Por Angel Lanchas Hervalejo

Introducción

Las resinas basadas en base de copolímeros son empleados para el encolado de materiales plásticos distintos a la madera, las dispersiones de homopolímeros interesan para todos los otros sectores de aplicación, como montaje, y ensamblado de muebles.

Las resinas vinílicas, homopolímeros de acetato de vinilo se produce en dos etapas.

La primera etapa consiste en una reacción de oxidación entre etileno y ácido acético para producir acetato de vinilo, producto líquido transparente, de aspecto similar al agua, muy inflamable.

En el segundo paso, el acetato de vinilo se polimeriza en emulsión acuosa, con producción final de la dispersión acuosa  de acetato de polivinilo.

Para la producción de la emulsión vinílica, se adicionan a los catalizadores necesarios para la aceleración de la polimeración, sustancias en condiciones de estabilizar la emulsión.

Estas sustancias empleadas hasta un máximo del 10 % son los llamados coloides  protectores.

Normalmente se trata de alcoholes polivinílicos, que pueden diferir entre ellos por el grado de saponificación y peso molecular, así como también pueden ser usados derivados celulósicos.

Gran parte de las características de la dispersión vinílica dependen del empleo de esta sustancia y del modo en que se produce la polimerización.

formula PVA

Propiedades de la resina

La característica dipolar dada por los grupos acetilo terminales de la dispersión acetovinílica, le otorga gran capacidad adhesiva sobre diversas bases, en especial la madera, siendo el proceso de encolado de naturaleza física.

Durante el proceso de constitución del encolado extendido sobre las superficies a unir, se elimina agua en determinadas condiciones ambientales y con la formación, bajo presión de una junta adhesiva uniforme y continua, se obtiene el encolado deseado.

De las dos superficies a unir, obviamente es necesario que por lo menos una sea porosa a fin de poder eliminar el agua, pues de otra manera, no pudiendo cumplirse el proceso, impide que se efectúe el mismo encolado.

Una mayor o menor profundidad de la penetración de la cola en los poros de la madera puede contribuir notablemente no sólo a la resistencia del encolado, sino a la elasticidad de la junta.

El acetato de polivinilo no es soluble en agua, sino en un grado muy moderado. No obstante, siempre que no se utilicen productos vinílicos con aditivos especiales y muchos menos un endurecedor, la película sólida de acetato de polivinilo que se obtiene, de una dispersión normal, se solubiliza fácilmente en agua, porque ésta interviene sobre el coloide protector que, por el contrario, es muy soluble.

La mezcla de acetato de polivinilo al dejar de estar sujeta al coloide, se disgrega y la junta adhesiva se exfolia en el agua perdiendo así toda capacidad adhesiva.

Las colas vinílicas entran dentro de la categoría de los adhesivos termoplásticos porque la película adhesiva que se obtiene mediante la acción del calor toma un aspecto plástico con proceso reversible.

Los dispersantes vinílicos son las materias primas para la producción del adhesivo final que se obtiene por la suma de cargas, excipientes, disolventes y plastificantes.

Cada una de estas sustancias y la combinación de algunas de ellas, modifica las características de la dispersión de origen en función de las exigencias aplicativas requeridas y del tipo de base a encolar.

Características

Para hacer uso de un correcto empleo del adhesivo elegido, el usuario de un adhesivo a base de dispersión acetovinílica debe conocer algunas características  fundamentales y entre las más importantes citaremos las siguientes:

Contenido de materia solida.

Según el tipo puede variar del 40 al 60%.

La cantidad de materia solida presente en el adhesivo está, sin ninguna duda, en relación con la velocidad de formación de la película adhesiva. Cuanto mayor sea la cantidad de agua a eliminar, más lenta será la velocidad de endurecimiento.

El contenido de materia solida puede ser determinado simplemente calentando el adhesivos sobre un plato o bandeja de aluminio a 105º C.

