Adhesivos - Loctite

INDICE

PRLOGO 15

TEMA 1: INTRODUCCIN (Mario Madrid Vega, Loctite Espaa)

1.1 Historia de los adhesivos 17

1.2 Ventajas y desventajas de los adhesivos 18

1.3 Adhesin y cohesin: modos de fallo 20

1.4 Clasificacin de los adhesivos 21

TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO

(Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante y Mario Madrid Vega, Loctite Espaa)

2.1 Formacin de la unin adhesiva (Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante) 23

2.1.1 Introduccin 23

2.1.2 Realizacin de la unin adhesiva 23

2.1.2.1 Limpieza adecuada de los adherentes 23

2.1.2.2 Seleccin del adhesivo 23

2.1.2.3 Diseo adecuado de la unin adhesiva 24

2.1.2.4 Obtencin de un buen contacto interfacial 24

2.1.2.5 Creacin de fuerzas de adhesin intrnsecas en la unin adhesiva 24

2.1.2.6 Control de la reticulacin, cristalizacin o curado del adhesivo 25

2.1.2.7 Determinacin de la adhesin 26

2.1.2.8 Determinacin de la durabilidad de las uniones adhesivas 26

2.2 Tensin y energa superficiales: el ngulo de contacto

(Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante) 26


2.2.2 Tipos de ngulos de contacto 27

2.2.3 ngulos de contacto estticos 28

2.2.4 ngulos de contacto dinmicos 29

2.2.5 Determinacin de la energa superficial de los slidos 29

2.2.6 ngulos de contacto y mojabilidad 31

2.3 Clculo de tensin superficial, ngulos de contacto y energa superficial

(Juan Carlos Cabanelas Valcrcel, Francisco Javier Gonzlez Benito y Mara Eugenia Rabanal Jimnez,

Universidad Carlos III de Madrid) 32

2.3.1 Tensin superficial 32

2.3.1.1 Introduccin 32

2.3.1.2 Mtodo de Wilhelmy 32

2.3.2 ngulos de contacto 32


2.3.2.2 Tipos de ngulos de contacto 33

2.3.2.3 ngulo de contacto dinmico 33

1

TECNOLOGA DE LA ADHESIN

2.3.3 Clculo de la energa superficial 34

2.3.4 Equipo instrumental 35

2.3.5 Procedimiento experimental: determinacin de la energa superficial de fibras de vidrio

comerciales 35

2.4 Conceptos bsicos de la adhesin (Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante) 36

2.5 Teoras de la adhesin (Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante) 37


2.5.2 Modelo mecnico 37

2.5.3 Modelo elctrico 38

2.5.4 Modelo de la difusin 38

2.5.5 Modelo de la adsorcin termodinmica (mojado superficial) 39

2.5.6 Modelo del enlace qumico 40

2.5.7 Modelo cido-base 41

2.5.8 Modelo reolgico 41

2.5.9 Modelo de las capas dbiles de rotura preferente 42

2.6 Composicin de los adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 42

2.7 Reologa de los sistemas adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 43


2.7.2 La Reologa: 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 presin 46

2.7.3.3 Dependencia de la tensin de cortadura 46

2.7.3.4 Dependencia del tiempo de solicitacin 48

2.7.4 Comportamiento viscoelstico 48

2.7.5 Medida de las propiedades reolgicas 50

2.7.6 Sistemas de medida de las propiedades reolgicas 50

2.7.6.1 El viscosmetro tipo sandwich 50

2.7.6.2 El remetro de flujo capilar 51

2.7.6.3 El remetro de cono-placa 51

2.7.6.4 El remetro de Couette 51

2.7.6.5 El remetro de flujo comprimido 52

2.7.6.6 La espectrometra mecnica 52

2.7.7 Reologa y aplicacin de los adhesivos 52

TEMA 3: PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES DESPUS DEL CURADO

(Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid; Mario Madrid Vega,

Loctite Espaa y Francisco Lpez Martn, ETSIN de Madrid)

3.1 Propiedades mecnicas de los adhesivos

(Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid) 55

3.1.1 Comportamiento elstico frgil (tipo A) 55

2

INDICE

3.1.1.1 Adhesivos termoestables 55

3.1.1.2 Adhesivos termoplsticos amorfos 55

3.1.2 Comportamiento elastoplstico (tipo B) 56

3.1.3 Comportamiento elstico (tipo C) 56

3.2 Solicitaciones de las uniones adhesivas


3.2.1 Esfuerzos transitorios 60

3.2.2 Esfuerzos estticos o permanentes 60

3.2.3 Esfuerzos dinmicos 60

3.2.4 Esfuerzos combinados 61

3.3 Mecnica de la fractura (Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 61


3.3.2 Mecnica de la fractura de deformaciones finitas no lineales 62

3.3.3 Limitaciones de la mecnica de la fractura convencional 63

3.3.4 Mecnica de la fractura generalizada 63

3.4 Diseo de la junta adhesiva


3.4.1 Generalidades 65

3.4.2 Reglas de diseo de las uniones adhesivas 66

3.4.2.1 Diseo de uniones a solape 66

3.4.2.2 Diseo de uniones a tope: uniones tubulares 67

3.4.2.3 Diseo de uniones en T 68

3.4.2.4 Diseo de uniones en esquina 68

3.5 Ensayos no destructivos para la evaluacin de las uniones adhesivas

(Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 69


3.5.2 Descripcin de los defectos 70

3.5.3 Aplicaciones y limitaciones de NDT en las uniones adhesivas 70

3.5.3.1 Inspeccin visual 70

3.5.3.2 Inspeccin mediante ultrasonidos 70

3.5.3.3 Radiografa de rayos-X 71

3.5.3.4 Radiografa de neutrones 71

3.5.3.5 Test de la moneda 71

3.5.3.6 Emisin acstica 72

3.5.3.7 Mtodos NDT (ensayos no destructivos) especiales 72

3.6 Mtodos estndar para la evaluacin de las uniones adhesivas


3.6.1 Normas ASTM para la caracterizacin de uniones adhesivas 73

3.6.2 Ensayos estndar para retenciones y fijaciones con adhesivos anaerbicos 78

3.6.3 Normativa ISO sobre adhesivos 78

3.6.4 Normativa UNE EN sobre adhesivos 79

3.7 Determinacin prctica de las dimensiones de juntas adhesivas solapadas simples

(Juan Carlos del Real Romero, Universidad Pontificia Comillas de Madrid, extrado de informacin de

CIBA) 83

3.8 Anlisis de las uniones a solape (Francisco Lpez Martn, ETSIN de Madrid) 84

3


3.8.1 Anlisis elstico lineal 84

3.8.2 Anlisis de Volkersen 85

3.8.3 Anlisis de Goland y Reissner 86

3.8.4 Efecto de la flexin en una unin a solape doble 88

3.8.5 Segunda teora de Volkersen 88

3.8.6 Revisin de Forest Products Laboratory (FPL) 88

TEMA 4: PREPARACIN DE LOS MATERIALES A ADHERIR O SELLAR

(Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante; Francisco Lpez Martn, ETSIN de Madrid y

Mario Madrid Vega, Loctite Espaa)

4.1 Introduccin: objetivos (Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante) 89

4.2 Descripcin de los tratamientos (Jos Miguel Martn Martnez, 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 bao de ultrasonidos 90

4.2.4 El frotado, la inmersin y el spray 90

4.2.5 Los tratamientos abrasivos 91

4.2.6 Los tratamientos qumicos 91

4.2.7 Los primers 91

4.2.8 Los tratamientos de llama 92

4.2.9 El plasma de baja presin 92

4.2.10 La descarga en corona 93

4.3 Tratamientos superficiales de slidos de baja energa superficial


4.3.1 Polmeros fluorados 93

4.3.2 Poliolefinas 93

4.3.3 Cauchos 94

4.3.4 Siliconas y cauchos termoplsticos 94

4.4 Tratamientos superficiales de slidos de alta energa superficial


4.4.1 Materiales cermicos 94

4.4.2 Materiales metlicos 94

4.5 Microgeometra superficial: rugosidad (Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 95

4.6 Preparacin superficial de materiales estructurales (Francisco Lpez Martn, ETSIN de Madrid) 97


4.6.2 Preparacin 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 qumicos 99

4.6.2.4 Los inhibidores para el retardo de la hidratacin 99

4.6.2.5 El tratamiento con plasma 99

4.6.2.6 La aplicacin de primers 99

4.6.3 Tratamientos superficiales de los materiales metlicos ms frecuentes 101

4.6.3.1 Aleaciones de aluminio 101

4

INDICE

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 cermicos estructurales 105

TEMA 5: ADHESIVOS Y SELLADORES PREPOLIMERIZADOS

(Mario Madrid Vega, Loctite Espaa, incluye informacin extrada de documentacin facilitada por 3M

e IBERCERAS)

5.1 Adhesivos prepolimerizados en fase lquida 107

5.1.1 Adhesivos prepolimerizados en solucin acuosa 107

5.1.2 Adhesivos prepolimerizados en solucin orgnica 108

5.1.3 Adhesivos prepolimerizados en emulsin 108

5.2 Adhesivos prepolimerizados en fase slida 109

5.2.1 Adhesivos piezosensibles 109


5.2.1.2 Teora 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


5.2.2.2 Composicin de los hot-melt 115

5.2.2.3 Polmeros y copolmeros empleados en la formulacin de un hot-melt 115

5.2.2.4 Resinas empleadas en la formulacin de un hot-melt 115

5.2.2.5 Ceras empleadas en la formulacin de un hot-melt 116

5.2.2.6 Formas de aplicacin de un hot-melt 116

5.2.2.7 Caractersticas 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 Espaa y Juan Manuel Martn Garca, Loctite Espaa)

6.1 Principios sobre la polimerizacin 119


6.1.2 Tipos de polimerizacin 120

6.1.3 Poliadicin o polimerizacin en cadena 120

6.1.4 Policondensacin o polimerizacin en etapas 121

6.2 Adhesivos rgidos 122

6.2.1 Los anaerbicos 123

6.2.1.1 Generalidades 123

6.2.1.2 Composicin de los anaerbicos 123

6.2.1.3 Mecanismo de curado de los anaerbicos 124

6.2.1.4 Ventajas de los anaerbicos 125

6.2.1.5 Desventajas de los anaerbicos 125

5


6.2.1.6 Aplicaciones de los anaerbicos 126

6.2.2 Los cianoacrilatos 126


6.2.2.2 Composicin 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


6.2.3.2 Composicin 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 acrlicos 132


6.3.1.2 Composicin de los acrlicos 132

6.3.1.3 Mecanismo de curado de los acrlicos 133

6.3.1.4 Ventajas de los acrlicos 134

6.3.1.5 Desventajas de los acrlicos 135

6.3.1.6 Aplicaciones de los acrlicos 135

6.3.2 Los anaerbicos tenaces 135


6.3.2.2 Composicin de los anaerbicos tenaces 135

6.3.2.3 Mecanismo de curado de los anaerbicos tenaces 136

6.3.2.4 Ventajas de los anaerbicos tenaces 136

6.3.2.5 Desventajas de los anaerbicos tenaces 136

6.3.2.6 Aplicaciones de los anaerbicos tenaces 136

6.3.3 Los cianoacrilatos tenaces 136


6.3.3.2 Composicin 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


6.3.4.2 Composicin 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

INDICE

6.4.1 Las siliconas 140


6.4.1.2 Composicin 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


6.4.2.2 Composicin 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


6.4.3.2 Composicin 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: TECNOLOGAS RELACIONADAS CON LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES

