Adhesión en nylon (poliamida): ángulo de contacto

Unión por adhesión, ángulo de contacto y propiedades superficiales del nylon (poliamida)

Las poliamidas, también conocidas como nylons, son plásticos de alto desempeño con excelente resistencia química. Los nylons son higroscópicos y absorben humedad del aire. La humedad, por sí sola, provoca problemas de adhesión. El nylon es hidrofóbico y tiene baja humectabilidad superficial. Pregunta: ¿el nylon es hidrofóbico, hidrofílico o quizá ambas cosas?

Una poliamida es un polímero que contiene enlaces amida (–CO-NH–) repetitivos. La fabricación de los distintos tipos de poliamida varía según sus unidades monoméricas. Pueden ser alifáticas, semiaromáticas y aromáticas (aramidas). Según su cristalinidad, pueden ser amorfas, semicristalinas o cristalinas. Los polímeros de nylon son inherentemente difíciles de pegar porque son hidrofóbicos, químicamente inertes y tienen una humectabilidad superficial deficiente (es decir, baja energía superficial). Además, los nylons son higroscópicos y absorben de la atmósfera agua en exceso del 3% de su masa. La humedad, por sí sola, provoca problemas de adhesión.

Un momento: las afirmaciones anteriores parecen contradecirse directamente. ¿El nylon es hidrofóbico o hidrofílico? La aparente paradoja se resuelve al reconocer que el comportamiento hidrofóbico del nylon es una propiedad superficial, mientras que su comportamiento hidrofílico es una propiedad volumétrica (del material en masa). La poliimida también presenta este comportamiento.

Examinar la estructura química de la unidad repetitiva de un polímero —como el grupo metilo (CH3) de las poliolefinas hidrofóbicas o el grupo amida de los nylons hidrofílicos— es una manera sencilla de determinar si es hidrofílico o hidrofóbico. El método más simple para determinar las propiedades superficiales de un polímero es realizar mediciones del ángulo de contacto con agua, tanto en ángulo de contacto estático como dinámico.

Puntos clave

• El nylon es hidrofóbico en la superficie e hidrofílico en el volumen del material: esa aparente contradicción es la clave para entenderlo.
• Los nylons absorben de la atmósfera más del 3% de su masa en agua, y la humedad por sí sola provoca problemas de adhesión.
• Los enlaces amida atraen el agua, lo que determina el comportamiento volumétrico; la superficie permanece con baja energía y sin humectación.
• La poliimida se comporta de la misma manera, por lo que el principio se generaliza más allá de la poliamida.

El nylon, como la mayoría de los polímeros, tiene baja energía superficial. Esto se debe a la química de la superficie y a la física de las superficies de los polímeros. Se considera que los ángulos de contacto se ven afectados tanto por cambios en la química superficial como por cambios en la topografía superficial. Cuando una gota está adherida a una superficie sólida y esta se inclina, la gota se proyecta hacia adelante y se desliza hacia abajo. Los ángulos que se forman se denominan, respectivamente, ángulo de avance y ángulo de retroceso. La norma ASTM D724 describe métodos para medir los ángulos de contacto dinámicos (DCA) con equipo avanzado (tensiómetros ópticos y goniómetros) para analizar los ángulos de avance y de retroceso a partir del análisis de la forma de la gota y de la masa.

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 introducidos por los pretratamientos de superficies. Así, el ángulo de retroceso es en realidad la medición más característica del componente modificado de la superficie después de los pretratamientos. Por lo tanto, es fundamental medir tanto el ángulo de contacto de avance como el de retroceso en todos los materiales con superficie modificada.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, marcado láser y seguridad del producto. Ha desarrollado nuevas tecnologías y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede comunicarse con Sabreen al 972.820.6777 o visitar www.sabreen.com o www.adhesionbonding.com.

Preguntas frecuentes

¿El nylon es hidrofóbico o hidrofílico?

Ambas cosas, y no es una contradicción. El comportamiento hidrofóbico del nylon es una propiedad superficial, mientras que su comportamiento hidrofílico es una propiedad volumétrica. La superficie resiste la humectación y tiene baja energía superficial; los grupos amida dentro de la cadena atraen el agua, por lo que el material absorbe humedad con facilidad.

¿Cuánta humedad absorbe el nylon?

Más del 3% de su masa desde la atmósfera. La humedad, por sí sola, provoca problemas de adhesión, razón por la cual un secado adecuado antes del moldeo es fundamental tanto para el procesamiento como para el desempeño de cualquier operación de pegado posterior.

¿Cómo se puede saber si un polímero es hidrofílico o hidrofóbico?

Examine la unidad repetitiva de su estructura química. Los grupos metilo, como en las poliolefinas, indican comportamiento hidrofóbico; los grupos amida, como en los nylons, indican comportamiento hidrofílico. Es una verificación rápida de primer orden antes de cualquier prueba de superficie.

¿Por qué es difícil pegar los nylons?

Son hidrofóbicos, químicamente inertes y tienen una humectabilidad superficial deficiente por su baja energía superficial. Los adhesivos no logran humectar la superficie de manera adecuada, por lo que normalmente se requiere un pretratamiento para elevar la energía superficial y aportar funcionalidad química polar.

¿La poliimida se comporta igual que el nylon?

Sí. La poliimida presenta la misma división entre un comportamiento superficial hidrofóbico y un comportamiento volumétrico hidrofílico, por lo que aplican la misma disciplina de secado y la misma lógica de pretratamiento.

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