La unión adhesiva es una técnica de unión utilizada en la fabricación y reparación de una amplia gama de productos. Junto con la soldadura y la soldadura fuerte , 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, computadoras y dispositivos médicos.
Un adhesivo se puede definir como una sustancia que hace que dos superficies se peguen. Según esta definición, se podría considerar que el "adhesivo" más antiguo 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 del ser humano se remonta aproximadamente al año 220.000 a. C., cuando se utilizaba alquitrán de corteza de abedul para pegar puntas de flecha de piedra a un eje. [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 sin él no se pegarían. Los adhesivos se pueden agrupar por química, aplicación o 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, de menos de un nanómetro . Por lo tanto, se requiere una buena humectación de los materiales a unir mediante el adhesivo en su estado líquido para producir una unión de alta calidad. Además de la capacidad humectante, el adhesivo y el sustrato deben tener grupos moleculares compatibles para que pueda tener lugar la interacción entre el adhesivo y el sustrato y así lograr la adhesión.
Las fuerzas adhesivas se basan normalmente en interacciones físicas, por ejemplo entre grupos polares o polarizables, en enlaces de hidrógeno o en fuerzas de Van der Waals . En el pegado de plásticos, en particular con adhesivos a base de disolventes, también pueden influir los procesos de difusión . En este caso, el plástico en la superficie del sustrato se disuelve mediante 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. En última instancia, se producen interacciones adicionales entre las cadenas poliméricas del adhesivo y el sustrato. Después de la evaporación del disolvente, se forma un compuesto sólido. Las uniones químicas 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 epoxi. La unión química conduce a una adhesión significativamente mayor que la unión física. Además, la penetración del adhesivo líquido en los cortes puede proporcionar una adhesión adicional después de que se haya endurecido.
Lograr la adhesión entre el adhesivo y el sustrato requiere no sólo un adhesivo de composición adecuada para el sustrato, sino que también impone altas exigencias a la superficie del sustrato. Debido al corto alcance de las fuerzas de adhesión, la naturaleza de la capa superficial del sustrato es decisiva. Debe estar suficientemente unido 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, puede ocurrir falla en el material corroído o entre la capa de óxido y el acero no corroído. Lo mismo se aplica a los artículos revestidos. El adhesivo debe generar adherencia al revestimiento. A su vez, el revestimiento debe estar suficientemente unido al sustrato.
Asimismo, las impurezas, especialmente aquellas que debido a su baja tensión superficial contrarrestan la humectación por el adhesivo (por ejemplo, aceites, desmoldeantes , etc.), dificultan la interacción de adhesión. Las impurezas forman entre el adhesivo y el sustrato una especie de barrera que las fuerzas de adhesión no pueden salvar debido a su corto alcance.
Por lo tanto, normalmente es necesario eliminar los contaminantes antes de la adhesión. Algunos adhesivos especiales muestran cierto grado de compatibilidad con determinados aceites. Son capaces de absorber determinados aceites durante el curado del adhesivo, que tiene lugar a temperaturas elevadas, y así eliminarlos de la capa límite entre el adhesivo y el sustrato. Estos adhesivos se utilizan, por ejemplo, en talleres de carrocería de automóviles. Permiten el pegado de piezas de chapa con protección contra la corrosión y aceites de trefilado sin limpieza previa; El curado del adhesivo se realiza en los hornos utilizados posteriormente para endurecer el barniz a temperaturas entre aproximadamente 150 y 200 °C. [2]
Con el pretratamiento se pueden modificar las superficies de forma específica y así 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 varios 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 de la aplicación, teniendo en cuenta
La selección debe validarse mediante pruebas adecuadas.
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 adhesivos. En el caso de adhesivos que endurecen mediante reacción química, es decir, formación de polímeros mediante 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. Mientras que las propiedades de adhesión determinan sustancialmente si un adhesivo se adhiere a un sustrato particular, la propiedad cohesiva contribuye en gran medida a las propiedades mecánicas de la unión, particularmente al comportamiento de deformación por carga.
