Adhesivo , también conocido como cola , cemento , mucílago o pasta , [1] es cualquier sustancia no metálica que se aplica a una o ambas superficies de dos elementos separados y que los une y resiste su separación. [2]
El uso de adhesivos ofrece ciertas ventajas respecto a otras técnicas de encuadernación como el cosido , las sujeciones mecánicas o la soldadura . Estos incluyen la capacidad de unir diferentes materiales, la distribución más eficiente de la tensión a través de una unión, la rentabilidad de un proceso fácilmente mecanizado y una mayor flexibilidad en el diseño. Las desventajas del uso de adhesivos incluyen una menor estabilidad a altas temperaturas, una debilidad relativa para unir objetos grandes con una superficie de unión pequeña y una mayor dificultad para separar objetos durante las pruebas. [3] Los adhesivos generalmente se organizan según el método de adhesión seguido de reactivo o no reactivo , término que se refiere a si el adhesivo reacciona químicamente para endurecerse. Alternativamente, pueden organizarse por su fase física inicial o si su materia prima es de origen natural o sintético.
Los adhesivos pueden encontrarse de forma natural o producirse sintéticamente. El primer uso humano de sustancias adhesivas fue hace aproximadamente 200.000 años, [4] cuando los neandertales produjeron alquitrán a partir de la destilación seca de la corteza de abedul para unir herramientas de piedra a mangos de madera. [5] Las primeras referencias a adhesivos en la literatura aparecieron aproximadamente en el año 2000 a.C. Los griegos y los romanos hicieron grandes contribuciones al desarrollo de los adhesivos. En Europa, el pegamento no se utilizó ampliamente hasta el período 1500-1700 d.C. Desde entonces hasta la década de 1900, el aumento del uso y descubrimiento de adhesivos fue relativamente gradual. Sólo a partir del siglo XX se ha acelerado rápidamente el desarrollo de adhesivos sintéticos y la innovación en este campo continúa hasta el presente.
Se descubrieron pruebas del uso más antiguo conocido de adhesivos en el centro de Italia cuando se encontraron dos lascas de piedra parcialmente cubiertas con alquitrán de corteza de abedul y una tercera piedra descubierta del Pleistoceno medio (hace unos 200.000 años). Se cree que este es el uso humano más antiguo descubierto de piedras con alquitrán . [4]
El adhesivo de alquitrán de corteza de abedul es un adhesivo sencillo de un solo componente. Un estudio de 2019 demostró que la producción de alquitrán de abedul puede ser un proceso muy simple: simplemente implica quemar corteza de abedul cerca de superficies verticales lisas al aire libre. [6] Aunque son bastante pegajosos, los adhesivos de origen vegetal son quebradizos y vulnerables a las condiciones ambientales. El primer uso de adhesivos compuestos se descubrió en Sibudu, Sudáfrica. Aquí se descubrieron segmentos de piedra de 70.000 años de antigüedad que alguna vez se insertaron en mangos de hachas cubiertos con un adhesivo compuesto de goma vegetal y ocre rojo (óxido de hierro natural), ya que agregar ocre a la goma vegetal produce un producto más fuerte y protege la goma de la desintegración. en condiciones húmedas. [7] La capacidad de producir adhesivos más fuertes permitió a los humanos de la Edad de Piedra media unir segmentos de piedra a palos en mayores variaciones, lo que condujo al desarrollo de nuevas herramientas. [8]
Se han encontrado ejemplos más recientes del uso de adhesivos por parte de humanos prehistóricos en los lugares de enterramiento de tribus antiguas. Los arqueólogos que estudiaron los sitios descubrieron que hace aproximadamente 6.000 años los miembros de la tribu enterraban a sus muertos junto con alimentos encontrados en vasijas de barro rotas reparadas con resinas de árboles. [9] Otra investigación realizada por arqueólogos descubrió el uso de cementos bituminosos para sujetar globos oculares de marfil a estatuas en templos babilónicos que datan aproximadamente del 4000 a.C. [10]
