Chimica che non si vede: gli adesivi

Chimica che non si vede:
gli adesivi
Roberto Leoni
Presidente Gruppo Adesivi e Sigillanti
AVISA - Federchimica
Un cenno su AVISA
! AVISA è l’Associazione di Federchimica
(Federazione Nazionale dell'Industria
Chimica aderente a Confindustria in Italia
e al CEFIC in Europa) che rappresenta i
produttori di pitture, vernici, inchiostri da
stampa, adesivi e sigillanti.
Scopo di AVISA è favorire il progresso
dell’industria attraverso:
♦ la promozione di forme di solidarietà e
collaborazione tra le imprese associate
♦ la rappresentanza degli interessi delle
imprese associate nei rapporti con le
Istituzioni, con gli Enti e gli organismi
economici e politici
♦ la consulenza e l'assistenza ai soci
relativamente ai problemi generali e specifici
di loro interesse
♦ l'organizzazione di ricerche e studi, dibattiti e
convegni su temi tecnici, economici e sociali di
interesse dei settori rappresentati.
! AVISA, inoltre, garantisce il collegamento con
FEICA, l’Associazione Europea dei produttori di
adesivi che ha sede a Bruxelles.
! Fondata nel 1972, FEICA nacque con l’obiettivo
di promuovere gli interessi dell’industria degli
adesivi a livello europeo, in un’atmosfera di
crescente internazionalizzazione.
! Oggi FEICA rappresenta oltre 480 imprese
produttrici di adesivi, sigillanti e materie prime
Premessa
! L’incollaggio è divenuto una tecnica indispensabile
per accoppiare due o più substrati, non solo in
campo industriale ma anche nella vita quotidiana.
! L’incollaggio consente di produrre laminati, agevola i
trasporti e le comunicazioni, offre innumerevoli
vantaggi per la movimentazione dei generi
alimentari, salvaguarda la salute e l’igiene e migliora
la nostra qualità di vita.
! Non solo, molti prodotti innovativi non potrebbero
essere fabbricati senza utilizzare le tecniche di
incollaggio.
Materiali e sviluppo tecnologico: la ruota
Legno
Ruota a disco
3° millennio
a.C.
Legno
Biga
(Tutankhamon )
XIV secolo a.C.
Superficie di contatto:
Gomma
Calotta:
Fibra sintetica
Strato radiale:
Tortiglia di acciaio
Legno e ferro
Ruota a raggi di epoca
Romana II sec. d.C .
Carcassa:
Tessuto
Cerchioni: Alluminio
Il pneumatico oggi
! In Europa vengono prodotti e impiegati ogni
anno oltre 3.000.000 tonnellate di collanti e
questa cifra è in crescita.
! I produttori di adesivi offrono oltre 250.000
prodotti differenti per le più svariate applicazioni
e questi prodotti sono personalizzabili,
potenzialmente per qualsiasi utilizzo.
! A seconda dell’applicazione, un adesivo deve
essere in grado di resistere a temperature
bassissime o al calore di diverse centinaia di
gradi oppure deve essere molto elastico o
estremamente rigido.
Sintesi delle tecniche di giunzione
Giunzioni con
materiale di apporto
Giunti saldati
con
materiale di
apporto diverso
dal substrato
(es.: saldatura a
stagno, a
castolin)
Giunti saldati con
materiale di
apporto uguale al
substrato
(es.: saldatura a
elettrodo)
Giunti con sforzo
Giunzioni meccaniche
meccanico
es.: bloccati alla
pressa e
saldatura a
punti
Giunti
incollati
Giunti
spinati
Giunti a
incastro
Accoppiamento elastico
Giunti avvitati
Tecniche
miste
Accoppiamento
di campo
Giunti rivettati
Magnetico
Accoppiamento
per frizione
Giunzione
mediante
pressione
Gravitazionale
Giunti incollati: vantaggi
•non si hanno concentrazioni di sforzo
•leggerezza
•unione e sigillatura contemporanee
•assenza fenomeni galvanici
•possibilità di unire materiali fragili
•risparmio (usualmente)
Incollaggio: la tecnologia del futuro
Materiale:
Combinazioni di
materiali diversi
Incollaggio:
tecnologia del
futuro per l‘industria e
Lavorazione:
conservazione delle
proprietà dei componenti
l‘artigianato
Giunzione:
integrazione di
funzioni aggiuntive
adattate alle specifiche
esigenze
Progettazione:
Ottimizzazione delle
proprietà dei
componenti
Incollaggio nell’antico Egitto
Il laboratorio del Kellopsos (il produttore
di adesivi per cottura di sostanze naturali)
3500 a.C.