Las uniones adhesivas no sólo están sujetas a ciertas características de envejecimiento, sino que sus propiedades dependen de las condiciones ambientales particulares, en particular de la temperatura. Además, tanto las interacciones que forman la adhesión entre el adhesivo y el sustrato, como las interacciones intramoleculares que causan la cohesión , pueden verse afectadas negativamente por influencias externas (incluyendo temperatura, humedad, productos químicos, radiación, estrés mecánico). El grado de deterioro depende de la naturaleza de las condiciones y su duración; este proceso se llama envejecimiento. Por lo tanto, al planificar una operación de pegado, además de las condiciones ambientales reales, también se deben tener 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, de las diferentes uniones adhesivas, está claro que el llamado "adhesivo universal" no puede existir.
La selección de un adhesivo adecuado para una aplicación particular debe basarse en un perfil de requisitos específico. Este perfil de requisitos enumera todos los requisitos inmediatos y verificables para el componente a unir y, como resultado, para la unión y el adhesivo. Es posible distinguir entre requisitos que deben cumplirse y aquellos cuyo cumplimiento resulta ventajoso pero no absolutamente necesario. Además, se deben tener en cuenta las especificaciones derivadas del proceso de unión, incluidas las de los pasos anteriores y posteriores del proceso. El diagrama anterior proporciona un resumen de los parámetros más importantes a tener en cuenta al 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 tiene limitaciones que deben tenerse en cuenta a la hora de planificar y diseñar procesos adhesivos.
Las principales ventajas son:
Hay 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 particular en algunas aplicaciones podría ser una ventaja en otras. Por tanto, es fundamental utilizar un pegamento adecuado para la aplicación en cuestión. Las características de los adhesivos que pueden suponer desventajas en determinadas 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 utilizando 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 adhesivo de unión. método, como soldadura por puntos , remaches , tornillos o unión por remachado/prensa . En estos procesos denominados de unión híbrida, debido a la unión distribuida de los sustratos entre los demás puntos de unión, se reducen considerablemente los picos de tensión precisamente en estos puntos de unión y se consigue una resistencia instantánea.
Los adhesivos modernos se han vuelto indispensables en el mundo actual. Se pueden encontrar en productos cotidianos y especializados. A continuación se muestran algunos ejemplos de diferentes áreas:
La producción de vehículos modernos no sería posible sin adhesivos. Aquí hay dos ejemplos:
Los parabrisas actuales están hechos de vidrio de seguridad laminado, que consta de dos o más piezas de vidrio unidas a una película adhesiva termofusible transparente, viscosa y resistente al desgarro . Esta película garantiza, entre otras cosas, que el parabrisas permanezca intacto como unidad después de una rotura, minimizando así el riesgo de lesiones por fragmentos de cristal. Además, si antes los parabrisas se fijaban a la carrocería mediante una junta de goma, hoy en día están firmemente pegados y forman parte integrante de la carrocería. Esto sólo 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 suficientemente elástico para compensar los movimientos relativos entre carrocería y parabrisas durante la conducción, evitando así roturas. Dado que el parabrisas pegado contribuye a la rigidez del vehículo, en determinados lugares se pueden utilizar láminas de metal más delgadas, reduciendo así el peso del vehículo y, en última instancia, su consumo de energía.
La llegada de cada vez más componentes electrónicos a los vehículos de motor, desde sistemas de gestión del motor, 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., pronto se superan las capacidades de las tecnologías de unión convencionales. Por lo tanto, los componentes utilizados hoy en día se unen principalmente mediante adhesivos.