En el año 2000, un artículo reveló el descubrimiento de un hombre de 5.200 años de antigüedad, apodado "el hombre de hielo tirolés " o "Ötzi", que fue preservado en un glaciar cerca de la frontera entre Austria e Italia. Con él se encontraron varias de sus pertenencias, incluidas dos flechas con puntas de pedernal y un hacha de cobre, cada una con evidencia de pegamento orgánico utilizado para conectar las piezas de piedra o metal a los ejes de madera. El pegamento se analizó como brea , que requiere el calentamiento del alquitrán durante su producción. La recuperación de este alquitrán requiere una transformación de la corteza de abedul mediante calor, en un proceso conocido como pirólisis. [11]
Las primeras referencias a adhesivos en la literatura aparecieron aproximadamente en el año 2000 a.C. Se encuentran más registros históricos del uso de adhesivos en el período que abarca entre 1500 y 1000 a.C. Los artefactos de este período incluyen pinturas que representan operaciones de pegado de madera y un ataúd hecho de madera y pegamento en la tumba del rey Tutankamón . [9] Otros artefactos del antiguo Egipto emplean pegamento animal para unir o laminar. Se cree que este tipo de laminación de madera para arcos y muebles extendió su vida útil y se logró utilizando pegamentos a base de caseína (proteína de la leche). Los antiguos egipcios también desarrollaron pastas a base de almidón para unir el papiro a la ropa y un yeso similar a París, hecho de yeso calcinado. [12]
Desde el año 1 al 500 d.C., los griegos y los romanos hicieron grandes contribuciones al desarrollo de los adhesivos. Se desarrollaron el revestimiento de madera y la marquetería , se perfeccionó la producción de colas de animales y peces y se utilizaron otros materiales. Se utilizaban pastas a base de huevo para unir hojas de oro e incorporaban diversos ingredientes naturales como sangre, huesos, piel, leche, queso, verduras y cereales. [9] Los griegos comenzaron a utilizar cal apagada como mortero, mientras que los romanos impulsaron el desarrollo del mortero mezclando cal con ceniza volcánica y arena. Este material, conocido como cemento puzolánico , se utilizó en la construcción del Coliseo y Panteón Romano. [12] Los romanos también fueron los primeros pueblos que se sabe que utilizaron alquitrán y cera de abejas como masilla y sellador entre las tablas de madera de sus barcos y barcos. [9]
En Asia Central, el ascenso de los mongoles aproximadamente en el año 1000 d. C. puede atribuirse en parte al buen alcance y potencia de los arcos de las hordas de Genghis Khan. Estos arcos estaban hechos de un núcleo de bambú, con un cuerno en el vientre (mirando hacia el arquero) y tendones en la espalda, unidos con pegamento animal . [13]
En Europa, el pegamento cayó en desuso hasta el período 1500-1700 d.C. [14] En ese momento, fabricantes de gabinetes y muebles de renombre mundial, como Thomas Chippendale y Duncan Phyfe, comenzaron a utilizar adhesivos para mantener unidos sus productos. [9] En 1690, se estableció la primera planta comercial de pegamento en los Países Bajos. Esta planta producía colas a partir de pieles de animales. [15] En 1750, se emitió la primera patente británica de pegamento para pescado. Las siguientes décadas del siglo siguiente fueron testigos de la fabricación de colas de caseína en fábricas alemanas y suizas. [9] En 1876, se concedió la primera patente estadounidense (número 183.024) a los hermanos Ross para la producción de cola de caseína. [9] [16]
Los primeros sellos postales de EE. UU. utilizaron adhesivos a base de almidón cuando se emitieron en 1847. La primera patente estadounidense (número 61,991) sobre el adhesivo de dextrina (un derivado del almidón) se emitió en 1867. [9]
El caucho natural se utilizó por primera vez como material para adhesivos a partir de 1830, [17] , lo que marcó el punto de partida del adhesivo moderno. [18] En 1862, se emitió una patente británica (número 3288) para el revestimiento de metal con latón mediante electrodeposición para obtener una unión más fuerte al caucho. [15] El desarrollo del automóvil y la necesidad de soportes amortiguadores de caucho requirieron uniones de caucho y metal más fuertes y duraderas. Esto impulsó el desarrollo del caucho ciclado tratado con ácidos fuertes. En 1927, este proceso se utilizaba para producir cementos de caucho termoplástico a base de solventes para unir metal con caucho. [19]
