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La tecnica dell'incollaggio negli ultimi anni si è dimostrata in grado di soppiantare o di coadiuvare svariate applicazioni in tecnologie convenzionali quali la chiodatura, la saldatura e i collegamenti meccanici. La resistenza e la durata di strutture incollate nelle costruzioni aeronautiche e nelle strutture di legno sono state dimostrate nell'arco di molti anni, mentre l'estensione di questa tecnologia ad altre applicazioni strutturali è al confronto limitato. Cosi bulloni, saldature e chiodature sono ancora d’uso predominante nelle strutture automobilistiche e navali, e molti articoli prodotti in serie che richiedono unioni di parti metalliche si affidano a collegamenti meccanici.
Fino a circa cinquanta anni fa, gli unici adesivi d’uso comune erano colle animali ed altri prodotti naturali che sono stati usati per secoli, sebbene fin dal 1900, colle vegetali abbiano trovato vasta applicazione per incollare materiali porosi come la carta. Colle alla caseina sono state usate durante la prima guerra mondiale per costruzioni aeronautiche in legno, ma ci si è accorti che avevano una resistenza limitata all'umidità ed alle muffe. Il rapido aumento dell'uso degli adesivi in campo industriale fu permesso dallo sviluppo delle resine sintetiche, che non presentano le limitazioni dei prodotti naturali e che possono incollare sia i metalli sia altri materiali non porosi.
La prima resina sintetica d’uso comune è stata la fenolformaldeidica, che è stata ampiamente usata per incollare il legno. La seconda guerra mondiale, ha visto lo sviluppo delle resine epossidiche e fenoliche modificate per incollaggi tra metalli in campo aeronautico e da allora sono stati preparati diversi tipi di gomme e resine sintetiche. L'incollaggio ha assunto oggi una notevole importanza per unire i metalli sia tra loro sia con altri materiali, per un’ampia gamma d’applicazioni.
Tale incremento nell'uso degli adesivi ha avuto luogo soprattutto per applicazioni non strutturali, quali quelle che s’incontrano nelle costruzioni in generale e nell'industria automobilistica, delle calzature e dell'imballaggio. A causa dei vantaggi che presenta in numerose applicazioni, l'incollaggio offre nuove possibilità di produzione a basso costo. Potrebbe essere considerato complementare ad altri metodi di collegamento meccanico, da usarsi dove questi siano applicabili o risultino meno economici. Il peso ad esempio è spesso un fattore estremamente importante per chi disegna un prodotto e può direttamente influenzare il costo del prodotto stesso.
Con gli incollaggi si possono usare elementi più sottili, mentre fino ad ora lo spessore era determinato dalla necessità di evitare le distorsioni causate dalla saldatura per punti e dalla rivettatura. Leghe leggere dello spessore di soli 0,35 mm, sono state incollate con risultati soddisfacenti e film metallici dello spessore di 0,05mm sono stati usati in strutture sandwich a nido d'ape. Il presente quaderno, mira a presentare al progettista gli scopi e le applicazioni degli adesivi e delle relative tecnologie, tenendo presente che il loro uso effettivo presuppone una certa dimestichezza con i vantaggi e le limitazioni che essi presentano ed implicano nuovi approcci progettativi e costruttivi. Centri di ricerca ed altre organizzazioni che offrono consigli e assistenza per particolari aspetti di tale tecnologia sono elencati in fondo al testo, così come le tabelle BSI relative all'uso degli adesivi . Occorre tenere presente che le tabelle BSI sono soggette a revisioni periodiche, mediante la pubblicazione di fogli di correzione o d’edizioni rivedute e corrette, che sono elencate nel BSI Yearbook e BSI News. La pubblicazione annuale Adhesives Directory esamina gli adesivi comunemente reperibili e le fonti commerciali.
A seconda degli adesivi usati, del progetto del giunto, delle tecniche d’applicazione e della funzione del manufatto in esame, l'incollaggio può offrire uno o più dei seguenti vantaggi:
L'incollaggio presenta anche dei limiti, sebbene il rapido sviluppo di tali tecnologie prometta di ridurre al minimo molti di questi. Tra gli svantaggi dell'incollaggio che hanno portato ad alcune restrizioni nel loro impiego ci sono: (1) la dipendenza della durata dell'incollaggio dalle condizioni in cui esso è stato eseguito, (2) la necessità di particolari forme del giunto per evitare la rottura per fessurazione e (3) la limitata resistenza dell'adesivo nell'uso in condizioni estremamente critiche, specialmente dovute al calore. Resine termoindurenti poliammidiche ed epossidiche modificate sono adatte al funzionamento per lunghi periodi a 250 °C, oltre i quali ha inizio una degradazione del materiale.
Materiali inorganici come i silicati possono funzionare come adesivi fino a 1500 °C, ma sono fragili, soggetti a shock termici e meccanici ed hanno una scarsa adesione ai metalli. Qui di seguito è riportata una serie di limitazioni aggiuntive sull'uso degli adesivi per particolari applicazioni.
Gli adesivi possono essere classificati in diversi modi, poiché ciascun giunto può essere definito in termini di: (1) i materiali da incollare, (2) la forma fisica dell'adesivo (3) i trattamenti che richiede, (4) le proprietà di resistenza e (5) la sua durata. Si possono inoltre classificare sulla base della natura chimica degli elemento principali e questo sistema, nonostante sia di scarsa utilità per il progettista, è uno dei più comunemente usati.
Materiali da unire.
La classificazione degli adesivi fatta suddividendo i materiali da unire in categorie molto ampie non è soddisfacente per metalli, materie plastiche e gomme, a causa della gran varietà delle caratteristiche d’incollaggio riscontrata in materiali specifici all'interno di ciascuna categoria; per esempio, un adesivo adatto per il rame non lo è necessariamente per l'acciaio. Tabelle che riportano elenchi di giunzioni tra materiali simili e dissimili unicamente agli adesivi consigliati in base alla natura chimica dei componenti hanno scarso valore e possono ingannare. In generale qualsiasi adesivo appartenente ad un certo numero di tipi può essere usato per i materiali che costituiscono un particolare giunto e la scelta è basata su altre considerazioni come il costo o le particolari esigenze che devono soddisfare.
Forma fisica
Gli adesivi sono reperibili in diverse forme fisiche (tab.1) e per un’applicazione specifica la scelta è sostanzialmente dettata da considerazioni inerenti al montaggio, al progetto, al costo e ai sistemi di produzione inerenti al loro uso. I benefici economici relativi agli incollaggi, sono stati concretamente realizzati in vari montaggi.
Spesso è necessario praticare un rigoroso controllo di produzione, eseguendo prove su campioni di giunzioni per garantire giunzioni affidabili di qualità uniforme durante tutto il processo produttivo; metodi di controllo non distruttivi per l'accertamento della qualità dell'incollaggio non hanno dato ancora risultati completamente soddisfacenti. In aggiunta a questi svantaggi, il processo d’incollaggio porta con sé un certo numero di complessi requisiti, che possono includere (1) speciali fasi di lavorazione per la preparazione dei componenti prima dell'incollaggio e per l'applicazione dell'adesivo, e (2) il procurare speciali condizioni ambientali che includono spesso periodi di cottura prolungati a temperatura e pressione costanti. La necessità di speciali attrezzature per l'incollaggio può inoltre costituire un notevole disincentivo dal punto di vista finanziario, che talvolta può completamente annullare qualsiasi risparmio, a dispetto delle difficoltà.