Para garantizar el correcto funcionamiento de las unidades de control y los sensores asociados, la electrónica debe protegerse de forma segura contra influencias externas, como humedad, sal, combustible y otros líquidos del automóvil. Por ello, muchos sensores están encapsulados o protegidos mediante una carcasa que se ajusta de forma segura. En ambos casos se utilizan adhesivos. En el caso de la fundición de componentes, se debe lograr un encapsulado sin burbujas y el material de encapsulado endurecido debe tener una cierta estabilidad mecánica para resistir 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 debidos a diferentes comportamientos de expansión térmica de los componentes electrónicos, que podrían provocar fugas o roturas de uniones soldadas y, por tanto, fallos.
Debido al número cada vez mayor de componentes electrónicos, también aumenta el riesgo de interferencias debido a una compatibilidad electromagnética (CEM) inadecuada. Para garantizar una CEM adecuada se utiliza una carcasa metálica en la que la tapa se pega mediante masillas especiales que contienen adhesivos. Esto garantiza no sólo la estanqueidad requerida sino también la CEM requerida.
La unión adhesiva tiene la ventaja de una temperatura de unión relativamente baja, así como de la ausencia de tensión y corriente eléctrica. Debido a 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. Un inconveniente es que las estructuras pequeñas se vuelven más anchas durante el modelado, lo que dificulta la producción de una capa intermedia precisa con un control estricto de las dimensiones. [6] Además, la posibilidad de corrosión debido a productos desgasificados, inestabilidad térmica y penetración de humedad limita la confiabilidad 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 cuando se utilizan adhesivos orgánicos. [8]
En medicina y tecnología médica, los adhesivos desempeñan un papel cada vez más importante. El emplasto simple, por ejemplo, debe tener una buena adherencia a diferentes tipos de piel, pero también debe ser lo más indoloro posible para retirarlo. Además, los parches transdérmicos administran medicamentos durante un período de tiempo más largo a través de la piel hasta el torrente sanguíneo, otros se utilizan para la fijación a largo plazo de sensores utilizados, por ejemplo, para la medición continua de los niveles de azúcar en sangre. Estos parches deben adherirse de forma segura hasta por 14 días, a veces en condiciones extremas, por ejemplo, al ducharse, nadar, hacer ejercicio o en una sauna. Naturalmente, 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, los adhesivos se utilizan en el tratamiento de determinadas heridas quirúrgicas. Estos adhesivos suelen estar basados en fibrina , la sustancia adhesiva natural que hace que la sangre se coagule al sangrar. Dado que la fibrina se encuentra naturalmente en el cuerpo, tiene la ventaja de que el cuerpo no rechaza el adhesivo. Además, con el tiempo se degrada de forma natural por sí solo, lo que elimina la necesidad de tratamientos posteriores elaborados como retirar los puntos. Esta propiedad es especialmente importante para la cirugía del corazón o del tracto gastrointestinal.
En odontología también se utilizan adhesivos innovadores. No sólo se utilizan para el relleno de caries y la fabricación de prótesis dentales, sino que también son muy valiosos en ortodoncia. Los brackets por los que se pasan los alambres de un aparato ortopédico se fijan a los dientes mediante adhesivos especiales. Por un lado, los brackets deben sujetarse de forma segura en el ambiente húmedo y cálido de la boca, pero luego poder retirarse sin dejar residuos.
Los adhesivos también son actualmente indispensables en la tecnología de dispositivos médicos. Por ejemplo, las agujas suelen estar pegadas a las jeringas y las cánulas de acero inoxidable deben estar conectadas de forma segura 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 una resistencia suficiente después de unos segundos de irradiación con luz de una determinada longitud de onda y son capaces de sobrevivir al posterior proceso de esterilización , durante el cual pueden exponerse a vapor sobrecalentado, óxido de etileno o radiación gamma. .
La fabricación de endoscopios, donde se requiere la fijación sin tensión de lentes cada vez más pequeñas, es otro buen ejemplo de las capacidades de rendimiento de los adhesivos modernos. Aquí, además de la fuerza de unión, es importante equilibrar las diferentes dilataciones térmicas de los sustratos. En este caso, también es importante evitar que se transmitan tensiones desde el soporte de la lente a la lente, que podrían afectar la calidad de la imagen.