Ascia risalente al Neolitico
Adesivo a base pece di betulla
8000 a.C.
Strutture edificate
dagli Aztechi
Adesivi a base di
sangue animale
(albumina) e cemento
XIV sec.
La natura ci insegna come fare
La natura ci insegna come fare
•Le api mellifere
La cera, che alla temperatura corporea delle api è
liquida, per raffreddamento solidifica nella sua forma
definitiva…. come i moderni adesivi termofusibili:
senza solventi, ma applicabili allo stato liquido a
caldo.
•La vespa muraiola
Rompe il legno, disgrega e ingerisce la cellulosa
mescolandola ai succhi gastrici. Con questo adesivo
costruisce il nido. Asciugando, l’acqua evapora e le
fibre formano un tessuto compatto con l’adesivo
indurito. Oggi gli adesivi a base acqua per carta da
parati si basano sullo stesso principio.
La natura ci insegna come fare
La natura ci insegna come fare
L’albero della gomma
Il lattice dall’albero della gomma è una dispersione di
polimeri in acqua.
Una dispersione polimerica è un modo per utilizzare l’acqua
come solvente e al contempo formare legami (incollaggi)
resistenti e stabili nel tempo.
Ostriche di carena (balani)
Ostriche di carena (balani)
Le ostriche di carena sono molluschi che vivono
nelle acque costiere. Le larve, che nuotano
liberamente, possono attaccarsi potenzialmente a
tutti i materiali marini duri.
L’aggrappaggio avviene per mezzo della secrezione
emessa dalle cosiddette “ghiandole del cemento”.
Questa secrezione è un adesivo reattivo
bicomponente che ha un’elevata resistenza
all’acqua e una sorprendente stabilità nel tempo.
Adesivi - Definizioni
! Adesivo (EN 923): sostanza non
metallica in grado di congiungere
materiali mediante fissaggio superficiale
(adesione), e in modo tale che il legame
ottenuto possieda adeguata forza
interna(coesione).
! L’adesione consiste nel congiungere tra loro
materiali simili o diversi.
! La coesione è la forza intrinseca di un
materiale come, nel nostro caso, l’adesivo.
Sezione di un giunto
Substrato
Superficie del substrato/
zona di adesione
Zona di transizione
Strati limite
Adesivo
Substrato
Zona di coesione
Forze di adesione
Tipo
Lunghezza
(nm)
Energia
(kJ/mol)
- covalenti
0,1-0,2
150-950
- metallici
0,3-0,5
100-400
- ionici
0,2-0,3
400-800
0,4-0,5
2-15
0,2
20-30
Legami chimici
Interazioni
-forze Van der Waals
-legami idrogeno
Un cm2 può sostenere 40 Kg
Per tenere il peso di un gecko
basta lo 0.15% delle sete.
In pratica ne usa circa il 3%
Forza di coesione
"
#Legami molecolari all’interno dei
polimeri
$#Legami chimici da reticolazione del
polimero (crosslinking)
%#Interazioni intermolecolari tra molecole
nell’adesivo
&#Aggrappaggio meccanico tra molecole
nell’adesivo
Influenze sulla forza di coesione
dell’adesivo
Bagnabilità
! L’adesivo deve avvicinarsi al substrato a
distanza tale da permettere l’interazione.
