UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES CARACTERIZACIÓN DE LA ADHESIÓN DE COMPONENTES SOBREINYECTADOS METAL-POLÍMERO Realizado por: Mauricio Sepúlveda Jiménez INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Sartenejas, Octubre de 2009.

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES CARACTERIZACIÓN DE LA ADHESIÓN EN COMPONENTES SOBREINYECTADOS METAL-POLÍMERO. Realizado por: Mauricio Sepúlveda Jiménez Bajo la tutoría de: Prof. María Virginia Candal Pazos Dr. Miguel Ángel Sánchez-soto Aprobado por: Prof. Mary Torres Sartenejas, 13/10/2009

CARACTERIZACIÓN DE LA ADHESIÓN EN ESTRUCTURAS SOBREINYECTADAS METAL/POLÍMERO. Realizado Por: Mauricio Sepúlveda Jiménez. RESUMEN La actual crisis económica que sufre el sector automotriz ha obligado a las grandes ensambladoras y a los proveedores de primera línea a optimizar al máximo sus procesos de producción. El proyecto MetPol forma parte de esta tendencia, pues tiene como objetivo fundamental sustituir los métodos de conformado convencionales en piezas acero/polímero, por la adhesión directa mediante sobreinyección. Para tales fines, se planteó promover la unión entre PP copolímero y la PA6 sobre un sustrato de acero de bajo carbono. A fin de obtener la mejor unión adhesiva, se estudió la combinación de diferentes métodos: se variaron los parámetros de inyección; se realizaron diferentes tratamientos superficiales sobre el sustrato metálico; se varió la temperatura del sustrato mediante flameado; se estudió el efecto del PP-f-AM como agente acoplador en PP copolímero en proporciones de 5 y 15% y se aplicaron dos organosilanos sobre el sustrato metálico. De todo lo anterior, se pudo observar que para ambos polímeros resulta imprescindible el empleo del flameado del sustrato metálico para el desarrollo de uniones adhesivas; en el caso del PP copolímero, solo se alcanza la adhesión cuando es mezclado con el PP-f-AM. La adhesión de las estructuras híbridas se caracterizó a través de ensayos de pelado a 10 mm/min, SEM y microscopía óptica; se midió también la rugosidad de las placas metálicas con diferentes tratamientos superficiales. Para el PP copolímero, no se observó una variación importante en la tenacidad de la unión adhesiva para las diferentes proporciones de PP-f-AM; mientras que los tratamientos superficiales presentaron un efecto similar sobre ambos pares de materiales, desarrollándose la mejor unión adhesiva para el ataque químico, seguida del lijado, el granallado y el desengrasado. Se debe resaltar también que la adhesión directa metal/polímero resulta considerablemente superior al empleo de organosilanos como agentes compatibilizantes, por lo que son descartados para una aplicación industrial. De los resultados obtenidos se puede concluir que el PP copolímero desarrolla mejores uniones adhesivas en comparación con la PA 6, pues este último no fue modificado con ningún agente acoplador. Se puede afirmar también, que la adhesión directa metal/polímero mediante sobreinyección es un proceso que puede ser aplicado a nivel industrial y que podrá representar un gran ahorro en costos de producción.

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

vi ÍNDICE GENERAL Pág. CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO II OBJETIVOS... 3 2.1 OBJETIVO GENERAL... 3 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 3 CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO... 4 3.1 ADHESIÓN: CARACTERÍSTICAS, MECANISMOS Y FALLAS... 4 3.1.1 Energía superficial y contacto interfacial íntimo... 4 3.1.2 Teorías de adhesión... 6 a) Adhesión mecánica... 6 b) Modelo del enlace químico... 7 c) Modelo de la difusión... 7 d) Modelo termodinámico o teoría de Absorción... 8 e) Teoría de atracción de carga eléctrica:... 8 3.1.3 Mecanismos de falla de las uniones adhesivas... 9 3.1.4 Teoría de las capas débiles... 10 3.2.1 Corrosión de aceros de bajo carbono... 11 3.2.2 Óxidos presentes sobre el acero por efecto de la corrosión atmosférica.. 11 3.2.3 Tratamientos superficiales... 14 a) Limpieza con solventes... 14 b) Limpieza con ácidos... 15 c) Acabado superficial... 16 3.3 TOPOGRAFÍA Y MEDICIÓN DE RUGOSIDAD... 17 3.4 PRIMERS O AGENTES COMPATIBILIZANTES... 18

vii 3.5 ANTECEDENTES... 21 3.6 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO... 24 CAPÍTULO IV METODOLOGÍA EXPERIMENTAL... 26 4.1 MATERIALES... 26 4.2 EQUIPOS... 28 4.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL... 31 4.3.1 Preparación de resinas... 31 4.3.2 Tratamientos superficiales en láminas de acero... 31 a) Desengrasado con solventes... 31 b) Lijado... 32 c) Granallado... 32 d) Ataque químico... 32 e) Preparación y aplicación de silanos.... 32 4.3.3 Sobreinyección metal/polímero... 33 4.3.4 Calentamiento de probetas y medición de temperatura superficial.... 38 4.3.5 Preparación de probetas para ensayos de pelado... 39 4.3.6 Ensayos de pelado... 40 4.3.6 Microscopía óptica... 44 4.3.7 Microscopía electrónica de barrido... 45 CAPÍTULO V RESULTADOS Y DISCUSIONES.... 48 5.1. EFECTO DE TRATAMIENTOS SUPERFICIALES SOBRE PLACAS DE ACERO DE BAJO CARBONO... 48 5.2. VARIACIÓN DE LA FUERZA DE UNIÓN ADHESIVA EN DIFERENTES SECCIONES DE LA PLACA METÁLICA... 50 5.2.1 Efecto del flameado sobre los resultados de la unión adhesiva desarrollada 54 5.2.2 Efecto del enfriamiento del polímero sobre la adhesión desarrollada.... 54

