ADESIVOS PARA BORRACHA

Luis TormentoDezembro/2016

Introdução• De acordo com a Sociedade Americana de Testes de

Materiais (ASTM), o adesivo é definido como uma substância que, quando aplicada à superfície de outros materiais pode uni-los, oferecendo resistência à separação.

• O termo adesivo abrange diferentes denominações: colas, pastas, cementos e gomas. Originalmente, o termo cemento foi dado à pedra moída ou calcinada com a qual preparava-se a argamassa. Hoje o termo designa misturas adesivas, ou mais particularmente cementos de resinas, de borracha, dentais, etc.,

Introdução

• O termo cola (do latim colla, do grego Kolla) foi dado ao extrato protéico obtido de peles, ossos e espinha de peixes. Como este extrato foi utilizado durante muito tempo na união de peças de madeira e atualmente na fabricação de peças em chapas, generalizou-se o uso do termo para todos os adesivos utilizados na indústria madeireira, dizendo-se assim "cola" fenólica, de uréia ou de caseína substâncias que seriam classificadas entre os adesivos plásticos. As gomas são substâncias adesivas de origem vegetal, solúveis em água. As colas chamadas de pastas são feitas de amido, farinha ou dextrina e são utilizadas em selos de correio e fitas de papel. Por extensão, denomina-se cola a qualquer adesivo que tenha consistência pastosa ou muito espessa. Todos os termos anteriores são geralmente intercambiáveis: é freqüente a denominação "adesivo" com referência a alguma das propriedades que os caracterizam, seja pelo seu estado físico - adesivo líquido, filme adesivo; por sua composição química adesivo epóxi, cianoacrilato; por sua utilização específica - adesivo metal-metal; ou pelas condições de uso - adesivo de cura a frio, adesivo em dissolução, etc.

Introdução• O termo adesão ou aderência é utilizado para nos referirmos à atração existente entre

duas substâncias. • Devemos diferenciar o significado deste termo do ponto de vista físico-químico e

tecnológico. Na físico-química, chama-se aderência à força de atração entre uma superfície sólida e uma segunda fase, que pode estar constituída por partículas individuais ou por uma película contínua, que pode ser um líquido ou um sólido. A aderência conduz à sorção que pode ser sobre a superfície (adsorção) ou dentro da capa superficial (absorção). A aderência pode dar-se por forças de Van der Waals ou a ligações químicas. Neste caso chamamos de quimisorção. Em tecnologia de adesivos chama-se aderência unicamente à união entre uma superfície sólida e uma segunda fase sólida ou líquida, chamando-se união adesiva ao processo técnico que se supõe produzir adesão entre dois sólidos. Os materiais que irão ser unidos denominam-se substratos ou aderentes, sendo esta última denominação mais apropriada para aqueles materiais que formam parte da união adesiva. A união adesiva depende da força existente entre o adesivo e o substrato, denominada adesão e da força interna do adesivo, denominada coesão. A eficácia de uma união mediante o uso de adesivos é analisada pelas falhas de união.

Antecedentes históricos• Existem evidências históricas de que os adesivos foram utilizados pelo

homem há milhares de anos. É o caso das esculturas de Tebas (3300 anos), que representam a união de uma peça de chapa fina ao que parece ser uma tabua de madeira.

• Estes adesivos, como os utilizados até 100 anos atrás, eram colas de origem animal ou vegetal, cujo uso mantêm-se até hoje para unir materiais porosos tais como papel, madeira, etc. As soluções de borracha, nitrocelulose, etc. em solventes orgânicos começaram a ser utilizadas no século XIX.

• Os adesivos à base de caseína foram utilizados durante a primeira guerra mundial para construir estruturas de madeira para aviões; porém, foram abandonados em virtude da pouca resistência à umidade e por causa do ataque de fungos.

Antecedentes históricos• Esta limitação na utilização dos adesivos naturais, foi a

força impulsora desde 1930 na grande expansão dos adesivos baseados em resinas sintéticas e outros materiais.

• A formulação dos atuais adesivos permitiu o desenvolvimento de substâncias mais fortes, mais duráveis e mais versáteis, para unir materiais que antes eram difíceis ou impossíveis de serem unidos; atualmente, os adesivos são considerados materiais de interesse em engenharia.

Antecedentes históricos• Em algumas ocasiões não é factível a utilização de meios mecânicos

clássicos para a união de materiais, como pregos, rebites, atarraxes, soldas, etc., porque podem causar alterações nos materiais, como distorções ou ocorrência de corrosão. Nestes casos, a utilização dos adesivos pode ser a solução do problema, já que proporcionam o método mais simples e rápido de conseguir a montagem das peças, tornando possível o desenho de novas superfícies.

