60 INSUMOS Foto: image.musclemustangfastfords.com Adhesivos Estructurales: Alternativa Potente y Eficaz para la Unión de Metales Paola Andrea Ruiz Rojas Periodista Metal Actual Resisten esfuerzos de corte mayor a 1.000 psi en metales. Los sistemas de unión y sellado para metal, diferentes de las fijaciones convencionales como tornillos, tuercas, remaches y soldaduras, han ido ganando terreno en industrias como la metalmecánica y permiten la construcción de estructuras y montajes más resistentes y livianos. Como adhesivo, se definen todas aquellas sustancias químicas que pueden ser aplicadas entre las superficies de dos materiales, para lograr así, la unión resistente de los mismos e imposibilitar su separación. Aunque los desarrollos más importantes en este campo se han venido generando desde finales del siglo XIX, los conocedores del tema afirman que la historia de los adhesivos es tan antigua como la de la humanidad misma y que desde siempre se han utilizado elementos naturales como sustancias adhesivas. El surgimiento de las industrias fabricantes de adhesivos se dio hacia la primera mitad del siglo XX, con la aparición de materiales como los epoxis, las resinas
INSUMOS 61 anaeróbicas y los cianoacrilatos, sustancias químicas que revolucionaron el tema del sellado de superficie. La evolución de los adhesivos ha sido tal, que hoy en día existen sistemas de unión de materiales -que compiten directamente con soluciones convencionales de fijación y sellado-, y que son utilizados en áreas tan complejas como la aeronáutica, aeroespacial, marina, metalmecánica y electrónica entre muchas otras. En un futuro no muy lejano, estos materiales para la adhesión ganarán terreno frente a las fijaciones de tipo mecánico y podrán incluso reemplazarlas en muchas aplicaciones. Composición de los Adhesivos La composición de los adhesivos, varía según su uso y referencia, sin embargo existen elementos que se hacen presentes en la gran mayoría de las soluciones adhesivas. Polímero: es el elemento encargado de formar la masa del adhesivo y contribuir a su resistencia. Solvente: posibilita que el adhesivo tenga un estado líquido. Cargas: se agregan para mejorar las condiciones de fluidez y resistencia al despegue. Adhesivadores: son las sustancias que contribuyen al pegado. Plastificantes: imparte flexibilidad al adhesivo Aditivos Varios: entre aditivos más comúnmente utilizados se encuentran los retardadores de inflamación, estabilizadores de luz, colorantes y agentes de control de viscosidad. Los anteriores componentes sumados a otras sustancias y al estudio de la naturaleza y propiedades del adhesivo y del adherente o sustrato, ha permitido el desarrollo de una amplia gama de soluciones adhesivas, desde aquellos creados para el uso doméstico, como los fabricados para el sector industrial. Estructurales, Pegando con Fuerza Industrial Específicamente para unir metales se emplean los adhesivos estructurales. El término Adhesivo estructural, se refiere a aquellos adhesivos Estabilidad al Calor Termoplásticos :son aquellos que se ablandan y fluyen cuando son calentados y se solidifican al enfriarse. Termoendurecibles: que no se ablandan con el calor y por el contrario corren el riesgo de carbonizarse al someterse a elevadas temperaturas. capaces de soportar grandes cargas tanto dinámicas como estáticas; poseen una resistencia al esfuerzo de corte mayor a 1.000 psi, lo que permite un excelente desempeño de la unión. Ofrecen además, muy buena resistencia a la fuerzas de corte y fatiga, así como a la exposición ambiental, altas temperaturas, corrosión y ataque químico. Son soluciones más livianas que otras uniones como por ejemplo las mecánicas tornillos, remaches, tuercas entre otras, lo que contribuye a Foto: cfnewsads.thomasnet.com Clasificación General de los Adhesivos Composición Química De tipo o fuente animal: creados con proteínas animales. De tipo o fuente vegetal: hechos a base de almidones Sintéticos: basados en materiales producidos por la industria química. Método de Curado Curados mediante solidificación. Curados por evaporación de solvente. Curados por reacción química (dentro de esta clasificación existen los de tipo anaeróbico, los de exposición a luz ultravioleta, los