Química adhesiva

Adhesiu, qualsevol substància capaç de mantenir els materials units de manera funcional mitjançant un enganxament superficial que resisteix la separació. El terme “adhesiu” com a terme general inclou ciment, mucílags, cola i pasta, termes que sovint s’utilitzen de forma intercanviable per a qualsevol material orgànic que formi un enllaç adhesiu. Les substàncies inorgàniques com el ciment portland també es poden considerar adhesius, en el sentit que mantenen objectes com ara maons i bigues junts mitjançant un enganxament superficial, però aquest article es limita a una discussió d’adhesius orgànics, tant naturals com sintètics.

Els adhesius naturals són coneguts des de l’antiguitat. Les talles egípcies de 3.300 anys de vida representen la pegada d'una fina peça de xapa amb el que sembla ser una planxa de síndrome. El papir, un teixit primerenc no teixit, contenia fibres de plantes semblants a unió amb pasta de farina. El betum, les fosses d'arbres i la cera d'abella s'utilitzaven com a segellants (revestiments protectors) i adhesius en època antiga i medieval. La fulla d’or dels manuscrits il·luminats s’enllaçava al paper per la clara d’ou i els objectes de fusta s’enllaçaven amb coles de peix, banya i formatge. La tecnologia d’enganxes d’animals i peixos va avançar durant el segle XVIII, i al segle XIX es van introduir ciments a base de cautxú i nitrocel·lulosa. Els avenços decisius en la tecnologia dels adhesius esperaven, però, el segle XX, període durant el qual es van millorar els adhesius naturals i van sortir al laboratori molts sintètics per substituir els adhesius naturals del mercat. El ràpid creixement de les indústries aeronàutiques i aeronàutiques durant la segona meitat del segle XX va tenir un profund impacte en la tecnologia dels adhesius. La demanda d’adhesius que presentessin un alt grau de resistència estructural i resistents tant a la fatiga com a les condicions ambientals severes van provocar el desenvolupament de materials d’alt rendiment, que finalment van trobar el seu camí en moltes aplicacions industrials i domèstiques.

Aquest article comença amb una breu explicació dels principis d’adhesió i després procedeix a una revisió de les principals classes d’adhesius naturals i sintètics.

Adhesió

En el rendiment de les juntes adhesives, les propietats físiques i químiques de l’adhesiu són els factors més importants. També són importants per determinar si l’articulació adhesiva comportarà un rendiment adequat són els tipus d’adherència (és a dir, els components que s’uneixen, per exemple, aliatge metàl·lic, plàstic, material compost) i la naturalesa del pretractament superficial o d’imprimació. Aquests tres factors (adhesiu, adhesiu i superficial) tenen un impacte en la vida útil de l'estructura d'unida. Al seu torn, el comportament mecànic de l'estructura d'unió està influenciat pels detalls del disseny de l'articulació i per la forma en què les càrregues aplicades es transfereixen d'una adherència a l'altra.

La capacitat de l’adhesiu per mullar-se i difondre’s sobre les adherències que s’uneixen té una implicació important en la formació d’un enllaç adhesiu acceptable. L’assoliment d’aquest contacte molecular interfacial és un primer pas necessari en la formació d’unes juntes adhesives fortes i estables. Un cop mullat, es generen forces intrínseques d’adhesió a la interfície mitjançant diversos mecanismes. La naturalesa precisa d’aquests mecanismes ha estat objecte d’estudi físic i químic des dels anys seixanta, com a mínim, amb el resultat que existeixen diverses teories d’adhesió. El mecanisme principal d’adhesió s’explica per la teoria d’adsorció, que estableix que les substàncies s’adhereixen principalment a causa d’un contacte intermolecular íntim. En les articulacions adhesives aquest contacte s’obté mitjançant forces intermoleculars o de valència exercides per molècules a les capes superficials de l’adhesiu i adhesiu.

A més de l’adsorció, s’han proposat altres quatre mecanismes d’adhesió. El primer, interbloqueig mecànic, es produeix quan l’adhesiu flueix als porus a la superfície adherida o al voltant de les projeccions a la superfície. La segona, la interdifusió, es produeix quan l’adhesiu líquid es dissol i es difon en materials adherits. Al tercer mecanisme, l’adsorció i la reacció superficial, l’enllaç es produeix quan les molècules adhesives s’absorbeixen sobre una superfície sòlida i reaccionen químicament amb aquesta. A causa de la reacció química, aquest procés difereix en cert grau de l'adsorció simple, descrita anteriorment, tot i que alguns investigadors consideren que la reacció química forma part d'un procés d'adsorció total i no d'un mecanisme d'adhesió independent. Finalment, la teoria d'atracció electrònica, o electrostàtica, suggereix que les forces electrostàtiques es desenvolupen en una interfície entre materials amb diferents estructures de bandes electròniques. En general, més d’un d’aquests mecanismes tenen un paper en l’assoliment del nivell d’adhesió desitjat per a diversos tipus d’adhesius i adhesius.

