ADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA

MASTER OFICIAL EN PROYECTO ARQUITECTONICO Y CIUDAD UNIVERSIDAD DE ALCALÁ

ADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA

Materiales de Nueva Generación y Materiales Eficientes.

Presenta: VALERIA MARIA QUEVEDO MACHUCA

MATERIALES DE NUEVA GENERACION Y MATERIALES EFICIENTES

ADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA

EL USO DE ADHESIVOS EN LAMADERA El adhesivo o enlace de madera, es una actividad que se ha practicado por muchos siglos. Se estima que el 70% de los productos en la práctica industrial es madera enlazada (Hemingway and Conner 1989). Los Adhesivos están diseñados para aplicaciones especificas, relacionados a miles de productos (Rice 1990). Loa más comunes, son aquellos adhesivos utilizados en la fabricación de composites o aquellos que se utilizan en el ensamblaje de productos. El mercado más grande de producción de madera, es el de los paneles, incluyendo las maderas flexibles, placas de filamentos orientados (OSB), placas de fibras y de partículas. Los adhesivos representan del 2 a 8% en comparación del peso total de los productos terminados.

Adherencia de la Madera La adherencia es el esfuerzo de la capa molecular del adhesivo que entra en contacto con la capa superficial de los substratos, tales como la madera. En general, la madera es fácil de adherir en comparación con la mayoría de substratos. Las superficies (en la madera) no son atraídas uniformemente en un contacto tan cercano, requiriendo del adhesivo para mantener a las superficies unidas. Tanto para maderas laminadas como para uniones al beso, los adhesivos pueden ser curados por calor o bien a temperatura ambiente. En la construcción y la fabricación de mobiliario, los adhesivos utilizados poseen tiempos de secado muy largos y usualmente se realizan a temperatura ambiente.

(La importancia de los adhesivos es ilustrada por la necesidad de diferentes pegamentos para hacer el reborde por la vinculación de las partes del laminado y la orientación de las fibras en las escamas de la viga I, y con el accesorio de paneles de fibras al borde.)

La mayoría de los adhesivos para uniones de madera se componen de formaldehidos como comonomero, generando preocupación por la emisión de sustancias formaldihídicas.

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Usualmente en este proceso de adherencias, el esfuerzo localizado es muy diferente del esfuerzo aplicado, así mismo como lo es el distribuido del concentrado (Dillard 2002). Variables de la Adherencia en la Madera Resinas

Madera

Procesos

Efectos

Tipo Viscosidad Distribución de Peso Molecular Porciones de Reactivos

Especie Densidad Contenido de Humedad

Cantidad de Adhesivo Distribución del Adhesivo Humedad Relativa

Esfuerzo Módulo de Cortante Elevada Resistencia al Pliegue

Temperatura

Arrastre

Valor de Curado Total de Sólidos

Plano de corte: Radial, Tangencial, Transversal o Mixto Corteza vrs. Cuerpo de la Madera Maderas Jóvenes vrs. Maduras

% de Fractura en la Madera Tipo de Fractura

Catalizadores Mescla Clavo Rellenos Sistema Solvente Duración

Maderas Prematuras vrs. Dilatadas Reacción de la Madera Angulo de la Partícula Porosidad de la Madera Rugosidad Superficial Daño por Deshidratación

Tiempo Directo de Ensamblaje Tiempo Indirecto de Ensamblaje Prensado Penetración del Adhesivo Vía Gaseosa Tiempo de Prensado Pre-tratados Pos-tratados

pH Protecciones

Daño por Producción Suciedad, Contaminación, Extractos, Capacidad de Protección, Superficies Químicas.

Temperatura de Adherencia

Seco Vrs. Húmedo Modulo de Elasticidad Temperatura Resistencia de Hidrólisis Resistencia al Fuego Resistencia Biológica: Hongos, Bacterias, Insectos, etc. Finalizado Resistencia Ultravioleta

Nota: Recopilación por Norm Kutscha

Se necesita considerar ambos aspectos de la fuerza de adherencia, tanto el químico como el mecánico, porque la fuerza de adherencia es una medición de la fractura, cuyo proceso determina donde se localiza el mayor esfuerzo bajo condiciones específicas de ensayo. Algunas teorías de la adherencia acentúan aspectos mecánicos y otras ponen más énfasis en aspectos químicos, la estructura química y las interacciones determinan las características mecánicas y las características mecánicas determinan la fuerza que se concentra en vínculos químicos individuales. Para que los adhesivos formen dispositivos de seguridad, tienen que humedecer el fondo del substrato lo suficiente, de modo que penetre un poco del producto, para que actúen tanto las fuerzas químicas como las mecánicas en la unión. Para que un dispositivo de seguridad mecánico trabaje, los enlaces del adhesivo deben ser lo suficientemente fuertes para soportarlos. Por todo lo anterior, la interacción del madera-adhesivo necesita ser evaluada en tres escalas espaciales (milímetro, micrómetro, y el nanómetro) (Frazier 2002, Frihart 2003b). El milímetro implica observaciones por el ojo o la microscopia ligera. El uso de exploraciones microscópicas electrónicas, permite observaciones respecto al micrómetro o al nivel celular. Mientras que el nivel del nanómetro, es la escala espacial en la cual las moléculas adhesivas necesitan trabajar recíprocamente con la madera para que el enlace se forme.

