Mecanismos de Adhesión

Cuando queda definido qué es la adhesión y en qué consiste la unión adhesiva, queda por plantearse de qué manera se produce la unión entre las moléculas del adhesivo y la superficie del adherente o sustrato. El mecanismo de la unión adhesiva no se encuentra totalmente definido, aunque existen varias teorías que intentan la explicación del porqué se une el adhesivo al sustrato. Lo que sí parece claro es que no es suficiente una única teoría para explicar el comportamiento de las adhesiones, en función de cuáles sean los sustratos y los adhesivos.

Cada teoría ha estado sujeta a muchos estudios, cuestiones y controversias. Sin embargo, cada una contiene conceptos e informaciones útiles para la comprensión de los requerimientos básicos para una buena unión.

Las teorías más comunes en las que se basa la adhesión son la adsorción, el anclaje mecánico, la difusión y la interacción electrostática[102].

Teoría de la Adsorción

La teoría de la adsorción establece que la adhesión es el resultado del contacto molecular entre dos materiales y las fuerzas de superficie que se producen.

La adhesión es el resultado de la adsorción de moléculas de adhesivo sobre el sustrato, y las fuerzas de atracción que se generan son designadas, comúnmente, como fuerzas secundarias o de van der Waals[103, 104, 105]. Para que estas fuerzas se produzcan, las superficies no deben estar separadas más de cinco angstroms (50 nm). Así pues, el adhesivo debe tener un contacto molecular con la superficie del sustrato.

El proceso por el que se establece el contacto continuo entre el adhesivo y el adherente se conoce como mojado. En principio, el adhesivo o sellante debe ser un líquido o al menos ser suficientemente deformable, de manera que se pueda aplicar fácilmente en la geometría de la junta. Es pues necesario que el adhesivo o sellante fluya, copiando las superficies de los adherentes, tanto a nivel micro como macro. En la Figura 13 se ilustra un buen y un mal mojado de un adhesivo aplicado sobre una superficie. El buen mojado se produce cuando el adhesivo fluye en los valles y crestas de la superficie del sustrato, mientras que se produce mal mojado cuando el adhesivo forma puentes entre las crestas de la superficie, no penetrando en los valles.

La obtención de un buen contacto es fundamental para minimizar o eliminar los defectos interfaciales. Por el contrario, un pobre mojado disminuye el área de contacto entre adhesivo y adherente, creando zonas de tensiones en las pequeñas bolsas de aire a lo largo de la superficie. Esto trae como resultado una menor resistencia del conjunto de la unión.

Las pequeñas bolsas de aire causadas por la rugosidad del sustrato en la intercara, deben ser fácilmente desplazables al aplicarse el adhesivo, tal como se muestra en la Figura 14. Mientras se encuentre en estado líquido el adhesivo debe mojar la superficie del sustrato. Por otra parte, es importante que el adhesivo no se retraiga en su curado, lo que podría producir tensiones indeseables.

Figura 14. Ilustración del mojado de una superficie con la eliminación de las bolsas de aire, posibles iniciadoras de fractura.[106]

El hecho de que los adhesivos comunes no mojen superficies de baja energía explica por qué adhesivos orgánicos, como los epoxi, tengan excelente adhesión sobre los metales, pero ofrezcan una débil adhesión a muchos sustratos poliméricos sin tratar, como el PE, el PP y los fluorocarbonos.

Una vista de la relación entre el mojado y la adhesión se puede ver en la Figura 15, donde se aprecia la diferente curvatura que forma una gota de un adhesivo epoxi en diferentes superficies y como se modifica, por tanto, el ángulo de contacto.

Figura 15. Forma de la gota de un adhesivo epoxi, sin curar, en cuatro sustratos de diferentes valores críticos de tensión superficial. Nótese que, a medida que disminuye el valor de la energía superficial aumenta el ángulo de contacto,

La forma en que se determina si un líquido moja y en qué grado lo hace es a través de la medida del ángulo de mojado (Figura 16). Este ángulo servirá para calcular la energía superficial del sustrato.

Figura 16. Si el ángulo de contacto es mayor de 90º, el líquido no moja la superficie

Una vez que se consigue el contacto íntimo entre el adhesivo y adherente mediante la humectación, se cree que la adhesión permanente se produce, principalmente, mediante fuerzas de atracción molecular. Los cuatro tipos de uniones químicas que participan en el fenómeno de la adhesión y cohesión son: electrostática, covalente y metálica, denominadas uniones primarias, y las fuerzas de van der Waals que se denominan uniones secundarias y que son las causantes del mecanismo de adhesión por adsorción.

Teoría de la Adhesión Mecánica

La superficie de un material sólido nunca se encuentra totalmente pulida, antes bien, se compone de un laberinto de picos y valles. Inicialmente, se creía que la adhesión sólo se producía porque el adhesivo fluía llenándose micro-cavidades sobre el sustrato. Cuando el adhesivo se endurece, los sustratos se mantienen unidos mecánicamente. Según la teoría de la adherencia mecánica, para funcionar correctamente, el adhesivo debe penetrar en las cavidades de la superficie, desplazando el aire atrapado en la intercara, y produciendo un bloqueo mecánico sobre el sustrato[28, 104].

Así pues, una forma en la que la rugosidad superficial ayuda a la adherencia es aumentando el total de superficie de contacto entre el adhesivo o sellador y el adherente. Si las atracciones interfaciales o intermoleculares son la base para la adhesión, un aumento importante del área de la superficie de contacto aumentará la energía total de superficie de interacción de forma proporcional.

El anclaje mecánico del adhesivo parece ser un factor fundamental en la unión de muchos sustratos porosos. Los adhesivos con frecuencia también se unen mejor a superficies

rugosas y no porosas que a superficies naturales. Este efecto beneficioso de la superficie rugosa puede deberse a:

• Enclavamiento mecánico

• Formación de una superficie limpia

• Formación de una superficie altamente reactiva • Formación de una superficie de mayor área

Es una opinión generalizada que, aunque la superficie se vuelve rugosa debido a la abrasión, se trata de un cambio tanto en las propiedades físicas como químicas de la capa superficial que produce un aumento en la fuerza adhesiva. Si bien algunas aplicaciones de adhesivos se explican por la teoría mecánica, se ha demostrado que los efectos de este mecanismo no son siempre los de primera importancia.

Teorías Electrostática y de Difusión

Las teorías electrostática y de difusión, por lo general no son tan consideradas como la teoría de adsorción o la teoría mecánica en lo que se refiere a la adhesión donde, al menos uno de los sustratos es un metal. Sin embargo, existen ciertas aplicaciones en las que es más apropiado tener en cuenta esas dos teorías[107].

La teoría electrostática establece que se forman fuerzas electrostáticas en la intercara adhesivo-adherente en forma de una doble capa eléctrica. Estas fuerzas cuentan para la resistencia a la separación. Esta teoría se apoya en el hecho de las descargas eléctricas que se han observado cuando una unión adhesiva se somete a esfuerzos de pelado.

La teoría de la adherencia electrostática es considerada como una teoría especialmente aplicable para la adhesión biológica de las células.

El concepto fundamental de la teoría de la difusión es que la adhesión se plantea mediante la difusión de las moléculas entre el adhesivo y el adherente.

La teoría de la difusión es aplicable cuando tanto el adhesivo como el adherente son polímeros, siendo compatibles las cadenas largas de las moléculas con la capacidad de movimiento. La clave es que el adhesivo y el adherente deben ser químicamente compatibles en términos de difusión y miscibilidad.