En la formació d'un enllaç adhesiu, sorgeix una zona de transició en la interfície entre adhesiu i adhesiu. En aquesta zona, anomenada interfase, les propietats químiques i físiques de l’adhesiu poden ser considerablement diferents de les de les porcions que no es troben en contacte. Es creu generalment que la composició interfàsica controla la durabilitat i la resistència d’una junta adhesiva i és principalment responsable de la transferència d’estrès d’un adherit a un altre. La regió interfase és el lloc d'atac mediambiental sovint, provocant una fallada conjunta.

La força dels enllaços adhesius es determina normalment mitjançant proves destructives, que mesuren les tensions establertes en el punt o la línia de fractura del test. S'utilitzen diversos mètodes d'assaig, com ara pela, cisalla a la volta tensiva, escotades i proves de fatiga. Aquestes proves es realitzen en un ampli ventall de temperatures i en diverses condicions ambientals. Un mètode alternatiu per caracteritzar una articulació adhesiva és mitjançant la determinació de l'energia que es gasta en separar una àrea unitària de la interfase. Les conclusions derivades d’aquests càlculs d’energia són, en principi, totalment equivalents a les derivades de l’anàlisi de l’estrès.

Materials adhesius

Pràcticament tots els adhesius sintètics i alguns adhesius naturals estan compostos per polímers, que són molècules gegants o macromolècules, formades per l’enllaç de milers de molècules més simples conegudes com a monòmers. La formació del polímer (una reacció química coneguda com a polimerització) es pot produir durant una etapa de "curació", en la qual la polimerització es produeix simultàniament amb la formació d'enllaç adhesiu (com és el cas de les resines epoxi i els cianacrilats), o pot ser que el polímer pugui ser format abans que el material s’apliqui com a adhesiu, com passa amb els elastòmers termoplàstics com els copolímers en blocs d’estirè-isoprè-estireno. Els polímers proporcionen força, flexibilitat i capacitat de difondre’s i interaccionar sobre una superfície adherida, propietats necessàries per a la formació de nivells d’adherència acceptables.

Adhesius naturals

Els adhesius naturals són principalment d'origen animal o vegetal. Tot i que la demanda de productes naturals ha disminuït des de mitjan segle XX, alguns continuen sent utilitzats amb productes de fusta i paper, sobretot en taulers ondulats, sobres, etiquetes d’ampolles, enquadernacions de llibres, cartrons, mobles i film laminat i làmines.. A més, a causa de diverses regulacions ambientals, els adhesius naturals derivats de recursos renovables reben una atenció renovada. A continuació es descriuen els productes naturals més importants.

Colla animal

El terme cola animal sol limitar-se a coles preparades a partir de col·lagen de mamífers, el constituent proteic principal de la pell, els ossos i el múscul. Quan es tracta amb àcids, alcalins o aigua calenta, el col·lagen normalment insoluble es converteix lentament en soluble. Si la proteïna original és pura i el procés de conversió és suau, el producte de gran pes molecular s’anomena gelatina i es pot utilitzar per a aliments o productes fotogràfics. El material de menys pes molecular produït per un processament més vigorós normalment és de color menys pur i de color més fosc i s’anomena cola animal.

La cola animal tradicionalment s'ha utilitzat en unió de fusta, enquadernació de llibres, fabricació de paper de paperera, cintes de gom a gom gruixudes i aplicacions similars. Malgrat el seu avantatge de l’alta adherència inicial (adherència), s’ha modificat molta cola animal o s’ha substituït totalment per adhesius sintètics.

Cola de caseïna

Aquest producte s’elabora mitjançant la dissolució de la caseïna, una proteïna obtinguda de la llet, en un dissolvent aquós alcalí. El grau i el tipus d’alcali influeixen en el comportament del producte. En unió amb fusta, generalment les coles de caseïna són superiors a les autèntiques coles animals en resistència a la humitat i característiques d’envelliment. La caseïna també s'utilitza per millorar les característiques adherides de pintures i revestiments.

Colla albumen de sang

La cola d'aquest tipus està feta amb sèrum albumen, un component sanguini que es pot obtenir a partir de sang fresca d'animal o de pols de sang soluble seca a la qual s'ha afegit aigua. L’addició d’alcali a les barreges d’album i aigua millora les propietats adhesives. Una quantitat considerable de productes de cola procedents de la sang s'utilitza a la indústria de la fusta contraplacada.

Amidó i dextrina

El midó i la dextrina s’extreuen del blat de moro, el blat, les patates o l’arròs. Constitueixen els principals tipus d’adhesius vegetals, solubles o dispersables en aigua i que s’obtenen a partir de fonts vegetals arreu del món. Les coles de midó i dextrina s’utilitzen en envasos i embalatges ondulats i com a adhesiu per a paper pintat.