Universidad del Bo-Bo Facultad de Ingeniera Carrera de Ingeniera Civil

Adhesivos en la madera

Profesora: ngela Salinas Integrantes: Julio Becerra Nicols Garca Daniel Iraira Manuel Ortiz Cristina San Martin

Concepcin Abril, 2011

Introduccin

A lo largo de la historia y en variados contextos se han empleado los adhesivos, ya sea industrialmente o artesanalmente. Su uso tambin se extiende en el campo de la ingeniera, mas especficamente en el mbito de la madera, en la unin de sta, se presenta el uso de los adhesivos en variados productos como tableros, contrachapado, OSB, etc. Tanto en su propia creacin como en la unin entre s. Para la ingeniera un adhesivo es todo compuesto que mantiene unido a distintos materiales ya sea que tengan la misma naturaleza o no. Se estima que el 70 % de los productos industrializados corresponden a materiales sometidos a algn tratamiento de adherencia. La adherencia es el esfuerzo que realiza el adhesivo a nivel molecular, sobre el substrato en cuestin , enlazando sus molculas al adhesivo y este a su vez a otro material. Si bien la madera es uno de los substratos ms fcil de adherir en comparacin a otros, es vital tanto la utilizacin adecuada del adhesivo como la correcta eleccin de ste. Debido a la importancia de esto, desarrollaremos el tema ms profundamente, aclarando como trabaja un adhesivo sobre algn material en especifico, explicaremos la adhesin a nivel de sus enlaces, adems daremos a conocer los distintos tipos de adherentes (Los ms principales en la ingeniera) y algunos aspectos importantes de stos.

Para comprender con ms certeza los principios tericos se profundizara en el conocimiento de algunos tipos de fuerzas para tener una amplia visin del comportamiento de adhesivos.

Fuerzas Intermoleculares

El enlace que atrapa los tomos dentro de una molcula es el enlace covalente. Las fuerzas de atraccin entre las molculas son de naturaleza elctrica. Fuerzas gravitacionales tambin existen, pero podemos despreciarlas por ser mucho menores que las fuerzas elctricas. Analicemos ahora, las fuerzas que existen entre las molculas Estas fuerzas pueden ser divididas en dos tipos: Fuerzas de Van der Waals y Puente de Hidrgeno

Fuerzas de van der Walls

Estudiemos los tipos principales: Fuerza entre dipolos permanentes: Si la molcula de la sustancia contiene un dipolo permanente (debido a la polaridad de uno o ms de sus enlaces covalentes), entonces podemos fcilmente ver como esas molculas se atraen unas a otras: el lado positivo del dipolo de una molcula atrae al lado negativo del dipolo de la otra molcula. Esta fuerza existe, por tanto, entre molculas polares ( total 0). Ejemplo:

Enlaces de Hidrgeno o Puentes de Hidrgeno:

Una de las propiedades que solo el tomo de hidrgeno presenta es la capacidad de ejercer una fuerza de atraccin intermolecular llamada enlace de hidrgeno, o puente de hidrgeno. El enlace de hidrgeno solo puede ocurrir cuando el hidrgeno estuviese enlazado a un tomo pequeo y muy electronegativo. Cuando el hidrgeno esta enlazado a un tomo muy electronegativo, la densidad electrnica en torno del protn se establece bastante baja, esta parte de la molcula es entonces fuertemente atrada por los pares de electrones. Ejemplo:

Difusin La difusin (tambin difusin molecular) es un proceso fsico irreversible, en el que partculas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropa del sistema conjunto formado por las partculas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disolvente Normalmente los procesos de difusin estn sujetos a la Ley de Fick. La membrana permeable puede permitir el paso de partculas y disolvente siempre a favor del gradiente de concentracin. La difusin, proceso que no requiere aporte energtico, es frecuente como forma de intercambio celular.