• Não esquecendo o fator econômico, que, em última instância é decisivo para a escolha do método a ser utilizado para a união, geralmente o procedimento mais barato consiste na utilização de adesivos. Na Tabela 1 relacionam-se as situações em que se recomenda realizar uma união mediante adesivos. Assim, quando se propõe qualquer solução a um problema, sempre há vantagens e inconvenientes sobre os já existentes.

Antecedentes históricos

Tabela 1 Situações onde se recomendam a união por adesivos

Materiais diferentes Metais diferentes

Materiais sensíveis ao calor Estruturas laminadas

Estruturas reforçadas Uniões seladas

Componentes frágeis Comp. de dimensões especiais

Uniões temporárias Geometria complicada

Antecedentes históricos• Assim, na Tabela 2 apresentamos uma série de vantagens e desvantagens na

utilização de adesivos em uniões.• Na união de materiais diferentes, por exemplo com diferentes coeficientes de

expansão térmica ou diferentes módulos de elasticidade, a vantagem de utilizar um adesivo mostra que este pode diminuir as tensões entre os materiais, no caso de ocorrer um choque mecânico ou uma mudança térmica.

• Utilizando um adesivo, as forças de tensão são distribuídas sobre toda a área de união, ficando desta maneira notavelmente diminuídas, consequentemente aumentando a resistência à fadiga.

• A alta relação resistência/peso é uma característica muito apreciada na fabricação de estruturas leves.

• Não havendo contato direto entre metais de diferentes naturezas, diminui se ‑o risco de corrosão.

Antecedentes históricosTabela 2 Vantagens e inconvenientes da união adesiva

Vantagens Desvantagens

1. União de materiais diferentes A. Tempos de união às vezes longos

2. Distribuição uniforme de forças B. Dificuldade em inspecionar a união

3. Alta relação resistência/peso C. Restrições à temperatura de usoD. Risco de degradação ambiental

4. Redução da corrosão E. Difícil desmontagem da união para reparos estruturais

5. Bom selante e propriedadesisolantes

6. Fabricação de peças complexas

7. Amortecimento de vibrações

8. União de materiais finos

9. União econômica e rápida

10. Bom acabamento

Antecedentes históricos

• Quanto aos inconvenientes que apresentam:– Em algumas ocasiões, o tempo que é grande,

diminuindo o ritmo de produção.– As dificuldades que aparecem para inspecionar a

união, já que se deve recorrer a ensaios destrutivos como os representados na figura 3, são os maiores inconvenientes na união por adesivos.

– Utilizando se os materiais à temperatura elevada, ‑existe o risco de degradação.

Forças de União• As forças de união classificam se em primárias e secundárias, em função do ‑

valor da energia de ligação. As forças primárias são verdadeiras ligações químicas, enquanto que as secundárias correspondem a forças de Van der Waals. Todas têm a característica comum de diminuírem rapidamente à medida que aumenta a distância, por isto somente são eficientes a distâncias inferiores a 10 Angstrons (1 Á = 10 11 m). ‑

• Quando se formam duas superfícies através de uma ruptura, muito poucos pontos destas superfícies fazem contato ou se mantêm a distâncias inferiores a 10 À, para que atuem as forças de união. Além disso, uma superfície recentemente formada é um lugar adequado para que tenha lugar a corrosão, depósito de partículas sólidas estranhas ou haja adsorção de umidade: a superfície se encontra coberta por uma capa fina ou película de outro material.

• Comprovou se que estes depósitos estranhos diminuem notavelmente a ‑adesão entre sólidos.

Forças de União• Portanto, para conseguir uma união eficaz entre sólidos, deve existir

um contato a nível molecular. Este contato acontece mediante a incorporação de uma substância que elimine os defeitos de rugosidade das superfícies por preenchimento das depressões superficiais e que, por sua vez, elimine os depósitos de substâncias estranhas que se formaram na superfície. Estes objetivos são alcançados quando existe uma grande proximidade a nível molecular entre a substância incorporada e a superfície sólida, proximidade que somente um liquido pode proporcionar. Porém, mesmo um líquido muito viscoso não apresenta força coesiva na superfície, para resistir a altos esforços de cisalhamento ou tensão a que possa estar submetida à união; assim, parece que o sólido é o melhor estado de um adesivo.