Los adhesivos adhesivos a base de caucho natural fueron utilizados por primera vez sobre un soporte por Henry Day (patente estadounidense 3.965) en 1845. [19] Posteriormente, este tipo de adhesivos se utilizaron en cintas quirúrgicas y eléctricas con soporte de tela. En 1925 nació la industria de las cintas sensibles a la presión. [3] Hoy en día, las notas adhesivas, la cinta adhesiva y otras cintas son ejemplos de adhesivos sensibles a la presión (PSA). [20]
Un paso clave en el desarrollo de los plásticos sintéticos fue la introducción de un plástico termoestable conocido como baquelita fenólica en 1910. [21] En dos años, se aplicó resina fenólica a la madera contrachapada como barniz de revestimiento. A principios de la década de 1930, los fenólicos ganaron importancia como resinas adhesivas. [22]
Las décadas de 1920, 1930 y 1940 fueron testigos de grandes avances en el desarrollo y producción de nuevos plásticos y resinas debido a la Primera y Segunda Guerra Mundial. Estos avances mejoraron enormemente el desarrollo de adhesivos al permitir el uso de materiales recientemente desarrollados que exhibieron una variedad de propiedades. Con necesidades cambiantes y tecnología en constante evolución, el desarrollo de nuevos adhesivos sintéticos continúa hasta el presente. [21] Sin embargo, debido a su bajo costo, los adhesivos naturales se utilizan aún más comúnmente. [23]
Los adhesivos suelen organizarse según el método de adhesión. Luego, estos se organizan en adhesivos reactivos y no reactivos, lo que se refiere a si el adhesivo reacciona químicamente para endurecerse. Alternativamente, se pueden organizar según si la materia prima es de origen natural o sintético, o según su fase física inicial . [24]
Existen dos tipos de adhesivos que endurecen por secado: los adhesivos de base solvente y los adhesivos de dispersión polimérica , también conocidos como adhesivos de emulsión . Los adhesivos a base de solventes son una mezcla de ingredientes (típicamente polímeros ) disueltos en un solvente . El pegamento blanco , los adhesivos de contacto y los cementos de caucho son miembros de la familia de los adhesivos secantes . A medida que el disolvente se evapora, el adhesivo se endurece. Dependiendo de la composición química del adhesivo se adherirán en mayor o menor grado a distintos materiales.
Los adhesivos de dispersión polimérica son dispersiones de color blanco lechoso, a menudo basadas en acetato de polivinilo (PVAc). Se utilizan ampliamente en las industrias de la carpintería y del embalaje. También se utilizan con tejidos y componentes a base de tejidos, y en productos de ingeniería como conos de altavoces.
Los adhesivos sensibles a la presión (PSA) forman una unión mediante la aplicación de una ligera presión para unir el adhesivo con el adherente. Están diseñados para tener un equilibrio entre flujo y resistencia al flujo. La unión se forma porque el adhesivo es lo suficientemente blando como para fluir (es decir, "mojarse") hacia el adherente. La unión tiene fuerza porque el adhesivo es lo suficientemente duro como para resistir el flujo cuando se aplica tensión a la unión. Una vez que el adhesivo y el adherente están muy cerca, las interacciones moleculares, como las fuerzas de van der Waals , intervienen en la unión, contribuyendo significativamente a su resistencia máxima.
Los PSA están diseñados para aplicaciones permanentes o removibles. Ejemplos de aplicaciones permanentes incluyen etiquetas de seguridad para equipos eléctricos, cinta de aluminio para conductos de HVAC , ensamblaje de molduras interiores de automóviles y películas amortiguadoras de sonido/vibración. Algunos PSA permanentes de alto rendimiento exhiben altos valores de adhesión y pueden soportar kilogramos de peso por centímetro cuadrado de área de contacto, incluso a temperaturas elevadas. Los PSA permanentes pueden inicialmente ser removibles (por ejemplo, para recuperar productos mal etiquetados) y generar adhesión a una unión permanente después de varias horas o días.
