto. Es posible que los adhesivos rígidos sean más compatibles con superficies suaves que los adhesivos flexibles a causa de la ausencia de puntos de rugosidad que eviten la aparición de puntas de tensión que a su vez podrían actuar como iniciadores de la fractura. Los adhesivos flexibles pueden deformarse bajo tensiones y resistir la rotura o el desgarro, de modo que la rugosidad no es un factor crítico. La rugosidad superficial puede ser definida como las irregularidades microgeométricas de las superficies de las piezas mecanizadas, constituidas por un conjunto de crestas y valles, debidos a la acción de las herramientas utilizadas. Desde el punto de vista de la adhesión deben considerarse los siguientes parámetros: 1.Profundidad de la rugosidad. 2.Altura de alisamiento. 3.Media aritmética de la rugosidad.
Fig.4.9: Representación de una superficie y el análisis de su microgeometría superficial.
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
Fig.4.10: Distribución de frecuencias mediante curvas de Abbot de la rugosidad de las superficies.
3.Por deformación y corte. 4.Mediante otros procedimientos.
En lo que concierne a las superficies, es necesario distinguir entre relieves superficiales de origen natural y aquéllos obtenidos de forma artificial.
Con materiales termoplásticos, la flexibilidad variable interviene de igual forma en la formación del perfil de la pieza, de modo que para procedimientos de mecanizado idénticos, las rugosidades obtenidas sobre las superficies de los materiales plásticos pueden diferir considerablemente de las de los materiales metálicos. El comportamiento de los termoestables es más parecido al de los metales.
Podemos observar relieves naturales, por ejemplo, en los minerales, que presentan estructuras cristalinas desarrolladas en ausencia de inhibición alguna, o en la madera sin mecanizar. De cara a la adhesión, estos estados superficiales son de importancia secundaria y no serán tratados aquí. No obstante, aquellos relieves naturales procedentes de superficies de rotura, capas de corrosión, picaduras, etc. son tremendamente variados y de difícil predicción. Los procesos que los conforman son muy diversos y no existe ningún criterio general de evaluación válido.
Es necesario tener en cuenta que los estados superficiales obtenidos mediante procesos de fabricación sin arranque de viruta o los procedentes de moldes presentan rayados menos patentes que los perfiles procedentes de levantamiento de material. El motivo de esto es que los utillajes de utilizados en el moldeo o en los procesos de deformación ejercen presiones inferiores que las herramientas de corte, las cuales comprimen la superficie haciéndola más densa. Por el contrario, las aristas de las herramientas de corte producen rayas con ángulos agudos. Igualmente, la naturaleza y composición de la capa límite exterior y sobre todo de la capa de reacción son, por ejemplo para las piezas de fundición, diferentes de las que presentan las piezas mecanizadas.
La influencia de los relieves obtenidos artificialmente son, por el contrario, de una importancia considerable desde el punto de vista de la adhesión. Así, afectan de forma directa a procesos tales como la preparación superficial, la elección de los adhesivos y la preparación de éstos. Es necesario, pues, distinguir entre los diferentes procesos de fabricación: 1.Con arranque de viruta. 2. Por moldeo.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Desde el punto de vista de la adhesión son preferibles acabados groseros a acabados finos que disminuyen la superficie real del material, haciendo más difícil el anclaje mecánico y disminuyen-
capaces de formar capas interfaciales de débil cohesión. Una analogía para describir este concepto es aplicar una presión a una cinta adhesiva en un adherente cuya superficie está cubierta con polvos de talco. La cinta adhesiva quedará cubierta con los polvos y no formará unión con el adherente. Ejemplos de capas interfaciales de débil cohesión son: láminas de óxidos débiles en adherentes metálicos, capas producidas por la migración de plastificantes a la superficie del adherente cuando este es un polímero. Otros contaminantes superficiales pueden ser: polvo, grasa, suciedad, etc. .Está comprobado que para formar una unión eficaz se requiere un contacto molecular íntimo entre adhesivo y adherente. Un tratamiento superficial correcto optimizará este grado de contacto, que puede ser ocasionado por modificación química de la superficie del adherente. .Proteger a las superficies de los adherentes antes de realizar la unión. A veces esto es necesario, particularmente con metales que después del tratamiento superficial tengan una superficie que sea altamente reactiva no sólo frente a los adhesivos sino también frente a los contaminantes atmosféricos. Para preservar la integridad de la superficie es necesario realizar la unión con adhesivos dentro de pocas horas después de realizar el tratamiento superficial, o bien aplicar un “primer” que sea compatible con el adhesivo que se aplicará más tarde. Una superficie a la que se haya aplicado un “primer” puede proteger a la superficie del adherente durante varios meses antes de realizar la unión. .Proporcionar a los adherentes una topografía superficial adecuada, alterando de este modo el perfil superficial e incrementando la superficie de unión.
Fig.4.11: Prefiles de superficies con idéntica profundidad de rugosidad (Ra ó Rz): a) La adherencia es de buena a muy buena, puesto que aunque hay un pequeño número de valles, son profundos; b) En este caso hay un número pequeño de crestas y la adherencia es sensiblemente inferior; c) Es el perfil habitual resultante de un mecanizado con arranque de viruta. La adherencia es de media a buena.
do la extensión de la interfase adhesivo-sustrato. La viscosidad del adhesivo debe ser adecuada a la estructura geométrica fina y al estado energético de la superficie. Esto significa que las desigualdades de la superficie deben ser rellenadas y que las capas de adhesivo deben tener un espesor capaz de recubrir las holguras entre los sustratos. De ser así, la totalidad de la superficie podrá participar en la adherencia.
4.6 Preparación superficial de materiales estructurales (Francisco López Martín, ETSIN de Madrid)
Puesto que el fenómeno de la adhesión es un fenómeno de superficies, es lógico pensar que el estado de estas es esencial para conseguir una buena unión. La resistencia mecánica de una unión adhesiva depende fundamentalmente de las fuerzas de adhesión desarrolladas entre adherente y adhesivo, lo cual requiere un contacto molecular íntimo, aunque algunas veces insuficiente, entre ellos. Por eso es muy importante que las superficies a unir estén exentas de contaminantes, con el fin de faci-
4.6.1 Introducción Los objetivos de la preparación superficial de los materiales metálicos son: .Eliminar o prevenir la formación de sustancias
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
litar una buena humectación del adherente y proporcionar contacto directo con el adhesivo, favoreciendo la expulsión del aire que pudiera estar retenido (Kinloch).
.El tipo de adhesivo. .El entorno al que va a estar sometida la unión adhesiva. .Criterios económicos.
Para metales, la preparación superficial implica la eliminación de capas débiles superficiales que son químicamente incompatibles con el adhesivo y la formación artificial de capas estables que sean mecánica y químicamente compatibles con el mismo. Este aspecto es esencial tanto para obtener una buena resistencia de la unión como para su fiabilidad y conservación en el tiempo (Clearfield).
Fig.4.12: Diagrama de flujo para la preparación superficial de los metales mediante procesos electroquímicos.
Fig.4.13: a) Probeta “wedge crack test”; b) Cuña de aluminio o acero inoxidable; c) Montaje adherido con la cuña insertada, 4.6.2 Preparación superficial de los metales
Uno de los ensayos más empleados para comprobar la durabilidad de las uniones es el ya mencionado Wedge crack test. Este ensayo se basa en una probeta constituida por dos placas adherida una sobre la otra y entre las cuáles se introduce una cuña que genera una carga permanente de cortadura sobre la unión adhesiva. La grieta generada se propaga con el tiempo dependiendo de las condiciones ambientales a las que se someta la probeta. El crecimiento de la grieta a lo largo del tiempo nos informa sobre la durabilidad de la unión adhesiva.
4.6.2.1 La limpieza superficial Consiste en la eliminación de la suciedad o contaminación superficial de un adherente. La mayoría de las superficies metálicas presentan una capa de grasa superficial como consecuencia de los procesos de mecanizado en los cuales se utilizan lubricantes, o grasa que en determinadas ocasiones se aplica como protección de la corrosión. De forma general se puede decir que el desengrasado se suele realizar en base al tamaño de la pieza que se va a limpiar, de esta forma tendremos limpieza en spray, en inmersión, en ultrasonidos, en fase vapor, etc. En general se puede indicar que todos los métodos de desengrase se mejoran mediante agitación mecánica.
La elección del tratamiento superficial más adecuado para un metal depende de: .Su naturaleza. .El estado inicial.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
4.6.2.2 Los tratamientos abrasivos
4.6.2.4 Los inhibidores para el retardo de la hidratación
La abrasión mecánica es la técnica de preparación superficial más ampliamente utilizada, siendo adecuada para prácticamente todos los materiales.
Para retardar la hidratación de la capa de óxido metálico se ha propuesto aplicar sobre las superficies de los adherentes una monocapa de ciertos inhibidores orgánicos. Un ejemplo de esta técnica, donde se han preparado las superficies de aluminio mediante un tratamiento sulfocrómico seguido de una impregnación con el inhibidor NTMP, previamente a su unión mediante adhesivo epoxi, muestra que la resistencia en medio húmedo y caliente puede mejorar hasta equipararse con otra unión preparada con anodizado fosfórico.
A la hora de eliminar grandes cantidades de agentes extraños de una superficie metálica previo a la unión por adhesivos se pueden considerar varios tratamientos abrasivos. La limpieza con abrasivos incluye todos aquellos procesos que suponen pasar un medio abrasivo sobre la superficie a limpiar, pero el más utilizado, sobre todo cuando se requiere consistencia en el acabado, es el chorreado abrasivo por impacto de arena, alúmina o granalla a presión. Otros métodos utilizados son el lijado, cardado, etc. realizados de forma manual o automática.
La mayor resistencia a la degradación de las uniones de aluminio preparadas con anodizado fosfórico, por efecto de la capa de fosfato adsorbida sobre el óxido, puede aun ser mejorada mediante el empleo de inhibidor NTMP.
Un tratamiento abrasivo tiene una doble finalidad: eliminar impurezas de la superficie y proporcionar un perfil de superficie adecuado para la aplicación del adhesivo. En este proceso es muy importante la limpieza del medio abrasivo utilizado. Si, por ejemplo, el cepillo utilizado se ha usado previamente para limpiar la grasa de un adherente, dicha grasa se transferirá a la superficie que se quiere limpiar.
Otra opción para retardar la hidratación sería convertir la alúmina amorfa que normalmente se tiene (tanto con anodizado fosfórico como con ataque sulfocrómico) por alúmina altamente cristalina, que es mucho más estable frente a la acción de la humedad. Sin embargo, la obtención de Al2 O 3 cristalino sobre el sustrato metálico mediante algún método sencillo y económico es todavía un tema pendiente.
La geometría, tamaño, y la naturaleza (metálica o no metálica) del medio abrasivo afectará al perfil de la superficie, produciendo siempre un aumento del área superficial y por lo tanto un mayor contacto interfacial.
4.6.2.5 El tratamiento con plasma Este procedimiento, así como los otros procedimientos denominados energéticos tales como el tratamiento con llama, láser, etc., producen un cambio en la textura superficial de los adherentes, producido por la interacción de especies altamente energéticas con la superficie del adherente. Estos procedimientos han sido aplicados a metales y en particular a polímeros y materiales compuestos.
Además, se piensa que en ciertas circunstancias la abrasión mecánica mejora la capacidad del adhesivo para “mojar” (es decir, que el adhesivo cubra la superficie completamente con facilidad).
4.6.2.3 Los tratamientos químicos Alargan la vida en servicio de las uniones adhesivas pero tienen sus limitaciones ya que requieren un cuidadoso control por la generación de residuos y la posibilidad de modificación de las propiedades intrínsecas del metal.
4.6.2.6 La aplicación de “primers” La aplicación de un “primer” a un adherente es otra forma de tratamiento superficial principalmente usado para materiales tales como metales y cerámicos. Generalmente, la aplicación del “primer” es la fase final de un proceso de tratamiento
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
superficial constituido por varias etapas. El “primer actúa como un medio que se puede unir con facilidad al adherente y al adhesivo. Algunos adhesivos tienen elevadas viscosidades y, por tanto, no fluyen fácilmente sobre el adherente, o los adherentes presentan superficies difíciles de unir (por ejemplo, cobre). El “primer” moja con facilidad al adherente, y se presenta como un adhesivo en disolución. A continuación el “primer” depositado sobre el adherente se cura de la manera indicada por el fabricante. Cuando se aplica el adhesivo sobre la superficie imprimada, y siendo ambos químicamente compatibles, se establece tras el curado una unión de alta resistencia. Los “primers” contienen a menudo ingredientes que potencian la resistencia a la degradación medioambiental y la estabilidad térmica de la unión, así como protegen al adherente de procesos de hidratación y corrosión. El “primer” puede proteger al adherente durante varios meses antes de efectuar el pegado. Los “primers” más comúnmente usados son silanos que tienen la fórmula general R(CH2 )n SiX3 donde R es un grupo organofuncional elegido por su reactividad con un adhesivo dado y X es un grupo hidrolizable que puede formar enlace con el adherente.
Los silanos han sido también usados en uniones metal/polímero, resultando en una durabilidad en húmedo mejorada. Existen agentes acoplantes específicos para acero (g-GPS) y aluminio (gAPS). La mejora en la durabilidad de la unión parece estar relacionada con la formación de enlaces metal-O-Si que se forman por reacción de los grupos hidroxilo en la superficie del óxido metálico y los organosilanos correspondientes. Sin embargo, hay que decir que tanto los enlaces SiO-Si como los metal-O-Si son, a su vez, susceptibles de sufrir hidrólisis y el mecanismo exacto por el cual la durabilidad de la unión aumenta por el uso de esta imprimación no es todavía bien comprendido. Es más, el propio silano tiene una naturaleza higroscópica que acelera la penetración de agua en la intercara de unión. La clave que determina la resistencia de la unión parece radicar en la estructura y espesor de la capa de polisilano que constituye la imprimación. La imprimación se aplica sumergiendo el sustrato en una solución acuosa del agente acoplante y secándolo después para eliminar los restos de humedad. La temperatura a que se realiza el secado determina el grado
La imprimación es un agente acoplante que es capaz de establecer enlaces químicos primarios entre el adhesivo y el adherente. Se aplica a la superficie del adherente antes de realizar la unión con el adhesivo, mejorando la durabilidad en húmedo. El ejemplo más conocido es el empleo de organosilanos como ensimaje de las fibras de vidrio en materiales compuestos de matriz polimérica. Se establecen enlaces covalentes entre el Si de las fibras y el Si del organosilano, por un lado, y entre la matriz polimérica y el grupo organofuncional del agente acoplante, por el otro.
Fig.4.15: Aplicación a pistola y curado de la imprimación.
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Fig.4.14: Aplicación de imprimación por electrodeposición.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
de entrecruzamiento de las cadenas orgánicas y este parámetro parece ser determinante –junto con el espesor de la capa de imprimación– sobre la resistencia en húmedo de la unión.
dizado la capa de óxido de aluminio previa, para asegurar resistencia a la corrosión y mayor durabilidad de la unión. Puesto que el espesor de la capa de óxido formado es controlable, se podrían
Aunque los organosilanos constituyen las imprimaciones más empleadas en las uniones metal/polímero, otros agentes acoplantes también han sido utilizados: organotitanatos, organozirconatos, organozircoaluminatos, complejos de cromo, betacetonas y mercaptoésteres multifuncionales. También las imprimaciones de base fenólica han resultado conferir una muy buena durabilidad a las uniones metal/polímero; no obstante, los enlaces entre el óxido metálico y el grupo fenólico también son susceptibles de ataque por el agua, por lo cual, de nuevo, el mecanismo íntimo que proporciona la mejora de durabilidad de la unión todavía no es perfectamente conocido.
Fig.4.17: Diagrama de flujo para el proceso de anodizado de piezas de aluminio.
4.6.3 Tratamientos superficiales de los materiales metálicos más frecuentes
4.6.3.1 Aleaciones de aluminio El anodizado fosfórico de bajo voltaje, posterior al decapado con dicromato sódico, es un proceso versátil que es capaz de producir una capa de óxido de aluminio fuertemente unido al adherente en una gran variedad de aleaciones de aluminio. No obstante, es esencial eliminar antes del ano-
Fig.4.18: Carga de bastidores para el anodizado.
Fig.4.16: Diagrama de un aparato de anodizado simple. El aluminio es el ánodo (+) gracias a una fuente de alimentación DC regulada. El tanque es normalmente el cátodo (-), aunque se puede emplear en su lugar un metal no reactivo.
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
aplicar puntos de soldadura, incluso cuando ya está colocado el adhesivo en pasta con inhibidores de la corrosión adecuado para el caso en que se quiera realizar una unión híbrida soldadura/adhesivo.
Cuando se exigen buenas propiedades mecánicas y durabilidad se suelen utilizar cuatro tipos de procedimientos de preparación superficial: FPL (Forest Products Laboratory), P2, anodizado fosfórico PAA y anodizado crómico CAA.
Con la adición de cromatos a los adhesivos se ha mejorado el comportamiento a corrosión en las condiciones de la cámara de niebla salina. Con el proceso de anodizado anterior se ha conseguido pegabilidad de los adhesivos y soldabilidad, incluso después de 300 horas de exposición a estas condiciones ambientales.
Con excepción del simple desengrasado y de la abrasión mecánica, el procedimiento FPL es el más antiguo de los tratamientos superficiales para adherentes de aluminio (Eichner); también se usa como etapa previa de los tratamientos PAA y
En piezas de escasa responsabilidad estructural unida a no grandes requisitos en cuanto a durabilidad, la abrasión mecánica es suficiente (Minford,74).
Fig.4.19: Perfil resultante de diferentes tratamientos sobre aluminio: a) Tratamiento CrO 3 /NaHSO4 ; b) Tratamiento FPL (Forest Products Laboratory); c) Anodizado con ácido fosfórico (PAA); d) Anodizado con ácido crómico (CAA).
Fig.4.20: Resultado de los ensayos “Wedgecrack” (longitud de la grieta) frente a tiempo en adherentes de Alumino 2024 tratados con diferentes tratamientos.
Fig.4.21: Diagramas esquemáticos de los diferentes óxidos generados sobre aluminio mediante tratamientos superficiales electroquímicos. Las columnas de óxido representadas se repiten siguiendo un patrón aproximadamente hexagonal a lo largo de la superficie del aluminio.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
CAA. El procedimiento P2 se ha desarrollado con el fin de evitar la toxicidad de los cromatos; se trata de utilizar como oxidante sulfato férrico en lugar de dicromato sódico utilizado en el tratamiento FPL (Rodgers). El anodizado con ácido fosfórico (PAA) fue desarrollado por la Boeing Company en las décadas de los sesenta y setenta para mejorar las características de las estructuras primarias aeronáuticas (Kabayashi). Las uniones donde se ha aplicado el tratamiento PAA presentan mejores características de durabilidad en condiciones ambientales de humedad que aquéllas donde se ha aplicado el FPL, especialmente cuando se utilizan adhesivos epoxi. El procedimiento PAA es el elegido en Estados Unidos para aplicaciones de alta responsabilidad estructural (ASM). El anodizado con ácido crómico CAA (Military Specification), es muy usado para mejorar la resistencia a la corrosión de superficies de aluminio. Aunque no es tan utilizado como los FPL y PAA en los Estados Unidos es el preferido en Europa (Bijlmer). No obstante, debido a que los compuestos de cromo VI son productos tóxicos, concretamente pueden causar cáncer de pulmón al ser inhalados, en la actualidad se están proponiendo procesos alternativos con el fin de sustituirlos (Matz) (Smith).
Fig.4.23: Ensayo “wedge” que muestra la calidad comparativa de varios métodos de preparación superficial. FR, freon; MEK, metil etil cetona; TCE, tricloroetano; A, recubrimiento de conversión de cromato (Alodine 1200); FPL, ataque químico de Forest Products Laboratory; PJ, Pasajell 105; HF, ácido fluorhídrico al 2%; OFPL, ataque químico FPL optimizado; 5555, anodizado con ácido fosfórico; FPL-P, FPL en pasta. Fig.4.24: Diagrama que muestra la relación entre los datos del ensayo “wedge” para el ataque químico FPL y el anodizado con ácido fosfórico sobre aluminio. La conclusión sacada a partir de estos datos fue que la durabilidad es mayor en el metal tratado con anodizado con ácido fosfórico. 4.6.3.2 Aceros
Fig.4.22: Efecto de los pretratamientos superficiales sobre la durabilidad de las uniones de aleaciones de aluminio adheridas con epoxi tenaz sometidas a un envejecimiento acelerado en agua a 50º C.
En cuanto al acero, debido al gran interés comercial de su unión estructural mediante adhesivos, se ha realizado una intensa labor de investigación para conseguir durabilidad en las uniones. A diferencia del aluminio, el hierro no forma óxidos firmemente adheridos al sustrato. Los tratamientos de abrasión mecánica son comúnmente
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
usados, pero aunque son adecuados para algunas aplicaciones, no son apropiados para los casos en que la unión estructural esté sometida a severas condiciones ambientales (Clearfield). Además, la gran variedad y complejidad de las microestructuras de los distintos aceros dificultan la tarea de desarrollar un tratamiento superficial universal. Para aceros al carbono, el método propuesto por Russell y colaboradores (Russell,82) (Russell,83), basado en un ataque químico con ácido fosfórico y alcohol etílico, se muestra razonablemente efectivo, habiéndose mostrado insuficiente una mera preparación mecánica de la superficie (Santamaría). Para aceros inoxidables, aunque está comprobado que los tratamientos superficiales químicos mejoran las características de la unión mediante adhesivos no hay acuerdo sobre qué tratamiento químico es el mejor. Una disolución atacante muy usada está formada por una mezcla de HNO3 – HF. Otra es ácido crómico. Varias soluciones basadas en ácido sulfúrico también son muy utilizadas, y varios investigadores han investigado una amplia variedad de disoluciones basadas en ácidos con dicromatos. El tratamiento que para un investigador merece ser considerado como el mejor no lo es tanto para otros investigadores.
4.6.3.3 Aleaciones de titanio Las aleaciones de titanio son atractivas particularmente para ser empleadas en la industria aerospacial debido a su alta relación resistencia/peso. Además, su capacidad para mantener las propiedades mecánicas a altas temperaturas hacen posible su utilización en componentes estructurales que operen a temperaturas próximas a los 400 ºC. Una de estas aleaciones, Ti-6Al-4V es muy utilizada en la industria aerospacial en piezas unidas mediante adhesivos. Los tratamientos de abrasión mecánica, particularmente el chorreado con alúmina, son métodos muy empleados de preparación superficial de la aleación Ti-6Al-4V. Sin embargo, la durabilidad de la unión es muy pobre con este tipo de tratamientos, y en consecuencia, no es recomendable su utilización especialmente cuando se requiere alta responsabilidad estructural. Lo mismo que para el aluminio, preparaciones superficiales para la aleación Ti-6Al-4V que ofrezcan garantías en cuanto a durabilidad son las que forman óxidos por anodizado y/o ataque químico. El tratamiento de anodizado ofrece las mejores condiciones de durabilidad como tratamiento superficial para las aleaciones de titanio, principalmente debido a la morfología superficial que se consigue con este tratamiento.
Fig.4.25: Longitud de grieta frente a tiempo de exposición en adherentes de Ti-6AL-4V unidos con epoxi FM300M y sumergidos en agua hirviendo.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
El proceso más utilizado es el CAA (aunque aplicado de forma diferente que para adherentes de aluminio). Desde hace pocos años, el procedimiento SHA, ha ganado interés debido a que la durabilidad conseguida en las uniones es superior a la conseguida con el procedimiento CAA.
ciones marinas. Como en otras ocasiones la práctica común es preparar la superficie a encolar por tratamientos de abrasión mecánica; aunque este tratamiento produce una adecuada resistencia inicial, la durabilidad de la resistencia de la unión es pequeña.
El procedimiento SHA consiste en un desengrasado con metiletilcetona seguido de inmersión en sendas disoluciones de HNO3 y HF, aclarado con agua destilada y posterior anodizado en una disolución de NaOH, seguida de otro aclarado y secado final.
Se han desarrollado varios tratamientos de ataque químico para el cobre y sus aleaciones (latón y bronce) que son adecuadas para aplicaciones estructurales y en las que la resistencia de la unión adhesiva conseguida se conserva a largo plazo. Dos de ellos, los basados en ataque químico con Ebonol C y con clorito sódico respectivamente, producen un óxido superficial con la morfología adecuada (Clearfield).
Más recientemente se han investigado variaciones al método SHA, como el método NaTESi; en este último método se añade tartrato de titanio a la disolución de NaOH. El chorreado con alúmina se ha realizado también como una etapa previa en los procesos de anodizado, sin embargo, se ha llegado a la conclusión que su inclusión no aporta mayor durabilidad a las uniones. Un método que fue también utilizado es el tratamiento superficial AP. No obstante su uso ha descendido debido a la inestabilidad de uno de los productos empleados, agua oxigenada, a la temperatura a la que se realiza el tratamiento, 65 ºC. Las preparaciones superficiales de la aleación Ti-6Al-4V que impliquen la formación de un óxido no se deben utilizar a temperaturas superiores a 200 ºC, ya que el óxido se disuelve en la aleación por encima de esa temperatura. Para aplicaciones a alta temperatura se utiliza como preparación superficial un tratamiento con plasma. La generación del plasma se hace con una mezcla de argón e hidrógeno o de nitrógeno e hidrógeno. Partículas de polvo del material a ser depositado, en este caso Ti-6Al-4V, se inyectan en el plasma.
4.6.3.4 Cobre El cobre no es considerado generalmente como un metal estructural. El campo de mayor aplicación de piezas de cobre unidas mediante adhesivos es en la industria microelectrónica. No obstante, las aleaciones de cobre se utilizan en piezas de responsabilidad estructural para varias aplica-
Sin embargo, otros autores opinan que este tipo de tratamientos superficiales (ataque químico) es de dudosa efectividad (refiriéndose a la durabilidad de la unión) en el caso del cobre debido a la facilidad con que se forma un óxido débil y desmenuzable (Adams).
4.6.4 Tratamiento superficial de los cerámicos estructurales Uno de las preparaciones superficiales más comunes para los materiales compuestos, fundamentalmente para laminados de fibra de carbono, es el denominado peel-ply. Consta de las siguientes etapas: .Se pone un tejido poroso en la cara exterior del laminado durante el curado. .Una vez ha curado la matriz, el tejido se puede pelar del material, dejando una superficie rugosa. .Se lija la superficie. .Se limpia con acetona. .Se seca. Los materiales estructurales por excelencia empleados en aeronáutica, las estructuras en panal de nido de abeja, se preparan realizando el correspondiente tratamiento de las pieles, que generalmente son planchas de aluminio (anodizado y aplicación de primer). Los núcleos se suelen desengrasar.
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PREPARACIÓN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR
Fig.4.26: Estructura de emparedado: a) Constitución; b) Detalle linea encolado.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 5: ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS (Mario Madrid Vega, Loctite España, incluye información extraída de documentación facilitada por 3M e IBERCERAS)
5.1 Adhesivos prepolimerizados en fase líqui da
5.1.1 Adhesivos prepolimerizados en solución acuosa Son los adhesivos que se emplean en mayor volumen. De acuerdo con su origen se puede distinguir entre adhesivos de origen natural y adhesivos de origen sintético. Los adhesivos en solución acuosa de origen natural pueden ser a su vez de origen mineral, animal o vegetal. Los adhesivos prepolimerizados en solución acuosa de origen mineral se emplean masivamente en el campo de la construcción. Ejemplos de ello son los yesos, cementos, escayolas, etc., que emplean un mineral base y cargas también minerales que mejoran sus características mecánicas y el agua como vehículo.
Fig.5.1: Formación de una película de adhesivo en dispersión acuosa.
Los adhesivos prepolimerizados en solución acuosa de origen vegetal más importantes son la celulosa (empleada en la elaboración de colas para papeles pintados), el almidón, la goma arábiga y la colofonia. Tienen usos fundamentalmente domésticos, aunque el almidón se comenzó a emplear de forma masiva en el encolado de los sellos de correos. En la actualidad, los adhesivos para sellos de correos se preparan a partir de un subproducto del almidón, la dextrina, y poliacetato de vinilo, aunque el almidón se sigue empleando en la industria de la fabricación de embalajes, para la elaboración de cartones microcanalados o en la industria de la elaboración del papel y la fabricación de bolsas de papel. Son varios los adhesivos prepolimerizados en solución acuosa de origen animal que se han empleado a lo largo de la Historia. Así, el adhesivo procedente de la cocción de huesos animales o de las escamas del pescado (cola de pescado) se ha empleado durante siglos. La caseína, proteína procedente de la leche, tiene también propiedades adhesivas que se han aplicado en carpintería, en embalajes alimenticios y en el encolado de etiquetas para botellas de vidrio. Otras de sus aplicaciones son su uso como coloide estabilizador y protector de sistemas de látex, como aditivo para fabricar otros adhesivos, como material para recubrir papel en combinación con látex y en la fabricación de envoltorios para la industria de la comida y la del tabaco. Los adhesivos en solución acuosa de origen sintético se basan fundamentalmente en polímeros de PVP (polivinilpirrolidona), PEG (polietilenglicol) y PAV (Polialcohol vinílico). El PVP tiene aplicaciones en productos farmacéuticos. El PEG se emplea en cosmética y farmacia. El porcentaje de estos adhesivos en sólidos es del 50%. Los usos del PAV se extienden a los siguientes sectores: .Industria textil .Industria del papel
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ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS
.Polimerización en emulsión .Industria de la construcción (aditivo para cementos) No presentan problemas de seguridad e higiene, ni de inflamabilidad.
5.1.2 Adhesivos prepolimerizados en solución orgánica Su empleo se haya en declive debido a los problemas de Seguridad e Higiene asociados con el uso de disolventes orgánicos. Su composición suele ser la siguiente: .Caucho: responsable de la cohesión y de la elasticidad del adhesivo curado. .Resina: proporciona la untuosidad. .Disolvente: mantiene la mezcla en estado líquido/fluido. .Cargas: aportan características mecánicas al producto y lo abaratan. .Pigmentos: dan coloración al producto. En este caso el porcentaje en sólidos del adhesivo es inferior: en torno al 25-30%. Son adhesivos inflamables y presentan problemas de seguridad e higiene en el trabajo. Los polímeros utilizados en este tipo de adhesivos suelen ser lineales y adquieren propiedades elásticas tras su vulcanización, la cual se produce con el oxígeno del aire en el caso del SBR (adhesivos de aislamiento). El producto se debe aplicar sobre uno de los sustratos a adherir, aunque es más efectivo si se aplica sobre ambos sustratos. Entonces se debe esperar a que transcurra el denominado “tiempo de preevaporación”, o tiempo durante el cual se evaporará la mayor parte del disolvente. Una vez transcurrido este tiempo se unen los sustratos hasta que se fijen. El curado continúa en los días sucesivos hasta que se evapora todo el disolvente.
debe evitarse su uso en adhesiones de cierta responsabilidad. Se emplean sobre superficies relativamente amplias, como láminas o planchas. Ejemplos de su uso son: pavimentos, recubrimientos de paredes, tapicerías, muebles, laminados, materiales de aislamiento, paneles divisorios, artes gráficas y publicidad y en el interior de vehículos. Los adhesivos denominados “de aislamiento” y los adhesivos de nitrilo son ejemplos de esta familia adhesiva. Los adhesivos de aislamiento están constituidos por caucho SBR o por acrílicos. Tienen una untuosidad alta y duradera que permite tiempos de manipulación cortos con sustratos ligeros. Son poco agresivos por lo que pueden ser empleados para la adhesión de poliestireno expandido. Los adhesivos de nitrilo se basan en el caucho de nitrilo. Tienen buena resistencia a aceites, disolventes y plastificantes. Además son postcurables por efecto del calor, con la consiguiente mejora de sus propiedades mecánicas. Se pueden incluir bajo este epígrafe los adhesivos de contacto, basados en el caucho de neopreno. Son los más adecuados para la adhesión de caucho y precisan de su aplicación en ambos sustratos para, una vez transcurrido el tiempo de preevaporación, proceder al ensamblaje con aplicación de presión. Los adhesivos de neopreno se emplean para unir laminados plásticos de alta presión y en las industrias del calzado, de la automoción y de la construcción.
5.1.3 Adhesivos prepolimerizados en emulsión El polímero en este caso se halla emulsionado en un vehículo que puede ser orgánico o inorgánico. Dentro de este grupo podemos distinguir entre polímeros vinílicos y polímeros acrílicos.
Debemos considerar el denominado “tiempo abierto” o tiempo máximo que puede transcurrir desde la aplicación del adhesivo sobre los sustratos sin que éste pierda sus propiedades adhesivas por excesiva evaporación de disolvente.
Ejemplos de adhesivos en emulsión en base a un polímero vinílico son los de PVC y PE. Se emulsionan con disolventes orgánicos. Sin embargo son más usuales los adhesivos de poliacetato de vinilo (PAcV) y los poliacrílicos, que se emplean emulsionados en agua para el encolado de cartón y de papel y en carpintería. Precisan de sistemas de secado basados en microondas.
Estos adhesivos son de uso general, aunque
El PAcV es din duda el más importante en volu-
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
men de esta familia de adhesivos. Sustituyó a mediados del siglo XX a la cola de pescado convirtiéndose en un adhesivo básico. El uso del PAcV y sus copolímeros se extiende a áreas como las que siguen. .Encuadernación .Industria del sobre .Fabricación de cartón .Industria del embalaje (bolsas de papel, cajas de papel y cartones para leche) .Industria del papel e industria textil .Ensamblaje de la madera (colas blancas para carpinteros) .Adhesivos infantiles .Industria del tabaco (fabricación de cigarros) Los adhesivos en emulsión basados en polímeros acrílicos (metacrilatos) mejoran las características térmicas de los anteriores. Se suelen emplear como autoadhesivos (cintas adhesivas y etiquetado) ya que soportan tensiones muy débiles, se unen fácilmente a las superficies y tienen una buena resistencia química al agua. Su coste sin embargo, es más elevado, lo cual limita en gran medida su utilización.
primeras cintas industriales fueros desarrolladas por Drew (3M) en 1920. Estas primeras cintas tenían soporte de papel y fueron desarrolladas para ser utilizadas como enmascaradores en procesos de pintado. Más tarde aparecería la primera cinta con soporte sintético transparente (el celofán), y así, hasta nuestros días, el campo de las cintas adhesivas se amplió con la utilización de nuevos tipos de soportes y de adhesivos.
5.2.1.2 Teoría de los autoadhesivos El comportamiento reológico de los autoadhesivos es el responsable de su carácter especial frente a los adhesivos convencionales. Los autoadhesivos son materiales viscoelásticos. El comportamiento de los adhesivos durante el proceso de formación de la unión o de intento de rotura de la misma puede relacionarse con este comportamiento reológico y con su módulo elástico, como podemos observar en la siguiente gráfica en función de la temperatura y la velocidad de deformación.
5.2 Adhesivos prepolimerizados en fase sólida
Fig.5.2: Módulo elástico a cortadura(G) frente a la temperatura y la velocidad de deformación de un PSA.
5.2.1 Adhesivos piezosensibles
5.2.1.1 Introducción Los adhesivos piezosensibles, autoadhesivos o PSA son aquellos que precisan de una ligera presión para realizar su función adhesiva. Normalmente se hallan sobre un soporte físico, el cual les añade una serie de características mecánicas, aunque pueden presentarse en forma de película sobre un protector antiadherente que permite su manejo. Por otro lado, no precisan de un curado, sino que sus propiedades reológicas y su untuosidad permanente son responsables de su adhesión instantánea. Los primeros productos que podrían ser considerados como cintas adhesivas fueron los esparadrapos empleados en medicina. Sin embargo las
Todos los autoadhesivos tienen una temperatura de transición vítrea muy por debajo de la tempera-
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ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS
tura ambiente lo cual asegura su comportamiento viscoelástico a las temperaturas de trabajo. Durante el proceso de formación de la unión el autoadhesivo deberá tener, a temperatura ambiente, una buena capacidad para fluir viscosamente a velocidades bajas de deformación (bajo módulo elástico). Por otro lado la unión se formará si el sustrato posee una energía superficial superiores a la del autoadhesivo. Una vez producido el contacto, en la interfase adhesivo/sustrato se desarrollarán una serie de mecanismos de unión como los vistos hasta ahora: anclaje físico (rugosidad de los materiales), enlaces de tipo secundario (puentes de hidrógeno, fuerzas de dispersión, interacción entre dipolos permanentes, fuerzas de inducción, interacciones ácido-base) e incluso enlaces de tipo primario (covalentes e iónicos). El efecto de la rugosidad sobre la adhesión de los PSA no es el mismo que para el resto de los adhesivos. De hecho, el anclaje sobre superficies suaves suele ser mejor que sobre superficies rugosas, ya que el material viscoelástico tiene dificultades para expulsar el aire atrapado en el interior de las microcavidades superficiales. Tales cavidades constituyen además puntos de iniciación de la fractura. Hay dos tipos de propiedades que caracterizan al autoadhesivo. Por un lado sus propiedades adhesivas, determinadas por su energía superficial y su capacidad para desarrollar uniones con el sustrato. Por otro, sus propiedades viscoelásticas o inherentes a la masa del autoadhesivo que, primero, permiten formar la unión por medio de la fluencia del autoadhesivo bajo presión y, luego, condicionan el comportamiento frente a esfuerzos.
5.2.1.3 Clases de autoadhesivos Los autoadhesivos se clasifican en función del material polimérico (tipo elastómero), que se emplea como base de su formulación. De todos ellos, los autoadhesivos en base a caucho natural o sintético (conocidos como adhesivos de caucho) y los basados en polímeros acrílicos son los más importante. Los autoadhesivos de caucho natural son ampliamente empleados. El caucho natural fue la base de los primeros adhesivos utilizados en cin-
tas. Se obtiene del árbol Hevea Brasilienis en forma de látex y químicamente es Cis-1,4-poliisopreno. En los autoadhesivos se emplea como un sólido obtenido mediante la coagulación del látex, como hoja ahumada o crepé pálido. La formulación partiendo de látex es menos frecuente. Para que el caucho natural pueda ser disuelto y mezclado con los otros componentes del autoadhesivo ha de ser sometido al proceso denominado como masticación, mediante el cual se reduce el peso molecular del polímero. El caucho natural es un elastómero y, como tal, proporciona al autoadhesivo sus propiedades elásticas. Sin embargo tiene poco tack inherente y necesita de la adición de un componente que aporte las propiedades de viscosidad y de tack necesarias. Estos componentes son las resinas, las cuales comentaremos posteriormente. Otros componentes del autoadhesivo serán antioxidantes, plastificantes y pigmentos. Los autoadhesivos de caucho natural-resina se caracterizan por tener un tipo de adhesión muy universal, un buen tack y una buena adhesión inicial que aumenta poco con el tiempo. Su resistencia a altas temperaturas, a disolventes y a la intemperie no es muy buena. Puede mejorarse mediante reticulación química del caucho, ya sea por vulcanización con azufre o con resinas de fenol-formaldehído. El curado ha de ser controlado para evitar la pérdida de tack. Suele realizarse en la misma línea de encolado. También son frecuentes, en cintas eléctricas por ejemplo, los autoadhesivos de caucho termoestable. En estos casos la cinta, una vez aplicada, es sometida a ciclos de alta temperatura, alcanzando la termoestabilidad y adquiriendo una gran resistencia a temperatura y a disolventes. El caucho natural también puede formularse junto a otros elastómeros, como el SBR. En general, la expresión “adhesivo de caucho” engloba tanto a los de caucho natural como a los de caucho sintético. Los autoadhesivos de caucho SBR se basan en el SBR, copolímero sintético de estireno-butadieno al azar y con un contenido en estireno de un 20-25%. Al igual que el caucho natural, el SBR ha de ser masticado previamente a su disolución y mezcla. También se encuentra disponible en forma de látex. Formulado con el caucho natural
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
confiere al autoadhesivo unas características de envejecimiento mejores. Los autoadhesivos de copolímeros en bloque, también denominados cauchos termoplásticos, son polímeros sintéticos de cadena AAABBBAAA, donde AAA representa los extremos termoplásticos del poliestireno y BBB el bloque central de poliisopreno, polibutadieno, polietileno-butileno o polietileno-propileno.
Los extremos plásticos actúan como uniones físicas entre las cadenas de caucho confiriendo al copolímero, en estado sólido, unas características similares a las de un caucho convencional. Cuando la temperatura se eleva por encima del punto de reblandecimiento del poliestireno, éste deja de constituir la unión entre las cadenas de caucho y el copolímero se comporta como un líquido. Este proceso es totalmente reversible y, por tanto, el caucho puede considerarse como un termoplástico, lo cual influye enormemente a la hora de su aplicación. Desarrollados a partir de 1965, los copolímeros en bloque constituyeron un gran cambio en la formulación y forma de aplicación de los autoadhesivos. Las diferencias respecto al caucho natural o SBR son, básicamente, de fabricación: .No necesita masticación previa. .Puede encolarse con un mayor porcentaje de sólidos debido a la menor viscosidad de sus disoluciones. .Puede aplicarse en forma de hot-melt, sin disolventes (presentan tack en un rango de temperaturas muy amplio). Sus características, en cuanto al tipo de adhesión, son similares a las de los adhesivos de caucho natural o SBR. Su cohesión y resistencia a cizalla a temperatura ambiente suele ser superior a la de éstos, aunque su comportamiento a altas temperaturas suele ser peor. Los autoadhesivos de caucho butilo se basan en un copolímero de isopreno-isobutileno, mientras que los autoadhesivos de poliisobutileno se basan en un homopolímero de poliisobutileno. El poliisobutileno se utiliza como elemento para dar tack en otros tipos de adhesivos. Puede aportar características de buen envejecimiento y adhesividad en frío. Ambos se han utilizado para etiquetas removibles y aplicaciones eléctricas.
Fig.5.3: Estructura de un caucho termoplástico (en base a copolímeros en bloque).
La característica principal de estos cauchos es que los extremos aromáticos de poliestireno son de tipo duro y cristalino, e incompatibles con el núcleo central alifático y de tipo caucho del isopreno, polibutadieno, etc. Así tenemos una estructura en dos fases, con bloques discontinuos de PS en una fase continua de caucho. La Tg del caucho está muy por debajo de la temperatura ambiente, mientras que la Tg del PS está muy por encima.
Los autoadhesivos en base a polímeros acrílicos se empezaron a producir en los años 30 y a utilizar masivamente a partir de los 50. Su base son polímeros formados a partir de monómeros acrílicos, principalmente acrilatos. En la literatura y las patentes se describen numerosos monómeros adecuados para formar homopolímeros o copolímeros adecuados para cintas adhesivas, normalmente moléculas de 4-17
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ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS
átomos de carbono. Entre ellos, se puede citar el ácido acrílico, el acrilato de etilo, el acrilato de butilo, etc. Algunas de las propiedades de los adhesivos acrílicos les colocan por encima del resto de los autoadhesivos. Por ejemplo: .Con una selección adecuada de monómeros, los polímeros acrílicos tienen adhesividad permanente y, por tanto, no precisan de la adición de resinas. Aún así, éstas se añaden con frecuencia para dar más tack o adhesión específica sobre ciertos sustratos. .Son adhesivos de composición sencilla, muchas veces monocomponentes, por lo cual no contienen compuestos de bajo peso molecular que puedan migrar a la superficie. .Son polímeros saturados y resisten la oxidación. .Resisten la radiación ultravioleta. .Su cohesión, resistencia a temperaturas y a disolventes es, en general, superior a la de los adhesivos de caucho. Además estas propiedades pueden mejorarse con una adecuada reticulación. .Mayor resistencia a plastificantes. .Su adhesión inicial suele ser baja, pero se incrementa mucho con el paso del tiempo.
Todas estas propiedades hacen que los autoadhesivos acrílicos sean hoy los preferidos para aplicaciones permanentes, que exijan resistencia a la degradación por temperatura y radiación ultravioleta. Una categoría dentro de los autoadhesivos acrílicos son los autoadhesivos repulpables. Son dispersables en agua y se utilizan en cintas destinadas a la industria papelera. Por último, los autoadhesivos acrílicos son aplicables en solución, emulsión acuosa, hot-melt y sistemas reactivos 100% sólidos. Los autoadhesivos de polímeros de vinil-éter pueden se utilizados como homopolímeros o copolimerizarse en adhesivos acrílicos. Se emplean para incrementar la adhesión. Los autoadhesivos de silicona pueden ser catalogados como muy específicos frente a los anteriores, más generales. Se emplean en cintas adhesivas cuando se desean algunas de las siguientes propiedades: .Adhesión sobre materiales siliconados u otros sustratos difíciles de adherir como PTFE. .Rango de temperaturas entre -75ºC y 250ºC. .Adhesión controlada y baja sobre todo tipo de superficies, lo cual hace posible su retirada sin residuos incluso después de condiciones extremas. Los autoadhesivos de silicona se utilizan con frecuencia sobre soportes plásticos de gran resistencia a temperatura como PTFE, poliimidas, poliéster, tejido de fibra de vidrio, etc. Se formulan de forma convencional con una goma y una resina de silicona. La relación de concentraciones entre goma y resina determinan en gran medida las propiedades del autoadhesivo.