Teora de la adhesin

En general cinco principios abordan la teora de la adhesin. 1- Teora de la difusin 2- Teora estructura electrnica (electricidad). 3- Teora de absorcin/ adhesin especifica. 4- Teora mecnica de entrelazamiento/enclavamiento. Estos principios pueden ser aplicados de acuerdo al trabajo del adhesivo con la madera que se requiera. Cada mecanismo contribuye a las fuerzas de adhesin de adhesivo-sustrato.

1- Teora de la difusin. Adhesin intrnseca de un polmero de resina (adhesivos) a un sustrato (madera) gracias a la mutua difusin de molculas de polmeros. Las macromolculas de adhesivos y sustratos poseen suficiente movilidad y en semejante grado de solubilidad (deben formar solucin);La resistencia de unin tiene relacin con el tiempo de contacto, peso molecular y superficie de humectacin . Las problemticas que surgen, es que la madera no es un sustrato homogneo ya que est constituida por tres tipos de polmeros: celulosa cristalina y amorfa, hemicelulosa y lignina (ambos amorfos). La porcin cristalina de la celulosa no es apropiada para esta teora. Por lo que es poco apropiada para maderas con alto contenido de celulosa cristalina.

2- Teora estructura electrnica (electricidad). Esta teora promovida por Deryaguin et al, quien propone que si el adhesivo y sustrato tienen distinta configuracin electrnica, se transferirn electrones al momento de realizar el contacto entre las superficies. Esto crea una doble capa de cargas elctricas en la unin del adhesivo son el sustrato. Esto sugiere que las fuerzas electroestticas producto del contacto de las superficies contribuye significativamente a la adhesin. En trminos prcticos trata de la unin adhesivosustrato, como un capacitor que es cargado gracias al contacto de distintos materiales. La separacin de las superficies de este capacitor conduce a la separacin de cargas que incrementan drsticamente hasta que se produce una descarga al momento de realizar la unin. La adhesin se presume en consecuencia a la existencia de estas fuerzas de atraccin de doble capa elctrica.

3-

Teora

mecnica de entrelazamiento/enclavamiento.

Postula que el enclavamiento mecnico y fsico del adhesivo endurecindose en grandes y pequeas irregularidades de la superficie del sustrato es la mejor adhesin. A medida que se aumenta la superficie de rijosidad incrementa su adhesin. Sin embargo en algunos materiales se puede obtener una perfecta adhesin limpiando la superficie. Lo que muestra que esta teora no es ampliamente aplicable.

El efecto de la penetracin del adhesivo en la madera se traduce en la diferenciacin de tres zonas:

- Una porcin de madera intacta: Es la parte de la madera a la cual el adhesivo no alcanza a penetrar. - Una zona impregnada con el adhesivo: Aqu es donde los dedos de cola hacen un tipo de diente de sierra con la superficie porosa de la madera. - Una lnea de cola (donde hay solo adhesivo): Aqu es donde se produce la unin de cohesin que corresponde a la fuerza desarrollada entre las molculas de adhesivo y que influyen en dedos de cola ms resistentes.

En la imagen podemos apreciar la amplitud del nivel de superficie de la madera que hace contacto con el adhesivo, aumentando el nivel de adhesin y disminuyendo la probabilidad de soltura.

4- Teora de absorcin/ adhesin especifica.

Toda materia est constituida por tomos y molculas las que estn unidas entre si por valencias o fuerzas de naturaleza elctrica. La unin especifica de la madera es la que resulta de de la unin qumica de los grupos activos de naturaleza polar de la madera y los grupos activos polares del adhesivo. La madera posee largas cadenas de celulosa (C6H10O5) (polisacrido compuesto exclusivamente por largas cadenas de glucosa) y las molculas de esta son las que que actan con las molculas del adhesivo por medio de enlaces puentes de hidrogeno.