Aspetto fisico |
Materiali adesivi e loro proprietà |
Liquidi con |
La maggior parte degli adesivi può esistere in questo stato, sia come dispersioni in un solvente sia come emulsioni in acqua e lattici. Sono facili da applicare ed offrono la possibilità del controllo della viscosità da parte dell’operatore. |
Pasta o mastice |
Questa forma è adatta per la produzione in serie, dove è necessario il riempimento di vuoti e un ritiro limitato. E’ possibile ottenerli con un’ampia gamma di diversa consistenza. |
Pellicole, nastri |
Sono disponibili montati o meno su di un supporto. Sono applicabili solamente su superfici lisce e sono caratterizzati da un’applicazione facile e rapida con ridotti sfridi e spessore uniforme dello strato adesivo. |
Polvere |
Devono essere mescolati con un liquido o attivati a caldo per raggiungere lo stato liquido. Alcuni tipi contengono un catalizzatore allo stato latente che è attivato durante la cottura. In generale gli adesivi in polvere sono economici e presentano una lunga durata di conservazione a magazzino. |
Granuli, barre, |
In molte applicazioni sono convenienti per la semplicità di applicazione e trattamento. Gli adesivi solidi sono usati per la preparazione di bacchette adesive a caldo e di materiali fusibili col calore. Presentano una lunga durata di conservazione a magazzino. |
Di recente sono state messe a punto pellicole adesive monocomponenti che hanno avuto un uso crescente nell'incollaggio strutturale. Sono reperibili sia sotto forma di materiali appiccicosi da applicare a pressione o come pellicole montate o meno su di un supporto, che sono attivate e sciolte durante l'incollaggio da un solvente o dal calore. Negli incollaggi strutturali, sono normalmente richiesti per il trattamento il calore o un’applicazione contemporanea di calore e pressione. Più generalmente, le pellicole adesive assicurano uno spessore uniforme nell'incollaggio, un'unione limitata a una zona specifica, un procedimento di incollaggio pulito e di facile applicazione. Cooper (1971) ha trattato i vantaggi di questi versatili materiali.
Necessità di trattamento
Gli adesivi si classificano in genere in tre gruppi principali in base al tipo di indurimento.
Tab. 2 - Classificazione degli adesivi in base all'agente di indurimento
Agente di indurimento |
Tipo di adesivo e condizioni di indurimento |
Note |
Calore
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I vari tipi induriscono a temperature che vanno da quella ambiente a 250 °C e sono disponibili in tutto le forme, ma più comunemente in quella liquida. Gli adesivi strutturati sono generalmente cotti a 75-120 °C. |
La resistenza all'adesione di tutti gliadesivi migliora generalmente con la cottura. |
Pressione
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Le pressioni di indurimento vanno dal semplice contatto a 2 MPa. Adesivi di questo tipo sono disponibili in tutte le forme, ma principalmente come polveri o liquidi. Gli adesivi strutturali richiedono generalmente pressioni di incollaggio comprese tra 0,1 ed 1,6 Mpa |
L'applicazione della pressione migliora l'incollaggio e permette di ottenere strati sottili di adesivo con alta resistenza nelle applicazioni strutturali. |
Tempo |
L'indurimento può richiedere da 30 minuti a 24 ore per gli adesivi strutturali. Il trattamento può richiedere da alcuni secondi ad una settimana. Sono disponibili in tutti gli stati fisici. |
Il tempo richiesto dipende dai valori della pressione e della temperatura e dalla resistenza che si richiede al giunto. |
Catalizzatore chimico |
E’ disponibile una vasta gamma di catalizzatori per gli adesivi elastomerici e termoindurenti. Generalmente tali adesivi consistono di due componenti - liquidi o paste - che devono essere miscelati prima dell'applicazione |
Fornitura di calore a temperature fino a 120 °C e/o applicazione di pressione possono essere necessarie per l'azione catalitica. |
Vulcanizzazione |
Si tratta di adesivi elastomerici che induriscono mediante aggiunta di un agente chimico quale zolfo o un catalizzatore. Adesivi liquidi a due componenti sono i più comuni. |
Alcuni tipi devono essere riscaldati fino a 170 °C per iniziare la vulcanizzazione del materiale premiscelato. |
Riattivazione |
Sono disponibili adesivi termoplastici ed elastomerici che richiedono un solvente o il riscaldamento per essere liquefatti. Questo processo è applicabile a pellicole o ad uno strato di adesivo liquido precedentemente applicato. |
Quando il substrato è impermeabile, la massima resistenza del giunto è ottenuta con l'attivazione per riscaldamento. |
Gli adesivi termoplastici sono fusibili, solubili, soggetti a rammollimento ad alta temperatura e a scorrimento viscoso sotto tensione. La scarsa resistenza allo scorrimento viscoso deve essere compensata progettando opportunamente il giunto in modo tale da prevedere ripiegature della sovrapposizione o rinforzi ausiliari. Così la natura di questi adesivi limita il loro uso a parti poco sollecitate in metallo, legni, plastiche e materiali porosi che non si suppone di usare in condizioni molto critiche. Essi differiscono dagli adesivi naturali perché consentono una maggior robustezza nell'incollaggio ed una resistenza quasi completa all'umidità e alla biodegradazione.
La più importante applicazione dei termoplastici è quella degli adesivi per fusione a caldo, che sono usati sempre di più per il montaggio rapido di materiali da imballaggio e pellicole di laminato plastico. L'assemblaggio di mobili e di calzature sono altri due importanti campi d’applicazione per questi adesivi. Adesivi per fusione a caldo sono reperibili sotto forma di nastri, pellicole, barre, sferule e blocchi e sono di solito applicati da apparecchiatura speciali che scaldano l'adesivo fino ad una temperatura sopra il suo punto di rammollimento. Polietilene, polimeri e copolimeri vinilici e poliammidi sono invariabilmente presenti negli adesivi per fusione a caldo perché forniscono un'elevata appiccicosità all'adesivo allo stato liquido. Si ottengono rapidamente robusti incollaggi ad un'ampia gamma di materiali, tra cui il polietilene; e l'incollaggio per fusione a caldo è particolarmente adatto ad applicazioni industriali di serie. Adesivi al poliacetato di vinile sono impiegati per incollaggi interni nel legno; i metodi di prova sono descritti nella BS 3544.
Adesivi al plastisol basati su policloruro di vinile plasticizzato trattato a caldo sono stati recentemente preparati per l'industria automobilistica per applicazioni non strutturali, quali ad esempio, l'incollaggio dei rinforzi del cofano motore. Sono normalmente cotti durante la cottura a forno della verniciatura, ed hanno il vantaggio di poter essere applicati a superfici metalli- che unte senza che debbano essere precedente- mente pulite. Altri importanti adesivi a base di re- sine termoplastiche recentemente sviluppati sono i cianoacrilati, e le resine acriliche poliestere. I cianoacrilati sono fluidi a bassa viscosità che solidificano rapidamente in pochi secondi o minuti sotto una leggera pressione sul punto di giunzione. Si ritiene che l'umidità della superficie catalizzi la polimerizzazione. Questo tipo di adesivo è adatto per piccoli lavori d’assemblaggio con metalli, vetro e plastiche termoindurenti. Tuttavia la capacità di colmare interstizi è scarsa e la resistenza ai fluidi è relativamente bassa. L'alto costo è un altro fattore che impedisce di prenderli in considerazione se non per l'incollaggio di zone piccole.
