La unión adhesiva es una técnica de unión que se utiliza en la fabricación y reparación de una amplia gama de productos. Junto con la soldadura , la unión adhesiva es uno de los procesos de unión básicos. En esta técnica, los componentes se unen entre sí mediante adhesivos . La amplia gama de tipos de adhesivos disponibles permite unir numerosos materiales en productos tan diversos como vehículos, teléfonos móviles, productos de cuidado personal, edificios, ordenadores y dispositivos médicos.
Un adhesivo puede definirse como una sustancia que hace que dos superficies se adhieran entre sí. Según esta definición, se podría considerar que el primer "adhesivo" se desarrolló hace tres mil millones de años, cuando las células primordiales produjeron una membrana externa pegajosa que les permitía adherirse a las células adyacentes. El primer uso de adhesivos por parte de los seres humanos se remonta a alrededor del 220.000 a. C., cuando se utilizó alquitrán de corteza de abedul para pegar puntas de flecha de piedra a un astil. [1]
Según la definición de la norma EN 923 Archivado el 9 de mayo de 2019 en Wayback Machine : "Adhesivos. Términos y definiciones", los adhesivos son sustancias no metálicas capaces de unir materiales mediante unión superficial ( adhesión ), con una unión que posee una resistencia interna adecuada ( cohesión )". El adhesivo forma el elemento de conexión entre las dos partes unidas, que no se pegarían sin él. Los adhesivos se pueden agrupar por química, por aplicación o por mecanismo de reacción.
Según la IUPAC , la adhesión es el "proceso de unión de una sustancia a la superficie de otra sustancia". Las interacciones entre el adhesivo y el sustrato tienen un alcance muy corto, inferior a un nanómetro . Por lo tanto, se requiere una buena humectación de los materiales que se van a unir mediante el adhesivo en su estado líquido para producir una unión de alta calidad. Además de la capacidad de humectación, el adhesivo y el sustrato deben tener grupos moleculares compatibles para que pueda producirse la interacción entre el adhesivo y el sustrato y así lograr la adhesión.
Las fuerzas de adhesión se basan generalmente en interacciones físicas, por ejemplo, entre grupos polares o polarizables, en enlaces de hidrógeno o en fuerzas de van der Waals . En la unión de plásticos, en particular con adhesivos a base de disolventes, también pueden desempeñar un papel los procesos de difusión . En este caso, el plástico en la superficie del sustrato se disuelve por el disolvente contenido en el adhesivo. Esto conduce a una mayor movilidad de las cadenas poliméricas del plástico, lo que a su vez permite la penetración de las del adhesivo. Finalmente, se producen interacciones adicionales entre las cadenas poliméricas del adhesivo y el sustrato. Después de la evaporación del disolvente, se forma un compuesto sólido. Los enlaces químicos también son importantes en determinadas combinaciones de adhesivo/sustrato, por ejemplo, al unir vidrio con adhesivos de silicona, madera con adhesivos de poliuretano y aluminio con adhesivos epóxicos. La unión química conduce a una adhesión significativamente mayor que la unión física. Además, la penetración del adhesivo líquido en socavaduras puede proporcionar una adhesión adicional después de que se haya endurecido.
Para conseguir la adhesión entre el adhesivo y el sustrato no solo se necesita un adhesivo de composición adecuada para el sustrato, sino que también se exige mucho a la superficie del sustrato. Debido al corto alcance de las fuerzas de adhesión, la naturaleza de la capa superficial del sustrato es crucial. Debe estar suficientemente unida al cuerpo del sustrato. Por ejemplo, muchos adhesivos se adhieren bien a una superficie de acero corroída. Sin embargo, la capa de corrosión (el óxido) no está firmemente unida al sustrato. Bajo carga, pueden producirse fallos en el material corroído o entre la capa de óxido y el acero no corroído. Lo mismo se aplica a los artículos recubiertos. El adhesivo debe crear adhesión al recubrimiento. El recubrimiento, a su vez, debe estar suficientemente unido al sustrato.
Asimismo, los contaminantes, especialmente aquellos que, debido a su baja tensión superficial, contrarrestan la humectación por parte del adhesivo (por ejemplo, aceites, desmoldantes , etc.), dificultan la interacción de adhesión. Los contaminantes forman, por así decirlo, una barrera entre el adhesivo y el sustrato que no puede ser superada por las fuerzas de adhesión debido a su corto alcance.