Para lograr una correcta y ms generalizada definicin de los adhesivos mas utilizados, nombramos a tres mas ejemplificadores de adhesivos para la madera.1. Urea Formaldheido 2. Fenol Formaldheido 3. PVA

Cabe destacar que son los ms utilizados en nuestro pas, ya que en pases desarrollados se utilizan otro tipo de adhesivos que estn acorde con la madera del sector geogrfico.

1. Urea formaldehido

La urea formaldehido es un adhesivo de resina sinttica termoestable de gran resistencia al calor, consiste en una cadena de polmeros condensados producto de la reaccin de formaldehidos con la urea. Las ventajas que nos entrega son: solubles en agua, dureza, no inflamable, buenas propiedades trmicas y fcil adaptabilidad a las condiciones de curado. La UF es empleada principalmente en maderas para interiores debido a su baja resistencia al agua y costo ms econmico; tambin es utilizada en revestimientos superficiales, paneles acanalados y laminados. La fabricacin de tablas de aglomerado es el mayor mercado para las resinas de urea-formaldehido. Bajo condiciones de fro, el producto puede ser almacenado de manera estable hasta por dos meses.

Urea Composicin

Formaldehido

Los componentes ms destacados son: La sal amoniaco ( catalizador ) , agente , una sal metlica, un relleno inorgnico , y urea que controla la actividad cataltica de la sal de amoniaco . Desventajas

Se deteriora fcilmente con el agua y la humedad por lo que su aplicacin se restringe solo a interiores. 2. Fenol-formaldehido Los adhesivos que contienen Fenol-formaldehido son termoestables, es decir, resistentes al calor, su estructura molecular se aprecia en la siguiente figura:

Hoy en da las resinas de fenol-formaldehido son ampliamente utilizadas en la elaboracin de una gran diversidad de tableros, tales como contrachapados de maderas duras y blandas, tableros de partculas y OSB, permitiendo su uso en exterior en virtud de sus buenas propiedades de resistencia a la humedad. El Fenol-formaldehido es de color caf oscuro, forma uniones que son resistentes a la intemperie y tiene como ventaja que las emanaciones toxicas son bajas.

Reaccin de fraguado Se distinguen tres fases: - Resol: Se observa cuando se aplica el adhesivo, es decir, su estado original - Resitol: Se produce cuando se le aplica temperatura sobre el punto de ebullicin. Se encuentra endurecido y no es soluble al agua o alcohol. - Resit: Si la aplicacin de temperatura continua se alcanza este ultimo estado donde la resina es insoluble. Ejemplos

Tablero de Partculas

Contrachapado

Contrachapado:

OSB 3. PVA (Acetato de Polivinilo)

Los adhesivos de acetato de polivinil (PVA), son adhesivos termoplsticos, es decir, polmeros lineales o ramificados que se funden o fluyen cuando se someten a altas temperaturas. El monmero base de este adhesivo es el vinil acetato, cuya estructura molecular se aprecia en la figura

.

Las ventajas de los adhesivos de PVAc sobre otros sistemas adhesivos son su bajo costo, baja toxicidad, baja inflamabilidad y simple aplicacin, adems de su excelente adhesin sobre superficies celulsicas, tales como madera y papel. Por

otro lado, las condiciones ambientales pueden transformarse en una desventaja si estas ponen problemas para poder eliminar el agua del adhesivo, o por el contrario se produce un rpido secado de este, durante su aplicacin y posterior desarrollo de la unin. Su aplicacin se cataloga como de uso no estructural.

Composicin de los adhesivos de PVAc. Los principales componentes de los adhesivos de PVAc, son el polivinil acetato, plastificantes, estabilizantes y agua. El vinil acetato, es el monmero base de los adhesivos PVAc, el que por su estructura molecular, le permite durante el proceso de unin, desarrollar fuerzas moleculares de van der Waals. Estas fuerzas, junto al anclaje mecnico del adhesivo en las superficies del sustrato, son los principales causantes de la unin. Las uniones de adhesivos de PVAc con madera, requieren una ntima cercana entre ambos, principalmente entre el adhesivo y la celulosa de la madera.