Le resine poliestere acriliche, come la Loctite, sono gli unici materiali che polimerizzano in assenza di aria, ad esempio tra due superfici unite. Il calore e l'uso di acceleranti abbrevia il tempo di indurimento e alcune formulazioni solidificano in due o tre minuti a 120 °C. Sono usate frequentemente per il bloccaggio di dadi, prigionieri e collegamenti filettati che altrimenti potrebbero allentarsi a causa delle vibrazioni. La giunzione di tubi, il bloccaggio di cuscinetti sugli alberi, e il montaggio di collari e boccole sono altre importanti applicazioni di questi materiali. L'uso di questi adesivi sigillanti riduce i costi ovviando alla necessità di lavorazioni con tolleranze ristrette per eseguire montaggi forzati. Un'eccellente resistenza all'acqua, al grasso e all'olio impediscono la ruggine e il bloccaggio di elementi metallici montati. Un riassunto delle proprietà degli adesivi termoplastici è riportato in tab. 4.
Le origini dei prodotti anaerobici commerciali, risalgono alla scoperta di Burnett e Nordlander (General Ectric Corp.) negli anni 40. Questi ricercatori osservarono che quando riscaldavano a 60-80°C per diverse ore monomeri di diacrilato a base di dietilenglicole e dimetacrilato o sostanze omologhe, con una corrente d’aria, ossigeno od ozono, diventavano materiali in grado di polimerizzare spontaneamente a temperatura ambiente sino a formare polimeri reticolati con proprietà adesive.
Negli anni ‘50 il Prof. Vernon Krieble, affrontò il problema di ottenere un prodotto anaerobico eliminando al fase di ossigenazione dei monomeri.. Egli notò che quando l’adesivo anaerobico entrava in contatto con un metallo in un ambiente senza ossigeno. L’ossigeno restante si consumava velocemente dando origine alla polimerizzazione della resina, in un tempo ragionevole coerente all’utilizzo industriale. Queste resine dunque polimerizzano per la mancanza di ossigeno e la presenza di un metallo attivo.
Le informazioni che seguono sono per lo più incentrate su prodotti anaerobici per i quali parecchi anni fa è stato coniato il termine di “Adesivi Strutturali”. Questi prodotti hanno svariate applicazioni quali: l’assemblaggio di parti cilindriche adatte per la trasmissione di coppia, cuscinetti a sfere, fissaggio di boccole e bronzine, accoppiamenti filettati, tenuta di parti flangiate. Questi prodotti all’origine non possedevano elevate resistenze alla trazione, agli urti, ed alla pelatura tipiche degli adesivi strutturali. Per ottenere queste proprietà fu necessario studiare e sintetizzare nuovi monomeri. I primi (denominati ‘metacrilati uretanici) erano basati su molecole contenenti segmenti ‘rigidi’ e ‘flessibili’. I metacrilati conservavano le caratteristiche della polimerizzazione anaerobica e, quando questi erano combinati con monomeri diluenti, davano origine ad una nuova classe di adesivi strutturali con ottime caratteristiche.
Le proprietà di questi adesivi, una volta induriti, offrono attualmente ottime caratteristiche : alla trazione, agli urti, alla temperatura, ai solventi, a diversificate situazioni ambientali. In molte situazioni esprimono caratteristiche pari o superiori a quelle degli epossidici. Il fatto poi di poter polimerizzare a temperatura ambiente e non al calore , come nel caso di molte resine epossidiche, hanno creato le premesse per una loro grande diffusione nell’industria.
Questi prodotti sono ideali per il montaggio di parti in metallo perché queste sono ricche di ioni che favoriscono la proliferazione di radicali liberi quando reagiscono con i perossidi presenti nella formulazione; tuttavia non tutti i materiali sono uguali fra loro e pertanto si avranno reazioni diverse in funzione dei differenti substrati:
La definizione ‘materiali passivi’, non significa che l’adesivo non polimerizza ma piuttosto che questa è molto più lenta ed inoltre le prestazioni, in termini di resistenza sono inferiori.
Gli adesivi anaerobici possono polimerizzare a caldo. Una fonte di calore riduce grandemente i tempi d’indurimento di queste resine a temperatura ambiente.
Vantaggi degli adesivi anaerobici
Alcuni svantaggi
I cianoacrilici o cianoacrilati (nome chimico degli adesivi definiti ‘istantanei’) furono introdotti come adesivi commerciali nel 1953, essendo inizialmente impiegati come adesivi speciali per particolarissime applicazioni di nicchia. Le loro eccezionali caratteristiche adesive e facilità d’uso li hanno resi molto noti e diffusi per impieghi su un’ampia varietà di materiali.
I cianoacrilici polimerizzano nell’arco di pochissimi secondi massimo qualche minuto. L’adesione di substrati come la gomma e le plastiche richiedono pochi istanti, mentre per i materiali metallici tempi più lunghi: per la sola manipolazione qualche minuto mentre la polimerizzazione totale nell’arco d’alcune ore. Sono adesivi monocomponenti che induriscono rapidamente quando sono racchiusi in forma di pellicola sottile tra due aderendi. Queste resine sono degli esteri alchilici a base d’acido cianoacrilico. Nel tempo sono stati sintetizzati numerosi cianoacrilici quali il cianoacrilato di propile, butile, ed isobutile, anche se le resine a base etilica e metilica hanno trovato un maggior impiego ed utilizzo nell’industria e nella grande distribuzione.
I cianoacrilici a base etilica e metilica, si possono trovare in un’ampia varietà di formulazioni che si distinguono principalmente per le loro caratteristiche reologiche. I prodotti cianoacrilici in genere sono formulati senza addensanti, quindi sono liquidi con viscosità compresa tra 1 e 3 MPas/s (prossima alla viscosità dell’acqua). Quando sono aggiunti addensanti, la viscosità può raggiungere i 2000 Mpas/s o valori superiori come nel caso dei prodotti ‘gel’ o tissotropici. Questi adesivi sono facili da usare perché non tendono a migrare o a gocciolare sul punto d’applicazione, Tuttavia, gli adesivi liquidi, senza nessun tipo di carica, si dosano meglio e più rapidamente. Permettono di ottenere, una volta polimerizzati, film di prodotto indurito molto sottili rispetto a quelli più viscosi a tutto vantaggio delle prestazioni e di una miglior industrializzazione.
Allo stato fluido, i cianoacrilici sono composti da monomeri reattivi, stabilizzati in una sostanza acida debole. La polimerizzazione del monomero avviene in maniera anionica al comparire dei nuclei innescanti di base. Questo avviene in presenza di composti di base deboli quali le ammine, alcol o acqua. Ad una concentrazione sufficientemente levata, tali sostanze creano i nuclei ai quali si aggiungono le unità di monomeri, creando così catene polimeriche che tramutano in solido il liquido . Quasi tutti i substrati assorbono l’umidità sulle loro superfici. Questa umidità fornisce ioni idrossilici che innescano la polimerizzazione anionica. Quando si comprime o si distribuisce tra due superfici una goccia d’adesivo cianoacrilico, la sottile pellicola risultante entra in intimo contatto con le tracce d’umidità adsorbite dai substrati, dando origine ad una rapida polimerizzazione.