de reacción anionica, curado húmedo y sistemas de activación). Requerimientos de Uso Adhesivos selladores: que se aplican para evitar el paso de fluidos a través de las juntas. Los adhesivos de sostén creados para soportar el peso del adherente o material a pegar. Los adhesivos estructurales desarrollados para el soporte de cargas mayores que el peso del adherente. eliminar las concentraciones de tensión que generan daños en las piezas. Generalmente, se utilizan para pegar superficies pequeñas, piezas rígidas, plásticos, metales, elastómeros (polímeros que cuentan con la particularidad de ser elásticos pudiendo incluso, recuperar su forma luego de ser deformado) y otros materiales en los que se requiere que el adhesivo sea parte de la estructura de los sustratos a pegar, mantenga su rigidez y soporte las cargas. Según Alejandro Gómez, Coordinador de Mercadeo, División Cintas y Adhesivos Industriales de 3M La utilización de adhesivos estructurales en estructuras metálicas, posibilita el mejoramiento de los diseños, ya que los pegues o juntas no requieren elementos de fijación mecánica que a veces son difíciles de esconder. Foto: actituds.files.wordpress.com/
62 INSUMOS Colombia, este tipo de adhesivos se constituye como una de las mejores opciones para el pegado de metales por cuanto une materiales disímiles, distribuye uniformemente las cargas, evita puntos de stress, amortigua la vibración y no daña los sustratos que adhiere. Clasificaciones y Usos Los primeros adhesivos de este tipo, aparecieron hacia la década de los 50 y fueron creados con base en resinas termoestables fenólicas y epoxis a los que se les adicionaba un elastómero o caucho sintético para proporcionarles flexibilidad. Los adhesivos pueden ser monocomponentes o bicomponentes, los primeros curan por efecto de la humedad, mientras que los segundos curan por la mezcla entre una base y un catalizador. Dentro de los adhesivos estructurales más comúnmente utilizados se hallan los epóxicos, los uretanos y los acrílicos. Foto:/www.esacademic.com De acuerdo a la utilización y requerimientos industriales, los adhesivos pueden representar una excelente solución para la fijación de metales con metales, o con diferentes sustratos. Epóxicos Uretanos Acrílicos Adhesivos estructurales valoración comparativa Ventajas Desventajas Son los productos más antiguos y utilizados en el mercado Presenta la mayor fuerza y resistencia a las temperaturas elevadas La mejor combinación para unir metales, plásticos y gomas Para productos Rígidos, para productos flexibles Para productos Reforzados Alta adhesión final Durabilidad Contracción del 2 % Presentación en diferentes colores Buena flexibilidad y resistencia al impacto Adecuados para unir goma, plásticos y madera Muy buena resistencia a la temperatura en metales y plásticos Alta resistencia al esfuerzo de corte y pelado en metales y plásticos Une rápidamente la mayoría de metales Resistencia al impacto y durabilidad Pueden unir sobre superficies levemente aceitosas Fácil aplicación Excelente adhesión final Curado Rápido Une un amplio rango de sustratos, desde acero inoxidable, gomas, plástico, hasta madera y cerámicas Exige preparación de superficies Los ciclos de curado dependen de los componentes del adhesivo. No se recomienda su uso en metales desnudos ni cristales. Menor adhesión final que los epoxis Preparación de superficies Contracción del 7% Sin embargo y como lo afirma Gómez, antes de elegir entre cualquiera de los adhesivos estructurales comúnmente comercializados uretanos, acrílicos o resinas epoxi, se debe precisar aspectos tan relevantes como para qué se necesitan, el tipo de entorno o condiciones ambientales (temperatura y humedad) al momento de la aplicación y las condiciones y esfuerzo a las que estará sometida la unión durante su vida útil, es decir, se debe conocer a fondo los requerimientos y necesidades del cliente, para ofrecer el producto adecuado. Los adhesivos estructurales cuentan con algunas propiedades adhesivas importantes como: la fuerza de adhesión dada por la unión entre el adhesivo y el sustrato, la cohesión o fuerza interna del adhesivo, y la flexibilidad que le permite adaptarse a movimientos como el impacto o dilatación térmica.