5.2.1.4 El uso de resinas en los autoadhesivos
Fig.5.4: Evolución de la adhesión de los PSA con el tiempo.
Las resinas o tackificantes son los compuestos que aportan al autoadhesivo viscosidad y untuosidad. Son básicas para la formulación de la mayoría de los autoadhesivos. Las resinas son, básicamente, de tres tipos:
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.Resinas de colofonia, extraídas de los pinos y compuestos de ácidos orgánicos con anillos aromáticos. .Resinas en base a hidrocarburos, polímeros de bajo peso molecular obtenidos del petróleo o del alquitrán, y que son las más utilizadas en la actualidad. .Resinas terpénicas, obtenidas de fuentes naturales y cuyos monómeros base son limoneno, dipenteno, b-pineno y a-pineno. Los adhesivos se formulan con una o varias resinas para alcanzar las propiedades deseadas. La incorporación de la resina a la formulación del polímero base produce los siguientes efectos: .Disminuye el peso molecular medio del adhesivo, abriendo el entramado del polímero y favoreciendo el flujo viscoso. Esto provoca que el módulo en la zona de alta temperatura y velocidad de deformación baja sea menor, es decir, el adhesivo sea más deformable y moje mejor. .A la vez, la resina, por su elevada Tg, eleva la del sistema (paso de un comportamiento vítreo a uno elástico) y el adhesivo se vuelve más duro en la región de alta velocidad de deformación, asociada al fenómeno de rotura de la unión.
La concentración de resina ha de estar en el rango del 40-50% para que las diversas propiedades del autoadhesivo ofrezcan un buen balance. La variación de dicha concentración no afecta de la misma forma a las características de tack, pelado y cizalla. La concentración ideal estará en función del tipo de autoadhesivo que queramos conseguir.
5.2.1.5 Clases de cintas adhesivas Se pueden distinguir dos grupos claramente diferenciados: .Cintas de una cara .Cintas de doble cara Los componentes básicos de una cinta de una cara son soporte y adhesivo. En el siguiente esquema se añaden otros componentes que pueden estar o no presentes. Fig.5.6: Esquema de una cinta de una cara.
Las aplicaciones de las cintas de una cara van desde la sujeción y la protección, hasta el empalme, la identificación, el enmascarado, la decoración, etc. Su clasificación suele hacerse en función del soporte utilizado: .Cintas de papel. .Cintas de plástico: polietileno, polipropileno, PVC rígido y plastificado, poliéster, acetato de celulosa, PTFE (alta temperatura), Kapton, Tedlar, PEAPM y plásticos reforzados. .Tejidos: plastificados y de fibra de vidrio. .Láminas metálicas: aluminio, plomo y cobre. .Laminados. .Espumas.
Fig.5.5: Efecto de la adición de una resina al elastómero base de un PSA.
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ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS
Las cintas de doble cara son cintas autoadhesivas por ambas caras, por lo que su única aplicación es unir dos superficies. Por este motivo, su empleo y aplicaciones son más parecidas a las de los adhesivos convencionales. Frente a éstos presentan las siguientes limitaciones:
espesor. Tienen un soporte intermedio entre dos capas de adhesivo. El soporte tiene en ocasiones la única misión de facilitar el manejo de la cinta. En otras ocasiones permite que la cinta sea removible, así como que existan cintas de doble cara con adhesivos o niveles de adhesión distintos para cada cara. Los soportes utilizados son tisú, papel o plásticos (poliéster, PVC, polipropileno, etc.). .Cintas de doble cara con soporte de espuma. El soporte es una espuma sobre la que se laminan cintas transferidoras o de doble cara. Existen espumas autoadhesivas en toda su masa que no precisan de esta laminación (espumas acrílicas). Solventan los problemas de falta de paralelismo por lo que son aptas para su uso en la unión de sustratos rígidos. Las espumas más utilizadas son las de poliuretano, neopreno, polietileno, EVA, acrílicas y PVC.
.No tienen capacidad de rellenado de holguras. .No penetran en superficies rugosas o poco homogéneas (madera, poliéster/fibra de vidrio, etc.). .Tienen resistencias muy inferiores. Sin embargo presentan ventajas en cuanto a la comodidad de su uso y su empleo inmediato. No obstante su utilización sólo es posible si al menos uno de los dos sustratos es flexible, debido a los problemas que acarrea la falta de paralelismo que suelen presentar las uniones entre sustratos rígidos.
Fig.5.7: Esquema de una cinta de doble cara.
5.2.2 Adhesivos termofusibles
5.2.2.1 Introducción
En ocasiones son sencillamente una capa de autoadhesivo depositada sobre un soporte inadherente.
Fig.5.8: Esquema de una cinta transferidora.
Los adhesivos termofusibles o hot-melt son materiales termoplásticos a temperatura ambiente y líquidos, más o menos viscosos, a la temperatura de aplicación. No contienen ni agua ni disolvente de ningún tipo. Funcionan por pérdida de calor y solidificación a partir de su estado fluido (del orden de 150-180ºC). Por su mecanismo de curado permiten unir dos caras de un mismo o de distintos sustratos en muy pocos segundos. Un hot-melt puede aportar las siguientes características a un sustrato:
Podemos clasificar las cintas de doble cara en tres grupos: .Cintas transferidoras. Son el grupo más sencillo. Están formadas por una láminas de autoadhesivo depositadas sobre un protector (papel siliconado, normalmente) que permite su manejo. Emplean por lo general adhesivos acrílicos. .Cintas de doble cara con soporte de bajo
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1.Termosellabilidad 2.Buena adhesividad 3.Tack y/o hot-tack 4.Barrera para el agua y otros líquidos 5.Barrera para los gases (vapor de agua, oxígeno, etc.) 6.Resistencia a las grasas 7.Brillo, semibrillo o mate 8.Resistencia al frote 9.Resistencia al rayado 10.Deslizamiento o antideslizamiento 11.Otros
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No se suele emplear en metales, ya que la alta conductividad térmica de éstos hace que el hotmelt solidifique antes de que sea capaz de mojar la superficie del sustrato. El uso de los adhesivos hot-melt está necesariamente asociado con los equipos dosificadores automáticos, aunque el uso de pistolas manuales está muy extendido incluso en la industria del calzado. Así, la maquinaria de dosificación se diseña para la producción masiva a alta velocidad. El uso de los hot-melt en máquinas presenta sus propios problemas. Por una parte, las operaciones continuas a elevada temperatura dan lugar a fenómenos de oxidación del polímero. Este problema se evita mediante la adición de antioxidantes, aunque éstos suelen trabajar de forma eficiente a temperaturas por debajo de los 100ºC o son volátiles. Por otro lado pueden aparecer problemas de condensación debido al enfriamiento de los contenedores durante las paradas en la línea de producción, por lo que normalmente el adhesivo se mantiene a una determinada temperatura. Debido al carácter termoplástico de los hotmelt, estos adhesivos presentan limitaciones frente a temperaturas por encima de la ambiental cuando se encuentran ya curados sobre las piezas.
Además de éstos, existen otros aditivos con funciones muy específicas. Es el caso de los antioxidantes, que evitan la oxidación del hot-melt cuando éste se halla en estado líquido o cuando es expuesto a la luz, conservando el color del producto que de otro modo se oscurecería.
5.2.2.3 Polímeros y copolímeros empleados en la formulación de un hot-melt Principalmente se utilizan los polímeros y copolímeros del: .Etileno .Acetato de vinilo .Propileno .Acido acrílico (acrilatos) .Anhídrido maléico (maleatos) .Otros (butadieno, estireno, isopreno, etc.)
Uno de los coplímeros más empleados es el EVA, copolímero de etileno-acetato de vinilo.
5.2.2.4 Resinas empleadas en la formulación de un hot-melt Podemos distinguir varios tipos:
5.2.2.2 Composición de los hot-melt .Resinas hidrocarburo: alifáticas, aromáticas o mezclas de ambas. .Resinas de colofonia. .Resinas de colofonia modificadas: polimerizada, dimerizada, esterificada, hidrogenada, etc. .Resinas terpeno-fenólicas.
Básicamente, un hot-melt se compone de: .Un polímero: confiere la cohesión y la flexibilidad al adhesivo, creando la estructura básica responsable de las propiedades mecánicas del hot-melt. .Una resina: mejora la humectación y la adhesión a los sustratos. .Una cera: disminuye la viscosidad haciendo más fácil el uso del hot-melt y controlando los tiempos de pegado.
5.2.2.5 Ceras empleadas en la formulación de un hot-melt Podemos distinguir las siguientes clases:
En muchas ocasiones, la naturaleza química de los componentes del hot-melt es muy similar. Sin embargo, las características mecánicas de cada uno de ellos debe ser diferente en concordancia con su función, y esto se logra básicamente variando el grado de polimerización.
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.Ceras minerales derivadas del petróleo: parafinas macrocristalinas y microcristalinas. .Ceras sintéticas Fischer-Tropsh: no oxidadas, oxidadas o saponificadas. .Ceras de polietileno: no oxidadas u oxidadas. .Ceras de polipropileno
ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS
5.2.2.6 Formas de aplicación de un hot-melt
de los adhesivos. Aquí sólo mencionaremos algunos exclusivos para los hot-melt:
Se pueden resumir entre las siguientes: 1.Rodillo: 1.1. Liso 1.2. Tramado o por registro 1.3. Offset 2.Marcha inversa (Reverse) 2.1. Recubrimiento en cortina 2.2. Impregnación 3.Aplicación de boquillas sistema “jet” o pistola 4.Extrusión Fig.5.11: Recubrimiento mediante rodillo con marcha inversa. 5.2.2.7 Características de los hot-melt Para caracterizar un hot-melt y poder, a priori, seleccionarlo para una determinada aplicación debemos realizar una serie de ensayos. En capítulos anteriores hemos comentado los ensayos normalizados más importantes para la caracterización
1.Características físico-químicas: se observan por mediación de los siguientes ensayos normalizados: a)Punto de fusión (ASTM D.127) b)Punto de gota (ASTM D.566) c)Punto de reblandecimiento (ASTM E.28) d)Viscosidad Brookfield (ASTM D.3236) e)Punto de turbidez f)Dureza (ASTM D.1321) g)Calorimetría diferencial de barrido (DSC) h)Color (ASTM D.1500/Gardner/Visual) i)Olor j)Otros (punto de inflamación, punto de ignición, punto de solidificación, etc.)
Fig.5.9: Recubrimiento mediante rodillo tramado.
2.Estabilidad térmica: a)Variación de la viscosidad con la temperatura/tiempo b)Estabilidad del color c)Tendencia a la rotura d)Pérdida de peso (volatilidad) e)Formación de natas o pieles f)Otros
Fig.5.10: Recubrimiento por sistema offset.
3.Características de aplicación: a)Adhesión al sustrato/sustratos b)Tiempo abierto c)Tiempo de secado d)Tiempo de presión
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
4.Comportamiento térmico: a)Resistencia a baja/alta temperatura b)Temperatura de fallo de adhesión: c)Por cizalla (SAFT) d)Por pelado (PAFT)
5.2.2.8 Aplicaciones de los hot-melt Las aplicaciones de los hot-melt son muy diversas. Fundamentalmente se basan en su velocidad de curado, que los hace idóneos para conformar embalajes, por ejemplo en líneas de producción en las que el beneficio es proporcional al volumen producido. No es usual encontrar aplicaciones sobre sustratos metálicos, debido a que éstos precisan ser atemperados para evitar un enfriamiento excesivamente rápido del hot-melt. Los hot-melt se utilizan fundamentalmente en los siguientes sectores: .Embalaje (cerrado de cajas y estuches) .Bandejas .Encuadernación .Autoadhesivos (non-woven, etiquetas, moquetas autoadhesivas, cintas adhesivas y espumas) .Etiquetado en caliente (envases de PET) .Industria textil y cuero .Laminación de papel .Madera .Paletizado .Sanitarios .Otros
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TEMA 6: ADHESIVOS Y SELLADORES REACTIVOS (Mario Madrid Vega, Loctite España y Juan Manuel Martín García, Loctite España)
6.1 Principios sobre la polimerización
6.1.1 Introducción Los adhesivos de polimerización durante la unión adhesiva, es decir, aquéllos que polimerizan cuando se hallan entre los sustratos que se pretende ensamblar, son fluidos, más o menos viscosos, constituidos básicamente por monómeros y/u oligómeros. De su polimerización resulta el adhesivo curado en forma de plástico de ingeniería. Además, de tal mecanismo de curado se derivan las propiedades particulares de cada adhesivo:
unidades semejantes que se repiten a lo largo de toda la estructura. Es por ello que el producto resultante se denomina homopolímero. La polimerización conjunta de varios monómeros distintos de idéntica funcionalidad origina copolímeros o terpolímeros, según sean dos o tres el número de monómeros precursores distintos, respectivamente. Variando la técnica de copolimerización y las proporciones de cada monómero se pueden moldear las propiedades físico-químicas del polímero resultante. Es posible preparar diferentes tipos de copolímeros de acuerdo con su estructura:
.La profundidad de curado dependerá del grado de iniciación de la reacción de polimerización. En general, los adhesivos monocomponentes que curan mediante diversos sistemas de iniciación superficial (presencia de iones metálicos, presencia de humedad sobre las piezas, humedad ambiental, uso de activadores, etc.) presentan profundidades de curado limitadas. Sin embargo, los sistemas bicomponentes (que inician la polimerización en todo su volumen) permiten profundidades de curado ilimitadas. .El adhesivo pasará de estado líquido a estado sólido sin pérdida de masa y con inapreciables pérdidas de volumen. Tal característica es básica para realizar adhesiones de alto rendimiento y condición indispensable para obtener sellados fiables. .Al no existir solvente alguno en la formulación son adhesivos que no presentan problemas de emisión de agentes inflamables, tóxicos o dañinos para el medio ambiente. .Puesto que podemos predecir dentro de un rango las características del polímero que vamos a obtener, podremos diseñar con arreglo a roturas cohesivas y a comportamientos mecánicos conocidos. Las cadenas polímeras están constituidas por
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1.Copolímero al azar: las unidades se distribuyen de forma aleatoria a lo largo de la cadena principal del polímero. 2.Copolímero alternado: las unidades se van alternando a lo largo de la cadena principal. 3.Copolímero en bloque: las diferentes unidades se agrupan en bloques en segmentos alternativos. 4.Copolímeros injertados: ramificaciones constituidas por una única unidad repetida que se enganchan a la cadena principal constituida por la otra especie.
Fig.6.1: Esquemas de los diferentes tipos de copolímeros.
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6.1.2 Tipos de polimerización La polimerización artificial tiene lugar según dos posibles mecanismos: .Poliadición: por adición al abrirse un doble enlace de un monómero que lo contenga. .Policondensación: por condensación de moléculas sencillas en la reacción de monómeros difuncionales con grupos terminales reactivos.
Fig.6.2: Esquema de las etapas de una polimerización por poliadición.
un catión o un complejo de coordinación, inicia entonces la polimerización adicionándose al doble enlace del monómero. La reacción ocurre de tal manera que se genera un nuevo radical libre, anión, catión o complejo. El monómero inicial se convierte en la primera unidad que se repetirá en la cadena polímera incipiente. .Etapa de propagación: las “especies activas” recientemente generadas se adicionan a nuevos monómeros de forma similar a como ocurría en la etapa de iniciación. Este proceso se repite una y otra vez hasta que se produce la última etapa del proceso. .Etapa de terminación: el crecimiento de la cadena se interrumpe por reacción con otra cadena en crecimiento, por reacción con otras especies existentes en la mezcla o por descomposición espontánea del núcleo activo. Bajo ciertas condiciones, las polimerizaciones aniónica y de coordinación pueden realizarse sin la etapa de terminación, generando los denominados polímeros “vivos”.
Fig.6.3: Esquema de las etapas de una polimerización por policondensación.
6.1.3 Poliadición o polimerización “en cadena” En la polimerización por poliadición o “en cadena” los monómeros normalmente empleados en este tipo de polimerización contienen un doble enlace C=C que puede participar en una reacción en cadena la cual sigue tres etapas: .Etapa de iniciación: una o varias moléculas iniciadoras generan, mediante una reacción química o mediante una descomposición térmica, una “especie activa”. Esta especie activa, que puede ser un radical libre, un anión,
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Fig.6.4: Esquema de una poliadición: a) Etapa de iniciación: generación de las especies activas; b) Etapa de propagación: adición sucesiva de monómeros a las especies activas; c) Etapa de terminación: interrupción del crecimiento de la cadena.
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La etapa limitante de las poliadiciones es la de iniciación, siendo la concentración de especie activa muy baja, en comparación con el resto de especies presentes (fundamentalmente, polímero recién formado y monómero aún sin reaccionar). Por este motivo, las velocidades de reacción son elevadas. Por otro lado, la reacción de adición es exotérmica, motivo por el cual se puede observar desprendimiento de calor. Mediante poliadiciones se pueden lograr cadenas polímeras de alto peso molecular. Además, es posible generar tanto ramificaciones como reticulaciones entre cadenas principales, generando duroplásticos.
difuncionales (o polifuncionales) que son capaces de reaccionar mutuamente. Por ejemplo, un diácido es capaz de reaccionar con un diol en presencia de un catalizador, generando un poliéster. En este caso, el crecimiento de la cadena se inicia por reacción de uno de los grupos carboxílicos del diácido con uno de los grupos hidroxilo del diol. Los grupos carboxilo o hidroxilo libres del dímero resultante pueden reaccionar con un grupo funcional apropiado de otro monómero o de otro dímero. Este proceso se repite en toda la mezcla hasta que todos los monómeros se convierten en especies de bajo peso molecular como dímeros, trímeros, tetrámeros, etc. Estas moléculas, llamadas oligómeros, pueden entonces reaccionar mutuamente a través de su grupos funcionales. De esta forma se pueden generar cadenas poliméricas de peso molecular moderado. No se llegan a alcanzar los elevados peso moleculares que se logran mediante las polimerizaciones en cadena. Esto se debe a que conforme se incrementa el peso molecular decrece de forma dramática la concentración de grupos funcionales libres. Además, tales grupos se hallan en los extremos de las cadenas y, por ello, no pueden moverse libremente en el medio de reacción viscoso. Una de las consecuencias que se pueden deducir de este mecanismo de reacción es que las cadenas de polímeros se forma muy lentamente, requiriendo en ocasiones de horas a días. La concentración de cadenas en crecimiento es elevada. Además, debido a que las reacciones químicas involucradas requieren energías de activación relativamente elevadas, la mezcla de polimerización generalmente debe ser calentada.
Fig.6.5: Los adhesivos de poliadición son, generalmente, adhesivos en base acrílica.
Fig.6.6: Estructuras químicas de algunos monómeros de poliadición.
6.1.4 Policondensación o polimerización “en etapas” La polimerización por policondensación o “por etapas” se basa normalmente en dos monómeros
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Fig.6.7: Esquema de una policondensación: a) Prepolímero y agente de curado antes de curar; b) Aumento del tamaño molecular durante el curado; c) Gelificación; d) Curado completo.
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Los pesos moleculares que se logran son moderados. La generación de ramificaciones y la reticulación del polímero se provoca mediante el empleo de especies tri- o multifuncionales. Un importante efecto que tiene el tipo de polimerización sobre los sistemas adhesivos es el relacionado con los tiempos de manipulación y de curado. Como ya se ha visto, las poliadiciones son reacciones en cadena y tienen velocidades de reacción elevadas. Por el contrario, las policondensaciones son reacciones lentas que producen un incremento paulatino y continuo de la viscosidad del sistema adhesivo.
Fig.6.8: Esquema de cinéticas de curado en virtud de la polirreación.
pesos moleculares tienen una gran importancia en la determinación de todas las propiedades físicas de los polímeros para una misma estructura molecular, debido a que las fuerzas de atracción entre las moléculas aumentan con su tamaño, es decir, con su longitud. Concretamente, la resistencia a la tracción y el índice de refracción varían en función del peso molecular medio, existiendo un peso molecular crítico por debajo del cual las propiedades del polímero varían bruscamente y su comportamiento resulta muy distinto. Uno de los parámetros que tiene efecto directo sobre el grado de polimerización es la velocidad de polimerización. En las reacciones de poliadición viene determinada fundamentalmente por la etapa de iniciación. Cuando se generan numerosos puntos de crecimiento para las cadenas poliméricas se incrementa la velocidad de polimerización pero, al mismo tiempo, disminuye el grado de polimerización. Los polímeros que resultan tienen peores propiedades mecánicas. Esto se observa claramente en los adhesivos que, como regla general, dan lugar a uniones más resistentes cuanto menor sea la velocidad de curado. Tal comparación es sólo válida para adhesivos del mismo tipo.
6.2 Adhesivos rígidos Los adhesivos anaeróbicos, los cianoacrilatos y los acrílicos curan según un proceso de poliadición. Por este motivo el lapso de tiempo entre la viscosidad inicial detectable y la resistencia a la manipulación de estos adhesivos es muy corto en comparación con el de epoxis o poliuretanos que curan mediante policondensaciones. En el caso de los epoxi, el adhesivo va espesándose hasta que llegado cierto punto no se recomienda la reposición, incluso antes de que se alcance el tiempo de manipulación. En el caso de los acrílicos la reposición es posible antes de que se llegue a consumir el 80% del tiempo de fijación. Una vez que el acrílico tiene una viscosidad evidente la resistencia a la manipulación se logrará en muy poco tiempo, después del cual no se aconseja la reposición. Con los epoxis y poliuretanos es posible una cierta reposición incluso después de un apreciable incremento de la viscosidad.
Los adhesivos rígidos se emplean generalmente en aplicaciones estructurales. Asociado a la unión de los materiales se produce el sellado, por efecto de relleno de las posibles vías de escape o de ingreso del fluido a sellar. No obstante, en muchas ocasiones la función primaria es la de sellado. En particular, existen adhesivos rígidos de baja resistencia para permitir el desmontaje de las uniones selladas. Los adhesivos rígidos presentan, por lo general, un alto rendimiento frente a esfuerzos estáticos a cortadura, compresión y tracción (los anaeróbicos no resisten esfuerzos importantes a tracción). Son, sin embargo, muy sensibles frente a esfuerzos de pelado y cargas dinámicas, a no ser que los adherentes sean capaces de absorber o minimizar los efectos negativos de estas solicitaciones. Los adhesivos rígidos se pueden clasificar de acuerdo con su capacidad de relleno de holgura:
El peso molecular medio y la distribución de los
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.Adhesivos para sustratos coincidentes: .Anaeróbicos .Cianoacrilatos .Adhesivos con capacidad infinita de relleno de holgura: .Epoxis
cia a la tracción, al impacto y al pelado necesarias para su uso con fines estructurales.
6.2.1.2 Composición de los anaeróbicos Los adhesivos anaeróbicos monocomponentes se formulan, básicamente, como sigue:
6.2.1 Los anaeróbicos .Monómeros / resinas .Reactivos para el curado: .Iniciador, en base a hidroperóxidos .Acelerador, normalmente aminas .Coaceleradores en base a ácidos débiles, como sacarina .Estabilizadores: agentes quelatantes de metales activos, presentes en trazas en la formulación original, para evitar que la formación de radicales libres no progrese. El más común es la sal disódica del ácido etilendiamintetracético. .Inhibidores: especies que reaccionan con los radicales activos generando especies inactivas. La hidroquinona es el más común. .Modificadores de rendimiento: .Plastificantes: reducen el módulo del adhesivo. .Lubricantes .Promotores de la adhesión .Aditivos para mejorar la resistencia en caliente .Modificadores de forma: .Colorantes y pigmentos .Modificadores de la viscosidad
6.2.1.1 Generalidades Los orígenes de los productos anaeróbicos comerciales se remontan a los trabajos de Burnett y Nordlander (General Electric Corporation) hacia los años 40’. Estos investigadores observaron que cuando los monómeros de diacrilato y de dimetacrilato basados en el dietilén glicol u homólogos eran calentados a 60-80°C durante algunas horas mientras se los hacía pasar una corriente de aire, oxígeno u ozono burbujeante, se convertían en materiales capaces de polimerizar espontáneamente a temperatura ambiente para formar polímeros reticulados con propiedades adhesivas.
A principios de los 50’ Krieble atacó el problema de obtener un sistema anaeróbico estable eliminando el paso de oxigenación del monómero y empleando hidroperóxido de cumeno, fuente de radicales muy estable, como iniciador de la polimerización. Cuando el adhesivo anaeróbico entraba en contacto con la superficie de un metal de transición y en condiciones de ausencia de oxígeno los restos de oxígeno disuelto se consumían rápidamente y la polimerización tenía lugar a una velocidad suficiente para su uso comercial. Por eso, la primera parte del trabajo de Krieble fue el desarrollo de un sistema anaeróbico estable por sí mismo y capaz de polimerizar en ausencia de oxígeno como un adhesivo útil. La mayor parte de las discusiones que vienen a continuación se centra en aquellos productos anaeróbicos para los que se acuñó años atrás el término “adhesivos de ingeniería”. Estos productos tienen numerosas aplicaciones en el ensamblaje de piezas cilíndricas, en la fijación de piezas roscadas y en el acoplamiento y sellado de bridas entre otros, pero en general adolecen de resisten-
Los monómeros empleados pueden ser mono, di o trifuncionales. La velocidad de curado es mínima para los mono, mayor para los di y máxima para los trifuncionales.. La tenacidad del polímero depende entre otros factores de la morfología del monómero. El sustrato desempeña el papel de segundo componente o iniciador, como veremos a continuación. Cuando las superficies de los sustratos metálicos son pasivas se puede emplear un agente químico que supla la ausencia de iones desencadenantes de la reacción de polimerización. Este agente se denomina “activador”. Podemos considerar tres tipos de activadores:
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.Activadores orgánicos: velocidad de curado moderada, generan uniones resistentes.
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.Activadores en base a sales de cobre: velocidad de curado elevada, pero en detrimento de la unión adhesiva. .Activadores en base a catalizadores químicos: velocidad de curado elevada. Existe formulaciones bicomponentes de adhesivos anaeróbicos. En tal caso, la parte A del producto corresponde al adhesivo, mientras que la parte B es una mezcla de resina y monómeros que porta los iones metálicos. Fig.6.12: Aminas empleadas como aceleradores de adhesivos anaeróbicos. Fig.6.9: Monómero de metacrilato.
Fig.6.10: Molécula de hidroperóxido de cumeno, empleado como iniciador de las reaciones anaeróbicas.
Fig.6.13: La sacarina es uno de los ácidos débiles empleados como aceleradores de los adhesivos anaeróbicos.
6.2.1.3 Mecanismo de curado de los anaeróbicos Básicamente, un adhesivo o un sellador anaeróbico no reacciona en presencia de aire. Sin embargo, en ausencia de aire y presencia de iones metálicos el proceso de curado tiene lugar.
Fig.6.11: Esquema de la capacidad de aceleración que tienen las diferentes aminas en el curado de las resinas anaeróbicas.
Fig.6.14: Esquema de curado de los adhesivos anaeróbicos.
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les evitan el contacto de los iones con el adhesivo anaeróbico, inhibiendo la reacción. Los sustratos no metálicos (plásticos, cerámicas, madera, vidrio, etc.) también requieren activación.
Fig.6.15: La inhibición por parte del oxígeno es el resultado de la reacción entre el radical libre activo y el oxígeno atmosférico. Una consecuencia de ello es la superficie pegajosa que queda en el exterior de la línea de unión como consecuencia de un curado incompleto.
Los adhesivos anaeróbicos son ideales para su uso en montajes metálicos. La superficie de los metales, rica en iones, favorece la generación de radicales libres en su reacción con los peróxidos presentes en la formulación del adhesivo. No obstante, los sustratos metálicos presentan diferentes niveles de actividad:
Los adhesivos anaeróbicos pueden curar también por efecto del calor. Así tras calentar la línea de unión durante 3 a 5 minutos se observa un inicio del proceso de curado. Se puede conseguir la polimerización completa calentando entre 120ºC y 150°C durante 30 min. Existen además formulaciones de adhesivos anaeróbicos que, una vez curado el adhesivo, incrementan su reticulación por efecto del calor. Este segundo curado provoca un reforzamiento del plástico incrementando su resistencia a la rotura.
6.2.1.4 Ventajas de los anaeróbicos 1.Superficies activas como acero dulce, latón, bronce, cobre, hierro, aluminio con un contenido en cobre superior al 1%, zincados, pavonados, cadmiados, etc. 2.Superficies pasivas como aceros de alta aleación, aluminio con un contenido en cobre inferior al 1%, níquel, estaño, plata, oro, capas de óxido, cromados, revestimientos anódicos, acero inoxidable, etc.
Una vez curados, los adhesivos anaeróbicos presentan las siguientes características: .Muy buena resistencia a la cortadura. .Buena resistencia a la temperatura (de -55°C hasta un máximo de 230°C). .Curado rápido. .No se precisa un acabado superficial excepcional (se recomiendan rugosidades de 0.8-3.2 mm RA). .Efecto sellador con excelente resistencia química. .Buena resistencia a la vibración. .Buena resistencia a las cargas dinámicas. .Adecuados fundamentalmente para sustratos metálicos.
6.2.1.5 Desventajas de los anaeróbicos Fig.6.16: Sistema anaeróbico de curado: i) El sistema acelerador cambia el estado de oxidación del metal haciendo su superficie más activa; ii) El peróxido reacciona con el metal activado para generar radicales libres; iii) Los radicales libres reaccionan con el monómero para generar el polímero.
Algunas de las desventajas son las siguientes: .Los adhesivos anaeróbicos estándar presentan resistencias a tracción, pelado y desgarro pobres. Los anaeróbicos tenaces soportan mejor tales tensiones. .Necesitan activadores sobre sustratos pasivos o no metálicos.
Los tiempos de curado son elevados con metales pasivados. La corrosión y suciedad superficia-
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6.2.1.6 Aplicaciones de los anaeróbicos Las características únicas de los adhesivos anaeróbicos hacen que estos productos sean ideales para ciertas áreas de aplicación específicas: .Fijación de roscas .Retención de piezas cilíndricas .Sellado de bridas .Sellado de zonas roscadas .Acoplamiento de bridas .Impregnación de piezas metálicas de fundición o de metal sinterizado
6.2.2 Los cianoacrilatos
6.2.2.1 Generalidades Los cianoacrilatos (denominación química de los adhesivos instantáneos) fueron introducidos como adhesivos comerciales en 1953 y fueron en un principio empleados como adhesivos especiales en aplicaciones industriales. Sus excepcionales características adhesivas, así como la comodidad de su uso los han convertido en una de las soluciones más comunes a los problemas de ensamblaje entre materiales muy diversos. En su origen, los cianoacrilatos fueron descubiertos como consecuencia de investigaciones realizadas por la Eastman Kodak para sintetizar adhesivos aptos para realizar suturas químicas de heridas. Sin embargo, sus primeros usos fueron industriales. Es en la actualidad cuando se ha reactivado el uso médico de esta familia de adhesivos. Los cianoacrilatos forman adhesiones resistentes con una gran variedad de sustratos como metales, plásticos, cauchos, maderas duras y otros materiales no porosos con superficies coincidentes. Como la mayoría de los adhesivos, trabajan mejor cuando se emplean sobre superficies completamente limpias. Tanto el cianoacrilato de etilo como el cianoacrilato de metilo forman adhesiones resistentes en metales como aluminio, acero, cobre y una gran variedad de aleaciones, aunque el de metilo forma
en general uniones más fuertes. Cuando se requiere resistencia al impacto, a la fatiga, al pelado o a temperaturas relativamente altas se debe acudir a cianoacrilatos modificados con elastómeros. Los cianoacrilatos adhieren muy rápida y fuertemente la mayoría de los polímeros, aunque algunos de ellos, como el polietileno y el polipropileno son difíciles de adherir. Existen imprimaciones que actúan como interfase entre el sustrato no adherente y el adhesivo. Se aplican sobre las superficies de los plásticos no adherentes y, posteriormente, se realiza la adhesión con el cianoacrilato como se ha visto hasta ahora. Algunos polímeros, particularmente termoplásticos tipo vinilo, butiratos, acrílicos, policarbonatos y poliestirenos, suelen dar lugar a adhesiones más resistentes con cianoacrilato de etilo. Los resultados con ensayos de placas planas muestran que lo normal es encontrarse con roturas de sustrato. Los problemas de agrietamiento por tensión (“stress cracking”) que a veces aparecen sobre policarbonatos se evitan con el uso de formulaciones rápidas y dosificaciones sin excesos, de forma que no se den contactos prolongados entre el adhesivo líquido y el material del sustrato. Los cianoacrilatos forman uniones excepcionales sobre la mayoría de los cauchos, con excepción de las siliconas. La única preparación necesaria es la limpieza con un disolvente como acetona o MEK. Los poliuretanos requieren un lijado ligero seguido de una limpieza con disolvente para eliminar los agentes desmoldeantes que pueden hallarse en la superficie. Tanto el cianoacrilato de metilo como el de etilo forman adhesiones de resistencias semejantes. Tanto el cianoacrilato de metilo como el de etilo adhieren el vidrio en segundos, pero las uniones se degradan con el tiempo. Aunque la causa no se conoce aún con certeza se piensa que puede hallarse relacionada con la alcalinidad de la superficie del vidrio. Por este motivo no se recomienda el uso de cianoacrilatos para adherir vidrio o materiales cerámicos vítreos. La madera y otros materiales porosos pueden ser adheridos con cianoacrilatos, aunque sustratos excesivamente porosos pueden retirar el adhesivo de la zona de adhesión antes de que polimerice. En tal caso se pueden emplear formulaciones viscosas o ciertas formulaciones modificadas con
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aditivos capaces de encapsular la suciedad superficial intrínseca a estos sustratos y transformarla en puntos de iniciación de la polimerización. El adhesivo, pues, empieza a polimerizar antes de ser absorbido. Estas formulaciones son también válidas para cueros, papel, cartón, etc.
aplicar el adhesivo, o posteriormente a su aplicación para curar los excesos de adhesivo.
Fig.6.18: Algunas aminas empleadas como activadores para acelerar el curado de los cianoacrilatos.
Muchas clases de madera son frecuentemente ácidas motivo por el cual suele ser necesario el uso de activadores o las ya mencionadas formulaciones insensibles al sustrato.
6.2.2.2 Composición de los cianoacrilatos Los cianoacrilatos contienen los siguientes componentes en su formulación: .Monómeros: cianoacrilatos de metilo, etilo, propilo, metoxibutilo, n-butilo, etc. .Estabilizadores: .Ácidos débiles líquidos (sulfónicos) y gaseosos (anhídrido sulfuroso) .De radicales libres, como la hidroquinona. .Espesantes: como el polimetacrilato de metilo o la sílice. .Modificadores de rendimiento: .Aditivos para la adhesión de sustratos porosos .Modificadores de forma: .Colorantes .Aditivos fluorescentes
6.2.2.3 Mecanismo de curado de los cianoacrilatos Casi todos los sustratos poseen humedad adsorbida sobre sus superficies, y esta humedad proporciona iones hidroxilo que servirán como iniciadores de la polimerización aniónica. Cuando una gota de cianoacrilato es comprimida o extendida entre dos superficies, la fina película resultante entra en íntimo contacto con las trazas de humedad adsorbidas en la superficie de los sustratos, dando lugar a una rápida iniciación de la polimerización. Cuanto más fina es la película de cianoacrilato más rápidamente se produce su curado. Una gota o un cordón de cianoacrilato situado en una superficie normal no ácida permanecerá líquida durante mucho tiempo. Sin embargo, cuando sea extendida o presionada en una fina película, la polimerización tendrá lugar. Este requisito para el
Fig.6.19: Polimerización por poliadición de los cianoacrilatos.
Fig.6.17: Algunos monómeros de cianoacrilato.
Los activadores que se emplean para acelerar el curado de los cianoacrilatos se basan en aminas primarias, secundarias o terciarias. Los activadores se pueden aplicar sobre los sustratos antes de
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curado tiene, además, otra consecuencia: la cantidad de adhesivo necesaria es muy pequeña.
.Sólo son necesarias cantidades muy pequeñas de adhesivo. .Forman adhesiones virtualmente invisibles si se evitan los excesos. En caso contrario, puede aparecer un empañamiento visible sobre materiales opacos o transparentes. .Buena resistencia química a la mayoría de los disolventes.
Una consecuencia directa del mecanismo de curado de los cianoacrilatos es su dependencia de la humedad relativa del aire. Así, los tiempos de manipulación y de curado total son tanto menores cuanto mayor es la humedad. Ambientes secos pueden llegar a inhibir la polimerización de los cianoacrilatos, a no ser que se empleen formulaciones insensibles a la humedad.
6.2.2.5 Desventajas de los cianoacrilatos Los cianoacrilatos no polimerizan tan rápidamente en grandes holguras a no ser que se aplique un activador en la superficie de adhesión o sobre el mismo adhesivo. Las formulaciones viscosas sólo son efectivas en holguras de hasta 0.2mm aproximadamente si no se emplea un activador superficial, el cual se debe aplicar sobre una o ambas superficies, mientras que el adhesivo sólo se aplica sobre una de ellas.
Como el resto de los materiales adhesivos, los cianoacrilatos presentan limitaciones. Se pueden resumir entre las siguientes:
Cuando las superficies a adherir son ácidas, es necesario el uso de un activador superficial o de una formulación insensible a la superficie para obtener tiempos de fijación cortos. No obstante, el uso de activadores superficiales no suele ser necesario para la mayoría de los sustratos los cuales dan lugar a velocidades de fijación suficientemente rápidas para la mayoría de las aplicaciones. El uso de activadores superficiales no da lugar a adhesiones más fuertes, sino únicamente a tiempos de manipulación más cortos. Recientemente se han desarrollado cianoacrilatos curables mediante radiación UV. La reacción de polimerización transcurre vía radical y da lugar, a diferencia de la que transcurre vía aniónica, a cadenas de elevado peso molecular. Estos adhesivos curan en grandes holguras, generando adhesiones y rellenos transparentes y duros. Tienen una aplicación directa en la industria de los desechables médicos.
6.2.2.4 Ventajas de los cianoacrilatos Entre las ventajas ofrecidas por los cianoacrilatos tenemos las siguientes: .Son adhesivos monocomponentes de fácil aplicación. .Forman adhesiones fuertes rápidamente.
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.Capacidad de relleno de holgura limitada (normalmente 0.2mm) excepto los cianoacrilatos de curado UV. Los adhesivos tipo gel curan en holguras superiores con un activador, aunque la resistencia es notablemente inferior a la obtenida con superficies coincidentes. .Resistencia pobre al impacto, a no ser que el propio material absorba su efecto (adhesiones de polímeros entre sí o con metales, por ejemplo). .Pobre durabilidad en ambientes húmedos: este efecto no se produce en adhesiones entre polímeros. .Baja resistencia a esfuerzos de pelado. .La temperatura continua máxima a la que pueden ser expuestos es de 80°C. .Presentan un fenómeno denominado “blooming” o empañamiento causado por la volatilidad del monómero. Este fenómeno consiste en la formación de una especie de nube blanca alrededor de la zona de adhesión, sobre todo cuando existe un exceso de adhesivo o la humedad ambiental es baja. Esto permite que el monómero se volatilice y reaccione con la humedad sobre el área circundante a la zona de adhesión. Este problema se puede evitar aumentando el peso molecular del monómero para disminuir su volatilidad. Así, el cianoacrilato de alcoxietilo es el más empleado comercialmente en aquellas aplicaciones en las que, por motivos de estética o para evitar la posibilidad de pérdida de contactos eléctricos, no es recomendable la aparición de empañamientos.
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6.2.2.6 Aplicaciones de los cianoacrilatos
6.2.3.2 Composición de los epoxis
Las aplicaciones típicas de los cianoacrilatos vienen resumidas a continuación:
Los epoxis contienen los siguientes componentes:
.Automoción: adhesión de piezas plásticas del habitáculo, cierres y otros elementos. Mantenimiento y reparación de elementos y fabricación de accesorios. .Electrónica y la Electricidad: unión de componentes voluminosos, fijación de cables, etc. .Fabricantes de desechables médicos. .Industria cosmética. .Industria militar. .Desenmascarado de huellas digitales. .Sutura médica: se emplean normalmente cianoacrilatos de butilo o superiores debido a su mayor flexibilidad y menor toxicidad.
.Monómeros, en base a epoxis .Agentes de curado, en base a aminas, mercaptanos, imidazolas, anhídridos, etc. Las nuevas formulaciones de epoxis catiónicos de curado UV, emplean especies capaces de generar cationes al ser expuestas a la radiación UV, como las sales de triarilsulfonio. .Cargas como aluminio, sílice, etc. Empleadas para minimizar los fenómenos de contracción y expansión del adhesivo. .Espesantes .Pigmentos .Resinas diluyentes de bajo peso molecular para reducir la viscosidad, mejorar la tenacidad o la flexibilidad, la capacidad de mojado, la resistencia térmica, etc. .Aceleradores del curado a temperatura ambiente, como fenoles o derivados fenólicos.
6.2.3 Los epoxis
6.2.3.1 Generalidades Las primeras resinas epoxi fueron sintetizadas por primera vez en Alemania por Schlack (1934), en Gran Bretaña por Moss (1937) y en Suiza por Castan (1938) durante el período previo a la II Guerra Mundial, pero no fueron empleadas hasta finalizada ésta. El material de partida más empleado era el bisfenol-A que reacciona con la epiclorhidrina para generar un líquido de peso molecular moderado compuesto por moléculas lineales terminadas con grupos epoxi. El poder adhesivo de la resina se debe a los grupos hidroxilo, puesto que los grupos epoxi desaparecen durante el curado. Los epoxis se caracterizan por su gran capacidad de relleno de holgura. Sin embargo, cuando hablamos de aplicaciones estructurales, el rendimiento óptimo de los epoxis, al igual que para el resto de adhesivos rígidos, se obtiene cuando las holguras rondan los 0.1mm. La sensibilidad de la resistencia de estos adhesivos a la holgura es ampliamente conocida por los ingenieros aeronáuticos, que emplean normalmente adhesivos en películas que mantienen el espesor óptimo de adhesivo constante.
Fig.6.20: Características de los distintos sistemas adhesivos epoxi.
A veces se añade polvo de aluminio como agente de refuerzo, aunque su efectividad está en entredicho. En cualquier caso, tal carga de aluminio mejora la conductividad térmica del adhesivo modificando las etapas de curado a elevada temperatura.
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en la actualidad existen adhesivos epoxi monocomponentes con un agente endurecedor latente que se libera únicamente por reacción a alta temperatura. Estos adhesivos fueron comercializados en 1975. Por debajo de la Tg de la mezcla (por debajo de 0°C) no se produce reacción alguna. Al elevarse la temperatura comienza la policondensación de la resina.
Fig.6.21: Las sales de triarilsulfonio se emplean como fotoiniciadores para los epoxis catiónicos.
6.2.3.3 Mecanismo de curado de los epoxis El sistema de curado más común emplea una amina primaria bi o trifuncional, para lograr el entrecruzamiento de las cadenas. Las propiedades y la velocidad de curado dependen del agente de curado empleado. Algunos agentes como la dicianamidas se emplean en sustratos metálicos. Fig.6.23: Grado de curado de una resina epoxi en función del tiempo para las temperaturas de curado indicadas. Fig.6.22: Reacción de curado en un epoxi.
Los epoxis bicomponentes de curado a temperatura ambiente, que podemos encontrar en el mercado de consumo, emplean como agente de curado las versamidas, menos molestas en cuanto a olores que las aminas, puesto que están basadas en aceites secos dimerizados y combinados con di o triaminas. Estos productos comerciales requieren además catalizadores para permitir la reticulación del adhesivo. Los epoxis de curado a temperatura ambiente no logran el mismo rendimiento que los que curan a elevadas temperaturas, pero suele ser suficiente para un una amplia variedad de aplicaciones. En el pasado la mayoría de los epoxis se formulaban como bicomponentes que debían ser mezclados inmediatamente antes de ser empleados y tenían una vida de mezcla limitada. Sin embargo,
Fig.6.24: Variación de la Tg con el grado de curado (a) en una resina tipo epoxi.