(Francisco Javier Valle Fonck, Loctite Espaa; Juan Jos Lesmes Celorrio, Loctite Espaa; Mario

Madrid Vega, Loctite Espaa; Francisco Lpez Martn, ETSIN de Madrid; Rafael Gonzlez Daz,

EUITA de Madrid y Eva Royuela Prieto, Loctite Espaa)

7.1 Tecnologas anaerbicas

(Francisco Javier Valle Fonck, Loctite Espaa y Juan Jos Lesmes Celorrio, Loctite Espaa) 147

7.1.1 Fijacin y sellado de elementos roscados 147


7.1.1.2 Teora de los montajes roscados: relacin 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 anaerbicos 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 Retencin de montajes cilndricos 155


7.1.2.2 Inconvenientes de los sistemas tradicionales para la retencin de piezas cilndricas 156

7.1.2.3 Los adhesivos para la retencin de elementos cilndricos 157

7.1.2.4 Tipos de retenciones con adhesivos 158

7


7.1.2.5 Propiedades de los montajes por deslizamiento con adhesivo 158

7.1.2.6 Propiedades de los montajes a presin con adhesivo 160

7.1.2.7 Propiedades de los montajes por contraccin 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 diseos de retenciones adheridas 165

7.1.2.10 Clculo de la resistencia de las retenciones 165

7.1.2.11 Aplicaciones tpicas de retencin de elementos cilndricos 166

7.1.2.12 Efecto de las dilatacin trmica 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 Formacin In situ (FIS) 169

7.1.3.3 Juntas rgidas de Formacin In Situ (FIS rgidas) 169

7.1.3.4 Diseo de juntas rgidas con selladores anaerbicos 169

7.1.3.5 Acoplamiento de bridas 171

7.1.3.6 Diseo de los acoplamientos de bridas tradicionales 171

7.1.4 Sellado de porosidades 172

7.1.4.1 Impregnacin de piezas de fundicin 173

7.1.4.2 Impregnacin de piezas de metal sinterizado 174

7.1.4.3 Integracin de la impregnacin en otros procesos 174

7.2 Tecnologa del curado por luz (extrado de informacin interna de Loctite) 175


7.2.2 Principios bsicos del curado por luz 175

7.2.2.1 El espectro electromagntico 175

7.2.2.2 Tipos de luz UV y luz visible 176

7.2.2.3 Uso comercial de la energa radiante 176

7.2.2.4 Qumica: la polimerizacin 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 catinicos 177

7.2.3 Equipos para el curado por luz 177

7.2.4 Factores a considerar para emplear las tcnicas de curado por luz 177

7.2.4.1 Correspondencia entre el espectro de emisin y el fotoiniciador 177

7.2.4.2 Intensidad de luz sobre el producto 178

7.2.4.3 La potencia de la lmpara 178

7.2.4.4 Distancia entre la lmpara y el sustrato 178

7.2.4.5 Tipo de reflector 178

7.2.4.6 Duracin de la lmpara 178

7.2.4.7 Caractersticas de transmisin del sustrato 178

7.2.4.8 Medicin 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

INDICE

7.3 Tcnicas de sellado y rellenado con elastmeros

(Mario Madrid Vega, Loctite Espaa y Francisco Javier Valle Fonck, Loctite Espaa) 180


7.3.2 La tecnologa del sellado 181

7.3.3 Familias de selladores elsticos ms importantes y sus aplicaciones 181

7.3.4 Juntas flexibles de Formacin In Situ (FIS flexibles) 182

7.3.5 Diseo de juntas flexibles con selladores de silicona 183

7.3.6 Juntas de Curado In Situ (CIS) 183

7.4 Unin estructural con adhesivos (Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 184

7.4.1 Concepto de estructuralidad 184

7.4.2 Familias de adhesivos estructurales 185

7.4.3 Diseo de estructuras adheridas 186

7.4.3.1 Diseo con adhesivos rgidos 186

7.4.3.2 Diseo con adhesivos tenaces 189

7.4.3.3 Diseo 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 hbridas (Francisco Lpez Martn, ETSIN de Madrid) 193


7.5.2 La investigacin en unin de materiales en Europa 193

7.5.3 Generalidades de la unin hbrida soldadura/adhesivo 194

7.5.4 Configuracin de la unin 195

7.5.5 Ventajas de la unin hbrida 197

7.5.6 Preparacin superficial 197

7.5.7 Seleccin del adhesivo 199

7.5.8 Utillaje para uniones hbridas 200

7.5.9 Tcnicas para uniones hbridas 200

7.5.10 Control de calidad 201

7.5.11 Ejemplos de aplicacin de uniones adhesivas e hbridas en vehculos 201

7.6 Adhesivos aeronuticos y espaciales: usos y aplicaciones

(Rafael Gonzlez Daz, EUITA de Madrid) 205


7.6.2 Tipos de adhesivos en la industria aeroespacial 206

7.6.2.1 Adhesivos para la madera: la casena y los adhesivos sintticos de urea-formaldehdo 206

7.6.2.2 Adhesivos fenlicos y vinil-fenlicos 206

7.6.2.3 Adhesivos nitrilo-fenlicos 207

7.6.2.4 Adhesivos epoxi-fenlicos 207

7.6.2.5 Adhesivos epoxi 208

7.6.2.6 Adhesivos acrlicos 208

7.6.2.7 Adhesivos anaerbicos 208

7.6.2.8 Adhesivos cianoacrlicos 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


7.6.3.1 Madera 210

7.6.3.2 Aluminio 210

7.6.3.3 Titanio 211

7.6.3.4 Plsticos y materiales compuestos polimricos 211

7.6.3.5 Imprimacin superficial 212

7.6.4 Diseo de las uniones adhesivas 212

7.6.4.1 Unin de estructuras metlicas 214

7.6.4.2 Estructuras nido abeja 214

7.6.4.3 Estructuras de composites 214

7.7 Adhesivos y selladores para la Electrnica

(Eva Royuela Prieto, Loctite Espaa y Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 215

7.7.1 Adhesin de componentes a placas de circuitos impresos 215

7.7.1.1 La Tecnologa 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 Reologa de los chipbonder 219

7.7.1.6 Sistemas de dosificacin 220

7.7.1.7 Resistencia al movimiento del chip 222

7.7.1.8 Perfil de una estacin de curado 222

7.7.1.9 Medida de la resistencia de la unin 222

7.7.1.10 Resistencia a procesos de soldadura 223

7.7.1.11 Propiedades elctricas y frente a la corrosin de los chipbonder 224

7.7.1.12 Envasado y almacenaje de los chipbonder 224

7.7.2 Las pastas de soldar 225


7.7.2.2 Ventajas del proceso de soldadura con pastas de soldar 226

7.7.2.3 Mtodos de aplicacin 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


7.7.3.2 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 PCBs 230

7.7.3.5 Las tcnicas de curado mediante luz ultravioleta 231

7.7.3.6 La limpieza de los sustratos 231

7.7.3.7 Mtodos de aplicacin de los revestimiento conformados 232

7.7.4 La tecnologa del enmascaramiento 232


7.7.4.2 Sistemas de enmascaramiento 233

7.7.5 Sellado de rels 233


7.7.5.2 Requisitos para sellar rels 233

7.7.5.3 Partes de un rel 234

10

INDICE

7.7.5.4 Aplicaciones de sellado en los rels 234

7.7.6 Compuestos para el relleno y encapsulado 235


7.7.6.2 Tipos de productos para el relleno y el encapsulado 235

7.7.7 Adhesin de disipadores de calor: adhesivos conductores trmicos 235


7.7.7.2 Mtodos de conexin entre elementos de potencia y disipadores de calor 235

7.7.7.3 Mtodos actuales para el acoplamiento de disipadores de calor 236

7.7.8 Adhesivos conductores elctricos 236

7.7.9 Nuevas tecnologas SMD 236

7.7.9.1 Tcnicas Chip on Board 236

7.7.9.2 Tcnicas Flip Chip on Board (FCOB) 237

TEMA 8: COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LAS UNIONES ADHESIVAS

(Juan Carlos Surez Bermejo, ETSIN de Madrid)

8.1 Introduccin 239

8.2 Efecto de la temperatura 240

8.2.1 Efectos interfaciales 240

8.2.2 Transiciones trmicas en adhesivos 240

8.2.3 Degradacin trmica de adhesivos 242

8.2.3.1 Despolimerizacin 242

8.2.3.2 Degradacin oxidativa 242

8.2.4 Lmite de temperatura de los adhesivos 243

8.3 Efecto de la humedad 243

8.3.1 Difusin de agua en adhesivos 244

8.3.2 Degradacin de la resistencia y modos de fallo 245

8.3.3 Mecanismos de prdida de resistencia 247

8.3.3.1 Desplazamiento del adhesivo por el agua 247

8.3.3.2 Hidratacin de capas de xidos 248

8.3.4 Mejoras de la durabilidad de la unin 248

8.3.4.1 Interposicin de barreras a la difusin de agua 248

8.3.4.2 Inhibicin o retardo de la hidratacin 249

8.3.4.3 Aplicacin de la imprimacin 249

8.4 Efectos combinados de la temperatura, la humedad y las tensiones mecnicas 250

8.4.1 Ensayos acelerados 250

8.4.2 Temperatura, humedad y tensin mecnica 252

8.4.2.1 Tensin mecnica 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-Tensin mecnica 253

8.5 Durabilidad y prediccin 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


8.5.3 Comparacin de los ensayos a corto y largo plazo 257

TEMA 9: ASPECTOS RELACIONADOS CON LA APLICACIN DE LOS ADHESIVOS Y

LOS SELLADORES (Manuel Ramos Rey, Loctite Espaa; Eloy Ingran Caballero,

Loctite Espaa y Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 259

9.1 Dosificacin y curado de los adhesivos

(Manuel Ramos Rey, Loctite Espaa y Eloy Ingran Caballero, Loctite Espaa) 259

9.1.1 Equipos para la dosificacin de los adhesivos 259


9.1.1.2 Tipos de sistemas dosificadores de adhesivos 260

9.1.1.3 Sistemas dosificadores presin-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 emisin 262

9.1.2.3 Intensidad 263

9.1.2.4 Lmparas de uso industrial 264

9.1.2.5 Lmparas de luz negra 264

9.1.2.6 Lmparas de vapor de mercurio de presin media con electrodos 264

9.1.2.7 Lmparas de vapor de mercurio de presin alta 265

9.1.2.8 Lmparas de vapor de mercurio sin electrodos 266

9.1.2.9 Lmparas de haluro metlico 266

9.1.2.10 Otras fuentes de luz 266

9.1.2.11 El reflector 267

9.1.2.12 La refrigeracin 267

9.2 Seguridad e Higiene (Mario Madrid Vega, Loctite Espaa) 267

9.2.1 Seguridad e Higiene de los adhesivos 267

9.2.1.1 Potencial y peligrosidad real 267

9.2.1.2 La regulacin sobre materiales peligrosos 268

9.2.1.3 Informacin sobre sustancias peligrosas:

establecimiento de los niveles de riesgo toxicolgico 268

9.2.1.4 Evaluacin de los riesgos toxicolgicos: 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 tcnicas de curado por luz 270

