Los adhesivos son productos que una vez aplicados en estado líquido
sobre dos superficies,
solidifican y forman un puente de unión entre los dos sustratos.
El concepto de adhesivo es muy amplio,
incluye no solo los pegamentos que se aplican
como líquidos más o menos viscosos,
si no también las cintas adhesivas,
las etiquetas autoadhesivas,
los bioadhesivos que mantienen unidos determinados organismos a su medio,
los materiales que emplean los dentistas; como empastes,
los cementos de construcción,
los sellantes de silicona que impiden el paso del agua por una junta,
los agentes de impregnación que sellan las microporosidades
en piezas de metal sintetizado,
los encapsulantes de circuitos electrónicos,
los aglutinantes del relleno de la madera aglomerada, etc.
Desde la más remota antigüedad
el hombre ha tenido la necesidad de unir cosas.
Por ejemplo, el hombre de las cavernas utilizaba adhesivos
de origen animal o vegetal,
para unir las puntas de sus lanzas con el soporte.
La caseína obtenida a partir de la leche,
fue empleada como adhesivo en la época faraónica.
Y en la época precolombina, en Sudamerica,
se empleaba el látex extraído del árbol del caucho.
La pez de petróleo y el alquitrán
fueron empleados en la impermeabilización de los barcos.
Posteriormente, las distintas culturas
han fabricado numerosos adhesivos naturales,
que atendiendo a su composición pueden ser:
polisacáridos, proteicos y lípidos.
Por ejemplo, la cola de pescado,
obtenida de los restos de piel y espinas
por simple extracción con agua caliente,
fue empleada en la fabricación de muebles del siglo XVIII.
Muchos de estos productos se emplean aún hoy en día por su bajo precio,
y por su procedencia de fuentes renovables de fácil acceso,
como la cola de conejo, que mezclada con yeso da lugar al conocido estuco.
Los primeros adhesivos sintéticos -las resinas fenólicas-,
fueron comercializados a principios del siglo XX.
Actualmente los adhesivos no solo se emplean
para restaurar obras de arte, dentaduras, útiles domésticos,
si no que también están contribuyendo al desarrollo
de las más avanzadas tecnologías.
Tanto los adhesivos naturales como los sintéticos,
son mezclas de varias sustancias con un componente principal:
un polímero que actúa como aglutinante,
y algunos aditivos que tienen distintas funciones,
los más frecuentes son los disolventes,
que plurifican y favorecen la aplicación,
los catalizadores y endurecedores, para el curado,
y las cargas que le dan un aspecto metálico, de madera
o de cualquier otro material.
Por ejemplo, los rellenos de las formulaciones
que emplean los dentistas en los empastes,
tienen la función de disminuir la contracción de volumen
que acompaña a cualquier polimerización,
y que en el caso de los empastes podría producir
pequeños canales, por los que podrían penetrar las bacterias.
En otros casos,
los aditivos simplemente contribuyen a abaratar el producto.
Pero el papel fundamental -la adhesión-
le corresponde al polímero.
Los polímeros empleados pertenecen a tres grandes grupos estructurales:
Termoplásticos, formados por cadenas lineales o ramificadas.
Termoestables, con estructuras fuertemente entrecruzadas
y temperatura de transición vítrea superior a la temperatura de uso.
Y Elastómeros, con un cierto grado de entrecruzamiento
y de una flexibilidad derivada de que, a la temperatura de uso,
se encuentran por encima de su temperatura de transición vítrea.
¿Y porqué se adhieren los polímeros?
De forma resumida podemos decir que porque mojan bien los sustratos.
Pero veamos este "porque" con más detalle.
Las partículas de las sustancias sólidas o líquidas
se mantienen unidas por fuerzas de interacción de distintos tipos;
enlaces covalentes, interacciones dipolares,
enlaces de hidrógeno o interacciones electrostáticas.
Estas fuerzas internas de las sustancias,
que se ejercen entre partículas idénticas, son las fuerzas cohesivas.
La mayor parte de las partículas del interior de un sólido
no se desplazan, solo vibran en torno a sus posiciones de equilibrio,
porque las fuerzas cohesivas están compensadas.
Por cada fuerza ejercida en una determinada dirección,
existe otra igual en sentido contrario.
Cuando se corta un sólido se crea una nueva superficie.
El efecto del corte a escala molecular
es el desequilibrio de las fuerzas de cohesión.
Esto hace que las partículas de la superficie
estén en una situación inestable, y como consecuencia,
tanto los líquidos como los sólidos, tienden a disminuir su superficie.
Como los sólidos no tienen elasticidad de forma,
las sustancias sólidas tienden a disminuir su superficie
por absorción de otras sustancias sobre los centros activos o puntos,
con fuerzas no compensadas de sus superficies.
La tensión superficial es la fuerza que tiende a disminuir la superficie,
y se utiliza más al hablar de líquidos.