A esta temperatura, el residuo puede todavía contener plastificantes que se evaporan a temperatura más alta. La determinación del plastificante se efectúa calentado el residuo a 220º C por un tiempo determinado.Laboratory_Heating_Equipment_Muffle_Furnace

La diferencia del residuo medido a 220º y a 105ºC se calcula el contenido del plastificante presente en relación con el contenido seco, tales como cargas minerales, excipientes y resina.

Para establecer el contenido de cargas minerales, se calientan muestras del adhesivo en un horno mufla a 900º C para medir la ceniza. Con esta ceniza se pueden efectuar ensayos para establecer el tipo de carga mineral presente.

En presencia de carbonatos, que generalmente se descomponen a 900ºC, el contenido de cenizas no nos da obviamente, un inmediato resultado del total del carga mineral presente en el adhesivo. Un ensayo efectuado a 570ºC por un tiempo prolongado dará, en este caso, una reducción de las sustancias orgánicas sin descomposición de las cargas minerales, la ceniza recogida puede ser atribuida  totalmente a la presencia de la carga mineral.

Viscosidad

Los vinílicos son adhesivos tixotrópicos. Se entiende por tixotropía aquel fenómeno en el que un líquido aparentemente viscoso adquiere mayor fluidez por simple agitación, suspendida la cual vuelve el líquido a su situación anterior. pl313089-brookfield_dv_e_digital_touch_screen_display_viscometerEn este sentido, los adhesivos vinílicos no siguen el comportamiento de los fluidos newtonianos.

El valor de la viscosidad evidentemente depende del modo en que se ha efectuado la medición, en particular del tipo de viscosímetro utilizado y de la velocidad de rotación del instrumento empleado, así como también de la temperatura a la que se ha sometido la operación. Para determinar la viscosidad de un adhesivo a base de dispersión de acetato de vinilo, es correcto utilizar viscosímetros rotativos tales como el Brookfield, que permite medir la viscosidad a diferente velocidad de rotación.

Generalmente  la viscosidad está dada para una temperatura determinada y a una velocidad de 20 a 50 revoluciones por minuto. Para mayor conocimiento de las características tixotrópica del adhesivo, viene a menudo trazadas las diversas curvas de viscosidad a diferentes velocidades de rotación.

Un desarrollo típico de variación de la viscosidad de un adhesivo vinílico en dispersión al variar el número de revoluciones está representado en la tabla nº 1.

 

Tabla nº 1    Variación de la viscosidad de un adhesivo en dispersión a base de homopolímeros de acetato de vinilo en función del número de revoluciones por minuto.  

Velocidad  /   revoluciones por minuto Viscosidad a 20ºC  en mPas
0,5 60.000
1,0 43.000
2,5 28.000
5,0 21.400
10,0 16.000
20,0 13.000
50,0 9.220
100,0 7.900

En los adhesivos para madera, el índice de viscosidad está comprendido entre 1,1 y 3,5 donde el mayor índice indica una mayor tixotropía del adhesivo.

Una viscosidad baja no significa siempre que el adhesivo contenga más agua, porque existen adhesivos con un alto contenido de sólidos, pero con viscosidad baja, formulados especialmente para exigencias particulares.

La temperatura de almacenamiento del adhesivo obviamente influye sobre la viscosidad, como se ve claramente en la tabla nº 2

Tabla nº 2

Variación de la viscosidad de un adhesivo en dispersión, a 20 revoluciones/ minuto con

viscosímetro Brookfield en función de la temperatura de almacenamiento.

Temperatura en ºC Viscosidad en mPas.
5 42.200
10 38.600
20 30.200
30 27.000

Temperatura mínima de formación de película.