viii 5.3 RESULTADO DE DESARROLLO DE ADHESIÓN PP COPOLÍMERO-ACERO DE BAJO CARBONO... 57 5.3.1 Mecanismos de adhesión en probetas híbridas PP copolímero/acero de bajo carbono... 58 5.3.2 Ensayos de pelado y mecanismos de falla en probetas híbridas PP copolímero/acero bajo... 61 5.3.3 Tenacidad de unión adhesiva para probetas sobreinyectadas con PP mezclado con 15% de PP-f-AM sin la aplicación del agente compabilizante Z- 6030 69 5.3.4 Tenacidad de unión adhesiva para probetas sobreinyectadas con PP mezclado con 5% de PP-f-AM... 74 5.4 RESULTADOS DEL DESARROLLO DE UNIÓN ADHESIVA PP COPOLÍMERO- ACERO CON LA APLICACIÓN DEL SILANO Z-6030... 78 5.4.1 Mecanismos de adhesión en probetas imprimadas con Z-6030... 79 5.4.2 Ensayos de pelado y mecanismos de falla en probetas híbridas PP copolímero/acero bajo carbono con la aplicación de Z-6030... 79 5.4.3 Tenacidad de unión adhesiva para probetas imprimadas con Z-6030 y sobreinyectadas con PP mezclado con 5% de PP-f-AM... 82 5.5 RESULTADOS DEL DESARROLLO DE UNIÓN ADHESIVA PA6/ACERO DE BAJO CARBONO... 85 5.5.1 Mecanismos de adhesión PA6/acero de bajo carbono... 85 5.5.2 Ensayos de pelado y mecanismos de falla en probetas híbridas PA6/acero bajo carbono... 86 5.5.3 Tenacidad de unión adhesiva para probetas sobreinyectadas con PA6.... 89 5.6 RESULTADOS DEL DESARROLLO DE UNIÓN ADHESIVA PA6/ACERO DE BAJO CARBONO CON LA APLICACIÓN DE Z-6032... 91 5.6.1 Mecanismos de adhesión y falla en probetas híbridas PA6/acero bajo carbono con la aplicación de Z-6032.... 92 5.6.2 Tenacidad de unión adhesiva para probetas silanizadas sobreinyectadas con PA6. 94 5.7 COMPARACIÓN ADHESIÓN PP-ACERO VS PA 6-ACERO... 96 CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 98

ix 6.1 CONCLUSIONES.... 98 6.2 RECOMENDACIONES.... 100 CAPÍTULO VII REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 101 APÉNDICE... 105 APÉNDICE A: ECUACIONES UTILIZADAS... 105 A.1 Cálculo de promedios... 105 A.2 Cálculo de la desviación estándar... 105 A.3 Propiedades tensiles... 105 APÉNDICE B: Ejemplo de cálculo de la tenacidad de unión adhesiva ( Ga ).. 106 APÉNDICE C: RESULTADOS DE ENSAYOS DE PELADO Y TENACIDAD DE UNIÓN ADHESIVA PARA PP COPOLÍMERO/ACERO DE BAJO CARBONO... 112 Apéndice C.1: Resultados para PP copolímero mezclado con 5% de PP-f-AM. 112 Apéndice C.2: Resultados para PP copolímero mezclado con 15% de PP-f-AM 113 Apéndice C.3: Resultados para PP copolímero mezclado con 5% de PP-f-AM sobreinyectado en probetas funcionalizadas con Z-6030... 114 APÉNDICE D: RESULTADOS DE ENSAYOS DE PELADO Y TENACIDAD DE UNIÓN ADHESIVA PARA PROBETAS DE PA6/ACERO DE BAJO CARBONO... 115 Apéndice D.1: Resultados para probetas PA6/acero de bajo carbono... 115 Apéndice D.2: Resultados para probetas de acero silanizadas sobreinyectadas con PA6... 116 APÉNDICE E: RESULTADOS DE ENSAYO DE RUGOSIDAD PARA PROBETAS CON DIFERENTES TRATAMIENTOS SUPERFICIALES... 117

x ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.1 Propiedades físicas y características de proceso de polímeros utilizados... 27 Tabla 4.2 Características de silanos organofuncionales... 28 Tabla 4.3 Características de equipos utilizados... 28 Tabla 4.4 Condiciones de procesamiento para el mezclado del PP-f-AM.... 31 Tabla 4.5 Parámetros de proceso de PP... 35 Tabla 4.6 Rango de variación de parámetros de proceso... 35 Tabla 4.7 Parámetros de inyección base para PA6... 38 Tabla 5.1 Desarrollo de uniones adhesivas PP copolímero-acero... 57 Tabla 5.2 Desarrollo de uniones adhesivas PP copolímero-acero en probetas metálicas silanizadas... 78 Tabla 5.3 Resultados del desarrollo de uniones adhesivas con la aplicación de silanos... 85 Tabla B.1 Curva E1 con su respectivo error asociado... 109 Tabla B.2 Curva E2 con su respectivo error asociado... 109 Tabla B.3 Curva E1 con su respectivo error asociado... 111 Tabla B.4 Curva E2 con su respectivo error asociado... 111 Tabla C.1 Resultados ensayos de pelado probetas con diferentes tratamientos térmicos... 112 Tabla C.2 Resultados de tenacidad de unión adhesiva... 113 Tabla C.3 Resultados ensayos de pelado probetas con diferentes tratamientos superficiales... 113 Tabla C.4. Resultados de tenacidad de unión adhesiva promedio.... 114 Tabla C.5 Resultados ensayos de pelado probetas con diferentes tratamientos superficiales... 114 Tabla C.6 Resultados de tenacidad de unión adhesiva promedio.... 115 Tabla D.1 Resultados ensayos de pelado probetas con diferentes tratamientos superficiales... 115 Tabla D.2 Resultados de tenacidad de unión adhesiva promedio... 116 Tabla D.3 Resultados ensayos de pelado probetas con diferentes tratamientos superficiales... 116 Pág.

xi Tabla D.5 Resultados de tenacidad de unión adhesiva promedio.... 116 Tabla E.1 Parámetros de rugosidad para diferentes tratamientos superficiales.... 117

xii ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura 3.1 Esquema para la mojabilidad líquido/sólido... 5 Figura 3.2 Modelo de Anclaje Mecánico... 7 Figura 3.3 Difusión entre dos polímeros a través de la interfaz de contacto... 8 Figura 3.4 Esquema de los planos de carga en una interfase... 9 Figura 3.5 Tipos de falla en uniones adhesivas... 9 Figura 3.6. Esquema de los siete tipos de zonas débiles según Bikerman... 10 Figura 3.7 Estructura de superficie metálica en vacío y en contacto con la atmósfera... 13 Figura 3.8 Esquema del proceso de granallado... 16 Figura 3.9 Esquema de la topografía de una superficie metálica... 17 Figura 3.10 Estructura de organosilanos... 18 Figura 3.11 Hidrólisis de trialcoxisilano... 19 Figura 3.12 Reacción de silanoles con sustrato inorgánico... 20 Figura 3.13 Estructura típica de silanos en superficie inorgánica... 20 Figura 3.14 Esquema final de interface e interfase formada por agente compatibilizante... 21 Figura 4.1 Estructura química del PP-f-AM... 27 Figura 4.2 Extrusora utilizada en mezcla de polímeros (A) Esquema, (B) Fotografía.... 30 Figura 4.3 Inyectora Mateu&Solé Meteor 70/22.... 30 Figura 4.4 Probetas silanizadas con Z-6030... 33 Figura 4.5 Molde de placa con entrada tipo abanico... 34 Figura 4.6 Características y dimensiones de la placa inyectada para el PP.... 34 Figura 4.7 Ubicación de placa de acero en molde... 36 Figura 4.8 Procedimiento de flameado de la placa metálica... 37 Figura 4.9 Colocación de probeta de acero en placa fija del molde... 38