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Términos Utilizados Fractura de Uniones por Adhesivos: es el lugar donde ocurre la fractura en una unión adhesiva como resultado de la pérdida de la capacidad de carga del pegamento. Fractura del Substrato: es la fractura localizada en el sustrato o superficie adherente. Interface: esta es la región de dimensión finita, que se extiende de un punto en el que el adhesivo posee características particulares, y comienzan a cambiar a las características generales de la adherencia con la madera, a un punto en el que las características del pegamento se comportan de la misma manera.

Tiempo de Ensamblaje: es el intervalo del tiempo entre la aplicación del pegamento en el substrato y el uso de la presión, o calor, o ambos, hasta el ensamble. Ajustes: es convertir un pegamento en un estado fijo o endurecido por medio de una acción química o física en los componentes del mismo. Curado: es cambiar las características físicas de un pegamento por la reacción química, de un estado a otro. Agarre: es la característica de un pegamento que le permite formar un enlace de la fuerza mensurable inmediatamente después que el pegamento y el adherente se ponen en contacto bajo presión. Adhesivos Estructurales: es un agente de la vinculación, usado para transferir cargas requeridas entre los adherentes expuestos a los ambientes del efecto típicos para la estructura implicada.

Aplicación de los Adhesivos Aplicación de Adhesivos a la Madera: No todos los adhesivos son de aplicación directa a los substratos de madera, algunas superficies deben ser tratadas antes de efectuarse los enlaces. • • • •

El primer paso en la formación de un enlace implica el esparcir del pegamento sobre la superficie de madera. Después de la aplicación del adhesivo, una combinación de ensambles directos e indirectos, se utiliza dependiendo del proceso específico del enlace. En algunos casos, el calor y la humedad se utilizan durante el proceso de enlace, esto permite que el pegamento se vuelva más líquido y la madera más deformable (Green et al. 1999). Es así, como el Adhesivo tiene que fluir sobre la superficie total, y en los vacíos causados por la porosidad que está presente con casi todas las superficies.

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La madera es una de las superficies de enlace más compleja, que se encuentra generalmente en la mayoría de los usos adhesivos. Agregando la tensión, compresión y la valoración de las partículas, aumenta la complejidad de la interacción adhesiva de la madera.

Penetración de la Superficie de la Madera: En una escala mayor, la madera es un substrato rugoso, celuloso y anisotropico; es debido a estas características, que la penetración de los adhesivos y cualquier otra substancia posee cualidades específicas. • • • •

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Los tipos y los tamaños de las células son dramáticamente diferentes entre las maderas dura y las maderas blanda. Las células de las maderas crudas con las paredes más finas, son más fáciles de enlazar debido a un lumen más accesible. La madera de savia se considera más fácil enlazar debido a los cambios en los estratos. La madera joven, en compresión, y tensión distorsionan la estructura celular de los enlaces y debilitan la región de la interface adhesiva de la madera. El mejor método para preparar una superficie de madera para enlaces, es utilizar las placas laminadas muy finas. La superficie de la madera-enlace varía considerablemente dependiendo de cómo la superficie está preparada y qué tipo de madera es.

(La penetración adhesiva de la unión es buena para (a) una superficie de madera sana, pero no para (b) una superficie de madera desmoronada y maltratada.)

Cuadros de la microscopia electrónica de la exploración de secciones transversales (a) del pino amarillo meridional y (b) del arce duro.