Forças de União• Para conseguir uma boa união com um adesivo, este deve cumprir

certos requisitos como:• a) Ser um líquido (adesivo) que se estenda totalmente sobre a

superfície do sólido (aderente).• b) Estender se sobre a superfície do sólido a uma velocidade ‑

adequada, de maneira que não se formem bolhas de ar sobre a superfície e que ocupe totalmente suas irregularidades.

• c) inicialmente deve apresentar uma viscosidade relativamente baixa, da ordem de uns poucos centipoises, que aumentará progressiva mente até converter se num sólido.‑

• d) Possuir a superfície flexível de modo a reduzir o aumento das forças elásticas geradas durante a formação da união.

Forças de União• Por ser um fenômeno superficial, para determinar se um sistema

adesivo/aderente é apto para realizar uma união adesiva sobre diferentes superfícies, deve ser considerado o equilíbrio de umectação do conjunto, assim como os valores de energias livres superficiais do adesivo e aderente e a energia livre interfacial. Um adesivo deve molhar totalmente a superfície sobre a qual vai atuar. Para que isto seja possível, a energia superficial do adesivo deve ser menor que a do substrato; do contrário, o adesivo irá adquirir forma esférica e não se espalhará sobre a superfície. Os metais possuem uma elevada energia superficial, enquanto os plásticos têm um valor muito baixo. Pode se ‑unir os metais facilmente com adesivos enquanto que nos plásticos este processo é mais difícil. Pode se modificar a energia superficial ‑com tratamentos adequados.

Mecanismos da adesão

• Foram propostos vários mecanismos para interpretar o fenômeno da adesão, porém nenhum deles justifica plenamente os resultados. Quatro são os mecanismos principais que contribuem para a adesão:– Interpenetração mecânica – Difusão – Atração eletrostática – Adsorção

Interpenetração Mecânica• Esta teoria propõe a acomodação ou interpenetração do

adesivo nas irregularidades superficiais do substrato: é a principal causa da adesão. Foram determinadas forças adesivas mediante ensaios destrutivos sobre superfícies polidas e rugosas do mesmo material, encontrando se ‑nesta última, valores de forças adesivas maiores. Em princípio, esse comportamento poderia ser atribuído a maior capacidade de interpenetração do adesivo nas rugosidades do substrato, mas também ao aumento superficial e limpeza da superfície durante o tratamento.

Difusão• Esta teoria estabelece que a adesão intrínseca de polímeros a eles

mesmos (autoesão) ou a outros, é devida à difusão mútua de moléculas de polímeros através da interface.

• Isto requer que as macromoléculas ou segmentos da cadeia polimérica, tanto do adesivo como do substrato, possuam mobilidade suficiente e sejam mutuamente solúveis, isto é, que possuam valores similares do parâmetro de solubilidade.

• O grande defensor desta teoria é Voyustkü, que apresenta como evidência experimental que o tempo de contato, temperatura, tipo de polímero, peso molecular e viscosidade afetam também os processos de difusão, pelo que se admite que adesão é um resultado da difusão.

Difusão• O que é certo e foi comprovado experimentalmente, é que a interdifusão tem

grande importância em polímeros que apresentem uma temperatura de transição vítrea (Tg) inferior à temperatura ambiente ou naqueles casos onde a adesão acontece em presença de um solvente. No primeiro caso: as cadeias ou segmentos, tanto do adesivo como do aderente, apresentam suficiente mobilidade e as cadeias interpenetrem nas do outro ou através da interface, sempre e quando ambos sejam mutuamente solúveis.

• A técnica da união de polímeros; com solvente em ausência de adesivos, ou por efeito da temperatura, baseia se no mecanismo da difusão. O efeito do ‑solvente é de plastificar a superfície do polímero mediante inchamento, de modo a aumentar seu volume e, portanto, a mobilidade da cadeia polimérica na região interfacial, aumentando a velocidade e extensão da interpenetração da cadeia polimérica. O efeito da temperatura é situar o polímero a uma temperatura superior a sua Tg, facilitando a mobilidade das cadeias

Teoria eletrônica

• Esta teoria postula que a adesão se deve às forças eletrostáticas, onde a junta adesiva atua como um condensador recoberto por uma capa elétrica dupla formada pela interface adesivo aderente. Durante a ‑ruptura da união produz se uma diferença de ‑potencial que se descarrega quando se rompe a união. Em alguns casos observaram se descargas ‑elétricas e emissões de elétrons quando a união é desfeita. Isto é atribuído à transferência de elétrons entre aderente e aderido.

Adsorção• Esta teoria é a mais aceita para explicar o fenômeno

da adesão. Propõe que, uma vez que se tenha alcançado suficiente contato a nível molecular. forma se uma interface. A adesão acontece como ‑conseqüência das forças superficiais secundárias que atuam entre os átomos de suas superfícies, sendo a mais comum as forças de Van der Waals.