xiii Figura 4.10 Zona de unión adhesiva a medida que se prolonga el tiempo de flameado... 39 Figura 4.11 Preparación de probetas para ensayo de pelado... 40 Figura 4.12 Esquema de ensayo de pelado a 180º... 41 Figura 4.13 Esquema ideal de un ensayo de pelado... 41 Figura 4.14 Seguimiento del ángulo de pelado para diferentes probetas... 43 Figura 4.15 Evolución de ensayo de pelado acero/pp(15% PP-f-AM) 45 Figura 4.16 Ejemplo de microscopía óptica en superficie de fractura en probetas de acero/pp (15% PP-f-AM).... 44 Figura 4.17 Probetas metalizadas para SEM... 45 Figura 4.18 Ejemplo de micrografías obtenidas por SEM... 45 Figura 4.19 Placa de 1 mm de espesor.48 Figura 4.20 Ejemplo de nodo Lateral y Central seleccionados de la placa para el estudio del enfriamiento de la placa en la interfase de unión... 47 Figura 5.1 Topografía de probetas con diferentes tratamientos superficiales... 48 Figura 5.2 Superficie de placa atacada químicamente. 3000X. Se resaltan en azul las estructuras ajenas a la naturaleza del metal.... 49 Figura 5.3 Superficie de placa de acero granallada.3000x. Se resaltan en azul las estructuras ajenas a la naturaleza del metal.... 50 Figura 5.4 Fuerza adhesiva promedio para las diferentes zonas de una probeta obtenida mediante sobreinyección... 52 Figura 5.5 Ensayo de pelado para probetas correspondientes a las zonas de una placa sobreinyectadas con PP copolímero mezclado con 15% de PP-f-AM.... 53 Figura 5.6 Llenado tipo fuente de placa sobreinyectadas... 55 Figura 5.7 Perfil de temperaturas en placa inyectada con PA 6... 56 Figura 5.8 Reacción entre hidróxidos superficiales y PP-f-AM... 60 Figura 5.9 Formación de enlaces secundarios en la interfaz polímero-metal.... 61 Figura 5.10 Ensayo de pelado sobre probeta atacada químicamente y sobreinyectada con PP copolímero mezclado con 5% de PP-f-AM... 62

xiv Figura 5.11: Ensayo de pelado probeta desengrasada sobreinyectada con PP copolímero en mezcla con 15% de PP-f-AM.... 64 Figura 5.12 Ensayo de pelado para una probeta de acero desengrasada y sobreinyectada con PP copolímero en mezcla con 15% de PP-f-AM.... 66 Figura 5.13 Diferencia de temperatura después del llenado de material entre la entrada de la cavidad y su extremo opuesto... 67 Figura 5.14 Ensayos de pelado para probetas con diferentes tratamientos superficiales... 68 Figura 5.15 Tenacidad de unión adhesiva promedio para probetas con diferentes tratamientos superficiales... 69 Figura 5.16 Superficies de fractura para probetas sobreinyectada con mezcla al 15% de PP-f-AM (A) Superficie de fractura del PP copolímero (B) Interfaz de ensayo probeta desengrasada.... 70 Figura 5.17 Superficie de fractura de probetas lijadas. (A) Fotografía de microscopio óptico, 40X. (B) Fotografía microscopio electrónico 500X... 71 Figura 5.18 Fotografías de superficie de fractura de una probeta atacada químicamente... 72 Figura 5.19 Superficie metálica de fractura para probeta desengrasada y sobreinyectada con PP en mezcla al 15% de PP-f-AM. 300X.... 73 Figura 5.20 Superficie metálica de fractura para probeta granallada y sobreinyectada con PP en mezcla al 15% de PP-f-AM. 300X.... 73 Figura 5.21 Tenacidad de unión adhesiva promedio para probetas con diferentes tratamientos superficiales... 75 Figura 5.22 Superficie de fractura de probeta con ataque químico y sobreinyectada con mezcla al 5% de PP-f-AM.... 75 Figura 5.23 Superficie metálica de fractura para probeta granallada y sobreinyectada con PP en mezcla al 5% de PP-f-AM. 300X... 76 Figura 5.24 Diferencia en tenacidad de unión adhesiva desarrollada en probetas atacadas químicamente y lijadas para diferentes proporciones de mezcla de PP copolímero... 77 Figura 5.25 Crecimiento desigual del primer Z-6030 en la superficie de una placa lijada de acero de bajo carbono... 80 Figura 5.26: Ensayo pelado en probeta lijada e imprimada con silano z-6030... 81 Figura 5.27 Moléculas de silano adheridas física y químicamente a la superficie del acero de bajo carbono..... 82

xv Figura 5.28 Tenacidad de unión adhesiva promedio para probetas silanizadas con diferentes tratamientos superficiales.... 83 Figura 5.29 Comparación de la tenacidad de la unión adhesiva en probetas atacadas químicamente con y sin la aplicación de silanos... 84 Figura 5.30 Ensayo de pelado para una probeta lijada sobreinyectada con PA 6... 87 Figura 5.31 Resultados ensayo de pelado para una probeta atacada químicamente sobreinyectada con PA 6.... 88 Figura 5.32 Tenacidad de unión adhesiva en probetas lijadas y atacadas químicamente.... 89 Figura 5.33 Superficie metálica de fractura para probeta atacada químicamente y sobreinyectada con PA 6. 500X. En el circulo azul se denotan las zonas en las que se promueve la conformación den anclajes mecánicos entre el metal y el polímero... 90 Figura 5.34 Superficie de fractura para probeta lijada sobreinyectada con PA 6.... 91 Figura 5.35 Ensayo de pelado en una probeta lijada y silanizada con Z-6032.... 93 Figura 5.36 Tenacidad de unión adhesiva promedio para probetas con diferentes tratamientos superficiales... 94 Figura 5.37 Superficie de fractura de probeta lijada y silanizada con Z-6032, sobreinyectada con PA 6. 500X.... 95 Figura 5.38 Comparación de tenacidad de unión adhesiva en placas imprimadas y no imprimadas, sobreinyectadas con PA 6... 96 Figura B.2 Ensayo de pelado para una probeta lijada y sobreinyectada con PA6.... 107 Figura B.3 Ensayo de pelado para una probeta de PA6.... 108