Los epoxis empleados en aplicaciones estructurales deben ser curados a temperaturas altas o a temperatura ambiente con post-curado por calor. La ventaja del post-curado como operación independiente, incluso en el caso de juntas ya curadas con algo de calor, es que puede ser realizado sin el
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
uso de sistemas de sujeción o sistemas de calentamiento con prensas hidráulicas. En una primera etapa de curado se logra el 60% de la resistencia total, suficiente para mantener los sustratos posicionados y poder pasar a una segunda fase de curado por calor en la que terminan de reaccionar el resto de los grupos epoxi de la resina.
Fig.6.26: Reacción de generación de cationes por exposición de un fotoiniciador catiónico bajo luz UV.
Fig.6.27: Mecanismo de curado de un epoxi catiónico. El epoxi reacciona con un ácido (catión) y genera un nuevo catión. 6.2.3.4 Ventajas de los epoxis Las propiedades de los epoxis son las siguientes: .Adhieren casi todos los sustratos. .Gran relleno de holguras. .Alta resistencia a cizalla y a tracción. .Adhesivos muy rígidos. Resistencia a pelado y a impacto en formulaciones flexibles (epoxinitrilo). .Aunque es dieléctrico y aislante térmico, puede ser modificado para ser conductor de la electricidad y del calor. Además se pueden adicionar cargas para mejorar las características mecánicas (como fibra de vidrio) o para disminuir la densidad (como microesferas neumáticas). .Buena resistencia química. .Son mecanizables. .Resistencia a temperaturas de hasta 180°C (hasta 250°C en algunas formulaciones).
Fig.6.25: Diagrama Tiempo-TemperaturaTransformación (T-T-T) de Gilham para una resina termoestable. Mostrando los estados: líquido, elastómero, vidrio gelificado y vidrio sin gelificar.
Los epoxi-fenólicos fueron desarrollados en el FPL (Forest Products Laboratory) por petición de las fuerzas aéreas de los E.E.U.U. a principios de los 50’. Su aplicación primera fue como adhesivos para aviones resistentes a altas temperaturas. En la actualidad se conocen formulaciones que son consideradas como las más resistentes a altas temperaturas continuas (de 180ºC a 250°C). Un tipo de adhesivos epoxi muy reciente es el de los denominados epoxi catiónicos, productos monocomponentes capaces de iniciar la reacción de polimerización tras su exposición a radiación UV. Una vez el adhesivo ha recibido la luz, la reacción prosigue sin necesidad de una exposición continuada. Una aplicación directa de esta técnica está en el encapsulado y el relleno de circuitos impresos.
6.2.3.5 Desventajas de los epoxis
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Algunas desventajas son: .Presentan problemas de absorción y difusión de la humedad en su seno. .Sistemas de alto rendimiento bicomponentes y con necesidad de calor, al menos en la etapa de post-curado. .Problemas de tiempos de curado, vida de la mezcla y necesidad de temperatura para con-
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO
seguir un alto grado de reticulación.
6.2.3.6 Aplicaciones de los epoxis Los epoxis se emplean en muchas aplicaciones: .Aditivos para hormigones y elementos de construcción .Adhesivos estructurales para la industria aeronáutica .Fabricación de materiales compuestos .Recubrimientos superficiales .Electrónica (circuitos impresos, encapsulación, relleno, etc.) .Imprimaciones
ensamblaje de piezas en la industria. A finales de los 60’ y principios de los 70’ los tecnólogos de la adhesión comenzaron a explorar esta familia. Los mejores adhesivos desarrollados hasta entonces, los epoxi, presentaban limitaciones en cuanto a la limpieza de las superficies, la necesidad de calor para las formulaciones de alto rendimiento y los moderados resultados obtenidos sobre los más recientes materiales de ingeniería que en la actualidad están reemplazando a los metales en muchas áreas. Los acrílicos presentaban soluciones a las limitaciones mencionadas, hasta el punto de que se pueden considerar alternativas para el ensamblaje de piezas en competencia incluso con los métodos mecánicos o la soldadura.
6.3.1.2 Composición de los acrílicos
6.3 Adhesivos tenaces Los adhesivos tenaces se emplean en estructuras sometidas a esfuerzos dinámicos. Presentan un alto rendimiento frente a esfuerzos estáticos y dinámicos a cortadura, compresión y tracción. Responden mejor que los adhesivos rígidos frente a esfuerzos de pelado.
Los adhesivos acrílicos se formulan como sigue: .Monómeros monofuncionales, como metacrilato de metilo .Reforzadores en base a caucho .Reactivos para el curado: .La parte A contiene el iniciador (peróxidos) .La parte B contiene un reductor (aminas o DHP) y/o metal, según se trate de: .Tipo “activador” .Tipo “parte B” .Colorantes, para diferenciar parte A y parte B.
Al igual que los adhesivos rígidos, los adhesivos tenaces se pueden clasificar de acuerdo con su capacidad de relleno de holgura: .Adhesivos con capacidad de relleno de holguras bajas: .Anaeróbicos tenaces .Cianoacrilatos tenaces .Adhesivos con capacidad de relleno de holguras intermedias: .Adhesivos acrílicos .Adhesivos con capacidad infinita de relleno de holgura: .Epoxis tenaces
Los adhesivos acrílicos de curado por luz contienen fotoiniciadores, susceptibles de generar radicales libres cuando se exponen a la luz UV.
6.3.1 Los acrílicos
6.3.1.1 Generalidades Los adhesivos acrílicos modificados estructurales constituyen una de las más recientes y, tal vez, versátiles familias de adhesivos empleadas en el
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Fig.6.28: Fómula química del hidroperóxido de cumeno (CHP), peróxido típico empleado como iniciador de los adhesivos acrílicos estructurales.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
te con los epoxis, no se recomienda el uso de calor para acelerar el curado. La velocidad de curado puede incrementarse bajo ciertas condiciones de calor y sólo a temperaturas suaves en el rango de 55-66ºC. En ningún caso la temperatura puede exceder los 72ºC durante las primeras etapas del curado. A diferencia de los epoxis, no es necesaria una segunda fase de curado. Una vez que el curado vía radicales libres ha comenzado es capaz de llegar a la polimerización total mediante mecanismos de propagación.
Fig.2.29: Fórmula de la dihidroxipiridina (DHP), reductor típico empleado en los acrílicos estructurales.
Los acrílicos se presentan comercialmente de diferentes formas:
Fig.6.30: Reacción típica de generación de radicales libres a partir de un fotoiniciador por efecto de la luz UV.
6.3.1.3 Mecanismo de curado de los acrílicos Una característica diferenciadora de los adhesivos acrílicos es que no necesitan que la mezcla entre resina y activador sea completamente homogénea, ya que una vez generados los “centros activos”, la propagación del polímero se produce en el seno del adhesivo.
Fig.6.31: Sistema de curado de los adhesivos acrílicos: i) Los iniciadores generan radicales libres y e iones hidroxilo; ii) Los reductores son especies donadoras de protones. Esto favorece la generación de radicales libres en combinación con los iniciadores.
La mayoría de los adhesivos acrílicos estructurales proporcionan tiempos de curado que van de 2 min. a 1 h. a temperatura ambiente. En contras-
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1.Sistemas adhesivo más activador: esta técnica de aplicación aprovecha la principal ventaja de proceso que ofrece la familia de adhesivos acrílicos estructurales. El activador se aplica al sustrato o a la superficie que va a ser adherida mediante un rodillo, una brocha, un spray o cualquier método convencional de recubrimiento. Una vez que la superficie ha sido activada puede ser adherida inmediatamente o almacenada durante periodos de tiempo prolongados antes del ensamblaje. Posteriormente, se puede aplicar la resina como si se tratara de un adhesivo monocomponente en la estación de ensamblaje y proceder inmediatamente al montaje a temperatura ambiente. La dosificación de la resina se puede realizar mediante bombas y conducciones, y puede ser controlada por personal no cualificado con un equipo relativamente simple. Un beneficio adicional de esta técnica es que el adhesivo no curará sobre superficies que no hayan sido previamente activadas, siendo muy sencilla la limpieza posterior del adhesivo sin curar. Así, las áreas que no deben ser adheridas pueden ser controladas por medio de la aplicación del activador, sin necesidad de un control estricto de la dosifi-
Fig.6.32: Esquema de uso de un acrílico con activador.
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO
cación del adhesivo. Las holguras de adhesión de hasta 0.5 mm. curarán aplicando el activador sobre una de las caras a ensamblar. Si se desean holguras superiores, se deben activar ambas superficies. Mediante este método se pueden rellenar y curar holguras de 1 mm. 2.Sistemas bicomponentes: cuando el sistema activador/resina no es apropiado, el acrílico puede ser aplicado mediante un método más convencional basado en la mezcla de dos componentes. La relación de mezcla más común para estos productos es de 10 partes de resina por cada parte de catalizador. En ciertas circunstancias son posibles los sistemas 1:1. 3.Sistemas bicomponentes sin necesidad de mezcla: son los menos conocidos y menos utilizados. La mayoría de estos adhesivos se envasan en dos recipientes diferentes. La parte A se aplica sobre una superficie; la parte B se premezcla con un catalizador hasta 12 h. antes de su uso y se aplica sobre el segundo sustrato. Cuando se unen ambas superficies comienza el curado. Este procedimiento permite tiempos de apertura muy elevados y, en consecuencia, la adhesión de superficies enormes. Es absolutamente necesario para determinadas aplicaciones específicas y si se asumen como aceptables vidas de mezcla para la parte B de 12 h., es posible la mezcla del sistema en una relación 1:1 obteniendo así el máximo rendimiento. 4.Acrílicos de curado UV: son, tal vez, la familia de adhesivos de curado UV más importante. Son productos monocomponentes que
curan bajo exposición a radiación UV. Pueden ser de curado bajo UV cercano (longitudes de onda de alrededor de 365nm) o de curado bajo luz visible (longitudes de onda de alrededor de 420 nm).
Fig.6.34: Profundidad de curado tomada mediante curado con luz UV.
6.3.1.4 Ventajas de los acrílicos
Fig.6.33: Absorbancia de los fotoiniciadores empleados en los adhesivos de curado UV tradicionales. Se pueden observar dos picos a 366 nm y a 254 nm.
134
Algunas de ellas son las que siguen: .Gran estructuralidad. .Elevada tenacidad con elongaciones a la rotura importantes. .Excelente durabilidad frente a agentes medioambientales. .Excelente resistencia a la fatiga. .Presentan tiempos de manipulación cortos. .Adhesión sobre una amplia variedad de sustratos. .Resistencia a temperaturas de 120ºC-150ºC según la formulación. .Versatilidad en la dosificación. .Preparación superficial mínima o innecesaria para metales y plásticos. .Capacidad intermedia de relleno de holgura. Se pueden superar los 3 mm de holgura con adhesivos bicomponentes, aunque los mejores resultados se logran con holguras de junta de hasta 0.3 mm. .Los sistemas bicomponentes toleran variaciones en las proporciones de mezcla.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
6.3.1.5 Desventajas de los acrílicos Entre las desventajas podemos incluir las siguientes: .Pobre adhesión sobre la mayoría de los elastómeros. .Olor característico a ácido acrílico. .Sistemas de mezclado en proporciones diferentes a 1:1. Son comunes relaciones de mezcla de 20:1 a 4:1. Los sistemas 1:1 tienen vidas de almacenamiento limitadas y menor versatilidad. .Puntos de inflamación bajos. El adhesivo fluido sin curar puede presentar temperaturas de ignición ligeramente inferiores a la ambiental.
6.3.1.6 Aplicaciones de los acrílicos Las aplicaciones de los acrílicos son muy diversas gracias a su alto rendimiento frente a cargas dinámicas y a temperaturas moderadamente altas: .Adhesión de ferritas a carcasas de motores eléctricos .Adhesión de zapatas de frenos a coronas .Paneles de calefacción solar .Equipamiento deportivo sometido a tensiones como las raquetas de tenis .Adhesión estructural en aviones y embarcaciones .Adhesión entre madera y vidrio (carpintería) .Uniones metal-metal, metal-vidrio y metalplástico .Fabricación de muebles, como mesas de vidrio y metal .Fabricación de aparatos médicos desechables
6.3.2 Los anaeróbicos tenaces
y de pelado. Para obtener adhesivos estructurales con un mecanismo de curado anaeróbico fue necesario diseñar y sintetizar nuevos tipos de monómeros. Los primeros (denominados “metacrilatos de uretano”) eran en realidad prepolímeros obtenidos por reacción de un alcohol dihidroxílico (diol) en proporción inferior a la estequiométrica con un diisocianato y el intermedio resultante se “taponaba” con metacrilato de hidroxialquilo. De este modo se lograba una molécula que contenía segmentos “rígidos” y “flexibles”. Esta hipótesis fue la base la base de posteriores síntesis en las cuales prepolímeros “rígidos” y “flexibles” eran enlazados químicamente antes de ser “taponados” con metacrilatos de hidroxialquilo. Los prepolímeros mencionados, diluidos con mono y dimetacrilatos para poder trabajar con ellos y formulados con sistemas de curado anaeróbicos eran de hecho adhesivos estructurales por sus propiedades de resistencia a cizalla y tracción. No obstante, debido al alto grado de reticulación y su rígida “espina dorsal”, eran extremadamente frágiles y presentaban pobre resistencia frente a impacto y a pelado. Mediante una mezcla adecuada de los componentes “rígido” y “flexible” fue posible formular una línea de adhesivos estructurales que combinaban la resistencia a la temperatura, a la tracción, al impacto y al pelado, entre otras. A pesar del hecho de que tales formulaciones mezcla rígido/flexible eran considerablemente mejores que las puramente “rígidas” y muy superiores a los adhesivos para maquinaria en cuanto a propiedades de adhesión estructural, no alcanzaban características destacadas como adhesivos estructurales. Una posible explicación a este hecho podía ser que los diversos monómeros no copolimerizaran fácilmente.
6.3.2.2 Composición de los anaeróbicos tenaces
6.3.2.1 Generalidades Aunque las primeras formulaciones de los adhesivos anaeróbicos difícilmente podían emplearse en aplicaciones estructurales, con el tiempo se desarrollaron adhesivos tenaces capaces de soportar mejor cargas dinámicas y esfuerzos de tracción
Los anaeróbicos estructurales se formulan de forma similar a los anaeróbicos estándar, con la salvedad de que el monómero empleado varía. Como ya se ha mencionado, se emplean monómeros en base a dimetacrilatos de uretano. Los extremos, rígidos, se encargan de que la reacción de polimerización transcurra según reacción anaeróbica, mientras que el espinazo del monómero, flexible, confiere la tenacidad que requiere el polí-
135
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO
mero resultante para poder funcionar en aplicaciones estructurales.
6.3.2.3 Mecanismo de curado de los anaeróbicos tenaces
6.3.2.6 Aplicaciones de los anaeróbicos tenaces Las aplicaciones de los anaeróbicos tenaces incluyen las propias de los anaeróbicos estándar más aplicaciones propiamente estructurales como las que siguen: .Adhesión de ferritas a carcasas de motores eléctricos. .Adhesión de zapatas de frenos a coronas. .Uniones metal-metal y metal-vidrio. .Adhesión de altavoces. .Adhesión de elementos electromecánicos. .Adhesión de desechables médicos, como cánulas a cabezales para jeringas.
Los adhesivos anaeróbicos estructurales presentan una alta capacidad anaeróbica, aunque pueden curar mediante el uso de activadores. Esto los convierte en materiales versátiles para su aplicación industrial, ya que su uso no queda limitado únicamente a materiales metálicos. Sin embargo conviene aclarar que los mejores resultados se logran sobre metales. Una de las primeras familias adhesivas a las que se añadió un sistema de curado UV fue a la de los anaeróbicos. Estos adhesivos permiten fijar rápidamente las partes de la estructura a unir y curar los excesos de adhesivo.
6.3.3 Los cianoacrilatos tenaces
6.3.3.1 Generalidades
6.3.2.4 Ventajas de los anaeróbicos tenaces Algunas de ellas son las que siguen: .Buena estructuralidad. .Tenacidad moderada con elongaciones a la rotura de bajas a medias. .Excelente durabilidad frente a agentes medioambientales y agentes químicos. .Buena resistencia a la fatiga. .Presentan además tiempos de manipulación muy cortos. .Buena resistencia a la temperatura (hasta 190ºC). .Versatilidad en la dosificación.
6.3.2.5 Desventajas de los anaeróbicos tenaces Entre las desventajas podemos incluir las siguientes: .Pobre adhesión sobre los polímeros en general. .Limitaciones en la profundidad de curado de hasta 0.8 mm. No obstante los mejores rendimientos se logran con holguras alrededor de la décima.
Los cianoacrilatos tenaces surgen, como en el caso de otras resinas adhesivas, como respuesta a las carencias que presentan los cianoacrilatos estándar frente a esfuerzos dinámicos. Como consecuencia de las modificaciones realizadas en la formulación se logran características excepcionales para un cianoacrilato, aunque en detrimento de la velocidad de curado del adhesivo. Como ocurre con los epoxis tenaces el adhesivo originariamente rígido y con un comportamiento dinámico pobre se modifica mediante la adición de una segunda fase elástica, capaz de absorber energía durante la deformación del material adhesivo. La fase de caucho dispersada actúa como freno de las microgrietas iniciadas, mejorando la resistencia frente a pelado, impacto y cargas dinámicas. En el caso particular de los cianoacrilatos, esta segunda fase mejora además la resistencia térmica y el envejecimiento que sufre el adhesivo en ambientes húmedos cuando se emplea para adherir superficies metálicas.
6.3.3.2 Composición de los cianoacrilatos tenaces Los cianoacrilatos tenaces tienen la misma composición que los estándar, con la salvedad de
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
que incluyen aditivos que modifican el rendimiento mecánico y térmico del adhesivo. En ocasiones se emplean hasta tres aditivos. Estos aditivos se añaden en forma de dispersión, creando una segunda fase en la formulación del adhesivo. Son, en general, materiales flexibles que complementan la rigidez de la matriz adhesiva.
sin embargo, muy inferior a la de los cianoacrilatos estándar, debido a que el cianoacrilato de etilo se halla “diluido” en el resto de componentes. No obstante, el uso de activadores sobre las piezas o sobre el mismo adhesivo permite lograr tiempos de manipulación muy cortos.
6.3.3.4 Ventajas de los cianoacrilatos tenaces Entre las ventajas ofrecidas por los cianoacrilatos tenaces tenemos las siguientes: .Buena estructuralidad. .Tenacidad moderada con elongaciones a la rotura bajas. .Buena durabilidad frente a agentes medioambientales. Mejoran la resistencia frente a la humedad de los cianoacrilatos estándar. .Buena resistencia a la fatiga. .Adhesivos monocomponentes de fácil aplicación. .Rapidez de curado. .Mejoran la resistencia frente a la temperatura de los cianoacrilatos estándar. Los cianoacrilatos tenaces soportan 100ºC en continuo. Algunas formulaciones soportan hasta 120ºC en continuo. .Resistencia química.
Fig.6.35: Efecto de la fase dispersa elastómera sobre la propagación de la rotura en las juntas adhesivas de cianoacrilatos modificados con elastómeros.
Los efectos de los aditivos de los cianoacrilatos tenaces son: .Mejora de la resistencia frente a esfuerzos de pelado y desgarro. .Mejora de la resistencia frente a solicitaciones dinámicas. .Mejora de la resistencia al calor.
6.3.3.5 Desventajas de los cianoacrilatos tenaces Al igual que los cianoacrilatos estándar, los cianoacrilatos tenaces presentan limitaciones. Se pueden resumir entre las siguientes: .Capacidad limitada de relleno de holgura, en torno a los 0.2 mm. .Pueden presentar problemas de empañamiento y olores. .No adhieren vidrio o cerámicos vítreos.
6.3.3.3 Mecanismo de curado de los cianoacrilatos tenaces Los cianoacrilatos tenaces se basan en ésteres etílicos a los cuales se adiciona una dispersión de partículas de caucho. Al igual que los cianoacrilatos estándar se estabilizan en medio ácido débil. Por ello, el curado del adhesivo es también consecuencia de la acción de la humedad que existe sobre los materiales.
6.3.3.6 Aplicaciones de los cianoacrilatos tenaces Las aplicaciones de los cianoacrilatos tenaces son, principalmente, las que siguen:
La velocidad de curado de los cianoacrilatos es,
137
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO
.Adhesión de piezas metálicas y plásticas pequeñas para subcomponentes de automoción. .Adhesión de metales sinterizados (ferritas, por ejemplo). .Adhesión de caucho y caucho a metal para juntas de sellado. .Adhesión de componentes electrónicos adicionales en placas de circuitos impresos sometidas a vibraciones en el sector de la electrónica. .Adhesión de etiquetas identificativas en diversos sectores.
6.3.4 Los epoxis tenaces
6.3.4.1 Generalidades Los epoxis tenaces incorporan en su formulación un caucho, generalmente nitrilo, capaz de precipitar de forma microdispersa cuando la resina endurece. Con la adición de esta fase de caucho se mejoran las características del adhesivo curado frente a esfuerzos de pelado, sobre todo a bajas temperaturas en las que otros epoxis, como los nylon-epoxis, pierden todas sus características de flexibilidad. Los epoxis tenaces bicomponentes fueron introducidos comercialmente en 1973. Los primeros epoxis tenaces presentaban problemas de adhesión sobre superficies de aluminio en la adhesión de las alas de aviones. El problema se debía fundamentalmente a un efecto combinado entre la corrosión del aluminio y el efecto de la humedad sobre la interfase adhesiva. Sin embargo estos fallos nunca habían sido observados en los adhesivos epoxi-fenólicos de curado a alta temperatura o en los fenólicos-nitrilo. Ulteriores investigaciones llevaron a la modificación en los procesos de anodizado de los aluminios y a la disminución de la permeabilidad de los adhesivos a la humedad. No obstante, a pesar del alto rendimiento de las últimas formulaciones de los epoxis tenaces, en la actualidad el uso del adhesivo en estas aplicaciones se limita a estructuras secundarias o como refuerzo de otras estructuras ensambladas mecánicamente.
6.3.4.2 Composición de los epoxis tenaces Los epoxis tenaces tienen la misma composición que los estándar. Al igual que se hace con otras resinas, la adición de ciertos modificadores mejoran el rendimiento mecánico del adhesivo. Los aditivos se hallan en el adhesivo en forma de dispersión. Son normalmente partículas de caucho, por ejemplo polisulfuro o caucho nitrilo.
6.3.4.3 Mecanismo de curado de los epoxis tenaces Los epoxis tenaces se comercializan en forma de sistemas bicomponentes y monocomponentes con un agente endurecedor latente que se libera únicamente por reacción a alta temperatura. Los epoxis empleados en aplicaciones estructurales deben ser curados a temperaturas altas o a temperatura ambiente con post-curado por calor, siguiendo en cualquier caso perfiles controlados de calentamiento para lograr las propiedades óptimas del adhesivo curado..
6.3.4.4 Ventajas de los epoxis tenaces Las propiedades de los epoxis tenaces son las siguientes: .Elevadísima estructuralidad. .Tenacidad moderada con elongaciones a la rotura bajas y medias. .Buena resistencia química. .Resistencia a la fatiga. .Adhieren casi todos los sustratos. .Gran relleno de holguras. .Son mecanizables. .Resistencia a temperaturas de hasta 180ºC (hasta 250ºC en algunas formulaciones).
6.3.4.5 Desventajas de los epoxis tenaces
138
Algunas desventajas son: .Presentan problemas de absorción y difusión de la humedad en su seno. .Problemas en la dosificación de los sistemas de alto rendimiento bicomponentes y con
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
necesidad de calor, al menos en la etapa de post-curado. .Problemas de tiempos de curado, vida de la mezcla y necesidad de temperatura para conseguir un alto grado de reticulación. .Los epoxis tenaces monocomponentes deben conservarse a temperaturas muy bajas (-40ºC).
mente en la fabricación de ciertos elementos, estando en desuso debido a los problemas de seguridad e higiene que lleva asociado su empleo.
Fig.6.36: Consumo de selladores flexibles para la construcción en el mercado japonés.
6.3.4.6 Aplicaciones de los epoxis tenaces Los epoxis tenaces se emplean en muchas aplicaciones: .Adhesivos estructurales para la industria aeronáutica. .Adhesivos estructurales para la industria espacial. .Adhesivos estructurales para la industria naval. .Adhesivos estructurales para la industria en general para aplicaciones con relleno de holgura. .Encapsulado y relleno en aplicaciones electrónicas.
6.4 Adhesivos flexibles La función primaria de un adhesivo flexible es, generalmente, el sellado. Sin embargo, muchos adhesivos elásticos se emplean en uniones estructurales, en ocasiones con rendimientos difícilmente alcanzables por mediación de otros sistemas de unión. Aunque adhesivos y selladores se formulan a menudo a partir de los mismos polímeros, se diseñan para tener propiedades distintas. Los adhesivos elásticos tienen normalmente resistencias a tracción y a cortadura superiores, mientras que los selladores elásticos son normalmente materiales de bajo módulo que se emplean como barrera frente al paso de líquidos, vapores, gases o sólidos.
Los adhesivos flexibles se pueden encontrar básicamente en dos formatos: En los sistemas monocomponentes o RTV-1 el adhesivo reacciona con la humedad ambiental. El curado comienza en la capa más exterior y continúa hacia el interior del cordón aplicado. Conforme se produce la polimerización el caucho se vuelve cada vez más impermeable a la humedad, dificultando la polimerización de las capas interiores. Esto limita la capacidad de relleno de holgura del adhesivo, que se halla entre los 6 y los 12 mm, y la velocidad de curado, que normalmente se halla en torno a 1 mm/día como media. La velocidad de curado en profundidad es un proceso controlado por la difusión, es decir, dependiente de la temperatura y la humedad. Los tiempos de formación de piel y el de tacto seco dependen de la velocidad de reacción, que es dependiente del
Los adhesivos elásticos se encuentran comercialmente como fluidos más o menos viscosos que forman un caucho elástico mediante una reacción química. Existen multitud de químicas, aunque las más importantes en la actualidad son las siliconas, los poliuretanos y los silanos modificados. Una cuarta familia, los polisulfuros, se emplean única-
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Fig.6.37: El curado de los sistemas RTV-1 transcurre en dos etapas: i) La formación de piel viene determinada por la velocidad de entrecruzamiento; ii) El curado en profundidad es un proceso dependiente de la difusión.
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO
tipo de adhesivo. En los sistemas bicomponentes o RTV-2 el adhesivo reacciona con el segundo componente, el cual se suele añadir durante el proceso de dosificación mediante boquillas mezcladoras. Los tiempos de curado son muy inferiores a los de sus homólogos monocomponentes, por lo que se suelen emplear en líneas de producción automatizadas.
binación de agentes reticuladores/polímeros de silicona y catalizador de reticulación; las propiedades mecánicas dependen de la mezcla de cargas y polímeros de silicona.
6.4.1 Las siliconas
6.4.1.1 Generalidades Durante los años 50 se obtuvieron suficientes conocimientos acerca de los cauchos de silicona vulcanizados a temperatura ambiente, y se comercializaron los primeros productos. En un principio fueron sistemas bicomponentes y multicomponentes, a los que les siguieron los productos monocomponentes.
6.4.1.2 Composición de las siliconas Las siliconas contienen los siguientes componentes: . Polímero de silicona . Agente de entrecruzamiento . Catalizador . Antioxidante/UV o estabilizadores térmicos . Modificadores de rendimiento: . Plastificantes . Promotores de la adhesión . Modificadores de forma: . Cargas . Colorantes y pigmentos
Fig.6.38: Efecto del contenido creciente de resina y de su funcionalidad en algunas propiedades mecánicas.
Las siliconas RTV-1 reaccionan con la humedad ambiental curando desde el exterior hacia el interior del cordón aplicado. Conforme se produce la polimerización de los siloxanos el caucho se vuelve cada vez más impermeable a esta humedad, dificultando la polimerización de las capas interiores. Por este motivo existe una limitación para el grosor de los cordones además de que, cuando hablamos de los tiempos de curado, debamos introducir nuevos conceptos: el tiempo de formación de piel y el de tacto seco. No obstante,
6.4.1.3 Mecanismo de curado de las siliconas Las fórmulas de los cauchos de silicona RTV-1 y RTV-2 incluyen polímeros de silicona, agentes reticuladores y cargas principalmente, así como aditivos especiales. Las características de proceso y de vulcanización están determinadas por la com-
Fig.6.39: Etapas de curado de las siliconas monocomponentes: i) Liberación del polisiloxano taponado mediante humedad; ii) Entrecruzamiento del polisiloxano liberado con otro aún taponado.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
las siliconas presentan tiempos de formación de piel cortos en comparación con otros elastómeros RTV-1. En particular, las siliconas acéticas forman piel en 5 minutos. La polimerización de las siliconas RTV-2 se produce en todo el volumen dosificado, puesto que el agente polimerizador está en contacto con toda la masa de siloxanos. Es por ello que, en general, presentan tiempos de curados muy inferiores a los de las siliconas RTV-1. La polimerización de las siliconas da lugar a subproductos de reacción que por lo general son volátiles. Usualmente las siliconas se clasifican de acuerdo con el subproducto que liberan durante el proceso de curado: .Acéticas: cuando liberan ácido acético (olor a vinagre característico). Generan problemas de corrosión sobre ciertos sustratos metálicos como el cobre. .Alcoxi: liberan alcoholes de diferente peso molecular generalmente metanol. .Amínicas: liberan aminas. .Oxímicas: son formulaciones especiales que liberan oximas, pero con la particularidad de que este subproducto de reacción es reutilizado nuevamente en la reacción de polimerización. Por este motivo también se denominan siliconas neutras.
ción UV, mediante el uso de fotoiniciadores en la composición. Normalmente se emplean lámparas con emisión UV para fijar el producto sobre los sustratos. A veces se utiliza como sistema de curado dual junto con el curado clásico por humedad. Las siliconas de curado UV se formulan con prepolímeros de silicona taponados parcial (curado dual humedad/UV) o totalmente (curado exclusivo con UV) con grupos funcionales metacrilato. Empleando un fotoiniciador estándar se logra el curado vía radicalaria del adhesivo.
6.4.1.4 Ventajas de las siliconas La siliconas una vez curadas presentan las siguientes ventajas: .Buena adhesividad y sellado sobre una amplia variedad de sustratos. .Permanecen flexibles entre –55ºC y 250ºC, aunque hay formulaciones que llegan a soportar hasta 350ºC en picos. .Buena durabilidad. Son resistentes a la humedad, el ozono y la radiación UV. .Propiedades dieléctricas destacadas.
6.4.1.5 Desventajas de las siliconas Algunas desventajas son: .No son pintables. .Las siliconas acéticas producen un olor penetrante. Sin embargo, las siliconas alcoxi y las oxímicas presentan olores suaves. .En general baja resistencia a aceites calientes, combustibles y productos clorados.
6.4.1.6 Aplicaciones de las siliconas Se suelen emplear en muy diversas aplicaciones, como adhesivos y selladores industriales y en la construcción:
Fig.6.40: Prepolímeros de silicona más usuales: i) Polímero de silicona (polidimetilsiloxano); ii) Grupos funcionales terminales (Y).
Existen además siliconas que curan bajo radia-
141
.Adhesión y sellado de componentes mecánicos y electrónicos. .Adhesión de gomas y tubos flexibles. .Adhesión y sellado en electrodomésticos.
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO
.Adhesión y sellado en la industria de la refrigeración. .Sellado y encapsulado de elementos eléctricos (siliconas neutras). .Recubrimiento de cintas transportadoras. .Revestimiento de paneles metálicos para la industria de la construcción. .Adhesión de vidrio (cerrajería y celosías). .Adhesión y sellado de aplicaciones químicas. .Sellado y juntas en la industria de la automoción.
Fig.6.42: Fórmula del MDI.
Los poliuretanos bicomponentes contienen los siguientes componentes en su formulación: .Parte A: .Prepolímero, en base a polioles .Cargas (negro de carbón, sílices, talco, carbonato de calcio) y pigmentos .Plastificantes .Catalizadores .Parte B: .Agentes de entrecruzamiento (MDI, TDI) .Pigmentos, para diferenciar los componentes.
6.4.2 Los poliuretanos
6.4.2.1 Generalidades Los poliuretanos son polímeros basados en la química del isocianato. A menudo la denominación “poliuretano” es incorrecta, ya que sólo una pequeña fracción de los enlaces son verdaderos grupos uretano. Son el resultado de la reacción de un isocianato con agua, o con un poliol o una amina en el caso de los poliuretanos bicomponentes.
6.4.2.2 Composición de los poliuretanos Los poliuretanos monocomponentes contienen los siguientes componentes: .Prepolímero, en base a polioles iso-taponados .Cargas (negro de carbón, sílices, talco, carbonato de calcio) y pigmentos .Plastificantes .Agentes de entrecruzamiento (MDI, TDI) .Catalizadores
Fig.6.41: Reacción de preparación de los prepolímeros de uretano para adhesivos de poliuretano.
Los isocianatos empleados pertenecen a dos grupos fundamentales: aromáticos (por ejemplo, MDI) y alifáticos (por ejemplo, TDI). Dentro de los aromáticos el MDI se emplea generalmente para poliuretanos de alto módulo, mientras el TDI es especialmente útil para formulaciones de bajo módulo. Los isocianatos alifáticos son en general más estables frente a la radiación UV. Los poliuretanos normalmente se preparan haciendo reaccionar los isocianatos con polioles para producir pre-polímeros de uretano. La alta polaridad de los pre-polímeros de uretano proporciona buenas características adhesivas, aunque incrementa apreciablemente la viscosidad del adhesivo, especialmente a bajas temperaturas. Sin embargo, la formulación de los adhesivos de poliuretano no permiten incluir promotores de la adhesión, por lo que se debe acudir al uso de imprimaciones para mejorar la durabilidad de las adhesiones. Los catalizadores aceleran la velocidad de curado y alteran el orden de reactividad de los isocianatos alifáticos y aromáticos. Son, generalmente, organometálicos (de estaño, mercurio, hierrocobalto, zinc-bismuto) o aminas terciarias.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
6.4.2.3 Mecanismo de curado de los poliuretanos Los poliuretanos monocomponentes reaccionan con la humedad atmosférica para generar un caucho elastómero. Al igual que en el caso de las siliconas, la reacción de polimerización ocurre desde el exterior del cordón hacia el interior, lo cual vuelve a limitar el ancho de cordón utilizado además de alargar los tiempos de curado.
Los imprimadores para poliuretanos tienen una función múltiple, dependiente del material que queremos adherir. Sus funciones son las siguientes: 1.Inhibición y barrera química. Existen determinados materiales sobre los cuales es imposible asegurar una limpieza adecuada. Por ejemplo, en algunos tipos de maderas nobles existe un proceso constante de desprendiFig.6.43: Reacción de curado por entrecruzamiento en presencia de humedad de los poliuretanos. i) Generación de un ácido carbámico; ii) Reacción del ácido carbámico con otro prepolímero de uretano.
La combinación entre prepolímeros de uretano e isocianatos genera un olor característico de los poliuretanos. La reacción de curado es relativamente lenta, dando lugar a tiempos de formación de piel de alrededor de una hora. Por el contrario, los poliuretanos bicomponentes polimerizan como resultado de la reacción de los isocianatos con los correspondientes polioles o aminas en toda la masa de la junta adhesiva. Esto elimina las limitaciones de holgura de curado y permite velocidades de curado muy superiores.
6.4.2.4 Las imprimaciones para los poliuretanos Los poliuretanos estructurales, de alto módulo, presentan problemas de estabilidad cuando se incorpora a su formulación promotores de la adhesión, lo cual obliga al uso de imprimaciones que contienen isocianatos y silanos, y que ejercen la función de interfase entre el adhesivo y el sustrato. El uso del imprimador mejora la adhesión sobre vidrio, aluminio y algunos plásticos, además de incrementar enormemente la vida de la adhesión.
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miento de resinas. Como consecuencia, aunque la superficie haya sido limpiada de forma muy exhaustiva, siempre aflorará una capa contaminante a la superficie. Por ello es preciso aplicar una capa de imprimación que ejerza la función de barrera química entre el material y el adhesivo que aplicaremos posteriormente. 2.Activación superficial. La imprimación permite una adhesión específica del adhesivo con el sustrato, puesto que contiene en su formulación prepolímeros que activan químicamente el sustrato. Esta característica es de vital importancia para asegurar la durabilidad de las adhesiones. 3.Protección. Es importante sólo para la adhesión de sustratos transparentes. La radiación ultravioleta de la luz solar puede dañar las adhesiones realizadas con poliuretano. Para evitar este efecto perjudicial se aplican imprimaciones opacas (negras) sobre los sustratos transparentes, evitando de esta forma la llegada de la luz solar a la zona de adhesión. 4.Control de calidad. En series productivas es muy difícil controlar la calidad de limpieza de los sustratos. Por este motivo en muchas
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ocasiones se aplica una imprimación sobre sustratos que teóricamente no lo requieren. Incluso a menudo se acude a imprimaciones negras para localizar y verificar su aplicación en la misma línea productiva.
.Construcción de puertas y ventanas. .Construcción naval. .Aparatos electrodomésticos. .Sistemas de ventilación.
6.4.3 Los silanos modificados 6.4.2.5 Ventajas de los poliuretanos Los poliuretanos presentan las siguientes ventajas: .Sellan un amplio rango de sustratos. .Permanecen flexibles entre -40ºC y 80ºC. .Buena resistencia a los productos químicos. .El adhesivo aplicado se puede pintar. .Producen olores muy suaves debidos al propio prepolímero de uretano. Los subproductos generados durante el curado no son olorosos (dióxido de carbono). .Presentan fenómenos de histéresis que pueden aprovecharse en la amortiguación de ruidos, vibraciones, etc.
6.4.3.1 Generalidades Los silanos modificados fueron descubiertos en Japón hace más de dos décadas. Su uso como selladores y adhesivos elásticos ha crecido de forma espectacular hasta llegar a consumos del orden de las siliconas o los poliuretanos y con una tendencia de crecimiento superior a éstos.
6.4.3.2 Composición de los silanos modificados Los silanos modificados responden a la siguiente composición típica:
6.4.2.6 Desventajas de los poliuretanos
.Polímero de silano modificado: son poliéteres terminados con grupos siloxanos .Cargas y pigmentos .Plastificantes .Catalizadores .Promotores de la adhesión .Antioxidantes y absorbentes de la luz UV
Algunas desventajas son las que siguen: .Problemas de seguridad e higiene relacionados con los isocianatos, cuando se aplica calor sobre el adhesivo sin polimerizar. No obstante, los poliuretanos, una vez curados, contienen concentraciones extremadamente bajas de isocianato sin reaccionar. .Precisan imprimaciones para realizar uniones estructurales. .Resistencia pobre a la radiación UV.
6.4.2.7 Aplicaciones de los poliuretanos Fig.6.44: Prepolímero de silano modificado. Podemos resumir las aplicaciones de los poliuretanos en los siguientes apartados: .Construcción y reparación. .Transporte y automoción. .Ingeniería mecánica y montaje de máquinas. .Electromecánica. .Construcción y reparación de remolques. .Construcción de contenedores.
6.4.3.3 Mecanismo de curado de los silanos modificados La reacción de polimerización de los silanos
144
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
modificados sucede a través de los grupos siloxano terminales, iniciada por la humedad ambiental o la adición de segundo componente. Como subproducto de reacción se genera metanol en baja concentración, lo que minimiza los olores. Como para siliconas y poliuretanos monocomponentes, la reacción ocurre desde el exterior del cordón hacia el interior, lo cual vuelve a limitar el ancho de cordón utilizado además de alargar los tiempos de curado.
6.4.3.4 Ventajas de los silanos modificados Los silanos modificados presentan las siguientes ventajas: . Buena adhesividad y sellado sobre una amplia variedad de sustratos, incluyendo la amplia mayoría de los polímeros. . Presentan viscosidades bajas antes del curado, lo cual facilita su dosificación.
Fig.6.45: Etapas de curado de los silanos modificados monocomponentes: i) Liberación de los grupos extremos; ii) Entrecruzamiento de los prepolímeros.
Como ya se ha comentado para otros adhesivos flexibles monocomponentes, la velocidad de formación de piel viene determinada por la velocidad de la reacción de entrecruzamiento. En los silanos modificados la formación de piel tiene lugar entre los 10 y los 30 minutos posteriores a su aplicación. Sin embargo, la velocidad de curado en profundidad viene controlada por la difusión del agua al interior del material, es decir, depende de la temperatura y la humedad. Se logran profundidades de curado que oscilan entre los 6 y los12 milímetros.
.Presentan un buena capacidad de relleno de holguras y capacidad de sellado. .Permanecen flexibles entre -40ºC y 100ºC. .Buena resistencia a los productos químicos. .Buena resistencia a la radiación UV. .El adhesivo aplicado se puede pintar. .Producen subproductos de bajo olor (metanol).
6.4.3.5 Desventajas de los silanos modificados
Por el contrario, los silanos modificados bicomponentes polimerizan como resultado de la reacción de los dos componentes en toda la masa de la junta adhesiva. Esto elimina las limitaciones de holgura de curado y permite velocidades de curado final muy superiores. A diferencia de los poliuretanos, los silanos modificados permiten incluir agentes promotores de la adhesión en su formulación. Esto, unido con la polaridad del polímero, permite una gran adhesión sobre sustratos muy variados, incluyendo polímeros y vidrio.
Algunas desventajas son las que siguen: .Inhiben el curado de los poliuretanos debido a que generan metanol durante su curado.
6.4.3.6 Aplicaciones de los silanos modificados Podemos resumir las aplicaciones de los silanos modificados en los siguientes apartados:
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.Transporte y automoción.
PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y SELLADORES DESPUÉS DEL CURADO
.Industria de la construcción. .Revestimiento de paneles metálicos para la industria de la construcción. .Sellado de paneles de cemento y sellado de marcos. .Sellado de paneles de aluminio, acero, piedra, materiales compuestos y cerámicas en aplicaciones exteriores. .Sellado de azulejos para aplicaciones diversas. .Electromecánica. .Construcción y reparación de remolques. .Construcción de contenedores. .Construcción de puertas y ventanas. .Construcción de maquinaria agrícola. .Aparatos electrodomésticos. .Sistemas de ventilación.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 7: TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES (Francisco Javier Valle Fonck, Loctite España; Juan José Lesmes Celorrio, Loctite España; Mario Madrid Vega, Loctite España; Francisco López Martín, ETSIN de Madrid; Rafael González Díaz, EUITA de Madrid y Eva Royuela Prieto, Loctite España)
7.1 Tecnologías anaeróbicas (Francisco Valle Fonck, Loctite España y Juan José Lesmes Celorrio, Loctite España)
.Rotura .Relajación .Autoaflojamiento Sobre las dos primeras hay extensa literatura en la que se dan métodos teóricos y experimentales para evitar el fallo de los tornillos por rotura o relajación en función de las dimensiones y los materiales usados en los mismos. Sin embargo los métodos tradicionales no han sido capaces de dar una respuesta satisfactoria al problema del fallo por autoaflojamiento.
7.1.1 Fijación y sellado de elementos roscados
7.1.1.1 Introducción Aproximadamente el 50% del tiempo de trabajo en una línea de fabricación se emplea en la realización de operaciones de ensamblaje, bien sea mediante pasadores, tuercas y tornillos, espárragos o remaches. El coste total de estas operaciones de ensamblaje se ve aumentado en el caso de que sea necesario el reapriete de las uniones atornilladas para asegurar una correcta precarga o en el caso de reparaciones de uniones atornilladas. Sólo el 5% del coste total corresponde a los elementos físicos involucrados (tuerca y tornillo), mientras que el 95% restante corresponde a gastos de inventario, operaciones de montaje y tiempo de instalación. La reducción de los costes derivados de la instalación de uniones atornilladas se dirigen a tres áreas fundamentalmente: .Uso de elementos normalizados para reducir los stocks. .Optimización del número de elementos presentes en una unión atornillada. .Realización de uniones más fiables reduciendo el coste de garantía.
El uso de productos adhesivos para evitar el fallo por autoaflojamiento se ha extendido en todos los sectores industriales a lo largo de los últimos 40 años desde el descubrimiento de los adhesivos anaeróbicos, siendo el método que da los resultados más fiables.
7.1.1.2 Teoría de los montajes roscados: relación par de montaje/precarga Uno de los factores más importantes dentro de una unión atornillada es la fuerza de precarga que se quiere mantener entre los elementos ensamblados mediante dicha unión. La fuerza de precarga está directamente relacionada con el par de apriete que se aplica sobre el montaje. Para un mejor estudio de la relación entre el par de apriete y la precarga obtenida se utiliza la analogía entre un
Asimismo, las uniones atornilladas pueden fallar, con las consecuencias negativas que esto puede producir sobre el producto final. Las causas de fallo de las uniones atornilladas son:
147
Fig.7.1: Distribución de esfuerzos en una unión atornillada durante el montaje.
TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
montaje roscado y un plano inclinado. Si se desenrolla la rosca de un tornillo se obtiene un plano inclinado de ángulo a (ángulo de la rosca), se puede asumir la tuerca como un cuerpo situado sobre dicho plano cuyo peso (F) sería la fuerza de precarga que se obtiene en el montaje Considerando el equilibrio que se produce en la dirección del plano inclinado, la relación entre el par de apriete y la fuerza de precarga conseguida es: T=
[(m + tg a) . D2
p
+ mb .
Db 2
]. F Fig.7.2: Efecto de las vibraciones sobre el par de rozamiento.
Donde: T = Par de apriete F = Fuerza de precarga m = Coeficiente de fricción en la rosca m b= Coeficiente de rozamiento por deslizamiento plano a = Ángulo de la rosca D p= Diámetro medio de la rosca D b= Diámetro medio de la zona de contacto entre la cabeza del tornillo y la brida a asegurar (zona de rozamiento plano).
Teniendo en cuenta el ángulo del flanco de la rosca (b), que en roscas métricas es de 60º, y el factor normal a la superficie del plano inclinado que incorpora el par de apriete, la expresión que relaciona el par de apriete con la precarga obtenida sería:
Para el cálculo de esta expresión se ha supuesto que la rosca es de sección plana y no se ha considerado el factor Tsena en la dirección normal, para simplificar la expresión matemática.
T=
m cosb/2 + tg a m 1cosb/ 2
[(
)
Dp Db . + mb. 2 2
]
.F
Donde b es el ángulo del flanco de la rosca. La expresión anterior pone de manifiesto algunos aspectos importantes a considerar en las uniones roscadas: 1)Cuanto menor sea el ángulo ( menor es el par de apriete necesario para conseguir el mismo nivel de precarga. Por tanto, las roscas finas necesitan niveles de par de apriete inferiores. 2)El coeficiente de rozamiento en la rosca y en la zona de rozamiento plano afectan directamente al par de apriete a aplicar. Porcentualmente, el 40% del par de apriete se emplea en vencer el rozamiento en la rosca, el 50% en vencer el rozamiento plano entre la tuerca y la brida y sólo el 10% del par se emplea en obtener la fuerza de precarga. Como se puede ver, el rozamiento es el factor clave en las uniones atornilladas.
Si expresamos el par en función del diámetro nominal (D n) de los tornillos, podemos simplificar la expresión anterior de la forma: T = K·D n ·F El coeficiente K es un factor de lubricación que tiene en cuenta los coeficientes de rozamiento plano y de rozamiento de la rosca, así como aspectos geométricos de la misma. Experimentalmente, el factor de lubricación K, que no tiene que confundirse con el coeficiente de rozamiento, tiene un valor aproximado de 0,2. En cada caso, el factor K debe determinarse experimentalmente para cada par tornillo-tuerca. Una vez que éste ha sido determinado, puede usarse en pares tornillo-tuerca de los mismos
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
materiales pero con distintos diámetros. Esta determinación del coeficiente K no es exacta y tiene variaciones de hasta un ±20% en distintos pares tornillo-tuerca de los mismos materiales e idéntico diámetro. El uso de agentes lubricantes o elementos de fijación reduce la variabilidad del coeficiente K.
de montaje aplicado en la misma unión sin más que comparar las expresiones matemáticas que los definen.
Fig.7.3: Distribución de esfuerzos en una unión atornillada durante el desmontaje.
En una curva par-fuerza de precarga, la pendiente es K·D, por lo que, al ser D constante para un tornillo podemos asimilar la variabilidad de la pendiente a la variabilidad del coeficiente K. Es evidente que la reducción de los coeficientes de rozamiento, tanto el de la rosca como el que se produce en cabeza, permite alcanzar la fuerza de precarga deseada con un menor par de apriete. Tradicionalmente se han usado pastas lubricantes antigripantes con una doble función: Reducir el coeficiente de rozamiento existente durante el montaje, tanto en valor absoluto, como reduciendo la variabilidad que en el mismo se produce entre conjuntos tornillo-tuerca similares. Esta baja variabilidad en los coeficientes de rozamiento que se produce en los distintos montajes permite definir de forma exacta el par de apriete a aplicar, sabiendo que la fuerza de precarga conseguida se encuentra dentro de unos límites admisibles fijados previamente. Proteger el montaje atornillado frente a la corrosión externa, incluso a altas temperaturas, y prevenir el gripado de los tornillos y sus posibles consecuencias. El uso de pastas antigripantes garantiza la reversibilidad del montaje roscado incluso a muy altas temperaturas, evitando las soldaduras y agarrotamientos entre tornillo y rosca o alojamiento. Este fenómeno de gripado produce efectos sumamente perjudiciales en los montajes roscados, pudiendo llevar en algunos casos a la rotura del tornillo durante el desmontaje.
7.1.1.3 Par de desmontaje Realizando el mismo análisis visto en el caso anterior, usando la analogía del plano inclinado, en el proceso de desmontaje de una unión atornillada sometida a una fuerza de precarga F, se aprecia que el par de desmontaje es menor que el par
T=
[(m - tg a) . D2
p
+ mb .
Db 2
]. F
Al igual que en el caso anterior no se ha tenido en cuenta el término Tsena para simplificar el desarrollo matemático, y el cálculo se refiere a una rosca plana. En el caso del desmontaje se observa que existe un factor que favorece el mismo, debido al efecto de la fuerza F·sena. Dicho término se conoce por el nombre de par de autoaflojamiento, y su expresión es: T a= tg a .
Dp
.F 2 En el caso que existiese un contacto perfecto entre el tornillo y la tuerca y no hubiera rozamiento entre ambos, el par de autoaflojamiento forzaría el desmontaje de la unión atornillada por efecto de la tensión de precarga. En condiciones normales el par de autoaflojamiento se ve compensado por el par resistente aportado por el rozamiento en cabeza y el rozamiento en la rosca. Como se ve, el rozamiento vuelve a jugar un papel fundamental para mantener la fuerza de precarga de las partes a unir. El par de desmontaje que se obtiene en la práctica suele ser del orden de un 15-20% inferior al par de montaje aplicado como consecuencia del efecto del par de autoaflojamiento. En el caso de uniones a altas temperaturas, no obstante, el par de desmontaje puede superar al de montaje debido al gripado del tornillo. La eficacia de las pastas antigripantes destinadas a evitar este efecto se
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
mide calentando uniones roscadas de elementos normalizados de acero dulce a 450 ºC y de acero inoxidable a 750ºC apretadas a 80 Nm, y midiendo el par de desmontaje que suele situarse entre 90 y 100 Nm dependiendo de la pasta empleada. Algunas de estas pastas suelen mantener su eficacia hasta temperaturas que rondan los 1100ºC.
7.1.1.4 Autoaflojamiento Al hablar del par de desmontaje ya hemos mencionado el efecto del par de autoaflojamiento. La pregunta que en seguida se plantea es la siguiente: en una situación de equilibrio, ¿qué sucede si por alguna razón desaparece el rozamiento en la rosca y en cabeza?. La respuesta es muy simple, la unión atornillada se autoafloja perdiendo fuerza de precarga. El autoaflojamiento es uno de los principales problemas que se plantean en las uniones atornilladas sometidas a cargas dinámicas. A lo largo de los años se han buscado numerosas soluciones para intentar resolver este problema con una efectividad relativa. Arandelas elásticas, tuercas autoblocantes, contratuercas, anillos de Nylon. todos estos métodos buscan incrementar de una forma u otra la superficie existente para aumentar la fuerza de rozamiento, pero ninguno de ellos ataca el problema allí donde se produce: en la zona de contacto entre las roscas de tuerca y tornillo. Las fuerzas dinámicas anulan las fuerzas de rozamiento en la rosca al liberar parte o toda la fuerza de precarga existente. De esta forma, la fuerza normal al plano inclinado disminuye su valor y las fuerzas de rozamiento en la rosca y en cabeza se reducen también en la misma medida.
Fig.7.4: Máquina de vibración por impacto lateral, para ensayos acelerados de aflojamiento de uniones roscadas.
Fig.7.5: Resultados de ensayos acelerados de vibración para diferentes zonas roscadas. Se puede observar la caída de par que experimentan muchas de las soluciones habitualmente empleadas para evitar el autoaflojamiento de estos elementos.
El uso de fijadores adhesivos anaeróbicos permite solucionar de forma efectiva el problema del autoaflojamiento. Los adhesivos anaeróbicos son productos que necesitan ausencia de oxígeno y la presencia de iones metálicos para polimerizar formando un plástico duro. Ambas condiciones se cumplen en las uniones roscadas más comunes. Una vez montado el tornillo, el adhesivo polimeriza solidificando y rellenando toda la holgura existente entre las roscas de tuerca y tornillo. El adhesivo solidificado favorece el comportamiento frente al autoaflojamiento ya que:
Fig.7.6: Funcionamiento del producto anaeróbico en una unión atornillada.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
.Elimina la posibilidad de movimiento relativo en dirección axial entre la tuerca y el tornillo al rellenar la holgura existente entre ambos. .Rellena las irregularidades superficiales existentes en la zona de contacto y aumenta el rozamiento al producirse su enclavamiento en las mismas. .Aumenta el coeficiente de rozamiento existente al sumar, al propio de la unión debido al contacto entre los flancos, la fuerza necesaria para la ruptura del adhesivo.
sivo de baja resistencia el par de desmontaje es de 35 Nm, y para un adhesivo de alta resistencia de 45 Nm.
Fig.7.7: Efecto de la resistencia del fijador sobre el par de desmontaje.
Además de las ventajas evidentes que presenta el uso de fijadores anaeróbicos para evitar el autoaflojamiento de los tornillos, estos productos presentan ventajas adicionales que, en algunos casos, pueden llegar a ser determinantes. Entre otras se pueden destacar: .Par de desmontaje controlado en función del grado de resistencia del producto usado. .Sellado de la unión roscada. .Protección contra la corrosión de la unión atornillada. .Reducción de costes frente a los métodos tradicionales para evitar el autoaflojamiento. .Factor de lubricación K similar al de los productos lubricantes usuales en los montajes atornillados y con la misma variabilidad.
7.1.1.5 Control del par de desmontaje con productos anaeróbicos Existen distintos grados comerciales de productos anaeróbicos para la fijación y sellado de roscas. Dichos grados se clasifican en función de la resistencia que presentan y así existen fijadores de baja, media y alta resistencia. Es importante resaltar que todos ellos tienen la misma capacidad para evitar el autoaflojamiento del montaje. La diferencia entre los distintos grados reside en el par de desmontaje necesario.
Por tanto el uso de fijadores anaeróbicos permite controlar la cuantía del par de desmontaje en función de las necesidades del montaje.
7.1.1.6 Atornillado de bridas con juntas Una de las aplicaciones más representativas de las uniones roscadas es el atornillado de bridas con juntas. El diseño de juntas merece de por sí un tratamiento especial. No obstante, uno de los puntos más importantes que se deben tener en cuenta es el número, disposición y tipo de tornillo usado para sujetar la brida y los esfuerzos a los que esos tornillos están sometidos. Al apretar el tornillo de una brida con una fuerza de precarga F v el tornillo sufre una elongación
Representando el par de montaje aplicado frente al par de desmontaje necesario para los distintos grados de fijadores aplicados sobre tornillos similares tal y como se hace en la siguiente figura, se aprecia claramente la diferencia. Para un par de montaje dado (por ejemplo 20 Nm) el par de desmontaje es de aproximadamente el 80% (16 Nm) sin adhesivo, aplicando un adhe-
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Fig.7.8: Esfuerzos sobre el tornillo en una brida.
TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
que, según la ley de Hooke, es proporcional a la tensión a la que se ve sometido. Análogamente, la brida sufre una deformación proporcional a la fuerza de compresión ejercida. Llamando ds al alargamiento del tornillo y df al acortamiento de la brida podemos representar el equilibrio alcanzado en el mismo diagrama de fuerza-deformación.
Fig.7.9: Sobretensión debida a un esfuerzo externo Fb.
tornillo (F) depende de la rigidez tanto del tornillo como de la brida. Por tanto, cuanto menor sea la rigidez de la brida menor será dicho aumento de fuerza. Como se puede apreciar en la siguiente figura, cuanto menos se deforme la brida (mayor sea su rigidez) menor será la sobretensión aplicada en el tornillo debido a un esfuerzo exterior. Esta es el motivo por el cual el uso de productos anaeróbicos como formadores de juntas es más favorable que el empleo de juntas sólidas de papel o corcho. Estos productos generan bridas rígidas al producirse un contacto metal-metal, y eliminar la interposición de un elemento poco rígido como puede ser el corcho.
Si, por efecto de un agente externo bien estático, bien dinámico se produce una carga externa en la unión de valor Fb, el tornillo se verá sobretensionado y aumentará su deformación en Dd respecto a ds, mientras que la deformación en la brida disminuirá en la misma cantidad. El tornillo se verá tensionado con una fuerza Fmáx y la compresión de la brida disminuirá hasta un valor Ff tal y como se puede ver en la figura anterior.
Fig.7.10: Efecto de juntas de baja rigidez sobre la fuerza máxima que sufre el tornillo.
Por semejanza de triángulos se deduce que la relación entre fuerzas es la siguiente. Considerando también la pérdida de fuerza de tensado previo debido al asentamiento de los flancos de tuerca y tornillo que provoca una disminución en el alargamiento del tornillo (DFv), como se ve en la figura anterior, la fuerza de tensado previo que hay que aplicar al tornillo para garantizar una fuerza mínima en la brida Ff será:
F df 1 1 = Ck= = = Fb df + d s 1 ds 1 C f Cs df Donde: F = Fmáx - F v
Fvo = Ff + Fb·(1-Ck) + DFv,
As . Es Ls Af . Ef Cf: Rigidez de la brida. Cf = Lf Cs: Rigidez del tornillo. Cs=
En donde: C k=
El aumento de esfuerzo a que se ve sometido el
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df 1 1 = = df + ds 1 ds 1 C f Cs df
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
con:
roscas cónicas pero con el cono truncado. 4.Roscas rectas según normas europeas y americanas - métricas o SAE.
As . E s Ls Af . Ef Cf: Rigidez de la brida. Cf= Lf Cs: Rigidez del tornillo. Cs=
Fig.7.12: Tipos de roscas existentes en el mercado.
Fig.7.11: Efecto del asentamiento entre los flancos de tuerca y tornillo.
La expresión anterior permite calcular la fuerza de precarga a la que se debe tensionar el tornillo para que, en presencia de una fuerza exterior Fb, la fuerza de compresión en la brida se mantenga, como mínimo, en un valor F f .
7.1.1.8 Sistemas de sellado de roscas 7.1.1.7 Sellado de roscas Los selladores de roscas evitan las fugas de gases y líquidos en las uniones de tuberías. Todas estas uniones se consideran «dinámicas» debido a las vibraciones y a los cambios de presión o temperatura. En el mercado se encuentran diferentes tipos de roscas: 1.Rosca cónica de tubería estándar americana, a veces denominada NPT (National Pipe Thread) o rosca cónica. 2.Tipo europeo, hembra paralela y macho cónico. 3.Estándar americana de sellado en seco. Este tipo tiene la misma forma general que las
Existen varios sistemas para el sellado de roscas: Las lacas selladoras sin curado para tuberías es uno de los métodos más antiguos de sellar las vías de fuga en espiral de las uniones roscadas. Son pastas compuestas de aceites y cargas de relleno. Lubrican las uniones y obturan las roscas sin aportar fijación. Sin embargo, pueden fluir bajo presión, tienen una baja resistencia a los disolventes y no funcionan en roscas paralelas. Las lacas selladoras para tuberías con base disolvente son también un método antiguo de sellar las uniones roscadas. Aportan lubricación y obturan las holguras, aunque fluyen con menos facilidad. Pero se contraen durante el curado al
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
evaporarse los disolventes. Para minimizar los huecos, es necesario volver a apretar las uniones. Fijan por fricción. Las cintas de PTFE (politetrafluoetileno), de las cuáles la más conocida es la cinta Teflon®, dan un buen sellado inicial y resisten los ataques químicos. El PTFE es el único sellador orgánico permitido para el oxígeno gaseoso. Actúa como lubricante y resiste los disolventes, pero lubrica también en la dirección de desmontaje, permitiendo que las uniones se aflojen. Las cargas dinámicas pueden acelerar la deformación permanente, provocando fugas con el tiempo. El efecto lubricante puede dar como resultado un apriete excesivo, añadiendo tensión o causando una rotura. Las cintas de PTFE suelen evitarse en los sistemas hidráulicos debido a su desmenuzamiento, que puede obstruir orificios y provocar graves problemas de mantenimiento. El metal elástico, aunque no es, en realidad, un «sellador», los diseñadores suelen especificar uniones de sellado en seco que teóricamente no requieren un sellador. El diseño es efectivo en uniones mecanizadas cuidadosamente. Sin embargo, hay que destacar los altos costes de mecanización y tolerancias difíciles de mantener. Los selladores anaeróbicos curan convirtiéndose en un polímero tenaz e insoluble, que rellena las roscas y evita las fugas independientemente de la presión o del par aplicado. Lubrican durante el montaje, sellan independientemente del par de montaje hasta el valor límite de rotura de la tubería y proporcionan un par de desmontaje controlado, incluso años después. Por su carácter anaeróbico, no curan fuera de la unión, siendo fáciles de limpiar. No obstante, es necesario saber que no sirven para sellar oxígeno y agentes fuertemente oxidantes, no sirven para sellar a temperaturas
Fig.7.13: Los selladores anaeróbicos sellan independientemente del par de apriete.
superiores a 200°C y no está recomendado su uso en tuberías de diámetro superior a M80 (R3”). Un novísimo desarrollo es el hilo de sellado. Este material consiste en hebras de poliamida impregnadas con una silicona hidrófuga. Una vez aplicado sobre las rosca permite el sellado por compresión frente a fluidos como el agua fría y caliente o los gases. Debido a su constitución, permite un considerable reposicionamiento de las piezas roscadas. Por su rendimiento y facilidad de aplicación se piensa que va a revolucionar el mercado de los selladores de roscas.
7.1.1.9 Factores a considerar para el sellado de roscas Los muchos factores que afectan a las uniones de tuberías durante su vida útil deben conocerse y comprenderse durante la fase de diseño, en el momento de escoger los selladores. Esta elección debe basarse en criterios de fiabilidad y calidad a largo plazo. Ya no es aceptable que el equipo tenga fugas de aceite o de cualquier otra sustancia. Las tuberías deben permanecer sin fugas bajo las vibraciones más severas, los ataques químicos, el calor o los aumentos bruscos de presión. Hasta en las uniones roscadas de tuberías correctamente mecanizadas y montadas existen vías de fuga. También existen éstas en las irregularidades superficiales de los flancos de la rosca. Esto requiere que el sellador presente una mojabilidad suficiente para copiar perfectamente las superficies de la rosca. El tamaño es otro factor a tener en cuenta: un sellador diseñado para uniones de 8 mm de diámetro puede no funcionar con uniones de 80 mm. Muchos materiales de sellado no llenan completamente el espacio interior de las roscas. Sólo sellan porque el pretensado es tan alto en los flancos de la rosca que los materiales se comprimen cubriendo las irregularidades superficiales. Funcionan cuando se mantienen de manera constante bajo una alta compresión. Sin embargo, en aplicaciones dinámicas suele ser imposible conseguir o mantener el pretensado necesario. Existen tres razones para ello: .Con frecuencia, las uniones de las tuberías se aflojan para conseguir alineamientos espe-
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
ciales para curvaturas, codos o elementos de medida, renunciando al pretensado correcto. .La vibración puede provocar que los flancos de la rosca se desgasten hasta el punto de aflojarse. Las conexiones flexibles, tales como los manguitos hidráulicos, son especialmente vulnerables. .El movimiento relativo puede forzar la expulsión de las cintas selladoras. Los selladores anaeróbicos llenan completamente los huecos para crear un sellado. La elección del sellador correcto aporta la resistencia suficiente para eliminar el movimiento relativo de la unión y evitar así la causa de la mayoría de las fugas. Los selladores de roscas anaeróbicos son rápidos, limpios y fáciles de aplicar directamente desde los envases o los dosificadores. Al montar conexiones paralelas o cónicas, el sellador debe aplicarse a ambos componentes, macho y hembra. Los productos anaeróbicos llenan completamente las roscas, con lo que el pretensado de las uniones resulta menos crítico. Los selladores anaeróbicos también facilitan el desmontaje en futuras operaciones de mantenimiento, ya que las uniones de tuberías no se corroen ni se agarrotan. Las roscas rellenas de adhesivo anaeróbico evitan la entrada de humedad o de productos químicos corrosivos.
Uno de los métodos más básicos para sujeción de poleas y ruedas a los ejes, es el uso de tornillos de fijación. Este método confía en un efecto de apriete muy localizado, y en consecuencia está limitado a cargas relativamente ligeras y tiende a aflojarse bajo vibraciones. Los pasadores de seguridad pueden proporcionar capacidades de carga más altas pero necesitan una alineación precisa de las piezas. Los resortes circulares proporcionan únicamente resistencia a la sujeción axial. Todos estos métodos crean concentraciones de tensión alta localizadas en la junta, y requieren de una mecanización extra e inventario de piezas. Ofrecen la ventaja de un desmontaje fácil. Los pasadores de seguridad se pueden utilizar también para proporcionar protección a los operarios de equipos, ya que fallan a un determinado grado de tensión. En la retención de poleas y engranajes se pueden utilizar tanto las chavetas de media luna como las cónicas, donde deben transmitirse pares más considerables. La desventaja estriba en la necesidad de una mecanización de gran precisión y costosa de las chavetas y chaveteros. Los ejes que se extralimitan de tamaño requieren normalmente grandes concentraciones de tensión alrededor del chavetero. Pueden darse también el aflojamiento y el desgaste por movimientos relativos.
Fig.7.14: Esquema de una chaveta y chavetero.
7.1.2 Retención de montajes cilíndricos
7.1.2.1 Generalidades El término “retención” se utiliza para describir cualquier situación donde deban mantenerse juntos componentes de montaje cilíndrico coaxiales. Los métodos tradicionales de retención mecánica son: .Tornillos de fijación .Pasadores de seguridad .Resortes circulares .Chavetas y chaveteros .Estriados .Montajes por interferencia .Soldadura
Los estriados normalmente se recomiendan cuando han de transmitirse cargas torsionales muy altas. Tienen así mismo muchos de los inconvenientes de los chaveteros, aunque son considerablemente más caros de mecanizar.
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
dad de agarrotamiento ó dañado de superficies durante el montaje. .Montaje cónico: las piezas cónicas se utilizan en lugar de piezas de lados paralelos. La presión de contacto se puede controlar por la distancia a la que las piezas se presionan para juntarlas durante el montaje. Se pueden alcanzar altas presiones de contacto, sin necesidad de mantener tolerancias estrechas en las piezas cilíndricas.
Fig.7.15: Esquema de un eje estriado.
Los montajes por interferencia pueden transmitir cargas relativamente altas, tanto axiales como torsionales, por medio de fuerzas de fricción que se crean cuando existe alta presión por contacto entre las superficies coincidentes. Esta presión de contacto se crea por la existencia de una interferencia mecánica entre las piezas coincidentes, ej. el diámetro externo de la pieza macho es ligeramente más grande que el diámetro interno de la pieza hembra. Cuanto más alta sea la presión de contacto, más alta será la resistencia de la junta. Existen diferentes categorías de montajes por interferencia: .Montaje a presión: las piezas se fuerzan para juntarse a temperatura ambiente. .Montaje por contracción en caliente: bien por enfriamiento del componente macho o por calentamiento del componente hembra justo antes del montaje, de tal forma que la interferencia durante el montaje se reduzca ó elimine. Esta técnica se utiliza con piezas de gran interferencia para reducir ó eliminar la fuerza de montaje ó, para reducir la posibili-
Fig.7.16: Montajes por interferencia.
Los anillos dilatadores crean una alta presión de contacto cuando se introducen los manguitos cónicos juntos entre el pasador y el anillo. Mientras que por un lado esta técnica requiere más piezas y un mecanizado preciso, por otro tiene la ventaja de ser relativamente fácil de desmontar.
Fig.7.17: Ejemplo de un anillo dilatador.
En cuanto a la soldadura, puede oscilar desde un simple punto de soldadura hasta una soldadura compleja por láser o un haz de electrones, dependiendo del tipo de junta. El límite para el éxito se encuentra en la dificultad de asegurar un buen control de calidad en la soldadura y las grandes tensiones mecánicas y térmicas que se crean.
7.1.2.2 Inconvenientes de los sistemas tradicionales para la retención de piezas cilíndricas Tanto los tornillos de fijación y pasadores de
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
seguridad, como los resortes circulares, chavetas y chaveteros, y ejes estriados, pueden ser relativamente caros de producir debido a los costes extras de mecanizado y/o componentes adicionales. A menudo, son necesarios procesos de endurecimiento para minimizar el desgaste y prolongar la vida. Todos estos son, esencialmente, sistemas no sellados, de aquí que tiendan a ser atacados desde el entorno de trabajo. Los componentes deben ser sobredimensionados para incorporar estos métodos de retención mecánica. Las grandes cargas axiales y los pares, se transmiten eficazmente en determinados puntos y no se distribuyen uniformemente alrededor de toda la junta, dando como resultado, muy altas concentraciones de tensión en algunos casos, lo que puede conducir a problemas de fatiga y un fallo precoz en muchos casos. En los montajes por Interferencia la resistencia es una función de fricción y presión de contacto. La fricción es, de alguna manera, un parámetro no fiable y es difícil de predecir con precisión. Similarmente, la presión de contacto variará con la rugosidad superficial y la topología, el nivel de interferencia, tolerancias dimensionales, variaciones en la redondez y recorrido, etc. Con ánimo de controlar estos problemas, los diseñadores deben afinar las tolerancias de mecanizado y tener en cuenta un acabado superficial con menos irregularidades; ambas cuestiones aumentan drásticamente el coste de producción. Otra limitación estriba en que cuando se especifican altos valores de interferencia para poder soportar altas cargas, existe un peligro que consiste en que las altas tensiones circunferenciales generadas, pueden ocasionar daños ó fallos en los componentes. Así mismo, la corrosión por fricción, ocasionada por micromovimientos entre las superficies de contacto en presencia de oxígeno atmosférico, ha sido identificada como una de las principales fuentes de problemas de durabilidad con tales montajes por interferencia.
mica sintetizada que se aplica como un líquido dentro de una junta cilíndrica. El adhesivo líquido, en ese momento, sufre una reacción química, transformándose en un plástico termoestable con buena adhesión a los sustratos metálicos adyacentes. El tipo de adhesivo más apropiado y satisfactorio que se utiliza en las juntas cilíndricas, es el anaeróbico. Para que se produzca la reacción química que transforma el estado de un adhesivo anaeróbico de líquido a sólido, se necesita ausencia de oxígeno y presencia de una superficie metálica activa.
Fig.7.18: Detalle del efecto de bloqueo que ejerce un adhesivo anaeróbico.
Las razones por las que debe elegirse un adhesivo retenedor anaeróbico dependen de cada aplicación en concreto. Alguna de las ventajas más comunes son: .Diseño de junta más sencillo. .Tolerancias más amplias en la fabricación / costes de fabricación más bajos. .Fácil montaje. .Alta resistencia. .Ahorro de costes. .Junta sellada, menos corrosión medioambiental.
Por último, la soldadura está limitada a materiales similares ó compatibles. El calor que se genera en el proceso de soldadura puede provocar distorsión ó tensiones en las piezas.
7.1.2.3 Los adhesivos para la retención de elementos cilíndricos Un adhesivo retenedor es una formulación quí-
Una de las razones por las que los adhesivos anaeróbicos pueden resultar muy eficaces en situaciones con juntas cilíndricas consiste, en que
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la configuración de la junta sea la ideal para dichos adhesivos. Su viscosidad de baja a media, asegura el rellenado fácil y completo de la junta. La junta fina típica en las adhesiones, y la superficie metálica producen el curado rápido del adhesivo convirtiéndolo en un plástico de alta resistencia a la cortadura con una adhesión excelente a las superficies metálicas.
Los adhesivos retenedores funcionan mejor en sustratos metálicos. Se pueden utilizar para unir plásticos y materiales de cerámica, pero su comportamiento estará limitado.
7.1.2.4 Tipos de retenciones con adhesivos
Las altas resistencias que se consiguen se deben, no sólo a la adhesión de la superficie del sustrato, sino también porque el adhesivo curado, actuará en el interior de las irregularidades producidas por la rugosidad superficial, como si fueran pequeñas cuñas en miniatura (ver gráfico). Por lo tanto, es correcto decir que la unión con el adhesivo en dicha forma, no es simplemente un método “químico”, sino también un sistema “mecánico”.
Existen tres tipos básicos de retenciones: 1.Montaje por deslizamiento: Existe un espacio entre los componentes macho y hembra. Las piezas se ensamblan sin fuerza y el adhesivo rellena la holgura entre las piezas aportando toda la resistencia a la unión. 2.Montaje a presión: Las piezas se ensamblan utilizando la fuerza como en un montaje por interferencia. El adhesivo se aplica antes del montaje y, en condiciones ideales, rellena los espacios debidos por la rugosidad superficial de las piezas. La resistencia final de la junta, después que el adhesivo ha curado, parte de una combinación de resistencia mecánica de la unión basada en la fricción y presión de contacto, y la resistencia a cortadura y el efecto de cuña/sujeción del adhesivo. 3.Montaje por contracción en caliente: Las piezas se fabrican como un montaje por interferencia. Antes del ensamblado, se calienta el componente hembra, esto ocasiona suficiente dilatación y permite ensamblar las piezas como un montaje con holgura. El adhesivo se aplica al componente macho únicamente, y se ensamblan las piezas. A medida que el componente hembra se enfría, se va contrayendo alrededor del adhesivo formando una unión de montaje por interferencia.
En las juntas cilíndricas típicas, la carga principal en la junta es la cortadura, con tracción directa insignificante. Los adhesivos anaeróbicos proporcionan, en estos casos, muy buen comportamiento. Aparte de proporcionar una buena resistencia en la unión, el adhesivo rellena y sella completamente la junta, suprimiendo así la necesidad de sellados adicionales contra aceite/medioambiente. Así mismo, ayuda a distribuir la transmisión de esfuerzos más uniformemente sobre la junta. El diseño, producción y proceso de montaje de la junta, pueden ser frecuentemente, mucho más sencillos y fáciles en juntas adheridas que en los métodos mecánicos equivalentes. Las juntas adheridas son, normalmente, mucho más eficaces en cuanto a costos, que los métodos mecánicos equivalentes. Los adhesivos retenedores son materiales plásticos y no deben utilizarse a temperaturas elevadas. Cada grado, individualmente, tendrá sus propias limitaciones de temperatura, pero generalmente, deberán abordarse con precaución las temperaturas de funcionamiento continuas por encima de los 150º C.
7.1.2.5 Propiedades de los montajes por deslizamiento con adhesivo Las ventajas del montaje por deslizamiento son las que siguen:
Los adhesivos retenedores deberán utilizarse solamente cuando la holgura entre las piezas sea pequeña. En grandes holguras, la resistencia disminuirá, y el tiempo de curado del adhesivo aumentará.
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.El montaje por deslizamiento es el tipo de unión más sencillo, siendo ésta su principal ventaja. El adhesivo se aplica a una ó ambas superficies, las piezas se ensamblan y el adhesivo endurece formando una junta estructural. .En una junta correctamente ensamblada, el
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
adhesivo distribuye la carga sobre toda la superficie de la junta, reduciendo las concentraciones de tensión. .La junta queda sellada limitando la posibilidad de corrosión. .No se dañan las superficies del componente durante el montaje (normal en juntas por montaje a presión), de tal manera que es posible el posterior desmontaje y reutilización. .Es posible la alineación y ajuste de la junta antes que el adhesivo endurezca. .Al contrario que la mayoría de los otros métodos de unión cilíndrica, no son necesarias generalmente, las tolerancias en fabricación estrictamente controladas ó la rugosidad superficial, para la unión de montajes por deslizamiento.
minutos. .La viscosidad del adhesivo proporcionará cierto grado de alineación en la junta, pero en los casos en que la alineación sea un aspecto crítico, se debe emplear una plantilla de fijación mientras endurece el adhesivo.
Fig.7.20: Ejemplo de montaje por deslizamiento.
Conviene considerar los siguientes parámetros:
Fig.7.19: Esquema de un montaje por deslizamiento.
Los montajes por deslizamiento presentan las siguientes limitaciones: .Deben utilizarse únicamente en juntas no críticas con cargas ligeras. Las resistencias estáticas pueden ser altas, particularmente en modo cortadura, pero, la resistencia cíclica a compresión/tensión ó cargas de flexión está limitada. .Tras el ajuste/alineación inicial, no se deben mover las piezas mientras esté endureciendo el adhesivo. Con adhesivos de curado rápido ó utilizando un activador, se puede alcanzar resistencia a manipulación en menos de 5
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.El área de unión debe maximizarse aumentando la longitud y/o diámetro de la junta. .La holgura ó espacio entre las piezas debe mantenerse a un mínimo. Todos los adhesivos retenedores tendrán un buen comportamiento en holguras de 0,1mm de diámetro. Los productos de alta viscosidad deberán seleccionarse, generalmente, para las grandes holguras. .No se deben mover las piezas hasta que el adhesivo haya desarrollado resistencia a la manipulación. La junta no debe ponerse en funcionamiento hasta que el adhesivo no haya curado por completo, y desarrollado resistencia total. Este proceso, llevará normalmente de 12 a 14 horas, dependiendo del tipo de adhesivo. .En piezas más grandes, o en piezas donde el ajuste y la alineación necesiten llevarse a cabo después del montaje, puede utilizarse un adhesivo de curado más lento para dar más tiempo en la manipulación.
TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
7.1.2.6 Propiedades de los montajes a presión con adhesivo Las mejoras que introduce el uso de adhesivos combinado con el montaje a presión son las que siguen: .La incorporación de un adhesivo anaeróbico en el montaje a presión ya existente, puede aportar un aumento considerable de la resistencia. Alternativamente, el uso de un adhesivo con un nivel de interferencia inferior, puede proporcionar resistencias comparables ó superiores a las de la junta por interferencia original, así como las ventajas asociadas que conlleva como serían una más baja tensión circunferencial y radial.
Fig.7.21: Ejemplos de engranaje fisurado por sobretensión.
más fuertes porque la resistencia total de la unión sería una combinación de la unión de la junta y de la junta de montaje por interferencia. Este no es el caso, porque la resistencia de unión de la junta en teoría se ve reducida por el hecho de que algunos adhesivos siempre curan produciéndose entonces la eliminación del adhesivo por un efecto de raspado, durante el ensamblaje de la junta.
Fig.7.22: Comparación entre juntas de montaje a presión adheridas y sin adherir.
.Normalmente, la unión de juntas por montaje a presión proporciona resistencias estáticas similares ó incluso inferiores a los montajes de unión con holgura con las mismas dimensiones de junta. Se podría esperar que la unión de montajes a presión fuesen siempre
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.La unión de montajes a presión, generalmente, tienen con diferencia, un comportamiento superior a la fatiga y resistencia a las cargas dinámicas que la unión de juntas de montaje por deslizamiento. Los adhesivos anaeróbicos funcionan mejor al cargarse en modo cortadura; la junta de montaje por interferencia asegura que eso sea así. Las tensiones alternas tensión/compresión, ó fuerzas de flexión, que podrían ocasionar el fallo rápido en la unión de un montaje por deslizamiento, se resisten por medio del contacto metal a metal en una unión de montaje a presión. .Generalmente, en los casos de montajes a presión sin adhesión, se utilizan velocidades lentas durante el ensamblaje, a fin de evitar el riesgo de soldadura por frotamiento y distorsión. En la unión de montajes a presión, el adhesivo proporciona una capa protectora entre las dos superficies, minimizando el riesgo de daños. Por lo tanto, con estos adhesivos se pueden utilizar mayores velocidades durante el ensamblaje.
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Fig.7.24: Comparación entre las fuerzas de montaje y desmontaje de juntas de montaje a presión.
Fig.7.23: Esquema de un montaje a presión con adhesivo.
Los inconvenientes que tiene esta técnica son las siguientes: .Durante el ensamblaje de un montaje a presión se pueden alcanzar, localmente, temperaturas muy elevadas a consecuencia de la fricción entre las superficies de rozamiento. Esta temperatura puede ocasionar el endurecimiento, aumentando así las fuerzas de ensamblado, rompiendo al mismo tiempo la unión formada parcialmente, y en consecuencia, comprometiendo la resistencia final de la unión. En el siguiente gráfico se puede observar que existe únicamente una pequeña diferencia entre las fuerzas de montaje y desmontaje en el caso de la unión de juntas, lo que sugiere, que la mayor parte del adhesivo ha curado durante el montaje. Este efecto se puede minimizar utilizando velocidades de montaje relativamente rápidas, (ej. 100mm/minuto). Sin tener en cuenta este efecto, el uso de un anaeróbico en un montaje a presión, puede mejorar considerablemente la resistencia, probablemente esto sea debido más a un efecto de enclavamiento, que al de una pura adhesión. .En montajes a presión, en algunas ocasiones puede representar un problema el asegurar un buena cobertura del área de unión, ya que el adhesivo puede eliminarse por un efecto de raspado durante el montaje. Se puede obtener una cobertura y humectación óptima del adhesivo en la superficie, si las piezas coincidentes tienen la entrada en bisel.
Por las razones anteriormente mencionadas, el curado del adhesivo durante el montaje puede conducir a unas fuerzas de ensamblado sustancialmente superiores comparándolo con una junta no adherida y la misma interferencia. Esto debe ser considerado a la hora de seleccionar la prensa de montaje. Deben considerarse los siguientes parámetros para realizar montajes a presión adheridos: .Normalmente, cuando se utiliza la unión de montajes a presión se trata de producir un diseño que minimice la fuerza de montaje y maximice la fuerza de resistencia de la unión en el desmontaje. .Al igual que con todas las uniones de juntas, para conseguir una gran resistencia, es necesaria la limpieza de las superficies. Algunos adhesivos tolera pequeñas cantidades de aceite en la superficie pero, generalmente, cuanto más limpias estén las superficies, más alta será la resistencia. .Deberá maximizarse el área de unión aumentando el diámetro y/o la longitud de la junta. .Si se aumenta el nivel de interferencia de la junta, se aumentará la resistencia de unión en la misma. Tal como se ha indicado anteriormente, las fuerzas de montaje pueden ser considerables en la unión de montajes a presión, debido al curado del adhesivo durante el montaje. Es deseable tener fuerzas de montaje bajas, de tal manera que se
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puedan utilizar presiones con potencia más pequeña y más baja. Tres procedimientos se han utilizado para reducir las fuerzas de montaje: 1)Utilizar adhesivos de curado lento, los cuales presumiblemente, no curarán por calor durante el proceso de montaje. En la práctica, a temperaturas elevadas, localizadas y generadas durante el montaje, hay poca diferenciación entre los productos de curado lento y rápido. Por lo tanto, a menos que las presiones de contacto sean muy bajas (interferencia baja ó piezas de pared fina), ej. < 15MPa, rara vez existe ventaja con el uso de un adhesivo de curado lento en la unión de montajes a presión. 2)Utilizar un adhesivo lubricante. Los adhesivos anaeróbicos se utilizan, normalmente, en componentes roscados como selladores de roscas, evitando así el aflojamiento por vibración. Algunos de estos adhesivos selladores de roscas están formulados para lubricar, así, los pernos pueden apretarse utilizando pares relativamente bajos. Estos adhesivos lubricantes han sido utilizados en montajes a presión, en un intento de reducir la fuerza de ensamblado. Al igual que con los adhesivos de curado lento, el éxito se ve limitado a juntas a presión con poco contacto. El adhesivo lubrica únicamente en estado líquido. Una vez que la presión de contacto es suficientemente alta como para generar calor y por lo tanto, el curado del adhesivo, se pierde la función lubricante.
3)Utilizar una velocidad de montaje rápida. Aquí la teoría es que a más alta velocidad de montaje, existe menos tiempo para la transferencia de calor, por lo que, el adhesivo presumiblemente, no cura. Los ensayos han confirmado una reducción en la fuerza de montaje cuando la velocidad es más alta >1000mm/min) - (ver el siguiente gráfico). La difusión de la gota depende, de alguna manera, del producto. No obstante, puede haber así mismo una reducción simultánea de la resistencia final de la unión, que probablemente sea debida a la reducción de calor durante el curado del adhesivo. Se pueden obtener los mejores resultados cuando se aplique el producto sobre toda la superficie de los componentes macho y hembra. La aplicación del producto a sólo uno de los componentes reduce la resistencia en un 10% normalmente, aunque la cifra exacta dependerá de la aplicación. En la unión de montajes a presión, las piezas se pueden mover inmediatamente después del montaje. Sin embargo, se sigue recomendando no poner a funcionar la junta hasta que el adhesivo haya curado completamente y desarrollado su resistencia total. Normalmente, esto sucede en el transcurso de 12 a 24 horas, dependiendo del tipo de adhesivo.
7.1.2.7 Propiedades de los montajes por contracción en caliente con adhesivo Las mejoras que introduce el uso de adhesivos combinado con el montaje por contracción en caliente son las que siguen:
Fig.7.25: Efecto de la velocidad de montaje sobre las fuerzas de montaje y desmontaje.
.En la unión de montajes por contracción en caliente, se consiguen unos resultado óptimos aplicando el adhesivo únicamente sobre la parte macho, ó pasador, mantenido a temperatura ambiente, y calentando la parte hembra, ó anillo, lo suficiente como para poder realizar un montaje libre sin presionar. Inmediatamente después del montaje la parte exterior caliente ayudará a crear un curado inicial muy rápido, y la contracción del anillo ejercitará una carga de compresión sobre el adhesivo curado. El efecto puro es la producción de un aumento de resistencia suficientemente distanciado de la resistencia nominal a
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
cortadura del adhesivo en un montaje por deslizamiento. .De entre las tres configuraciones de unión de juntas, la unión de montajes por contracción en caliente muestra generalmente, las resistencias estática y a fatiga más altas.
El enfriamiento del pasador como alternativa al calentamiento del anillo, no proporcionará necesariamente el mismo aumento de resistencia. No existe el curado por calor, y probablemente la humedad condensada quedaría atrapada entre la superficie de contacto del metal y el adhesivo, reduciendo la resistencia de la unión. Hay que considerar las siguientes limitaciones para este tipo de montajes: .Este proceso de montaje es más complejo que el de los otros diseños de unión de juntas. Un alto grado de control del proceso es vital para asegurar resistencias de gran uniformidad. .Se debe controlar, en particular y con especial precaución, la temperatura del componente calentado: si es demasiado baja no habrá suficiente dilatación en las piezas a ensamblar como en un montaje con holgura; si es demasiado alta, el adhesivo curará demasiado deprisa, creando un diafragma ó capa de adhesivo separando las dos piezas. .A menudo, son necesarias plantillas y accesorios de unión para evitar que las piezas queden atascadas durante el montaje. .Esta técnica no es adecuada para piezas de pequeño diámetro debido a la necesidad de altas temperaturas para obtener suficiente dilatación térmica (220º es una guía de la temperatura máxima de montaje).
Fig.7.26: Comparación de juntas de montaje por contracción adheridas y sin adherir.
.Al igual que en la unión de montajes a presión, el contacto metal-metal de la unión de montajes por interferencia asegura buena resistencia a la compresión/tensión dinámica de las fuerzas de flexión, proporcionando un buen comportamiento a fatiga bajo condiciones de carga complejas.
Los siguientes parámetros deben considerarse a la hora de tratar los montajes adheridos por contracción en caliente: .El área de unión deberá maximizarse aumentando bien el diámetro y/o la longitud de la junta. .El aumento del nivel de interferencia de la junta aumentará la resistencia de la unión, aunque algunos ensayos sugieren que la interferencia es menos crítica en la unión de juntas por contracción en caliente. .El funcionamiento del montaje por contracción en caliente debe conseguirse calentando el componente hembra. Si se enfría el componente macho se obtendrán peores resultados, ya que no existe el curado por calor del adhesivo y a menudo, habrá condensación (agua) en el componente macho, lo que podría reducir la resistencia. .Asegurarse que la temperatura diferencial es lo suficientemente alta como para crear la dila-
Fig.7.27: Esquema de un montaje por contracción en caliente.