El vinil de acetato se fabrica del acetileno o etileno y del cido actico, y tiene las siguientes propiedades. Apariencia mvil Peso molecular Densidad relativa (20 C) Punto de ebullicin Viscosidad absoluta (20 C) Calor especifico (25 C) Calor latente de evaporacin Calor de polimerizacin Solubilidad en agua : clara, poco coloreada, liquido : 86.09 :0.934 .: 72.5 C : 0.432 Cp. : 1.95KJ/Kg C : 379 KJ/kg : 89.3 KJ/mol :2 %

Los plastificantes pueden ser considerados como solventes con un alto punto de ebullicin y baja presin de vapor a la temperatura de operacin del adhesivo, por lo que este permanecer permanente en el film del adhesivo. Los plastificantes forman un film alrededor de las partculas en la dispersin, aumentando la distancia entre ellas y de igual forma disminuyendo las fuerzas moleculares entre ellas. Adems los plastificantes flexibilizan el film formad, despus de que el adhesivo ha secado o fraguado, y disminuyen la temperatura mnima de formacin de film homogneo. Un plastificante comnmente utilizado es el dibutil ftalato. Dentro de los estabilizantes, se tienen los surfactantes, buffers y coloides. Los surfactantes son molcula que exhiben propiedades opuestas de solubilidad en aceite (no polar) y en agua (polar), en diferentes partes de su estructura, estos estabilizan el polmero a travs de una capa superficial, un surfactante utilizado es el sulfato de sodio. Los buffers son usados para estabilizar el PH del adhesivo (4.5-6.5) y prevenir la hidrolisis aceda de vinil de acetato y acetaldehdo, un buffers usado es el bicarbonato de sodio. Los coloides son utilizados para estabilizar la polimerizacin, siendo adems el ms utilizado el polivinil alcohol, que aumenta el tiempo abierto, facilita la formacin de partculas de mayor tamao y mejora la resistencia al creep. Se debe considerar que el adhesivo PVAc es un material termoplstico, que sufre de fenmenos como el creep en frio la perdida de resistencia bajo altas temperaturas de esta manera la unin debe ser diseada para que el adhesivo resista tanto como sea posible.

Aplicacin del adhesivo de PVAc. Los adhesivos de PVAc tienen usos no estructurales su uso se ve aplicado en uniones dentadas, paneles slidos con uniones de canto, muebles y chapas decorativas.

Paneles con uniones Uniones Dentadas de canto

Muebles

Tablero de Partculas

Chapas decorativas

Conclusin

Podemos concluir que la utilizacin de un adhesivo depende tanto de la madera a utilizar como de la funcin que necesitemos para dicha madera, ya sea de uso interior o exterior. Existen adhesivos como el fenol formaldheido que sin lugar a dudas utilizaramos para intemperie ya que es ms resistente al agua y la humedad; la urea formaldheido sera para interiores por ser mas econmica y debido a su solublibilidad al agua es no aplicable en exteriores; y el PVA es un adhesivo que lo utilizariamos para hacer muebles ya que su costo es considerablemente ms econmico, presenta baja toxicidad e inflamabilidad. Los adhesivos forman una parte importante de nuestra vida, por vivir en una regin forestal en la que sus construcciones estn basadas en los distintos tipos de maderas que son procesados aqu.

La madera por ser un recurso renovable, limpio y de bajo costo ser la futura base estructural. Es por esto la importancia del conocimiento de los adhesivos para la fabricacin de los distintos tipos de tableros.

Bibliografa

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Evaluacin de Sistemas Adhesivos de PVA mediante Fractura Mecnica, Biblioteca Universidad del Bio Bio. https://portal.uah.es/portal/page/portal/GP_EPD/PG-MA-ASIG/PG-ASIG200637/TAB42359/ADHERENCIA%20Y%20ADHESIVOS%20PARA %20MADERA%20(V%20Quevedo).pdf