• Acontece o fenômeno de químisorção, quando atuam ligações químicas tipo metálica, iônica ou covalente através da interface.

Tratamentos superficiais• Os tratamentos superficiais que se aplicam aos substratos,

estão dirigidos fundamentalmente a aumentar sua energia superficial. Desta maneira, favorece se a molhabilidade ‑pelo adesivo. Os tratamentos utilizados variam com a natureza do aderente, pois o tratamento que se deve dar a um polímero não é o mesmo que se deve dar a um metal.

• O tratamento a ser dado a um material de alta energia superficial é de natureza mecânica ou química. Mediante o primeiro, eliminam se as partículas ou filmes estranhos ‑depositados sobre sua superfície e aumenta se a ‑rugosidade, favorecendo se a interpenetração mecânica.‑

Tratamentos superficiais• Os materiais poliméricos são normalmente submetidos a

tratamentos que aumentam sua energia livre superficial, geralmente com a criação de certos grupos funcionais reativos sobre os quais pode ser depositado o adesivo. Excetuando os polímeros polares como os poliésteres ou os derivados da celulose com os quais se pode conseguir uma boa união adesiva, sempre e quando a superfície se encontrar perfeitamente limpa e lixada, o resto dos polímeros devem ser submetidos a um pré tratamento químico rigoroso.‑

• Entre os tratamentos que demonstraram maior eficácia encontram se:‑

Tratamentos superficiais– Oxidação química– Tratamento com chama– Tratamento por descarga elétrica

• Todos estes tratamentos oxidam a superfície do polímero, conduzindo à formação de grupos carbonilo ou outro tipo de função oxigenada, tais como éter, hidroxila e carboxila.

• No encontro dos polímeros na superfície, quando Esta teoria é a mais aceita para explicar o houver plastificantes, estes devem ser eliminados por lavagem com solventes e submetidos ao tratamento com granalha da aplicação do adesivo

Tratamentos superficiais– Oxidação química– Tratamento com chama– Tratamento por descarga elétrica

• Todos estes tratamentos oxidam a superfície do polímero, conduzindo à formação de grupos carbonilo ou outro tipo de função oxigenada, tais como éter, hidroxila e carboxila.

• No encontro dos polímeros na superfície, quando Esta teoria é a mais aceita para explicar o houver plastificantes, estes devem ser eliminados por lavagem com solventes e submetidos ao tratamento com granalha da aplicação do adesivo

Natureza dos adesivos• Os adesivos são geralmente compostos macromoleculares,

solúveis e flexíveis; são compostos termoplásticos, que, uma vez unidos por adesivo, podem seguir mantendo sua condição de termoplásticos ou transformar-se em resinas termofixas mediante reações de polimerização ou entrecruzamento.

• Podem ser aplicados dissolvidos em solvente para dar molhabilidade ao aderente e endurecerá com a sua evaporação. Apresentam-se bem em soluções ou dispersões em forma de látex. Neste caso, o solvente é eliminado através dos poros do aderente:

Natureza dos adesivos• – caso este seja poroso

– ou evaporado por ação do calor antes da realização da união

– no caso de materiais não porosos. Os adesivos sob esta apresentação realizam uma união demasiado lenta e, se o solvente a eliminar for de natureza orgânica, apresentam riscos de toxidade, inflamabilidade, tendência à polimerização, necessitando ainda de um armazenamento adequado. Apesar de tudo, continuam sendo utilizados, em virtude de suas boas características de molhabilidade, ampla cobertura de utilização e aplicação em baixas temperaturas.

Classificação dos adesivos• Grande variedade de adesivos é de uso comum e não

existe um sistema simples de classificação adequada para todos os produtos: um mesmo adesivo pode estar incluso em várias classificações.

• A indústria de adesivos geralmente usa uma classificação baseada no uso final, tal como adesivo metal-metal, adesivos para madeira, adesivos de uso amplo, etc. Uma limitação que surge com este sistema de classificação, é que um esmo adesivo pode ser útil em diferentes campos de aplicação.