Máximo Desempeño Sin duda alguna, una de las preguntas más frecuentes que deben resolver quienes brindan asesoría en el tema de adhesivos, es precisamente, cómo lograr el máximo desempeño de estos elementos de unión. El adecuado desempeño de un adhesivo depende de varios factores: Selección: Escoger acertadamente el adhesivo, determina el éxito de las uniones. Existen criterios de selección que se debe tener en cuenta, como el tipo de sustrato que se va a unir, el tipo de anclaje que se necesita, y los requerimientos del industrial. Es importante conocer además que cada adhesivo cuenta con características específicas (conjunto de interacciones físicas y químicas que tienen lugar en la interfase adhesivo/adherente) que determinan la perdurabilidad de las uniones. Al conocer las propiedades mecánicas del adhesivo se puede evaluar y, por lo tanto, predecir el comportamiento mecánico de una unión adhesiva. De igual forma, es importante que previamente a la selección, se establezca la naturaleza y la magnitud de los esfuerzos que se esperan durante la vida útil de la unión, pues estos datos influyen directamente en la decisión del tipo de adhesivo que se debe emplear. Adhesivos Estructurales Vs Fijadores Mecánicos Adhesivos Estructurales Unen materiales disímiles Distribución uniforme de cargas (elimina puntos de stress que existen en tornillos, remaches y soldadura) No daña a los sustratos (rellena, protege, aísla y evita daños térmicos) Permite una unión delgada en metales Une y sella simultáneamente Amortigua la vibración y aísla el sonido Reduce la corrosión galvánica Mejora la apariencia y permite diseños únicos No es necesario perforar la superficie Reduce ruido y otros riesgos a empleados (Aplicación de soldadura) Fijadores Mecánicos Pruebas visuales de los accesorios. Percepción de fuerza y durabilidad con sujetadores mecánicos. Manejo inmediato. Inalteración de desempeño sobre un amplio rango de temperaturas y humedad. Materiales económicos (tornillos/remaches/clavos). Mínima preparación de superficie. Bajo desorden / limpieza. Todos los fabricantes de adhesivos suministran los datos técnicos de sus productos con valores de ensayos normalizados, estos datos son de gran ayuda a la hora de seleccionar un adhesivo y predecir su comportamiento; sin embargo hay que tener en cuenta que sólo son comparables entre sí, los resultados obtenidos mediante un mismo tipo de ensayo. Por lo tanto los expertos recomiendan,
64 INSUMOS que antes de la utilización de cualquier tipo de adhesivo, se realicen pruebas propias, con el fin de establecer si el adhesivo seleccionado funciona adecuadamente. Diseño de las uniones: La construcción inadecuada de uniones o juntas influye directamente en el anclaje del adhesivo en el sustrato, por ello los industriales deben, si es posible, trabajar de la mano de diseñadores para crear las juntas o pegues adecuados que posibiliten el uso de adhesivos. En este proceso se debe tener en cuenta propiedades como, las tolerancias de montaje (holguras), los tiempos de manipulación requeridos y los límites aceptables para cualquiera de tales pruebas. Existen además, otras consideraciones que se deben tener en cuenta para el diseño adecuado de juntas como por ejemplo, utilizar siempre la mayor área posible, respetando las limitaciones de costo de la aplicación, alinear correctamente las uniones de modo que las tensiones puedan ser absorbidas en la dirección de mayor resistencia de la unión, maximizar esfuerzos de cortadura Foto: 3M y minimizar esfuerzos de rotura y de desgarramiento, así como evitar partes con curvaturas complejas. Preparación de superficies: Las superficies en las que se vaya a aplicar el adhesivo, deben tener una preparación previa con la que se logre la limpieza total de materiales como aceites de protección y procesamiento, capas de óxido, huellas dactilares, polvo y humedad, ya que estos factores impiden la adhesión del material a los sustratos. El Este tipo de aplicadores de pistola, ayudan a optimizar el producto y mejorar el método de aplicación. grado de limpieza debe responder a los requerimientos del adhesivo, mientras mejor sea la preparación de la superficie, mayor será la mojabilidad del adhesivo. Algunos metales que presentan grandes niveles de suciedad, oxido o grasa, deben someterse a tratamientos adicionales a la limpieza como lijado, chorro de arena, tratamientos químicos, eléctricos, de flameado, entre otros, según sea la necesidad de preparación de la superficie. Soluciones de diseño para ensambles adheridos Correcto Incorrecto Correcto Incorrecto Cuadro orientativo con soluciones de diseño a los problemas de ensamblaje que pueden darse en cada caso práctico.
Sin embargo, algunas industrias han desarrollado tecnologías de adhesivos para metales que requieren menor preparación superficial, inclusive con buen desempeño en metales grasosos. Tiempos de trabajo: Para que se pueda generar uniones estructurales firmes y potentes, se deben respetar las cuatro fases o etapas del proceso de adhesión. El incumplimiento de los tiempos de trabajo modifica la capacidad de adhesión. - Worklife (Tiempo o Vida Laboral): Es el tiempo durante el cual las piezas pueden ser reposicionadas, luego de ser aplicado el adhesivo. Durante esta fase el adhesivo no posee resistencia, es aún líquido, por lo que reposicionar las piezas no implica romper la unión. - Clamp/Fixturing Time (Tiempo de Fijación): Lapso durante el cual las piezas deben mantenerse unidas por algún elemento (pieza mecánica, propio peso, entre otros) antes de tener la fuerza suficiente para mantenerse unidas por la unión adhesiva. Este tiempo varía según cada aplicación particular. Durante esta etapa, el adhesivo pasa de un estado líquido a gel y eventualmente a un plástico termoestable. Si en esta etapa se intenta reposicionar, la unión adhesiva puede romperse, y sus partes no podrán volver a unirse. - Handling Strength (Manejo de Fuerza): Es el tiempo que transcurre entre el momento en el que las piezas unidas ya no requieren soporte y el curado final. Generalmente el cliente no reconoce la diferencia entre handling strenght y curado final, por lo que es importante tener en cuenta que el curado total se da cuando la adhesión se ha generado en su totalidad, Foto: Cortesía 3M Los adhesivos cuentan con tres propiedades adhesivas importantes la fuerza o resistencia; la cohesión, es decir, la fuerza interna del adhesivo y la flexibilidad o la habilidad de movimientos.
