Mejores prácticas para el pegado de termoplásticos semicristalinos

Mejores prácticas para el pegado de termoplásticos semicristalinos

Desde los grados de uso general hasta los de alto desempeño, los polímeros semicristalinos son difíciles de pegar entre sí y con materiales distintos. Para crear los enlaces moleculares fuertes necesarios para la adhesión se requieren superficies de sustrato limpias (con frecuencia junto con un pretratamiento). La selección del adhesivo y un curado adecuado son fundamentales para lograr el resultado deseado.

En general, los polímeros presentan dos tipos de morfología en estado sólido: “amorfa” y “semicristalina”. Bajo ciertas condiciones, algunos polímeros pueden presentar ambas morfologías. En los polímeros amorfos, por ejemplo el acrílico y el policarbonato, no existe un verdadero punto de fusión (se reblandecen gradualmente). Las moléculas están orientadas al azar y entrelazadas (como espagueti cocido), con una apariencia transparente similar al vidrio. En los polímeros semicristalinos existe un punto de fusión definido y las moléculas se empacan en regiones ordenadas con una estructura lineal regular. Como los cristalitos dispersan la luz, suelen ser más opacos. Los polímeros semicristalinos tienden a formar plásticos tenaces debido a las fuertes fuerzas intermoleculares asociadas con el empaquetamiento cerrado de las cadenas. (Vea la Ilustración 2.)

Los polímeros semicristalinos son intrínsecamente difíciles de pegar porque son hidrofóbicos, químicamente inertes y tienen poca humectabilidad superficial (es decir, baja energía superficial). Aunque estas características son muy deseables para el desempeño, la baja humectabilidad genera retos de pegado para los fabricantes. Además, los polímeros semicristalinos, como el nylon, absorben de la atmósfera humedad en exceso de tres por ciento de su masa en agua. La humedad, por sí misma, crea problemas de adhesión. Por ello, es importante realizar los procesos de pegado lo antes posible después de las operaciones de moldeo, o empacar las piezas herméticamente en bolsas que no sean de polietileno, con un desecante. Un procedimiento de secado adecuado es fundamental para el procesamiento y el desempeño de la pieza.

Puntos clave

• La morfología determina la capacidad de pegado. Los polímeros amorfos, como el acrílico y el policarbonato, se pegan con más facilidad que los semicristalinos.
• Limpie con tolueno, xileno, acetona o MEK. El alcohol solo elimina la suciedad superficial, no la contaminación por hidrocarburos.
• Las siliconas, los desmoldantes y los agentes antideslizantes inhiben el pegado y deben eliminarse antes del pretratamiento.
• La falla de adhesión tiene una firma visual: adhesivo residual en un solo sustrato, no en ambos.
• Las familias de adhesivos estructurales más comunes para estos polímeros son las epóxicas, las acrílicas y las de uretano.

Preguntas frecuentes

¿Por qué los polímeros semicristalinos son más difíciles de pegar que los amorfos?

Por su morfología molecular. Los polímeros amorfos, como el acrílico y el policarbonato, tienen moléculas entrelazadas de orientación aleatoria y no tienen un verdadero punto de fusión, sino que se reblandecen gradualmente. Los polímeros semicristalinos tienen una estructura ordenada, y ese orden es lo que se resiste a la humectación de la que depende la adhesión.

¿Qué solventes deben usarse para limpiar superficies semicristalinas?

Tolueno, xileno, acetona o MEK de fuerza moderada a alta, de acuerdo con la política de solventes de la empresa y la legislación estatal. Las hojas de datos del polímero indican los agentes adecuados. El alcohol es un solvente débil que elimina la suciedad superficial, pero no los contaminantes de hidrocarburos.

¿Cómo se distingue una falla de adhesión de una falla de cohesión?

Por el lugar donde permanece el adhesivo. La falla de adhesión ocurre en la interfaz entre el adhesivo y el adherente, y visualmente hay adhesivo residual en una sola superficie, no en el segundo sustrato. La falla cohesiva deja adhesivo en ambas.

¿Qué adhesivos son adecuados para los polímeros semicristalinos?

Adhesivos estructurales: se usan comúnmente los epóxicos, los acrílicos y los de uretano. El epóxico de dos componentes consiste en mezclar una resina epóxica con un endurecedor, y el diseño de la unión debe considerar fuerzas de tensión, compresión, corte, desprendimiento y hendidura, con frecuencia combinadas.

¿Qué contaminación arruina un pegado con mayor certeza?

Los materiales de bajo peso molecular: siliconas, desmoldantes y agentes antideslizantes. Inhiben el pegado directamente, y ningún pretratamiento lo compensa si todavía están presentes en la superficie.

Limpieza y pretratamiento de superficies

La preparación de la superficie es fundamental para lograr una alta resistencia del pegado. Las superficies deben estar limpias y libres de contaminación por suciedad, grasa y aceites. Los materiales de bajo peso molecular (LMWM), como las siliconas, los desmoldantes y los agentes antideslizantes, inhiben el pegado. Para limpiar adecuadamente las superficies semicristalinas y eliminar los LMWM, en general debe usarse tolueno, xileno, acetona o MEK de fuerza moderada a alta (de acuerdo con la política de solventes de la empresa y la legislación estatal). Las hojas de datos del polímero indican los agentes de limpieza adecuados. El alcohol es un solvente débil y solo elimina la suciedad superficial, pero no los contaminantes de hidrocarburos.

