La ciencia para resolver problemas de adhesión en plásticos: ángulos de contacto, humectación de superficies y activación química

La ciencia para resolver problemas de adhesión en plásticos: ángulos de contacto, humectación de superficies y activación química

Puntos clave

• El pegado no depende solo de los adhesivos. La misma ciencia rige las tintas, pinturas, recubrimientos, encapsulantes, compuestos de sellado y la metalización.
• Cuatro propiedades hacen que los plásticos sean difíciles de pegar: son hidrofóbicos, de baja energía superficial, no polares e inertes, y con escasa funcionalidad química superficial.
• El ángulo de contacto estático por sí solo engaña. La producción es dinámica, no estática, por lo que los ángulos de contacto dinámicos importan más.
• Los ángulos de avance y de retroceso miden cosas distintas: el de avance refleja la superficie sin modificar y el de retroceso refleja la superficie pretratada.
• La humectación es solo la mitad del problema. Hay que crear funcionalidad química en la superficie, no solo elevar la energía superficial.

Los problemas de unión por adhesión en polímeros están muy extendidos en la industria de los plásticos. Los productos de dos y tres dimensiones con frecuencia implican pegado de plástico con plástico, plástico con metal, plástico con compuesto, ensambles optomecánicos y más. Las aplicaciones de unión por adhesión no se limitan a los adhesivos (epóxicos, uretanos, acrílicos, siliconas, etc.), sino que incluyen la adhesión de tintas de impresión, pinturas y recubrimientos, encapsulantes, compuestos de sellado, metalización y más.

Los sustratos plásticos son difíciles de pegar porque son materiales hidrofóbicos (no humectables por naturaleza); tienen baja humectabilidad superficial (es decir, baja energía superficial); son estructuras no polares e inertes; y tienen escasa funcionalidad química superficial. Este artículo analiza la ciencia básica de los ángulos de contacto, la humectación de superficies y la activación química para lograr una alta resistencia de adhesión.

Preguntas frecuentes

¿Qué es un ángulo de contacto y por qué es importante?

Es el ángulo formado entre la línea tangente en el punto donde una gota de líquido toca una superficie sólida y la línea horizontal de esa superficie. Entenderlo, junto con la interacción física entre sólido y líquido que representa, permite saber si la humectabilidad de la superficie es adecuada para el pegado.

¿Por qué medir ángulos de contacto dinámicos y no estáticos?

Porque la producción industrial es dinámica, no estática. Probar solo el ángulo de contacto estático puede llevar a interpretar mal la interfaz líquido/sólido y el propio problema de pegado.

¿Cuál es la diferencia entre los ángulos de contacto de avance y de retroceso?

El ángulo de avance es más sensible a los componentes de baja energía, sin modificar, de la superficie, mientras que el ángulo de retroceso es más sensible a los grupos oxidados de alta energía que introduce el pretratamiento. Eso hace que el ángulo de retroceso sea la medición más significativa en una superficie tratada.

¿Basta con elevar la energía superficial para resolver un problema de pegado?

No. Existe una fuerte tendencia a centrarse en las mediciones del ángulo de contacto como único predictor, pero la funcionalidad química de la superficie es igual de importante: las superficies hidrofóbicas deben convertirse activamente en superficies hidrofílicas aptas para el pegado mediante oxidación en fase gaseosa.

¿Qué aplicaciones de pegado abarca esta ciencia?

Mucho más que los adhesivos como epóxicos, uretanos, acrílicos y siliconas. Se aplica igualmente a tintas de impresión, pinturas y recubrimientos, encapsulantes, compuestos de sellado y metalización, en ensambles de plástico con plástico, plástico con metal, plástico con compuesto y optomecánicos.

El ángulo de contacto

Considere una sola gota de fluido líquido sobre una superficie sólida plana en reposo (estado de equilibrio). Una vista transversal se muestra a continuación (Figura 1). El ángulo formado por la superficie sólida y la línea tangente a la superficie superior en el punto final se denomina ángulo de contacto. El ángulo de contacto es el ángulo entre la línea tangente en el punto de contacto y la línea horizontal de la superficie sólida. Comprender el ángulo de contacto y sus propiedades físicas de interacción entre sólidos y líquidos aporta información valiosa para determinar las condiciones óptimas de humectabilidad de la superficie para la unión por adhesión.

La forma de la burbuja o gota se debe a las fuerzas moleculares por las cuales todos los líquidos, mediante la contracción de la superficie, tienden a llevar el volumen contenido a una forma con la menor área superficial posible. Las fuerzas intermoleculares que contraen la superficie se denominan tensión superficial. La tensión superficial, una medida de la energía superficial expresada en «dinas/cm» (o mN/m en unidades del SI), es la propiedad (debida a fuerzas moleculares) por la cual todos los líquidos, mediante la contracción de la superficie, tienden a llevar el volumen contenido a una forma con la menor área superficial posible.

Cuanto mayor es la energía superficial del sustrato sólido con respecto a la tensión superficial de un líquido (agua, tintas de impresión, adhesivos/encapsulantes, recubrimientos, etc.), mejor será su «humectabilidad» y menor el ángulo de contacto. Como regla general, se logra una adhesión de pegado aceptable cuando la energía superficial de un sustrato (medida en dinas/cm) es aproximadamente 8-10 dinas/cm mayor que la tensión superficial del líquido (Figura 2).