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN Durante los últimos años se ha incrementado considerablemente el interés por modificar procesos a nivel industrial, de manera que resulten mucho más efectivos y económicamente convenientes [1]. La fabricación de piezas plásticas no se encuentra exenta de esta tendencia global; pues con procesos como el moldeo por colada caliente y la sobreinyección, se ha logrado reducir el consumo energético, el consumo de material y los tiempos de ciclo. La sobreinyección consiste fundamentalmente en el moldeo de un material polimérico flexible sobre una pieza polimérica rígida previamente moldeada, lo que permite obtener un complejo que goza de las características de ambos materiales. Se debe tomar en cuenta que uno de los objetivos básicos del proceso es alcanzar una buena adhesión entre los materiales a sobreinyectar, pues en caso contrario, la pieza descohesionaría y no tendría posible aplicación. Son tales las ventajas que presenta el proceso de sobreinyección, que se ha planteado su aplicación como alternativa para otros procesos de producción. En el caso del presente proyecto, denominado MetPol, el grupo Volkswagen junto con CIE Automotive, han propuesto la aplicación de la sobreinyección como una alternativa para la fabricación de estructuras híbridas metal/polímero utilizadas a nivel automotriz. Con las estructuras híbridas metal/polímero, los ingenieros tienen a su disposición materiales con la densidad y las posibilidades de moldeo del plástico, pero con la rigidez y la resistencia del acero. Hoy en día, la fabricación de este tipo de piezas se realiza mediante el uso de anclajes mecánicos (tornillos y prensas) o mediante la aplicación de adhesivos; lo que implica el ensamblaje posterior al conformado de cada una de las piezas. En el proyecto MetPol, se tiene como objetivo fundamental promover la adhesión directa mediante sobreinyección entre dos pares de materiales: polipropileno copolímero/acero de bajo carbono y PA 6/acero de bajo

2 carbono. Alcanzar el objetivo propuesto por el proyecto, implica la eliminación de cualquier tipo de anclaje mecánico o adhesivo usado en el conformado de piezas híbridas metal/polímero, lo que representa un gran ahorro de material y costo de producción. Convirtiéndose entonces en una respuesta a las necesidades de las ensambladoras de vehículos y a las líneas de suministros que en tiempos de crisis económica deben optimizar al máximo sus procesos de producción. La metodología propuesta para promover la adhesión metal/polímero se ha desarrollado en diferentes etapas. Una vez decididos los materiales a sobreinyectar, se determinaron los parámetros de inyección a estudiar; siguiendo los estudios previos en la materia [2], se decidió variar la temperatura del fundido, la temperatura del molde y la presión de inyección. En segundo lugar se planteó la aplicación de tratamientos superficiales a las placas de acero de bajo carbono, a fin de determinar el efecto de la rugosidad del sustrato sobre la unión adhesiva. En tercer lugar, se planteó la aplicación de agentes compatibilizantes sobre el sustrato metálico; para ello se escogieron dos compuestos pertenecientes a la familia de los organosilanos: el Z-6030 y el Z- 6032. A su vez se decidió evaluar el efecto del calentamiento del sustrato mediante flameado. Por último, una vez alcanzada la unión adhesiva, se planteó su caracterización a través de ensayos de pelado, SEM y microscopía óptica. Promover la adhesión directa mediante sobreinyección presenta un gran número de aplicaciones paralelas al sector automotriz; entre las que se destacan el área de recubrimientos, decoración, la protección anticorrosión en piezas metálicas y en general, en toda aplicación donde se requiera la unión polímero/metal. Es importante destacar que no existen trabajos previos en la adhesión directa mediante sobreinyección entre los pares de materiales estudiados haciendo de éste un estudio sumamente innovador. Por esta razón, este proyecto es un inicio, una ventana que se abre para estudios posteriores en esta materia.

CAPÍTULO II OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Desarrollar un procedimiento a través del cual se promuevan uniones adhesivas en la interfaz metal/polímero de piezas conformadas mediante sobreinyección. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar la tenacidad de la unión adhesiva promovida en estructuras rígidoflexibles: Acero de bajo carbono/pp y Acero de bajo carbono/pa 6. Evaluar el efecto de variación de la temperatura de inyección, temperatura de molde y presión sostenida sobre la adhesión de los pares acero de bajo carbono/pp y el acero de bajo carbono/pa 6. Determinar el efecto en la adhesión metal/polímero de los siguientes tratamientos superficiales sobre el acero de bajo carbono: desengrasado, lijado, ataque químico y granallado. Evaluar el efecto de la temperatura del sustrato sobre la adhesión de los pares acero de bajo carbono/pp y el acero de bajo carbono/pa 6. Estudiar el efecto del PP-f-AM como agente acoplador en las estructuras PP copolímero/acero de bajo carbono. Evaluar el efecto del silano Z-6030 sobre el desarrollo de la adhesión entre PP copolímero/acero de bajo carbono y del Z-6032 sobre el desarrollo de la adhesión entre PA 6/Acero de bajo carbono. Determinar los mecanismos de adhesión y falla en las estructuras sobreinyectadas metal/polímero. Evaluar la viabilidad de la aplicación industrial de los métodos para la promoción de las uniones adhesivas PA 6/Acero y PP/Acero en piezas sobreinyectadas.

CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO 3.1 ADHESIÓN: CARACTERÍSTICAS, MECANISMOS Y FALLAS Con anterioridad se ha mencionado que el presente trabajo busca promover la adhesión entre la superficie de un acero de bajo carbono con dos resinas poliméricas mediante el proceso de sobreinyección. Por esta razón, resulta fundamental revisar los factores relacionados con la interacción física o química que se debe establecer entre las superficies en contacto para originar este fenómeno. En un sistema en el que se desee unir dos superficies, los sustratos serán denominados como adherentes, mientras que el compuesto utilizado para promover la adhesión será denominado adhesivo [3]. En general, la adhesión se refiere a la forma en que dos cuerpos diferentes son unidos mediante contacto interfacial íntimo, de manera que un esfuerzo mecánico o trabajo pueda ser transferido a través de la interfase creada. Las fuerzas interfaciales que mantienen ambas fases juntas pueden provenir de interacciones de Van der Waals, enlaces químicos, atracción electrostática o anclaje mecánico [3]. El rango de estas fuerzas disminuirá si el material adhesivo no está en contacto íntimo con las zonas a unir. Éste es el motivo por el que el adhesivo debe penetrar totalmente en la rugosidad superficial y mojar toda la superficie. Por esta razón, el contacto interfacial íntimo es un requisito primario e indispensable para promover la generación de uniones adhesivas [4]. 3.1.1 Energía superficial y contacto interfacial íntimo La capacidad de un material para ser unido a otro se cuantifica mediante la energía superficial (γ sv ). Así podemos distinguir entre superficies con baja energía superficial (<30