Siempre debe emplearse la técnica correcta, incluido el uso de paños libres de pelusa y guantes protectores sin talco. El exceso de solvente crea capas límite débiles de químicos no eliminados, que dejan una acumulación de velo que inhibirá el pegado.

Las aplicaciones de pegado de polímeros semicristalinos con frecuencia requieren un pretratamiento por plasma inmediatamente después de la limpieza con solvente. Los pretratamientos de oxidación superficial en fase gaseosa incluyen la descarga corona eléctrica, el plasma atmosférico eléctrico, el plasma de aire (descarga eléctrica), el plasma de flama y el plasma frío de baja presión por RF. Estos procesos se caracterizan por su capacidad de generar “plasma de gas”, un gas extremadamente reactivo formado por electrones libres, iones positivos y otras especies. También se produce funcionalización química de la superficie. En física, los mecanismos con los que se generan estos plasmas son distintos, pero sus efectos sobre la humectabilidad superficial son similares. Cada método es específico para la aplicación y tiene ventajas y/o limitaciones.

Por ejemplo, los pretratamientos eléctricos no eliminan ni limpian todos los hidrocarburos poliaromáticos, por lo que puede ser necesario continuar con la limpieza con solvente. El pretratamiento con plasma frío por RF elimina los hidrocarburos, por lo que no es necesaria una limpieza previa.

Como regla general, se logra una adhesión de pegado aceptable cuando la energía superficial del sustrato es aproximadamente 10 dynes/cm mayor que la tensión superficial del líquido o del adhesivo. La energía superficial del nylon sin tratar es de aproximadamente 40 dynes/cm. Por lo tanto, la energía superficial deseada después del tratamiento debe estar en el rango de 50-54 dynes. En esta situación se dice que el líquido “moja” la superficie o se adhiere a ella. Un método común para medir la “humectación” de la energía superficial es el uso de soluciones dyne calibradas de acuerdo con el método de prueba ASTM D2578.

Adhesivos y curado

Por definición, la “falla de adhesión” ocurre en la interfaz entre el adhesivo y el adherente (sustrato). Visualmente, hay adhesivo residual en cualquier zona de una sola superficie y no en el segundo sustrato adherente. Un diseño óptimo de la unión es fundamental en cualquier aplicación de pegado con adhesivo. Las uniones pegadas pueden estar sometidas a fuerzas de tensión, compresión, corte, desprendimiento o hendidura, con frecuencia combinadas.

En muchas aplicaciones de pegado con adhesivo de polímeros semicristalinos se utilizan comúnmente adhesivos estructurales (incluidos los epóxicos, los acrílicos y los de uretano). El epóxico de dos componentes consiste en mezclar una resina epóxica con un endurecedor, o en adquirir aplicadores “duo-pak”. Se prefiere un espesor de línea de pegado delgado y uniforme (0.002 a 0.007 pulgadas) para obtener propiedades óptimas de resistencia al corte y a la tensión. El tiempo de curado completo suele ser de unos siete días a 75°F, pero varía según la aplicación y las condiciones ambientales. La velocidad de curado puede acelerarse añadiendo calor (120-210°F), lo que produce polimerización adicional y puede dar al epóxico mejores propiedades. La temperatura de deflexión por calor del polímero suele ser el límite superior del calor aplicado en el procesamiento posterior al moldeo. El tiempo y la temperatura de horneado son específicos de cada aplicación.

Una mala práctica común es aplicar adhesivo adicional para mejorar la resistencia del pegado. El exceso de adhesivo es perjudicial y una de las principales causas de fallas de pegado. Por ejemplo, los adhesivos epóxicos tienen coeficientes de expansión térmica relativamente altos. Las líneas de pegado deben mantenerse delgadas y de espesor uniforme (normalmente 3-5 mil para la máxima resistencia al corte). El proveedor del adhesivo puede orientar sobre el espesor óptimo de la línea de pegado para la aplicación específica. Los aplicadores “duo-pak” premedidos eliminan los problemas de mezclado y ofrecen una proporción de mezcla más exacta. También producen reacciones químicas estequiométricas más adecuadas, con mejor resistencia y menor desgasificación.

En cuanto a la textura superficial de la pieza que se va a pegar, tal como sale del molde, una superficie texturizada aumentará la adhesión por anclaje mecánico además de la limpieza con solvente y el pretratamiento por plasma. La textura puede lograrse en el molde o manualmente con una almohadilla Scotch-Brite. Por ejemplo, el acabado NTMA de cavidad de molde “40-pulido con diamante grano 1200” probablemente mejorará la resistencia del pegado en comparación con el acabado “10-diamante fino grano 8000” (rango de 0-3 micras). Incluso las superficies ligeramente texturizadas resultan benéficas. (Vea la Ilustración 3.)

En resumen, para lograr un pegado por adhesión de alta resistencia en polímeros semicristalinos se recomienda lo siguiente:

• Asegúrese de que la resina esté debidamente seca antes del moldeo.
• Realice el proceso de pegado lo antes posible después del moldeo.
• Limpie la superficie de la pieza con solvente para eliminar residuos superficiales y contaminantes de hidrocarburos.
• Considere implementar un pretratamiento de superficie por plasma para aumentar la humectación superficial y la funcionalización química (además de la limpieza con solvente).
• Aplique una línea de pegado de adhesivo delgada y uniforme. Se pueden obtener beneficios adicionales si el producto tiene una superficie texturizada.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamientos de superficie, 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 contactar a Sabreen al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.adhesionbonding.com.

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