Adesivi e collanti:
quando gli atomi formano reti
Materiali e sviluppo tecnologico
Il mondo che ci circonda muta a grande velocità:
l’innovazione tecnologica comporta lo sviluppo di
materiali innovativi e all’avanguardia.
Esempi di questi materiali sono le leghe speciali, le
materie plastiche, le ceramiche ed anche i materiali
compositi, cioè prodotti combinando tra loro diversi
materiali.
Nella prossima slide viene presa ad esempio
l’evoluzione della ruota dal tempo dei faraoni ai
giorni nostri.
Materiali e sviluppo tecnologico
Un esempio di materiale composito è il pneumatico delle auto
Materiali e sviluppo tecnologico
Come è possibile combinare materiali diversi?
Le tecniche di assemblaggio di tipo termico come la
saldatura possono alterare le proprietà del materiale
nel punto sottoposto all’azione del calore.
Le tecniche meccaniche come la rivettatura o
l’avvitamento consentono solo il trasferimento di forza
localizzato; inoltre, è necessario forare i pezzi che
devono essere uniti e questo arreca un “danno”
indebolendo i materiali.
Una tecnica alternativa è l’incollaggio.
Vantaggi dell’incollaggio
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non si hanno concentrazioni di sforzo
non viene appesantito il manufatto
unione e sigillatura contemporanee
assenza fenomeni galvanici (gli adesivi sono
isolanti elettrici)
possibilità di unire materiali fisicamente e
chimicamente molto diversi tra loro
possibilità di unire aree superficiali molto vaste
possibilità di unire materiali fragili
risparmio (usualmente)
Svantaggi dell’incollaggio
• La durata dell’incollaggio dipende dalle condizioni
in cui esso è seguito
• Resistenza dell’adesivo limitata in presenza di
condizioni estremamente critiche (elevata T)
• Le strutture incollate non sono facilmente
smontabili per riparazioni
• Necessità di preparare la superficie in modo
ottimale
• Possibile infiammabilità o tossicità per adesivi a
base di solvente
Incollaggio: arte
antica e nuova scienza
Quando venne rinvenuto
“Ötzi”, l’uomo venuto dal
ghiaccio, furono trovati
utensili, compresa un’ascia la
cui lama era attaccata con
pece di betulla (adesivo) e
nastri di pelle.
Nell’antico Egitto (circa 3500
anni fa) l’incollaggio era una
professione: era nato il
mestiere del produttore di
adesivi.
A metà del XIV secolo gli
Aztechi mescolavano il sangue
animale con il cemento. E’
l’albumina a conferire
proprietà adesive.
La natura ci
insegna come fare
La vespa muraiola
rompe il legno,
ingerisce la cellulosa
mescolandola ai
succhi gastrici. Con
questo adesivo
costruisce il nido.
Asciugando l’acqua
evapora e le fibre di
cellulosa formano una
sorta di tessuto
L’incollaggio è un’invenzione
dell’uomo?
La natura ci
insegna come fare
L’albero della gomma
Il latice è una
dispersione colloidale di
particelle del polimero
fondamentale, insieme a
piccole quantità di grassi,
resine, zuccheri e
proteine. Formalmente
la sostanza polimerica
viene considerata come
il polimero di un diene,
l'isoprene o 2-metilbutadiene.
La natura ci
insegna come fare
Le larve delle ostriche di
carena possono attaccarsi a
tutti i materiali. Esse
possiedono le “ghiandole del
cemento” che secernono un
adesivo reattivo
bicomponente che ha
un’elevata resistenza all’acqua
e una sorprendente stabilità.
Anche quando l’ostrica di
carena cresce rimane
attaccata alla superficie di
base in quanto secerne
costantemente una
nuova quantità di adesivo
Cos’è un adesivo?
In base alla norma UNI EN 923 l’adesivo viene definito
come:
«sostanza non metallica in grado di congiungere
materiali mediante fissaggio superficiale (adesione), e
in modo tale che il legame ottenuto possieda adeguata
forza interna (coesione).»
Quindi l’adesione è il tipo di legame fra substrato e
adesivo solidificato, invece la coesione è dovuta alle
forze di legame all’interno dell’adesivo stesso.
Confronto tra adesione e coesione
Come funzionano gli adesivi?