Los adhesivos también se utilizan ampliamente en la producción de electrodomésticos y satisfacen una variedad de requisitos de unión diferentes. Los adhesivos de silicona termoestables se utilizan, por ejemplo, en la fabricación de placas de vitrocerámica o en el sellado de cristales de puertas de hornos. Los compuestos deben poder soportar temperaturas de hasta 250 °C y, por supuesto, nunca deben liberar contaminantes. 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 aparatos como hornos, frigoríficos, lavadoras y secadoras mediante cintas adhesivas de doble cara .
Los adhesivos también se utilizan frecuentemente en la fabricación de pequeños electrodomésticos. Por ejemplo, en las cafeteras a menudo se pegan mangos de plástico a las jarras de cristal. Frente a la fijación mediante anillo de sujeción metálico, el pegado ofrece ventajas en el proceso de fabricación al evitar la rotura de las jarras. Otra ventaja de uso es que, con un anillo de sujeción metálico, se pueden acumular partículas de suciedad y humedad entre el cuerpo de la jarra y el anillo, provocando corrosión del anillo de sujeción y haciéndolo 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 adhesivos modernos. El corazón de estos dispositivos suele ser 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 torque a bajas velocidades para amasar la masa. Dado que algunos de estos dispositivos son adecuados para su uso en la cocina, se requiere una resistencia a la temperatura correspondiente. Los adhesivos fotopolimerizables garantizan que el rotor y el estator, los dos componentes principales del motor, formen una unidad robusta. El endurecimiento del adhesivo se realiza en un tiempo muy corto, de modo que se pueden fabricar de forma económica grandes cantidades del dispositivo. 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 se componen de compuestos de películas biodegradables. Por supuesto, los adhesivos utilizados para fabricar estos compuestos de películas también deben ser biodegradables. Esto se logra mediante el uso de moléculas de polímeros naturales, como la celulosa y el almidón, que los microorganismos pueden degradar en agua, dióxido de carbono y biomasa mediante 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 su uso no fue válido hasta el 6 de mayo. La introducción de sellos postales adhesivos está estrechamente asociada con los avances en la tecnología de adhesivos. En aquella época, los adhesivos para sellos se componían de materias primas naturales como melaza, fécula de patata y, en ocasiones, cola de pescado, pero su rendimiento era deficiente. Por lo tanto, los sellos se pegaban o se caían prematuramente y emitían un olor desagradable. Además, antes de fijar los sellos había que humedecerlos, lo que a menudo se hacía lamiéndolos. Debido al sabor desagradable, esto resultó 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, elaborados a base de acetato de polivinilo o alcohol polivinílico. Esto también eliminó el problema de que los sellos se pegaran y se cayeran prematuramente. Hoy en día se ofrecen cada vez más sellos que no requieren humedecimiento. Estos sellos autoadhesivos utilizan un adhesivo sensible a la presión y solo es necesario retirarlos del papel antiadherente antes de pegarlos a una carta.
Con el uso cada vez mayor de la tecnología de pegado en la industria y el comercio profesional, y las crecientes exigencias resultantes sobre la calidad y durabilidad de los productos pegados, se han desarrollado normas nacionales e internacionales integrales para, entre otras cosas, la caracterización, clasificación y prueba de adhesivos. y uniones adhesivas.
En algunos sectores el encolado forma sólo una parte de la formación profesional y, en este caso, normalmente sólo se enseñan los procesos de vinculación relevantes para la profesión respectiva. Como resultado, surgió la necesidad de formación profesional para el personal involucrado en el desarrollo, producción y reparación de productos pegados. Esta necesidad se satisfizo mediante la introducción de un concepto de formación en tres niveles. Se ofrece formación como practicante de unión, especialista en unión o ingeniero de unión, 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 estándares y métodos de prueba, así como fomentar las mejores prácticas en salud, seguridad y medio ambiente.