5 mj/m², o apolares) y superficies con alta energía superficial (entre 60 y 300 mj/m², o polares). Un adhesivo mojará a un sólido si se cumple que la energía superficial del sólido es superior a la del líquido (γ sv > γlv); siempre y cuando la diferencia entre ambas no sean muy importante. Para cuantificar la energía superficial se utiliza la medición del ángulo de contacto. En términos de adhesión, éste se define como el ángulo que forma un líquido con un sólido en la interfase sólido/líquido/vapor, como se presenta en la figura 3.1. A medida que éste ángulo de contacto disminuye aumenta la mojabilidad de la superficie, promoviendo un mayor contacto interfacial [4]. Figura 3.1 Esquema para la mojabilidad líquido/sólido. (Tomado y modificado de [3]). Cada combinación de líquido-sólido formará un ángulo de contacto característico. En la mayoría de los casos un cambio en las propiedades de la superficie del sólido será medible por un cambio en el ángulo de contacto. Éste ángulo está relacionado con la energía superficial (γ sv ) mediante la siguiente ecuación [5] : = ( sv sl)/ lv Ecuación 3.1 Para el caso de la adhesión metal/polímero, se observan importantes dificultades para obtener una buena mojabilidad, dadas las grandes diferencias de energía superficial entre ambos materiales. Mientras que los polímeros pertenecen al grupo de materiales con baja energía superficial, los metales, óxidos metálicos y las cerámicas se caracterizan por contar con altas energías superficiales. A pesar de estas grandes diferencias en energía superficial, existen un gran número de procedimientos que pueden modificar el contacto íntimo entre dos materiales, en el actual caso de estudio se pueden destacar tres aspectos fundamentales: temperatura del líquido o adhesivo, rugosidad del sustrato y uso de asistencia mecánica [3].

6 En primer lugar, la temperatura del adhesivo o líquido a ser depositado sobre el sustrato condiciona la mojabilidad resultante. A medida que la temperatura aumenta se registrará una evidente disminución de la viscosidad del líquido, promoviendo una reducción del ángulo de contacto. En segundo lugar, la rugosidad del sustrato tiene un efecto determinante sobre la mojabilidad. Bascom et al [6] han demostrado que el aumento de la rugosidad puede disminuir sustancialmente el ángulo de contacto de un líquido sobre un sustrato sólido. Por último, la mojabilidad de un líquido en un sustrato sólido usualmente se ve modificada mediante asistencia mecánica; comúnmente mediante la aplicación de presión entre el adhesivo y el sustrato [3]. Se debe destacar que el establecimiento de un contacto interfacial adecuado no es una garantía para alcanzar una buena adhesión [3,5 y 7]. En el caso metal/polímero se deben tomar en cuenta aspectos como la presencia de óxidos, grasas, la aplicación de tratamientos superficiales o el uso de agentes compatibilizantes. Por esta razón resulta importante estudiar las teorías que permiten explicar cómo se puede promover la adhesión entre materiales tan disímiles. 3.1.2 Teorías de adhesión Se debe tomar en cuenta que no existe un modelo universal que explique todas y cada una de las uniones adhesivas; por el contrario, cada una de éstas puede ser analizada tomando en cuenta diversos modelos, entre los que se pueden destacar [3] : a) Adhesión mecánica: esta teoría propone que la principal fuente de adhesión es la formación de anclajes mecánicos del adhesivo en las irregularidades superficiales del sustrato. Sin embargo, el desarrollo de una importante unión adhesiva entre dos superficies con baja rugosidad no puede ser explicada mediante esta teoría, por lo que la misma no presenta una amplia aplicabilidad. El anclaje mecánico se ve favorecido por el incremento de los factores que afectan la mojabilidad de las superficies, tales como la temperatura del adhesivo y la rugosidad del sustrato [5, 3].En la figura 3.2, se presenta un ejemplo típico de anclaje mecánico.

7 Figura 3.2 Modelo de Anclaje Mecánico (Tomado y modificado de [5]). b) Modelo del enlace químico: este modelo considera que la adhesión se debe a la creación de enlaces primarios entre el sustrato y el adherente. Normalmente los enlaces químicos covalentes generados se caracterizan por tener altas energías de interacción, de aproximadamente 60 a 700 [kj/mol], que son mucho mayores en comparación con las energías de enlace físico, que se encuentran en el rango de 2 a 40 [kj/mol]. La observación experimental de este mecanismo es delicada, debido a que sólo un pequeño número de moléculas son las que se encuentran involucradas en las interacciones interfaciales, así por ejemplo, con este tipo de modelo no se han podido demostrar las uniones adhesivas entre cobre y caucho [4]. Existen dos tipos de sistemas cuya adhesión se origina fundamentalmente mediante la adhesión química: por el uso de agentes compatibilizantes y por la incorporación de complejos organometálicos. En el caso de estudio en cuestión, los agentes compatibilizantes más empleados pertenecen a la familia de los orgasilanos, denominados usualmente primers ; el uso de estos es una herramienta que permite mejorar las propiedades finales de la unión adhesiva [8], los cuales serán estudiados en detalle posteriormente. c) Modelo de la difusión: Voyutskii propone que la adhesión intrínseca del polímero con el mismo y con otros tiene lugar debido a la mutua difusión entre sus moléculas cerca de la interfaz. Para ello se requiere que los segmentos de cadena de ambos materiales posean la movilidad y solubilidad suficiente, como para que se de la migración hasta el sustrato. Para que este fenómeno se desarrolle, ambos polímeros deben presentar parámetros de solubilidad similares. El parámetro de solubilidad es una medida de la densidad de energía cohesiva entre moléculas de una sustancia; específicamente se le define como la raíz cuadrada de esa densidad [9]. En los experimentos de Voyutskii se evidencia que el tiempo de contacto, la temperatura, el tipo de polímero (amorfo o semi-cristalino), el peso molecular y la viscosidad influencian el grado de unión que se logra; pero sin un parámetro de solubilidad adecuado la unión será muy débil o