66 INSUMOS Mercado Aparatos Eléctricos Construcción Electrónica Accesorios Marina Oficina Deportes Transporte Utensilios Letreros Fuente: 3M Colombia mientras que en la fase handling strengt aún el adhesivo no ha adquirido la resistencia final. - Full Cure (Curado Total): Es la cuarta y última fase. En esta etapa se logra la resistencia final del adhesivo. Los tiempos de curado final varían según el producto. Se puede acelerar este tiempo mediante calor (se acelera la reacción química). Aplicaciones Ensamblado y pegado de cojinetes, tubos deretorno, válvulas, paletas de ventilador, forros y manijas en refrigeradores, lavadoras, secadores yaire acondicionado. Marcos de metal de ventanas y paneles. Bocinas, relays, controles, bobinas sincrotron, gabinetes, estator de motores, pegado de imanes y forros. Grifos, regadores de césped, pipas y rociadores para grifos. Cubiertas de aluminio, travesaños, gabinetes y pegado de fibra de vidrio. Divisores y muebles de metal. Palos de golf, miras telescópicas para rifles, cascos y raquetas de tenis. Ensamblado de tanque de combustible, luces delanteras, forros de frenos, copas de llantas, remolques, mantenimiento. Cuchillos y tenedores hechos de metal y madera. Unión de metal y plásticos. Avisos y señales de tránsito Aplicaciones Debido a su comportamiento y a su funcionalidad, los adhesivos estructurales son utilizados para unir piezas de plástico, metales ferrosos y no ferrosos, metales nobles y elastómeros, entre otros. En la actualidad, son ampliamente usados en industrias como la automotriz, la metalmecánica, la aeronáutica, la aeroespacial, la electrónica, la energía renovable, la construcción, materiales médicos y odontológicos, ingeniería naval, transporte, entre otros. Prestaciones y Periféricos Las presentaciones de los adhesivos varían de acuerdo a las industrias que los fabrican, sin embargo se pueden encontrar cartuchos desde 50 milímetros, hasta tambores de diversos tamaños de acuerdo a los requerimientos del sector industrial. Para su aplicación no se requiere de periféricos especiales, de hecho, algunas de las presentaciones están pensadas para que su aplicación se haga directamente del cartucho con mediante la utilización de boquillas mezcladoras que aseguran la proporción exacta de la mezcla, otros adhesivos se usan con la ayuda de pistolas manuales o neumáticas de fácil manejo. Para industrias con grandes líneas de producción se puede adaptar una estación donde se aplique el adhesivo mediante máquinas diseñadas para tal fin y de acuerdo a las necesidades empresariales. Este tipo de montaje más especializado es asesorado por los expertos en el tema. Los últimos desarrollos en el tema de adhesivos estructurales, sumado a las ventajas que ofrecen y a los precios que manejan, han permitido que este sector industrial, se posicione como uno de los preferidos en cuanto a sistemas de fijación en la industria nacional, de hecho, las cifras demuestran que año a año, el crecimiento en ventas de adhesivos, aumenta considerablemente. Foto: /www.basqueresearch.com Para muchos desarrollos médicos se utilizan adhesivos de alto impacto, ya que ofrecen gran capacidad de adherencia y posibilita diseños estéticos y funcionales. Fuentes Alejandro Gómez Gutiérrez. Coordinador de Mercadeo, División de Cintas y Adhesivos Industriales, 3M Colombia. agomezgutierrez@ mmm.com Los nuevos materiales en la construcción, Antonio Miravete. Editorial Reverté S.A. 3ra Reimpresión, enero de 2002. Impreso en España. Seminario sobre adhesivos. Mario Madrid Vega. Departamento Técnico LOCTITE www.3m.com.co - www.gestandoideas.com.ar