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
tación diferencial necesaria, de tal manera que las piezas se puedan ensamblar con un montaje con holgura. Si las piezas se tocan durante el montaje, en ese caso será necesaria fuerza para completar el montaje y la resistencia se verá perjudicada. .Mientras por un lado la temperatura debe ser lo suficientemente alta como para proporcionar un fácil ensamblaje, si es demasiado alta, entonces se corre el riesgo de oscilaciones, con lo cual, el adhesivo cura demasiado deprisa y produce una fina capa que separa los componentes macho y hembra. Esto aumenta la interferencia de la junta y evita el contacto metal-metal. Las tensiones circunferenciales y radiales son más altas, y en las aplicaciones de unión de engranajes existe riesgo de desalineación y engrane irregular en los dientes del mismo. .El adhesivo debe aplicarse al componente a temperatura ambiente y alisarse ó distribuirse sobre todo el área de unión. Un cordón ó una gota de adhesivo no proporcionará una buena cobertura. La cantidad de adhesivo debe ser suficiente como para cubrir la superficie de unión. Deberá evitarse el exceso de adhesivo ya que ocasionaría oscilación, tal y como se ha descrito anteriormente. .En aplicaciones de montajes por contracción en caliente se pueden mover las piezas casi inmediatamente después del montaje, aunque deberá dejarse enfriar antes de aplicarles fuerzas importantes. En aplicaciones de montajes por contracción en caliente que se hayan dejado enfriar, podría ser necesario esperar algunos minutos antes de que la junta desarrolle resistencia a manipulación. El adhesivo curará más lentamente a baja temperatura. No obstante, se sigue recomendando no poner a funcionar la junta hasta que el adhesivo haya curado y desarrollado la resistencia total. Este proceso se produce normalmente en el transcurso de 12 a 14 horas, dependiendo del tipo de adhesivo.
7.1.2.8 Mejoras que introducen los montajes con interferencia adheridos sobre los montajes convencionales sin adhesivo Normalmente, los montajes por interferencia tienen sólo de un 20 a un 40% de área de contacto efectiva a niveles microscópicos, y esto se debe a
las irregularidades superficiales. En condiciones óptimas, un adhesivo rellena todos los espacios ocasionados por las irregularidades superficiales, endureciendo hasta formar una junta estructural fuerte sobre toda la superficie de unión.
Fig.7.28: Efecto de relleno de los adhesivos anaeróbicos:i) El máximo contacto que se logra en los montajes es del 20 -30% debido a la rugosidad. ii) Con adhesivo anaeróbico el contacto pasa a ser el 100% y los fenómenos de fatiga se minimizan.
La resistencia de la unión será la suma de la resistencia mecánica propia, debido al contacto metal-metal y la resistencia debida a la adhesión, resistencia a cortadura y el efecto de enclavamiento del adhesivo. La resistencia estática será considerablemente superior en una junta adherida que en una junta
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
sin adherir, con el mismo nivel de interferencia.
cia axial en dichas uniones, aunque generalmente, no mejora el par de resistencia estática. La ventaja principal estriba en que los adhesivos han demostrado eficacia en la reducción de contratensión, ruido y desgaste bajo cargas de par de resistencia reversible ó cíclicas.
Los micromovimientos y la corrosión por fricción se ven reducidos y se consigue una distribución de la tensión más uniforme sobre la superficie de unión , lo que conlleva una longevidad a la fatiga mejorada. El contacto metal-metal en la unión asegura la sujeción del adhesivo, en primer lugar a las fuerzas de cortadura, y por lo tanto, la tradicional desventaja de los adhesivos anaeróbicos, (baja resistencia a las tensiones alternas tensión / compresión) se ve superada.
Fig.7.29: Esquema de un montaje cónico con adhesivo.
Un adhesivo puede resaltar la resistencia de un montaje por interferencia ya existente, debido a la adhesión, la resistencia a cortadura y el efecto de enclavamiento del adhesivo. Esta es una solución muy efectiva en cuanto a costos, ya que se mejora el comportamiento de la unión sin realizar grandes variaciones de diseño. En un montaje por interferencia convencional, la resistencia es una función de la presión de contacto debido a la interferencia. El conseguir presiones de contacto altas y consistentes requiere de tolerancias superficiales y dimensionales ajustadas, asociadas con altos costos de fabricación. Así mismo, los altos niveles de interferencia crean tensiones circunferenciales y radiales en los componentes. La resistencia añadida que se obtiene con el uso de un adhesivo, quiere decir que se puede obtener la misma resistencia de unión utilizando niveles de interferencia inferiores, y/ó tolerancias de fabricación suavizadas.
7.1.2.9 Otros diseños de retenciones adheridas
Fig.7.30: Ejemplo de montaje de eje estriado con uso de adhesivo anaeróbico.
7.1.2.10 Cálculo de la resistencia de las retenciones
Existen otras posibilidades para retener elementos cilíndricos con adhesivos distintas de las vistas hasta ahora: .Montajes cónicos: los adhesivos anaeróbicos se pueden incorporar con éxito a las Juntas de Montajes Cónicos, con ventajas y limitaciones similares a las de la unión de Juntas por Montaje a Presión. .En combinación con ejes estriados o montajes con chaveteros: los adhesivos anaeróbicos se pueden utilizar en la unión de estriados ó chavetas. El adhesivo proporciona resisten-
Se ha desarrollado una técnica de cálculo empírica para estimar las resistencias de unión de las juntas cilíndricas. Este método se basa en la determinación de la resistencia a cortadura nominal de cada tipo de adhesivo retenedor anaeróbico, sobre una pieza de ensayo normalizada, pasador y anillo, (según la norma ISO 10123). Este valor se puede modificar, aplicando diversos factores de corrección para ajustarse a la geometría particular y a las condiciones operativas de la unión propuesta. Al valor modificado de resistencia a cortadura del adhesivo, se le puede añadir, una estima-
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ción de la contribución perteneciente a la interferencia mecánica, si ésta existiese. Multiplicando el área adecuada y el radio de la unión, se puede determinar una estimación de la capacidad de carga torsional y axial estática. En situaciones de carga dinámica, estas estimaciones se pueden modificar posteriormente utilizando factores correctores de fatiga.
se utiliza la junta para transmitir energía. Normalmente, la longitud de agarre es considerablemente más larga que el diámetro, y las zonas de unión son relativamente grandes. Entre los ejemplos se incluyen; camisa del cilindro del motor; grupo de unidades laminadas del rotor en el eje del motor eléctrico, tubos envolventes del puente trasero, montajes de rodamientos, etc.
Las fórmulas para las resistencias estáticas a torsión y axial son: F = pDL [tadh fc + Pm ] T=
pD 2 L [t adh fc + Pm ] 2
donde: F = Resistencia axial de la unión T = Resistencia a torsión de la unión D = Diámetro nominal de la unión L = Longitud de la unión t adh= Resistencia a cortadura del adhesivo medida en pasadores y anillos según la norma ISO 10123 fc = Producto de todos los factores de corrección empíricos P = Presión de contacto debido a la interferencia, donde sea relevante m = Coeficiente de fricción entre los sustratos metálicos Los factores de corrección empíricos proceden de: materiales, tipo de montaje, holgura de unión, geometría de la unión, temperatura operativa, envejecimiento a temperatura, envejecimiento medioambiental, comportamiento a fatiga, etc.
Fig.7.31: Ejemplo de montaje de manguito.
.Montaje de rodamientos: se refiere a la sujeción de rodamientos y cojinetes sobre ejes ó en alojamientos. La función de la junta es principalmente posicionamiento, pero puede resistir también cargas axiales, y posiblemente cargas de compresión pesadas. Normalmente, la longitud de la junta es considerablemente inferior al diámetro.
7.1.2.11 Aplicaciones típicas de retención de elementos cilíndricos Existen tres categorías básicas en aplicaciones de retención: .Montaje de manguitos: se refiere a situaciones típicas donde un anillo ó manguito se acoplan sobre un eje ó sobre un alojamiento. Con frecuencia, la unión solamente debe asegurar el montaje en posición, con muy poca carga. Cuando existe carga en la junta, es principalmente axial y estática, aunque se den posibles cargas dinámicas torsionales si
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Fig.7.32: Ejemplo de montaje de rodamiento.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
.Montaje de Engranajes: se refiere a la sujeción de engranajes, ruedas dentadas y poleas sobre ejes. Siempre estará presente una considerable carga de torsión, y la carga será dinámica. La longitud de la junta será, normalmente, de un 25-50% del diámetro exterior del engranaje.
de la unión se verá mejorada si el adhesivo se extiende sobre toda la superficie de unión, mejor que en forma de cordón. Si el adhesivo se aplica a ambas superficies, los resultados son normalmente mejores. La resistencia de los montajes a presión mejora con el uso de adhesivos, pudiéndose usar niveles de interferencia más bajos, proporcionando reducción en las fuerzas de montaje y menores tensiones en las piezas. (Si se cambia el nivel de interferencia, se deben considerar los efectos de determinados tipos de rodamientos con espacio de juego radial). Los montajes de engranajes deben diseñarse siempre a presión o por contracción en caliente. Los montajes por contracción en caliente proporcionará la más alta resistencia. Las posibles ventajas de los diseños de unión de montajes por interferencia, comparados con otros tipos de unión, son:
Fig.7.33: Ejemplo de montaje de engranajes.
.Distribución más uniforme de la tensión. .Tensiones inferiores en los componentes. .Menos ruido y desgaste. .Diseño de la junta más sencillo. .Mayor resistencia a la fatiga.
Cuando se montan manguitos, las zonas de unión son, normalmente, relativamente altas, de tal manera que para lograr los requisitos de baja resistencia en la unión, son suficientes montajes sencillos por deslizamiento. Asegurarse que existe suficiente recubrimiento de adhesivo sobre toda la longitud de la junta. En algunas ocasiones, puede ser necesario el uso de un tipo de adhesivo de curado lento, como en los casos de grandes longitudes de agarre. Si fuese necesario el desmontaje para mantenimiento ó reparación, deberá considerarse un tipo de adhesivo de baja resistencia. El montaje de rodamientos puede realizarse por deslizamiento cuando se requiere baja resistencia, ó montajes a presión. Los montajes a presión se deben utilizar cuando el rodamiento esté soportando una fuerte rotación ó masas recíprocas. La alineación del eje se puede simplificar con frecuencia utilizando una unión adhesiva. El adhesivo es mejor conductor de temperatura que el aire, de tal manera, que a menudo, la transferencia de temperatura a través de la junta se ve mejorada. En la unión de montajes a presión, la cobertura
7.1.2.12 Efecto de las dilatación térmica diferencial Muchas juntas cilíndricas conllevan la retención de metales con diferentes coeficientes de dilatación térmica, los cuales deben operar sobre un amplio rango de temperatura. Las técnicas de montaje convencionales, tales como montajes a presión ligera, dan como resultados dos problemas característicos: en un extremo de la temperatura, el montaje por interferencia disminuirá, y el montaje se separará; en el otro extremo de temperatura, la interferencia aumentará, y puede dar como resultado un sobretensionado de los componentes. El adhesivo anaeróbico curado tiene un coeficiente de dilatación relativamente alto, comparándolo con el metal, sin embargo, dado que las líneas de unión son normalmente muy finas, y el adhesivo es relativamente frágil, existe solamente un campo de acción limitado para absorber las tensiones a tracción que se crearán durante la dila-
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
tación de la línea de unión. Un factor que servirá de ayuda en esta situación es un ligero ablandamiento del adhesivo, si la temperatura se aproxima ó excede a la temperatura de transición a cristalización. La capacidad del adhesivo para mejorar la resistencia de dilatación térmica diferencial, dependerá del diseño de la junta y parámetros de aplicación en particular. Existen varias técnicas para resolver los problemas de dilatación térmica diferencial: .Aumento de la resistencia de montajes por interferencia: esta técnica es la forma más simple de aumentar la potencia de sujeción en una junta. En la práctica, se recomienda un valor de interferencia inferior y así evitar el sobretensionado de los componentes, y el adhesivo proporcionará la resistencia de sujeción adicional necesaria en los extremos de temperatura. .Montaje con grandes holguras controladas: esta técnica reconoce que los adhesivos anaeróbicos tienen una capacidad limitada para resistir la tensión a tracción que se produce durante la dilatación de la unión. Diseñando una holgura más grande, el adhesivo puede soportar la fatiga por tracción que se ocasiona. Durante la contracción de la junta, el adhesivo se encuentra bajo compresión, lo que normalmente no supone un problema. Está técnica contará con la ventaja de ver reducida de forma significativa las altas tensiones en los componentes que van asociadas a los montajes por interferencia. .Montaje por contracción en ajuste con holgura “unión por contracción”: se trata de una extensión del principio utilizado en ajustes con grandes holguras. La unión se ensambla calentando el anillo y contrayéndolo alrededor del adhesivo, de forma similar a la unión de un montaje por interferencia y contracción. Esto aporta la ventaja de crear, temporalmente, una holgura grande mientras se realiza el montaje. A medida que el adhesivo cura y la holgura se reduce, disminuirán en el adhesivo las tensiones por contracción normales (tracción). Es posible que la capa de adhesivo curado, se vea sometida a compresión a temperatura ambiente. Pretensionando el adhesivo, en teoría, de esta manera sería posible que resistiese niveles de dilatación mucho más altos durante el funcionamiento.
La unión por contracción es el mejor de los métodos examinados para aplicaciones de alta temperatura, cuando se ensamblen acero y aluminio. No obstante, es costoso (necesidades de alta energía) y las piezas se ensamblan con dificultad. Estos son los inconvenientes reales de este método. Asimismo, es una buena opción el montaje por deslizamiento con gran holgura. Es más práctico que la unión por contracción, ya que las piezas se ensamblan más fácilmente y los requisitos de energía son inferiores. Sin embargo, es importante limitar el tamaño de la holgura, ya que una gran holgura daría como resultado una resistencia total más baja a temperatura ambiente, y una velocidad de curado más lenta. Cuando se trata del tamaño de la holgura se debe tener también en cuenta la capacidad del tipo de adhesivo en particular para curar en grandes holguras. La unión de un montaje a presión es la peor de las opciones a la hora de utilizar un adhesivo, aunque sigue siendo superior a un montaje a presión sin unir.
7.1.3 Sellado y acoplamiento de bridas
7.1.3.1 Generalidades del sellado de bridas Las juntas de papel, corcho, o incluso metálicas se han venido usando a lo largo del tiempo para el sellado de carcasas, bloques motor y en general cualquier conjunto en cuyo interior existiesen piezas móviles en contacto con un fluido lubricante. La misión de dichas juntas, garantizar la estanqueidad del conjunto, no justifica la poca atención prestada a su diseño, puesto que su fallo puede llegar a ser fatal. En otras aplicaciones, las juntas garantizan la estanqueidad de sistemas para la manipulación de sustancias potencialmente peligrosas para las personas o para el medio ambiente. En este caso, un mal diseño de la junta, que desemboque a la larga en una fuga, es aún más peligroso. La solución a estos problemas de estanqueidad no sólo pasa por la elección del tipo de junta adecuada para cada aplicación, sino que se debe pres-
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
tar especial atención a su diseño, que depende tanto del producto usado como de la geometría, materiales y proceso de fabricación de las bridas que forman el conjunto.
Estas consideraciones hacen que la configuración ideal sea aquella en la que existe contacto metal-metal entre las dos piezas a sellar. Esta situación, imposible de conseguir mediante una junta precortada, es posible gracias al uso de adhesivos anaeróbicos.
7.1.3.2 Juntas de Formación “In situ” (FIS)
Los adhesivos anaeróbicos son compuestos que polimerizan en ausencia de oxígeno y presencia de iones metálicos. Ambas condiciones se dan en la mayor parte de las juntas rígidas existentes en el mundo industrial. Este tipo de adhesivos presentan una buena resistencia a todo tipo de fluidos industriales salvo los agentes químicos altamente agresivos, por lo que se minimiza el riesgo de un ataque químico.
El uso de las juntas precortadas tradicionales presenta inconvenientes tanto desde el punto de vista funcional como desde el punto de vista económico. Problemas tales como la deformación permanente, el alabeo de las bridas en el punto central entre tornillos, el desgaste debido a los micromovimientos, el desgarre en la zona debajo del tornillo debido al par excesivo que hay que aplicar o la extrusión que se produce en situaciones de baja compresión de la brida y alta presión interna, unidos a un pobre diseño, han sido constante fuente de problemas en el sellado de bridas. Además, las juntas precortadas requieren un nivel superior de stocks, ya que se necesita modelo exclusivo de junta para cada brida, tanto en producción como en el posterior servicio de mantenimiento, con el correspondiente coste adicional que esto supone.
El adhesivo no comienza a polimerizar hasta que se realiza el montaje. El producto sella al rellenar los huecos existentes entre las bridas debidos a la rugosidad superficial, evitando que el fluido interior encuentre vías de escape. Además, estos adhesivos presentan otras ventajas adicionales: .Eliminan la necesidad de reglajes al eliminar las separaciones provocadas por las juntas, que permiten el contacto metal-metal. .No se produce la relajación de la junta. No existe deformación permanente de esta. .La resistencia a cizalla del adhesivo proporciona mayor resistencia estructural al conjunto. .Eliminan la necesidad de almacenar distintos tipos de juntas precortadas y permiten trabajar con tolerancias de mecanizado menos estrictas.
Las juntas de formación “in situ” o juntas FIS, solucionan en gran medida los problemas que aparecen con el uso de juntas precortadas. Las juntas FIS se pueden dividir en dos grandes grupos: .Juntas rígidas .Juntas flexibles Esta clasificación no viene marcada tanto por el producto a usar (con propiedades mecánicas distintas en cada caso) como por el diseño que se ha realizado de la junta.
7.1.3.3 Juntas rígidas de Formación “In Situ” (FIS rígidas) Las juntas rígidas están diseñadas para: .Conseguir la rigidez óptima entre las piezas acopladas .Minimizar el movimiento relativo entre las bridas .Transmitir esfuerzos de una brida a la otra
7.1.3.4 Diseño de juntas rígidas con selladores anaeróbicos Como hemos mencionado antes, de nada sirve un producto idóneo si el diseño de la junta es incorrecto. Los adhesivos anaeróbicos presentan una excelente resistencia a esfuerzos de cortadura, pero su resistencia frente a solicitaciones de tracción o pelado es prácticamente nula. Para poder garantizar el sellado usando una brida rígida es fundamental minimizar los movimientos relativos entre las bridas y asegurar el contacto metal-metal a lo largo de la superficie de contacto entre las piezas a unir. Para conseguirlo hay que prestar espe-
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
cial atención a los siguientes parámetros de diseño. El tamaño, número y posición de los tornillos: La fuerza de compresión que ejercen los tornillos sobre las bridas es la única responsable de mantener las dos superficies en contacto unidas. En la zona intermedia entre dos tornillos consecutivos, la presión ejercida disminuye, por lo que se debe llegar a un compromiso acerca del número y diámetro de los tornillos que garantice una presión de contacto mínima en todo el área de la junta.
brida debe realizarse de forma que, al unir los centros de los alojamientos de los tornillos con una línea imaginaria, ésta se aproxime lo más posible al contorno de la junta. De esta forma se consigue eliminar las zonas con una baja presión de contacto, minimizando el riesgo de movimientos relativos altos durante el funcionamiento, que pueden provocar el fallo del adhesivo.
Fig.7.34: Curvatura de las bridas en función de la distancia entre tornillos.
Fig.7.36: Mala y buena disposición de los tornillos en una junta. Por otra parte, podemos suponer que la presión ejercida por los tornillos se distribuye con un ángulo de 45º debajo de la cabeza del tornillo (modelo de Röstcher). Por ello, cuanto mayor sea el espesor de la brida más se podrán espaciar los tornillos entre si. Para aprovechar este efecto, Muchas veces se usa un resalte de la brida en el alojamiento del tornillo. Fig.7.35: Modelo de cono de presión propuesto por Rötscher.
Rigidez de la brida: una mayor rigidez de la brida elimina, en parte, la posibilidad de deformaciones y movimientos relativos debido a vibraciones y dilataciones térmicas diferenciales. En algunos casos es necesario aumentar la rigidez de la junta con nervios de refuerzo que, idealmente, deberían situarse en el punto medio entre dos tornillos consecutivos, al ser este punto el que está sometido a una menor compresión. Rugosidad y planitud: aunque los adhesivos anaeróbicos necesitan un acabado superficial menos estricto que en el caso de juntas precortadas, es recomendable una rugosidad superficial entre 0,8 y 3.2 Ra. Así mismo, se recomienda una planitud inferior a 0,1 mm en 400 mm de longitud.
Distancia óptima entre tornillos G= d k + h dk diámetro de la zona de contacto plano tornillo Por último, la disposición de los tornillos en la
Método de aplicación y montaje: los adhesivos anaeróbicos permanecen en estado líquido mientras están en contacto con el aire, lo que permite que la aplicación y el montaje no se realicen
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al mismo tiempo. No obstante, no es bueno que éste se retrase excesivamente para evitar la contaminación del adhesivo por suciedad ambiental. Una vez iniciado el montaje se debe aplicar la tensión correspondiente a los tornillos inmediatamente. De otra forma corremos el riesgo de dañar la capa adhesiva al apretar los tornillos una vez que el adhesivo ha polimerizado parcialmente.
El tipo de adhesivo más adecuado para esta aplicación es un acrílico anaeróbico, gama de adhesivos que asegura un montaje rígido y que puede proporcionar resistencias a cizalla muy altas.
Fig.7.37: Acoplamiento de bridas típico. 7.1.3.5 Acoplamiento de bridas Un acoplamiento de bridas es una unión rígida utilizada para conectar árboles giratorios. La forma y configuración de los acoplamientos puede variar, pero el principio siempre es el mismo. Los acoplamientos de bridas transmiten potencia y par de dos maneras: .Mecánicamente, utilizando espigas, pasadores, sistemas dentados especiales o tornillos adaptados sometidos a esfuerzos de cortadura. .Por fricción, debida a la presión entre las superficies de las bridas. La presión es generada por la fuerza de apriete transmitida por los tornillos.
7.1.3.6 Diseño de los acoplamientos de bridas tradicionales En un acoplamiento de bridas atornillado sin adhesivo, la capacidad de transmisión del par de arranque antes de que se produzca el deslizamiento entre las bridas es proporcional a:
Los acoplamientos de bridas se utilizan en todos los sectores industriales. Entre sus aplicaciones típicas figuran los árboles de acoplamiento en sistemas de transmisión de potencia, cajas de cambios y transmisiones de automoción.
.El número de tornillos. .La fuerza de sujeción transmitida por cada tornillo. .El coeficiente de rozamiento entre las dos superficies de unión. .Las dimensiones y rigidez de las bridas.
Los acoplamientos de transmisión por fricción son menos costosos y, si se especifican correctamente, son de máxima fiabilidad. Por ello, son los acoplamientos más utilizados. La capacidad de carga de estos acoplamientos de bridas convencionales depende de la fuerza de sujeción, de la fricción entre las piezas y de las dimensiones de la brida.
Este tipo de acoplamiento falla cuando se produce un deslizamiento relativo entre las dos bridas. Normalmente, los acoplamientos se fabrican de manera que los tornillos se inserten en los taladros con holgura para que no estén sometidos a esfuerzo de cortadura (a menos que se produzca deslizamiento).
Es posible utilizar adhesivos entre las bridas de un acoplamiento de transmisión por fricción para aumentar su capacidad. Si se incorporan adhesivos desde el diseño original, es posible concebir acoplamientos más ligeros, pequeños y baratos; también pueden utilizarse en diseños existentes para mejorar la capacidad de carga.
La capacidad de carga del acoplamiento cuando se ha producido el deslizamiento será menor que la resistencia a cizalla de los tornillos. Sin embargo, las cargas de cortadura que sufren los tornillos después de que se produzca el deslizamiento pueden provocar el aflojamiento o el fallo del tornillo por fatiga. En aplicaciones que someten el conjun-
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
to a cargas alternas, el deslizamiento de la brida puede acelerar el fallo por desgaste. Los acoplamientos de bridas suelen diseñarse con un factor de seguridad elevado para evitar el deslizamiento de la brida. Para aumentar la capacidad de transmisión de par de un acoplamiento de bridas, pueden introducirse los siguientes cambios en el diseño: 1)Aumentar las dimensiones de las bridas: esto puede dar lugar a: a)Un diseño más pesado y voluminoso. b)Un aumento de los costes. c)Un incremento de la inercia. 2)Aumentar el número, el tamaño y/o la calidad de los tornillos, incrementando así la fuerza de apriete. Esto puede dar lugar a: a)Un aumento del tiempo de fabricación y montaje. b)Un aumento de peso y volumen. c)Un aumento de los costes. 3)Utilizar tornillos adaptados para transmitir par. Esto puede dar lugar a: a)Costes de fabricación muy altos. b)La necesidad de componentes específicamente diseñados. c)Susceptibilidad al fallo por desgaste. 4)Uso de un adhesivo anaeróbico en las bridas antes del montaje. Esto dará lugar a: a)La ausencia de cambios en el diseño original. b)Una mayor resistencia al desgaste. c)Un bajo coste relativo.
7.1.4 Sellado de microporosidades Los diseños de producto avanzados y las nuevas técnicas de fabricación requieren métodos modernos para el sellado de microporosidades en piezas de metal fundido, en piezas de metal sinterizado, componentes electrónicos, compuestos plásticos, soldaduras y otros sustratos porosos. El conocimiento cada vez mayor de las ventajas de los modernos selladores de porosidades y de sus métodos de aplicación, junto con unos requisitos de calidad más estrictos, han impulsado los recientes avances de esta tecnología de fabrica-
ción. La impregnación al vacío como medio fiable de sellado de porosidades en diversos sustratos goza actualmente de alta prioridad. La capacidad de sellar poros de modo permanente y rentable ha elevado lo que antes era una intervención de «reparación» a la categoría de operación de fabricación fiable e importante herramienta de diseño. La industria pulvimetalúrgica ha experimentado una revolución considerable gracias al desarrollo de métodos de sellado fiables. Las porosidades inherentes a las piezas de metal sinterizado se pueden sellar de manera fiable y permanente, de modo que pueden utilizarse en sistemas hidráulicos e incluso en sistemas con gases inflamables sin temor a las fugas. Además, el sellado con resina de los poros del metal sinterizado es actualmente un importante paso preparatorio para el revestimiento electroquímico, para el pintado y para otras operaciones de acabado, y mejora en gran medida sus propiedades de mecanización. Los mismos selladores y métodos de aplicación que sellan las porosidades de un metal evitan además las fugas derivadas de las porosidades microscópicas en los compuestos plásticos y en otros sustratos no metálicos. La demanda de productos y servicios de impregnación se ha multiplicado varias veces en los últimos años, especialmente en las industrias de automoción y electrónica. Entre los logros de la impregnación, está la disminución del peso y del coste de los montajes. La impregnación permite diseñar piezas de fundición a presión con paredes más finas o cambiar a métodos de menor coste, como la sinterización. Los modernos sistemas de impregnación están tan aceptados en la actualidad y han demostrado ser tan efectivos y económicos, que se ha abandonado el tradicional ensayo de fugas de las piezas de fundición intensamente mecanizadas en favor de la impregnación de las piezas al 100%. La incidencia de fugas después de la impregnación es tan poco frecuente que las piezas de fundición no suelen ensayarse en busca de fugas hasta después del montaje final del producto fabricado. Por ello, con las piezas de fundición, el metal sinterizado y con sustratos de otros materiales, la moderna impregnación con resina se ha convertido en una herramienta de diseño y fabricación avanzada.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
ción. El poro puede sellarse incluso si es de tamaño relativamente grande en la pieza de fundición. La mayoría de las aplicaciones de impregnación de piezas de fundición afectan a piezas con unas porosidades tan pequeñas que no son perceptibles a simple vista.
Fig.7.38: Impregnación con sistema de curado en agua caliente.
La razón por la que suele procederse a la impregnación de piezas de fundición es que éstas sean capaces de retener fluidos a presión. Como ejemplos tenemos: .Componentes de bombas y mecanismos de dirección en la Automoción .Bombas de sistemas de combustible .Reguladores .Filtros .Distribuidores .Bombas de refrigerante .Carburadores .Culatas .Bombas hidráulicas .Cajas y componentes de compresores de refrigerante .Cajas de engranajes .Cajas de instrumentos aeronáuticos estancos a la presión componentes de frenos de aire comprimido .Cierres de puertas hidráulicos .Contadores de gas
Fig.7.39: Impregnación con sistema anaeróbico de curado a temperatura ambiente.
7.1.4.1 Impregnación de piezas de fundición Existen dos tipos de porosidades: macroporosidades y microporosidades. Las macroporosidades suelen requerir una segunda fundición porque los huecos de la pieza son de tamaño suficiente para afectar a la integridad estructural. Las microporosidades no afectan a la resistencia estructural y son el resultado de dos fenómenos físicos que ocurren cuando el metal fundido solidifica: .Formación de cristales y contracción .Absorción de gases Los defectos superficiales visibles no suelen mejorar con el sellado por impregnación. El sellador desaparece de estos defectos durante el proceso, dejándolos inalterados. Las porosidades de menor tamaño, de escala microscópica, tanto si se deben a inclusiones de gases como a la contracción, pueden sellarse fácilmente con la impregna-
Impregnadas adecuadamente, estas piezas se sellan permanentemente y pueden mantener presiones equivalentes a la resistencia a la rotura de la pieza de fundición. Las piezas de fundición también se impregnan para sellar porosidades como preparativo para operaciones de acabado de metales, tales como el pintado o el revestimiento electroquímico. Si no se sellan los poros, pueden absorberse fluidos durante las operaciones de acabado. Estos fluidos atrapados pueden emerger posteriormente, atacando el revestimiento de acabado desde dentro y causando en el mismo picaduras, ampollas u otros defectos. Las «erupciones» que aparecen en los hornos de curado de pintura suelen ser causadas por gases o líquidos que emergen de los poros. Algunos efectos de las porosidades pueden no aparecer en el acabado superficial hasta bastante tiempo después de haberse completado todo el proceso, quizás ya durante la vida útil del producto. La impregnación de las piezas de fundición
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
antes de realizar las operaciones de acabado evitará la absorción de fluidos extraños. En algunos casos puede ser conveniente sellar los poros de una pieza fundida de modo que no puedan penetrar fluidos corrosivos. Esto se hace para evitar la corrosión que puede originarse dentro de las porosidades. Si se produce la corrosión dentro de los poros, pueden aparecer manchas en la superficie de la pieza, debidas a dicha corrosión interna, aunque la superficie de la pieza haya sido tratada para evitar la corrosión. La impregnación de esa pieza contribuirá al sellado contra la corrosión que, de lo contrario, podría ocurrir dentro de los poros.
7.1.4.2 Impregnación de piezas de metal sinterizado Las porosidades inherentes, que son un resultado natural de la producción de piezas sinterizadas, han convertido la impregnación con resina en el compañero perfecto de esta tecnología de producción única. La impregnación al vacío con resinas anaeróbicas se utiliza mucho para sellar los poros de las piezas sinterizadas. De hecho, las porosidades son tan extensas en este tipo de piezas que los productos anaeróbicos que curan a temperatura ambiente son el método más utilizado para el sellado de piezas sinterizadas. Los selladores de curado por calor no suelen ser adecuados para las piezas sinterizadas debido a los problemas relacionados con el inevitable sangrado durante el curado por calor. Muchos de los programas de producción de piezas sinterizadas que han tenido éxito no serían posibles sin la alta fiabilidad de los sistemas de impregnación. Cada año se producen millones de piezas sinterizadas para sistemas hidráulicos. El aceite hidráulico a alta presión podría pasar fácilmente a través de piezas sinterizadas no impregnadas con resina. Al igual que las piezas fundidas, las piezas sinterizadas también suelen impregnarse para evitar que las soluciones penetren por las porosidades y aparezcan en algún momento posterior, después de aplicada la pintura de acabado. Este tipo de defecto de los acabados aplicados suele tomar la forma de picaduras o ampollas en la pintura.
Una aplicación de la impregnación de piezas sinterizadas cuya demanda está creciendo rápidamente es la mejora de las propiedades de mecanización de piezas taladradas, aterrajadas, mandrinadas, fresadas o sometidas a otros tipos de mecanizado con herramientas de corte después del sinterizado. La resina de impregnación endurecida dentro de los poros contribuye a amortiguar el filo cortante de la herramienta cuando atraviesa la estructura del metal, prolongando en gran medida la vida útil de la herramienta. Sin impregnación, el filo de la herramienta «nota» interrupciones al cortar el metal. Esto crea vibración y reduce drásticamente la vida útil de la herramienta de corte. Además, genera grandes alteraciones de las tolerancias de mecanizado. Con una pieza impregnada, la herramienta de corte «nota» una carga más constante al cortar el metal. En ensayos controlados, la vida de la herramienta se alargó varios cientos de veces en algunos casos y el mecanizado pudo realizarse a velocidades muy superiores con sólo impregnar las piezas sinterizadas. El control dimensional de las piezas mejora de manera importante, de modo que los métodos de control de proceso estadístico son más efectivos. Actualmente, muchas piezas sinterizadas se impregnan exclusivamente por las ventajas que ello comporta para el mecanizado.
7.1.4.3 Integración de la impregnación en otros procesos Las piezas de fundición deben mecanizarse, limpiarse y secarse por completo antes de la impregnación. Al mecanizar las piezas fundidas, puede que se ponga de manifiesto más porosidad interna y el sellador de impregnación sólo podrá alcanzar todas las áreas que debe sellar una vez finalizado el mecanizado. Es importante que las piezas estén limpias y secas, de modo que los poros no queden bloqueados por materiales extraños que puedan impedir la plena penetración del sellador de impregnación. Las piezas deben estar a temperatura ambiente en el momento de la impregnación. Las piezas sinterizadas deben impregnarse después del sinterizado y antes de cualquier operación secundaria. Normalmente, las porosidades están totalmente abiertas en ese momento y el sellador de impregnación puede llenarlas por
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
completo. Además, este proceso sirve para mejorar posteriores operaciones de mecanizado o de acabado. El revestimiento electroquímico, el pintado y demás operaciones de acabado de piezas de fundición o sinterizadas deberán realizarse cuando la impregnación se haya completado y el sellador haya curado plenamente. El sellador curado en las piezas impregnadas no se ve afectado por las diversas operaciones de limpieza y decapado que suelen darse en el proceso de acabado. Incluso si se utilizan soluciones muy ácidas en el acabado, el sellador no se verá afectado por una breve exposición a estos fluidos.
7.2 Tecnología del curado por luz (extraído de información interna de Loctite)
Los adhesivos, selladores y recubrimientos de curado UV son materiales que, curan o endurecen (polimerizan) al exponerlos a la longitud de onda de luz, e intensidad adecuada. Originalmente, estos sistemas respondían únicamente a la luz UV pero, debido a los avances en la química de curado por luz, la respuesta a la luz visible apropiada es también ahora común y a menudo, ventajosa. En algunas aplicaciones, es incluso necesaria. Aunque los términos “curado por luz” o “fotocurado”, describen la química con más precisión, y hay otra luz distinta a la UV, el término “curado UV” está muy introducido, y probablemente se continuará utilizando para describir tanto a los sistemas de curado por luz UV como a los de luz visible. La ventaja principal del proceso de curado por luz es su velocidad de curado. Dependiendo del producto y sistema, el curado se puede conseguir en cuestión de segundos. Otras ventajas son: .Son sistemas monocomponentes, sin necesidad de medir o mezclar, ni preocupaciones en cuanto a la vida útil de la mezcla. .No contienen disolventes. .Su curado a temperatura ambiente es muy rápido. .El curado a petición, facilita la alineación de las piezas. .Necesitan menos espacio y energía para el equipo que los hornos. .Permiten el ensayo de las piezas casi inmediatamente después del montaje.
7.2.1 Introducción La polimerización-reticulación inducida por la luz se empleaba ya hace más de 4000 años en la preparación de momias. Se sabe que los antiguos egipcios sumergían tiras de lino en betún de Judea, el cual contiene compuestos insaturados, antes de exponer las momias envueltas a la luz del sol para que se endurecieran. También emplearon esta tecnología para sellar los barcos con un aceite asfáltico que era capaz de polimerizar tras su exposición al sol para generar recubrimientos impermeables y resistentes. Pero no fue hasta finales del siglo XIX cuando Niepce tuvo la brillante idea de emplear el mismo asfalto sensible a la luz como material imagen para obtener la primera fotografía permanente. Los científicos interesados en los sistemas de curado UV desarrollaron sus trabajos durante la década de los 40’ cuando se concedió la primera patente para tintas de impresión basadas en poliéster de estireno insaturado las cuáles polimerizaban fácilmente al ser expuestas a radiación UV. Esta clase de resinas de bajo precio parecieron ser también adecuadas para el recubrimiento de madera con barnices exentos de disolventes y de secado rápido. Tales sistemas de curado UV comenzaron a utilizarse en la industria del acabado de la madera durante los años 60’ y, aún en la actualidad, siguen siendo uno de los usos más importantes de estas resinas.
La limitación principal del sistema de curado por luz estriba en que el material a curar debe ver luz adecuada, tanto en el tipo (longitud de onda o distribución del espectro), como en la intensidad. Esto significa que en una aplicación de adhesivo, uno de los sustratos debe transmitir la luz adecuada. Así mismo, los montajes con zonas ensombrecidas necesitarán de un mecanismo de curado secundario.
7.2.2 Principios básicos del curado por luz
7.2.2.1 El espectro electromagnético Para el curado de una material mediante luz es
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
necesaria una energía para que la reacción química tenga lugar. Las luz visible y la luz UV son ejemplos de la energía radiante o energía transmitida desde una fuente de alta temperatura a un cuerpo receptor sin utilizar ningún otro sistema. La luz UV y la luz visible realmente comprenden una muy pequeña porción del espectro electromagnético que es una ordenación por longitud de onda de todos los tipos de energía radiante que se encuentran en la tierra. La luz UV se extiende desde 100-400nm y la luz visible desde 400 a aproximadamente 760 nm en longitud de onda. La luz en la región UV o visible que es capaz de interactuar con materia para producir una reacción química, se la denomina también como luz actínica.
UVC(200-280nm) Se utiliza para el curado superficial rápido de las tintas y lacas UV, así como para aplicaciones germicidas y de esterilización. VUV(200-100nm) UV vacío. Se puede utilizar únicamente en vacío y es, por lo tanto, de una importancia comercial menor.
La luz visible también se divide en diferentes colores, siendo asociada a distintas longitudes de ondas, según se indica en el diagrama del espectro electromagnético. Actualmente, la longitud de onda utilizada para el curado por luz visible está en la región violeta a azul (400-480 nm).
7.2.2.3 Uso comercial de la energía radiante La energía radiante que se encuentra en la naturaleza es, generalmente, difusa. A fin de hacer que la energía radiante sea económica y comercialmente útil, el hombre debe ser capaz de generarla a voluntad y, lo que es más, ser capaz de intensificarla según se genera. En la actualidad se están desarrollando equipos para producir radiación intensa de UV, rayos X y otros tipos adecuados para el uso industrial.
Fig.7.40: Espectro electromagnético.
7.2.2.4 Química: la polimerización producida por la luz
7.2.2.2 Tipos de luz UV y luz visible La luz UV se divide en cuatro grupos basados en la longitud de onda/energía y capacidad de interactuar con la materia: UVA(315-400nm) Luz negra. Se utiliza para reacciones de polimerización UV de baja energía. También para tareas de inspección fluorescente. UVB(280-315nm) Se utiliza para polimerización por UVA, y ya que es la región energética más fuerte de la luz solar natural, para el envejecimiento acelerado por luz de los materiales. La luz UVB es la responsable de las quemaduras solares.
Con el fin de que el adhesivo de curado por luz reaccione a la luz UV o visible, un componente químico denominado fotoiniciador debe estar presente en la formulación. La luz emitida desde una fuente adecuada produce la rotura del fotoiniciador en especies reactivas. Las especies generadas inician un proceso de polimerización rápida con monómeros y oligómeros en el sistema para formar un polímero reticulado duradero. Las combinaciones de fotoiniciadores que responden a la luz visible y UV se utilizan a menudo en los productos más recientes para mejorar su versatilidad.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
7.2.2.5 Tipos de sistemas de curado por luz
7.2.3 Equipos para el curado por luz
Existen, principalmente, dos tipos de sistemas de curado por luz:
La descripción de todos los elementos constituyentes de un equipo de curado por luz, así como de los diferentes tipos de lámparas existentes en el mercado se puede encontrar en el capítulo 9 de “Aspectos relacionados con la aplicación de los adhesivos”.
.Basados en iniciadores de radicales libres. .Basados en iniciadores catiónicos.
7.2.2.6 Sistemas de radicales libres La mayoría de los productos comerciales de curado por luz son del tipo de radicales libres y utilizan principalmente componentes acrílicos (acrilato). Los sistemas de radicales libres son los más versátiles en relación a las propiedades del producto, porque muchos tipos distintos de monómeros y oligómeros están disponibles para su uso, y se pueden obtener diferentes propiedades. Con un sistema de radicales libres, la polimerización se para tan pronto como se apaga la luz. Los sistemas acrílicos de radicales libres están sujetos también a la inhibición de oxígeno, lo que significa que el oxígeno en el aire evita que las moléculas en la superficie polimericen, y dejan una superficie húmeda o pegajosa.
No obstante, es importante estudiar los parámetros relacionados con la fuente de emisión de luz, puesto que determinan la capacidad de curado del adhesivo o sellador.
7.2.4 Factores a considerar para emplear las técnicas de curado por luz Son cuatro los factores que deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar una aplicación exitosa de curado por luz. Estos factores influyen tanto en la selección del producto y como en la eficiencia del proceso de fabricación. Estos son: .Emisión del espectro de la lámpara .Intensidad de la luz .Propiedades de transmisión del sustrato .Características de curado necesarias (curado en profundidad, curado superficial, velocidad, etc.)
7.2.2.7 Sistemas catiónicos Los sistemas catiónicos contienen materiales epoxis y/o éter de vinilo, más que componentes acrílicos (los acrílicos no reaccionan vía catiónica). Debido a que sólo una variedad limitada de monómeros y oligómeros están disponibles para su uso en estos sistemas, queda limitada su versatilidad para ajustar las propiedades. Al contrario que los sistemas de radicales libres, algunos curados continúan después de quitar la fuente de luz, aunque es mínima y a menudo requieren de un empuje térmico, o calor, para que sea efectiva. Los fotoiniciadores que generalmente se usan en sistemas catiónicos, pueden resultar, de alguna manera tóxicos, y sus residuos corrosivos, ej. en los delicados chapados que se utilizan en la industria electrónica. Los sistemas catiónicos no están sujetos a la inhibición del oxígeno, pero se contaminan fácilmente por alta humedad.
7.2.4.1 Correspondencia entre el espectro de emisión y el fotoiniciador Una de las consideraciones más importantes a tener en cuenta para lograr un curado óptimo es la correspondencia entre el espectro de emisión de la lámpara a las características de absorción del fotoiniciador en el material a curar. Esto se consigue coordinando la selección de la lámpara con la química del producto. Como ya se ha indicado anteriormente, existe una variedad de lámparas con diferentes emisiones de espectro. Los distintos fotoiniciadores cuentan con diferentes características de absorción. Cuanto más intensa sea la emisión de la lámpara en la longitud de ondas absorbidas por el fotoiniciador de un producto, más eficaz será el curado. Frecuentemente, varias fuentes de luz curarán un producto con algún grado de eficacia , pero una de
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
las fuentes puede realzar las propiedades particulares requeridas, ej. el curado superficial o el curado en profundidad. Como la medida de la emisión de espectro en línea no es posible, el fabricante del equipo proporcionará los diagramas de potencia de las lámparas utilizadas. Las Hojas de Datos Técnicos ofrecen sugerencias sobre las fuentes de luz a utilizar con cada producto.
tiva, las lecturas deben registrarse en la distancia de trabajo desde la lámpara.
7.2.4.5 Tipo de reflector Es importante mantener una distancia de trabajo constante entre la fuente y el producto a curar, a fin de mantener la influencia del reflector optimizada.
7.2.4.2 Intensidad de luz sobre el producto El principal factor influyente sobre la velocidad de curado es, sobre todo, la intensidad de la luz sobre el producto, irradiación, -cuanto más intensa sea la luz, más rápida será la velocidad de curado. La irradiación es una función de: .La potencia de la lámpara .Distancia entre la lámpara y el producto .Tipo de reflector .Antigüedad de la lámpara .Características de transmisión del sustrato a través de la cual debe pasar la luz hasta alcanzar el producto que debe curarse.
7.2.4.3 La potencia de la lámpara La potencia de la lámpara se valúa en watios por pulgada de longitud , denominada también densidad de energía. Las lámparas de arco de vapor de mercurio conocidas comercialmente como sistemas de curado por luz existen en densidades de energía que van desde 100-600 watios/pulgada, pero las dos más utilizadas son de 200 y 300 watios/pulgada. Esta es la potencia total de la lámpara a través de todo el espectro electromagnético, incluyendo radiación visible e infrarroja, y no indica intensidad en ninguna longitud de onda en particular.