9.2.2.1 Emisin ultravioleta 270

9.2.2.2 Quemaduras UV en la piel y en los ojos 270

9.2.2.3 Equipo de proteccin 271

9.2.2.4 Lmites de exposicin 271

9.2.2.5 Exposicin al ozono 271

9.2.2.6 Alto voltaje y alta temperatura 271

9.2.2.7 Manipulacin de la lmpara 271

12

INDICE

TEMA 10. GLOSARIO DE TRMINOS

(Informacin basada en la norma UNE PNE-EN 923 sobre Adhesivos, Trminos y Definiciones) 273

TEMA 11. BIBLIOGRAFA Y PUBLICACIONES RELACIONADAS

(Basado en la informacin facilitada por Francisco Lpez Martn, ETSIN de Madrid; Juan Carlos

Surez Bermejo, ETSIN de Madrid; Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante y Mario

Madrid Vega, Loctite Espaa) 289

13


Transcurridos tres aos desde nuestra primera experiencia en el desarrollo de programas de forma-cin sobre adhesivos dirigidos a profesorado, volvemos a recopilar una parte importante de la informa-cin actualizada sobre el mundo de los adhesivos.

En aquella primera experiencia, que comenz en el verano de 1996, se reunieron los conocimientosque se consideraban necesarios para capacitar al lector en la decisin y el uso de los adhesivos como solu-cin al ensamblaje y al sellado de materiales. Posteriormente, entre los meses de Enero y Septiembre de1997 se revis y complet toda esa informacin conjuntamente con Miguel ngel Martnez Casanova,profesor de la Escuela Politcnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid, y Juan Carlos delReal Romero, profesor de la Universidad Pontificia Comillas de Madrid (I.C.A.I.). Todo ello gracias alinters y al apoyo mostrados por Jos Manuel Campos Hernndez, Subdirector de las Escuelas Tcnicasde la Universidad Pontificia Comillas de Madrid (I.C.A.I.), y por Jos Manuel Torralba Castell,Catedrtico del rea de Materiales de la Escuela Tcnica de la Universidad Carlos III de Madrid.

En esta ocasin, hemos reunido un foro de ms de veinte profesores y catedrticos de diferentesescuelas de ingeniera y facultades procedentes de la Comunidad de Madrid durante los meses deNoviembre de 1999 y Junio de 2000. Gracias a la participacin de ms de diez ponentes hemos conse-guido abarcar una visin completa y plural que cubre los aspectos ms relevantes sobre el mundo de losadhesivos. Es muy probable que ciertas informaciones sean redundantes, pero hemos preferido respetarlos textos elaborados por cada autor. En contrapartida, la versin actual es ms rica y plural, tanto por laparticipacin de un mayor nmero de ponentes, como por la tan diversa procedencia de la informacinaqu reunida.

Con esta recopilacin se pretende cubrir el vaco que hay actualmente sobre el conocimiento acercadel fenmeno de la adhesin y de los adhesivos. Est dirigida fundamentalmente a estudiantes de ciclossuperiores, ms concretamente de carreras tcnicas, aunque el enfoque de la obra cubre tanto aspectostecnolgicos, como fsico-qumicos, los cuales son bsicos para comprender el fenmeno de la adhesin.Se ha pretendido reunir en una misma obra conocimientos sobre los principios de la adhesin y, al mismotiempo, sobre los usos y tecnologas actuales asociadas a los adhesivos.

Esperamos que todo este esfuerzo comn sirva como plataforma de lanzamiento para que esta expe-riencia se lleve a otras comunidades y que el conocimiento sobre adhesivos se haga extensivo a todas lasescuelas de ingeniera.

Agradecemos su participacin como ponentes a Jos Miguel Martn Martnez (Universidad deAlicante), M Eugenia Rabanal (Universidad Carlos III de Madrid), Juan Carlos del Real Romero(Universidad Pontificia Comillas de Madrid), Francisco Lpez Martn (ETSI Navales de Madrid),Miguel ngel Martnez Casanova (Universidad Carlos III de Madrid), Juan Manuel Martn Garca(Loctite Espaa), Francisco Javier Valle Fonck (Loctite Espaa), Juan Jos Lesmes Celorrio (LoctiteEspaa), Rafael Gonzlez Daz (EUIT Aeronutica de Madrid), Javier Snchez-Valero Catal (CASA),Eva Royuela Prieto (Loctite Espaa), Juan Carlos Surez Bermejo (ETSI Navales de Madrid) y EloyIngrain Caballero (Loctite Espaa).

A la ETSI Navales de Madrid y, en particular, a Juan Carlos Surez Bermejo y Francisco Lpez

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PRLOGO

Martn por hacer posible la presencia de Jos Miguel Martn Martnez (Universidad de Alicante) enMadrid.

A Antonio Segura (LOCTITE ESPAA), Marcial Ares (SONOPRES IBERMEMORY) y EmilioRamos (CICSA) por hacer posible la visita a lneas de fabricacin con uso de adhesivos.

A Ral Verd (INSTITUTO DE F.P. Puerta Bonita) por su enorme trabajo arreglando todas lasfiguras y maquetando toda la informacin, dndole presencia.

A Natividad Antn Iglesias (Universidad Carlos III de Madrid), Antonio Portols Garca (ETSIIndustriales de Madrid), Javier Ooro Lpez (ETSI Industriales de Madrid), Gerardo Roman Labanda(ETSI Industriales de Madrid), Giancarlo Soler (ETSI Industriales de Madrid), Antonia Jimnez Morales(Universidad Carlos III de Madrid), Mara del Mar Cledera Castro (Universidad Pontificia Comillas deMadrid), Juan Carlos del Real Romero (Universidad Pontificia Comillas de Madrid), Juan Carlos SurezBermejo (ETSI Navales de Madrid), Francisco Lpez Martn (ETSI Navales de Madrid), Alicia LarenaPellejero (ETSI Industriales de Madrid), Daniel F. Gallego Ramos (EUIT Aeronutica de Madrid),Jacinto Julio Alonso Prez (EUIT Aeronutica de Madrid), Julin Jos Narbn Prieto (EUIT Industrial deMadrid), Jos Antonio Lozano Ruiz (EUIT Industrial de Madrid), Sara Gmez Martn (EUIT Industrialde Madrid), Ricardo Garca Ledesma (EUIT Industrial de Madrid), Philip Siegmann (UniversidadComplutense de Madrid, Facultad de Fsicas), Luis Miguel Snchez Brea (Universidad Complutense deMadrid, Facultad de Fsicas) y Luis Lobato (Universidad Complutense de Madrid, InstitutoMeteorolgico) por su asistencia a las conferencias.

Y al Departamento Tcnico de Loctite Espaa (Consuelo Lpez, Benigno Gmez, Manuel Ramos,Juan Jos Lesmes, Juan Manuel Martn, Francisco Javier Valle, Jess Snchez y Eloy Ingran) por suapoyo incondicional, tanto logstico como tcnico.

NOTA IMPORTANTE: Este libro no ha sido elaborado ni para su comercializacin, ni para bene-ficio econmico de nadie. No es un libro a la venta. Las informaciones contenidas han sido cedidas porparte de los respectivos autores, sin interferir en modo alguno con los derechos de autor que pudieranderivarse de su publicacin en cualquier medio. La finalidad nica de este libro es la difusin del cono-cimiento sobre los adhesivos.

Madrid, 15 de Octubre de 2000

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PRLOGO

1.1 Historia de los adhesivos1.1 Historia de los adhesivos

Si mirramos atentamente a nuestro alrededorpodramos observar que la prctica totalidad delos objetos que nos rodean presentan ejemplos deadhesiones. Sin ir ms lejos, en el mundo animalpodemos encontrar ejemplos sobre el uso de agen-tes adhesivos: as, por ejemplo, las telas de araadeben su consistencia estructural a la presencia deagentes tackificantes o adhesivos. Otra muestraes el uso de sustancias con caractersticas adhesi-vas en la construccin de los nidos de los pjaros.

El uso del adhesivo por el hombre se remonta ala Prehistoria. Se han encontrado vestigios decollares en los cuales se emple la sangre animalcomo agente adhesivo. Las estatuas babilonias,que datan del ao 4000 AC., dan fe del uso de loscementos bituminosos como primeros adhesivosestructurales empleados por el hombre. Los egip-cios emplearon adhesivos hacia el 1800 AC. paraunir lminas de madera. En este caso el adhesivoempleado proceda de la coccin de huesos de ani-males.

Durante la Edad Media desaparece el uso masi-vo de todos estos adhesivos. No es hasta el sigloXIX cuando se comienzan a descubrir los prime-ros adhesivos industriales, y en el siglo XX cuan-do se empiezan a producir y a emplear de unmodo industrial.

Se puede decir que la primera aplicacin indus-trial que tuvo el adhesivo fue su uso en los sellosde correos. El uso de adhesivos en base a almidnpermiti que la correspondencia pudiera ser fran-queada simplemente con adherir un pedazo depapel al sobre. Este invento, cuyo uso comenzhacia 1840, fue tan bien recibido que an en laactualidad se sigue empleando.

Sin embargo el uso del adhesivo en otras indus-trias tiene su comienzo cuando en 1843 CharlesGoodyear descubre la vulcanizacin como mto-do para mejorar las caractersticas mecnicas delos cauchos. Este proceso adems permita la

unin de caucho a metal. Los adhesivos en base altex se desarrollaron hacia 1897.

Las primeras cintas industriales fueron desarro-lladas alrededor de 1920 por Drew (3M).

El impulso ms espectacular que experiment eladhesivo industrial fue provocado por las necesi-dades tecnolgicas que plante la industria arma-mentstica durante la II Guerra Mundial. As, eneste perodo se empiezan a comercializar, entreotras resinas, los adhesivos epoxi, cuya patentehaba aparecido en 1943.

La tecnologa anaerbica tiene su aplicacin enla industria armamentstica a partir de 1953.Posteriormente se introduce en la industria de laautomocin. Aunque tales sustancias ya fuerondescritas por Burnett y Nordlander en los aos40, fue Vernon K. Krieble el cientfico que modi-fic la composicin de aquellas resinas convir-tindolas en adhesivos aptos para su uso indus-trial.