Quando viene applicato un
adesivo si distinguono tre
zone.
La zona di adesione
È la zona dove avviene
l’interazione tra l’adesivo e il
substrato.
La zona di transizione
In tale zona le proprietà
chimiche,
meccaniche
e
ottiche dell’adesivo risultano
alterate
La zona di coesione
Le cui proprietà dipendono
dalle interazioni tra le
molecole dell’adesivo stesso
Cosa accade nella zona di adesione?
Il fenomeno di adesione è causato dalle interazioni molecolari tra la superficie
del substrato e l’adesivo. Le forze che operano all’interfaccia sono le seguenti:
• forze di Van der Waals (adsorbimento);
• legame a idrogeno ;
• legami ionici, covalenti o di coordinazione.
Le forze più importanti relative all’adesione sono le forze di Van der Waals.
I legami chimici covalenti si formano soltanto in presenza di pochissime
combinazioni di substrato/adesivo, ad es. tra il silicone e il vetro, il
poliuretano e il vetro e la resina epossidica e l’alluminio.
Esistono anche fenomeni meccanici come l’ «ancoraggio» dell’adesivo nei pori
e nelle irregolarità del substrato (ad esempio nel caso di materiali rugosi
come il legno).
Cosa accade nella zona di coesione?
Le quattro forze coesive :
1. i legami molecolari all’interno dei
polimeri
2. i legami chimici derivanti dalla
reticolazione del polimero
3. le interazioni intermolecolari tra
molecole nell’adesivo
4. l’aggrappaggio meccanico tra varie
molecole nell’adesivo,
influiscono sulle proprietà dell’adesivo
non indurito e determinano, ad
esempio, la viscosità dell’adesivo.
L’indurimento dell’adesivo comporta la
sua solidificazione attraverso legami
che si verificano tra le molecole (es.:
reticolazione di molecole)
In sintesi:
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Gli adesivi
devono comportarsi come liquidi durante la
formazione del legame in modo da scorrere e bagnare
la superficie aderente,
devono fluire sulla superficie del substrato e poi
cambiare forma da liquido a solido strutturale senza
creare pericolosi sforzi interni sulla giuntura
devono riuscire a tenere unite le superfici attraverso il
meccanismo di adesione (sviluppo di forze
intermolecolari con il substrato)
devono indurirsi per sopportare carichi continui o
variabili durante la loro vita (coesione)
Bagnabilità
•
•
L’adesivo deve avvicinarsi al substrato a distanza tale da permettere
l’interazione. L’adesivo deve “bagnare” il substrato.
La tensione superficiale di substrato e adesivo determinano il grado
di bagnabilità.
Classificazione degli adesivi
• La classificazione può essere sintetizzata in
due macro gruppi: sostanze di origine animale
o vegetale (detti Colle), oppure sintetica (detti
comunemente Adesivi).
• I primi sono usati con risultati eccellenti nel
corso dei secoli fino a quando la disponibilità
di prodotti sintetici migliori non ne ha
progressivamente ridotto l’uso.
Classificazione
Le colle
Le colle si utilizzano ancora al posto degli adesivi sintetici
ad esempio nel campo del restauro in quanto possiedono
• una buona elasticità per potersi adattare ai ritiri del
legno
• una buona reversibilità, ovvero offrono la possibilità
di scollare le parti precedentemente unite al fine di
permettere in futuro nuovi interventi di restauro
• sono le sostanze utilizzate in origine per la realizzazione
del manufatto e il restauratore è tenuto al loro utilizzo
La colla da falegname o colla forte
Questa colla fu praticamente l'unica usata fino agli
anni '30 quando entrarono in uso gli adesivi
sintetici.
La colla forte consiste in una gelatina, ottenuta
facendo bollire i cascami di animali, pelle, ossa,
unghie e una volta asciutta, viene venduta sotto
forma di perle color ambra. È costituita per circa
l’80% da collagene (il nome di questa proteina vuol
dire letteralmente «generatore di colla»).
Viene utilizzata facendo sciogliere le perle in acqua
a caldo.
Lo sguardo del chimico: il meccanismo d’azione
Il collagene è una proteina di tipo
fibroso con funzioni strutturali. Le
fibre sono formate da catene a
struttura ad a-elica aggregate in
gruppi di tre attraverso forti legami
idrogeno intermolecolari. Presenta
una bassa solubilità in acqua, per
bollitura avviene una parziale idrolisi
dei legami con estrazione del
materiale proteico (formazione delle
gelatine animali).