7.2.4.4 Distancia entre la lámpara y el sustrato Como en cualquier fuente de luz, la intensidad en una superficie disminuye a medida que aumenta la distancia desde la fuente de luz. La relación entre la intensidad y la distancia está muy influenciada por el diseño del reflector. A fin de que la medida de intensidad de la lámpara sea significa-
7.2.4.6 Duración de la lámpara La vida útil de una lámpara de arco de mercurio depende de varios factores, influyen hechos tales como si tiene electrodos o no, número de encendidos, tiempo de funcionamiento por encendido, temperatura en el área de electrodos de las lámparas con electrodos y densidad de la energía. A las lámparas con electrodos se las supone una duración de 1000 horas con una pérdida de no más del 15% al 25% de su intensidad original. Las lámparas sin electrodos ostentan una duración de 30005000 horas. La mejor fuente de información respecto a las características de duración específicas de una lámpara es el fabricante del equipo o de la lámpara. Es extremadamente importante el realizar una inspección regular de la intensidad de la lámpara en la distancia en la que está trabajando. Existen equipos para medir la intensidad y son adecuados para su uso en el entorno industrial.
7.2.4.7 Características de transmisión del sustrato Para conseguir un fotocurado efectivo es necesario que luz de intensidad adecuada y la distribución del espectro alcancen al producto. En caso de aplicaciones de recubrimiento o relleno, puede predecirse un curado eficaz del producto. No obstante, en caso de una aplicación adhesiva en la cual la luz deba pasar a través de un sustrato antes de que alcance el producto, deberá tenerse en cuenta otro factor crítico llamado características de transmisión del sustrato. Incluso en los casos en que un material aparece incoloro y transparente a la vista, en realidad puede bloquear la luz necesaria para un curado
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
UV. Por ejemplo, mientras que por un lado la mayoría de los tipos de cristal transparente transmiten luz UV, cristal laminado de seguridad Flint F Glass (D.E.D.F. 5901) y polivinil butiral, filtran toda la luz de longitud de onda 365 nm, que es necesaria para el curado UV. Así mismo, existen dos tipos básicos de policarbonato (P/C) transparente a la vista, muy comunes actualmente en la industria: transmisores UV, utilizado normalmente en aplicaciones de instrumentación médica y de absorción de UV, utilizados en faros de coches y otras aplicaciones de exterior. Los P/C de transmisión UV pasan cerca del 70% de la luz de 365 nm, pero el de absorción de UV pasa sólo cerca del 3%, que no es suficiente para curar los productos que contienen únicamente fotoiniciador UV, otros tipos de plásticos transparentes pueden filtrar la luz UV. Los productos de curado por luz visible ofrecen la solución para alcanzar el curado a través de sustratos transparentes de filtrado UV, y con la nueva tecnología de curado por luz visible, es posible también curar a través de sustratos tintados transparentes o sustratos coloreados transparentes. El color y el brillo del sustrato inferior pueden también afectar a la velocidad de curado. La luz que se refleje desde una superficie inferior blanca o brillante, puede acelerar la velocidad de curado, mientras que un sustrato oscuro puede reducirla. La medición de las características de transmisión de un sustrato se lleva a cabo fácilmente incluso en los entornos de producción y deben realizarse antes de especificar un producto. Los radiómetros con medidor, que detectan luz en 365nm y en 400 nm deben utilizarse para determinar si se requiere un curado UV o visible. El sustrato, con el medidor situado debajo, se expone a la luz y se toman las medidas de intensidad. Debe también medirse la intensidad sin el sustrato en la parte superior del medidor, y así determinar las características de filtración del sustrato.
7.2.4.8 Medición de la intensidad de luz Dado que el uso eficaz de los productos de curado por luz depende en gran medida de la intensidad de la luz, es de vital importancia el medir e inspeccionar esta característica. Para ser más explícitos, la luz debe medirse en condiciones de producción reales y a través del sustrato a ensam-
blar, si procede. El uso de los radiómetros equipados con medidores que responden a la longitud de ondas, generalmente críticas, de 365nm y/o 400nm facilita las mediciones en línea. Debe recordarse que, incluso lecturas de intensidad en una específica longitud de onda siendo similares entre las dos fuentes de luz, la eficacia de curado podría no ser la misma. Esto se debe a la importancia de la distribución del espectro de la fuente. Sin embargo, la medición en una longitud de onda es un excelente medio para determinar la intensidad óptima de una aplicación en particular y chequear la intensidad para así asegurar resultados de curado coherentes.
7.2.4.9 Profundidad de curado La profundidad de curado se aumenta con longitud de ondas más largas, ej. superior a 350 nm. En caso de profundidades de curado muy grandes, se recomiendan sistemas de curado por luz visible. El curado en profundidad es una función de la química del producto, los datos relativos a la fuente de luz y el tiempo de exposición pueden encontrarse en las Hojas de Datos Técnicos de cada producto. La profundidad de curado puede mejorarse –o curar en zonas a la sombra- con el uso de sistemas de curado dual que son formulaciones a las cuales se ha incorporado un mecanismo de curado secundario (calor, humedad, activador).
7.2.4.10 Curado superficial Por otro lado, el curado superficial, se mejora exponiéndolo a longitud de ondas más cortas y energéticas. El curado superficial puede no ser importante en una aplicación de adhesión, excepto si se trata de bordes largos, pero obviamente, es importante para recubrimientos, o aplicaciones de rellenado. Como ya se ha indicado anteriormente, los sistemas acrílicos están sujetos a la inhibición del oxígeno que afectan adversamente al curado superficial. El utilizar nitrógeno para dejar inerte la atmósfera es efectivo a la hora de solucionar este problema, y se usa en la industria del revestimiento, pero no es práctica en la mayoría de las especialidades. La mejor resolución para este problema es la selección cuidadosa de un producto y de los parámetros del equipo de curado, así como el uso de alta energía, especialmente a 254 nm.
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
Tanto las lámparas de arco de mercurio de media presión y los bulbos de la casa Fusion H y H+ emiten alta intensidad en 254 nm.
profundidad y 220nm en superficie y sólo permiten el curado varias décimas de milímetro. Presentan curado dual anaeróbico, con activador y por calor. .Cianoacrilatos de curado UV: son menos sensibles a la longitud de onda, curando bajo un amplio espectro de radiaciones sin presentar problemas destacables de curado superficial. Permiten el curado casi instantáneo de volúmenes importantes de adhesivo sin problemas de “blooming” posteriores. .Epoxis catiónicos: inician la reacción bajo exposición a radiación UV permitiendo el uso de resinas monocomponentes. .Siliconas de curado UV: se emplean generalmente como selladores. En ocasiones se aprovecha la velocidad del curado UV para fijar la silicona. El curado en profundidad se produce posteriormente por reacción de la silicona sin curar con la humedad atmosférica. Otras veces, el único sistema de curado es la luz UV.
7.2.4.11 Velocidad de curado La velocidad de curado depende tanto de la composición del producto como de la intensidad de la luz. Cualquier factor que reduzca la intensidad de la luz sobre un producto, reducirá la velocidad de curado. Por ejemplo, si la velocidad de una cinta transportadora se aumenta para a su vez incrementar la productividad, puede producirse un curado incompleto debido a la disminución del tiempo de exposición a la luz. No obstante, es importante apreciar que los problemas pueden también producirse si el producto cura demasiado rápido. Una de las preocupaciones es el alto grado de generación de calor. El calor excesivo puede afectar adversamente a las piezas sensibles térmicamente, produciéndose la fragilización en el producto ya curado, o causar neblina debido a la volatilización en el producto de componentes no volátiles normalmente. Un efecto más sutil pero suficientemente negativo resultante de un curado demasiado rápido, es la posibilidad de reducir la adhesión al sustrato.
7.3 Técnicas de sellado y rellenado con elastó meros (Mario Madrid Vega, Loctite España y Francisco Javier Valle Fonck, Loctite España)
7.3.1 Introducción 7.2.5 Familias de adhesivos de curado por luz Existen actualmente multitud de familias de adhesivos que curan mediante exposición a radiación luminosa. Algunas se emplean como adhesivos estructurales, mientras que otras se emplean como selladores o materiales de relleno. Todas ellas han sido descritas con detalle en apartados anteriores: .Acrílicos de curado UV: presentan profundidades de curado variables, desde escasos milímetros para los tradicionales (curado en profundidad a 365nm) hasta varios centímetros para los visibles (curado en profundidad a 420nm). Todos ellos sólo curan superficialmente bajo radiaciones intensas del orden de 220nm, por lo que únicamente se obtiene tacto seco empleando lámparas de alta intensidad de emisión. Pueden presentar curado dual con activador. .Anaeróbicos de curado UV: curan a 365nm en
El sellado se ha definido como “el arte y ciencia de la prevención de las fugas”. El desarrollo histórico de los sistemas de sellado se ha basado a veces más en el arte que en la ciencia. En ocasiones las fugas en ciertos montajes no sólo han sido admitidas sino que se han considerado inevitables. Sin embargo, la tendencia actual se dirige hacia la elaboración de un sistema completo de uniones con fugas mínimas y que conserven su integridad a lo largo de la vida del montaje. Detrás de este impulso se hayan factores como la crisis energética, la aparición de legislación medioambiental, la elevación de los cánones de calidad y el deseo de eliminar costes y riegos asociados con las fugas de gases, líquidos y vapores. Aunque adhesivos y selladores se formulan a menudo a partir de los mismos polímeros, se diseñan para tener propiedades distintas. Los adhesivos tienen normalmente elevadas resistencias a tracción y a cortadura como métodos alternativos
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
para la unión de estructuras, mientras que los selladores son normalmente materiales de baja resistencia que se emplean como barrera frente al paso de líquidos, vapores, gases o sólidos.
degradar químicamente y despegar la junta. Aunque cierto hinchamiento puede ayudar al sellado, cuando es excesivo suele ser un primer síntoma de degradación química.
En aplicaciones como el encapsulado y relleno de componentes electrónicos, los adhesivos modificados son a veces los selladores más efectivos. En aplicaciones aeronáuticas, los selladores se emplean entre superficies en contacto (juntas de solape entre metales) para prevenir tanto la corrosión bimetálica, como el ingreso de la humedad que podría iniciar la corrosión.
Fig.7.41: Sellado a tope simple
En muchas aplicaciones, el material funciona como adhesivo y como sellador. Un buen ejemplo es la tendencia actual de la industria de la automoción en reemplazar la soldaduras por puntos por adhesivos en el montaje de puertas de coche. El adhesivo (normalmente epoxis o plastisoles) se posiciona entre los paneles interior y exterior, los cuáles se ribetean. De esta forma se evita el ingreso de agua en la junta. Las siliconas empleadas como adhesivos y selladores en construcción y los anaeróbicos empleados como adhesivos y selladores en maquinaria son otros ejemplos.
Fig.7.42: Sellado a solape simple.
7.3.2 La tecnología del sellado Cualquier sellador debe cumplir tres funciones básicas: .Rellenar el espacio generando un cierre: el sellador debe copiar las superficies y rellenar cualquier imperfección. En ocasiones es necesario una buena adhesión sobre el material. .Formar una barrera impermeable al flujo del fluido: en contraposición a otros materiales sólidos empleados para el sellado, como el papel o el corcho, los selladores químicos presentan una gran impermeabilidad frente a los fluidos objeto de sellado. .Mantener el sellado en el medio operativo: en múltiples ocasiones la junta tendrá que sobrevivir al entorno, es decir, al calor, la humedad y la luz ultravioleta, además de soportar solicitaciones mecánicas. Los montajes realizados en aeronáutica, automoción e industria general se exponen a menudo a cargas dinámicas severas y a agentes químicos agresivos. Ciertos fluidos pueden hinchar,
7.3.3 Familias de selladores elásticos más importantes y sus aplicaciones Las siliconas tal vez sean los selladores más conocidos por su extendido uso en el sector de la construcción. Sin embargo sus aplicaciones llegan a otros sectores como el de la automoción. El uso de siliconas como selladores secundarios en el aislamiento de cristales estás creciendo en la actualidad. En el mercado de la reparación casera se emplean siliconas de bajo rendimiento y bajo costo. Las siliconas RTV se emplean desde 1971 en el sellado de juntas de motores, transmisiones y ejes traseros. En la actualidad, el mercado japonés sigue una tendencia ascendente en consumos para
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
estas aplicaciones. El encapsulado y sellado de componentes electrónicos es un mercado importante para siliconas UV. Las fluorosiliconas de muy alto rendimiento químico y mecánico justifican su precio sólo para su empleo en aplicaciones aeroespaciales. Los poliuretanos se emplean como adhesivos y selladores en la industria de la construcción, la automoción, la ferroviaria y la naviera. Las aplicaciones de adhesión de elementos estructurales aprovechan la estanqueidad generada. Al margen de aplicaciones meramente estructurales, los poliuretanos se emplean masivamente en todo tipo de vehículos para sellar otras uniones frente al ingreso de agua, evitando de esta manera la corrosión.
7.3.4 Juntas flexibles de Formación “In Situ” (FIS flexibles) Mientras que el uso de materiales anaeróbicos y juntas rígidas persigue conseguir el sellado de las piezas minimizando el movimiento relativo entre las bridas, las juntas flexibles se basan en el concepto opuesto: se intenta, que los movimientos relativos entre las bridas sean absorbidos por la elasticidad del material usado como sellador en la junta. Por tanto, este material, una vez que ha polimerizado, debe ser suficientemente flexible para cumplir con este cometido. En el diseño de juntas flexibles se busca: .Garantizar el sellado de la unión mediante la adhesión del producto usado a los sustratos de las bridas. .Permitir que el movimiento relativo entre las bridas sea absorbido por la elasticidad del adhesivo.
Los polisulfuros fueron uno de los primeros elastómeros sintéticos. Al igual que los butilos, presentan una muy baja transmisión de humedad a diferencia de las siliconas, motivo por el cual se emplean como selladores primarios en la fabricación de cristales de aislamiento. Otro empleo típico, aprovechando la resistencia excelente de los polisulfuros frente al combustible de los reactores, es el sellado de los depósitos de los aviones. Los acrílicos se emplean en ocasiones combinados con pequeñas proporciones de siliconas dando lugar a selladores de bajo rendimiento con el aspecto de siliconas. Se emplean en el de cerramientos de aluminio, entre otros.
Fig.7.43: Esquema de junta FIS. Los cauchos de butilo se emplean como selladores primarios en la fabricación de vidrio de aislamiento. Aplicaciones en la industria de los subcomponentes para la automoción son el sellado de luces traseras, la aplicación de películas repelentes de agua y, en el pasado, la adhesión de los parabrisas sobre la carrocería. Los plastisoles se emplean extensamente en el sellado de costuras en la industria de la automoción. El material se funde y cura durante el proceso de cocido de la pintura de la carrocería. También se emplean en uniones híbridas con puntos de soldadura para la unión de paneles. Los plastisoles en base solvente se emplean para soldar las conducciones de agua en base a PVC.
Los productos flexibles, como pueden ser las siliconas y algunos poliuretanos, son los más adecuados en este caso. Ambas familias de productos presentan propiedades que los hacen idóneos para estas aplicaciones:
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.Alta elongación a la rotura. .Excelente adhesión a la mayoría de los sustratos. .Gran profundidad de curado. .Amplio rango de temperaturas de servicio.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Estos productos curan por reacción con la humedad ambiental. Una vez que se han aplicado y han polimerizado, sellan por adhesión a los substratos. Por lo tanto no es necesaria la existencia de una presión entre las piezas a sellar, reduciéndose así la importancia que tiene la disposición, tamaño y número de tornillos en el diseño. Sin embargo, para poder aprovechar las características anteriores es necesario garantizar un espesor mínimo del adhesivo que forma la junta. Por muy grande que sea la elongación a la rotura de un material, si su espesor es cercano a cero, la capacidad de elongación en términos absolutos puede ser insuficiente para soportar los movimientos relativos de la unión sin que se produzca un fallo en el adhesivo.
7.3.5 Diseño de juntas flexibles con selladores de silicona
Es de vital importancia prestar atención al método de montaje utilizado. Éste debe realizarse inmediatamente después de la aplicación del producto ya que en caso contrario se corre el riesgo de que se haya iniciado su polimerización formando una fina capa superficial o piel que puede impedir o dificultar la adhesión del producto a la brida correspondiente.
7.3.6 Juntas de Curado “In Situ” (CIS) El objeto de la formación de juntas de curado in situ (CIS) consiste en colocar una junta de compresión como pieza permanente de la superficie de una brida. Estas juntas se crean con máquinas trazadoras que aplican cordones precisos de silicona a las superficies de la brida. Los cordones curan y se unen a la brida del componente en 30 segundos con luz ultravioleta. El sellado se logra por compresión de la junta curada durante el montaje de la unión embridada.
El principal parámetro para el diseño de juntas flexibles es definir la forma mediante la cual se garantiza un espesor mínimo de la capa de adhesivo. Para ello existen distintos métodos: Fig.7.45: Esquema de junta CIS.
.Resaltes en la junta. .Surcos de retención. .Chaflán o radio de acuerdo. De todos estos métodos, el menos costoso y que se ha mostrado más efectivo es el diseño con radio de acuerdo o chaflán. Esta opción consigue combinar las ventajas de los selladores flexibles y las juntas rígidas, ya que garantiza el contacto metalmetal de las bridas (lo que permite cumplir con tolerancias precisas) y un espesor mínimo para el adhesivo sellador.
Para los fabricantes, las juntas de curado in situ pueden suponer un adelanto considerable gracias a la rapidez de creación de las juntas.
Fig.7.44: Diseño de una junta flexible usando un chaflán y un radio de acuerdo.
La tecnología de formación de juntas de curado in situ requiere mucha más precisión y repetibilidad durante la dosificación y el curado, porque la forma y la posición de los cordones deben ser consistentes. Por ello, es preciso estudiar muy bien las
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
decisiones que afecten a la elección de un material sólido o esponjoso, del mecanismo de curado y de materiales de uno o dos componentes. Las juntas de compresión CIS ofrecen muchas ventajas en comparación con las juntas moldeadas o troqueladas de caucho o gomaespuma. Entre ellas cabe citar: .Facilidad de mantenimiento: los equipos con registros de acceso sellados con CIS son fáciles de fabricar y mantener. .Ahorro de mano de obra: la fijación de juntas de compresión troqueladas o moldeadas con adhesivos o superficies piezosensibles requiere mucho trabajo y supone un despilfarro. .Mejor calidad: con los robots trazadores modernos puede obtenerse una precisión superior. .Reducción de existencias: los sistemas de suministro están plagados de juntas almacenadas. Las juntas CIS se fijan permanentemente a las bridas y eliminan la necesidad de mantener existencias. .Fabricación flexible: los dosificadores facilitan la introducción de cambios en los procesos y el desarrollo de prototipos durante la producción.
7.4 Unión estructural con adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite España)
7.4.1 Concepto de estructuralidad Por estructuralidad entendemos la virtud que tiene un conjunto de elementos ensamblados entre si de comportarse como un todo solidario frente a los esfuerzos mecánicos para los que fue diseñado. Esta definición abarca tanto aplicaciones sometidas a cargas estáticas como puede ser cualquier edificación, como conjuntos sometidos a esfuerzos dinámicos como es el caso de cualquier vehículo. La gran variedad de problemas estructurales, unido a los distintos efectos que producen los diferentes tipos de solicitaciones sobre las estructuras, hacen que las soluciones para el ensamblaje de los componentes sean diversas y deban estudiarse por separado. Básicamente, podemos clasificar los sistemas de ensamblaje en dos grandes grupos:
Las juntas CIS deben curar antes de usarse, bien rápidamente por luz ultravioleta, bien lentamente por humedad, proceso que puede tardar de 1 a 2 semanas. Las producciones lentas favorecen el método de curado lento, que evita el uso de equipos caros. Sin embargo, existe el riesgo de que las piezas resulten contaminadas o dañadas durante el curado, así que, en general, se prefiere el curado por UV en 30 segundos. Además, el curado rápido reduce las necesidades de almacenamiento de piezas. Los factores principales que influyen en la elección del producto son: .El tipo de junta que se necesita. .Las condiciones de servicio. .El tipo de brida. .El fluido a sellar. Puede ser necesario considerar otras características específicas de comportamiento y proceso de cada producto.
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1)Sistemas físicos de ensamblaje: se basan en elementos mecánicos que ejercen presiones puntuales sobre los materiales. No distribuyen las tensiones de forma uniforme y generan puntas de tensión cuando son solicitados. En aplicaciones bajo esfuerzos estáticos presentan buenos rendimientos, pero cuando se someten a cargas alternativas y esfuerzos dinámicos generan fatigas sobre los componentes. Suelen ser desmontables, lo cual facilita el mantenimiento de los conjuntos: a)Tornillos y tuercas. b)Remaches. c)Elementos que encajan (cierres rápidos, pestañas, deformación de los elementos, montajes a presión, etc.). 2)Sistemas químicos: crean interfases entre los sustratos, generalmente con aporte de material. Aprovechan las propiedades superficiales de los elementos y distribuyen las tensiones de forma uniforme. Por lo general, no permiten el desmontaje: a)Soldadura fuerte o blanda: con modificación de los sustratos. b)Adhesión: sin modificación de los materiales.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Los adhesivos son soluciones para el ensamblaje de estructuras pero como ocurre con el resto de los sistemas mencionados, requieren metodologías de diseño concretas. Como han sido descritas previamente para los adhesivos en general, nos limitaremos a estudiar los factores que deben considerarse para diseñar de forma correcta las estructuras que pretenden ser ensambladas mediante adhesivos
i)Epoxis 2)Adhesivos tenaces: Buena resistencia frente a esfuerzos normales o de cortadura. Buena resistencia frente a esfuerzos de pelado y desgarro. Buena resistencia frente a esfuerzos dinámicos e impacto. a)Para superficies coincidentes: i)Anaeróbicos tenaces ii)Cianoacrilatos tenaces b)Con capacidad de relleno de holgura: i)Adhesivos acrílicos b)Con gran capacidad de relleno de holgura: i)Epoxis tenaces 3)Adhesivos flexibles: Baja resistencia frente a esfuerzos normales o de cortadura. Alta resistencia frente a esfuerzos de pelado y desgarro. Buena resistencia frente a esfuerzos dinámicos e impacto. i)Siliconas ii)Poliuretanos iii)Silanos modificados
Algunos libros definen como estructural aquel adhesivo capaz de unir sustratos rígidos de alta resistencia de forma fuerte y permanente. Sin embargo, nosotros consideraremos el uso de polímeros que en la actualidad forman parte de muchas estructuras de responsabilidad.
7.4.2 Familias de adhesivos estructurales Las condiciones bajo las que van a funcionar las estructuras determinan las exigencias que debe cumplir el adhesivo seleccionado. Las zonas de unión se dimensionan en base a las capacidades de carga de la resina curada. No obstante, en muchas ocasiones prevalecen los criterios de resistencia a vibración y a fatiga frente a los de gran capacidad de transmisión de cargas. Por este motivo, en múltiples ocasiones se emplean adhesivos elásticos para el ensamblaje de estructuras en lugar de adhesivos rígidos de gran resistencia mecánica.
Fig.7.46: Efecto del expesor de adhesivo en la resistencia de la unión adhesiva. i) Los adhesivos rígidos presentan su mejor rendimiento en torno a 0,1mm de holgura. ii) Los adhhesivos flexibles precisan holguras superiores a 1mm para un correcto funcionamiento.
Sin lugar a dudas, los adhesivos estructurales más importantes por su volumen de uso son los empleados en el sector de la Construcción: el cemento, el yeso, la escayola, etc. se utilizan en el ensamblaje de componentes estructurales para construir edificaciones. No obstante, estos materiales son de naturaleza inorgánica y no serán estudiados aquí. Los adhesivos estructurales se clasifican según su módulo de elasticidad: 1)Adhesivos rígidos: Alta resistencia frente a esfuerzos normales o de cortadura. Baja resistencia frente a esfuerzos de pelado y desgarro. Mala resistencia frente a esfuerzos dinámicos e impacto. a)Superficies coincidentes: i)Cianoacrilatos b)Con capacidad infinita de relleno de holgura:
Los adhesivos rígidos son soluciones válidas para elevadas cargas estáticas o durante un número corto de ciclos. Sólo soportarán los efectos de cargas dinámicas o impactos si los sustratos no
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
son excesivamente rígidos. Los adhesivos tenaces soportan cargas inferiores, por lo que requieren áreas de adhesión algo mayores que los adhesivos rígidos. Sin embargo, soportan los efectos de cargas dinámicas o impactos, incluso si los adherentes son muy rígidos. Mejoran también el rendimiento de los adhesivos rígidos frente a esfuerzos de pelado o desgarro. Los adhesivos elásticos presentan resistencias pobres y requieren áreas de adhesión grandes. Resisten perfectamente esfuerzos de pelado y desgarro, cargas dinámicas o impactos.
Fig.7.47: Diagramas de tensión deformación para materiales con diferentes comportamientos mecánicos.
tadura. Su uso en aplicaciones sometidas a tensiones de pelado o a cargas dinámicas sólo es viable si los sustratos son capaces de amortiguar el efecto del esfuerzo sobre la junta adhesiva (sustratos plásticos, cauchos, madera, etc.). Proporcionan una elevada rigidez torsional a los conjuntos. Los esfuerzos cortantes provocan deformaciones mecánicas en los sustratos y la aparición de puntos de tensión máxima, en particular cuando los elementos a ensamblar son de pequeño espesor y constituidos por materiales de bajo módulo de elasticidad. Esto dificulta el dimensionamiento de las uniones sometidas a tales esfuerzos, además de sobrecargar los extremos de los sustratos con el consiguiente riesgo de fallo.
s
t t
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La clasificación anterior sólo incluye adhesivos de polimerización durante la unión adhesiva. No se han incluido otros adhesivos porque desde el punto de vista del diseño son difícilmente evaluables, aunque se emplean en multitud de aplicaciones para las cuáles no es importante conocer factores de seguridad.
7.4.3 Diseño de estructuras adheridas
7.4.3.1 Diseño con adhesivos rígidos Los adhesivos rígidos se emplean como solución para el ensamblaje de estructuras cuando las uniones puedan ser diseñadas para que sólo sean sometidas a esfuerzos estáticos normales y de cor-
Fig.7.48: Distribución hiperbólica de esfuerzos de cortadura a lo largo de una junta adhesiva en una probeta de placas planas solapadas, ensayadas a tracción.
Igualmente, variaciones del módulo de elasticidad debidas a cambios de temperatura pueden producir la aparición de puntos de tensión máxima. Las elevadas tensiones de cortadura en los extremos de los solapes se combinan con las tensiones normales resultando momentos flectores provocados, porque los esfuerzos en carga no están siempre sobre una línea de aplicación. La consecuencia es la aparición de esfuerzos de pelado que cargan de forma inadecuada la junta adhesiva. Los esfuerzos de pelado derivados de la deformación de los materiales se pueden minimizar con soluciones de diseño.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Fig.7.50: Diferentes diseños de ensamblajes adheridos con adhesivos rígidos.
En cualquier caso, es muy importante dimensionar correctamente las áreas de adhesión en la fase de diseño y prever formas que garanticen que, una vez en servicio, la unión adhesiva sólo se someta a tensiones mecánicas de cortadura y/o de compresión. Fig.7.49: Medidas de diseño para evitar las tensiones de pelado sobre las juntas adhesivas.
Fig.7.51: Cálculo de la resistencia de los ensamblajes adheridos.
Las distribuciones no uniformes de tensiones dificultan el cálculo. En los casos dudosos o cuando las condiciones sean severas se recomienda pasar a ensayos, aunque en cualquier caso nunca debería obviarse la comprobación práctica de los resultados obtenidos de forma teórica.
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
Fig.7.52: Influencia del expesor del adhesivo en la tenacidad de la unión adhesiva. La gráfica representa la variación del valor de KIC (o GIC ) con el espesor de adhesivo. Se comprueba como la mayor tenacidad se obtiene para los espesores menores.
Se deben concebir ensamblajes adheridos de forma que sean, si es posible, rígidos a la flexión, a la elongación, y al pelado. Esta precaución garantiza al ensamblaje tensiones de cortadura puras. La unión adhesiva no se debe calcular ni más resistente, ni más débil que los componentes que se van a ensamblar. Se debe evitar el sobredimensionamiento (gasto inútil de material, aumento de peso, construcción costosa). Por ello, el cálculo de la resistencia de una unión adherida se hace en función de la tensión máxima que deben soportar los componentes de dicha unión. Para cargas estáticas, el cálculo de resistencia se realiza a partir de tensiones máximas admisibles de los materiales de unión, partiendo del valor de (0.2 (límite elástico en el 0,2% del valor de deformación permanente). Se emplea el mismo método para las tensiones de cortadura y la torsión de los componentes.
En el caso de superficies de adhesión de forma envolvente (por ejemplo, superficies cilíndricas) y de superficies de ajuste escalonadas (tras una presión no uniforme en el ensamblaje y en el curado) es conveniente emplear adhesivos de propiedades de mojado óptimas, que curen en ausencia de presión y sin contracciones apreciables.
Es importante evitar en lo posible ensamblajes con holguras variables. De este modo se evitan distribuciones no uniformes de tensiones, aprietes irregulares en el montaje o tensiones internas de curado, y por consiguiente también las dificultades que se añaden al cálculo de la unión. Se recomienda aplicar capas regulares de adhesivo evitando las variaciones bruscas de sección en razón a la posible sensibilidad a la entalla de la capa de adhesivo, el cual puede considerarse como un componente incorporado de materia plástica. Los componentes a unir se deben concebir y disponer de forma que ninguna de las concentraciones de tensiones se pueda transmitir entre puntos determinados de la unión adhesiva, lo que podría producirse en el caso de que existiesen variaciones de sección bruscas en la junta.
En un esfuerzo estático, la carga en servicio sólo interviene una vez y es de una duración limitada. En la práctica este tipo de esfuerzos se presenta rara vez. Sin embargo, las ecuaciones establecidas para esfuerzos estáticos pueden ser utilizadas sin grandes riesgos en numerosas aplicaciones. Para el diseñador, las leyes de cálculo pueden ser enunciadas teniendo en cuenta como directrices básicas de diseño dimensiones, esfuerzos y resistencia de los materiales utilizados, tanto del adhesivo como de los componentes a unir.
Según la naturaleza del adhesivo y las particularidades de la aplicación, es indispensable tener superficies de unión dentro de unas tolerancias de rugosidad con el fin de realizar uniones adheridas óptimas y reproducibles. Por ello, es recomendable prestar atención a los métodos de fabricación de los componentes. La precaución de generar superficies rugosas favorables para adherir sólo tiene sentido si se recomienda para el adhesivo elegido y para su modo de aplicación, o incluso si es necesario por otras razones.
La “resistencia nominal a cortadura” de los adhesivos (tal y como la indican los fabricantes), se determina a menudo en condiciones experimentales idealizadas. Se debe contar con resistencias a la cortadura menos elevadas para tener en cuenta las particularidades de la aplicación. En el caso en el que aparezcan esfuerzos de larga duración y de naturaleza diversa que actúen sobre las uniones adheridas en servicio, el valor a utilizar en los cálculos no será más que una fracción de la resistencia nominal a la cortadura del adhesivo. Cuando las superficies de los elementos a unir son importantes, sobre todo si son encorvadas (palastros), hay que cuidar que el contacto entre tales superficies sea correcto y se obtenga mediante la presión del montaje. Si la presión desaparece después del curado del adhesivo, la recuperación elástica de los componentes puede introducir tensiones de tracción en el ensamblaje. En los casos desfavorables, estas tensiones pueden añadirse a los esfuerzos en servicio y provocar que se deteriore la unión.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
Cuando los sustratos son capaces de absorber las vibraciones, el impacto o los esfuerzos de pelado se puede considerar el diseño de los conjuntos con adhesivos rígidos. Así, multitud de aplicaciones sometidas a cargas dinámicas que emplean sustratos poliméricos se adhieren con cianoacrilatos cuando la superficies de los sustratos coinciden o con epoxis cuando se necesita cubrir holgura, con excelentes rendimientos en ambos casos.
tido a un esfuerzo durante un número determinado de ciclos. Paradójicamente, adhesivos con una resistencia nominal estática elevada pueden presentar valores de resistencia a la fatiga mediocres tras un número elevado de ciclos e incluso inferiores a los correspondientes a otros de menor resistencia estática pero de mayor flexibilidad. Para cálculos que requieran mayor precisión tendremos en cuenta las siguientes particularidades: 1)La resistencia nominal a la cortadura de un adhesivo se debe calcular considerando la geometría del ensamblaje y la naturaleza de los sustratos. Esto último es particularmente importante para aquéllos adhesivos cuyo curado depende de la química de la superficie de los adherentes. 2)Para las mismas condiciones, el comportamiento frente a la fatiga y la resistencia permanente deben conocerse para la carga de servicio que corresponda al caso que se estudia.
7.4.3.2 Diseño con adhesivos tenaces Los adhesivos tenaces suplen las carencias de resistencia que tienen los adhesivos rígidos frente a esfuerzos de pelado, desgarro, esfuerzos dinámicos e impacto. Sin embargo tienen resistencias nominales a cortadura sensiblemente inferiores. Por este motivo las superficies involucradas deben ser algo superiores para transmitir cargas equivalentes. Es importante generar un espesor apreciable en la línea de unión para que el adhesivo pueda elongarse y amortiguar los efectos de las cargas mencionadas. En adhesión, los esfuerzos mecánicos más corrientes son los de larga duración, constantes o alternos, y su determinación prima sobre el resto de las consideraciones. Se recomienda proceder de la manera siguiente: 1ª etapa: Se emplean las ecuaciones de diseño ya vistas para ensamblajes sometidos a esfuerzos estáticos. 2ª etapa: Se reemplazan los valores de resistencia nominal del adhesivo y de resistencia de los elementos a unir por los valores correspondientes a la fatiga o de resistencia permanente de los mismos materiales. 3ª etapa: El ensamblaje por adhesión se calcula con esos valores. Si la resistencia del adhesivo no es suficiente, la solución, en la mayoría de los casos, consiste en aumentar las superficies de unión, por ejemplo, incrementando la longitud de solape. Los valores de resistencia del adhesivo se extraen de las curvas de Wöhler. Las curvas de resistencia permanente a fatiga informan sobre la resistencia real del adhesivo cuando ha sido some-
En la práctica, deben elaborarse gráficos en función del tipo de ensamblaje y los esfuerzos que pueden aparecer en funcionamiento (tales como tracción permanente, compresión permanente, tracción y compresión alternas, ondas de compresión, torsión alterna). Si a todo esto añadimos los esfuerzos suplementarios provenientes de efectos físico-químicos la obtención de cálculos precisos no es práctica en muchos casos. Por este motivo, la resistencia del adhesivo que se determina mediante ensayos se introduce en los cálculos bajo valores aproximados. Por ejemplo, si la resistencia nominal a la cortadura de un adhesivo se conoce, la resistencia permanente puede hallarse de forma aproximada aplicando un coeficiente corrector. El valor a introducir en los cálculos debe elegirse en función de la naturaleza de los esfuerzos que aparecen en servicio y la forma de ensamblaje. Tales cálculos, sin embargo, no permiten prever la vida de los ensamblajes adheridos (resistencia a la fatiga) y no consideran la influencia en su comportamiento de otros factores de naturaleza física y química. En el caso de esfuerzos combinados o complejos hay que partir del hecho de que cada factor
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TECNOLOGÍAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
adicional ejerce una influencia que reduce la resistencia. Una solución aproximada para el cálculo de la resistencia del adhesivo a la cortadura puede representarse mediante la siguiente relación: t KL/complex = tN K1 K2K3 ........Kn En esta expresión: t KL/complex = Resistencia a la cortadura del adhesivo en presencia de esfuerzos complejos, inferior a tN . t N = Resistencia nominal a cortadura del adhesivo según la geometría de la unión y considerando los materiales de los sustratos (equivale a la resistencia estática del adhesivo). K1K2 K3 ........Kn = Coeficientes correctores de valor inferior a la unidad que tienen en cuenta los esfuerzos mecánicos, físicos y químicos. Dichos esfuerzos se superponen y reducen la resistencia. Puesto que el principio de superposición adoptado aquí como base del cálculo sólo es válido si se mediatizan las importantes limitaciones y generalmente no es aplicable a todos los factores de influencia, el empleo de la fórmula se debe limitar a un primer cálculo y en cualquier caso debe ser comprobado mediante la experimentación. En lo que concierne a la influencia de la resistencia de los materiales de los sustratos, que sufren, a su vez, esfuerzos complejos, podemos admitir como reglas aproximativas que: 1)En el caso de materiales metálicos, basta generalmente con la fórmula de la resistencia permanente ya descrita. En presencia de esfuerzos térmicos, el adhesivo es el constituyente más débil del ensamblaje. Hay que dejar claro que, con esta aproximación, no se está considerando la influencia de los esfuerzos químicos sobre los metales. 2)Cuando los componentes a unir no son metálicos (por ejemplo, materias plásticas), deben considerarse factores correctores tanto para los sustratos como para los adhesivos. Conviene igualmente insistir en la influencia de diversos tipos de esfuerzos. Generalmente se emplean gráficas que representan la pérdida de resistencia frente a cada entorno opera-
tivo, de modo que se pueden extrapolar los valores de los coeficientes correctores. Estos cálculos permiten explicar un gran número de fracasos en la adhesión, puesto que el desconocimiento de alguno de estos factores de influencia puede llevar a un dimensionamiento insuficiente o erróneo. El origen de estas influencias reside principalmente en la preparación de los adhesivos y en el montaje de los componentes. De manera general, un adhesivo no adquiere su resistencia máxima a la cortadura cuando su humectancia o capacidad de mojado no es la adecuada a la rugosidad de las superficies a unir. Se puede determinar un factor k1,40) el mecanismo es diferente al que se tiene en condiciones más suaves. Esto nos está indicando que para dichas condiciones nos hemos introducido en la situación RSR, y por tanto los resultados están siendo enmascarados por unos datos experimentales que no representan en realidad el comportamiento que exhibirá el adhesivo en servicio.
Fig.8.11: Modelo más preciso para la estimación de la vida en servicio de un adhesivo.
componentes reales o proveniente de ensayos a largo plazo, se puede ir verificando y mejorando el modelo. Normalmente, los datos de componentes reales en servicio no pueden ser introducidos como puntos del modelo pues no provienen de ensayos realizados en condiciones estándar, pero, sin duda, es información muy valiosa para comprobar la consistencia entre el modelo y las predicciones realizadas.
Fig.8.12: Modelo para la estimación de la vida en servicio de un adhesivo.
Si se eliminan los puntos que se ha comprobado que nos sitúan en la condición RSR y consideramos sólo los encuadrados en el RON –aumentando el número de ensayos, si es necesario– se obtiene la conclusión que el modelo más adecuado es el correspondiente a n=8. A medida que se obtiene información sobre
El peligro de situar al adhesivo, durante la realización de ensayos acelerados, en condiciones RSR es más grave cuando se incrementa mucho una sola variable que cuando se aumentan un poco varias de las solicitaciones para acelerar el proceso de envejecimiento. El elevar dos o tres de las variables que son críticas sobre la vida en servicio del adhesivo permite acelerar el envejecimiento
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COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LAS UNIONES ADHESIVAS
sin salirse del RON, a la vez que el fallo ocurrirá en un periodo razonable de tiempo. Además, esta situación es más realista con referencia al uso final del producto, donde se tendrá normalmente la acción combinada de varias solicitaciones (temperatura, humedad, tensiones, etc.) y la degradación no se producirá únicamente por la acción de una de ellas. El único problema puede estar en seleccionar, entre la multitud de posibles variables que intervienen en la condición en servicio del adhesivo, cuales son las que verdaderamente juegan un papel decisivo en la determinación de su vida útil y cuales las que tienen una influencia despreciable.
8.4.2 Temperatura, humedad y tensión mecánica El concepto de volumen libre molecular es básico para la comprensión de los mecanismos de difusión y degradación en adhesivos. Es especialmente adecuado para describir el efecto e interacción de la temperatura, humedad y tensiones mecánicas sobre el adhesivo a escala molecular. Por volumen libre molecular se entiende el espacio libre existente entre las cadenas orgánicas que constituyen el polímero. Una molécula de agua únicamente puede entrar en el adhesivo a expensas de ocupar parte del volumen libre molecular disponible. En un instante dado –que depende de la naturaleza química del adhesivo, la cantidad de agua dentro del adhesivo y la interacción entre las moléculas de agua y las cadenas orgánicas– el volumen de adhesivo empieza a aumentar. En efecto, para seguir entrando en el adhesivo, las moléculas de agua tienen que empujar a las moléculas orgánicas. Este fenómeno se conoce como hinchamiento. El grado de hinchamiento puede ser utilizado para calcular el volumen libre molecular total en el adhesivo.
8.4.2.1 Tensión mecánica La tensión mecánica no limita, por si misma, la vida en servicio de los adhesivos. Como sucede con todos los materiales, los adhesivos pueden soportar una resistencia y una deformación máximas antes de que se produzca el fallo catastrófico. Si las condiciones de servicio son tales que no se
superan dichos valores límites, el adhesivo no tiene motivo para sufrir ninguna degradación en sus prestaciones. La tensión cíclica, no obstante, sí que es potencialmente dañina para las uniones adhesivas, dando lugar a fallos por fatiga. Los fallos por fatiga suelen estar más bien relacionados con la degradación térmica del adhesivo que con la degradación por el efecto mecánico directo. En efecto, el polímero puede transformar la energía mecánica en calorífica, elevando su temperatura de forma sensible. Incluso este efecto cíclico es mínimo en tanto en cuanto se mantenga en un porcentaje reducido de las propiedades últimas del adhesivo, y no afecta en gran medida a la extensión de su vida en servicio. Otro efecto descrito de la tensión mecánica es que, para algunos adhesivos, puede aumentar su grado de cristalinidad en áreas localizadas –ordenación parcial de segmentos de cadenas poliméricas–. Esto hace que disminuya el volumen libre molecular y, en consecuencia, disminuya la permeabilidad del adhesivo. Sin embargo, se trata de un efecto de poca importancia pues el grado de cristalinidad inducida por la tensión es generalmente muy pequeño. Además de por la acción de las cargas externas, se pueden generar tensiones internas por efecto de la contracción del adhesivo (durante el curado) o debido a diferencias en los coeficientes de dilatación de adhesivo y adherentes. Con todo, el papel más importante de la tensión mecánica sobre la durabilidad de las uniones adhesivas está en que puede acelerar algún otro proceso de degradación, tal como el ingreso de agua u otros fluidos en la unión.
8.4.2.2 Temperatura Un incremento de la temperatura reduce la vida en servicio del adhesivo como consecuencia del aumento de la velocidad de degradación. La mayoría de los adhesivos se degradan por un mecanismo de escisión de cadena: la molécula de polímero es cortada en dos. Esto provoca el aumento del tamaño medio de los volúmenes libres a la vez que decrece el número total de lugares de volumen libre. A medida que este proceso continúa, el polímero se va haciendo cada vez más
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
“esponjoso” y su resistencia mecánica va mermándose. Finalmente, se alcanzan tensiones locales –a escala molecular– que igualan las condiciones máximas que el adhesivo puede soportar y se produce el fallo catastrófico.
La región de difusión anómala delimita la variación de la temperatura de transición vítrea del adhesivo con humedad. En ella se dan de forma simultánea ambos mecanismos de transporte de agua: tipo II y Fick. Esta región es muy estrecha y el sistema pasa rápidamente a zonas de mecanismo único.
8.4.2.3 Humedad A bajas concentraciones la humedad actúa como un plastificante, ablandando el adhesivo; esto es un efecto relativamente benigno y supone un impacto negativo mínimo sobre el adhesivo. A medida que la concentración de humedad aumenta y el volumen libre se va llenando de moléculas de agua, las tensiones internas resultantes por efecto del hinchamiento pueden literalmente desgarrar el adhesivo desde el interior de su propia red polimérica. La humedad ácida puede causar escisión de las cadenas moleculares del adhesivo. De igual forma que lo que sucede con la temperatura, las escisiones de cadena tienden a rebajar la resistencia mecánica del polímero.
Fig.8.13: Diagrama de mecanismos de difusión.
