Optimización del adhesivo: estrategias de tratamiento superficial para compuestos termoestables y termoplásticos

El tratamiento superficial —que involucra algún método de tratar, abrasar o limpiar una superficie de pieza o material— puede ser esencial para lograr las propiedades necesarias para un adhesivo exitoso, recubrimiento o incluso pintura. Sin embargo, algunos métodos son más efectivos que otros para ciertos materiales.

Según Giles Dillingham, CEO y científico jefe de BTG Labs (Cincinnati, Ohio, EE. UU.), el tratamiento superficial de materiales para pegado, recubrimiento o sellado debe lograr tres cosas:

1. Limpieza: Reducir contaminantes perjudiciales en la superficie a nivel donde se logra contacto íntimo (nivel molecular) del adhesivo con la superficie. Todo lo que impida este contacto es contaminante que debe eliminarse o reducirse a nivel no amenazante mediante diversas técnicas de limpieza.
2. Activación: La superficie limpia debe ser químicamente activa para formar enlaces químicos primarios o secundarios con el adhesivo. Una superficie limpia pero químicamente inerte no puede formar los enlaces químicos necesarios para adhesión estructural fuerte y fiable.
3. Estabilización: La superficie debe resistir degradación (usualmente oxidación) cuando se expone al entorno de servicio. La limpieza y actividad química de la superficie debe mantenerse hasta la operación real de pegado o recubrimiento.

La importancia relativa de estos tres aspectos depende de la clase de material, según Dillingham. Por ejemplo, los metales tienen energías superficiales muy altas, lo que significa que las superficies son altamente reactivas químicamente y se contaminan rápido. El tratamiento superficial para metales se centra en limpieza y creación de óxido estable. Para materiales compuestos, se necesita enfoque diferente para pegado y recubrimiento exitosos, porque polímeros termoestables y termoplásticos tienen energías superficiales relativamente bajas y, por tanto, no se contaminan tan fácilmente como metales y son relativamente estables durante exposición ambiental. Sin embargo, estas mismas características hacen que adhesivos sean menos propensos a adherirse a compuestos. Como resultado, el tratamiento superficial de compuestos suele centrarse en el segundo factor: aumentar la energía superficial para formar enlace fuerte con adhesivo.

Determinación de energía superficial

Aunque generalmente bajas, las energías superficiales pueden variar en diferentes materiales y piezas compuestas, y los tratamientos superficiales varían accordingly. Según Dillingham, la capacidad de medir rápida y cuantitativamente la energía superficial de un objeto o material es el primer paso importante para diseñar, implementar o entender el tratamiento superficial correcto.

Hay varios enfoques para testar energía superficial; una técnica popular que BTG Labs usa a menudo implica medir el ángulo de contacto formado por una gota de fluido sobre la superficie de prueba. En este método, si el líquido forma gota al contacto con la superficie, indica que no es atraído por la superficie. Probablemente, un adhesivo o pintura tampoco será atraído fuertemente por esta superficie, y la adhesión será mala. La contaminación es una causa para que una superficie repele una gota de líquido así.

Sin embargo, si el líquido se extiende fácilmente en lugar de formar gota, indica que la superficie atrae fuertemente el líquido. Tal superficie tiene alta energía química y, en general, adherirá bien a un adhesivo. Dillingham señala que contaminación con surfactante, como jabón, también hará que líquidos se extiendan en superficie, pero ese mojado inducido por surfactante puede distinguirse fácilmente por la velocidad a que el líquido se extiende.

El ángulo entre una gota de líquido y la superficie —es decir, el ángulo de contacto— pone valor a la atracción de la superficie por el líquido. Hay varios factores que determinan el ángulo de contacto objetivo para buena unión adhesiva en una superficie dada, incluyendo si la adhesión se evalúa mediante junta de cizallamiento solapado o viga de doble voladizo (DCB). Generalmente, ángulos de contacto bajos (0° a ~30-40°) indican superficie limpia, de alta energía, que establecerá buena adhesión a adhesivos y pinturas; ángulos altos (60-90° o más) indican superficie de baja energía o contaminada que generalmente será difícil de pegar. Un ángulo de contacto en rango 40-60° es menos claro: puede indicar superficie menos predeciblemente limpia y lista para pegar que una con ángulo menor, pero no tan cierta de crear uniones débiles como superficie con mediciones por encima de ese rango.

Termoestables vs termoplásticos

Compuestos termoestables (epoxis, poliamidas, bismaleimidas) y termoplásticos (PAEK, PEEK, PEKK, polifenileno sulfuro) tienen características superficiales diferentes y requieren estrategias distintas de preparación superficial.

En algunos casos, Dillingham dice, resinas termoestables pueden beneficiarse de films de superficie diseñados para aumentar reactividad química de la superficie compuesta. Estas superficies suelen mostrar ángulos de contacto con agua en rango 30° tras retirar peel ply y suelen ser pegables. En otros casos donde la superficie polimérica es particularmente no reactiva, ángulos de contacto con agua son 50-60°, y tratamientos superficiales pueden ser necesarios para buena adhesión.

Otra técnica de tratamiento superficial con cierto éxito en compuestos termoestables es abrasión, manual o por chorro de granalla. Según Dillingham, la abrasión funciona porque resinas matriz termoestables son polímeros frágiles que fracturan bajo abrasión por rotura real de cadenas poliméricas creando superficie químicamente activa. Esta superficie puede reaccionar con adhesivo para formar interfaz fuerte y estable. Según composición química del polímero termoestable, la abrasión puede reducir ángulo de contacto con agua en 10° o más, suficiente para buen pegado.

Sin embargo, polímeros termoplásticos se comportan diferente. Como las cadenas poliméricas no están bloqueadas en red rígida por reticulación, Dillingham dice, tienden a fluir —es decir, deformar plásticamente— bajo abrasión, en lugar de fracturar. Aunque un compuesto termoplástico abrasado sea rugoso, sigue químicamente inerte e incapaz de establecer buen enlace con adhesivo, recubrimiento o sellante. Además, ángulos de contacto con agua en estas superficies generalmente no cambian significativamente con abrasión. Para compuestos termoplásticos, tratamientos de plasma pueden ser método efectivo para aumentar energías superficiales. La figura superior muestra resistencia de junta solapada (eje vertical) versus ángulo de contacto (eje horizontal) para PEKK pegado con film adhesivo Solvay 377S. Según datos, limpieza con disolvente, lijado manual y chorro de granalla no mejoraron resistencia de junta en este caso, mientras tratamientos de plasma aumentaron resistencia >30%. Además, muestras tratadas con plasma fallaron cohesivamente en el adhesivo, mientras otras fallaron al menos parcialmente en interfaz adhesivo-sustrato.

Fuertes uniones adhesivas fiables para fines estructurales son alcanzables entre la mayoría de materiales estructurales, concluye Dillingham. Sin embargo, tratamientos superficiales que funcionan bien para una clase de material pueden no ser apropiados para otra; los tratamientos deben diseñarse con características químicas específicas del sustrato y adhesivo en mente. La mayoría de aplicaciones para compuestos termoplásticos requieren tratamientos que aumenten energía superficial incluso más que compuestos termoestables, así que los tratamientos deben abordarse de forma diferente. Combinar tratamientos superficiales con estrategias apropiadas de medición y control asegura que sean efectivos y fiables.