La velocità d’indurimento aumenta con il diminuire dello spessore del film d’adesivo. Una goccia d’adesivo posta su una superficie non acida , rimarrà liquida a lungo, al contrario quando è distribuita o premuta tra due materiali l’indurimento sarà molto veloce. Questa caratteristica comporta che la quantità d’adesivo sarà molto modesta. Una diretta conseguenza del meccanismo di polimerizzazione dei cianoacrilici è la loro dipendenza dall’umidità relativa dell’aria, pertanto in tempi di manipolazione e di polimerizzazione totali diminuiranno all’aumentare dell’umidità mentre si saranno più lunghi in presenza di un ambienti particolarmente secchi.
I cianoacrilici non polimerizzano velocemente in presenza di ‘gap’ molto grandi sempre che sia usato un attivatore alla superficie del giunto o all’adesivo stesso. Le formule viscose sono efficaci soltanto nei giochi fino a circa 0,1 mm senza attivatore. L’attivatore, quando usato, è applicato ad uno o ad entrambe le superfici, mentre l’adesivo è applicato soltanto ad una delle stesse.
Quando le superfici del giunto sono di natura acida : legno sughero carta, è necessario utilizzare un attivatore superficiale od una adesivo formulato specificatamente insensibile alla natura della superficie per ottenere tempi di manipolazioni più brevi.
Gli attivatori, in ogni caso non sono molto richiesti per la maggior parte dei substrati, poiché gli adesivi offrono velocità di polimerizzazione sufficientemente elevate per la maggior parte delle applicazioni. Gli attivatori non producono giunti più resistenti , ma semplicemente riducono i tempi di manipolazione.
Vantaggi dei cianoacrilici
Svantaggi dei cianoacrilici
Adesivi acrilici
Gli adesivi acrilici strutturali modificati sono prodotti di recente formulazione e versatilità in campo industriale. Verso la fine degli anni 60 ed inizio anni 70, gli esperti d’adesione hanno cominciato ad esplorare su questi prodotti. Ricordiamo che i migliori adesivi sviluppati sino ad allora, erano gli epossidici, anche se questi prodotti avevano non poche limitazioni in termini di pulizia superficiale, necessità di calore per particolari formulazioni con alte prestazioni e così via… Gli acrilici offrivano, per la prima volta, una soluzione alternativa. La ricerca continua ha permesso di formulare altri prodotti che per le loro attuali caratteristiche sono persino competitivi rispetto ai metodi meccanici di fissaggio. Una caratteristica distintiva degli adesivi acrilici è che, a differenza d’altri prodotti, non richiedono che la resina sia intimamente mescolata all’attivatore. Resina ed attivatore sono separati e solo quando entrano in contatto fra loro, per esempio per sovrapposizione, generano dei “centri attivi” dando luogo alla propagazione dei polimeri. La maggior parte degli adesivi acrilici strutturali presenta tempi di polimerizzazione tra i 2 minuti e 1 ora a temperatura ambiente. A differenza degli e epossidici o uretanici, non è consigliato l’uso di calore per accelerarne il processo. Le velocità di polimerizzazione possono aumentare in determinate condizioni di calore in ogni caso con temperature modeste e comprese tra i 55 ed i 66 °C.
In nessun caso, la temperatura potrà superare i 72°C durante la fase iniziale . A differenza degli epossidici, non è richiesto un secondo stadio di polimerizzazione. Dopo che l’adesivo è stato innescato, nel tempo , questo polimerizza completamente . L’acrilico è disponibile in tre sistemi di dosatura:
In assenza di una specifica normativa italiana sugli adesivi si sono conservati i riferimenti all'unificazione inglese presenti nel testo. In appendice sono citate alcune norme DIN e ASTM. Per la terminologia si è seguita, dove possibile, la tabella UNI 5806/66 (N.d.T.).
Da una serie di prove (resistenza a fatica, agli agenti atmosferici, propagazione della frattura, effetto della tolleranza di adesione, costruzione del giunto ecc.) condotte sugli adesivi acrilici, è risultato che queste hanno migliori ‘performances’ rispetto ai prodotti strutturali più noti ed inoltre presentano tempi di manipolazione molto brevi.
Vantaggi degli acrilici
Svantaggi degli acrilici
Usi degli acrilici
Adesivi che polimerizzano per effetto della luce UV
La polimerizzazione indotta dalla luce era utilizzata oltre 4000 anni fa in Egitto per la mummificazione delle salme dei faraoni. E’ risaputo che gli antichi egizi immergevano strisce di lino nel bitume (che contiene componenti insaturi)prima di esporre i corpi così bendati alla diretta e forte luce del sole africano affinché potessero asciugarsi dapprima ed indurire poi. Questa tecnologia era anche utilizzata per calafatare le imbarcazioni con prodotti simili ricavati dal bitume ed asfalto affioranti nel deserto che induriscono anche in questo caso alla luce diretta del sole.
Verso la fine del 19° secolo, Niepce ebbe l’idea di utilizzare il principio attivo presente nell’olio in questo tipo di asfalto sensibile alla luce, per ottenere un’emulsione in grado di ricavare la prima fotografia permanente della storia. Gli studiosi interessati ai sistemi di polimerizzazione con la luce UV, condussero altre ricerche negli anni ’40 quando fu concesso il primo brevetto per inchiostri da stampa a base di poliestere stirenico che polimerizzava facilmente quando era esposto alle radiazioni di luce UV. Queste resine a basso costo, si sono anche rivelate idonee a rivestire il legno con lamine di materie plastiche polimerizzanti per effetto della luce UV trovando un grande utilizzo nell’industria del legno negli anni ’60. Questa industria continua ad essere uno dei consumatori più importanti di questo tipo di resine.
Negli ultimi 20 anni, è stato sviluppato un numero crescente di resine che polimerizzano per effetto della luce ultravioletta, soprattutto i multiacrilati molto reattivi che furono introdotti quando i vantaggi offerti da questa nuova tecnologia erano ormai evidenti. A parte i tempi di polimerizzazione ridotti, unitamente a consumi energetici inferiori rispetto ai trattamenti superficiali convenzionali, il motivo principale del loro successo commerciale è stato il basso costo. Attualmente è disponibile un’ampia gamma di monomeri e oligomeri che consente di produrre polimeri reticolati ben definiti per qualsiasi uso. Un adesivo che polimerizza con luce UV contiene una sostanza chimica denominata fotoiniziatore che se esposta alla luce ultravioletta, reagisce creano radicali liberi che permettono l’indurimento del prodotto. Una limitazione di questa tecnologia è che almeno una delle parti da incollare sia trasparente. Questa è la condizione ideale nel caso dell’incollaggio di parti in vetro o cristallo, invece si hanno problemi se il giunto, rispetto alla sorgente luminosa è in zona d’ombra, oppure quando i materiali sono opachi ed infine quando si è in presenza di materiali, anche trasparenti, ma che hanno un effetto barriera ossia non lasciano passare la luce UV. E’ inoltre possibile polimerizzare tracce di adesivo in eccesso. Incapsulare contatti elettrici, ricoprire fregi ecc…insomma tutta quella produzione che in inglese è definita con il termine di ‘coating’.