Por ello, antes de la adhesión es necesario eliminar las impurezas. Algunos adhesivos especiales son compatibles con determinados aceites, ya que pueden absorber determinados aceites durante el curado del adhesivo, que se produce a temperaturas elevadas, y eliminarlos de la capa límite entre el adhesivo y el sustrato. Estos adhesivos se utilizan, por ejemplo, en talleres de carrocería de automóviles. Permiten pegar piezas de chapa con protección anticorrosión y aceites de embutición sin necesidad de limpieza previa; el curado del adhesivo se produce en los hornos que se utilizan posteriormente para endurecer la laca a temperaturas de entre 150 y 200 °C aproximadamente. [2]
El pretratamiento se puede utilizar para modificar las superficies de forma específica y, por lo tanto, hacerlas más adhesivas. [3] Además de recubrir los sustratos con un promotor de adhesión ( imprimación ) para permitir una buena adhesión, las superficies también se pueden modificar mediante diversos métodos para prepararlas para el pegado. Los métodos de pretratamiento de superficies más comunes se enumeran en la figura adyacente.
La selección del proceso de pretratamiento es específica para cada aplicación, teniendo en cuenta
La selección debe validarse mediante pruebas apropiadas.
A medida que el adhesivo se solidifica, aumenta su fuerza interna, la cohesión . La cohesión también se basa en interacciones físicas, en este caso entre los polímeros del adhesivo. En el caso de los adhesivos que se curan mediante una reacción química, es decir, la formación de polímeros mediante una reacción química de los componentes del adhesivo, los enlaces químicos resultantes desempeñan un papel importante.
Las propiedades cohesivas y adhesivas del adhesivo en combinación con el sustrato determinan las propiedades de una unión. Si bien las propiedades de adhesión determinan sustancialmente si un adhesivo se adhiere a un sustrato en particular, la propiedad cohesiva contribuye en gran medida a las propiedades mecánicas de la unión, en particular el comportamiento de deformación de carga.
Las uniones adhesivas no solo están sujetas a ciertas características de envejecimiento, sino que sus propiedades dependen de las condiciones ambientales particulares, en particular la temperatura. Además, tanto las interacciones formadoras de adhesión entre el adhesivo y el sustrato, como las interacciones intermoleculares que causan la cohesión , pueden verse afectadas negativamente por influencias externas (incluidas la temperatura, la humedad, los productos químicos, la radiación, la tensión mecánica). El grado de deterioro depende de la naturaleza de las condiciones y su duración; este proceso se denomina envejecimiento. Por lo tanto, al planificar una operación de unión, además de las condiciones ambientales reales, también deben tenerse en cuenta sus posibles efectos a largo plazo sobre el adhesivo y el sustrato.
Debido a la gran cantidad de parámetros que pueden influir en la unión y a los requisitos en parte contradictorios para las diferentes uniones adhesivas, está claro que el llamado "adhesivo multiuso" no puede existir.
La selección de un adhesivo adecuado para una aplicación concreta debe basarse en un perfil de requisitos específico. Este perfil de requisitos enumera todos los requisitos inmediatos y verificables para el componente que se va a unir y, en consecuencia, para la unión y el adhesivo. Es posible distinguir entre los requisitos que se deben cumplir y aquellos cuyo cumplimiento es ventajoso pero no absolutamente necesario. Además, deben tenerse en cuenta las especificaciones derivadas del proceso de unión, incluidas las de los pasos anteriores y posteriores del proceso. El diagrama anterior ofrece un resumen de los parámetros más importantes que se deben tener en cuenta a la hora de elegir adhesivos.
Como ocurre con cualquier técnica de unión, la tecnología de unión no sólo ofrece una amplia gama de posibilidades y muchas ventajas, sino que también presenta limitaciones que deben tenerse en cuenta al planificar y diseñar procesos adhesivos.
Las principales ventajas son:
Existen muchos tipos de adhesivos disponibles y, a menudo, se desarrollan teniendo en mente un uso específico. Como resultado, lo que podría percibirse como una desventaja de un tipo de adhesivo en particular en algunas aplicaciones podría ser su ventaja en otras. Por lo tanto, es esencial utilizar un pegamento que sea apropiado para la aplicación en cuestión. Las características de los adhesivos que pueden ser desventajas en ciertas situaciones incluyen:
La unión adhesiva puede tener ventajas en comparación con otros métodos de unión para aplicaciones específicas, como se muestra en la tabla adyacente con el ejemplo de unión de metales en la construcción de carrocerías de automóviles.