8 hasta imposible [9]. La figura 3.3 muestra un ejemplo de la teoría de la difusión de moléculas cuya afinidad esta dada por uno de sus grupos funcionales. Figura 3.3 Difusión entre dos polímeros a través de la interfaz de contacto, donde t representa el tiempo de contacto de ambas superficies (Tomado y modificado de [4]). Es evidente que en la adhesión metal/polímero no existe tal difusión pues los parámetros de solubilidad son completamente diferentes, así como sus características estructurales. Sin embargo su análisis es de gran importancia, pues el mecanismo de la interdifusión es fundamental en la adhesión polímero/silano. d) Modelo termodinámico o teoría de Absorción: este modelo es válido para cualquier proceso de adhesión. Schonhorn et al [9] establecen que para que se produzca una adecuada adhesión deben existir múltiples zonas de contacto entre el adhesivo y la superficie del sustrato, lo que implica, además, la creación de fuerzas intermoleculares en la interfase adhesivo/ sustrato. Dichas fuerzas son enlaces secundarios como fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno; aunque estos sean débiles por naturaleza, conviene destacar que la adhesión mediante fuerzas secundarias puede ser muy fuerte si se produce un elevado número de enlaces. e) Teoría de atracción de carga eléctrica: la teoría de carga eléctrica propone que las fuerzas electroestáticas del sustrato y el adhesivo contribuyen a la adhesión intrínseca. Así cada componente forma parte de un capacitor, el cual genera un flujo eléctrico entre los dos materiales de diferente naturaleza que están puestos en contacto, como se muestra en la figura 3.4 [4]. Esta teoría fue desarrollada por Deryagin y Krotova [17], siguiendo las observaciones del fenómeno electrostático, en experimentos realizados en la adhesión de vidrio y PVC. La energía de separación de la estructura creada es cuantificada a través de un ensayo de pelado, el cual es

9 comparado con la descarga de energía de un capacitor. Se debe resaltar que la explicación al fenómeno de la adhesión mediante la teoría de atracción de carga eléctrica es sólo aplicable en el caso de materiales incompatibles. Figura 3.4 Esquema de los planos de carga en una interfase (Tomado y modificado de [4]). 3.1.3 Mecanismos de falla de las uniones adhesivas Existen dos mecanismos de falla entre adhesivos y sustratos: la falla adhesiva y la falla cohesiva. La primera corresponde a una separación interfacial entre el adhesivo y una de las superficies adheridas; este tipo de falla se interpreta como una unión débil donde el material más afín al adhesivo arrastra a éste con él y se separa completamente del sustrato [5]. La falla cohesiva implica la ruptura tanto en el adhesivo o en uno de los adherentes. El fallo en el sustrato o en el adhesivo implica una adhesión óptima. El máximo valor de esfuerzo que soporta la unión entre los dos materiales se desarrollará a través de una falla cohesiva [4]. Es importante resaltar que en ocasiones la falla no es ni 100% cohesiva ni 100% adhesiva, sino más bien una combinación de los dos mecanismos antes mencionados. En estos casos, la medida del éxito de la unión alcanzada se mide de acuerdo al porcentaje de muestra que falló cohesivamente frente al que falló de manera adhesiva [4]. En la figura 3.5 se hace un resumen de los tipos de falla explicados. Figura 3.5 Tipos de falla en uniones adhesivas (Tomado y modificado de [5]).

10 3.1.4 Teoría de las capas débiles Esta teoría propone que las superficies limpias pueden generar fuertes uniones adhesivas, pero algunos contaminantes como aceites, grasas, sustancias de bajo peso molecular y óxidos generan capas que resultan cohesivamente débiles [9]. Bikerman et al [18] llegaron a concluir que las capas débiles intervienen en la gran mayoría de los casos de fractura interfacial. En el caso concreto de la adhesión polímero-metal, son diversas las posibilidades de la presencia de capas débiles, las cuales se presentarán básicamente en el sustrato metálico. Todos los metales a excepción de los nobles presentan capas de óxido en su superficie después de entrar en contacto con la atmósfera [13] ; además, al ser mecanizadas, las piezas metálicas pueden presentar sustancias de bajo peso molecular como aceites, grasas u otro tipo de lubricantes [7, 11]. Dada esta situación resulta importante estudiar las condiciones de oxidación de los metales, en concreto del acero, así como los diferentes tratamientos superficiales que permitan eliminar las capas débiles. Se debe destacar también que no todos los contaminantes formarán una capa débil, y en ciertas circunstancias serán disueltos por el adhesivo [11].En la figura 3.6 se presenta el modelo de la capa débil propuesto por Bikerman. Figura 3.6 Esquema de los siete tipos de zonas débiles según Bikerman: 1) Aire atrapado, 2 y 3) Impurezas en la interfase, 4 a 7) Reacciones que aparecen entre los componentes y el medio (Tomado y modificado de [18]).

11 3.2 CORROSIÓN DE ACEROS DE BAJO CARBONO, TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Y EMPLEO DE AGENTES COMPATIBILIZANTES. 3.2.1 Corrosión de aceros de bajo carbono La propiedad química más importante para el uso estructural de los metales es su comportamiento ante la corrosión. Ésta se encuentra definida como un deterioro causado por reacciones químicas o electroquímicas del metal con el ambiente. La corrosión se puede catalogar de acuerdo al medio en el cual se desarrolla, entre las que se destacan la corrosión atmosférica, en medio acuoso, en concreto, entre otras [12]. En general, la superficie de los metales presenta una gran actividad química con el medio que la rodea, lo que da origen a la rápida formación de delgadas capas de óxido. Metales como el ruthenio, rhodio, paladio, plata, osmio, iridio, platino y oro, son las excepciones a este comportamiento, pues presentan una actividad química extremadamente baja [12]. Las propiedades físicas y químicas de los óxidos formados varían de acuerdo al metal de origen. En cuanto a las propiedades físicas, se debe destacar que algunos óxidos resultan muy densos e impiden una continua oxidación del metal base, actuando entonces como una capa protectora o inhibidora; entre estos se destacan el óxido de aluminio, el óxido de titanio y el óxido de cobre. Por otra parte, los óxidos de naturaleza porosa, como el óxido de hierro, permiten la difusión del oxígeno a través de su estructura, sin impedir la corrosión continua de todo el material. En cuanto a sus propiedades químicas, los óxidos metálicos suelen ser de naturaleza básica, aunque en ciertos casos pueden ser anfóteros, reaccionando también con bases fuertes [12]. En el actual caso de estudio es la corrosión atmosférica la que representa un importante interés, pues en ningún momento las piezas metálicas se encontraron en contacto con ningún otro tipo de medio. 3.2.2 Óxidos presentes sobre el acero por efecto de la corrosión atmosférica Usualmente, los recubrimientos orgánicos y los adhesivos son aplicados sobre superficies