Es una característica muy importante para la dispersión vinílica y determinada la mínima temperatura a la cual el adhesivo forma película. Por formación de película se entiende aquel fenómeno por el cual, con la eliminación del agua del adhesivo, a través de la madera  y de la atmósfera, las partículas del acetato de polivinilo se unen entre sí para formar una película adhesiva, homogénea y continua.aparato-medicion-temperatura-minima-formacion-pelicula-86381-2312633

Por debajo de una cierta temperatura, específica para cada adhesivo, este fenómeno no se produce; con la evaporación del agua, las partículas de acetato de polivinilo ya no se reúnen entre sí formando una película no homogénea, blanquecina y polvorienta.

En estas condiciones, no se produce la adherencia. La temperatura mínima de formación de película puede variar según el adhesivo desde  – 5º C a 10-15º C.

Es determinante la presencia de coalescente o plastificantes para bajar la temperatura mínima de formación de película. Basta agregar del 1 al 5% de coalescente o plastificante en la resina para llevar la temperatura mínima de formación de película a valores muy bajos.

En general, los adhesivos vinílicos aptos para uso en caliente tienen temperatura mínima de formación de película de 10 a 15ºC.

La determinación de la temperatura mínima de formación de película se efectúa generalmente aplicando una capa de adhesivo sobre una superficie que tenga un grado de temperatura bien prefijado.

Se observa el punto, (observación que, en general es suficientemente exacta), en el cual se inicia la coloración blanquecina de la película, o sea, la señal de alcanzar el punto yeso. Mediante la lectura de la temperatura sobre el punto indicado, se define la temperatura mínima de formación de película específica para aquel adhesivo.

Tiempo abierto

Como tiempo abierto se entiende generalmente el plazo que media entre aplicación de la cola sobre la superficie a unir presión, superado el cual se tiene una disminución del poder adhesivo.

Para que el encolado resulte óptimo es necesario que la formación de película adhesiva se realice durante la operación de prensad, por lo tanto, la cola aplicada no debe estar completamente seca cuando se ejerce la presión. El concepto básico que regula este mecanismo es que el adhesivo debe bañar la superficie a encolar, para poder obtener una correcta acción de la cola.

Las líneas de adhesivo secas, o parcialmente secas, no tienen obviamente esta propiedad y aun ejerciendo una presión muy alta el fenómeno de la adherencia no se produce. El llamado tiempo abierto está influenciado por diversos factores, particularmente por la clase de madera., por la cantidad de adhesivo aplicado, la temperatura del medio ambiente, la temperatura de la cola, o la de los materiales a encolar y, finalmente, por el tipo de adhesivo empleado. El método que más se acerca a la realidad de los usuarios es la unión de laminado sobre aglomerado estándar y sería la siguiente:

Temperatura ºC 20
Presión Kg/cm2 2
Tiempo min. 20
Aplicación grms/m2 150

El adhesivo se aplica sobre el aglomerado, que debe presentar características de porosidad lo más uniformes posible.

La unión, ejerciendo presión, se efectúa con el laminado a distinto tiempo, tras haber realizado el encolado (0-60 min).

Las probetas obtenidas se acondicionan durante 24 horas en ambiente normal (20º C, 65% humedad relativa), después de lo cual se examina el encolad, rasgando el laminado y contabilizando la cantidad de superficie de laminado que queda cubierta por la viruta desprendida del tablero de aglomerado.

En la fotografía nº 1 se puede ver algunas fases del examen de un adhesivo en dispersión para la determinación del tiempo abierto.

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Se considera tiempo abierto, el tiempo más allá del cuál, menos del 80% de la superficie del laminado se encuentra cubierta por virutas. La variación en las características estructurales de los materiales standard utilizados para la determinación del tiempo abierto, puede influir hasta de modo destacado sobre la evaluación de la medición.

Poder adhesivo

El poder adhesivo de una dispersión poliacetovinílica puede ser determinado mediante métodos diversos.

Los métodos utilizados son: el americano ASTM, que se sirve de bloques de haya cuadrados; el alemán DIN 53253 que utiliza probetas de abeto y de haya de pico de flauta, y además el método DIN 68602/68603 ya visto en el capítulo anterior sobre adhesivos de fines no estructurales, que clasifica a los adhesivos por grupos, según sea su resistencia al agua fría e hirviendo, utilizando probetas de haya rectangulares. El poder adhesivo puede variar según el método seguido.

