Adesione del nylon: angolo di contatto e superficie

Incollaggio per adesione, angolo di contatto e proprietà superficiali del nylon (poliammide)

Le poliammidi, note anche come nylon, sono materie plastiche ad alte prestazioni con un'eccellente resistenza chimica. I nylon sono igroscopici e assorbono umidità dall'aria. L'umidità di per sé causa problemi di adesione. Il nylon è idrofobo e presenta una bassa bagnabilità superficiale. Domanda: il nylon è idrofobo, idrofilo o forse entrambi?

Una poliammide è un polimero che contiene legami ammidici (–CO-NH–) ripetuti. La produzione dei diversi tipi di poliammide varia in funzione delle unità monomeriche. Possono essere alifatiche, semi-aromatiche e aromatiche (aramidi). In base alla cristallinità possono essere amorfe, semicristalline o cristalline. I polimeri di nylon sono intrinsecamente difficili da incollare perché sono idrofobi, chimicamente inerti e presentano una scarsa bagnabilità superficiale (ossia una bassa energia superficiale). Inoltre i nylon sono igroscopici e assorbono dall'atmosfera acqua in misura superiore al 3% della loro massa. L'umidità, di per sé, causa problemi di adesione.

Le affermazioni precedenti sembrano però direttamente contraddittorie. Il nylon è idrofobo o idrofilo? Il paradosso apparente si risolve riconoscendo che il comportamento idrofobo del nylon è una proprietà della superficie, mentre il suo comportamento idrofilo è una proprietà di massa (bulk). Anche la poliimmide presenta questo comportamento.

Esaminare la struttura chimica dell'unità ripetitiva di un polimero – per esempio i gruppi metile (CH3) delle poliolefine idrofobe o i gruppi ammidici dei nylon idrofili – è un modo semplice per stabilire se sia idrofilo o idrofobo. Il metodo più semplice per determinare le proprietà superficiali di un polimero consiste nell'eseguire misure dell'angolo di contatto con acqua, sia statico sia dinamico.

Punti chiave

• Il nylon è idrofobo in superficie e idrofilo nella massa: la contraddizione apparente è la chiave per comprenderlo.
• I nylon assorbono dall'atmosfera acqua per oltre il 3% della loro massa e la sola umidità causa problemi di adesione.
• I legami ammidici attirano l'acqua e determinano il comportamento di massa; la superficie rimane a bassa energia e non bagnabile.
• La poliimmide si comporta allo stesso modo: il principio si estende quindi oltre la poliammide.

Il nylon, come la maggior parte dei polimeri, ha una bassa energia superficiale. Ciò dipende dalla chimica e dalla fisica della superficie dei polimeri. Si ritiene che gli angoli di contatto siano influenzati sia dalle variazioni della chimica superficiale sia dalle variazioni della topografia superficiale. Quando una goccia aderisce a una superficie solida e questa viene inclinata, la goccia avanza e scivola verso il basso. Gli angoli che si formano sono denominati rispettivamente angolo di avanzamento (advancing angle) e angolo di recessione (receding angle). La norma ASTM D724 descrive i metodi per misurare gli angoli di contatto dinamici (DCA) con apparecchiature avanzate (tensiometri ottici e goniometri), analizzando gli angoli di avanzamento e di recessione sulla base dell'analisi della forma e della massa della goccia.

L'angolo di contatto di avanzamento è più sensibile ai componenti a bassa energia (non modificati) della superficie del substrato, mentre l'angolo di recessione è più sensibile ai gruppi ossidati ad alta energia introdotti dai pretrattamenti superficiali. L'angolo di recessione è quindi la misura più rappresentativa della componente della superficie modificata dai pretrattamenti. Per questo motivo è essenziale misurare sia l'angolo di contatto di avanzamento sia quello di recessione su tutti i materiali con superficie modificata.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., società di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura, marcatura laser e sicurezza del prodotto. Da oltre 30 anni sviluppa nuove tecnologie e risolve problemi di produzione. Può contattare Sabreen al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.adhesionbonding.com.

Domande frequenti

Il nylon è idrofobo o idrofilo?

Entrambi, e non è una contraddizione. Il comportamento idrofobo del nylon è una proprietà della superficie, mentre quello idrofilo è una proprietà di massa. La superficie resiste alla bagnatura e ha una bassa energia superficiale; i gruppi ammidici presenti nella catena attirano l'acqua, per cui la massa assorbe umidità con facilità.

Quanta umidità assorbe il nylon?

Oltre il 3% della sua massa, assorbito dall'atmosfera. L'umidità di per sé causa problemi di adesione: per questo un'essiccazione corretta prima dello stampaggio è essenziale sia per la trasformazione sia per la resa di qualsiasi successiva fase di incollaggio.

Come si stabilisce se un polimero è idrofilo o idrofobo?

Esaminando l'unità ripetitiva della sua struttura chimica. I gruppi metile, come nelle poliolefine, indicano un comportamento idrofobo; i gruppi ammidici, come nei nylon, indicano un comportamento idrofilo. È una verifica rapida di primo livello, da effettuare prima di qualsiasi prova superficiale.

Perché i nylon sono difficili da incollare?

Sono idrofobi, chimicamente inerti e presentano una scarsa bagnabilità superficiale dovuta alla bassa energia superficiale. Gli adesivi non riescono a bagnare adeguatamente la superficie, perciò è normalmente necessario un pretrattamento per aumentare l'energia superficiale e introdurre funzionalità chimiche polari.

La poliimmide si comporta come il nylon?

Sì. La poliimmide presenta la stessa distinzione tra comportamento idrofobo in superficie e comportamento idrofilo nella massa, quindi valgono la stessa disciplina di essiccazione e la stessa logica di pretrattamento.

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