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Humidificacción, Flujo y Penetración P n de la Madeera: Para un en nlace se fo orma, el adhesivo nece esita mojar y fluir sobre un na superficie e, y en algu unos casos pene etrar en el substrato. Es importtante entender que q los térrminos sign nifican dive ersas cosas aun cuando c pare ecen muy sim milares •

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La adherencia a por humid dificación es e la capa acidad de un na gota adh hesiva de forrmar un ángulo de e bajo con ntacto con n la supe erficie. El flu ujo implica el e adhesivo extendiendo e o por esa superficie s bajo un tiemp po razonable e. El flujo no sólo depend de del ángullo del contaccto, sino tamb bién de la visscosidad de el adhesivo. Con C una visccosidad máss baja, el ad dhesivo fluye mejor y moja a más de la superficie. La penetración es la capacidad del peg gamento de moverse en los vacíos de la superrficie del subsstrato o en el e substrato o mismo. Pa ara lograr un n enlace fue erte, el adhe esivo debe penetrar p en to odas las porrosidades de el substrato en una micro-escala

Las gotas del d agua en una a chapa amarilla a del abedul dem muestran la adh herencia de sold dadura mejorad da por el retiro de los contaminan ntes superficiale es. La fotografía a fue tomada 30 0 segundos desspués de poner tres gotitas en la superficie. La a gota izquierda esstaba en una su uperficie sin trattar, el centro fue renovado porr dos pasos de papel p de lija de 320 3 arenas, y la gota derecha fue e renovada con cuatro pasos co on el papel de lija.

Mo odos de la intera acción adhesiva a dentro de las membranass celulares de madera. m

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Ajustes en los Adhesivos El ajuste es convertir un adhesivo en un estado fijo o endurecido por la acción química o física, tal como condensación, polimerización, oxidación, vulcanización, congelación, hidratación, o evaporación del solvente volátil. •

Para la mayoría de adhesivos poliméricos, es necesario reaccionarlos mediante la perdida de solventes o minerales en el compuesto.

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Para muchos otros tipos de adhesivos es necesaria la evaporación o pérdida de agua, enfriamiento y la polimerización de los mismos.

Separación de Solventes: Los solventes son un problema debido a la naturaleza no porosa del substrato que previene el retiro del solvente por la migración dentro y a través del substrato. Es así como la mayoría de los procesos de enlace requieren de maderas que estén dentro de una gama aceptable en contenido de agua, para conseguir una adecuada manejabilidad.

Polimerización: Para lograr un enlace más fuerte, un peso molecular más alto y un mayor número de polímeros reticulados son generalmente mejores los procesos de polimerización. Esta activación puede incluir aplicación de calor, el cambio en el pH, catalizadores, la adición de un segundo componente, o la radiación.

Solidificación por Enfriamiento: Muchos adhesivos usados con anterioridad para las maderas, eran sensibles a derretimientos por calor. Debido a que los adhesivos termo sensibles y los plásticos usados para los compuestos son poliméricos, tienen una capacidad limitada de fluidez. Mientras el adhesivo se enfría, su viscosidad se eleva rápidamente para una mejor adherencia de soldadura.

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ADHESIVOS

Tipos de Adhesivos En el mercado existen una inmensa gama de productos para adherir sustratos y materiales de diferente composición. Para la madera, de igual forma, existe un amplio número de estos adhesivos que varían en sus características y propiedades dependiendo de su composición. Las características de un adhesivo necesitan no sólo coincidir con las necesidades del enlace ensamblado final, sino que también necesita ser compatible con el substrato y las condiciones de proceso del enlace. Aunque estos pegamentos se posicionan en la clasificación general del tipo estructural, en los enlaces de madera pueden ser divididos como estructurales, semi-estructural y no estructurales. Los tipos de curado de los adhesivos determinan muchas veces el desempeño de los mismos, algunas consideraciones para los curados y su relación con las características de los enlaces en la maderas son: 1. El curado lento a temperatura ambiente, proporciona el tiempo necesario para que los componentes de la madera estén cubiertos con el adhesivo y se mantengan unidos durante el ensamblaje. 2. El calor y la humedad dejan ablandar a la madera, permitiendo que las superficies de madera colindantes sean traídas en contacto más cercano. 3. Sobre la calefacción, el curado del pegamento es rápido, reduciendo el retardo cuando se aplica presión. Algunos de los tipos de adhesivos que existen se clasifican según su uso o composición, y más concretamente según su componente base. Entre los que se pueden mencionar los siguientes: • • • • • • • •

Formaciones Poliméricas Autoadhesivos Formaldehidos Adhesivos Adhesivos Epóxicos Dispersión de Adhesivos Acetaticos Polivinílicos y Vinil-etílicos Fundidos por Calor Adhesivos Sensibles a la Presión Adhesivos Orgánicos

Los adhesivos más utilizados son los siguientes:

Formaciones Poliméricas Las características de los polímeros son importantes en el proceso de los enlaces y en el último caso, para el funcionamiento final del material consolidado. Algunos aspectos que se deben tomar en cuenta para la efectividad de los polímeros son el uso, la clase, el tipo y el tamaño. Las clases de polímeros son determinadas por cómo está constituido el polímero, enlaces simples o composiciones variadas, y según el tipo de enlaces que forman. • •

Homopolimeros (de un componente) Copolimeros (de dos o más componentes poliméricos)

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De enlaces Reticulados (termo estables) De enlaces No-Reticulados (termoplásticos)

Auto-adhesivos Las fuerzas que trabajan contra una buena auto-adherencia son la aspereza de la superficie y la carencia de movilidad de los componentes de la madera. Para la buena adherencia, las dos superficies tienen que ser puestas en contacto a nivel molecular. La adherencia de los elementos de madera depende mucho de la vinculación del hidrógeno y la autoreticulación.