La prueba de humectación de superficies implica medir el ángulo de contacto. Cuando un líquido no humecta por completo un sustrato (es decir, un producto polimérico), se forma un ángulo de contacto. El ángulo de contacto es una medida cuantitativa de la humectación de un sólido por un líquido. Es una medida directa de las interacciones que tienen lugar entre las fases participantes (gas/líquido/sólido o líquido/líquido/sólido). La forma de la gota y la magnitud del ángulo de contacto están controladas por las tres fuerzas de interacción de la tensión interfacial de cada fase participante (gas, líquido y sólido).

Para muchas aplicaciones puede bastar con examinar el ángulo de contacto estático de equilibrio mediante soluciones de dinas, conforme a un procedimiento de prueba documentado como ASTM D2578. Los kits de aplicación o «plumas/soluciones de dinas» proporcionan información útil, pero no son mediciones precisas de la tensión superficial. Las mediciones de tensión superficial pueden variar considerablemente según la persona (técnica) y la interpretación del comportamiento del líquido en el «centro». Se sabe que las plumas/soluciones de dinas son indicadores direccionales de diferencias significativas en la tensión superficial y son capaces de identificar superficies «buenas» y «malas» para el pegado a un costo económico.

Ángulos de contacto dinámicos (DCA)

Probar el comportamiento del fluido solo con el ángulo de contacto estático puede llevar a interpretar mal los resultados de la interfaz líquido/sólido y la resolución de los problemas de pegado. Esto se debe a que las operaciones de producción de manufactura industrial se dan, de forma más realista, en condiciones dinámicas y no estáticas. Por ello, es fundamental entender los ángulos de contacto dinámicos (DCA).

En general se considera que los ángulos de contacto se ven afectados tanto por cambios en la química superficial como por cambios en la topografía de la superficie. El ángulo de contacto de avance es más sensible a los componentes de baja energía (sin modificar) de la superficie del sustrato, mientras que el ángulo de retroceso es más sensible a los grupos oxidados de alta energía que introducen los pretratamientos de superficies. Por lo tanto, el ángulo de retroceso es en realidad la medición más característica del componente modificado de la superficie después de los pretratamientos, medido con soluciones de dinas. Por ello, es importante medir los ángulos de contacto de avance y de retroceso en todos los materiales con superficie modificada1 (Figura 3).

Cuando una gota está adherida a una superficie sólida y esta se inclina, la gota se desplaza hacia adelante y se desliza hacia abajo. Los ángulos formados se denominan, respectivamente, ángulo de avance (θa) y ángulo de retroceso (θr). La norma ASTM D724 describe métodos para medir los DCA con equipo avanzado (tensiómetros ópticos y goniómetros) para analizar los ángulos de contacto de avance y de retroceso con base en el análisis de la forma de la gota y la masa.

Activación química de superficies

Existe una fuerte tendencia entre los fabricantes a centrarse únicamente en las mediciones del ángulo de contacto como único predictor de los problemas de pegado y en la realización de pruebas rutinarias de superficie. La funcionalidad química de la superficie es igualmente importante, ya que las superficies hidrofóbicas se activan y se convierten en superficies hidrofílicas aptas para el pegado. Para la activación química de superficies se utilizan procesos de pretratamiento en fase gaseosa, de «descarga luminiscente» y de oxidación superficial.

Los métodos de oxidación superficial en fase gaseosa incluyen la descarga corona eléctrica, el tratamiento a la flama, el plasma frío y la irradiación ultravioleta. Cada método es específico para la aplicación y tiene ventajas únicas y posibles limitaciones.

La reacción química y física básica es que los electrones libres, iones, metaestables, radicales y UV generados en el plasma pueden impactar una superficie con energías suficientes para romper los enlaces moleculares en la superficie de la mayoría de los sustratos poliméricos. Esto crea radicales libres muy reactivos en la superficie del polímero que, a su vez, pueden formar enlaces cruzados o, en presencia de oxígeno, reaccionar rápidamente para formar diversos grupos funcionales químicos en la superficie del sustrato. Los grupos funcionales polares que pueden formarse y mejorar la capacidad de pegado incluyen los grupos carbonilo (C=O), carboxilo (HOOC), hidroperóxido (HOO-) e hidroxilo (HO-). Incluso pequeñas cantidades de grupos funcionales reactivos incorporados a los polímeros pueden ser muy benéficas para mejorar la funcionalidad química superficial y la humectabilidad. Además, los imprimantes de adhesión (primers) y solventes químicos y la abrasión mecánica (incluida la textura del molde) pueden utilizarse solos o junto con los pretratamientos en fase gaseosa.2

Los problemas de pegado de polímeros están muy extendidos y no se limitan solo a los adhesivos. Las fallas de pegado tienen implicaciones significativas en los costos, entre ellas el mal desempeño del producto en campo, el desperdicio y retrabajo, las ineficiencias de producción y una mayor inspección de control de calidad. Al comprender la ciencia básica de los ángulos de contacto, la humectación de superficies y la activación química, prácticamente cualquier problema de pegado puede resolverse con éxito, incluso con los materiales poliméricos y elastoméricos más difíciles de pegar.

Referencias

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• Acknowledgement: Enercon Industries Corporation – photos

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc. The Sabreen Group es una empresa global de consultoría en ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamiento de superficies, unión por adhesión, decoración y acabado, marcado láser y seguridad del producto. Para más información, llame al (888) SABREEN o visite www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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