12 tecnológicas ; es decir, superficies previamente tratadas mediante diferentes técnicas, que son expuestas a la atmósfera antes y durante la aplicación del recubrimiento orgánico. Dada la secuencia de procesos a la que son sometidas las piezas metálicas antes de ser sobreinyectadas, en el presente trabajo de investigación, el estudio de la corrosión de aceros de bajo carbono mediante exposición atmosférica resulta de gran interés. Todos los aceros de bajo carbono y de baja aleación presentan corrosión hasta cierto punto cuando son expuestos a la atmósfera. Es importante destacar que la corrosión ocurre relativamente rápido para aceros no aleados, especialmente en atmósferas con un alto grado de humedad [12]. Siempre que haya agua involucrada, la corrosión del hierro y el acero procede a través de una reacción electroquímica; un cátodo y un ánodo se desarrollan en la superficie, originándose la corrosión (reacción de oxidación) en éste último: Fe 0 Fe 2+ + 2e - Ecuación 3.2 En la ecuación 3.2 se presenta la oxidación primaria del metal base; sin embargo, la superficie oxidada formada sobre el hierro presenta una estructura verdaderamente compleja. Las especies que se forman sobre el material dependerán de la presión de oxigeno en la atmósfera, la humedad, la temperatura y los niveles de contaminantes atmosféricos presentes [13]. Son numerosos los estudios que han evaluado las estructuras típicas en las superficies metálicas luego de ser expuestas a la atmósfera. En general, a temperatura ambiente y presión atmosférica, la capa de óxido formado sobre la superficie de la mayoría de los metales alcanza un espesor de entre 2 y 10 nm [13]. A su vez, Fuggle et al [14] han demostrado la formación de FeOOH en la superficie del óxido de hierro cuando es expuesto a la atmósfera. La formación de este grupo ha sido reconocida mediante la técnica de XPS. Norton et al [15] demostraron que la exposición de la capa de óxido a una atmósfera húmeda origina la formación de hidróxidos en la superficie, los cuales pueden ser identificados mediante FTIR. Barr et al [16] demostraron que la estructura de la capa de óxido formada mediante corrosión atmosférica en aceros de bajo carbono no puede ser evaluada como un todo, ésta debe ser estudiada en una sección interna y una externa. Este grupo logró demostrar la formación de una capa externa rica en hidróxidos luego de exponer diferentes metales a corrosión atmosférica;

13 para ello un grupo de metales fueron atacados químicamente (hasta alcanzar el metal base de valencia cero) y fueron, posteriormente, expuestos a aire con una humedad relativa de 35% durante un periodo de 70h. Barr et al [16] lograron examinar cada una de las especies presentes en la capa de óxido de los diferentes metales estudiados; entre los que se destaca el acero de bajo carbono. En la zona más interior, en contacto con el metal base, se forma una red de FeO (hierro oxidado desde su menor valencia), mientras que en la superficie se conforma un red compleja compuesta por óxidos de mayor valencia como Fe 3 O 4, Fe 2 O 3 e hidróxidos como Fe(OH) 3, FeOOH; formados por el contacto con la atmósfera húmeda. Se debe tomar en cuenta que el recubrimiento a aplicar sobre cualquier superficie de acero de bajo carbono entrará en contacto directo con éstas especies y no con el metal base; razón por la cual resulta de gran importancia para comprender y estudiar las posibles interacciones entre ambos materiales. Por otra parte, Castle et al [13] demostraron también la importancia de los grupos hidróxidos de la superficie en permitir la formación de una red de moléculas de agua enlazadas en la superficie. Esta red usualmente es catalogada como una discontinuidad o una capa débil que debe ser tomada en cuenta al realizar un recubrimiento de la superficie metálica. En la figura 3.7 se presenta un diagrama que resume la estructura de la superficie metálica presente en aceros de bajo carbono y demás metales. Figura 3.7 Estructura de superficie metálica en vacío y en contacto en reacción con la atmósfera (Tomado y modificado de [13]).

14 3.2.3 Tratamientos superficiales Los tratamientos superficiales sobre metales son sumamente diversos, y su efectividad depende de los requerimientos de la aplicación específica. Al seleccionar un proceso de limpieza, se deben tomar en cuenta los siguientes factores: la naturaleza de la impureza a ser removida, el tipo de substrato, el grado de limpieza y la importancia del mismo, las instalaciones disponibles para instaurar el proceso, el costo del proceso, la amplitud del área a ser limpiada, la manipulación del material o de las piezas terminadas y los requerimientos superficiales para posteriores operaciones [20]. A nivel general, se suelen clasificar los contaminantes en 6 tipos distintos: grasas y aceites sin pigmentos, grasas y aceites pigmentados, virutas y fluidos de cortado, fluidos para pulitura, espesas capas de óxido y contaminantes diversos. No se debe dejar de lado la presencia de huellas dactilares que pueden ser consideradas también como grasas sin pigmento. En el caso de uniones adhesivas de superficies metálicas, usualmente se utiliza una combinación de métodos físicos y químicos. Los métodos físicos pueden ser suficientes cuando los requerimientos de la unión adhesiva son moderados; sin embargo, si las condiciones de servicio son más demandantes, usualmente se requieren tratamientos químicos, como ataque con ácidos o el uso de agentes compatibilizantes [3]. En el caso concreto de la adhesión polímero-metal, al seleccionar un tratamiento en particular se debe tomar en cuenta la necesidad latente de aumentar la irregularidad superficial a fin de mejorar la mojabilidad. Dada esta necesidad, a continuación se presentan algunos de los tratamientos superficiales más comunes para aceros de baja aleación que pueden generar o no cierta irregularidad superficial. a) Limpieza con solventes: este proceso se utiliza para realizar la limpieza de compuestos orgánicos de la superficie metálica, tales como grasas o aceites. La mayoría de los compuestos orgánicos pueden ser fácilmente solubilizados. En ciertos casos después de la limpieza con solventes se utiliza antes de un tratamiento como pintura o mecanizado, con el objetivo de extender su tiempo de vida útil [21].