La colla viene preparata per riscaldamento in acqua. Le fibre si
separano nelle singole catene e si disperdono casualmente nel liquido.
Con il raffreddamento e l’evaporazione dell’acqua, le catene tendono
ad riassemblarsi nella stuttura ad elica originale. L’impossibilita` di
riallinersi correttamente fa si che le catene si leghino a tratti con
catene diverse attraverso la formazione di legami ad idrogeno. Il film è
reversibile, può essere risolubilizzato con acqua calda.
Colle alla caseina
La caseina è una fosfoproteina contenuta nel latte come sale
di calcio, in dispersione colloidale nell’acqua, essa può essere
separata dal latte, dopo scrematura per togliere i grassi,
riscaldandolo a circa 35-40°C ed acidificandolo fino a pH di
circa 4,8. Quindi viene lavata ed essiccata.
La caseina in polvere non è solubile in acqua; per renderla
solubile e quindi utilizzabile occorre aggiungere degli alcali
che reagiscono con i gruppi acidi -COOH liberi della caseina
formando i cosiddetti caseinati. I caseinati più usati sono
quello di ammonio ottenuto da caseina più ammoniaca
NH3 o da caseina più carbonato d’ammonio (NH4)2CO3 e
quello di calcio ottenuto da caseina e calce spenta Ca(OH)2.
Colle a base d’amido
Il processo di formazione di un gel (gelatinizzazione e non
gelificazione) a partire dai granuli d'amido consiste nel
rigonfiamento per idratazione della parte amorfa dei granuli, con
destabilizzazione delle regioni cristalline in essa disperse, le quali
fondono. In parole povere, si passa da una struttura ordinata e in
parte cristallina a una struttura disordinata, con le caratteristiche
di un gel. Il fenomeno della gelatinizzazione consiste nella
disorganizzazione dei granuli d'amido in ambiente acquoso, a
un'idonea temperatura, tra 50 e 70°C. Non si tratta, quindi, di
una reazione chimica, ma di un processo fisico.
Esempi di Adesivi sintetici: le resine fenolo-formaldeide
Gli adesivi a base di fenoloformaldeide (noti come
resine fenoliche)
polimerizzano a temperature
comprese tra i 100 e 140°C. Il
meccanismo alla base di
questi adesivi reattivi è
costituito da una reazione tra
la formaldeide e il fenolo in
condizioni alcaline
(formazione resolo).
Nell’adesivo pronto all’uso
questa reazione è già
completata.
Il resolo viene poi fatto polimerizzare
nel giunto incollato, liberando acqua
fino a formare un solido
termoindurente (reazione di
condensazione).
In genere, si preferisce impiegare le
resine fenoliche quando lo strato di
adesivo è destinato ad essere
sottoposto ad alte temperature.
Un’applicazione tradizionale riguarda
l’incollaggio dei rivestimenti per
freno e frizione. Altri settori tipici in
cui viene applicato questo tipo di
adesivo sono la produzione di
aeromobili , l’incollaggio strutturale
di alluminio e l’industria del mobile.
L’uso più consistente delle resine
fenoliche, dal punto di vista
quantitativo, si ha nell’industria del
mobile e per l’incollaggio del legno.
E per finire divertiamoci a fare lo slime
Questo materiale è in commercio come giocattolo, viene ottenuto da un polimero
lineare, l’alcol polivinilico (PVA):
Il polimero viene sciolto in acqua e alla soluzione se ne aggiunge un'altra contenente
ioni borato che si formano per dissoluzione in acqua del borace Na2B4O7•10H2O, un
sale derivato dall'acido borico.
Lo ione borato si inserisce fra le catene di PVA e i suoi atomi di ossigeno si legano a
quelli di idrogeno dei gruppi OH del PVA formando legami a idrogeno. In questo modo
le catene vengono collegate fra loro e il polimero si reticola e non risulta più solubile in
acqua formando una gelatina.
Ecco la struttura molecolare dello Slime
Tra due molecole di
polialcoli si
inseriscono le
molecole di borace
Si formeranno dei
legami idrogeno