L’adesivo deve “bagnare” il substrato
! La tensione superficiale di substrato e
adesivo determinano il grado di
bagnabilità. Quella dell’adesivo deve
essere minore di quella del substrato
! Fattori determinanti sono l’accessibilità e
il numero delle strutture fisicamente o
chimicamente attive sulla superfice del
substrato e dell’adesivo
Bagnabilità
! La capacità di un adesivo di bagnare un
substrato dipende anche dalle sue
proprietà reologiche1 (viscosità2 e
tixotropia3)
1
2
3
reologia: scienza che studia le modalità secondo le
quali un corpo si deforma se sottoposto a forze esterne
viscosità: forza necessaria a far scorrere gli strati di un
fluido
tixotropia: proprietà di un fluido di passare
temporaneamente ad uno stato di viscosità più bassa
in seguito all’azione di forze meccaniche (agitazione,
scosse…)
Esempi tipici di viscosità
(viscosità dinamica in mPa.s a 20°C)
Benzina
0,65
Panna per caffè 10
Acqua
1,0
Miele
Mercurio
1,5
Polimeri fusi
Succo d’uva
2-5
Bitume
108
Sangue (37°)
4-25
Vetro
1023
104
103-106
Tecniche di trattamento superficiale
Preparazione
della
superficie
superficiale
primario
Trattamento
Superficiale
secondario
Pulizia,
sgrassatura
Tecniche
meccaniche,
chimiche e
fisiche
primer,
promotori di adesione,
attivatori
Trattamento
Classificazione degli adesivi su
base chimica
Adesivi
Composti
organici
Materiali
naturali
proteine,
carboidrati,
resine
Siliconi
Composti
inorganici
Materiali
sintetici
Idrocarburi
+ ossigeno,
azoto,
cloro, zolfo
silicati,
fosfati,
borati,
leganti idraulici
Classificazione degli adesivi organici e dei siliconi
in base al meccanismo di incollaggio
Adesivi che induriscono
per processo fisico
Adesivi che induriscono per
processo chimico
Adesivi a polimerizzazione
(radicalica, anionica, cationica):
Adesivi termofusibili
Adesivi a solvente
Adesivi a contatto
Adesivi in dispersione acquosa
Adesivi all‘acqua
Autoadesivi
Plastisol
Cianoacrilati
Metilmetacrilati (MMA)
Poliesteri insaturi
Adesivi anaerobici
Adesivi che polimerizzano per effetto
delle radiazioni
Adesivi a policondensazione:
Resine fenoliche
Siliconi
Poliimmidi
Bismaleinimmidi
Polimeri MS
Adesivi a poliaddizione:
Resine epossidiche
Poliuretani
Adesivi che induriscono per processo fisico
Descrizione
Meccanismo di Materie prime di
incollaggio
base
Campo di
applicazione
Adesivi
termofusibili
Passaggio di stato Copolimeri di etilene
/acetato di vinile,
da liquido
poliammidi, poliesteri,
(fuso) a solido
Industria dell’imballaggio,
legatoria, tessile, settore
calzaturiero, lavorazione
legno, automobilistico,
ingegneria elettronica.
ecc.
Adesivi a
solvente
Evaporazione del Composti vinilici
solvente
polimerici,
polimetilmetacrilato,
gomma naturale e
sintetica, ecc.
Adesivi a
contatto
Evaporazione del Policloroprene, gomma
solvente
di acrilonitrilebutadiene, ecc.
Incollaggio tubi in PVC,
adesivi ad uso domestico,
settore calzaturiero,
legno, auto, edilizia.
Rivestimenti pavimenti,
materassi e calzature,
industria automobilistica,
legno e mobile.
Adesivi che induriscono per processo fisico
Meccanismo di Materie prime di
incollaggio
base
Polimeri non solubili in
Evaporazione
acqua di acetato di
dell’acqua
Campo di
applicazione
Altri adesivi
all’acqua
Evaporazione
dell’acqua
Glutine, caseina,
destrina, metil
cellulosa, alcool
polivinilico, ecc.
Carta, carta da parati,
etichettaggio,
imballaggio, legatoria.
Autoadesivi
Tramite contatto
superficiale.