La velocità di polimerizzazione dipende da diversi fattori:
In risposta ad esigenze industriali sono stati sviluppati negli ultimi anni prodotti con un ottimo grado di trasparenza una bassa contaminazione ionica, una migliore resistenza ai cicli termici, una resistenza in temperature compresa tra 55°C e 175°C e con diversi gradi di viscosità per soddisfare svariate esigenze . I tempi di polimerizzazione si sono ridotti ulteriormente ed infine sfruttando il meccanismo di polimerizzazione secondario, presente nelle ultime formulazioni è possibile far indurire il prodotto anche se questo rimane coinvolto in zone d’ombra. Questi adesivi di nuova generazione sono impiegati principalmente per incollare i ‘chip’ nell’industria elettronica ed in molte altre applicazioni industriali non necessariamente legate all’industria del vetro.
Anche alcuni tipi di siliconi sono stati formulati in versione UV questi polimerizzano in tempi molto breve rispetto allo standard . I siliconi UV polimerizzano per formare gomme molto resistenti; sono utilizzati per realizzare tenute e guarnizioni in campo motoristico e su linnee di montaggio con cadenza molto elevata.
Questi prodotti, una volta induriti, resistono molto bene agli agenti atmosferici, all’ozono e conservano le loro proprietà anche quando lavorano in condizioni difficili.
Le formule più recenti che adesivi UV utilizzano fotoiniziatori che innescano la polimerizzazione se esposti a lunghezze d’onda vicine alla gamma della luce visibile Queste formule sono utilizzate per unire substrati in plastica, non sempre facili da incollare poiché nella maggioranza dei casi questi materiali fanno da barriera a qualsiasi tipo di frequenza. Le formulazioni più recenti superano tali limitazioni e consentono di assemblare moltissime plastiche trasparenti sulle normali linee di produzione.
Vantaggi degli adesivi UV
Svantaggi degli adesivi UV
Le resine termoindurenti solidificano per polimerizzazione grazie all’azione del calore o di reazioni chimiche e, a differenza dei materiali termoplastici, non possono essere nuovamente fuse e solidificate mediante cicli termici. Alcune resine termoindurenti solidificano a temperatura ambiente, sebbene il calore sia usato frequentemente per accelerare il processo e migliorare le proprietà adesive. La maggior parte dei materiali di questo gruppo non si decompone al di sotto dei 200 °C, sebbene alcuni siano usabili solo fino a 60 °C. Materiali chimicamente diversi richiedono un diverso ciclo di trattamento, in alcuni casi sistemi a due componenti (resina e catalizzatori) solidificano per reazione chimica dopo il mescolamento, mentre altri materiali monocomponenti richiedono riscaldamento per iniziare la reazione dovuta ad un catalizzatore già presente nella mescola. Gli adesivi termoindurenti producono incollaggi più robusti di quelli prodotti da adesivi appartenenti ad altri gruppi chimici e sono pertanto più adatti per certi componenti strutturali. Le proprietà di scorrimento viscoso sono buone, ma la resistenza alla pelatura è solo discreta; inoltre gli incollaggi sono fragili ed hanno bassa resilienza agli urti.
Nel campo dei polimeri usati per gli adesivi termoindurenti sono predominanti le resine amminiche, fenoliche ed epossidiche. Inoltre le resine poliestere formano la base per i sistemi monocomponenti a freddo. Per quanto riguarda gli altri adesivi, l'uso di additivi - come riempitivi e flessibilizzanti - per controllare la consistenza dell'adesivo o migliorare alcune proprietà dell'incollaggio finale, ad esempio la resilienza o la conducibilità termica, è generale. L'uso di adesivi fenolici e aminoplastici per il legno compensato è descritto nella BS 1203 e per il legno nella BS 1204.
Le resine fenoliche sono usate soprattutto per incollare il legno, ma presentano una buona adesione anche ai metalli e al vetro. Esse sono generalmente modificate con l'aggiunta di un elastomero per ridurne la fragilità nelle linee di incollaggio, e un uso importante di queste composizioni a base di resina e gomma è l'incollaggio dei metalli. Calore e pressione sono necessari per trattare i sistemi fenolici che producono incollaggi con resistenza buona allo scorrimento viscoso, ma moderata alla pelatura, fino a 100 °C. Gli adesivi epossidici, per esempio l'araldite, sono ampiamente usati per incollare un'ampia gamma di materiali e sono particolarmente importanti per l'incollaggio strutturale dei metalli. Questi materiali presentano dei vantaggi rispetto ad altri materiali termoindurenti, grazie alla loro alta capacità adesiva a molti substrati e all'alta robustezza coesiva del materiale trattato. Basse pressioni di incollaggio sono sufficienti, dato che non sono presenti sottoprodotti generati durante la polimerizzazione.
La contrazione che avviene durante la polimerizzazione è limitata, cosa che rende queste resine adatte a riempire interstizi con spessori dell'incollaggio compresi tra 0,02 mm e 0,3 mm. Le resine epossidiche hanno un'eccellente resistenza agli oli, all'acqua e a vari solventi ed al biodeterioramento. La maggior parte delle formulazioni sono sistemi a due componenti, che induriscono per reazione chimica e che sono mescolati prima dell'uso e trattati a temperatura ambiente o riscaldati. Il trattamento a caldo serve ad abbreviare i tempi a meno di un'ora e migliora le proprietà adesive. Sono reperibili speciali applicatori per ovviare all'inconveniente della rapida solidificazione dopo il mescolamento dei sistemi che polimerizzano a freddo. In alternativa, ci sono sistemi monocomponenti sotto forma di pellicole, paste e polveri, che richiedono temperature di cottura superiori a 100 °C. Fragilità unita a scarsa flessibilità e resistenza all'urto sono caratteristiche delle resine epossidiche non modificate e queste caratteristiche vengono miglio- rate addizionando appropriati additivi. Così elastomeri, come i termoplastici polisolfurici e poliammidici, sono aggiunti comunemente per migliorare la resilienza e la resistenza alla pelatura. Cariche come silice, allumina e polveri metalliche sono incorporate spesso nelle resine epossidiche per controllare la loro viscosità e migliorare la loro robustezza di coesione e la loro conduttività termica o elettrica.
Le resine amminiche usate soprattutto come adesivi contengono formaldeide ureica e melaminica, e le loro miscele. Sono largamente usate per incollare laminati plastici, legno compensato e nell'incollaggio di mobili. I tipi ureici sono reperibili sotto forma di liquidi o di polveri che polimerizzano con l'aggiunta di acqua. I tipi melaminici sono più costosi, ma hanno miglior resistenza al calore e all'acqua. Gli adesivi alla formaldeide liberano acqua durante il trattamento, cosicché un'elevata pressione di incollaggio è necessaria per superare gli effetti di questo sottoprodotto di reazione. Le proprietà di questi adesivi termoindurenti che hanno maggior interesse per i progettisti sono presentate in tab. 6.