Aunque descubiertos por cientficos de EastmanKodak a principios de los 50 fue Loctite quiencomercializ los cianoacrilatos con fines indus-triales hacia 1958. Su uso fundamental se encua-dr dentro de la industria electrnica, aunquepronto se extendi a otros sectores. En la actuali-dad se estn empezando a emplear con fines mdi-cos como sutura qumica.

Los adhesivos reforzados con caucho comien-zan a emplearse a partir de 1965. Pretenden cubriraquellas aplicaciones en las cuales las unionesadhesivas pueden ser sometidas a esfuerzos depelado.

Por ltimo el empleo masivo de adhesivos els-ticos, fundamentalmente poliuretanos, comienza aprincipios de los 80, cuando se comprueban losbeneficios de tales adhesivos para la construccinde estructuras que pueden verse sometidas amovimientos relativos de los sustratos. Los poliu-retanos haban sido descubiertos durante la II

17


TEMA 1: INTRODUCCIN(Mario Madrid Vega, Loctite Espaa)

Guerra Mundial por la industria militar alemana.

La qumica involucrada en el desarrollo de lasdistintas familias de adhesivos fue mayoritaria-mente descubierta durante la primera mitad delsiglo XX. En la actualidad es difcil encontrar for-mulaciones revolucionarias.

Fundamentalmente, se tiende ms a investigarsobre lo conocido para buscar nuevas aplicacio-nes.

As, es de sobra conocido el uso de resinasepoxi, entre otras, en la industria aeronutica.Formulaciones ms recientes introducen cargaselastomricas a estos adhesivos, con lo que suaplicacin se puede ampliar a uniones que preci-san de adhesivos menos rgidos. En la actualidadse est trabajando en combinaciones entre poliu-retanos y epoxis.

La fabricacin de poliuretanos ha experimenta-do un tremendo desarrollo durante los ltimos 15aos. Aunque se conocan desde mucho antes, suuso como adhesivos en la construccin, la indus-tria naviera y la industria de la automocin hatenido un enorme impulso recientemente.

Los adhesivos cianoacrlicos fueron, en un prin-cipio, investigados como posibles sustitutos de lospuntos de sutura tradicionales. Sin embargo suuso ha abarcado numerosos sectores de la indus-tria, y slo durante los ltimos aos se ha desarro-llado su uso mdico.

Aunque los adhesivos anaerbicos se empleanen elementos de mquinas desde hace dcadas, hasido hace aproximadamente 20 aos cuando sehan empezado a aplicar masivamente en motores,cajas de cambio, sistemas de transmisin, etc. Suuso va estrechamente ligado con el enorme incre-mento que han experimentado las vidas medias defuncionamiento de las mquinas.

Como ya se mencionaba en el apartado anterior,las lneas actuales de investigacin van dirigidasms hacia la mejora de las familias adhesivasexistentes que hacia el descubrimiento de otrasnuevas. As, en la actualidad el desarrollo de losequipos dosificadores est permitiendo una auto-matizacin an mayor de los procesos de dosifica-cin de los adhesivos. De hecho ya existen multi-tud de equipos controlables por medio deautmatas programables y que pueden ser inserta-

dos en cualquier lnea productiva.

En cuanto a la formulacin de los adhesivos, enla actualidad se tienden a evitar los productos enbase a solvente debido a los problemas deSeguridad e Higiene de estas sustancias, al mar-gen de su carcter daino para el medio ambiente.Adems, la gran mayora de las formulacionesactuales evitan monmeros voltiles, es decir, debajo peso molecular. Las concentraciones de aditi-vos que pudieran resultar dainos se eliminan o,cuando menos, se reducen al mnimo posible.

1.2 Ventajas y desventajas de los adhesivos1.2 Ventajas y desventajas de los adhesivos

Se puede definir adhesivo como aquella sustan-cia que aplicada entre las superficies de dos mate-riales permite una unin resistente a la separacin.Denominamos sustratos o adherentes a los mate-riales que pretendemos unir por mediacin deladhesivo. El conjunto de interacciones fsicas yqumicas que tienen lugar en la interfase adhesi-vo/adherente recibe el nombre de adhesin .

Es importante dejar claro que cada tipo de adhe-sivo tiene un mbito de aplicacin que depende desus propiedades mecnicas y qumicas, tanto antescomo despus de producirse su endurecimiento.As un poliuretano, por ejemplo, es un adhesivoidneo para conferir estructuralidad al conjuntode la carrocera y a las ventanas de un vehculo.Sus propiedades adhesivas son muy inferiores alas de una resina epoxi, pero su elasticidad le per-mite soportar y amortiguar las deformaciones a las

18

INTRODUCCIN

Fig. 1.1: Esquema bsico de una unin adhesiva.

que pueden verse sometidas tales estructuras.Bajo estas condiciones un adhesivo epoxi es exce-sivamente rgido para soportar los cambios que seproducen en la geometra de la estructura. Otroejemplo sera las cintas adhesivas de baja adhe-sin que no destruyen el sustrato. Sera absurdoemplear en tal caso adhesivos de mayor rendi-miento, que podran daar los materiales cuandoaqullos fueran eliminados.

Las uniones adhesivas presentan las siguientesventajas con respecto a otros mtodos de ensam-blaje de materiales:

Distribucin uniforme de tensiones: se elimi-nan las puntas de tensin que aparecen en lostaladros roscados y lisos empleados paramontar tornillos y remaches. Asimismo, seevitan los cambios estructurales producidospor la soldadura en el material, que afectansu resistencia a la fatiga bajo cargas dinmi-cas.

Rigidizacin de las uniones: los adhesivosforman uniones continuas entre las superfi-cies de la junta. Estas uniones son muchoms rgidas que las realizadas por remaches opuntos de soldadura que slo conectan las

superficies en puntos localizados. Las estruc-turas adheridas soportan cargas entre un 30%y un 100% superiores sin llegar a torcerse.

No se produce distorsin del sustrato: laspiezas no se calientan y no sufren deforma-ciones debidas al calor o a esfuerzos mecni-cos. Adems, se permite el montaje sencillode sustratos de diferentes masas y dimensio-nes.

Permiten la unin econmica de distintosmateriales: aunque la soldadura, por ejem-plo, ya permite unir materiales cermicos ymetales, los adhesivos son una solucin eco-nmica para la unin de materiales diferen-tes.

Uniones selladas: los adhesivos actan tam-bin como selladores. En ocasiones seemplean para hacer estancas otras unionesmecnicas.

Aislamiento: permite la unin de metales dediferentes propiedades electroqumicas, evi-

19


Fig. 1.2: Distribucin de la tensin en montajessoldados, remachados y unidos con adhesivos.

Fig.1.3:Comparacin

entre una uninadhesiva y una

uninremachada. Se

puede observarcomo la primera

tiene un efectorigidizador muy

superior sobrela junta.

Fig. 1.4: En elsegundo caso,

la presenciade adhesivo

evita laformacin de

una pilagalvnica.

tando fenmenos como la corrosin galvni-ca bimetlica, la erosin por friccin y lacorrosin por frotamiento. Por efecto ocupa-cional tambin evitan la entrada de agentescorrosivos como la humedad y el aire.

Reduccin del nmero de componentes,como tornillos, pasadores, remaches, abraza-deras, etc., lo cual disminuye los costes aso-ciados a la manipulacin y almacenaje deestas piezas.

Mejora el aspecto del producto: las unionesadhesivas son ms lisas, escondiendo las jun-tas a la vista y mejorando la esttica del con-junto.

Compatibilidad del producto: los adhesivosaceleran los procesos de ensamblaje, aumen-tando la capacidad de produccin.

Uniones hbridas: los adhesivos usados enconjuncin con mtodos de ensamblajemecnico mejoran el rendimiento global dela junta.

Como inconvenientes de los adhesivos, pode-mos destacar:

Preparacin superficial: puede ser necesariapara lograr resultados fiables.

Tiempos de curado: la produccin puederetrasarse cuando se emplean adhesivos queprecisan tiempos de curado prolongados paralograr la resistencia a la manipulacin y laresistencia funcional.

Desmontaje: las uniones adhesivas pueden serdifciles de desmontar.

Resistencias mecnica y a la temperaturalimitadas: los adhesivos son polmeros y enconsecuencia tienen resistencias mecnica ya la temperatura limitadas.

Inexistencia de ensayos no destructivos, quegaranticen la resistencia de la unin adhesi-va. En producciones en cadena se realizanmuestreos y ensayos destructivos.

1.3 Adhesin y cohesin: modos de fal lo1.3 Adhesin y cohesin: modos de fal lo

Los adhesivos son puentes entre las superficiesde los sustratos, tanto si son del mismo, como sison de distinto material. El mecanismo de unindepende de:

- La fuerza de unin del adhesivo al sustrato oadhesin

- La fuerza interna del adhesivo o cohesin

Por adhesin se entiende la fuerza de unin enla interfase de contacto entre dos materiales. Lasfuerzas fsicas de atraccin y adsorcin, que sedescriben como fuerzas de van der Waals, tienenuna gran importancia en la unin. El rango deestas fuerzas intermoleculares es considerable-mente ms bajo si el material adhesivo no est encontacto ntimo con las zonas a unir. Este es elmotivo por el que el adhesivo debe penetrar total-mente en la rugosidad superficial y mojar toda lasuperficie. La resistencia de la fuerza adhesivadepende del grado de mojado (contacto intermole-cular) y de la capacidad adhesiva de la superficie.Para una determinada tensin superficial deladhesivo, el mojado depende de la energa super-ficial del sustrato, aunque puede verse reducido siexisten contaminantes superficiales.

La cohesin es la fuerza que prevalece entre lasmolculas dentro del adhesivo, manteniendo elmaterial unido. Estas fuerzas incluyen:

- Fuerzas intermoleculares de atraccin (fuer-zas de van der Waals)

- Enlaces entre las propias molculas de pol-mero

Podemos evaluar la adhesin de dos sustratossimplemente realizando un ensayo de rotura de launin adhesiva. As, el fallo de una unin adhesi-va puede ocurrir segn tres posibles modos:

- Separacin por cohesin: cuando se producela ruptura del adhesivo.

- Separacin por adhesin: cuando la separa-cin se produce en la interfase sustrato-adhe-sivo.

- Ruptura de sustrato: cuando el propio sustratorompe antes que la unin adhesiva o que la

20

INTRODUCCIN

Fig. 1.5: Fases de una unin adhesiva.

Sustrato 1

ADHESIN

ADHESIN

COHESIN

Sustrato 2

Molculasadhesivas

interfase sustrato-adhesivo.

Cuando se disea una unin adhesiva se preten-de que la rotura no sea en ningn caso adhesiva, esdecir, que la separacin nunca se produzca en lainterfase sustrato-adhesivo. Los modos de roturaadhesiva no son nunca predecibles, puesto que lamagnitud de la fuerza de adhesin, como se veren posteriores temas, depende de un gran nmerode factores rara vez controlables en su totalidad.Por el contrario, s se pueden conocer las caracte-rsticas mecnicas del adhesivo y, por tanto, sepueden predecir las cargas a la rotura en modocohesivo bajo diferentes tipos de esfuerzos.