15 La limpieza con solventes puede ser llevada a cabo mediante la inmersión de la pieza en baños a temperatura ambiente, que son denominados limpieza en frío, aunque también es común aprovechar la volatilidad de los solventes para realizar baños calientes o al vapor. Una vez se ha realizado la limpieza de la pieza, estas se suelen secar a temperatura ambiente o mediante corrientes de aire caliente. En la limpieza en frío se utilizan comúnmente fracciones destiladas del petróleo, hidrocarburos clorados, clorofluoro carbonos, hidrofluoro carbonos o mezclas de estos tipos de solventes. Las piezas se suelen sumergir en el baño, y en ciertas ocasiones son trabajadas con ultrasonido a fin de promover una mayor limpieza en un menor tiempo. Por otra parte, este tipo de limpieza se suele escoger cuando existen ciertas condiciones especiales, entre las que se destacan: el uso de agua no removerá las impurezas, producirá alta corrosión, o las impurezas deben ser removidas de partes con alta sensibilidad a la temperatura [20]. La limpieza en frío resulta ser un proceso verdaderamente práctico para ser realizado temporalmente, pues no requiere de ningún tipo de instalaciones especiales; a excepción de una campana de extracción. b) Limpieza con ácidos: la limpieza con ácidos es un proceso en el cual una solución de ácido inorgánico, orgánico o sal ácida son utilizados (con o sin la aplicación de calor) para remover óxidos, aceites, virutas, grasas u otros contaminantes típicos de las superficies metálicas. Es importante destacar que al entrar en contacto con la superficie metálica, el ácido inicia un proceso de ataque durante el cual se disuelven los óxidos y se remueven las impurezas superficiales. A nivel general, este proceso de ataque genera un importante efecto sobre la superficie metálica, como lo demuestran Hacking et al [20].La diferencia entre limpieza y el ataque con ácidos, es una cuestión de grado y de penetración. El ataque químico es un proceso más severo para la remoción de gruesas capas de óxido en productos semiterminados; mientras que la limpieza con ácidos es utilizada básicamente en la preparación previa de superficies metálicas en piezas terminadas para la posterior aplicación de algún recubrimiento [20]. Travinsky et al [22] resaltan que aunque los ataques químicos mejoran la durabilidad de las uniones adhesivas con el acero en comparación con los acabados superficiales, éstos presentan tres desventajas fundamentales: en primer lugar, muchos de estos ataques deben ser realizados a

16 altas temperaturas, lo que supone un costo extra; en segundo lugar, muchos de estos ácidos pueden presentar cromo hexavalente, el cual es altamente cancerígeno; por último, gran parte de los ácidos utilizados para la disolución de óxidos en aceros de bajo carbono generan la formación de smut en la superficie metálica, lo que posteriormente puede actuar como una capa débil. Dada esta serie de desventajas, Trawinsky et al [22] han propuesto un ataque a temperatura ambiente que no produce la formación de smut. Éste consiste en una combinación de ácido nítrico y acido fosfórico. La utilización de esta combinación de ácidos ha generado resultados realmente satisfactorios en la adhesión de aceros. La limpieza de estos se realiza por diferentes métodos, como inmersión en baños de ácido o spray. c) Acabado superficial: el acabado superficial de una superficie metálica puede ser llevado a cabo con objetivos cosméticos así como para la aplicación de un tratamiento posterior. Entre los métodos de acabado superficial se encuentran el lijado y el granallado. Cada uno de los cuales presentará un efecto determinado en la topografía del sustrato. Wegman et al [21] establecen que el granallado es uno de los procesos de mecanizado más utilizados en la preparación de superficies para una posterior unión adhesiva. Este proceso consiste en disparar partículas sobre un sustrato metálico a altas velocidades (65-110 m/s); las que producen pequeñas y redondeadas depresiones al impactar contra la superficie metálica. Lo que implica un efecto sumamente importante sobre la topografía del sustrato. En la figura 3.8 se presenta una fotografía típica del proceso de granalla. Figura 3.8 Esquema del proceso de granallado (Tomado y modificado de [12]). La efectividad del granallado depende de la cantidad de superficie cubierta por el proceso. Por otra parte la intensidad del granallado es definida como intensidad de Almen y se encuentra

17 gobernada por la velocidad de disparo, la dureza, tamaño y peso de las partículas, así como por el ángulo al cual han sido impactadas sobre la superficie [20]. La profundidad de las depresiones generadas es un resultado directo de la intensidad, las cuales suelen extenderse entre los 0,13 y 0,50 mm. 3.3 TOPOGRAFÍA Y MEDICIÓN DE RUGOSIDAD Todas las superficies metálicas presentan espaciamientos regulares e irregulares, que tienden a formar un patrón o textura en la superficie. La textura o rugosidad suele ser medida para predecir el desempeño de una pieza, así como para establecer un control en el proceso de manufactura. Una superficie cuenta con cuatro componentes diferentes: rugosidad, ondulación, forma y patrón; los que se presentan en la figura 3.9. Cada uno de estos componentes conforma el perfil primario que se obtiene mediante los diferentes métodos de medición de topografía [23]. Figura 3.9 Esquema de la topografía de una superficie metálica (Tomado y modificado de [23]). Los resultados arrojados por los instrumentos de medición deben ser evaluados mediante diferentes métodos, para finalmente caracterizar los 5 componentes de la superficie o parámetros de rugosidad: Ra, desviación aritmética del perfil; Rq, desviación cuadrática del perfil; Ry, alzada máxima del perfil ; Rz, alzada de los diez primeros puntos de máxima irregularidad; S, espaciamiento de picos y valles [23].

18 3.4 PRIMERS O AGENTES COMPATIBILIZANTES. Los primers o agentes compatibilizantes son usualmente formulados como una versión líquida de un adhesivo; estos agentes deben recubrir el sustrato en su totalidad y posteriormente curar sobre su superficie a fin de su compatibilidad con el adhesivo. Existe una amplia variedad de agentes compatibilizantes en el mercado, siendo los organosilanos de especial interés para el caso concreto de la adhesión metal-polímero [3, 5,7 y 8].Los organosilanos son agentes basados en una estructura de silicio que contiene dos tipos de reactividades (orgánica e inorgánica) en la misma molécula. La estructura típica de estos agentes se presenta en la figura 3.10. Figura 3.10 Estructura de organosilanos (Tomado y modificado de [10]). En la figura 3.10, X representa un grupo hidrolizable (metoxi, etoxi, etc) elegido para reaccionar con los grupos hidroxilos del sustrato inorgánico; mientras que Y representa un grupo organofuncional que presenta un fuerte enlace con el átomo de silicio y debe reaccionar con el material orgánico. Estos enlaces generados actuarán como una interfase entre el sustrato inorgánico y el material orgánico; con el objetivo fundamental de mejorar la adhesión entre ambos [10]. Se debe destacar que uno de los agentes que más afecta la bondad o eficiencia de una unión adhesiva es la humedad. Las moléculas de agua atacan la interfase, destruyendo los enlaces entre el adhesivo y el sustrato; sin embargo, los silanos promueven enlaces que mejoran significativamente la resistencia a la humedad. Estos primers también generan una mayor estabilidad térmica de la unión adhesiva y un aumento en la mojabilidad de los sustratos inorgánicos.