La desventaja de la falta de unión instantánea que presentan muchos adhesivos se puede superar mediante el uso de un adhesivo de curado rápido adecuado o una combinación de un adhesivo estándar con un segundo adhesivo de curado rápido (por ejemplo, cinta adhesiva de doble cara) o con otro método de unión, como soldadura por puntos , remaches , tornillos o unión por clinchado/presión . En el caso de estos procesos, que se denominan uniones híbridas, debido a la conexión distribuida de los sustratos entre los otros puntos de unión, hay una reducción significativa en los picos de tensión precisamente en estos puntos de unión y se logra una resistencia instantánea.
Los adhesivos modernos se han vuelto indispensables en el mundo actual. Se pueden encontrar en productos de uso cotidiano y especializados. A continuación, se muestran algunos ejemplos de diferentes áreas:
La producción de vehículos modernos no sería posible sin adhesivos. A continuación se ofrecen dos ejemplos:
Los parabrisas actuales están fabricados con vidrio de seguridad laminado, que consiste en dos o más piezas de vidrio pegadas a una película adhesiva termofusible transparente, viscosa y resistente al desgarro . Esta película garantiza, entre otras cosas, que el parabrisas permanezca intacto como una unidad después de la rotura, minimizando así el riesgo de lesiones por fragmentos de vidrio. Además, mientras que antes los parabrisas se fijaban a la carrocería mediante una junta de goma, hoy en día están firmemente pegados y forman parte integral de la carrocería. Esto solo es posible mediante el uso de un adhesivo con las propiedades mecánicas correctas para la aplicación: por un lado, el adhesivo ofrece suficiente resistencia para fijar el parabrisas a la carrocería y, por otro lado, es lo suficientemente elástico para compensar los movimientos relativos entre la carrocería y el parabrisas durante la conducción, evitando así la rotura. Dado que el parabrisas pegado contribuye a la rigidez del vehículo, se pueden utilizar láminas de metal más delgadas en determinados lugares, lo que reduce el peso del vehículo y, en última instancia, su consumo de energía.
La aparición de cada vez más componentes electrónicos en los vehículos de motor, desde sistemas de gestión del motor y componentes de seguridad como ABS y ESP y sistemas de asistencia al conductor hasta funciones que mejoran el confort, no sería posible sin los adhesivos modernos. Debido al pequeño tamaño de los dispositivos de control, sensores, cámaras, etc., las posibilidades de las tecnologías de unión convencionales se ven rápidamente superadas. Por ello, los componentes que se utilizan hoy en día se unen predominantemente con adhesivos.
Para garantizar el correcto funcionamiento de las unidades de control y los sensores asociados, la electrónica debe estar protegida de forma segura frente a influencias externas, como la humedad, la sal, el combustible y otros fluidos de automoción. Por ello, muchos sensores se encapsulan o se protegen mediante carcasas que se ajustan de forma segura. En ambos casos se utilizan adhesivos. En el caso de la fundición de componentes, se debe conseguir un encapsulado sin burbujas y el material de encapsulado endurecido debe tener una cierta estabilidad mecánica para soportar el impacto abrasivo de la arena y la grava durante la conducción. Por otro lado, debe tener suficiente elasticidad para evitar ciclos térmicos similares a choques debido a los diferentes comportamientos de expansión térmica de los componentes electrónicos, que podrían provocar fugas o la rotura de las juntas de soldadura y, por lo tanto, un fallo.
Debido al aumento constante del número de componentes electrónicos, también aumenta el riesgo de interferencias debido a una compatibilidad electromagnética (CEM) insuficiente. Para garantizar una CEM adecuada, se utilizan carcasas metálicas en las que la tapa está pegada mediante rellenos especiales que contienen adhesivos. De este modo, no solo se garantiza la estanqueidad necesaria, sino también la CEM necesaria.