8.4.2.4 Temperatura-Humedad La interacción de estos dos factores puede dar lugar a un proceso de degradación más grave del que supone cada uno de ellos por separado. El efecto más crítico de la acción conjunta de la temperatura y la humedad es sobre la difusión de las moléculas de agua en el adhesivo. La siguiente figura muestra la dependencia de los mecanismos de difusión con la temperatura. En condiciones normales de operación, la mayoría de los adhesivos exhiben un mecanismo de transporte tipo II. Este mecanismo está controlado por la relajación y por ello no depende de la concentración de humedad. Cuando la difusión depende de la concentración de humedad se denomina tipo Fick. La velocidad de difusión en el régimen del tipo II es menor que en el caso de la del tipo Fick. Cuando se hacen ensayos acelerados aumentando la temperatura existe un riesgo evidente de situar al adhesivo en condiciones donde el mecanismo pasa a ser el de tipo Fick, pudiendo dar lugar a estimaciones de durabilidad de la unión muy diferentes de a las que realmente se tendrán en las condiciones de servicio.
8.4.2.5 Humedad-Tensión mecánica La temperatura, la humedad y las tensiones mecánicas interactúan para provocar el microagrietamiento (crazing) de la matriz polimérica. Aunque estas microgrietas puedan parecer muy pequeñas, realmente son grandes en comparación con el valor medio del volumen libre molecular. Actúan como verdaderos canales que sirven de vía de penetración a la humedad, con el consiguiente debilitamiento del adhesivo. Como se puede ver en la siguiente figura, el microagrietamiento ocurre a temperaturas por debajo de la Tg y elevadas actividades del agua. Esta zona de microagrietamiento puede desplazarse a actividades más bajas si se aumenta la presión. De nuevo hay que advertir que si el adhesivo no presenta microagrietamiento en su RON y los ensayos acelerados lo colocan en una situación donde este mecanismo sí es activo, se pueden sacar consecuencias equivocadas a cerca de su durabilidad en servicio.
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COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LAS UNIONES ADHESIVAS
8.5 Durabilidad y predicción de la vida en ser vicio de uniones adhesivas estructurales Una vez considerados por separados los efectos de la temperatura y la humedad, así como su efecto combinado con el estado de tensión mecánica sobre la durabilidad de uniones adhesivas estructurales, se puede pasar al estudio del envejecimiento en condiciones medioambientales típicas. El medio ambiente puede ser definido como el conjunto de todos los factores que están actuando sobre una unión adhesiva; esto puede incluir la atmósfera que rodea a la unión, la temperatura, fluidos en contacto, radiación y, en un sentido amplio, también las fuerzas que están actuando sobre la unión. A esto hay que añadir las tensiones residuales internas que pudieran existir. Esta red de factores mutuamente influyentes que gobiernan el comportamiento durante la vida en servicio de una unión adhesiva, lógicamente no pueden ser estudiados simultáneamente. Es necesario, pues, seleccionar los factores que verdaderamente tienen una influencia decisiva de los que apenas tienen un efecto perceptible sobre la degradación de la resistencia de la unión. Hay que tener en consideración que en ocasiones las condiciones medioambientales de una unión adhesiva se pueden corresponder con un microclima característico, debido a que se encuentra confinada en un pequeño recinto aislado del exterior, donde la temperatura, la humedad, la concentración de sustancias agresivas y otros factores pueden ser muy diferentes de los que se tienen fuera de ese recinto. Una vez definido el medio ambiente en el que actuará la unión adhesiva, hay que proceder a la realización de ensayos que permitan hacer predicciones sobre su durabilidad. Lo ideal sería hacer ensayos en las condiciones más realistas posibles y esperar el tiempo necesario para poder determinar sin ningún tipo de dudas en qué momento se producirá el fallo. Desgraciadamente, como ya hemos comentado anteriormente, normalmente esto no es posible por problemas de producción, y hay que realizar ensayos de corta duración a partir de los cuales se puedan extrapolar resultados a tiempos mayores. En el apartado anterior hemos visto algunas consideraciones a tener en cuenta sobre las precauciones que hay que tomar para que las predicciones sean fiables. Ahora nos ocuparemos de los ensayos más utilizados para la determinación de la degradación de uniones adhesivas en su medio ambiente, tanto de ensayos a
corto como a largo plazo, y de la comparación entre los resultados proporcionados por ambos.
8.5.1 Ensayos a corto plazo Algunas de las probetas de ensayo más usada para determinar la durabilidad de uniones adhesivas están recogidos en normas tales como la DIN 53 295 o la ASTM D 1183, “Métodos de Ensayo Estándar para la Resistencia de Adhesivos en Condiciones Cíclicas de Envejecimiento en Laboratorio”. Las probetas pueden ser de cortadura simple, pelado o cuña. Normalmente son almacenadas en una cámara cerrada con un ambiente constante de temperatura y humedad. Existe una infinidad de otras normas para aplicaciones muy específicas (ASTM D 1581, ASTM D 2918, por ejemplo) y ensayos no estandarizados pero empleados profusamente en la industria. Los resultados de todos estos ensayos no siempre son comparables, especialmente desde un punto de vista cuantitativo. Por ejemplo, la industria europea del automóvil prefiere ensayos cíclicos que combinen un ensayo climático en húmedo y caliente, un ensayo de temperatura extrema y un ensayo en cámara de niebla salina. Estos ensayos pueden tener una duración de entre varias semanas y un año. Sin embargo, aun con estas duraciones, hay que considerarlos como ensayos a corto plazo, si se tiene en cuenta que la vida media en servicio de estos componentes automovilísticos se establece en más de una década. El ensayo de cuña es más rápido a la hora de obtener resultados aunque su fiabilidad es cuestionable, al menos si se pretende algo más que un simple ensayo comparativo entre distintos tipos de adhesivos o distintas preparaciones superficiales. El ensayo consiste en unir con adhesivo dos placas rectangulares e introducir en la línea de pegado una cuña que crea una grieta en el seno del adhesivo. Las probetas son almacenadas en un ambiente húmedo durante varias horas, después de lo cual se mide la longitud que ha progresado la grieta durante este tiempo. Otro ejemplo de ensayo de corta duración es el ensayo de pelado en húmedo. Durante el pelado, se dejan caer de forma constante unas gotas de agua (con algún tensoactivo) que se aplican con una jeringuilla justamente en el vértice de la grieta. Esto puede provocar un fallo inmediato del
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
adhesivo, acompañado de una caída brusca de la resistencia al pelado, tal como se muestra en la siguiente figura para el caso de acero/epoxi.
en un clima constante durante mayor tiempo, de semanas o incluso meses. Este es el caso de los ensayos de uniones a solape simple para el estudio de la degradabilidad en húmedo y en caliente de uniones aluminio/epoxi con distintas preparaciones superficiales.
Fig.8.16: Efecto del tratamiento superficial sobre la durabilidad de uniones aluminio/epoxi sometidas a envejecimiento acelerado en agua a 50º C. Fig.8.14: Ensayo de pelado en húmedo de una unión adhesiva de acero.
Este desplome de la resistencia no se observa en otros casos –como se puede comprobar en la siguiente figura, para el caso de aluminio/epoxi con dos tratamientos superficiales distintos– donde, no obstante, si se pueden distinguir diferencias en el comportamiento frente a este ensayo.
8.5.2 Ensayos a largo plazo Cuando se dispone del tiempo suficiente para realizar ensayos a largo plazo se puede obtener sin necesidad de extrapolar datos el comportamiento de la unión en condiciones de servicio. La siguiente figura muestra la resistencia residual a cortadura de uniones de aluminio/epoxi –distintas
Fig.8.15: Resistencia al pelado en húmedo de uniones de aluminio con diferentes tratamientos superficiales.
Algunos ensayos requieren el almacenamiento
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Fig.8.17: Resistencia a cortadura simple de uniones con epoxi de diferentes aleacione de aluminio, con diferentes tratamientos superficiales, envejecidas en un bosque tropical durante 12 años.
COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LAS UNIONES ADHESIVAS
aleaciones y tratamientos superficiales– que permanecieron hasta 12 años en un bosque tropical. No se da el mecanismo de fallo en cada caso, pero cabe esperar que tras alguno de los cambios bruscos de resistencia se escondan fenómenos de corrosión de la aleación base. Las uniones adhesivas utilizadas en coches, trenes, aviones y particularmente las realizadas en estructuras offshore y en ambientes marinos, se ven expuestas a la acción de la sal y del agua marina. La siguiente figura muestra los resultados de ensayos a largo plazo de uniones aluminio/epoxi sometidas a la acción del ambiente marino. Las diferentes curvas se corresponden a uniones en las que se empleó el mismo tipo de epoxi pero con diferentes cargas. El mejor resultado se obtuvo añadiendo aluminio en polvo como carga, que lograba reducir el coeficiente de dilatación, la contracción del adhesivo durante el curado y disminuir la permeabilidad frente al agua y otros líquidos, lo que se traducía globalmente en un aumento de la durabilidad.
nes que explican este efecto: en primer lugar, un postcurado del adhesivo; en segundo lugar, la entrada de agua redistribuye las tensiones en la línea de encolado, disminuyendo la tensión máxima en el borde. La resistencia a cortadura empieza a caer tras este periodo inicial, alcanzando un mínimo al cabo de 8 meses. Esto es debido a los cambios en la distribución de agua en la línea de encolado y la consiguiente plastificación del adhesivo. El siguiente paso es un incremento de la resistencia hasta el mes 12 aproximadamente, tiempo que se tarda en alcanzar en la línea de encolado una concentración de humedad en equilibrio con el ambiente. Después de los 12 meses se inicia un lento pero constante declive de la resistencia, relacionado con los efectos de envejecimiento a largo plazo y que, en última instancia, controla la durabilidad de la unión. Después de 24 meses, se observa una rápida corrosión que conduce al fallo total de la unión. Un problema es que la corrosión puede comenzar en la línea de encolado y no ser visible desde el exterior. Esto significa que la unión puede ser destruida completamente por corrosión sin apenas ninguna evidencia desde el exterior.
Fig.8.18: Comportamiento de uniones con epoxi de distintos adherentes en ambiente marino.
La siguiente figura muestra un ejemplo más de comportamiento a largo plazo de una unión adhesiva, pero en este caso con explícita mención del tipo de fallo que tiene lugar. Se trata de uniones acero-polipropileno con un adhesivo epoxi de curado en frío y sometidas a un ambiente del 60% de HR y 30ºC de temperatura. Durante los primeros 2 meses de exposición, se observa un incremento de la resistencia a cortadura. Hay dos razo-
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Fig.8.19: Resistencia a cortadura simple y representación de la superficie de fractura para uniones acero/polipropileno.
TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
8.5.3 Comparación de los ensayos a corto y largo plazo Saber a ciencia cierta la fiabilidad de los diferentes métodos de ensayo es siempre difícil y requiere cierta experiencia. El conocimiento de los mecanismos de fallo para asegurarse que serán idénticos en los ensayos acelerados y en los de larga duración es un punto de la máxima importancia. Los ensayos a corto plazo, tales como el pelado en húmedo y el ensayo de cuña, permiten una comparación cualitativa de la estabilidad de la adhesión, pero no se corresponden directamente con el comportamiento a largo plazo de la unión porque sitúan al adhesivo en condiciones tales que se producen tipos de fallo que no son posibles en las condiciones normales de operación. Los procedimientos de envejecimiento que se prolongan durante meses o incluso años proporcionan resultados más fiables, pero aun así requieren experiencia para establecer correlaciones entre dichos ensayos y el comportamiento real durante toda la vida en servicio. La medida de las propiedades mecánicas junto con la observación de los mecanismos de fallo resultan de utilidad para establecer predicciones sobre el comportamiento a largo plazo.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 9: ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES (Manuel Ramos Rey, Loctite España; Eloy Ingraín Caballero, Loctite España y Mario Madrid Vega, Loctite España)
9.1 Dosificación y curado de los adhesivos (Manuel Ramos Rey, Loctite España y Eloy Ingraín Caballero, Loctite España)
9.1.1 Equipos para la dosificación de adhesivos
9.1.1.1 Generalidades Para muchas aplicaciones, la dosificación del adhesivo desde el mismo envase contenedor es el sistema idóneo para ejecutar las adhesiones. Sin embargo, el adhesivo se puede introducir en líneas productivas de fabricación mediante sistemas dosificadores con diferentes grados de automatización. Con ello se pueden conseguir dosificaciones precisas, fiables y reproducibles, de modo que quede asegurada la presencia del adhesivo en
Puede tratarse de aplicaciones de adhesivos monocomponentes, bicomponentes o multicomponentes, sistemas adhesivos con activador, aplicaciones de post-activadores, sistemas de curado UV, empleo de túneles de secado o curado por temperatura. Las posibilidades son muy diversas. .La reología del sistema adhesivo. Según se trate de un adhesivo poco viscoso, muy viscoso o incluso tixotrópico, el equipo empleado puede variar enormemente. Asimismo, existen equipos que eliminan los problemas derivados de la aparición de burbujas de aire durante la dosificación. .El perfil de dosificación. Puede ser una gota, un cordón continuo, un anillo, una pulverización, serigrafía, etc. .La velocidad de dosificación. .La posición en que llegan las piezas. En una línea productiva las piezas van pasando por diferentes estaciones de trabajo, donde se las Fig.9.1: Sistema de dosificación volumétrico.
todas las piezas y la cantidad de adhesivo y el perfil de dosificación se hallen dentro los márgenes preestablecidos. Los sistemas dosificadores que se pueden encontrar en el mercado son muy diversos y su elección depende de: .El tipo adhesivo que se pretende dosificar.
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Fig.9.2: Detalle de una bomba volumétrica con rotor excéntrico.
ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
Fig.9.3: Sistema de dosificación presión - tiempo modular.
dar y es necesario diseñar uno que se adapte a las características particulares de la aplicación.
9.1.1.2 Tipos de sistemas dosificadores de adhesivos En una clasificación muy general, atendiendo al grado de automatización del sistema, podemos hablar de tres familias: 1.Equipos manuales: todas las operaciones precisan de la manipulación por un operario. Ejemplos comunes son las conocidas pistolas manuales de extrusión, las bombas peristálticas de accionamiento manual, las válvulas de pinza y las pistolas termofusibles. 2.Equipos semiautomáticos: precisan del control de un operario, aunque emplean un sistema mecánico o eléctrico para llevar a cabo la dosificación. Pueden incluir, además, otros indicadores que facilitan la manipulación y la dosificación del adhesivo.
realiza diversas operaciones. Es posible que la pieza llegue en una posición tal que obligue a dosificar de abajo a arriba, por ejemplo. .La automatización exigida al equipo dosificador. La variedad es enorme. Existen desde pistolas hasta equipos completamente automatizados, incluso acoplados a brazos de robots, que pueden ser gobernados desde autómatas programables, PC’s, etc. .La detección del adhesivo. Existe la posibilidad de detectar el adhesivo según sale de la válvula dosificadora o una vez dosificado sobre la misma pieza. La variedad de equipos detectores es enorme, y su grado de automatismo se puede también adaptar a las necesidades de cada aplicación. .Criterios económicos. Las características del equipo dosificador se hallan siempre supeditadas al beneficio obtenido. Lógicamente, cuanto mayor es la sofisticación del equipo dosificador mayor es la inversión que se debe realizar en su montaje, sobre todo cuando no hay posibilidad de emplear un equipo están-
Fig.9.4: Ejemplo de tanque presurizado empleado en un sistema de dosificación presión-tiempo.
Fig.9.5: Sistema para dosificación presión tiempo a partir de cartuchos estándar.
3.Equipos automáticos: se pueden insertar en una cadena productiva y manejar de forma automática desde un autómata programable o un PC. Dejando a un lado los sistemas completamente manuales de dosificación, se pueden emplear diversos métodos para impulsar el adhesivo de una forma controlada a través de las conducciones, conexiones y válvulas del equipo mediante: .Sistemas volumétricos: emplean cavidades
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
con volúmenes conocidos para dosificar siempre cantidades reproducibles, independientemente de la reología del adhesivo.
zados. Sólo necesitan una red neumática o una botella de nitrógeno que aporte la presión necesaria para el funcionamiento del sistema y una toma de corriente alterna. Es aconsejable el uso de filtros secadores que mantengan la calidad del aire aportado, ya que éste puede ser una fuente de contaminación del equipo e incluso del propio adhesivo. El control y funcionamiento de válvulas, depósitos y de todos los periféricos correspondientes se lleva a cabo mediante elementos eléctricos y electrónicos. Normalmente, un sistema dosificador consta de un depósito, una válvula dosificadora y una consola de control. Cada una de las partes cumple una función específica. La modularidad de estos componentes permite que el paso de equipos de dosificación manuales a equipos completamente automáticos sea una operación sencilla y rápida.
Fig.9.6: Válvula de pincho manual.
El tipo de depósito viene determinado por la viscosidad del adhesivo a aplicar. Puede lleva acoplado detectores para indicar la cantidad de producto que queda en el envase, de modo que se pueda prever cuándo se consumirá la totalidad del producto. Entre otros, se pueden encontrar los siguientes tipos de depósitos: .Por gravedad. .Calderín a presión. .Depósito con empujador neumático. .Por presión de aire. .Depósito con plato seguidor.
Fig.9.7: Válvula de pincho con actuador neumático.
.Sistemas presión-tiempo: controlando la presión y el tiempo de apertura de válvula se pueden lograr volúmenes también reproducibles. En este caso, la reología del producto debe conocerse con cierta exactitud, puesto que las variaciones en la viscosidad provocarán dosificaciones irregulares. Se debe prestar especial atención a la dosificación de sistemas adhesivos que presenten propiedades higroscópicas, puesto que la absorción de humedad puede provocar variaciones importantes de la reología. Por otro lado, el control de las burbujas de aire es importante, ya que afecta también a la dosificación del producto en estos sistemas.
Los productos de media y baja viscosidad, incluidos los autonivelables, se suelen envasar en botellas y necesitan un depósito a presión. Normalmente, la presión se aplica y mantiene en el interior del depósito, el cual contiene la botella de adhesivo conectada al exterior con un tubo conector. Cuando se permite el paso de producto a través del sistema, la presión hace ascender el producto a través del tubo conector. Los productos de alta viscosidad suelen envasarse en cartuchos para facilitar su dosificación con pistolas. Existen depósitos que aplican presión en la parte posterior del cartucho mediante un empujador neumático y van moviendo el pistón, extruyendo el producto por la boquilla que está conectada al sistema dosificador.
9.1.1.3 Sistemas dosificadores presión-tiempo Los sistemas presión-tiempo son los más utili-
Existen válvulas dosificadoras de muy diversos tipos para fines diferentes. Su control, asimismo,
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ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
puede ser manual o automático, activado desde la propia consola de control:
real de producto. Según la sensibilidad del sistema se puede localizar la aparición de discontinuidades durante la dosificación debidas al arrastre de burbujas de aire a través del sistema dosificador. Pueden ser sistemas visuales o basados en células fotoeléctricas, de fibra óptica, de barrera, etc. .Detección del adhesivo sobre la pieza: son más complejos que los anteriores, pero dan mayor seguridad sobre la correcta dosificación del adhesivo, puesto que lo detectan allí donde debería situarse. Se basan, fundamentalmente, en sistemas de detección de la luz emitida o reflejada por el adhesivo. A este efecto, es común encontrar formulaciones fosforescentes o fluorescentes que facilitan su detección sobre la pieza. Existen también equipos de seguimiento visual o automático mediante cámaras de televisión.
.Válvulas especiales para cianoacrilatos. .Válvulas especiales para siliconas. .Válvulas especiales para anaeróbicos, UV y acrílicos. .Válvulas para dosificar diferentes productos. Acoplados a la válvula dosificadora pueden ubicarse sistemas específicos para la formación de determinados perfiles de dosificación. Estos accesorios asociados pueden ser, entre otros: .Unidades de avance, que se encargan de acercar la boquilla de dosificación a la zona de aplicación del adhesivo. .Unidades de rotación, que hacen girar la boquilla sobre la pieza o la pieza sobre la boquilla durante la dosificación. .Rotorsprays, sistemas que por mediación de la fuerza centrífuga depositan un anillo de adhesivo en el interior de una cavidad. .Robots, para el trazado de perfiles complejos, sobre todo en la dosificación de selladores sobre piezas en grandes cadenas productivas.
9.1.2 Equipos para el curado por luz Los componentes básicos del equipo de los sistemas de curado por luz que se comercializan incluyen los siguientes elementos:
Las consolas son módulos encargados de controlar los parámetros de funcionamiento del sistema y, en el caso de sistemas automáticos, la propia dosificación. Llevan instalados los correspondientes indicadores que señalan las condiciones de trabajo del sistema (presión, tiempo de dosificación, etc.). Además, en el caso de equipos automatizables, constan de las correspondientes salidas acoplables a autómatas programables.
.Fuente de luz (lámpara) .Irradiador (alojamiento de la lámpara y montaje del reflector) .Suministro de energía y controles eléctricos .Protección y refrigeración .Cintas y/o equipos auxiliares
9.1.2.1 La fuente de luz 9.1.1.4 Sistemas detectores En muchas ocasiones es necesario realizar un control sobre la dosificación del adhesivo. De esta forma, se garantiza un correcto posicionamiento del adhesivo en la zona de adhesión antes de su curado. Dos son las posibilidades a la hora de controlar la dosificación del adhesivo: .Detección del adhesivo dosificado a través de la válvula: existen muchos sistemas sencillos y cómodos que permiten detectar si el adhesivo está siendo dosificado o no. Estos sistemas no nos aseguran que el adhesivo esté correctamente ubicado, sino si hay aporte
El corazón del sistema de curado de luz es la lámpara. Existen muchos tipos de lámparas y la selección de una lámpara en particular depende tanto de las necesidades técnicas y de las restricciones económicas. Las dos características más importantes que determinan la eficacia y rapidez del curado de la lámpara son la emisión del espectro y la intensidad.
9.1.2.2 Espectro de emisión El espectro de emisión se define como la intensidad de luz en cada longitud de onda del rango de
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
longitud de ondas emitidas por la lámpara. Para hacer el curado más efectivo, este rango de emisión debe equipararse al rango de absorción del fotoiniciador en el producto. Este principio forma la base del éxito para las aplicaciones de curado por luz. El espectro de emisión determina si una lámpara es adecuada para una aplicación en particular y su eficacia en el curado del producto. La ingeniería básica de la lámpara y las modificaciones hechas en el material del interior de la lámpara (llamado “dopado”), capacitan la elevación de emisión máxima a otras longitudes de onda para crear diferentes patrones de emisión del espectro.
Fig.9.8: Espectro de emisión de una lámpara de luz negra.
Ya que existe cierta máxima de absorción común a muchos sistemas, se encuentra frecuentemente una variedad de lámparas para un producto determinado. Las áreas de absorción de mayor importancia son 254 nm, responsable del curado superficial, 365 nm, la longitud de onda de curado “caballo de batalla”, también eficaz promoviendo el curado en profundidad, y 400-436 nm, donde, en la práctica, absorben los fotoiniciadores utilizados de luz visible. El curado por luz visible es necesario para sustratos opacos a la luz UV y para una gran profundidad de curado. Debido a que la medida del espectro de emisión no es práctica en los entornos industriales, debe conocerse la emisión del espectro del tipo de la lámpara del equipo. Los catálogos del proveedor son la mejor fuente de información.
9.1.2.3 Intensidad La intensidad de la lámpara es definida como la energía total de la misma y es a menudo descrita en vatios. Denominada también densidad de energía, la intensidad se refiere a la energía total de la lámpara a través de todo el espectro electromag-
Fig.9.9: Espectro de emisión de una lámpara de vapor de mercurio de presión media.
nético. La intensidad de la lámpara afecta generalmente a la velocidad de curado de un producto en particular, ya que es uno de los factores determinantes de la cantidad de luz que realmente llega al producto, ej. la luz que induce la reacción química. Es importante distinguir entre la intensidad básica de la lámpara y la intensidad o cantidad de luz en la superficie de trabajo. La cantidad de luz en la superficie de trabajo es definida bien en unidad de intensidad o unidades de energía. La intensidad de la luz en la superficie del producto, descrita por el término irradiación, es una medida de la exposición momentánea y es muy frecuentemente, cuantificada en milivatios por centímetro cuadrado. La energía de la luz en la superficie es una medida de la exposición de intensidad acumulativa (tiempo x intensidad), también denominada dosis, cuantificada como milijulios por centímetro cuadrado) y es sencillo: (MW/CM2 ) X SEGUNDOS = MJ/CM2 En términos generales, un producto de baja
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ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
energía responderá bien a una intensidad aproximada de 25-30 mW/cm2, ocasionalmente inferior, mientras que el curado de alta intensidad se refiere a la zona de 80-100 mW/cm2 y superior.
9.1.2.4 Lámparas de uso industrial Son varios los modelos que se encuentran disponibles para su uso en el curado de adhesivos y selladores. A continuación se describen los más importantes.
9.1.2.5 Lámparas de luz negra Las lámparas de luz negra son un tipo de lámpara fluorescente diseñada para emitir en la zona
Fig.9.10: Espectro de emisión de una lámpara de mercurio de presión alta.
Fig.9.11: Espectros de emisión de diferentes lámparas de vapor de mercurio sin electrodos.
UVA. Como su intensidad es bastante baja, aproximadamente 6 – 10 mW/cm2, tienen un uso limitado en el ámbito de la producción, aunque pueden utilizarse para temas de Control de Calidad o con materiales que curan a muy baja radiación de energía. La emisión del espectro llega al máximo en la zona de 320 nm-400 nm.
9.1.2.6 Lámparas de vapor de mercurio de presión media con electrodos Estas lámparas, denominadas también lámparas de arco, son el caballo de batalla de la industria del curado UV. Combinan la eficacia de curado
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
con la versatilidad del diseño y el coste moderado. Una lámpara del tipo de electrodo, de vapor de mercurio y media presión, consta de tres componentes principales: .Ampolla de cristal de cuarzo .Material de llenado, normalmente argón y una pequeña cantidad de mercurio líquido .Electrodos sellados en los extremos de la ampolla de cuarzo
La intensidad de emisión de una lámpara de vapor de mercurio con electrodos se deteriora por el uso. Tras 1000 horas de uso la potencia se verá reducida en un 15%-25%. Es importante tener en cuenta que debido a que el deterioro de la lámpara es raramente catastrófico, no es fácilmente perceptible. El chequeo regular de la intensidad de la lámpara en la distancia de trabajo es extremadamente importante.
Se aplica alto voltaje a la lámpara a través de los terminales de los electrodos. El campo creado por el voltaje ioniza el argón y produce calor para vaporizar el mercurio, la cual crea una presión de alrededor de dos atmósferas. Esta presión es necesaria para mantener un equilibrio entre la alta intensidad requerida, a la vez que mantiene la emisión del espectro esencial en la zona UV. El arco de vapor de mercurio que se crea muestra una propiedad única de alta emisión de luz en la zona ultravioleta del espectro. En particular, las emisiones intensas se producen en las áreas 240-270 nm y 350-380 nm, que es donde se absorben los fotoiniciadores UV típicos. Esta intensa luz más allá de la zona violeta del espectro visible tiene suficiente energía para interactuar con los fotoiniciadores y producir su rotura, lo que inicia la polimerización. Así mismo se genera algo de luz visible y de radiación infrarroja.
Fig.9.12:Espectros de emisión de diferentes lámparas de haluros metálicos.
Las lámparas de vapor de mercurio del tipo de electrodos están disponibles en diferentes tamaños desde unas pocas pulgadas a cerca de 80 pulgadas de longitud y en varios niveles de energía en una gama de 100 Watios/pulgada a 600 Watios/pulgada. Las lámparas más populares se encuentra en el rango de 200-300 Watios/pulgada. La intensidad sobre la pieza es alta y puede encontrarse en el rango de 100–200 mW/cm2. Una de las desventajas de las lámparas de vapor de mercurio con electrodos consiste en que es necesario un tiempo de calentamiento y enfriamiento. No pueden encenderse y apagarse instantáneamente. Este problema se soluciona de alguna manera cambiando la energía a 1/2 o 1/3, durante los periodos de inactividad. Si la lámpara se mantiene a una emisión reducida, se podrá poner instantáneamente a toda su potencia. Frecuentemente se utiliza un obturador con el ajuste a baja energía para bloquear la luz del área de curado, durante el tiempo de descanso.
9.1.2.7 Lámparas de vapor de mercurio de presión alta Las lámparas de mercurio que generan una más alta presión interna son menos comunes en EEUU, pero encuentran uso en sistemas especializados. Estas lámparas, que pueden ser de forma esférica, son del tipo de electrodos, pero presentan las características de ser portátiles y de rápido
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ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
calentamiento. Los Sistemas de Curado de Puntos por Guía Óptica de Loctite constan de una lámpara de mercurio de presión alta, capaces de generar más de 1600 mW/cm2 en el punto focal de la base de la guía óptica. La energía se conduce a través de una guía de luz líquida hasta el otro extremo.
9.1.2.8 Lámparas de vapor de mercurio sin electrodos Desarrolladas por Fusion Systems Corporation al comienzo de los 80, la lámpara de vapor de mercurio sin electrodos es un tipo único de las lámparas de presión media. En este diseño, el mercurio en una ampolla de cuarzo se vaporiza por la energía de las microondas en lugar de electrodos. Las mayores ventajas respecto a las lámparas con electrodos consisten en la capacidad de apagado y encendido instantáneos, vida del bulbo mucho más larga (garantizada durante 3000-5000 horas) y bulbos de diámetro más pequeño lo que, en combinación con el diseño del reflector da como resultado una mayor eficacia. Con las lámparas de vapor de mercurio sin electrodos, se puede generar una muy alta intensidad en la superficie de trabajo, muy por encima de 150mW/cm2, habilitando una gran velocidad de curado.
Fig.9.13: Tipos de reflectores para el enfoque de luz procedente de la lámpara de curado.
bulbo tipo electrodo de mercurio de presión media. En el bulbo V, la potencia se ha subido significativamente en la región visible, mientras que el bulbo D se ha modificado para tener las características de ambos bulbos. El bulbo D se utiliza frecuentemente para conseguir una buena profundidad de curado. Un bulbo H+ nuevo muestra una mejor emisión en longitudes de onda más cortas, eficaces a la hora de promover el curado superficial. Las desventajas de los bulbos sin electrodos incluyen un importante alto costo, no sólo para el bulbo, sino también para todo el sistema, y limitación en los tamaños de longitud de los bulbos, hay sólo de seis o diez pulgadas. La longitud se ve limitada por el tamaño de los magnetrones necesarios para la generación de microondas, pero las unidades pueden situarse en hileras.
9.1.2.9 Lámparas de haluro metálico Las lámparas de haluro metálico son un tipo de lámpara de arco de mercurio de presión media (con electrodos) en las cuales la emisión del espectro es modificada por la adicción de haluros metálicos al contenido de los bulbos. El dopante más común es un haluro de hierro que mejora la potencia en la región UV. Los haluros de Galio o Indio se usan para elevar la emisión máxima a la región visible. Loctite ofrece dos tipos de lámparas de haluro metálico, a elegir, para uso en los Sistemas de Curado por Luz de Intensidad Media. Estos sistemas son unidades de energía baja a media, aplicando de 20 a 50 mW/cm2 de intensidad en la superficie de la pieza, dependiendo de la distancia desde la fuente. Además, se puede utilizar en el sistema un filtro de cristal Pyrex para eliminar la luz UV de onda corta.
9.1.2.10 Otras fuentes de luz
El dopaje de haluro metálico (se añade haluro metálico al contenido de la lámpara) se utiliza para variar el espectro de emisión de los bulbos. La emisión del bulbo H es más similar a la de un
Una lámpara de Xenon por Pulsos o Xenon Flash, utiliza gas de Xenon y no mercurio para generar radiación UV, visible e infrarrojo. Este equipo, que se utiliza a menudo para curar revestidos de fibra óptica, utiliza un condensador de almacenaje de energía para accionar el sistema de la lámpara 120 veces por segundo, con pulsos de 6-10 microsegundos, para producir impulsos de
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
muy alta energía y picos de potencia tan altos como de un millón de vatios. De las ventajas se dice que son la muy rápida velocidad de curado, la calidad del mismo, excelente penetración en profundidad, baja formación de calor, y capacidad de encendido y apagado instantáneos. Es factible una amplia variedad de configuraciones de lámparas, aunque a un alto coste, superior al de los sistemas sin electrodos, lo cual es una desventaja. Las fuentes de luz láser se utilizan también en la industria. Se dispone de varias fuentes láser, incluyendo el Argón, el Kripton, y el Helio/Cadmio. Esta tecnología se usa frecuentemente para realizar prototipos rápidamente (estereolitografia). Mientras que por un lado las fuentes de láser producen un curado muy rápido, el coste es considerable.
de aire a través de los orificios de ventilación en la parte posterior del reflector, es suficiente. No obstante, existen también sistemas de refrigeración como son: .Refrigeración por agua de la carcasa o reflector de la lámpara .Aire refrigerado entre placas de cuarzo pulido por encima de la superficie de trabajo .Uso de un reflector dicroico o espejo frío El enfriamiento de una lámpara no puede ser indiscriminado. La camisa de cuarzo de una lámpara debe mantenerse a una temperatura de 600º800º. Por debajo de 600º el mercurio se condensará y la lámpara perderá su arco; por encima de 800º, la camisa de cuarzo comenzará a deteriorarse. Los terminales de la lámpara en las de tipo de electrodo debe mantenerse por debajo de los 150ºC para evitar dañar los sellados.
9.1.2.11 El reflector Dependiendo de la aplicación final, podría ser deseable el concentrar o enfocar la energía de radiación sobre el sustrato (por medio de un reflector elíptico) o difuminar o hacer fluir la luz y producir una distribución uniforme de la intensidad de la luz sobre una superficie (se consigue a través de un reflector parabólico). Los reflectores parabólicos irradian luz sobre el área de curado más amplio posible. Así mismo, una luz enfocada produce mucho más calor, lo que podría afectar adversamente al sustrato. Cuando se enfoca luz, la colocación de la pieza se convierte en algo crítico ya que la intensidad decae considerablemente al aumentar la distancia desde el punto focal. Una alternativa es la luz desenfocada. Esto ofrece intensidades de luz razonablemente altas, y de alguna manera, amplias áreas de curado utilizando luz enfocada, y situando el sustrato más allá del punto focal.
9.1.2.12 La refrigeración Incluso la luz ultravioleta de vapor de mercurio realizada más a la medida, produce alguna energía infrarroja o de calor. El calor generado debe eliminarse, no sólo para proteger la lámpara, sino para prevenir daños en el caso de que piezas térmicamente sensibles estén siendo procesadas. Frecuentemente, la refrigeración por circulación
9.2 Seguridad e Higiene (Mario Madrid Vega, Loctite España)
9.2.1 Seguridad e Higiene de los adhesivos
9.2.1.1 Potencial y peligrosidad real Una sustancia peligrosa es aquella que puede causar lesiones o daños. Puesto que el “riesgo potencial” es una cualidad inherente a todas las sustancias, debe acordarse un grado de peligrosidad derivada de su uso. La detección y control de la peligrosidad puede ser difícil, pero es obvio que cualquier sustancia manipulada sin precauciones puede acarrear un riesgo a la salud, a la seguridad, a los bienes o al medio ambiente. La peligrosidad real de una sustancia no sólo depende de su peligrosidad potencial, sino también de las condiciones de uso: el entorno, las cantidades y concentraciones, el grado de subdivisión y de dispersión, la presencia o ausencia de otras sustancias, la temperatura, la presión, el operario que la manipula, las precauciones tomadas para su manipulación, etc., aparte de los temas relacionados con los posibles riesgos futuros de tal sustancia.
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ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIÓN DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES
La peligrosidad de una sustancia debe ser determinada para poder realizar un control correcto sobre los posibles riesgos presentes y futuros derivados de su uso.
9.2.1.2 La regulación sobre materiales peligrosos Durante los últimos años se ha desarrollado de forma extensa un conjunto de reglamentos sobre el uso y almacenaje de sustancias químicas, entre las que están incluidas los adhesivos. Estas normas trascienden en muchos casos el ámbito nacional, sobre todo en aquéllas en las que se involucra el medioambiente. Existen reglamentos concretos que regulan las condiciones de Seguridad e Higiene mínimas requeridas para asegurar la calidad del ambiente de trabajo. Tales reglamentos prohiben tajantemente aquellas sustancias que en las condiciones en las que son manipuladas pueden producir trastornos físicos sobre los operadores, ya sea por exposiciones puntuales o por exposiciones periódicas. Hay también reglamentos que regulan el transporte de sustancias peligrosas o tóxicas, definiendo claramente las categorías según el tipo y la magnitud de los riesgos, y los sistemas de transporte, medios de envasado y rutas de transporte que tales sustancias deben seguir para minimizar tales riesgos. Otros reglamentos preservan el medioambiente de la emisión de agentes contaminantes, bien sea por su carácter tóxico intrínseco, bien sea por los efectos secundarios que puedan producir sobre el hombre, sobre los ecosistemas, sobre la atmósfera o sobre bienes materiales. Tales sustancias sólo pueden hallarse en el medio ambiente por debajo de los límites de concentración establecidos. Se regula también el vertido de residuos al entorno. El desarrollo de estas regulaciones es el resultado de la demanda de la sociedad de tales medidas que la industria no emprende por sí misma, por falta de incentivo económico. En la actualidad la inversión dedicada a la investigación en este terreno es cada vez mayor. La Agencia de Seguridad e Higiene del
Trabajador de los E.E.U.U. (Occupational Safety and Health Agency, O.S.H.A.) comenzó los primeros trabajos regulatorios sobre la Seguridad e Higiene en los ambientes de trabajo. Las recomendaciones de “buenas prácticas” (good practice) fueron establecidas por este organismo y han sido internacionalmente aceptadas por la mayoría de los países.
9.2.1.3 Información sobre sustancias peligrosas: establecimiento de los niveles de riesgo toxicológico A través de los siglos se ha ido heredando información sobre la peligrosidad de las sustancias. Existe una enorme cantidad de literatura sobre Seguridad, Higiene y Riesgos Medioambientales procedente de ramas del saber tan diferentes como la Medicina, la Ciencia o la Tecnología. Un problema fundamental es la identificación y la determinación de los límites de riesgo de las sustancias. Los datos obtenidos de la exposición de seres humanos a las sustancias estudiadas son las que mejor describen las cuestiones de Seguridad e Higiene. Los estudios epidemiológicos muestran los efectos que una sustancia tiene sobre una población determinada. A menudo no pueden establecerse relaciones reales entre la sustancia y el efecto negativo sobre la población estudiada. Los estudios epidemiológicos son de dos tipos: 1.Estudios de enfermedad. 2.Estudios de mortandad. En ausencia de datos referentes a seres humanos, los laboratorios realizan estudios sobre los efectos en animales siguiendo procedimientos establecidos. Los datos obtenidos se emplean para indicar posibles riesgos de toxicidad sobre el ser humano. Los estudios más antiguos se suelen referir mayormente a efectos letales agudos sobre un grupo de animales a los cuales se suministra una dosis única o, en su defecto, se los expone durante un corto período de tiempo a la sustancia en cuestión. Al cabo de dos semanas se observa el nivel de mortandad. De este modo se llega a obtener la dosis letal media LD50 o la concentración letal media LC50, que no es mas que la dosis o la concentración que mataría al 50% de la población ensayada en ese período definido de tiempo.
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Los estudios sobre toxicidad crónica se llevan a cabo por mediación de ensayos durante largos períodos de tiempo (de años de duración) y en poblaciones mayores de animales. También se llevan a cabo ensayos sobre generaciones sucesivas para determinar efectos genéticos y efectos intrauterinos en la descendencia. Asimismo, se realizan ensayos sobre la generación de enfermedades del hígado, riñones, corazón, pulmones, etc. y de carcinogénesis (desarrollo de cáncer) y teratogénesis (daños en el feto). Los defectos de estos ensayos son la variación de la sensibilidad de una especie a otra y las diferencias dependientes del camino de entrada de la sustancia. Todos estos estudios pueden llegar a ser enormemente caros, sobre todo si se realizan de un modo completo y exhaustivo.
9.2.1.4 Evaluación de los riesgos toxicológicos: el TLV Al finalizar la II Guerra Mundial la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH = American Conference of Governmental Industrial Hygienists) estableció las líneas generales para la evaluación de los límites de concentración atmosférica de una sustancia a los que podía ser expuesto un operario. Desde 1974, la ACGIH comenzó a publicar anualmente los TLV’s (Threshold Limit Value o Valor Límite Umbral), también denominados 8-hr TWA’s (8-hour Time Weighted Averages o Valores Medios expresados en Peso medidos para exposiciones diarias de 8 horas). El TLV se define como la exposición en el ambiente de trabajo a una sustancia concreta en el aire que puede soportar un trabajador durante de toda su vida profesional (8 horas al día, 5 días a la semana) sin ningún efecto negativo relevante para su salud. Por supuesto, hay que dejar bien claro que los TLV’s no son aplicables cuando existen vías adicionales de acceso del tóxico al operario (ingestión o absorción a través de la piel), entra en juego un segundo agente tóxico o la persona expuesta es hipersensible. En 1970 los TLV’s de cientos de sustancias de la edición de la ACGIH de 1968 fueron adoptados como requerimientos legales en cuanto a Seguridad e Higiene y pasaron a denominarse PEL’s (Permissible Exposure Limits o Límites de Exposición Permisible).
9.2.1.5 Seguridad e Higiene de los adhesivos Los mayores riesgos toxicológicos y medioambientales provienen sin lugar a duda de los adhesivos en base solvente. Estos adhesivos emiten al ambiente de trabajo vapores de disolventes orgánicos que presentan problemas de toxicidad, de inflamabilidad y producen daños en la atmósfera terrestre. La legislación restringió en su momento el uso de los CFC’s (Chlorine Fluorine Carbon o Cloro Fluoro Carbonado), gases muy estables que llegaban a las más altas capas de la atmósfera y allí eran oxidados por el ozono presente. El resultado es la degradación de la capa de ozono, responsable de preservar a la superficie terrestre de la llegada de la dañina radiación ultravioleta proveniente del sol. En una segunda partida se está prohibiendo paulatinamente el uso de los VOC’s (Volatile Organic Compound o Compuesto Orgánico Volátil), compuestos que por un lado se acumulan en las capas bajas de la atmósfera, creando el conocido “efecto invernadero” o reaccionando en presencia de la radiación UV solar para generar ozono, el cual es tóxico. La mayoría de los disolventes empleados actualmente en estos adhesivos entran dentro de esta segunda partida. Las resinas epoxi más extensamente empleadas derivan de la epiclorhidrina y del bisfenol-A, y son líquidos o sólidos no irritantes relativamente exentos de riesgos para la salud. Esto se debe a que son resinas insolubles en agua o fluidos corporales, porque tienen presión de vapor casi nula y porque las formulaciones actuales evitan que queden restos de epiclorhidrina potencialmente peligrosa sin reaccionar. Existen, no obstante, ciertos componentes que pueden ser empleados en los epoxis y que son potencialmente peligrosos para la salud. Por ello nos debemos remitir a las Hojas de Seguridad e Higiene de cada producto comercial para conocer su toxicidad potencial. Los prepolímeros de uretano, por su naturaleza química, contienen grupos isocianato. Tanto el TDI como el MDI tienen sus correspondientes límites de concentración en el aire. Normalmente las concentraciones obtenidas en las zonas circundantes a la dosificación de poliuretanos son muy inferiores a los límites establecidos por la OSHA (Occupational Safety and Health Agency), pero se recomienda medir la concentración de isocianato en el aire, sobre todo en áreas de uso masivo.
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El uso de ácido acrílico está limitado en los
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adhesivos acrílicos, debido a los riesgos toxicológicos de inhalación de sus vapores y de inflamabilidad del producto líquido. No obstante, las formulaciones actuales presentan concentraciones tan bajas de este producto que no precisan de etiquetas identificativas de riesgo de tipo alguno. Ningún adhesivo anaeróbico es tóxico o inflamable. Presentan olores poco apreciables y sólo precisan de ventilación especial cuando se emplean activadores en base solvente o cuando se emplean disolventes clorados como limpiadores. Algunos son irritantes de la piel y los ojos por lo que requieren de las medidas de higiene más básicas empleadas con la mayoría de los aceites o productos químicos. Debido a la rápida polimerización de los cianoacrilatos es imposible determinar su toxicidad. Una vez curados no representan ningún riesgo toxicológico. Los vapores, no obstante, irritan los ojos y las mucosas por lo que se recomienda su uso en áreas abiertas o ventiladas. Los cuidados sobre la manipulación de los “hotmelt” cuando se hallan en estado fundido se limitan a los debidos a riesgos de quemaduras. Cuando se trabaja con máquinas a presión se recomienda el uso de protección para los ojos y de un vestuario adecuado. Las siliconas RTV sin curar son reactivos químicos que pueden generar subproductos capaces de irritar la piel u otras membranas sensibles (ácido acético, etanol, aminas, etc.). El producto curado es prácticamente bio-inerte.