Restano viscosi
Poliacrilati speciali,
etere polivinilico,
gomma naturale, ecc.
Plastisol
Trasformazione
sol-gel in fase di
riscaldamento
PVC e plastificanti
Descrizione
Adesivi in
dispersione
acquosa
vinile, in combinazione
anche con comonomeri,
poliacrilati, ecc.
Industria
dell’imballaggio,
legatoria, calzaturiera,
agro-alimentare,
lavorazione del legno,
edilizia, auto.
Nastri adesivi per
l’artigianato e
l’industria, cerotti,
etichette autoadesive,
igienico-sanitari.
Automobile
Materiali di base per i polimeri degli adesivi
termofusibili
Poliammide
Poliestere
Copolimero di Etilene – acetato di vinile (EVA)
Materiale di base
Poliammide (PA)
Poliestere
Copolimero di etilene –
acetato di vinile (EVA)
Intervallo di
rammollimento
(°C)
Viscosità della
fusione (Pa s)
Temperatura di
applicazione (°C)
200-2000
0,2-10000
120 -220
Applicazione con pistole per adesivi termofusibili
Industria del mobile
Industria dell’imballaggio
Industria
elettronica
Materiali di base per gli adesivi a solvente
Acetato di polivinile
Gomma nitrilica
Poli(metilmetacrilato)
Cloruro di polivinile (PVC)
Stabilizzazione delle particelle di adesivo per mezzo
di
colloidi protettori ed emulsionanti
Particelle in
dispersione
Colloide protettore
Emulsionante
Forze di repulsione
Formazione del film nel giunto incollato per una
dispersione di poliacrilato
1. Evaporazione e
concentrazione
2. Superamento
della repulsione
elettrostatica
3. Deformazione delle
particelle di dispersione
4. Contatto tra le particelle di polimeri
(coalescenza) mediante forze capillari e
forze di tensione superficiale
5. Fusione delle particelle e
interdiffusione
Gomme impiegate negli autoadesivi
Gomma naturale
Gomma butilica
(IIR: gomma di isobutilene-isoprene)
Copolimero a blocchi di stirene-isoprene (SIS)
Copolimero a blocchi di stirene-butadiene
(SBS)
Struttura dei nastri adesivi
Carta protettiva
siliconata
Autoadesivo
Materiale di supporto
Autoadesivo
Carta protettiva
siliconata
Nastro biadesivo (Supporto: pellicola, stoffa, gomma, ecc.)
Carta protettiva
siliconata
Autoadesivo
Carta protettiva
siliconata
Nastro adesivo trasferibile, nastro adesivo senza supporto
Meccanismo di incollaggio per plastisol
Pasta contenente granuli di PVC solidi in plastificante
liquido (plastisol)
Rigonfiamento della pasta a 40°C
Pregelificazione da 100° a 120°C
Trasformazione sol-gel da 160° a 180°C
Adesivi che induriscono per reazione chimica
Descrizione
Meccani
smo di
polimeriz
zazione
Materie prime
di base
Campi di applicazione
Incollaggio
di
piccoli
componenti, incollaggio di tutti
i tipi di vetro, adesivi per stoffe,
spray cicatrizzanti
Cianoacrilati
Polimerizz.
anionica
Cianoacrilati
Metilmetacrilati
Polimerizz.
radicalica
Metilmetacrilati
Incollaggio di materie plastiche
nel settore automobilistico e
fabbricazione
di
veicoli
ferroviari
Adesivi
anaerobici
Polimerizz.
radicalica
Diacrilati di dioli
Motori, motori elettrici,
fissaggio viti, parti metalliche
Adesivi che induriscono per reazione chimica
Descrizione
Meccanismo
di
Polimerizz.
Materie
prime di
base
Campi di applicazione
Adesivi
Polimerizz.
radicalica
Epossiacrilati
Poliesteriacrilati
Incollaggio di vetro e plastiche
trasparenti
che
polimerizzano
con le
radiazioni
Resine
fenolformaldeide
Siliconi
Policondensaz.
Policondensaz.