Classificação dos adesivos

• Para um estudo sistemático seguir-se-á a seguinte classificação:– Sua origem– O método de aplicação e de endurecimento– Sua funcionalidade– Sua forma de apresentação– A natureza do componente

Origem

• Classificam se em naturais e sintéticos. Entre ‑os primeiros, consideram se separadamente ‑os adesivos de origem animal albumina, ‑cola de peixe, caseína, etc e os de origem ‑vegetal, como apresentado no quadro seguinte. Entre os de origem sintética diferenciam se os orgânicos dos inorgânicos.‑

OrigemPor sua origem Naturais

Sintéticos Orgânicos

Inorgânicos

Pelo método de aplicação Eliminação de solvente

Fundidos (hot-melt)

Reação química Polimerização

Entrecruzamento

Sensíveis à pressão

Por sua função Estruturais

Não estruturais

OrigemPor sua apresentação Dissolução, dispersão, estado sólido e películas

Pela natureza do composto

majoritário Termoplásticos Poliamidas Polímeros vinílicos

Polímeros acrílicos

Derivados da celulose

Resinas naturais Termofixos Caseína Resinas fenólicas Resinas epóxi Resinas uréia-

Formaideído Poliuretanos Poliésteres insaturados

Elastômeros Borrachas naturais

Borrachas modificadas

Borrachas de Neopreno

Borrachas Butílicas

SBR NBR Híbridos NBR-Fenólicas Epóxi-NBR

Método de aplicação e endurecimento

• Temperatura de curaSegundo a temperatura requerida para realizar a ligação, podem ser classificados em:

• Adesivos de baixa temperatura

– Curam abaixo de 20ºC,• Adesivos de temperatura ambiente

– Curam entre 20ºC e 30ºC• Adesivos de temperatura, intermediária

– Curam entre 30ºC e 100ºC• Adesivos de alta temperatura

– Curam acima de 100ºC

Método de aplicação e endurecimento

• 1 Adesivos sensíveis à pressão‑– Este tipo de adesivo forma uma união mediante uma ligeira pressão,

simplesmente apertando com um dedo.• 2 Endurecimento químico,‑

– Certos adesivos necessitam ser cura dos, para serem capazes de realizar a união. O processo de cura transcorre através de uma reação química, através da qual um material termoplástico é transformado em um termoestável.

• 3 – Eliminação do solvente– Quando é interessante aumentar a fluidez e alcançar uma boa

molhabilidade do aderente. Preparam se adesivos acompanhados por ‑um solvente. Uma vez realizada a união, o solvente deve ser eliminado.

Por sua funcionalidade (estruturais o não estruturais)

• Esta classificação é totalmente arbitrária, uma vez que não está aceita uma definição específica de estrutural em termos de força de união. Normalmente define se ‑como adesivo estrutural, aquele que é empregado nas uniões ou montagens que suportem cargas ou que estejam submetidos a grandes esforços.

• Os adesivos não estruturais não podem suportar cargas pesadas e são usados geralmente para unir os componentes de realizar adesões temporárias.

Forma de apresentação

• Podem se apresentar em solução, dispersão, estado sólido e em películas.

Propriedades do componente majoritário

• Dentro desta classificação, pode se fazer urna nova subdivisão de ‑acordo com suas propriedades reológicas. Assim temos os adesivos termo plásticos, termofixos e elastômeros. Os adesivos termoplásticos podem ser fundidos, são solúveis em solventes, amolecem pelo calor e experimentam fluência sob esforços. São usados em uniões que não serão submetidas a esforços nem a temperaturas elevadas. Unem vidros, porcelanas e materiais porosos como papel, couro, etc.

• Os adesivos termofixos baseiam se uma resina de baixo peso ‑molecular, que cura e endurece transformando se em um adesivo ‑altamente entrecruzado. São adesivos de grande aceitação por formarem uniões essencialmente infusíveis e insolúveis; apresentam boa resistência à fluência e são utilizados como adesivos estruturais para aplicações que necessitem de suportar grandes esforços.

Propriedades do componente majoritário

• Apresentam bom comportamento em condições ambientais drásticas como calor, frio, umidade e diferentes componentes químicos atmosféricos.

• A este grupo pertencem as famílias de adesivos de grande utilização: resinas fenólicas e resinas epóxi.

• Os adesivos à base de elastômeros são formados por misturas resina borracha; podem ser utilizados tanto para usos gerais como para fins estruturais de acordo com suas formulações.

• Os adesivos formados por resinas termofixas modificadas com borracha sintética são usados para realizar uniões estruturais de metais e de outros materiais rígidos.

Principais famílias de adesivos• Adesivos termofixos

– Resinas fenólicas– ResorcinoI fenol formaldeído‑ ‑– Uréia formaIdeído‑– Melamina formaldeído‑– Epóxi– Poliisocianatos

• Adesivos Termoplásticos – Vinílicos– Acrílicos

• Adesivos híbridos • Adesivos resistentes a altas temperaturas

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