Con el método DIN 53253 el poder adhesivo puede variar comúnmente desde60-70 kg/cm2 a 140-170 kg/cm2 (después de 24 horas de secado).

En las figuras 1,2 y 3 se representan las probetas utilizadas para la determinación del poder adhesivo.

En igualdad de condiciones en las cuales se efectúa la medición, el poder adhesivo depende de las características del polímero de origen y de la fórmula del adhesivo terminado.

Fig. 1   Desterminación  del poder adhesivo según ASTM               Fig. 2 Forma y dimensiones de las probetas para                                                                                                                                                             determinación del poder   adhesivo según ASTM       

 Figura 1                                                              Figura 2

 Fig.3 Forma y dimensiones de las probetas para la determinación del poder adhesivo según DIN 53253

figura 3

La adición de plastificante disminuye la fuerza de cohesión de la línea de adhesivo, y por consiguiente, es menor el poder de adherencia; así como una baja cantidad de resina presente en el adhesivo acabado que ocasiona también un bajo poder adhesivo.

El poder adhesivo obtenido con los métodos ya señalados, se refiere a mediciones dinámicas.

La superficie encolada es traccionada en el dinamómetro en sentido contrario hasta su separación. Esta fuerza de arranque viene aplicada con una determinada velocidad.

Resistencia a la fatiga

Este método consiste en someter las probetas de ensayo a una carga estática hasta la rotura por separación figura4de las partes encoladas.

Se busca con esto, obtener índices sobre la fuerza de cohesión de la línea de encolado y de su penetración en la madera, con la consiguiente elasticidad de la junta adhesiva obtenida.

Se efectúan para el control de adhesivos especiales (ver encolado de sillas y macizos) que presentan resistencia a la fatiga normalmente superiores a los 15 días.

En la Figura siguiente se puede observar un modelo de prueba para un ensayo de la resistencia a la fatiga. Las probetas para la realización de la prueba son de haya, con dimensiones 100x20x5xmm. Están encoladas con el adhesivo examinando uno sobre el otro a fibra derecha y paralela sobre una superficie de 4 cm2.

Rapidez de calentamiento.

Se evalúa para llegar a definir la aptitud de un adhesivo al calentamiento entre los 60 y 90º C. Es por tanto un método indicado en particular para la caracterización de adhesivos que deben aplicarse en caliente. La rapidez decalentamiento se expresa como el tiempo, en segundos, necesario para obtener un suficiente poder adhesivo inicial.

Resistencia al frió.

Todos los adhesivos en dispersión solidifican por debajo de una cierta temperatura. No todos ellos, al volver a la temperatura ambiente, tienen el comportamiento contrario. Un índice de la resistencia al ciclo de hielo y deshielo define el comportamiento del adhesivo. Normalmente, se adoptan como temperatura para los ciclos de control:

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– 5º C.    y   -12º C.

El adhesivo es mantenido durante 12 horas a la temperatura escogida y por otras 12 horas a la temperatura de 20º C. En cada ciclo, se efectúa una medición de viscosidad y se controla el aspecto de la dispersión. Después de 5 ciclos, como se ha dicho, se controla el adhesivo para determinar si todavía es útil o se ha coagulado la emulsión con el consiguiente decaimiento de su capacidad de adherencia.

Resistencia al agua

Los adhesivos vinílicos normalmente no son resistentes a la humedad y según las normas DIN 68602/603 están de acuerdo con las pruebas exigidas para los grupos B1-B2.

Sin embargo, existen posibilidades para ciertas aplicaciones especiales, de emplear en frío, adhesivos vinílicos resistentes al agua, de acuerdo a una fórmula especial y en grado suficiente para resistir las pruebas de los grupos B3 y B4 que incluyen ciclos de inmersión en agua fría y en agua hirviendo.