La energía superficial de una sustancia
es el trabajo necesario para formar una unidad de superficie,
es decir para llevar partículas del interior al interface,
se emplea generalmente al hablar de sólidos.
La tensión superficial -el más antiguo-,
tiene dimensiones a unidades de fuerza por unidad de longitud,
los dos conceptos son equivalentes e intercambiables.
La tensión superficial es tanto mayor
cuanto mayor es la cohesión de las sustancias,
los metales tienen las mayores energías superficiales,
mientras que los plásticos dan los valores más pequeños.
Los adhesivos, como los plásticos,
están constituidos fundamentalmente por polímeros,
y por lo tanto tienen tensiones superficiales bajas.
No todos los líquidos mojan igual todas las superficies,
un líquido tiende a mojar a un sólido
para disminuir su energía superficial,
y este fenómeno -la mojabilidad de los sólidos-
es imprescindible en la aplicación de los adhesivos líquidos y pastosos.
El tipo de mojado para un determinado par sólido-líquido,
queda caracterizado por el ángulo de contacto "Z"
que forma una gotita del líquido,
al ser depositada sobre la superficie plana de un sólido.
Existe una relación entre el ángulo "Z"
y la tensión superficial del sólido y del líquido en contacto con aire,
?(s) y ?(l) respectivamente,
y del sólido en contacto con el líquido, ?(sl).
Un buen mojado implica que "Z" sea menor de 90º
y lo más próximo que sea posible a 0º.
En estas condiciones el coseno de "Z" toma valores positivos,
y en consecuencia ?(s)
-la tensión superficial del sólido en contacto con aire-,
ha de ser mayor que ?(sl)
-la tensión superficial del sólido en contacto con el líquido-.
Lo que generalmente implica que la tensión superficial del líquido
sea menor que la energía superficial del sólido.
Esta es una de las razones por la que los polímeros son buenos adhesivos,
mojan bien casi todo, porque tienen una energía superficial muy baja.
La de que el teflón sea antiadherente.
La de que los plásticos sean difíciles de pegar.
O la de que la saliva moje los dientes.
Una vez que el adhesivo ha cubierto la superficie del sustrato
-gracias a su baja tensión superficial-,
se produce la unión adhesiva mediante procesos físicos o químicos,
que consideraremos más adelante,
pero cabe preguntarse:
¿qué fuerzas mantienen unidos el adhesivo solidificado y el sustrato?
La fuerza de atracción entre el sustrato y el adhesivo
es el resultado de uno o varios tipos de interacción.
Algunas de las interacciones, como la adhesión mecánica,
está presente en todos los adhesivos que se aplican
como líquidos o pastas,
y puede tener una contribución a la fuerza de adhesión muy importante.
Otras fuerzas de menor intensidad,
pero que están presentes en todos los tipos de materiales,
son las interacciones dispersivas o por fuerzas de Van der Vaals.
También existen interacciones específicas
que pueden tener o no una contribución significativa,
dependiendo de la naturaleza del sustrato y del adhesivo.
La adhesión mecánica
es una especie de trabazón como el de las piezas de un puzzle,
que se produce como consecuencia
de la rugosidad de las dos superficies de los sustratos.
La adhesión específica
se produce cuando existen enlaces o interacciones fuertes
entre el sustrato y el adhesivo,
tales como enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas,
enlaces iónicos o covalentes, etc.
La interacción por interdifusión
suele estar presente en el pegado de plásticos,
y consiste en que las macromoléculas del plástico
se entremezclan y enredan con las del adhesivo,
formando una especie de unión mecánica a nivel molecular.
¿Y porqué en algunas ocasiones
un adhesivo que en principio es adecuado para un sustrato,
produce una unión adhesiva ficticia que se despega fácilmente?
A menudo la respuesta a esta pregunta,
es que la aplicación del adhesivo ha sido incorrecta.
En la formación de una unión adhesiva podemos distinguir tres etapas:
El tratamiento superficial del sustrato.
La aplicación y dosificación del adhesivo líquido.
Y su curado o solidificación.
Atendiendo a su acción sobre la superficie
se distinguen varios tipos de tratamientos superficiales;
los de limpieza, como el desengrasado,
los abrasivos, como el lijado,
o el tratamiento con chorros de partículas abrasivas,
como las esferas microméticas de vidrio o el corindón,
los de tipo químico, como los de llama,
de plasma de baja presión o la descarga en corona,
y las imprimaciones o recubrimientos
que actúan como intermedio entre el sustrato y el adhesivo.
Los agentes de acoplamiento son una especie de imprimaciones,
que en lugar de aplicar el adhesivo, van incorporados a su formulación.
Para aplicaciones domésticas suele ser suficiente
dosificar directamente el producto desde su envase,
pero para aplicaciones en ingeniería es necesaria una dosificación
más precisa y automatizada,
porque las propiedades de la unión adhesiva,
dependen del espesor de la capa de adhesivo,
y de que este se aplique en el lugar preciso,
a menudo en un área muy pequeña.