La unión adhesiva tiene la ventaja de una temperatura de unión relativamente baja, así como de la ausencia de tensión y corriente eléctricas. Basándose en el hecho de que las obleas no están en contacto directo, este procedimiento permite el uso de diferentes sustratos, por ejemplo, silicio, vidrio, metales y otros materiales semiconductores. Una desventaja es que las estructuras pequeñas se ensanchan durante el modelado, lo que dificulta la producción de una capa intermedia precisa con un control estricto de la dimensión. [6] Además, la posibilidad de corrosión debido a los productos desgasificados, la inestabilidad térmica y la penetración de humedad limitan la fiabilidad del proceso de unión. [7] Otra desventaja es la falta de posibilidad de encapsulación herméticamente sellada debido a la mayor permeabilidad de las moléculas de gas y agua al utilizar adhesivos orgánicos. [8]
En la medicina y la tecnología médica, los adhesivos desempeñan un papel cada vez más importante. Por ejemplo, un simple parche debe tener una buena adherencia a los diferentes tipos de piel, pero también debe ser lo menos doloroso posible de retirar. Además, los parches transdérmicos permiten que el medicamento llegue a la sangre durante un periodo de tiempo más largo a través de la piel, mientras que otros se utilizan para la fijación a largo plazo de sensores que se utilizan, por ejemplo, para la medición continua de los niveles de azúcar en sangre. Estos parches deben adherirse de forma segura durante hasta 14 días, a veces en condiciones extremas, por ejemplo, al ducharse, nadar, hacer ejercicio o en la sauna. Por supuesto, estos adhesivos deben ser respetuosos con la piel. Los adhesivos utilizados son adhesivos especiales sensibles a la presión a base de acrilatos o caucho sintético.
En cirugía, se utilizan adhesivos para el tratamiento de determinadas heridas quirúrgicas. Estos adhesivos suelen estar basados en fibrina , la sustancia adhesiva natural que hace que la sangre se coagule cuando hay sangrado. Dado que la fibrina se produce de forma natural en el cuerpo, tiene la ventaja de que el adhesivo no es rechazado por el organismo. Además, con el tiempo se degrada de forma natural por sí solo, lo que elimina la necesidad de un tratamiento posterior elaborado, como la retirada de puntos. Esta propiedad es especialmente importante en las cirugías del corazón o del tracto gastrointestinal.
En odontología también se utilizan adhesivos innovadores. No solo se utilizan para rellenar caries y fabricar prótesis dentales, sino que también son muy útiles en ortodoncia. Los brackets, por los que se introducen los alambres de un aparato dental, se fijan a los dientes mediante adhesivos especiales. Por un lado, los brackets deben mantenerse de forma segura en el ambiente húmedo y cálido de la boca, pero luego deben poder retirarse sin dejar residuos.
En la actualidad, los adhesivos también son indispensables en la tecnología de dispositivos médicos. Por ejemplo, las agujas se suelen pegar a las jeringas y las cánulas de acero inoxidable deben estar firmemente conectadas a su adaptador de plástico. Debido a los altos volúmenes de producción, se requieren tiempos de ciclo cortos. A menudo, se utilizan adhesivos fotopolimerizables que alcanzan la resistencia suficiente después de unos segundos de irradiación con luz de una determinada longitud de onda y son capaces de sobrevivir al proceso de esterilización posterior , durante el cual pueden ser sometidos a vapor sobrecalentado, óxido de etileno o radiación gamma.
Otro buen ejemplo de las capacidades de rendimiento de los adhesivos modernos es la fabricación de endoscopios, en los que se requiere la fijación sin tensión de lentes de dimensiones cada vez más pequeñas. En este caso, además de la resistencia de la unión, es importante equilibrar las diferentes dilataciones térmicas de los sustratos. En este caso, también es importante evitar que se transmitan tensiones, que podrían afectar a la calidad de la imagen, desde el soporte de la lente a la lente.
Los adhesivos también se utilizan ampliamente en la fabricación de electrodomésticos y cumplen con los requisitos de adhesión más diversos. Por ejemplo, en la fabricación de placas de vitrocerámica o en el sellado de ventanas en puertas de hornos se utilizan adhesivos de silicona termoestables. Los compuestos deben poder soportar temperaturas de hasta 250 °C y, por supuesto, no deben liberar nunca sustancias nocivas. Por otro lado, los teclados de membrana de los paneles de control, así como las placas de identificación de los paneles de control convencionales, se fijan a los aparatos como hornos, frigoríficos, lavadoras y secadoras mediante cintas adhesivas de doble cara .
Los adhesivos también se utilizan con frecuencia en la fabricación de pequeños electrodomésticos. Por ejemplo, en las cafeteras, los mangos de plástico se suelen pegar a las jarras de cristal. En comparación con la fijación mediante un anillo de sujeción metálico, el pegado ofrece ventajas en el proceso de fabricación al evitar la rotura de las jarras. Otra ventaja de su uso es que, con un anillo de sujeción metálico, las partículas de suciedad y la humedad pueden acumularse entre el cuerpo de la jarra y el anillo, provocando la corrosión del anillo de sujeción, volviéndolo antiestético. Con la fijación adhesiva del mango, se elimina este fenómeno. Se utilizan adhesivos a base de poliuretano o silicona, ya sea como sistema de dos componentes o de curado por humedad. El adhesivo utilizado debe, entre otras cosas, tener suficiente resistencia, ser apto para lavavajillas y tener suficiente elasticidad para compensar el diferente comportamiento de expansión térmica del vidrio y del material plástico del mango para evitar la rotura del vidrio, y debe mantener este rendimiento durante toda la vida útil de la cafetera, incluso a temperaturas de hasta 100 °C.