Los adhesivos removibles están diseñados para formar una unión temporal e idealmente se pueden quitar después de meses o años sin dejar residuos en el adhesivo. Los adhesivos removibles se utilizan en aplicaciones tales como películas protectoras de superficies, cintas adhesivas , marcadores y papeles para notas, etiquetas de códigos de barras, etiquetas de marcado de precios, materiales gráficos promocionales y para el contacto con la piel (vendajes para el cuidado de heridas, electrodos de electrocardiograma, cintas deportivas, analgésicos y medicamentos transdérmicos). parches, etc). Algunos adhesivos removibles están diseñados para pegarse y despegarse repetidamente. [25] Tienen baja adherencia y generalmente no pueden soportar mucho peso. El adhesivo sensible a la presión se utiliza en las notas Post-it .
Los adhesivos sensibles a la presión se fabrican con un vehículo líquido o en forma 100% sólida. Los artículos se fabrican a partir de PSA líquidos recubriendo el adhesivo y secando el disolvente o el portador de agua. Se pueden calentar aún más para iniciar una reacción de reticulación y aumentar el peso molecular . Los PSA 100% sólidos pueden ser polímeros de baja viscosidad que se recubren y luego reaccionan con radiación para aumentar el peso molecular y formar el adhesivo, o pueden ser materiales de alta viscosidad que se calientan para reducir la viscosidad lo suficiente como para permitir el recubrimiento y luego se enfrían hasta su estado final. forma. La principal materia prima para los PSA son los polímeros a base de acrilato .
Los adhesivos de contacto forman uniones de alta resistencia al corte con un tiempo de curado rápido. A menudo se aplican en capas finas para su uso con laminados , como para unir fórmica a encimeras, y en calzado, como para unir suelas a la parte superior. El caucho natural y el policloropreno (neopreno) son adhesivos de contacto de uso común. Ambos elastómeros sufren cristalización por deformación .
Los adhesivos de contacto deben aplicarse a ambas superficies y dejarse secar durante un tiempo antes de juntar las dos superficies. Algunos adhesivos de contacto requieren hasta 24 horas para secarse completamente antes de mantener unidas las superficies. [26] Una vez que las superficies se juntan, la unión se forma muy rápidamente. [27] Por lo general, no se necesitan abrazaderas debido a la rápida formación de la unión. [28]
Los adhesivos calientes , también conocidos como adhesivos termofusibles , son termoplásticos que se aplican en forma fundida (en el rango de 65 a 180 °C) y que se solidifican al enfriarse para formar uniones fuertes entre una amplia gama de materiales. Los hotmelts a base de etileno-acetato de vinilo son particularmente populares para las manualidades debido a su facilidad de uso y la amplia gama de materiales comunes que pueden unir. Una pistola de pegamento (que se muestra a la derecha) es un método para aplicar adhesivos calientes. La pistola de pegamento derrite el adhesivo sólido y luego permite que el líquido pase a través de su cilindro hacia el material, donde se solidifica.
Es posible que Procter & Gamble haya inventado el pegamento termoplástico alrededor de 1940 como una solución al problema de que los adhesivos a base de agua, comúnmente utilizados en envases en ese momento, fallaban en climas húmedos y provocaban que los paquetes se abrieran. Sin embargo, los adhesivos a base de agua siguen siendo de gran interés ya que normalmente no contienen disolventes volátiles. [29]
Los adhesivos anaeróbicos curan en contacto con metal, en ausencia de oxígeno. [30] Funcionan bien en un espacio reducido, como cuando se usan como líquido bloqueador de roscas .
Los adhesivos multicomponente se endurecen mezclando dos o más componentes que reaccionan químicamente. Esta reacción hace que los polímeros se entrecrucen [31] en acrilatos , uretanos y epoxis .
Existen varias combinaciones comerciales de adhesivos multicomponente que se utilizan en la industria. Algunas de estas combinaciones son:
Los componentes individuales de un adhesivo multicomponente no son adhesivos por naturaleza. Los componentes individuales reaccionan entre sí después de mezclarse y muestran una adhesión total solo después del endurecimiento. Las resinas multicomponente pueden ser a base de disolvente o sin disolvente. Los disolventes presentes en los adhesivos son un medio para la resina de poliéster o poliuretano. El disolvente se seca durante el proceso de curado.