Epossidici
Le resine epossidiche furono ottenute per sintesi la prima volta in Germania da Schlack (1934) , in Gran Bretagna da Moss (1937) e in Svizzera nel 1938 da Castan, ma si diffusero soltanto verso la fine della seconda guerra mondiale. La materia prima più largamente impiegata era il bisfenolo-A . che reagisce con l’epicloridrina per generare un liquido di modesto peso molecolare composto da molecole lineari terminanti con gruppi epossidici. La capacità adesiva delle resine è dovuta ai gruppi idrossilici, poiché i gruppi epossidici scompaiono durante la polimerizzazione
Il sistema di polimerizzazione più diffuso utilizza un’ammina bi-o trifunzionale per ottenere la reticolatura delle catene. Le proprietà e le velocità di polimerizzazione, dipendono dall’agente polimerizzante impiegato. Alcuni agenti quali i diciannamidi sono utilizzati per substrati metallici. Gli epossidici a due componenti che polimerizzano a temperatura ambiente e che si trovano sul mercato al dettaglio, utilizzano versammidi come agenti di polimerizzazione. Questi agenti hanno meno odori delle ammine, poiché si basano su oli secchi che vengono dimerizzati e combinati con di-o triammine. Questi prodotti commerciali richiedono inoltre catalizzatori per ottenere la reticolatura dell’adesivo. Gli epossidici che polimerizzano a temperatura ambiente sono tanto efficaci quanto quelli che polimerizzano ad alte temperature, ma generalmente sono adatti ad un’ampia gamma di applicazioni.. Nel passato la maggior parte degli epossidici era formulata come adesivi bicomponenti che richiedevano la mescolatura dei due prodotti immediatamente prima dell’uso, in quanto avevano una ‘pot life’ limitata.
Ora esistono diversi adesivi epossidici monocomponenti con un agente indurente allo stato latente che è liberato soltanto a seguito di un’esposizione ad alta temperatura. Questi adesivi furono commercializzati per la prima volta nel 1975. Gli stessi non danno luogo a nessuna reazione al di sotto della Tg della mescola (inferiore a 0°C) . Con l’aumentare della temperatura , la resina inizia a policondensare.
Gli epossidici utilizzati in applicazioni strutturali devono essere polimerizzati ad alata temperatura o a temperatura ambiente con post-polimerizzazione riscaldata. Il vantaggio della post-polimerizzazione come operazione distinta – anche nel caso di giunti già polimerizzati con un po’ di calore – è che può essere effettuata senza la necessità di attrezzature o presse idrauliche riscaldate.
Il sessanta per cento della resistenza totale del giunto si ottiene nella fase iniziale di indurimento; sarà quindi sufficiente tenere posizionati i substrati per procedere alla seconda fase (polimerizzazione a caldo) nella quale i gruppi epossidici restanti della resina terminano la reazione. Gli epossi-fenoli furono sviluppati presso il FPL (Forest Products Laboratory) su richiesta dell’Air Force statunitense nei primi anni 50. Dapprima furono utilizzati come adesivi resistenti alle alte temperature quindi ebbero un impiego nell’incollaggio di strutture aeronautiche. Vi sono formule che resistono a temperature elevate continue (180-250°C). Molto recentemente è stato riscontrato un grande interesse verso gli epossidici tenaci. La formula per questi materiali comprende una gomma (generalmente nitrile) in grado di precipitare in modo microdisperso quando la resina s’indurisce. L’aggiunta di questa fare della gomma migliora le caratteristiche di resistenza alla pelatura dell’adesivo polimerizzato, in particolare alle basse temperature dove altri epossidici base di nylon perdono tutta la loro flessibilità. Gli epossidici tenaci a due componenti furono introdotti sul mercato per la prima volta nel 1973.
I primi epossidici tenaci furono impiegati nelle costruzioni aeronautiche con qualche problema però nella costruzione delle ali ed impennaggi. Il problema era principalmente dovuto ad una combinazione della corrosione dell’alluminio con l’umidità sull’interfaccia adesiva. Tuttavia questi difetti non furono mai osservati negli adesivi epossi-fenolici che induriscono alle alte temperature o nel fenol-nitrile. Ricerche successive hanno portato ad una modifica nel processo di anodizzazione dell’alluminio e ad una diminuzione nella permeabilità dell’umidità negli adesivi .
Nonostante le alte temperature delle ultimissime formule per gli epossidici tenaci l’uso dell’adesivo in queste applicazioni è sta6to attualmente limitati alle strutture secondarie o come rinforzo di altre strutture assemblate meccanicamente. Talvolta è aggiunta della polvere di alluminio come agente rinforzante, anche se la sua efficacia è dubbia; il riempitivo di alluminio migliora la conduttività termica dell’adesivo , consentendo di ridurre la fase di polimerizzazione ad alta temperatura. Per raggiungere flessibilità del film adesivo indurito, in genere si ricorre ai polisolfuri.
Vantaggi degli epossidici
Svantaggi degli epossidici
Usi degli epossidici
Gli adesivi fenolici furono scoperti nei primo anni del 20° secolo da Leo Baekeland come il risultato di una semplice reazione chimica tra il fenolo e la formaldeide. I prodotti della reazione erano una serie di oligomeri con un peso molecolare relativamente basso. Applicando calore ed occasionalmente un catalizzatore o un indurente , le catene di oligomeri sono reticolate per produrre un composto fenolico termoindurente. Nel 1910 si costituì la General Bakelite Company che produceva bachelit un materiale sviluppato da questi composti fenolici iniziali.
Questo materiale presentava un’ottima stabilità dimensionale e straordinarie proprietà elettriche. Inoltre , grazie alla sua elevata resistenza alla temperatura, agli acidi, agli oli ed all’umidità , si diffuse rapidamente in tutte le industrie. Tuttavia fu soltanto nei primi anni ’60 che iniziò a diffondersi capillarmente l’uso di resine fenoliche come adesivi, in sostituzione di altri adesivi nell’industria del legno. Al momento, questo adesivi sono largamente impiegati in molti campi connessi all’industria automobilistica, compresi getti, componenti ad attrito abrasivi, adesione di fibre, cementi a contatto e sigillanti. Esistono due tipi di resine fenoliche: I resoli e le novolacche. Differiscono essenzialmente per il rapporto fenolo-formaldeide usato, per il tipo di catalizzatore e per la struttura della resina risultante. Queste resine possono essere usate come agenti di incollaggio o come ingredienti in altre formule (modificatori fenolici). Presentano buone proprietà di incollaggio sui substrati polari, resistono alle alte temperature ed alla combustione ed hanno un’elevata resistenza meccanica. Quando s’incollano parti che possono essere esposte alle fiamme, sono utilizzate come resine per unire fibre di vetro, minerali, poliestere ecc.
Sono impiegate per componenti ad attrito, quindi negli impianti dei freni e nei componenti della trasmissione. Sono altresì utilizzate in polvere e mescolate con altri grani abrasivi ; per incollare parti di stampi . L’industria automobilistica si serve di queste resine per la costruzione dei filtri dell’aria e dell’olio, dei separatori di batteria e come modificatori di rivestimenti, sigillanti ed adesivi. Per aumentare l’adesione si utilizzano additivi per fenoli che modificano la viscolelasticità di questi prodotti migliorandone le caratteristiche di bagnabilità. I prodotti fenolici sono meglio noti e più largamente usati per i cementi a contatto. Oltre a migliorare la bagnabilità della superficie, aumentano la resistenza finale dei giunti, migliorando la loro resistenza agli oli ed ai grassi.