1.4 Clasif icacin de los adhesivos1.4 Clasif icacin de los adhesivos

Las dificultades fundamentales a la hora de rea-lizar una clasificacin son la gran variedad debases qumicas de los adhesivos y la gran diversi-dad de sustratos posibles. Adems, cada adhesivorequiere distintos mtodos de tratamiento paracada sustrato. Por este motivo los sistemas msadecuados para la clasificacin de los adhesivosse basan en las propiedades ms importantes destos.

Una de las clasificaciones ms empleadas sebasa en el mecanismo de formacin de la juntaadhesiva. As, se pueden distinguir dos grandesgrupos de adhesivos. Los adhesivos prepolimeri-zados , es decir, aqullos cuyo polmero ya exista

antes de ser aplicado el adhesivo sobre la unin, yadhesivos reactivos . Estos ltimos se caracterizanporque el adhesivo en estado lquido, viscoso, gel,etc. se halla constituido por monmeros o cadenasoligmeras que polimerizan y/o se entrecruzandurante el proceso de polimerizacin que ocurrecuando tal adhesivo se ubica entre los sustratos aunir. Dentro de estos grandes grupos se definendiversas subclases:

ADHESIVOS PREPOLIMERIZADOS (Elpolmero base ya existe en el seno del propioadhesivo):

En fase lquida:Soluciones acuosas de origen natural:

. Origen mineral: cementos, colas

. Origen animal: casena

. Origen vegetal: celulosa, almidn, colofo-nia

Soluciones acuosas de origen sinttico:. PVP (Polivinilpirrolidona). PEG (Polietilenglicol). PAV (Polialcohol vinlico)

Soluciones orgnicas: suelen ser lineales yadquieren propiedades elsticas tras la vulca-nizacin, la cual en ocasiones tiene lugar conel oxgeno del aire.

. Caucho natural

. Polienos

. Polidienos

. Elastmeros termoplsticos (SBR)

21


Fig. 1.6:Modos de fallode las uniones

adhesivas.

22

INTRODUCCIN

Emulsiones o lquidas: tienden a sustituir a losanteriores por los problemas derivados deluso de disolventes en su formulacin.

. PVC

. Polietileno

. Poliacetato de vinilo

. Poliacrlicos (acrlicos y metacrlicos)

En fase slida:Adhesivos sensibles a la presin o piezosensi-

bles (PSA): son adhesivos con una reologaespecial que les permite deformarse y mojarlos sustratos en estado slido.

. Adhesivos de contacto

. Pelculas y cintas autoadhesivas

. Adhesivos reposicionables

. Adhesivos reactivables por calor

Adhesivos termofusibles o Hot Melts: sonadhesivos que humectan los sustratos cuandose calientan por encima de la temperatura dereblandecimiento del termoplstico y alenfriar adquieren la consistencia de un plsti-co.

. Polietileno

. EVA

. Poliamidas

. Polisteres

ADHESIVOS REACTIVOS (el adhesivo con-tiene el monmero u oligmero que polimerizarpara generar el polmero curado final)

Mediante poliadicin :. Anaerbicos. Acrlicos. Cianoacrilatos. Siliconas de poliadicin. Polisteres. Polisulfuros

Mediante policondensacin:. Poliuretanos. Epoxis. Siliconas de policondensacin. Fenlicos

2.1. Formacin de la unin adhesiva (Jos2.1. Formacin de la unin adhesiva (JosMiguel Mart n Mart nez, Universidad deMiguel Mart n Mart nez, Universidad deAl icante)Al icante)

2.1.1 Introduccin

Las uniones adhesivas deben disearse para unaaplicacin concreta.

Una unin adhesiva adecuada requiere :

1.Asegurar el uso de materias primas de prime-ra calidad.

2.Cuidadoso control de calidad de los materia-les a unir.

3.Realizar un exhaustivo y cuidadoso controlde todas las etapas necesarias para realizar launin adhesiva.

4.Respetar los tiempos necesarios para realizarla unin.

5.Trabajar en condiciones adecuadas (espacio,ventilacin, atmsfera controlada).

6.Seguir escrupulosamente la normativa vigen-te tanto a nivel tcnico como medioambien-tal.

2.1.2 Realizacin de la unin adhesiva

Las etapas a seguir en la realizacin de las unio-nes adhesivas son las siguientes:

1.Limpieza adecuada de los adherentes.2.Seleccin del adhesivo ms adecuado al sus-

trato y aplicacin deseada.3.Diseo adecuado de la unin adhesiva.4.Obtencin de un buen contacto interfacial

(mojado) adhesivo/sustrato.5.Creacin de fuerzas de adhesin intrnsecas

en la unin.6.Control de la reticulacin, curado o cristali-

zacin del adhesivo.

7.Determinar la adhesin usando un ensayoadecuado a la aplicacin final de la uninadhesiva y a las solicitaciones mecnicas queva a soportar durante su uso.

8.Determinacin de la durabilidad de la unin(realizacin de ensayos de fatiga y envejeci-miento).

2.1.2.1 Limpieza adecuada de los adherentes

Las funciones que tiene la limpieza de los adhe-rentes son las que siguen:

1.Asegurar un adecuado control de calidad delos adherentes (materias primas de calidad,adecuado procesado, regularidad de la pro-duccin).

2.Conocer la existencia de agentes desmolde-antes (disminuyen notablemente la adhe-sin).

3.Realizar una limpieza previa de los adheren-tes mediante disolventes y/o detergentes, etc.Utilizar medios mecnicos en caso necesario.

2.1.2.2 Seleccin del adhesivo

A la hora de seleccionar el adhesivo idneo parauna aplicacin deben contemplarse los siguientesfactores:

1.Capacidad de adhesin inherente al sustrato.2.Condiciones de uso de la unin adhesiva :

a)Esfuerzos: tensin, cizalladura, fatiga,impacto.

b)Factores qumicos :i)Externos: disolventes, cidos, lcalis.ii)Internos: migraciones de especies debajo peso molecular, reacciones de lainterfase.

3.Medioambiente de trabajo de la unin adhesi-va.

23


TEMA 2: PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORESANTES DEL CURADO

(Jos Miguel Martn Martnez, Universidad de Alicante y Mario Madrid Vega, LoctiteEspaa)

4.Requisitos especiales conductividad, aisla-miento trmico, color, proceso de fabricacinde la unin.

5.Restricciones de produccin: estabilidad delos materiales, mtodo de aplicacin deladhesivo.

6.Precio.7.Factores de salud y seguridad: normativa

vigente.

2.1.2.3 Diseo adecuado de la unin adhesiva

A la hora de disear las uniones adhesivas laforma, tamao y grosor de los adherentes determi-na el tipo de adhesivo que es ms conveniente uti-lizar. En cualquier caso, el diseo adecuado de launin adhesiva debe conseguir minimizar la pro-pagacin de fracturas que se puedan iniciar en launin adhesiva.

2.1.2.4 Obtencin de un buen contacto interfa-cial

La apetencia de un sustrato a ser unido a otro secuantifica mediante la energa superficial (gSV), lacual se obtiene a partir de medidas de ngulos decontacto. Las superficies de los materiales tienenmayor o menor apetencia para ser unidas. As,podemos distinguir entre:

1.Superficies con baja energa superficial(menor de 30 mJ/m2) = Apolares.

2.Superficies con alta energa superficial (entre60 y 300 mJ/m2) = Polares.

Un adhesivo mojar a un slido si se cumpleque la energa superficial del slido es superior ala del lquido (g SV > g LV). Las diferencias entreambas energas no deben ser muy importantes.

La siguiente tabla muestra las energas superfi-ciales relativas de algunos materiales.

Material Energa superficial

xidos metlicos Muy alta

Acrlicos

PVC

Siliconas

Tefln Muy baja

La siguiente tabla muestra los valores de tensinsuperficial de algunos adhesivos.

Adhesivo ggLV (dinas.cm-1)

Resina fenlica 78

Adhesivo de urea-formaldehido 71

Adhesivo de fenol-resorcinol 48

Adhesivo de casena 47

Resina epoxi 47

Ltex de poliacetato de vinilo 38

Adhesivo de nitrocelulosa 26

2.1.2.5 Creacin de fuerzas de adhesin intrn-secas en la unin adhesiva

Para que se produzca adhesin se deben des-arrollar interacciones en la interfase. Para ello, esnecesario crear uniones de naturaleza fsica o qu-mica.

Una alta adhesin no requiere necesariamentecrear enlaces qumicos en la interfase. Las fuerzasde van der Waals y los enlaces de hidrgeno sonsuficientes, ya que se generan mltiples puntos decontacto entre cadenas del polmero y la superfi-cie del sustrato.

Si las fuerzas de adhesin no son suficiente-mente elevadas, se pueden incrementar mediante :

1.Tratamientos superficiales del sustrato.2.Adicin de promotores de la adhesin al

adhesivo.

24

PROPIEDADES DE LOS ADHESIVOS Y LOS SELLADORES ANTES DEL CURADO

Fig.2.1:Esquema de larelacin entreenergasuperficial deslido, lquidoy vapor enequilibrio

Tabla 2.1: Energas superficiales relativas dealgunos materiales.

Tabla 2.2: Valores de tensin superficial dealgunos adhesivos.

2.1.2.6 Control de la reticulacin, cristalizacino curado del adhesivo

Los adhesivos experimentan modificacionesfsico-qumicas que modifican sus propiedades.Estas modificaciones deben ser consideradas endetenimiento para lograr las prestaciones adecua-das de las uniones adhesivas:

1.Reaccin qumica: mediante calor, presin,agentes de curado, radiacin UV, etc. Son losdenominados adhesivos reactivos.

2.Enfriamiento de un lquido fundido. Son losadhesivos termofusibles (hot melts).

3.Secado por evaporacin de disolvente. Sonlos adhesivos en disolucin.

4.Presin. Son las cintas adhesivas y los PSAs(Pressure Sensitive Adhesives).

Los adhesivos de reaccin qumica, curanmediante:

1.Polimerizacin en etapas por condensacin,como las resinas epoxi.

2.Polimerizacin por adicin, como los cianoa-crilatos.

En los adhesivos de reaccin qumica a tempe-ratura ambiente, la reaccin es inicialmente rpidapero puede tardar meses en completarse. Estosadhesivos pueden ser algunos de los siguientes:

1.Bicomponentes: mediante el sistema resinams endurecedor, como por ejemplo los epo-xis.

2.Monocomponentes: reticulables con hume-dad, luz ultravioleta, reaccin anaerbica,etc. Como por ejemplo los cianoacrilatos.

En ocasiones las reaccin qumica tiene lugar aelevada temperatura.

Las ventajas de este procedimiento de reticula-cin son las siguientes:

1.Se evitan problemas debidos a evaporacindel disolvente.