Los adhesivos premezclados y congelados (PMF) son adhesivos que se mezclan, desairean, empaquetan y congelan. [32] Como es necesario que los PMF permanezcan congelados antes de su uso, una vez congelados a -80 °C se envían con hielo seco y deben almacenarse a -40 °C o menos. [33] Los adhesivos PMF eliminan los errores de mezcla por parte del usuario final y reducen la exposición a agentes de curado que pueden contener irritantes o toxinas. [34] Las PMF se introdujeron comercialmente en la década de 1960 y se utilizan comúnmente en el sector aeroespacial y de defensa. [35]
Los adhesivos de un solo componente se endurecen mediante una reacción química con una fuente de energía externa, como radiación , calor y humedad .
Los adhesivos fotopolimerizables ultravioleta (UV) , también conocidos como materiales fotopolimerizables (LCM), se han vuelto populares en el sector manufacturero debido a su rápido tiempo de curado y su fuerte fuerza de unión. Los adhesivos fotopolimerizables pueden curar en tan solo un segundo y muchas formulaciones pueden unir sustratos (materiales) diferentes y soportar temperaturas extremas. Estas cualidades hacen que los adhesivos de curado UV sean esenciales para la fabricación de artículos en muchos mercados industriales como el de la electrónica, las telecomunicaciones, el médico, el aeroespacial, el vidrio y el óptico. A diferencia de los adhesivos tradicionales, los adhesivos de curado con luz UV no solo unen materiales sino que también se pueden usar para sellar y recubrir productos. Generalmente son de base acrílica.
Los adhesivos termocurables constan de una mezcla prefabricada de dos o más componentes. Cuando se aplica calor, los componentes reaccionan y se reticulan. Este tipo de adhesivo incluye epoxis termoestables , uretanos y poliimidas .
Los adhesivos de curado por humedad se curan cuando reaccionan con la humedad presente en la superficie del sustrato o en el aire. Este tipo de adhesivo incluye cianoacrilatos y uretanos .
Los adhesivos naturales se elaboran a partir de fuentes orgánicas como almidón vegetal ( dextrina ), resinas naturales o animales (por ejemplo, la proteína de la leche caseína [36] y colas animales a base de pieles ). A menudo se les conoce como bioadhesivos .
Un ejemplo es una pasta sencilla que se elabora cocinando harina en agua. Los adhesivos a base de almidón se utilizan en la producción de cartón corrugado y bolsas de papel , en el bobinado de tubos de papel y en adhesivos para papel tapiz . El pegamento de caseína se utiliza principalmente para adherir etiquetas de botellas de vidrio. Los pegamentos animales se han utilizado tradicionalmente en encuadernación, unión de madera y muchas otras áreas, pero ahora son reemplazados en gran medida por pegamentos sintéticos, excepto en aplicaciones especializadas como la producción y reparación de instrumentos de cuerda. La albúmina elaborada a partir del componente proteico de la sangre se ha utilizado en la industria del contrachapado . La masonita , un tablero de madera prensada, se unía originalmente utilizando lignina de madera natural , un polímero orgánico , aunque la mayoría de los tableros de partículas modernos, como el MDF , utilizan resinas termoendurecibles sintéticas.
Los adhesivos sintéticos están hechos de compuestos orgánicos . Muchos se basan en elastómeros , termoplásticos , emulsiones y termoestables . Ejemplos de adhesivos termoestables son: epoxi , poliuretano , cianoacrilato y polímeros acrílicos . El primer adhesivo sintético producido comercialmente fue Karlsons Klister en la década de 1920. [37]
Los aplicadores de diferentes adhesivos se diseñan según el adhesivo que se utilice y el tamaño del área a la que se aplicará el adhesivo. El adhesivo se aplica a uno o ambos materiales que se van a unir. Las piezas se alinean y se agrega presión para ayudar en la adhesión y eliminar las burbujas de aire de la unión.
Las formas comunes de aplicar un adhesivo incluyen brochas, rodillos, usando películas o bolitas, pistolas pulverizadoras y pistolas aplicadoras ( por ejemplo , pistola de calafateo ). Todos estos pueden usarse manualmente o automatizarse como parte de una máquina.
Para que un adhesivo sea eficaz debe tener tres propiedades principales. En primer lugar, debe poder mojar el material base . La humectación es la capacidad de un líquido de mantener contacto con una superficie sólida. También debe aumentar su resistencia tras su aplicación, y finalmente debe ser capaz de transmitir carga entre las dos superficies/sustratos a adherir. [38]
La adhesión, la unión entre el adhesivo y el sustrato, puede ocurrir por medios mecánicos, en los que el adhesivo se abre camino hacia pequeños poros del sustrato, o por uno de varios mecanismos químicos. La fuerza de la adhesión depende de muchos factores, incluido el medio por el cual se produce.