9.2.2 Seguridad e Higiene de los equipos empleados en las técnicas de curado por luz Los peligros sobre las personas que se pueden derivar del curado por luz UV y luz visible son de cuatro tipos: .Emisión ultravioleta .Formación de ozono .Alto voltaje y alta temperatura .Manipulación del bulbo
9.2.2.1 Emisión ultravioleta Aquí, la primera preocupación es el potencial de quemaduras por radiación debido a la exposición a la luz UV de alta intensidad. La energía asociada a la luz UV no es suficiente para penetrar en el cuerpo e interactuar con el tejido, por lo que no produce efectos fisiológicos importantes asociados a la radiación atómica. No obstante, la exposición a la luz UV y visible de alta intensidad (que contiene luz UV) pueden producir graves daños a la piel y los ojos. Los efectos finales de estos daños fotoquímicos los determinan tanto la dosis como el tiempo de exposición. Prevalece más el daño biológico en exposiciones de longitud de ondas inferior a 325 nm (regiones UVB y UVC). Aunque la banda de emisión principal de una lámpara de vapor de mercurio de presión media es de 365 nm, también se producen emisiones fuertes a 313 y 254 nm, por lo que resulta necesario tratar esta popular fuente de luz con mucha precaución.
9.2.2.2 Quemaduras UV en la piel y en los ojos Al contrario de las quemaduras térmicas, que se sienten inmediatamente, las quemaduras UV no se sienten hasta haber transcurrido varias horas. Incluso una corta exposición a alta intensidad de luz UVB y UVC pueden ocasionar graves quemaduras en la piel y los ojos. Las quemaduras en la piel aparecen generalmente como enrojecimiento 3 o 4 horas después de la exposición, y alcanzan su grado máximo cerca de 12 horas después de la exposición. Los enrojecimientos tardan de 2 a 7 días en desaparecer. Las quemaduras UV en los ojos producirán ampollas y pelado en la córnea de los mismos, produciendo al afectado la sensación de tener arena en los ojos (de aquí también el término “resplandor de la soldadura”). Este tipo de daño se hace evidente normalmente a las 6 o 12 horas después de la exposición, pero puede brotar tan pronto como a las 2 horas o tan tarde como a las 24 horas tras la exposición. Los síntomas pueden ser muy dolorosos, pero normalmente son pasajeros y la recuperación está típicamente dentro de las 48 horas. La exposición a luz UVA puede también contribuir a la formación de cataratas.
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
9.2.2.3 Equipo de protección Para una máxima seguridad personal deberán protegerse siempre la piel y los ojos. Los equipos protectores incluyen gafas adecuadas, máscaras faciales, ropa y material de protección opaco a UV. Debe también evitarse el primer golpe de radiación.
descompone rápidamente en oxígeno. En los sistemas de curado UV bien diseñados no son necesarios equipos adicionales, ya que esto se consigue vía el flujo de aire que se utiliza para refrigerar. Otra forma consiste en eliminar la generación de ozono evitando la producción de energía de onda corta, bien añadiendo óxidos al cuarzo, o dopando de metal el contenido de la lámpara. Esto podría ser menos deseable sin embargo, ya que la velocidad de curado podría verse reducida también.
9.2.2.4 Límites de exposición Debido a estos serios efectos sobre la piel y los ojos, se han establecido unos límites de exposición permisibles tanto por la Conferencia Americana de los Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) como por el Instituto Nacional de Salud y Seguridad en el Trabajo (NIOSH). Las normas NIOSH para los ojos y la piel desprotegidos durante ocho horas al día son: .Exposición efectiva total máxima 0.1 W/cm2 a longitud de ondas en el rango de 200- 315 nm. .Exposición efectiva total máxima 1.0 mW/cm2 a longitud de ondas en el rango de 315 – 400 nm. Puede utilizarse un medidor de potencia UV estándar para controlar niveles UV en varias áreas.
9.2.2.5 Exposición al ozono El ozono es un gas incoloro con un fuerte olor, que está presente al nivel del mar en 0,05 ppm de concentración. A veinte veces esa concentración (1 ppm), el ozono puede irritar los ojos y el sistema respiratorio y producir dolor de cabeza. El ozono se genera cuando longitudes de onda muy cortas (184 nm) pasan a través del revestimiento de cuarzo puro de las lámparas UV interaccionando con el oxígeno. La producción de ozono prevalece en mayor medida durante el inicio de encendido de la lámpara. Las regulaciones OSHA requieren que las concentraciones de ozono se mantengan por debajo de 0.1 ppm.
Existen equipos sencillos y baratos para inspeccionar los niveles de ozono. El uso más extendido consiste en una bomba de mano conectado a un vial de cristal que contiene una solución química y que cambia de color al exponerlo al ozono. El cambio de color puede convertirse a ppm mediante un gráfico que se suministra con el sistema.
9.2.2.6 Alto voltaje y alta temperatura Pueden utilizarse anexos adecuados para componentes de alto voltaje. Así mismo, deben tomarse precauciones de sentido común en relación a la altísima temperatura del bulbo.
9.2.2.7 Manipulación de la lámpara Las lámparas UV deben manejarse con guantes de algodón, nunca con las manos al descubierto, ya que las huellas digitales podrían contaminar el cuarzo, y disminuir la eficacia del bulbo y su vida útil. Si se rompe, podría resultar dañino, ya que el mercurio del bulbo, aunque en muy pequeña cantidad, es venenoso. Es una buena idea invertir en un kit de limpieza de derrames de mercurio. Al igual que con muchos otros procesos industriales deben observarse precauciones de seguridad en el uso de la tecnología de curado UV. Formando adecuadamente al operario y con un buen diseño del equipo y control, los daños pueden minimizarse y llevar a cabo procesos de producción a unos costes eficaces.
La forma más fácil de proteger a los trabajadores de altos niveles de ozono se consigue ventilando la zona hacia al exterior, donde el ozono se
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TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN
TEMA 10: GLOSARIO DE TÉRMINOS (Información basada en la norma UNE PNE-EN 923 sobre “Adhesivos, Términos y Definiciones”)
Acelerante: substancia usada en pequeña proporción para aumentar la velocidad de una reacción química. Acetato de polietileno-vinilo (EVA): material termoplástico producido por copolimerización del etileno y del acetato de vinilo. Acetato de polivinilo (PVAC): gama de materiales termoplásticos en forma de dispersiones o de resinas producidos mediante polimerización del acetato de vinilo como monómero único o principal. Activación por calor; reactivación por calor: uso de calor para instaurar o restaurar las propiedades adhesivas de una capa adhesiva seca. Activación por disolvente; reactivación por disolvente: uso de disolvente para instaurar o restaurar las propiedades adhesivas de una capa adhesiva seca. Activación; reactivación: instauración o restauración de las propiedades adhesivas de una capa adhesiva seca. Adherente: objeto que está, o se pretende que esté, unido a otro objeto. Adhesión: estado en el que dos superficies son mantenidas juntas mediante uniones interfaciales. Adhesión específica: adhesión de dos superficies debida a fuerzas intermoleculares. Adhesión mecánica: adhesión de dos superficies mediante un adhesivo una vez fraguado, debida a la fijación del adhesivo a las asperezas de las superficies y a su absorción por los substratos porosos durante la aplicación. Adhesivo: substancia no metálica capaz de unir materiales mediante el pegado de las superficies (adhesión), y manteniendo la unión una resistencia interna adecuada (cohesión). Adhesivo anaeróbico: adhesivo que reticula en ausencia de oxígeno. La reticulación se inhibe en presencia de oxígeno y se cataliza con iones metálicos. Adhesivo autorreticulable: adhesivo que reticula, una vez aplicado, bajo condiciones específicas. Adhesivo bicomponente: adhesivo constituido por dos componentes reactivos que deben mezclarse entre sí antes de su aplicación. Adhesivo conductor: adhesivo especialmente diseñado para evitar cualquier acumulación de carga eléctrica o para permitir el paso de una corriente eléctrica. Adhesivo conteniendo disolventes; adhesivo en solución; adhesivo de base disolvente: adhesivo en
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el cual el ligante está disuelto en un disolvente orgánico volátil. Adhesivo de alta tenacidad: adhesivo cuya estructura física limita la propagación de grietas. Adhesivo de aplicación separada: adhesivo consistente en distintos componentes, los cuales se aplican separadamente sobre las superficies a encolar. Adhesivo de base acuosa; adhesivo acuoso: adhesivo en el cual el disolvente, o bien la fase continua es agua. Adhesivo de contacto: adhesivo que se aplica a las dos superficies a pegar y que cuando aparece aparentemente seco, proporciona una unión sólida instantánea al presionar fuertemente, pero no de forma sostenida. Adhesivo de doble encolado: adhesivo para encolado a dos caras: adhesivo que se aplica sobre las dos superficies a encolar. Adhesivo de fraguado en frío (cola fría, no recomendado): adhesivo que fragua sin necesidad de aportar calor. Adhesivo de fraguado por calor: adhesivo que fragua solamente si se aporta calor. Adhesivo de reactividad química; adhesivo reactivo: adhesivo que fragua por la reacción química de sus componentes y/o por la acción de agentes externos. Adhesivo de relleno: adhesivo diseñado para rellenar zonas vacías entre superficies desiguales. Adhesivo de reticulación en caliente: adhesivo que solamente reticula si se aporta calor. Adhesivo de reticulación en frío: adhesivo que reticula sin aporte de calor. Adhesivo en dispersión: adhesivo consistente en una dispersión estable de un polímero en una fase líquida continua, generalmente agua. Adhesivo en emulsión: adhesivo consistente en una emulsión estable de una resina hidrófoba líquida en agua. Adhesivo en pasta: adhesivo de alta viscosidad, capaz de fluir. Adhesivo encapsulado: adhesivo en el cual partículas o gotas del adhesivo, o de uno de sus componentes, están envueltas por una película protectora (microcápsula) normalmente para prevenir reacciones de reticulación hasta que la película se destruye por los medios adecuados. Adhesivo espumable: adhesivo concebido para espumar in situ, una vez aplicado, con el fin de llenar espacios vacíos importantes, Adhesivo libre de disolventes: adhesivo prácticamente exento de disolventes orgánicos. Adhesivo mezcla madre: cantidad de un adhesivo determinado (o de un componente del adhesivo) que se elabora en un emplazamiento específico y en condiciones definidas y uniformes, limitadas en el tiempo. Adhesivo monocomponente: adhesivo a punto de empleo.
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Adhesivo multicapa: película adhesiva constituida por adhesivos de distinta composición en cada cara. Adhesivo multicomponente: adhesivo constituido por dos ó más componentes reactivos separados, que deben mezclarse entre sí antes de su aplicación. Adhesivo para encolado a una cara: adhesivo que se aplica solamente sobre una de las superficies a encolar. Adhesivo plastisol: material adhesivo obtenido por dispersión de un polímero en un plastificante de forma que, cuando se calienta la dispersión, el polímero se disuelve irreversiblemente en el plastificante para constituir una solución que solidifica cuando se enfría. Adhesivo pulverizable: adhesivo apto para ser proyectado en forma de pequeñas partículas mediante un dispositivo de pulverización. Adhesivo reactivable con disolvente: adhesivo preaplicado sobre una de las superficies a pegar que se vuelve pegajoso inmediatamente antes de utilizarlo mediante la aplicación de un disolvente. Adhesivo reactivable por calor: adhesivo preaplicado sobre las superficies a pegar y que presenta pegajosidad antes del pegado mediante aplicación de calor y permite el pegado por enfriamiento bajo presión. Adhesivo reticulable por humedad: adhesivo que reticula por la reacción con el agua ambiental o con el agua que contiene la superficie a pegar. Adhesivo sensible a la presión: adhesivo que en estado seco presenta una pegajosidad permanente a temperatura ambiente y que pega fácilmente bajo la acción de una ligera y breve presión. Adhesivo termoencolante: adhesivo preaplicado sobre una, o ambas, superficies a pegar que se activa por acción de calor y permite el pegado al enfriarse. Adhesivo termofusible: adhesivo que se aplica en estado fundido y que proporciona una unión estable al enfriarse y alcanzar el estado sólido. Agente antiadherente: revestimiento destinado a dificultar o impedir la adhesión. Agente de reticulación: substancia que provoca, inicia ó regula la formación de enlaces intermoleculares covalentes o iónicos para dar lugar a una red molecular tridimensional. Alargamiento: aumento de la longitud de una probeta sometida a un esfuerzo de tracción. Alcohol polivinílico (PVAL): material termoplástico producido por hidrólisis del acetato de polivinilo. Almidón: carbohidrato vegetal que se presenta en forma granular en ciertos vegetales y que corresponde a un polímero compuesto casi exclusivamente por grupos anhidroalfa-D-glucosa. Antiadherente: propiedad de una superficie para rechazar a los adhesivos o que tiene el efecto de un agente antiadherente. Antioxidante: substancia utilizada para retardar la degradación provocada por la acción del oxígeno. Aplicación de precapa (primer): aplicación de un revestimiento (primer) a la superficie de un objeto
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a pegar previamente a la aplicación del adhesivo para mejorar la adhesión y/o la durabilidad de la unión. Aplicador: dispositivo que permite la aplicación controlada de un adhesivo. Apretar: mantener bajo presión una capa adhesiva por medio de bridas de fijación durante el fraguado del adhesivo. Autoclave: recipiente en el interior del cual pueden crearse condiciones controladas de presión y temperatura. Betún; asfalto: líquido extremadamente viscoso o sólido, que consiste esencialmente de hidrocarburos y sus derivados. Bolsa de vacío: bolsa flexible en 1a que puede aplicarse presión a un conjunto situado en su interior, haciendo el vacío. Burlete: porción de adhesivo que aparece en la parte externa de los bordes de los materiales pegados. Canteado: unión obtenida al pegar dos hojas borde contra borde. Capa adhesiva: capa de un adhesivo aplicada sobre un adherente. Capacidad de pegado: capacidad de un substrato para formar una unión de determinadas características con un adhesivo dado bajo condiciones especificadas. Carga: sólido en partículas que puede mejorar las propiedades de elaboración, la estabilidad, la resistencia a la rotura u otras propiedades del adhesivo. Carga de rotura: fuerza necesaria para romper una unión, independientemente del tipo de rotura. Catalizador: substancia generalmente utilizada en pequeña proporción, que modifica la velocidad de una reacción química y que, teóricamente, permanece inalterada al final de la reacción. Caucho butilo (llR): gama de cauchos sintéticos obtenidos por copolimerización del isobutileno y del isopreno (2-metil butadieno). Caucho ciclado: derivado isómero del caucho natural, obtenido por diversidad de tratamientos químicos. Caucho clorado: polvo blanco o producto fibroso obtenido mediante cloración controlada del caucho natural. Caucho cloropreno (CR); policloropreno: gama de cauchos sintéticos basados en el 2-cloro-1,3butadieno polimerizado. Caucho copolímero de estireno-butadieno-estireno (SBSR): gama de cauchos sintéticos obtenidos por copolimerización de estireno y butadieno constituidos por bloques de estireno y butadieno ordenados linealmente. Caucho de butadieno-acrilonitrilo (NBR): caucho nitrilo; nitril-butadieno: gama de cauchos sintéticos obtenidos por copolimerización del 1,3-butadieno y del acrilonitrilo. Caucho de butadieno-estireno (SBR): gama de cauchos sintéticos de aplicación general o de resinas obtenidos por copolimerización del 1,3-butadieno y del estireno.
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Caucho natural (NR): material sólido que presenta características de elasticidad, obtenido a partir del Hevea brasiliensis. Cemento hidráulico: material adhesivo inorgánico que fragua y endurece por medio de una interacción química con agua y que también puede presentar este comportamiento sumergido en agua. Cera (sintética): gama de hidrocarburos alifáticos sólidos, de baja masa molecular, que funden cuando se calientan. Cera carnauba: cera natural producida por las hojas del árbol de cera del Brasil (Capemica cerífera). Cianoacrilato monómero: tipo especial de éster acrílico monómero que tiene la fórmula general CH2=C(CN)-COOR. Cinta adhesiva a dos caras: cinta adhesiva encolada a dos caras: cinta en la que el adhesivo ha sido aplicado en las dos caras del soporte. Cinta adhesiva transferible: soporte recubierto de un adhesivo sensible a la presión de forma que, una vez aplicado sobre el substrato, permite retirar el soporte permaneciendo solamente el adhesivo. Cinta adhesiva: adhesivo sensible a la presión, rehumectable ó activable por calor, que está depositado sobre un soporte flexible o sobre un soporte rígido. Cloruro de polivinilo (PVC): gama de materiales termoplásticos producidos por polimerización del cloruro de vinilo. Cloruro de polivinilo clorado: material granular obtenido por cloración del cloruro de polivinilo. Coalescencia: fusión de las superficies de un sistema. Cohesión: estado que tiende a asociar entre ellas a las partículas de una substancia mediante fuerzas de valencia primarias o secundarias. Cola: adhesivo acuoso especialmente diseñado para el pegado de madera o de otros substratos porosos. Colofonia: compuesta básicamente por ácido abiético y sus isómeros, que constituyen los residuos obtenidos en la destilación de la trementina bruta proveniente de la savia del pino o de los extractos de los tocones o de otras partes del árbol. Consistencia: propiedad de un material para resistir cualquier cambio permanente de forma. Contenido en humedad de equilibrio: nivel de humedad para el que el contenido en humedad de un adherente no varíe si se le somete a condiciones determinadas y constantes de humedad y temperatura. Contenido sólido: porcentaje en masa de materia no volátil de un adhesivo, determinada bajo condiciones específicas. Copolímero: polímero obtenido a partir de más de un tipo de monómero. Cortadura: modo de solicitación que actúa en el plano de pegado de una unión. Cuchilla: dispositivo rascador existente en algunos equipos de aplicación que permite regular la cantidad de adhesivo sobre el rodillo encolador o sobre las superficies a recubrir.
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Deformación: cambio relativo de una dimensión de un cuerpo respecto a la dimensión inicial, provocada por la acción de una fuerza. Delaminación: separación de las capas de un estratificado por rotura del adhesivo, bien sea en el interior del adhesivo propiamente dicho o en la interfase con el objeto a pegar. Densidad aparente: masa de un determinado volumen de material en polvo o granulado medida bajo condiciones de ensayo específicas. Densidad: masa de la unidad de volumen. Desgarro: modo de solicitación de una zona de pegado que une dos adherentes rígidos, que no es uniforme sobre toda la superficie y que presenta un esfuerzo concentrado en un borde. Deslizamiento: desplazamiento entre los objetos a pegar durante el proceso de pegado. Deslizamiento en frío: deformación de una capa adhesiva (o de una película) a la temperatura ambiente, sin esfuerzo externo. Dextrina: almidón modificado preparado a partir de almidón mediante tratamiento térmico en estado seco, con o sin adición de pequeñas proporciones de agentes químicos. Dilatancia: aumento del volumen debido a la cortadura. Diluyente: líquido cuya única función es reducir la concentración de materia seca y la viscosidad de un adhesivo. Diluyente reactivo: 1íquido de baja viscosidad incorporado a un adhesivo de alta viscosidad y exento de disolventes, que reacciona químicamente con el adhesivo durante el fraguado. Disolvente: líquido o mezcla de líquidos que se utilizan en la producción de adhesivos para disolver ó diluir el ligante sin producirle cambios químicos. Distribuidor de presión: folio de material deformable ó resiliente que, una vez colocado entre el conjunto a pegar y el dispositivo de presión, o entre los conjuntos apilados, ayuda a proporcionar una aplicación uniforme de la presión sobre la superficie a pegar. Doble solapamiento: unión conseguida al colocar una parte de uno o de dos objetos a pegar sobre una parte de otro o de otros dos objetos a pegar para unir solamente las partes superpuestas. Ductilidad: tensión aplicada a una unión por cuyo motivo se observa una deformación permanente de la unión. Duración de la fatiga: número de ciclos de esfuerzo necesarios para provocar la rotura de una unión cuando el pegado se somete a esfuerzos cíclicos repetidos, en condiciones especificadas. Eflorescencia: velo blanco que puede aparecer en la superficie de un adhesivo. Elasticidad: propiedad de un material que tiende a recuperar sus dimensiones originales al ser retirado el esfuerzo. Elastómero: material macromolecular que recupera rápidamente y aproximadamente sus dimensiones iniciales cuando cesa la aplicación de una fuerza débil que ha producido una deformación importante a la temperatura ambiente.
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Empalme: unir dos objetos adyacentes. Emulsificante; agente de emulsión; dispersante: substancia tensoactiva que provoca y mantiene la dispersión de dos líquidos no miscibles totalmente, o de un sólido en un líquido, reduciendo la tensión superficial entre las dos fases. Encolador de cortina: máquina para la aplicación rápida de adhesivo líquido sobre un substrato en la que éste se hace pasar a través de una película continua descendente de adhesivo (cortina). Ensamblado: conjunto de partes que han sido colocadas juntas para el pegado o que han sido pegadas. Ensayo de aplicación: ensayo que permite evaluar el comportamiento de una unión en las condiciones de servicio. Ensayo de envejecimiento acelerado: ensayo de corta duración, diseñado para simular los efectos de las condiciones de servicio a largo plazo. Espesamiento por cortadura: aumento de la viscosidad aparente a medida que aumenta la velocidad de deformación, en condiciones de fluido estables. Estabilizante: substancia utilizada en un adhesivo para contribuir al mantenimiento de las propiedades del adhesivo durante el almacenamiento y aplicación, así como el de las uniones bajo las condiciones de utilización. Estañado: rigidez de los objetos a pegar flexibles que aparece una vez que estos han sido presionados contra la capa adhesiva. Éster de almidón: almidón modificado en el cual los grupos hidroxilo del almidón han sido total ó parcialmente esterificados. Ésteres de celulosa: productos de la esterificación de ciertos grupos hidroxilo de la macromolécula de celulosa con ácidos orgánicos o inorgánicos. Estratificado: producto obtenido al pegar entre si dos o más capas de un material o materiales. Estratificado en cruz; estratificado cruzado: proceso según el cual algunas capas de material están orientadas en ángulos respecto a las otras capas, según la dirección de las fibras o de una propiedad anisótropa. Estratificado paralelo: estratificado en el que todas las capas de material están orientadas de forma aproximadamente paralela con respecto a la fibra o a alguna propiedad anisótropa. Estratificar: proceso de preparación de un estratificado. Estructura fibrosa; rotura fibrosa: propiedad de un adhesivo que forma estructuras fibrosas o forma filamentos o hilos cuando se separan las superficies a las que se ha transferido. Estructura seca; rotura seca: cualidad de un adhesivo que no hace fibras, no forma pelusa, y no hace hilos ni filamentos durante su aplicación. Éter de almidón: almidón modificado en el que los grupos hidroxilo del almidón han sido total o parcialmente eterificados. Éteres de celulosa: productos de la eterificacion de ciertos grupos hidroxilo de la macromolécula de
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celulosa. Extensión de adhesivo; gramaje: cantidad de adhesivo ap1icada por unidad de superficie de un substrato. Flexibilizante; plastificante interno: co-reactante que, cuando se incorpora a un polímero, le confiere mayor flexibilidad y resiliencia. Fluencia bajo carga: deformación elástica lenta de una capa adhesiva sometida a una carga, que se produce después de la deformación elástica instantánea inicial o consecutivamente a una deformación rápida. Fluidificación por cortadura: disminución de la viscosidad aparente a medida que aumenta la velocidad de deformación, en condiciones de fluido estables. Fluido newtoniano; liquido ideal: líquido caracterizado por un valor constante de la relación entre el esfuerzo de cortadura dividido por la velocidad de deformación a cortadura, en condiciones simples de fluido y con diferencias nulas en las fuerzas normales. Fluido no-newtoniano; liquido no-ideal: líquido caracterizado por un valor no constante de la relación entre el esfuerzo de cortadura y la velocidad de deformación a cortadura, en condiciones simples de fluido y con diferencias entre las fuerzas normales. Folio antiadherente; intercalado: folio tratado previamente para cubrir temporalmente la capa adhesiva para facilitar la manipulación o el enrollado. Fraguado: proceso en el curso del cual un adhesivo desarrolla su fuerza de cohesión y, por tanto, sus propiedades físicas y químicas. Fuerza de pegado; fuerza de pegado rápido: fuerza necesaria para separar una capa de adhesivo de una segunda superficie. Gama de adhesión; vida de adhesión: periodo de tiempo durante el que una capa de adhesivo es capaz de formar una unión bajo condiciones especificadas. Gama de pegado; tiempo de pegado; vida de pegado: periodo de tiempo durante el que una capa de adhesivo pega en seco después de su aplicación sobre un soporte específico, en condiciones dadas de temperatura y humedad. Gel: sistema coloidal semi-sólido, compuesto por un sólido dispersado en un líquido. Gelificación: proceso de formación de un gel. Gelificado: formación de gel no deseada. Goma: resina vegetal soluble en agua. Inhibidor: substancia utilizada en pequeñas proporciones para detener una reacción química. Laminar: pegar varias capas de material. Ligante: componente de un adhesivo que es causante de la adhesión y de la cohesión. Limpiado superficial: tratamiento de las superficies a pegar para retirar substancias que impidan la
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adhesión. Línea de pegado; plano de pegado; línea de encolado: capa de adhesivo en una junta de unión. Mezcla madre: parte de un adhesivo que empapa o envuelve la carga o las partículas y filamentos reforzantes. Migración; sangrado: presencia de adhesivo en la superficie de un objeto a pegar poroso, por migración del adhesivo a través del soporte desde el plano de pegado. Modificador: ingrediente que, incorporado al adhesivo, cambia sus propiedades. Módulo de cortadura: módulo de elasticidad a cortadura. Módulo de Young: módulo de elasticidad a tracción. Mojabilidad: capacidad de un líquido (adhesivo) para depositarse en una superficie sólida específica. Monómero: compuesto químico, normalmente de baja masa molecular, que puede convertirse en un polímero mediante combinación consigo mismo o con otro compuesto químico. Ojo de pez: deformación circular globular, en una capa de adhesivo. Panel sandwich: conjunto constituido por una hoja central de material ligero sobre cuyas superficies se ha pegado un material en hojas. Papel antiadherente: folio que sirve de protección y/o de soporte a una masa o a una película adhesiva, que se desprende fácilmente de la masa o de la película justo antes de la aplicación. Pegado: unión de dos objetos a pegar, por medio de un adhesivo. Pegado (tack): aptitud de un material para constituir una unión inmediata al ponerlo en contacto con otra superficie, que puede ser un soporte u otra capa de adhesivo. Pegado en seco; pegado agresivo: característica de ciertos adhesivos para adherirse sobre si mismos cuando están aparentemente secos. Pegar: unir dos objetos por medio de un adhesivo. Pelado: modo de solicitación de una zona de pegado que une dos objetos de los que uno (o los dos) es (son) flexible, y en la que el esfuerzo se concentra en una línea de separación. Película adhesiva: adhesivo en forma de película, con o sin soporte. Capa adhesiva separada del substrato después de fraguar. Película adhesiva con soporte: adhesivo suministrado en forma de hoja o película con un soporte incorporado, el cual permanece en la unión tanto durante la aplicación del adhesivo como durante el uso. Película adhesiva sin soporte: adhesivo suministrado en forma de hoja, película o banda, sin llevar soporte incorporado. Periodo de conservación; periodo de almacenamiento: tiempo de almacenamiento, en condiciones dadas, durante el que se espera que un adhesivo conserve sus condiciones de aplicación.
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Picado: recubrimiento incompleto de un objeto a pegar flexible, una vez que se ha presionado contra la capa adhesiva. Piel de naranja; transparencia: estado de un estratificado, o de otro tipo de construcción compuesta, que se manifiesta por la aparición en la superficie de irregularidades, defectos o aspectos de capas internas y que son visibles. Plasticidad: capacidad de un material para mantener su forma cuando se le somete a fuerzas limitadas, y a presentar una deformación permanente después de retirar el esfuerzo. Plastificante; plastificante externo: substancia no reactiva incorporada al adhesivo para aumentar la flexibilidad y la resiliencia de la unión. Poliacetal de vinilo: material termoplástico derivado del acetato de polivinilo en el que los grupos éster han sido substituidos por grupos hidroxilo y la mayoría de éstos se han convertido en grupos acetal mediante reacción con un aldehido. Poliacrilatos: polímeros y copolímeros en los que por lo menos uno de los grupos constitutivos es un derivado del ácido acrílico CH2=CH-COOH o de sus ésteres CH2=CH COOR. Poliamida (PA): producto de la reacción polimérica de ácidos carboxílicos bifuncionales y aminas bi/poli funcionales que presentan repetido el grupo de enlace -NH-CO-. Polibutiral de vinilo (PVB): polímero termoplástico obtenido a partir de alcohol polivinílico y butiraldehído. Poliéster: producto de la reacción polimérica de polioles y ácidos policarboxi1icos que presentan repetido el grupo de enlace -CO-O-. Poliestireno (PS): material termoplástico obtenido por polimerización del estireno. Polietileno (PE): polímero de etileno en el que el grupo más repetido en su cadena principal es -CH2CH2-. Polietileno clorosulfonado (CSM): material elastomérico preparado por cloración y clorosulfonación simultánea de soluciones de polietileno con dióxido de azufre y cloro en forma gaseosa. Poliformal de vinilo (PVFM): material termoplástico producido a partir de alcohol de polivinilo y formaldehído. Poliisobutileno (PIS): producto de la polimerización del isobutileno (2-etilpropeno) en el que el grupo más repetido en su cadena principal es -CH2-C (CH3) 2-. Poliisocianato: producto que contiene dos o más grupos isocianato en su molécula. Polímero: substancia constituida por moléculas caracterizadas por la múltiple repetición de especies de átomos o de grupos de átomos (unidades constitutivas) ligadas entre sí unas a otras en cantidad suficiente para manifestar un conjunto de propiedades que no varían sustancialmente por la eliminación de una sola o de un pequeño número de las unidades constitutivas. Polimetacrilatos: polímeros y copolímeros en los que al menos uno de los grupos constituyentes es un derivado del ácido metacrílico CH2=C(CH3)-COOH o sus ésteres CH2=C(CH3)-COOR. Poliolefina: material termoplástico producido por polimerización o copolimerización de olefinas (por
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ejemplo etileno, propileno). Polipropileno (PP): polímero de propileno en el que el grupo más repetido en su cadena principal es CH (CH3) -CH2-. Polisulfuro: polímero que contiene uniones disulfuro -(-S-S-)- así como grupos poliéter repetidos, y que presenta grupos tiol o hidroxilo en los extremos. Poliuretano: producto de reacción de un poliisocianato y un poliol en el que el grupo que se repite NH-CO-O-, es de tipo uretano. Postvulcanizado: tratamiento posterior de tiempo y/o temperatura a un adhesivo para obtener las propiedades requeridas mediante vulcanización. Prensado por aire: aplicación de presión sobre un conjunto a pegar por medio de una membrana flexible o una bolsa inflada mediante aire comprimido. Prensado por vacío: aplicación de presión sobre un conjunto a pegar por medio de una membrana flexible o de una bolsa haciendo el vacío en el interior. Prensar: mantener bajo presión una capa adhesiva en una prensa durante el fraguado del adhesivo. Preparación superficial mecánica: obtención de superficies aptas para el pegado o mejoramiento de la aptitud de pegado mediante la aplicación de métodos mecánicos. Preparación superficial química: operación consistente en utilizar métodos químicos. Pretratamiento; preparación de superficie: tratamiento químico y/o físico que se aplica a los adherentes para poderlos pegar o para mejorar su capacidad de pegado. Promotor de adhesión; agente de acoplamiento: substancia utilizada en pequeñas proporciones para aumentar la adhesión a substratos específicos. Proteína: producto natural en el que se repite el grupo -NH-CO-. Proyección: comportamiento no deseado de los adhesivos, observable cuando se transfieren mediante un rodillo o un mecanismo rotatorio y que se manifiesta por la proyección de pequeñas gotas de adhesivo a partir del rodillo o del mecanismo rotativo, debido a la velocidad periférica. Pseudoplasticidad: fluidificación por cortadura independiente del tiempo, sin punto de fluencia. Punto de inflamación (flash point): temperatura mínima hasta la que debe calentarse un producto contenido en una copa especificada para que los vapores desprendidos se inflamen momentánearnente en presencia de una llama, efectuado en condiciones normalizadas. Reactivador térmico: dispositivo de calentamiento que permite instaurar o restaurar las propiedades adhesivas de una capa de adhesivo mediante calor. Resbalamiento: movimiento descendente de una capa adhesiva que ocurre entre el momento de aplicación y el fraguado. Resina: material sólido, semi-sólido ó liquido, normalmente orgánico, que presenta una masa molecular indefinida y que, en estado sólido, manifiesta un intervalo de reblandecimiento o de fusión y que da una rotura concoidal.
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Resina amínica: resina sintética termoendurecible derivada de la reacción de condensación entre los grupos -NH- de aminas o amidas con aldehídos. “Urea-formaldehido (UF)” y “melamina-formaldehído (MF)” son las resinas amínicas de mayor importancia en el campo de los adhesivos. Resina dammar: se obtiene a partir de las especies Shorea, Hopea y Balnocarpus. Resina de comarona-indeno: tipo de resina termoplástica obtenida por polimerización catalizada con ácido de fracciones de alquitrán mineral ricas en cumarona, indeno, sus homólogos y sus derivados. Resina de furano: resina sintética termoendurecible obtenida por condensación de alcohol furfurílico o por co-condensación de alcohol furfurílico o aldehido furfurílico con otros compuestos tales corno formaldehído, fenol, urea y/o acetona. Resina de hidrocarburo: tipo de resina termoplástica obtenida por polimerización de fracciones del cracking del petróleo ricas en hidrocarburos cíclicos no saturados. Resina epoxi: resina sintética que contiene grupos epoxi. Resina fenólica (PF): resina sintética termoendurecible derivada de la reacción de condensación de un fenol con un aldehido. Resina sintética: resina obtenida a partir de un monómero sintético. Resina tall: compuesta esencialmente por ácido abiético y sus isómeros, obtenido a partir de pinos por el procedimiento de sulfato-celulosa. Resina termoendurecible; termoduro: monómero, polímero ó copolímero que, una vez reticulado por acción del calor, se transforma en un producto prácticamente infusible e insoluble. Resina termoplástica; termoplástico: polímero ó copolímero que puede reblandecerse por calor y que endurece al enfriarse. Resina terpénica: hidrocarburo terpénico termoplástico de color claro obtenido por polimerización de catálisis ácida de productos bicíclicos de monoterpeno-(-pineno (o eventualmente (-pineno) de la destilación de sulfato-celulosa-trementina. Resina vinílica: polímero basado en compuestos de vinilo CH2 = CH-R, en los que el grupo más repetido en la cadena principal es -CH2-CH-R-. Resistencia a la cortadura longitudinal; resistencia a la cortadura de una capa adhesiva: fuerza, por unidad de superficie, necesaria para provocar la rotura, cuando se aplica un esfuerzo en el sentido longitudinal, paralelo al plano de la unión. Resistencia a la cortadura: fuerza, por unidad de superficie, necesaria para producir la rotura de un conjunto pegado, cuando se aplica un esfuerzo de cortadura. Resistencia a la fatiga: fuerza máxima aplicada de forma repetitiva, un número infinito de veces, a la cual resiste la unión. Resistencia a la separación: fuerza necesaria para producir la rotura de un conjunto pegado cuando se aplica una fuerza de separación. Resistencia a la tracción: fuerza, por unidad de superficie, necesaria para provocar la rotura de un conjunto pegado, cuando se aplica un esfuerzo globalmente uniforme perpendicularmente al plano de la
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unión. Resistencia al agua (se desaconseja impermeabilización): unión que puede soportar un contacto prolongado con agua, conservando una resistencia a la rotura adecuada así como las propiedades necesarias para el uso a que ha sido destinada. Resistencia al calor: resistencia a la rotura de una unión a alta temperatura, medida en condiciones especificadas de tiempo, temperatura y carga. Resistencia al impacto: fuerza necesaria para provocar la rotura de un conjunto pegado cuando se aplica un esfuerzo de cortadura a alta velocidad. Resistencia al pelado; adhesión de pelado; fuerza de pelado: fuerza, por unidad de anchura, necesaria para producir la rotura de un conjunto pegado, o para mantener una velocidad de rotura, cuando se aplica un esfuerzo de pelado. Resistencia de la unión: fuerza necesaria para romper una unión, produciéndose la rotura en el plano de pegado o en su proximidad. Resistencia del gel: medida en unidades arbitrarias del módulo de rigidez de un gel obtenido y madurado en condiciones normales. Resistencia en húmedo: resistencia de un pegado, determinada inmediatamente después de retirado del seno de un líquido en el cual ha estado sumergido en condiciones especificadas. Resistencia en seco: resistencia de un pegado después de secado en condiciones especificadas. Resistencia inicial: resistencia de un pegado, determinada inmediatamente después de efectuarlo. Resistencia mecánica a la manipulación: nivel de resistencia de un pegado cuando se retira de los dispositivos de fijación o prensado, sin experimentar desperfectos. Retardante: substancia que usada en pequeña proporción reduce la velocidad de reacción de un sistema químico. Reticulación: formación de puentes de unión químicos que proporcionan una malla molecular tridimensional. Retrogradación: insolubilización progresiva e irreversible de una dispersión acuosa de almidón o de sus derivados, con formación de un precipitado o de un gel, en función de la concentración. Rodillo aplicador: rodillo que transfiere una cantidad controlada de adhesivo a una superficie. Rodillo dosificador: mecanismo de rodillos existente en ciertos equipos de aplicación que regula la cantidad de adhesivo sobre el rodillo encolador. Rodillo encolador: dispositivo que permite la aplicación de un adhesivo mediante un rodillo movido mecánicamente. Rodillo tomador: rodillo de un aplicador a rodillos que gira en el baño o en el recipiente de adhesivo. Rotura adhesiva: rotura del pegado en la que la separación parece coincidir con la interfase adhesivo/adherente.
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Rotura cohesiva: rotura del pegado que se sitúa en el interior de la capa adhesiva y no en la interfase. Rotura de coalescencia: rotura que se sitúa en el interior de la unión debido a la falta de fusión de las dos capas adhesivas. Rotura del adherente: rotura de una unión ocurrida en el cuerpo del objeto a pegar. Sellador: material adhesivo usado para llenar las zonas vacías entre superficies que pueden moverse durante su utilización constituido de tal forma que, una vez fraguado, presenta características elásticas. Separación de fases: separación de un adhesivo multicomponente en dos ó más fases. Silicato soluble: silicato obtenido por fusión de una sílice purificada con una sal alcalina. Silicona (SI): polímero cuyas moléculas consisten en cadenas principales de átomos de silicio alternados con átomos de oxigeno y con grupos laterales que contienen carbono. Sinéresis: exudación local de pequeñas cantidades de líquido por los geles en reposo. Solapamiento: unión obtenida al colocar una parte de un objeto a pegar sobre parte de otro objeto a pegar para unir las dos partes superpuestas. Soporte: material flexible sobre el que se aplica un adhesivo. Superficie de pegado; superficie de unión: porción de una superficie que ha sido preparada para pegarla a otra superficie preparada o la porción de superficie unida a una superficie limpia. Sustrato: material sobre cuya superficie se extiende un adhesivo con el fin de conseguir una unión. Tackificante; agente de pegajosidad: substancia destinada a aumentar la pegajosidad o el grado de pegajosidad de una capa adhesiva. Taponado; cubrimiento de poros: aplicación de un material (tapaporos, apresto) a la superficie de objeto a pegar antes de aplicar el adhesivo, con el fin de disminuir el poder absorbente del objeto a pegar. Tela de araña; plumas; emborrado: fenómeno que ocurre cuando se pulveriza un adhesivo y se manifiesta por la formación de hilos parecidos a una tela de araña. La tendencia de estos hilos a juntarse para constituir una película continua sobre una superficie es muy baja o nula. Temperatura de fraguado: temperatura especificada para el fraguado de un adhesivo. Temperatura de gelificación: temperatura a la que el sistema ya no fluye bajo esfuerzos de cortadura y presenta una tendencia a rasgarse. Temperatura de reblandecimiento: temperatura a la que un material polimérico no cristalino adquiere un cierto grado de reblandecimiento, bajo condiciones especificadas. Temperatura de transición vítrea: cambio reversible en un polímero amorfo, o en las partes amorfas de un polímero parcialmente cristalizado, de o hacia una condición viscosa o gomosa hacia o de un estado duro y relativamente frágil. Templado: tratamiento térmico para reducir las concentraciones de carga. Tensión: intensidad en un punto de un cuerpo de las fuerzas internas (o de algún componente de estas
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fuerzas) que actúan sobre un plano determinado que pasa por el punto. Tensión superficial: trabajo reversible necesario para crear un área de superficie unitaria. Tiempo abierto de ensamblado; tiempo abierto: intervalo de tiempo entre la aplicación del adhesivo sobre los adherentes y el juntado de las dos partes encoladas. Tiempo abierto máximo: intervalo de tiempo máximo al final del cual la capa adhesiva aplicada pierde la aptitud de pegar. Tiempo abierto mínimo: intervalo de tiempo mínimo durante el que la capa adhesiva aplicada mantiene la capacidad de pegar. Tiempo de acondicionamiento: intervalo de tiempo entre el final de la aplicación de calor y/o presión a una zona de pegado y el momento en que se alcanzan las propiedades de pegado deseadas. Tiempo de aplicación: periodo de tiempo requerido para extender un adhesivo sobre las superficies especificadas para el pegado. Tiempo de ensamblado: intervalo de tiempo entre el momento de aplicación del adhesivo y el inicio del tratamiento de calor y/o presión del proceso de fraguado en la zona de unión. Tiempo de ensamblaje cerrado: intervalo de tiempo entre el ensamblado de la zona de pegado y el inicio del tratamiento de calor y/o presión para el fraguado de la zona de pegado. Tiempo de fraguado: período de tiempo que necesita un adhesivo para fraguar en las condiciones especificadas. Tiempo de gelificación; tiempo de gel: tiempo que transcurre desde el momento en que el adhesivo está listo para ser aplicado hasta que el adhesivo tiene suficiente consistencia para resistirse a fluir bajo las condiciones del ensayo. Tiempo de prensado: tiempo durante el que se somete a presión una zona de pegado. Tiempo de unión: tiempo durante el que se mantiene junta una zona de pegado. Tipo de rotura: aspecto de las superficies de rotura producidas por la separación de una unión. Tixotropía: disminución de la viscosidad aparente bajo un esfuerzo de cortadura, seguida de un retorno progresivo a la viscosidad inicial una vez que se deja de aplicar el esfuerzo. Tracción: modo de solicitación perpendicular al plano de una zona de pegado que une dos adherentes rígidos y que se reparte uniformemente sobre toda la superficie del plano de pegado. Unión a tope: unión en la que el plano de pegado es un ángulo recto respecto al eje mayor de los objetos a pegar. Unión biselada: unión obtenida cortando segmentos angulares idénticos, en un ángulo normalmente inferior a 45º respecto al eje mayor, de dos objetos a pegar juntándolos por las dos áreas cortadas de forma que éstas se sitúen en un mismo plano. Unión estructural: pegado capaz, en tanto que parte integral de una estructura, de presentar un nivel especificado de resistencia cuando se somete a una combinación de esfuerzos durante un periodo especificado.
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Unión húmeda; pegado húmedo: creación de una unión caracterizada por el hecho de que las capas adhesivas todavía contienen cantidades importantes de componentes volátiles antes de ser puestas en contacto. Vida útil (pot life); vida de trabajo: periodo de tiempo durante el que un adhesivo multicomponente puede ser usado una vez han sido mezclados sus ingredientes. Viscoelasticidad: reacción de un material al esfuerzo, comportándose como si estuviera compuesto por un sólido elástico y por un fluido viscoso en el que la fluidez depende del tiempo, la temperatura, la carga y el gradiente de carga. Viscosidad: aptitud de un material para resistir la deformación creciente a medida que aumenta la velocidad de deformación. Viscosidad aparente: esfuerzo de cortadura dividida por la velocidad de deformación a cortadura, cuando esta relación depende de la velocidad de deformación a cortadura. Viscosidad cinemática: viscosidad dinámica dividida por la masa volumétrica del material, medidas ambas a la misma temperatura. Viscosidad dinámica: esfuerzo de cortadura dividido por velocidad de deformación a cortadura en condiciones de fluidez estables.
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TEMA 11: BIBLIOGRAFÍA Y PUBLICACIONES RELACIONADAS (Basado en la información facilitada por Francisco López Martín, ETSIN de Madrid; Juan Carlos Suárez Bermejo, ETSIN de Madrid; José Miguel Martín Martínez, Universidad de Alicante y Mario Madrid Vega, Loctite España)
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