2.En muchos casos, no se precisa adquirir equi-pos de aplicacin sofisticados.

3.Buena resistencia de las uniones a latemperatura.

Las limitaciones de este procedimiento dereticulacin son las que siguen:

1.Cinticas de reaccin rpidas, es decir, tiem-pos abiertos cortos.

2.Son adhesivos caros.3.En ocasiones requiere la mezcla de dos com-

ponentes.

Los adhesivos termofusibles se basan en pol-meros termoplsticos que tienen baja capacidadcalorfica como el EVA, o las poliolefinas. Sonadhesivos viscosos, por lo que pueden presentarpobre mojabilidad de los sustratos. Son adecuadospara sustratos porosos (papel, cartn, telas). Son,adems, adhesivos rpidos, pero requieren laaplicacin de presin durante la formacin de launin adhesiva. Presentan tiempos abiertos cor-tos.

Los adhesivos en disolucin contienen hastaun 30% de slidos, en los adhesivos en base sol-vente, o hasta un 55% de slidos, en los adhesivosen emulsin. Ejemplos de estos adhesivos son losadhesivos de contacto o las emulsiones de PVA.No presentan problemas de mojabilidad de lossustratos, pero hay que eliminar el disolventemediante dos sistemas:

1.Sustratos porosos: eliminacin porcapilaridad.

2.Sustratos no porosos: evaporacin forzada.

Las limitaciones de los adhesivos en disolucinson las siguientes:

1.El disolvente puede atacar a los sustratos.2.Se requiere tiempo para su eliminacin.3.Problemas de costo, inflamabilidad y toxici-

dad.

Los adhesivos sensibles a la presin y las cin-tas adhesivas se soportan generalmente sobre uncarrier. Ejemplos de estos adhesivos son las cin-tas adhesivas y los adhesivos reposicionables. Nopresentan una alta adhesin pero pueden unirse acualquier tipo de sustratos. Son adhesivos prcti-camente exentos de disolventes. Se caracterizanpor presentar tack (pegajosidad) y por generar unaadhesin inmediata adecuada. El mecanismo porel que actan es la difusin de cadenas de polme-ro a la superficie.

25


2.1.2.7. Determinacin de la adhesin

La resistencia a la separacin de las unionesadhesivas se obtiene empleando el ensayo msadecuado. El ensayo debe disearse de acuerdo ala aplicacin esperada en la unin adhesiva.

Para evaluar si una unin adhesiva es adecuadase deben considerar tanto la resistencia a la sepa-racin como el modo de fallo de la unin adhesi-va.

Los ensayos ms habituales para evaluar laresistencia de las uniones son:

1.Ensayos de pelado (T, 180, 90).2.Ensayos de cizalla (single lap-shear).3.Ensayos de torsin.

2.1.2.8. Determinacin de la durabilidad de lasuniones adhesivas

Las uniones adhesivas deben ser sometidas aensayos de fatiga y envejecimiento ya que sudurabilidad depende de la degradacin producidapor el ambiente de trabajo de la unin. Los ensa-yos ms frecuentes implican envejecimiento enciclos de humedad-temperatura, influencia de laluz ultravioleta, corrosin salina e inmersin en

disolventes, entre otros.

Los ensayos ms habituales son:

1.Wedge edge Boeing.2.Tapered Double Cantilever Beam.

2.2 Tensin y energa superfic iales: el ngulo2.2 Tensin y energa superfic iales: el ngulode contacto (Jos Miguel Mart n Mart nez,de contacto (Jos Miguel Mart n Mart nez,Univers idad de Al icante)Univers idad de Al icante)

2.2.1. Introduccin

La adhesin implica la unin de dos superficies.Para cuantificarla, es preciso determinar la ener-ga superficial de cada material que se va a unir.


Fig.2.2: Ensayowedge edgede la Boeing. Sedetermina elcrecimiento dela grietasometida a unenvejecimientoacelerado.

Fig.2.3: Ensayode doublecantileverBeam.

Fig.2.4: Diferentes grados de mojado en unsistema lquido-slido en equilibrio.

26

Existen diversos mtodos para asignar las pro-piedades de superficie de los materiales. La medi-da de ngulos de contacto es la ms precisa y sen-sible.

La condicin, necesaria aunque no suficiente,para que se produzca adhesin es que el sustratodebe ser mojado por el adhesivo.

Se dice que un lquido moja a un slido cuandoel ngulo de contacto que forma una gota de adhe-sivo sobre el slido es menor de 90. Por el con-trario, un lquido no moja al slido cuando elngulo es mayor de 90. El mojado es pobre sobremateriales de baja energa superficial, mientrasque se produce una alta mojabilidad sobre mate-riales de alta energa superficial. La mojabilidades aceptable sobre sustratos de energa superficialmedia.

La relacin entre la adhesin y el ngulo de con-tacto se deduce de la ecuacin de Young. Para ellopartimos de la ecuacin de la energa libre deexpansin de una gota en una superficie.

DGS = DA (USL - U0SV) + DAULV cos (q -Dq)

Si la expansin es infinitesimal:

lim = DGs = 0

DA0 DA

ULV cosq = USV - USL - p0

El trabajo de adhesin se define como:

WA = USV + ULV - USL

Sustituyendo, se obtiene la relacin entre los

ngulos de contacto y el trabajo de adhesin oenerga superficial (ecuacin de Young):

WA = USV (1+cosq)

Las medidas de ngulos de contacto para cuan-tificar la mojabilidad de los materiales tienen lassiguientes ventajas:

1.Mtodo simple.2.Rapidez.3.Sensible a las caractersticas superficiales de

los slidos.

Sus limitaciones son, sin embargo:

1.Problemas de reproducibilidad.2.Interpretacin de los resultados experimenta-

les.3.Rugosidad superficial.

La precisin aceptable en las medidas de losngulos de contacto es de 2 grados.

2.2.2 Tipos de ngulos de contacto

Se pueden distinguir diferentes tipos de ngulode contacto.

Los ngulos de contacto termodinmicos sonlos que se obtienen de superficies lisas e indefor-mables, carentes de heterogeneidades superficia-les. Su valor se corresponde con los clculos ter-modinmicos. En la prctica, son muy pocos losngulos que responden a estas premisas. La mayo-ra de las superficies de los slidos son irregula-res. Los ngulos de contacto que se miden sonreales, pero no representan las propiedades super-ficiales del slido.

Por otra parte, dependiendo de la manera dedeterminarlos, los ngulos de contacto pueden serestticos o dinmicos. En el primer caso, la gotade lquido se deposita en la superficie del slido yse espera a que se alcance el equilibrio. Por el con-trario, si la medida se realiza de forma instantneamientras se deposita el lquido de forma continua,se miden ngulos de contacto dinmicos.

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q 90: Lquido no moja al slido

Fig.2.5: Sistema slido-lquido-vapor en equilibrio.

2.2.3 ngulos de contacto estticos

Se producen sobre superficies slidas lisas,homogneas, planas y no deformables. De estemodo se establece un equilibrio estable y se reali-za una medida del ngulo de contacto de equili-brio. La expansin de la gota de lquido en lasuperficie tiene lugar mediante un movimientoespontneo.

La cintica de expansin del lquido en unasuperficie depende de los siguientes factores:

1.El grado de interaccin superficial.2.La viscosidad del lquido.

3.El volumen de la gota. No es un factor crticocuando sobrepasa un valor mnimo.

4.La temperatura.

El aparato empleado para medir ngulos de con-tacto estticos es el gonimetro. Consta de lossiguientes componentes fundamentales:

1.Cmara termostatizada de vidrio o cuarzo, enla que se deposita el slido. En su parte supe-rior se encuentra la jeringa que contiene ellquido.

2.Una fuente de luz que permite obtener el per-fil de la gota en la superficie del slido. Suelecontener un filtro para facilitar la medida.

3.Un ocular al que se le puede acoplar unacmara fotogrfica o de vdeo para seguir lasevoluciones de la gota en la superficie delslido.

Cuando la superficie del material es rugosa oheterognea se produce un equilibrio metaestable.En tales casos, se mide el ngulo de contactomicroscpico (q0) y se realizan las siguientesaproximaciones para obtener ngulos de contactoen superficies rugosas:

1.Ecuacin de Wenzel:

cos qe = r cosq0

qe = ngulo de contacto de equilibrior = factor de rugosidad, caracterstico del

slido

2.Ecuacin de Cassie:

cos qe = f1 cos q01 + f2 cos q02

f1 = fraccin del rea superficial con unngulo intrnseco q01

f2 = 1 -f1 = fraccin del rea superficial conun ngulo intrnseco q02

q02 = ngulo de contacto intrnseco de lafraccin f2

Existen dos procedimientos de medida:

1.Aumento y disminucin del volumen de lagota de lquido depositada en la superficiedel slido.

2.Depositar una gota del lquido en la superfi-cie inclinando la base. El ngulo de avance seobtiene en la parte inferior de la gota situadaen la plataforma y el de retroceso en la partesuperior.

28


Fig.2.7: Esquemabsico de ungonimetro parala medida dengulos decontacto estticos

Fig.2.6:Expansinespontnea deuna gotadepositada en lasuperficie de unslido liso.

2.2.4 ngulos de contacto dinmicos

Los ngulos de contacto dinmicos se determi-nan cuando no es posible obtener adecuadamentelos ngulos de contacto estticos. Es el caso defibras, pelculas delgadas de polmeros y metales.Los sistemas de medida empleados son los tensi-metros.

2.2.5 Determinacin de la energa superficialde los slidos

Existen varios mtodos para determinar la ener-ga superficial de los materiales. Uno de los que

29


Fig.2.9: Sistema de medida de ngulos decontacto: se deposita una gota del lquido enla superficie inclinando la base. El ngulo deavance se obtiene en la parte inferior de lagota situada en la plataforma y el deretroceso en la parte superior.

Fig.2.10: ngulos de contacto dinmicos.

Fig.2.8: Aumento y disminucin del volumen dela gota de lquido depositada en la superficie delslido, para la medida del ngulo de contacto.

Fig.2.11:Sistema

dinmico parala

determinacinde ngulos de

contacto.

Fig.2.12:Determinacin de

la energasuperficial mediante

el mtodo de latensin superficialcrtica (mtodo de

Zisman).Representaciones

de Zisman de variasseries homlogas de

lquidosdepositados en

Tefln: , RX; ,alquinbencenos;

,n - alcanos;dilaquil teres;

, siloxanos; ,otroslquidos polares.

eran ms empleados es el de la tensin superficialcrtica o mtodo de Zisman.