Además, la producción de dispositivos multifunción, como los que facilitan cocinar, remover, amasar, mezclar y moler, sería imposible en su forma actual sin los adhesivos modernos. El corazón de tales dispositivos es a menudo un motor eléctrico sin escobillas extremadamente potente. Por un lado, necesita capacidades de alta velocidad para moler, por ejemplo, nueces, y por otro lado necesita capacidades de alto par a bajas velocidades para amasar masa. Dado que algunos de estos dispositivos son adecuados para su uso en la cocina, se requiere una resistencia térmica correspondiente. Los adhesivos fotopolimerizables garantizan que el rotor y el estator, los dos componentes principales del motor, formen una unidad robusta. El curado del adhesivo se produce en un tiempo muy corto, por lo que se pueden producir grandes cantidades del dispositivo de forma rentable. Durante el curado, los fotoiniciadores contenidos en el adhesivo forman moléculas altamente reactivas bajo la influencia de la luz, lo que facilita el proceso de curado químico de la resina adhesiva.
La mayoría de los envases para alimentos congelados y aptos para microondas están compuestos por películas biodegradables. Por supuesto, los adhesivos utilizados para fabricar estas películas también deben ser biodegradables. Esto se logra mediante el uso de moléculas de polímeros naturales, como la celulosa y el almidón, que pueden degradarse en agua, dióxido de carbono y biomasa por microorganismos que utilizan enzimas. [9]
El Penny Black fue el primer sello postal adhesivo del mundo utilizado en un sistema postal público. Se emitió por primera vez en Gran Bretaña el 1 de mayo de 1840, pero no fue válido hasta el 6 de mayo. La introducción de los sellos postales adhesivos está estrechamente relacionada con el desarrollo de la tecnología de los adhesivos. En aquella época, los adhesivos para sellos se componían de materias primas naturales como melaza, almidón de patata y, en ocasiones, cola de pescado, pero estos no eran eficaces. Por tanto, los sellos se pegaban entre sí o se desprendían prematuramente y emitían un olor desagradable. Además, los sellos debían humedecerse antes de fijarlos, lo que a menudo se hacía lamiéndolos. Debido al sabor desagradable, esto era bastante impopular. Con el desarrollo de los adhesivos sintéticos a mediados del siglo XX, se adoptó el uso de adhesivos inodoros y sin sabor desagradable, hechos de acetato de polivinilo o alcohol de polivinilo. Esto también eliminó el problema de los sellos pegados entre sí y de la caída prematura. Hoy en día, cada vez se ofrecen más sellos que no necesitan humedecerse. Estos sellos autoadhesivos utilizan un adhesivo sensible a la presión y solo es necesario retirarlos de su papel posterior antiadherente antes de pegarlos a una letra.
Con el creciente uso de la tecnología de unión en la industria y en los oficios profesionales y las crecientes exigencias resultantes en cuanto a calidad y durabilidad de los productos pegados, se han desarrollado normas nacionales e internacionales exhaustivas para, entre otras cosas, la caracterización, clasificación y prueba de adhesivos y uniones adhesivas.
En algunas profesiones, el pegado forma parte de la formación profesional y, en este caso, se suelen enseñar únicamente los procesos de pegado relevantes para la profesión en cuestión. Por ello, surgió la necesidad de una formación profesional para el personal que participa en el desarrollo, la producción y la reparación de productos pegados. Esta necesidad se satisfizo mediante la introducción de un concepto de formación en tres niveles. La formación se ofrece como técnico en pegado, especialista en pegado o técnico en pegado, según lo establecido en las directrices de la EWF (Federación Europea de Soldadura, Unión y Corte).
Además, asociaciones comerciales, como FEICA, la Asociación Europea de la Industria de Adhesivos y Selladores, están trabajando con las partes interesadas de la cadena de suministro para desarrollar y armonizar normas y métodos de prueba, así como para fomentar las mejores prácticas en salud, seguridad y medio ambiente.