Gli adesivi elastomerici si basano su gomme naturali e sintetiche e sono disponibili sotto forma di soluzioni, emulsioni o dispersioni acquose e sono usati anche come agenti modificanti negli adesivi a due componenti. In generale, gli elastomeri hanno una resistenza meccanica molto bassa, ma un'alta flessibilità e sono usati per incollare materiali come carta, tessuti e gomma, che nell'uso non sono sottoposti a forti tensioni. Come i termoplastici, si rammolliscono con il calore, ma non fondono completamente. L'appiccicosità, la durata, la resistenza meccanica ai fluidi delle gomme sono così variabili che le loro caratteristiche non sono facilmente riassumibili. Gli adesivi a base di gomma naturale offro- no eccellenti proprietà adesive, le superfici ricoperte possono essere non appiccicose al tatto, ma rendere possibile l'incollaggio per contatto. Gli adesivi nitrilici sono i più versatili tra quelli sintetici soprattutto per quanto riguarda la resistenza ai solventi e agli oli, e gli effetti della migrazione del plastificante da alcune plastiche. Essi hanno una bassa adesività a secco, il che costituisce un vantaggio negli assemblaggi prerivestimenti, che possono essere riattivati a caldo o con un solvente prima dell'incollaggio.
Gli adesivi stirenici e butadienici hanno proprietà di invecchiamento migliori delle gomme naturali, sebbene la resistenza dell'incollaggio sia simile. I lattici sono usati spesso per incollare materiali fibrosi poiché il loro alto contenuto di solidi consente di applicare strati di notevole spessore. Gli adesivi neoprenici sono superiori agli altri adesivi a base di gomma per la rapidità dell'incollaggio, la robustezza e la resistenza all'alta temperatura. Questi materiali sono largamente usati in campo automobilistico e calzaturiero per incollare plastica, cuoio e metalli, là dove le gomme naturali non sarebbero adatte. In generale, non sono adatti ad essere riattivati dal calore o dai solventi.
Mentre gli adesivi nitrilici e neoprenici sono i più importanti adesivi sintetici, altri elastomeri sono usati nella formulazione di alcuni adesivi per ottenere particolari caratteristiche. Così, il polisolubilene e le gomme al silicone mantengono una buona appiccicosità e sono stati usati per la fabbricazione di nastri adesivi a pressione.
Le gomme al silicone sono al confronto materiali a bassa robustezza di coesione, ma hanno una buona resistenza fino a temperature di 250 °C ed eccellenti proprietà dielettriche. La tab.5 riassume le proprietà dei vari adesivi elastomerici di uso comune. Qui di seguito tratteremo solo i più importanti.
Siliconi
Durante gli anni ’50 furono sviluppate gomme al silicone che vulcanizzavano a temperatura ambiente (RTV) e furono commercializzati i primi prodotti. Dapprima, erano sistemi a due e più componenti, mentre soltanto successivamente furono formulati prodotti monocomponenti.
I siliconi RTV –1 (adesivi monocomponenti) sono composti liquidi o con una consistenza di pasta morbida e reagiscono con l’umidità (prodotto igroindurente) per creare un elastomero siliconico .
I siliconi RTV-2 (adesivi a due componenti) sono composti liquidi o a pasta morbida che polimerizzano una volta che è stato mescolato un secondo componente, per dare origine ad un elastomero. Talvolta , si utilizza una vulcanizzazione molto accelerata ad alte temperature.
Le formule di prodotti siliconici RTV-1 e RTV-2. Comprendono essenzialmente polimeri siliconici, reticolanti e riempitivi oltre a additivi speciali. Le caratteristiche del processo e di vulcanizzazione sono determinate dalla combinazione tra reticolanti/polimeri siliconici e catalizzatori reticolanti; le proprietà meccaniche dipendono dalla mescolatura di riempitivi e polimeri siliconici.
I siliconi RTV-1 reagiscono con l’umidità atmosferica e polimerizzano dall’esterno verso l’interno. Mentre avviene la polimerizzazione dei silossani, la gomma diventa sempre più impermeabile a questa umidità, ostacolando quindi la polimerizzazione degli strati interni. Per tale motivo, esiste una limitazione per quanto riguarda l’altezza e la larghezza del cordolo di prodotti. Quando si considerano i tempi di polimerizzazione, è necessario tenere conto del tempo di formazione della prima ‘pelle’. I siliconi RTV-2 polimerizzano per l’intero spessore quando l’agente di polimerizzazione entra a contatto con l’intera massa del silossano. Di conseguenza presentano generalmente tempi più brevi di polimerizzazione rispetto ai siliconi RTV –1. La polimerizzazione dei siliconi genera sottoprodotti per reazione che normalmente sono volatili. Normalmente , i siliconi sono classificati in base al sottoprodotto generato durante il processo di polimerizzazione:
Vi sono poi altri siliconi di nicchia che polimerizzano per effetto della luce UV utilizzando dei fotoiniziatori presenti nella formulazione.
Vantaggi dei siliconi
Svantaggi
Si utilizzano in genere , in un’ampia varietà di applicazioni come adesivi e sigillanti industriali nonché in edilizia.
I poliuretani sono polimeri basati sulle proprietà chimiche dell’isocianato. Spesso, il termine “ poliuretano” è improprio poiché soltanto una piccola parte dei giunti rappresenta veri e propri gruppi uretanici. Derivano dalla reazione dell’isocianato con l’acqua oppure con un poliolo o un’ammina , nel caso dei poliuretani a due componenti.
Gli isocianati utilizzati appartengono a due gruppi principali: aromatici (es. MDI) ed alifatici (es.TDI) molto meno usati. All’interno del gruppo degli aromatici, normalmente si impiega l’MDI per i poliuretani con moduli elevati. Il TDI è efficace soprattutto per le formule che prevedono bassi moduli di resistenza. Gli isocianati alifatici sono generalmente più stabili alle radiazioni UV.
I poliuretani monocomponenti reagiscono in presenza di umidità atmosferica (igroindurenti) e generano una gomma elastomerica. La reazione di polimerizzazione avviene dall’esterno verso l’interno, il che nuovamente limita l’altezza e la larghezza del cordolo di prodotto sui pezzi, allungandone i tempi di polimerizzazione. I poliuretani a due componenti polimerizzano perché gli isocianati reagiscono con i polioli o le ammine corrispondenti ed induriscono per tutta la sezione del giunto. Si migliora così la capacità di riempimento dei giochi, rendendo inoltre possibili velocità di polimerizzazione più elevate.
I poliuretani strutturali, ad alto modulo, bagnano le superfici in maniera insoddisfacente. Per questo motivo richiedono l’applicazione preliminare di primer a base di poliuretani e silani insieme diluiti che fungono da interfaccia tra l’adesivo ed il substrato. L’uso del primer, inoltre, allunga notevolmente la durata del giunto nel tempo. I primer per poliuretani svolgono diverse funzioni che dipendono dal materiale da incollare. Le loro principali funzioni sono le seguenti:
Vantaggi dei poliuretani
Alcuni svantaggi
Principali campi d’applicazione
Altri adesivi con differenti reazioni di polimerizzazione
Poliesteri insaturi
I poliesteri insaturi (UP) polimerizzano a temperatura ambiente grazie all’aggiunta di un secondo componente o di un catalizzatore contenente acceleratori (ammine terziarie, sali di cobalto, ecc.) I perossidi nella pasta di base e l’acceleratore nel catalizzatore creano radicali liberi che sono responsabili dell’innesco della reazione di polimerizzazione che interessa catene di poliesteri e il monomero di stirene. Questi adesivi si utilizzano come basi per vernici, come primer per la preparazione del legno all’incollaggio e come adesivi di riempimento (quando sono mescolati con materiali di rinforzo, es. fibra di vetro, microcapsule piene d’aria).