Energa libre superficial (mJ/m2)

Lquido gglvD gglvP gglv

Agua 22.0 50.2 72.2

Glicerol 34.0 30.0 64.0

Formamida 32.3 26.0 58.3

Di-iodometano 48.5 2.3 50.8

Etan - 1,2 - diol 29.3 19.0 48.3

1-Bromonaftaleno 44.6 0.0 44.6

Dimetilsulfxido 34.9 8.7 43.6

Tricresilfosfato 36.2 4.5 40.7

Piridina 37.2 0.8 38.0

Dimetilformamida 32.4 4.9 37.3

Poliglicol E-200 28.2 15.3 43.5

Poliglicol 15-200 26.0 10.6 36.6

2-Etoxietanol 23.6 5.0 28.6

Hexadecano 27.6 0.0 27.6

Tetradecano 26.7 0.0 26.7

Dedecano 25.4 0.0 25.4

Decano 23.9 0.0 23.9

Octano 21.8 0.0 21.8

Hexano 18.4 0.0 18.4

No obstante, el mtodo de Zisman no contemplala diferente naturaleza de las interacciones que tie-nen lugar en la interfase entre slido y lquido.Otros mtodos consideran las componentes dedispersin Ysd y polar Yps de la energa superficial.

Algunos son los que siguen:

1.Good y Grifalco.

USl = US + U l - 2F (US Ul)1/2

2.Fowkes.

USl = U l + U l - 2 (UdsUdl)1/2

3.Owens y Wendt.

U1(1+cosq) = 2 (UdsUdl)1/2 +2 (UpsUpl)1/2

4.Wu.

U1(1+cosq) = 4 (UdsUdl) + 4 (U

psUpl)

(Uds+Udl) (Ups+Upl)

Existen otros mtodos que, adems de conside-rar las componentes de dispersin Ysd, incluyen elefecto cido-base YsAB de la energa superficial. Elmtodo propuesto por Van Oss y Good es uno delos ms conocidos y se basa en que la adhesinintrnseca se debe fundamentalmente a interaccio-nes cido-base. Se considera que la energa super-ficial de un slido se debe expresar como la sumade las componentes mencionadas.

U = Uds +UABs

La componente cido-base YsAB se puede eva-luar segn diversos mtodos:

1.Mtodo de E. Papirer: emplea la cromatogra-

30


Fig.2.14: Representacin grfica de Owens y Wendtpara un caucho de estireno-butadieno halogenadocon cido tricloroisocianrico: , agua; ,etilenglicol; , glicerina; , 1-bromonaftaleno.

Fig. 2.13: Determinacin de la energa superficialmediante el mtodo de la tensin superficial crtica(mtodo de Zisman). Representacin de Zisman dePTFE utilizando varios lquidos: , n-alcanos; ,otros hidrocarburos; , steres; , hidrocarburoshalogenados pero no fluorados; , fluorocarbonos;

, otros lquidos.

Tabla 2.3:Energas libressuperficialesde lquidosempleadospara la medidade ngulos decontacto.

fa inversa. Se usan series homlogas dehidrocarburos para calcular Ysd. El uso demolculas con carcter cido o bsico permi-te obtener YsAB.

2.Mtodo de F. Fowkes: emplea la aproxima-cin de Gutmann sobre interacciones cido-base.

-DHAB = CACB + EAEB

Donde,DHAB = entalpa cido-baseCA, EA = constantes caractersticas del cidoCB, EB = constantes caractersticas de labase

3.Mtodo de Good y Van Oss: se emplean treslquidos, uno apolar y dos de diferentescaractersticas cido-base.

U1(1+cosq)==2(UdsUdl)1/2+2(U+1/2SU+1/2l)(U-1/2S U -1/2l)

Las interacciones cido base se evalancomo:

UABS = (U+SU-S)1/2

En algunos slidos predominan la compo-nente cida y en otros la componente bsi-ca. Sin embargo, si una de las dos es muypequea, YsAB es nula.

La aproximacin cido-base en la adhesin estsiendo cuestionada y revisada actualmente.

2.2.6 ngulos de contacto y mojabilidad

Las medidas de ngulos de contacto estn some-tidas a severas limitaciones. Los valores de ngu-los de contacto deben considerarse con reserva,debido a que ciertos aspectos limitan su validez.Algunos de estos aspectos son:

1.El lquido seleccionado2.La rugosidad en la superficie

El lquido seleccionado para realizar las medi-ciones debe cumplir los siguientes requisitos:

1.Poco voltil.2.Poco viscoso.3.No ser txico.4.No debe reaccionar con la luz, la humedad o

la temperatura.5.No debe atacar o reaccionar con la superficie

del slido.

Los lquidos mas adecuados y habituales pararealizar medidas de ngulos de contacto son lossiguientes:

1.Polar: Agua2.No polar: CH2I2, 1-bromo naftaleno, n-alca-

nos (>C5)3.Polar / no polar: etano diol, glicerina, dime-

til sulfxido, dimetil formamida

Asimismo, el tipo y la homogeneidad de larugosidad superficial determinan la validez de losngulos de contacto por los siguientes motivos:

1.El lquido puede quedarse tapando la entradade las heterogeneidades.

2.En algunos casos no es posible distinguirentre mojabilidad parcial y mojabilidad total,aunque el ngulo de contacto sea similar.

31


Fig.2.15:ngulos decontacto y

mojabilidad.Ausencia de

relacin entremojado

superficial yngulo de

contacto: (a)Mojado

deficiente. (b)mojado

parcial. (c)mojado total.

Fig.2.16: ngulos de contacto y mojabilidad.Mojado de una superficie rugosa: (a) ngulo decontacto intrnseco = 120 - mojado parcial en elequilibrio. (b) mojado completo en el equilibrio.(c) ngulo de contacto intrnseco = 105 - mojadoparcial en estado metaestable. (d) mojadocompleto en el equilibrio.

32


2.3 Clculo de tensin superficial, ngulos de2.3 Clculo de tensin superficial, ngulos decontacto y energa superf ic ial (Juan Carloscontacto y energa superf ic ial (Juan CarlosCabanelas Valcrcel, Francisco JavierCabanelas Valcrcel, Francisco JavierGonzlez Benito y Mara Eugenia RabanalGonzlez Benito y Mara Eugenia RabanalJimnez, Universidad Carlos I I I de Madrid)Jimnez, Universidad Carlos I I I de Madrid)

2.3.1 Tensin superficial

2.3.1.1 Introduccin

La tensin superficial es una medida directa delas fuerzas intermoleculares. La tensin en lascapas superficiales es el resultado de la atraccinde todo el material por la capa superficial y estaatraccin tiende a reducir el nmero de molculasen la regin superficial originando un aumento enla distancia intermolecular.

Las fuerzas de atraccin ms comunes son lasde van der Waals, y estas pueden ser atribuidas aefectos diferentes:

1.Fuerzas de dispersin: debidas al movimien-to electrnico interno y son independientesdel movimiento dipolar.

2.Fuerzas polares: debidas a la existencia dedipolos elctricos permanentes y efectos deinduccin de dipolos permanentes sobremolculas polarizables.

2.3.1.2 Mtodo de Wilhelmy

Este mtodo, para la determinacin de tensionessuperficiales de lquidos y para la determinacinde ngulos de contacto, fue desarrollado en el lti-mo siglo por Ludwig F. Wilhelmy.

La vasija con el lquido para ser examinado seeleva hasta que el lquido tome contacto con elplato. La fuerza de atraccin del lquido sobre elplato es una medida directa de la tensin superfi-cial del lquido segn la ecuacin:

s = FwLcosq

Fw= Fuerza de WilhelmyL = Longitud de mojado q = ngulo de contacto.

Con el uso del plato de platino podemos asumir

que el ngulo de contacto es q=0, porque lamayora de los lquidos mojan totalmente lasuperficie del metal. Entonces, como cosq tiendea uno, la tensin superficial del fluido puede sercalculada fcilmente a partir de la ecuacin ante-rior, si la longitud de mojado es conocida.

2.3.2 ngulos de contacto

2.3.2.1 Introduccin

En el mundo real, las superficies slidas sonraramente homogneas como consecuencia de suexposicin a contaminantes, residuos de lubrican-tes, lluvia cida y partculas en el aire. Esto influ-ye en aspectos tales como la adherencia, biocom-patibilidad o lubricidad, etc. Las modificacionesson invisibles incluso a los ms avanzadosmicroscopios o instrumentos espectroscpicos.Sin embargo, medidas de ngulo de contacto sonlas nicas vas de informacin, pero stas estnlimitadas por tcnicas pticas que utilizan gotasminsculas de lquido, que pueden llegar a darperfiles superficiales errneos, especialmente ensuperficies rugosas o no homogneas.

Por otro lado, el ngulo de contacto dinmico

Fig.2.17: Mtodo de Wilhelmy.

llega ms all de estas limitaciones: examina unrea de superficie y proporciona una curva carac-terstica de histresis de avance y retroceso (dife-rencia entre los ngulos de avance y retroceso) dela superficie completa, proporcionando informa-cin sobre la estructura superficial, as como delos procesos de disolucin, adsorcin y orienta-cin de grupos moleculares en la superficie duran-te el proceso de mojado. Este mtodo dependemenos del operador, es altamente reproducible ymenos sensible a cambios de concentracin loca-lizados en la interfase aire/lquido. Con este mto-do, puede conocerse el ngulo de contacto defibras tan pequeas como 5 micras de dimetro.

2.3.2.2 Tipos de ngulos de contacto

Un ngulo de contacto es el ngulo que formaun lquido con un slido en la interfaseslido/lquido/vapor. Cada combinacin de lqui-do-slido forma un ngulo de contacto caracters-tico en la interfase. En la mayora de los casos uncambio en las propiedades de la superficie delslido ser medible por un cambio en el ngulo decontacto.

A menudo slo se considera un ngulo de con-tacto y ste es el formado cuando el lquido estaen reposo. Sin embargo, cuando el lquido semueve se observan realmente dos ngulos dinmi-cos. Uno es el formado cuando el lquido seextiende sobre una superficie (ngulo de avance).

Un segundo ngulo de contacto, el ngulo deretroceso, se forma cuando el lquido se retira dela superficie. Este ngulo se observa generalmen-

te cuando el lquido est en reposo con respecto alslido.

El mtodo tradicional de determinacin delngulo de contacto es un gonimetro . La gota secoloca sobre una superficie, que contiene dentrouna clula que tiene ventanas pticas en la parteanterior y posterior. Con una luz detrs de la clu-la, la gota se puede visualizar con un microscopioo una cmara, El ngulo se mide con un prolonga-dor. Cuando la gota est en reposo, el ngulo quese mide est normalmente cerca del ngulo deretroceso. Los ngulos de avance pueden ser apro-ximados con este mtodo, sin embargo la medi-cin es con frecuencia difcil.

Mediante el uso del tensimetro podremos:

-Determinar de una manera completamenteautomtica la energa libre superficial deslidos.

-Calcular automticamente las componentespolares y de dispersin de la energa libresuperficial.

-Hacer medidas de los ngulos de contactodinmico a varias velocidades.

-Determinar los ngulos de contacto de polvosy calcular de la energa libre superficial.

-Medir la adsorcin y comportamiento deabsorcin de materiales.

-Determinar las densidades de lquidos.-Medir la longitud de mojado de superficies

slidas y de fibras simples.-Medir la tensin superficial de lquidos.