Formaldehidos Adhesivos Los adhesivos para madera más comunes, son aquellos a base de reacciones formaldehídicas con Fenol, Resorcinas, Urea, Melanina o una mescla de los mismos. Estas reacciones pueden involucrar los siguientes pasos: 1. Reacción del formaldehido con un centro nucleophilico del co-monomero para formar un derivado hidroximetílico. 2. Condensación de dos de estos grupos hidroximetílicos para formar un grupo del éter del bimetileno, con pérdida de una molécula de agua. 3. Eliminación del formaldehido del éter del bi-metileno para formar un puente del metileno Los tipos de formaciones formaldehídicas que se generan de estas reacciones son las siguientes: -

Fenol Formaldehido (PF) Resinol Formaldehido (RF) Fenol-Resinol Formaldehido (PRF) Adhesivos Urea Formaldehidos y Urea Formaldehidos Mesclados Adhesivos Formaldehidos de Melanina

Adhesivos Epóxicos Los adhesivos y las capas de epóxido son ampliamente utilizados debido a su buena resistencia ambiental y la capacidad de enlazar a una variedad amplia de superficies, incluyendo la madera, metales, plásticos, cerámica, y concreto. Son menos de uso general en la vinculación de madera porque son más costosos que la mayoría de los adhesivos de madera, y en algunos casos, su durabilidad es limitada. Por otra parte, estos son adhesivos estructurales capaces de curar a temperaturas ambiente, tienen la habilidad que llena cualquier fisura, y enlazan a muchas otras superficies, mientras que la mayoría de los pegamentos de madera requieren un curado a base de calor, no cubres fisuras y no enlazan con otros substratos.

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Adhesivos Orgánicos La mayoría de los adhesivos orgánicos, son los generados a base de proteínas. Aunque los productos de antiguos madera consolidada fueron hechos usando los pegamentos naturales de la proteína, estos enlaces eran durables solamente a niveles de la humedad baja y fueron ablandándose generalmente a niveles de la humedad alta. El adelanto más grande en el desarrollo de los adhesivos naturales, son los de la harina de la soja que permitieron que el chapeado interior se convirtiera en un reemplazo rentable de la madera sólida. Se han realizado investigaciones sobre la harina o la proteína de la soja que incorporan resinas de fenol-formaldehidos, pero más exitoso ha sido, obtener un compuesto usando el fenol y el formaldehido para reticular la proteína desnaturalizada de la harina de soja. Algunas de las composiciones naturales que forman adhesivos son: • • •

Colas de proteínas Adhesivos de Tanino Adhesivos de lignina

CONSIDERACIONES AMBIENTALES Hay un número de áreas problemáticas, pero el primer motivo de preocupación ha sido emisiones del formaldehido de los productos consolidados, usando principalmente las resinas del UF. El problema puede presentarse del formaldehido sin reaccionar y degenerado. Los valores iníciales son altos, pero disminuye lentamente debido a las limitaciones de la difusión. La preocupación más grande está con los paneles conglomerados, debido a la gran cantidad de su uso en interiores y al de alto nivel del pegamento en los productos. La preocupación principal, son las emisiones, se ha centrado en el formaldehido, pero éste no es el único compuesto emitido por los productos de madera consolidados. Otros compuestos volátiles en la formulación adhesiva también se han detectado. Además, un número de otros volátiles están presentes en de madera y los adicionales que se pueden generar por el calor y la humedad en la producción del compuesto (Wang et al. 2003). Un análisis cuidadoso ha revelado la presencia del formaldehido, y de otros aldehídos del metanol, y de los pinenos, muchos de los cuales vienen de la madera en sí mismo más bien que del adhesivo (Baumann et. al. 2000).

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BIBLIOGRAFIA

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“HANDBOOK OF WOOD CHEMISTRY AND WOOD COMPOSITES” Charles R. Frihart, - Wood Adhesion and Adhesives- , USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI.

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Douglas J. Gardner, “ Adhesion Mechanisms of Durable Wood Adhesive Bonds”. Stokke 2005.

•

RESEARCH PROJECT OUTLINE, Nicole R. Brown. “Wood-adhesive Curing and Crosslinking Reactions”. The Pennsylvania State University. 2004.

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