Fenoli,
formaldeide
Materiali di legno, incollaggio
di guarnizioni freno e frizione,
incollaggio strutturale di
alluminio nell’industria
aeronautica
Sigillatura, ingegneria elettrica;
applicazioni speciali nella
Politecnologia aeronautica e
organosilossani
aerospaziale
Elevata mobilità della catena nei siliconi dovuta
all’angolo di legame altamente variabile
Adesivi che induriscono per reazione chimica
Descrizione
Meccanis. Materie prime
di
di base
Polimerizz.
Poliimmidi
Policondensa Anidride di acidi
tetracarbossilici
zione
Aromatici e diammine
aromatiche
Adesivi
epossidici
Poliaddizione Diepossidi
oligomerici e
poliammine o
poliammidoammine
Adesivi
Poliaddizione Isocianati bifunzionali
e talvolta
poliuretanici
trifunzionali, polioli
Campi di applicazione
Incollaggio di metalli nella
tecnologia aeronautica e
aerospaziale
Adesivi strutturali nella
produzione automobilistica e di
aeromobili, nella costruzione di
carrozzerie per auto,
nell’elettronica, incollaggio di
materie plastiche rinforzate con
fibre, riparazioni
Costruzione di carrozzerie per
auto, incollaggio di materiali con
tolleranza ai carichi e proprietà di
espansione alla temperatura
molto diversificate, incollaggio di
lastre di vetro nell’industria
automobilistica
Formazione di poliuretani
Esametilendiisocianato
1,4-butandiolo
Poliuretano
Fissaggio di viti con adesivi anaerobici
Fissaggio di viti.
Le viti sul corpo di un motore sono fissate con
un adesivo che ne impedisce l‘allentamento.
Superando una certa torsione di distacco, la
vite può essere allentata nuovamente
(frenafiletti)
Realizzazione di articoli in vetro e strutture di vetro
Epossiacrilati polimerizzati
mediante esposizione a
radiazioni UV
Rivestimenti di freni mediante resine fenolo-formaldeide
(„fenoliche“) con polimerizzazione per policondensazione
Nave traghetto ad alta velocità
I finestrini in policarbonato incollati alla struttura di alluminio con
poliuretani (polimerizzazione mediante poliaddizione)
Sollecitazioni su un incollaggio
a) Pelatura
d) Trazione
b) Scorrimento: taglio
a compressione
e) Compressione
c) Scorrimento: taglio
a trazione
f) Torsione
Prova di taglio a trazione
Costruzione del tetto con materiali compositi
laminati in legno
(resine melammina-formaldeide, policondensazione)
Applicazione di adesivi nella costruzione di
carrozzerie per autoveicoli
Fino a 40 kg di adesivo
per automobile
Ripartitore di forza di
deformazione superiore
(barra di rinforzo)
Consolidamento
antivibrante delle
traverse
Consolidamento puntiforme per
dare rigidità in caso di impatto al
tetto (nodi A e B sui montanti)
Rinforzo al
telaio portiere
Consolidamento del telaio,
localizzato al supporto della
sospensione
Rinforzo del cofano
e delle portiere
ecc.