2.3.2.3 ngulo de contacto dinmico

La inmersin del plato en el lquido y la salidade ste permite la determinacin del ngulo deavance-retroceso con el mtodo de Wilhelmy. Semide la fuerza ejercida sobre el plato, que es fun-cin de la profundidad de inmersin. Esta fuerza

33


Fig.2.18: Representacin del ngulo de contacto.

Fig.2.19:ngulo de

avance y deretroceso.

consta de dos componentes (Fw y Fa). La fuerzade Wilhelmy, Fw, tiene efecto slo sobre la super-ficie lquida. Esta fuerza es constante durante eltiempo de inmersin y ascensin del plato, y porello es vlida la primera ecuacin. La fuerza deempuje, Fa es una funcin lineal de la profundidadde inmersin d para el caso de una superficieideal.

Fa = r glwd

Siendo,

r = densidad del lquidog = 9.81 m/s2 ( constante gravitacional )l = longitud del plato w = anchura del plato d = profundidad de inmersin

Para el caso, en que el ngulo de contacto deavance y retroceso sea de 90, el coseno del ngu-lo de contacto se hace cero. Esto provocara unalnea recta en el grfico de fuerza frente a profun-didad de inmersin y sera, en este caso, el resul-tado de la fuerza de empuje solamente.

A no ser que el ngulo de contacto sea 0, losngulos de contacto de avance y retroceso sondiferentes, por lo que obtendremos una curva.Como la fuerza de Wilhelmy se ha mantenidoconstante, sta se aade al trmino de empuje. Lafuncin lineal, que describe la fuerza resultante Fpuede ser calculada mediante una regresin lineal,conocidos todos los parmetros. Por tanto, elngulo de contacto se calcula a partir de lasiguiente ecuacin.

cosq = 1 (F + Fa)

Este mtodo es recomendado si las muestras tie-nen una estructura constante y puede utilizarsepara determinar energas superficiales. Por otrolado, es posible determinar ngulos de contacto enmuestras de distinta geometra al plato a travs deuna ligera modificacin del mtodo de Wilhelmy.

2.3.3 Clculo de la energa superficial

La tensin interfacial entre dos fases, segnGood y Grifalco, es la siguiente.

s12 = s1 + s2 - 2F s1 s2

Siendo s1, s2 las tensiones superficiales de lasfases simples, y s12 la tensin interfacial entre lasfases; F es un parmetro de interaccin, que debeser calculado empricamente.

Fowkes introdujo las fuerzas de dispersindebido a la carga asimtrica alrededor de los to-mos o con respecto al centro de gravedad de lasmolculas. Segn ste, la tensin interfacial tienela siguiente expresin.

s12 = s1 + s2 - 2 s d1 s d2

Mientras que las fuerzas de dispersin existenen todas las molculas, las fuerzas polares existenslo en molculas especiales. Estas fuerzas surgende la diferencia de electronegatividad entre losdiferentes tomos en la misma molcula. Owens,Wendt, Rabel y Kaeble introdujeron la existenciade la componente polar segn.

s= s d + s p

donde s d es la componente de dispersin y s p

es la componente polar de la tensin interfacial.

S dos lquidos o una superficie slida y unlquido entran en contacto, habr una interaccinentre las partes polares de ambas fases al igual queentre las partes de dispersin, pero no entre laspartes polares y las de dispersin.

La tensin interfacial de dos fases en contactoes siempre ms baja que el total de las tensionesinterfacial de las fases separadas. Esto es debido alas interacciones en la interfase. En el caso en que

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Fig.2.20:Curva dehistresisideal.

s. L

una de las dos fases en contacto es no polar sloson posibles las interacciones debidas a la disper-sin. De este modo, si un lquido con componentepolar y de dispersin entra en contacto con unasuperficie slida que slo contiene componente dedispersin, la energa de interaccin puede serslo referida a la componente de dispersin.

Incluyendo la ltima ecuacin mencionada en laanterior, Owens, Wendt, Rabel y Kaeble, conside-rando que el parmetro F es 1, propusieron losiguiente.

s12 = s1 + s2 - 2 s d1 s d2 + 2 s p1 s p2

En el caso de que la parte polar y de dispersinde una de las fases sea conocida, preferiblementela del lquido, las componentes polares y de dis-persin de la otra fase pueden ser determinadasmediante medidas del ngulo de contacto.

Wu utiliz la media armnica en lugar de lageomtrica para la determinacin de las compo-nentes polares y de dispersin, llegando a lasiguiente ecuacin.

s12 = s1 + s2 - 4s d1 s d2 - 4s

p1 s p2

Tambin se puede definir a partir de la mediaarmnico-geomtrica.

s12 = s1 + s2 - 2 s d1 s 22 - 4s p1 s p2

Todas las ecuaciones son vlidas, pero ningunade ellas podra ser usada en todos los supuestos.La primera ecuacin de Wu es vlida para siste-mas tales como soluciones orgnicas, agua, pol-meros y pigmentos orgnicos. Los resultados quese obtienen utilizando la ltima ecuacin son bue-nos para sistemas de elevada energa como mercu-rio, vidrios y xidos metlicos. La ecuacin deOwens, Wendt, Rabel y Kaeble es aplicable a sis-temas polares.

2.3.4 Equipo instrumental

El equipo utilizado en medidas de tensinsuperficial se denomina tensimetro.

Dependiendo de las caractersticas del mismopodr aplicarse al clculo de ngulos de contactoy a la determinacin de energas libres superficia-les. Los equipos ms sencillos son capaces demedir con suficiente fiabilidad tensiones superfi-ciales de lquidos (mtodo del anillo de Du Noy

o del plato de Wilhelmy). El mtodo del plato per-mite, adems, medir la tensin en interfases lqui-do-lquido.

Para la medida de ngulos de contacto suelenutilizarse equipos con cmara y microscopioincorporados. En ellos se sita la muestra slidaen forma plana en un portamuestras capaz de des-plazarse en tres dimensiones, y se deposita unagota de lquido en la superficie de la muestra,observndola a travs de un microscopio de medi-da alineado horizontalmente. Normalmente esposible determinar la altura y dimetro de la gota,as como su ngulo de contacto con la superficie.

Los equipos ms completos son capaces dedeterminar tanto tensiones superficiales de lqui-dos como ngulos de contacto y, por tanto, energ-as libres superficiales. En este caso, el ngulo decontacto se determina a partir del comportamientodinmico en avance y retroceso del slido en elseno del lquido.

2.3.5 Procedimiento experimental: determina-cin de la energa superficial de fibras de vidriocomerciales

Con los ngulos de contacto de lquidos diferen-tes en un mismo slido, es posible calcular, utili-zando distintos mtodos de clculo, la energasuperficial de materiales con superficies tan hete-

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Fig.2.21:Medidas con

tensimetromediante elmtodo del

anillo: 1-guapara tubo

dosificador; 2-termopar para

medida de latemperatura; 3-

recipientetermostatizado;

4- varillasuspendida para

la fijacin demuestras.

s d1+ s d2 s p1 + s p2

s p1 + s p2

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rogneas como las fibras de vidrio comerciales, esdecir, fibras de vidrio reforzadas con el correspon-diente ensimaje.

Los clculos se pueden realizar siguiendo elmtodo de Owens/Wendt.

2.4 Conceptos bsicos de la adhesin (Jos2.4 Conceptos bsicos de la adhesin (JosMiguel Mart n Mart nez, Universidad deMiguel Mart n Mart nez, Universidad deAl icante)Al icante)

Por adhesivo se entiende aquella sustancia queaplicada a las superficies de dos materiales permi-te una unin resistente a la separacin. Existenadhesivos estructurales y no estructurales.

El adherente o sustrato es el material que sequiere unir.

Por adhesin entendemos las interacciones fsi-cas y qumicas en la interfase. Es, en consecuen-cia, un fenmeno de superficie.

La interfase es una fase de caractersticas dife-renciadas entre el adhesivo y el adherente. Suspropiedades determinan que se produzca una

adhesin adecuada.

En algunos casos, no hay correspondencia entrelas predicciones basadas en las propiedades super-ficiales del adhesivo y del sustrato (adhesinintrnseca) y la adhesin medida mediante unensayo mecnico (adhesin experimental). Laadhesin es, pues, un fenmeno complejo.

El concepto de distancia en la interfase puedejustificar la falta de acuerdo entre la adhesinintrnseca y la experimental. As, se pueden defi-nir tres zonas diferentes en la interfase, depen-diendo de la distancia respecto a la superficie delsustrato, que pueden ser caracterizadas mediantetres procesos o mecanismos diferentes :

1.Regin comprendida entre la superficiedel adherente hasta 1 nm. En ella se produ-cen enlaces qumicos entre tomos del adhe-sivo y del adherente (interacciones qumi-cas). Se caracteriza mediante medidas dengulos de contacto y espectroscopa Auger.Cuando la ruptura de la unin se produce enesta zona de la interfase, suele existir acuerdoentre adhesin intrnseca y experimental.

2.Regin comprendida entre 1 y 103 nm. Enella se producen cambios morfolgicos en laestructura de las cadenas polimricas (inter-acciones moleculares entre cadenas de pol-mero). Es una zona de la reticulacin, crista-lizacin o curado de adhesivos. Secaracteriza mediante las tcnicas habitualesde anlisis de superficie (espectroscopa IR-ATR, XPS). Cuando la ruptura de la uninadhesiva se produce en esta zona, las propie-dades de cohesin del adhesivo determinanla adhesin experimental. Es adems unazona influenciada por las propiedades super-ficiales del adherente y del sustrato.

3.Regin situada por encima de 103 nm. Es lazona en la que se transmiten los esfuerzosmecnicos realizados durante un ensayo demedida de la adhesin (interacciones a largadistancia entre grandes molculas). Influyenen ella las propiedades reolgicas y viscoe-lsticas del adhesivo. Se caracteriza median-te tcnicas de caracterizacin de polmeros(DSC, DMTA, reometra de esfuerzo contro-lado, ensayos esfuerzo-deformacin).Cuando la ruptura de la unin adhesiva seproduce en esta zona no existe acuerdo entrela adhesin intrnseca y la experimental,siendo difcil de predecir la magnitud de la

Fig.2.22:Medida delngulo decontacto de unafibra simple conun tensimetro.

Fig.2.23:Diagrama paraladeterminacinde la energasuperficial porel mtodo deOwens/Wendt.


adhesin prctica.

2.5 Teoras de la adhesin (Jos Miguel Mart n2.5 Teoras de la adhesin (Jos Miguel Mart nMart nez, Univers idad de Al icante)Mart nez, Univers idad de Al icante)

2.5.1 Introduccin

Los mecanismos o modelos de adhesin tratande explicar las causas por las que se produce laadhesin entre dos materiales. No existe un mode-lo de adhesin universal. En general, cada unin

adhesiva puede ser explicada considerando variosmodelos de adhesin conjuntamente. Convienesaber, no obstante, que la carencia

Adhesivos - Loctite

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