Una forma peculiar de aplicación de un adhesivo
consiste en encapsularlo en diminutas ampollas
que recubren la rosca de un tornillo,
de modo que bajo la presión de una tuerca
el adhesivo queda liberado y así, une ambas piezas.
En cuanto al proceso de solidificación o curado del adhesivo,
puede ser de tipo físico
-por evaporación del disolvente o enfriamiento-,
o de tipo químico
-por reacciones de polimerización y entrecruzamiento-.
Cada vez se emplean menos adhesivos en disolventes orgánicos,
por los problemas de toxicidad que genera su evaporación.
Los disolventes orgánicos tienden a ser sustituidos por agua,
dando lugar a adhesivos compatibles solo con sustratos porosos,
como la madera o el papel.
Las colas son emulsiones acuosas que al eliminar disolvente
por evaporación o por absorción sobre el sustrato,
solidifican por coalescencia de las micelas cargadas de polímero.
Están formuladas generalmente con polivinilacetato
y otros copolímeros vinílicos de vinil-alcohol,
cloruro de vinilo, etc.
Los adhesivos que solidifican por enfriamiento
se llaman termofusibles o de tipo Hood Mel.
Tienen la ventaja de no requerir disolventes
y de solidificar rápidamente.
Pero necesitan dosificadores relativamente caros,
y esto limita su expansión comercial.
Los polímeros empleados en los adhesivos de tipo termofusible,
son a menudo copolímeros EVA de etileno y acetato de vinilo,
mezclados con ceras.
También se emplean los adhesivos termofusibles de poliuretano
en la fabricación de calzado.
Y los copolímeros en bloque de estireno y butadieno o isopreno,
en las multicapas de los pañales desechables.
Cuando el proceso de curado es reactivo, caben varias posibilidades.
En algunos casos como la resina Epoxi,
el adhesivo contiene en un recipiente un polímero lineal soluble
y en otro un entrecruzante o un activador de la reacción.
Al mezclar el contenido de los dos recipientes
se inicia la reacción de entrecruzamiento,
que dará lugar a un polímero insoluble y con estabilidad de forma.
La resina Epoxi, como el araldite,
son ejemplos típicos de este tipo de adhesivos bicomponentes.
Pero en general las formulaciones
de los adhesivos monocomponentes de curado reactivo,
contienen uno o varios monómeros,
cuya reacción de polimerización puede ser iniciada calentando la unión,
o irradiándola con luz ultravioleta.
Dentro de este grupo de adhesivos cabe considerar también
dos tipos de curado especialmente curiosos;
Los adhesivos anaeróbicos, son monocomponentes
y sin embargo son absolutamente estables en contacto con el aire,
por que el oxigeno inhibe su polimerización,
lo que los hace especialmente adecuados
para fijar roscas o practicar uniones que no están al aire.
Y los adhesivos cianoacrílicos,
cuya polimerización se inicia con el vapor de agua del aire,
con la particularidad de que es extraordinariamente rápida.
Las aplicaciones que encuentran los adhesivos son incontables.
Para seleccionar el adhesivo adecuado para cada caso,
además del tratamiento superficial que pueda ser necesario,
de la mojabilidad del sustrato por el adhesivo
y de las interacciones sustrato-adhesivo
que determinarán la fuerza y la durabilidad de la unión,
hay otros factores importantes a tener en cuenta,
la forma de la unión, el espesor necesario de la capa de adhesivo,
y naturalmente las condiciones de trabajo de la unión.
Por ejemplo un adhesivo empleado en odontología
debe ser resistente a la humedad,
porque estará permanentemente en contacto con la saliva.
Y también es importante saber a qué tipo de esfuerzos
se va a someter a la unión.
Los adhesivos producidos en mayores cantidades son las resinas fenólicas
que se emplean en la industria de la madera,
junto con las de urea y en parte las vinílicas.
Los elastómeros y los acrílicos
se emplean en los adhesivos sensibles a la presión o autoadhesivos,
cuya aplicación más destacada es el embalaje y etiquetado.
Las resinas Epoxis son los adhesivos estructurales por excelencia.
Y de los demás grupos de adhesivos,
los poliuretanos están experimentando uno de los mayores crecimientos,
al encontrar cada día nuevas aplicaciones.
Los fabricantes de adhesivos se enfrentan con el desafío
de conseguir nuevas formulaciones fáciles de producir y de almacenar,
que curen con rapidez,
con buenas propiedades mecánicas y de adherencia,
compatibles con la miniaturización de los sustratos,
que tengan un buen envejecimiento, que sean baratos,
y que además cumplan con los requerimientos
de las regulaciones medioambientales.
Constantemente salen al mercado nuevos productos,
y en estos momentos se puede decir ya,
que para cada uno de los retos que plantean las nuevas tecnologías
en medicina, automoción, industria aeroespacial, etc.,
es posible diseñar una unión adhesiva que sustituya con ventaja,
a cualquier otro tipo de unión mecánica.