En algunos casos, se produce una unión química real entre el adhesivo y el sustrato. Los polímeros tiolados , por ejemplo, forman enlaces químicos con proteínas endógenas como glicoproteínas mucosas, integrinas o queratinas a través de puentes disulfuro. [39] Debido a sus propiedades adhesivas comparativamente altas, estos polímeros encuentran numerosas aplicaciones biomédicas. En otros, las fuerzas electrostáticas, como en la electricidad estática, mantienen unidas las sustancias. Un tercer mecanismo involucra las fuerzas de van der Waals que se desarrollan entre moléculas. Un cuarto medio implica la difusión del pegamento asistida por humedad en el sustrato, seguida del endurecimiento.
La calidad de la unión adhesiva depende en gran medida de la capacidad del adhesivo para cubrir (mojar) eficientemente el área del sustrato. Esto sucede cuando la energía superficial del sustrato es mayor que la energía superficial del adhesivo. Sin embargo, los adhesivos de alta resistencia tienen una alta energía superficial. Por lo tanto, se adhieren mal a polímeros u otros materiales de baja energía superficial. Para resolver este problema, se puede utilizar un tratamiento superficial para aumentar la energía superficial como paso de preparación antes de la unión adhesiva. Es importante destacar que la preparación de la superficie proporciona una superficie reproducible que permite resultados de unión consistentes. Las técnicas de activación de superficies comúnmente utilizadas incluyen activación por plasma , tratamiento con llama e imprimación con química húmeda. [40]
Hay varios factores que podrían contribuir al fallo de dos superficies adheridas. La luz del sol y el calor pueden debilitar el adhesivo. Los solventes pueden deteriorar o disolver el adhesivo. Las tensiones físicas también pueden provocar la separación de superficies. Cuando se somete a carga, puede producirse desunión en diferentes lugares de la junta adhesiva. Los principales tipos de fracturas son los siguientes:
La fractura cohesiva se obtiene si se propaga una grieta en el polímero en masa que constituye el adhesivo. En este caso las superficies de ambos adherentes después de la desunión quedarán cubiertas por adhesivo fracturado. La grieta puede propagarse en el centro de la capa o cerca de una interfaz. Para este último caso, se puede decir que la fractura cohesiva es "cohesiva cerca de la interfaz".
La fractura adhesiva (a veces denominada fractura interfacial ) se produce cuando se produce la desunión entre el adhesivo y el adherente. En la mayoría de los casos, la aparición de rotura del adhesivo para un adhesivo determinado va acompañada de una menor tenacidad a la fractura.
Otros tipos de fractura incluyen:
Como regla general de diseño, las propiedades materiales del objeto deben ser mayores que las fuerzas previstas durante su uso. (es decir, geometría, cargas, etc.). El trabajo de ingeniería consistirá en contar con un buen modelo para evaluar la función. Para la mayoría de las uniones adhesivas, esto se puede lograr mediante mecánica de fractura . Conceptos como el factor de concentración de tensiones y la tasa de liberación de energía de deformación se pueden utilizar para predecir fallas. En tales modelos, se desprecia el comportamiento de la propia capa adhesiva y sólo se consideran los adherentes.
El fallo también dependerá en gran medida del modo de apertura de la articulación.
Como las cargas suelen ser fijas, un diseño aceptable resultará de la combinación de un procedimiento de selección de materiales y modificaciones de la geometría, si es posible. En estructuras unidas adhesivamente, la geometría global y las cargas se fijan mediante consideraciones estructurales y el procedimiento de diseño se centra en las propiedades del material del adhesivo y en los cambios locales en la geometría.
El aumento de la resistencia de la unión normalmente se obtiene diseñando su geometría de modo que:
Algunos pegamentos y adhesivos tienen una vida útil limitada . La vida útil depende de múltiples factores, el principal de los cuales es la temperatura. Los adhesivos pueden perder su eficacia a altas temperaturas, además de volverse cada vez más rígidos. [41] Otros factores que afectan la vida útil incluyen la exposición al oxígeno o al vapor de agua.
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