Rinforzo
portiera
Consolidamento
di ammortizzatori
per urto
disassato ad alta
velocità
Supporto superiore e
inferiore del
radiatore
Aggetto del telaio
anteriore per urto
disassato ad alta
velocità
Arco del
telaio
Consolidamento puntiforme
per dare rigidità in caso di urto
laterale
Consolidamento del telaio
(parziale o sull’intera
lunghezza)
Montaggio diretto del parabrezza “direct glazing”
polimeri MS (silossani modificati)
Incollaggio nella costruzione di aeromobili
adesivi epossidici
Strutture con lamiere leggere a nido d‘ape
Riempitivo laterale
Consolidamento delle lamiere a nido d‘ape
Applicazione di inserti
Incollaggio
di piastre metalliche
Accoppiamento di
lamiere a nido d‘ape
Modello costruttivo di un treno leggero
Rivestimenti esterni incollati con adesivi poliuretanici
Applicazione di adesivi nella costruzione di un container
Adesivi epossidici e polimeri MS (polietere-dimetossisilani)
Applicazione di adesivi nella costruzione di
container frigo
Adesivi
strutturali
Adesivi per pannelli
sandwich
Applicazione localizzata di adesivo su circuito stampato
Adesivi epossidici monocomponenti in pasta e acrilici „UV curing“
Incollaggio di Digital Versatile Disc (DVD)
Adesivi acrilici „UV curing“ e adesivi termofusibili speciali
Applicazione di adesivi nella costruzione di motori elettrici
Adesivi anaerobici
Stabilizzazione del
cavo
Magnete
Connessione
albero/rotore
Attacco
cuscinetti a
sfera
Portaspazzole
Tenuta della
custodia
Connessione
albero/commutatore
Compensatore
Targhetta
Viti di
fissaggio
Esempi di adesivi nell’imballaggio flessibile
Adesivi poliuretanici, adesivi in dispersione, adesivi termofusibili
Esempi di cerotti
Autoadesivi a base gomme naturali o sintetiche, esteri di acido poliacrilico
Protesi d’anca incollata
Adesivo a base di metacrilato
Protesi
Adesivo a base di
metacrilato
Osso
Rinforzi strutturali in edilizia
(Applicazione tessuto in fibra di carbonio)
Adesivi epossidici e FRP (Fiber Reinforced Polymers)
IL PERICOLO ED IL RISCHIO
ALTO PERICOLO
BASSO RISCHIO
Simboli di pericolo e descrizione
T
Tossico
T+
Molto Tossico
Xn
Nocivo
Xi
C
Corrosivo
Irritante
N
Pericoloso per l’ambiente
Etichettatura adesivo epossidico bicomponente
(parte A)
Simboli
Xi
N
Irritante
Pericoloso per l’ambiente
Frasi R:
R36/38 Irritante per gli occhi e la pelle
R43 Può provocare sensibilizzazione per contatto con la pelle
R51/53 Tossico per gli organismi acquatici, può provocare a lungo termine effetti negativi per l’ambiente acquatico
Frasi S:
S26 In caso di contatto con gli occhi, lavare immediatamente e abbondantemente con acqua e consultare un medico
S56 Smaltire questo materiale e i relativi contenitori in un punto di raccolta di rifiuti pericolosi o speciali
S61Non disperdere nell’ambiente. Riferirsi alle istruzioni speciali/schede informative in materia di sicurezza
S24 Evitare il contatto con la pelle
S37 Usare guanti adatti
Contiene resine epossidiche. Leggere le informazioni fornite dal fabbricante.
Quantità di solventi negli
adesivi per pavimentazioni
%
0
1965-Adesivi a contatto
1970-Adesivi a base di
polivinileteri
1980-Adesivi in dispersione
1997-Adesivi "EC1"
20
40
60
80
100
Grazie per l’attenzione
e arriverderci!
Cemento Portland
Tal quale
Idratato
Teorie dell’adesione
Meccanica
Elettrostatica
Diffusione
Perché ci sia diffusione
il parametro di
solubilità deve essere
simile e le molecole
mobili.
Vale per adesivi a
contatto e talvolta per
altri polimeri
Termodinamica
(adsorbimento)
Si è sostenuto che quando due superfici sono
vicine, le interazioni (qualunque sia la loro
natura), sono sufficientemente forti da
generare buona adesione.
L’ adesivo deve bagnare l’ aderente.
Esistono diverse componenti della tensione superficiale:
Ogni componente della tensione
! dipolo-dipolo
superficiale di una superficie
! acido-base
interagisce con l’ analoga dell’ altra
! legame H
! interazioni dispersive
Chimica
Si creano legami chimici
attraverso l’ interfaccia.
Caso tipico:
vetro con adesivi siliconici
Capillarità
Importante per costruire i castelli di sabbia(!), ma anche per
alcuni processi industriali, come pure in edilizia.
termodinamica
meccanica
diffusione
capillare
chimica
reologica
WBL