Come materiali di riempimento, generalmente si utilizzano per la riparazione della carrozzeria di autovetture, di radiatori, serbatoi carburante e per riempire giochi e cavità. Si impiegano anche nella formazione di adesivi termofusibili nell’industria delle calzature e dell’abbigliamento. Dal punto di vista della tecnologia di incollaggio, l’uso più interessante è incollaggio di substrati di policarbonato, sotto forma di adesivo a base solvente. I poliestere insaturi (UP) si impiegano come materiali di riempimento grazie alla loro :
Sono sigillanti elastici a due componenti in cui la resina principale tende ad essere un polisolfuro liquido e in cui si utilizza un agente ossidante come secondo componente per reticolare e polimerizzare la resina. Tuttavia , a causa dell’attuale tendenza ad evitare composti a base di piombo, al momento è più diffuso il diossido di manganese. Questo composto richiede un acceleratore al posto di un ritardante. Normalmente alla resina polisofurica si aggiunge un intensificatore incollaggio come la resina novalacca. In generale , è difficile mescolare i sistemi a due componenti. Esistono formule monocomponente che polimerizzano grazie all’effetto dell’umidità ambientale, anche se l’odore della formula ne sconsiglia l’uso. Le principali applicazioni si riscontrano in edilizia e nella sigillatura dei doppi vetri .
Resine ureiche
Le resine ureiche (U/F) sono largamente usate nella fabbricazione di cartone grigio e per la colla dei francobolli. Le resine U/F hanno anche sostituito la colla tradizionale del falegname. Probabilmente, la maggior parte del volume di queste resine è utilizzata per la produzione di chip e schede a circuito stampato. L’urea reagisce con la formaldeide mediante reazione per condensazione in presenza di un acido o di una base. Attraverso reazioni in serie in una soluzione acquosa, i liquido iniziale si addensa gradatamente. Il rapporto tra urea e formaldeide determina le caratteristiche della polimerizzazione del giunto. Se il rapporto tra urea e formaldeide aumenta di oltre 2:1, la resistenza dell’acqua diminuisce, anche se il prodotto diventa molto più conveniente economicamente.
Questa può rivelarsi una caratteristica interessante , quando si fabbricano articoli monouso di carta. Benché generalmente utilizzata come ‘sciroppo’ al quale si aggiunge il catalizzatore, la mescola indurita può essere riutilizzata aggiungendo nuovamente dell’acqua. I catalizzatori utilizzati con queste caratteristiche “resinificanti” si definiscono normalmente ‘ indurenti. A causa della loro fragilità , le resine U/F non hanno la capacità di riempire grandi giochi. Richiedono l’aggiunta di un plastificante per migliora la loro capacità di colmare giochi , ma poi devono essere polimerizziate ad alta temperatura a discapito della loro resistenza all’umidità. Per ovviare questo inconveniente a volte, si utilizza la melammina.
Negli ultimi 30 anni sono state compiute ricerche nella produzione di adesivi in grado di sopportare temperature levate. Questi materiali comprendono una serie di polimeri lineari, eterociclici ed aromatici quali i poliimmidi (PI), i polibenimidazoli (PBI) e i polibenzotiazoli. Tra tutti questi prodotti, i PI sono risultati le resine più largamente usate come adesivi o rivestimenti o componenti di materiali compositi resistenti alle alte temperature. I PI devono il loro sviluppo a molte applicazioni non militari e non adesive compresa la produzione di materiali dielettrici per collegamenti elettrici.
I PI sono il risultato della condensazione di una diammina aromatica con una di anidride tetracarbossilica come la PMDA o la BTDA.. I prepolimeri lineari ottenuti sono solubili in molti solventi. La polimerizzazione finale avviene mediante evaporazione del solvente. La polimerizzazione finale avviene mediante evaporazione del solvente e condensa interna (reazione ad anello) in caso di riscaldamento a 250 – 300°C.
Alcuni svantaggi dei PI (che sono attualmente impiegati come adesivi) sono la loro fragilità, il costo elevato, le alte temperature di polimerizzazione ed i problemi derivanti dall’emanazione di solventi durante lo stadio finale di polimerizzazione. Alcune formule ad alte prestazioni richiedono temperature max. di 350°C nonché l’applicazione intermittente di elevate pressioni d’indurimento durante questo processo. Per risolvere il problema della fragilità associata alle alte temperature di transizione vetrosa di questi polimeri, si utilizzavano modificatori tipo silossani o poliammidi.
Questi adesivi, noti rispettivamente col nome di silicone-poliimmidi e poliammide-immidi, rivelavano un miglioramenti nella resistenza alla pelatura ma non resistevano alle alte temperature. Nonostante la fragilità dei PI , il loro costo ed i loro problemi di lavorazione , se ne prevede un uso sempre più diffuso per incollare acciaio, leghe al nichel, grafite titanio, silice e ceramica. Molte di queste applicazioni si trovano nell’industria elettronica , che ne può tollerare i costi e richiede giunti resistenti alla temperatura.
Adesivi a due polimeri.
Composizioni basate su miscugli di resine termoindurenti con elastomeri o termoplastici sono progettate per superare le limitazioni relative agli adesivi basati principalmente su un solo componente. Così, resine sono aggiunte agli elastomeri per migliorare il mantenimento della loro appiccicosità o la loro resistenza al calore, mentre materiali termoplastici e gommosi sono mescolati con le resine termoindurenti per migliorare la deformabilità di materiali altrimenti fragili. Resine fenoliche modificate con gomme nitriliche o neopreniche sono le composizioni più importanti d’adesivi strutturali per incollaggi tra metalli e sono reperibili sotto forma di liquido, pellicola o polvere. La presenza di un elastomero, conferisce una certa elasticità all'incollaggio che porta ad una più uniforme distribuzione delle tensioni e ad una migliore resistenza a fatica. Alte pressioni di incollaggio dell'ordine di 0,7 MPa sono necessarie per combattere gli effetti dei sottoprodotti acquosi derivanti dalla polimerizzazione dei componenti fenolici. Gli adesivi fenolici al poliacetale di vinile sono largamente usati nella realizzazione di pannelli sandwich per incollare il rivestimento in metallo o in laminato alla imbottitura in nido d'ape. Questi materiali hanno buone proprietà di resistenza a taglio, pelatura, fatica e a scorrimento viscoso, ma tendono a rammollirsi ad alta temperatura. Questo tipo di adesivo è reperibile in pellicole, liquidi e polveri che richiedono pressioni di incollaggio fino a 1 MPa e temperature di cottura da 110 °C a 170 °C. Miscele di resine termoindurenti sono inoltre reperibili per quelle applicazioni per cui sono necessari adesivi strutturali resistenti al calore; resine epossidiche e fenoliche sono i componenti preferiti per gli adesivi progettati per operare con continuità a temperature superiori a 200 °C. Tali miscele presentano una notevole resistenza alla adesione e sono normalmente usate in incollaggi strutturali soggetti a forti carichi o a condizioni ambientali estreme. Le caratteristiche degli adesivi a due polimeri sono riassunte in tab. 7.
Fonte: http://www.larapedia.com/ingegneria_adesivi/progettare_con_gli_adesivi.html
Sito web da visitare: http://www.larapedia.com
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