Desarrollar fórmulas adhesivas puede ser un desafío enorme. La cuestión principal radica en la necesidad de formulaciones específicas. Se deben combinar muchas materias primas adecuadas para lograr las propiedades deseadas, lo que requiere un proceso continuo de ensayo y error para resolver las contradicciones inherentes. Especialmente cuando se enfrenta un obstáculo, la introducción de una opción más podría dar lugar a un avance significativo.
Principales dificultades en el desarrollo de fórmulas adhesivas
Los desafíos que presenta la creación de fórmulas adhesivas se pueden entender mejor mediante ejemplos prácticos. Tang Long et al. exploraron un nuevo método de desarrollo de fórmulas específicamente para componentes de poliol en adhesivos de poliuretano de dos componentes. Su enfoque apuntaba a equilibrar el equilibrio de rendimiento entre baja dureza y alta fuerza de unión.
Optimización de materias primas
Los autores comenzaron empleando un diseño experimental ortogonal para optimizar los tipos de materias primas utilizadas. Este paso fue crucial para identificar los componentes más adecuados para la formulación del adhesivo.
Ajuste fino de ratios
A continuación, utilizaron el diseño experimental personalizado de JMP para optimizar las proporciones de las materias primas seleccionadas. Este método evita de manera eficaz el desafío habitual de abordar simultáneamente los tipos de materiales y las proporciones en el desarrollo de fórmulas convencionales.
Los resultados de su estudio demuestran que este método innovador abordó con éxito los requisitos contrapuestos de baja dureza y alta fuerza de unión en los adhesivos. Lograron un adhesivo de poliuretano caracterizado por:
- Dureza coloidal:40D
- Resistencia a la tracción y al corte: 11,34 MPa (hoja de aluminio a hoja de aluminio)
- Fuerza de unión: 283,5 kPa/D por unidad de dureza
¿Se ha completado el experimento de desarrollo? No del todo. Los autores señalaron que aún quedan varios “problemas”, lo que pone de relieve las dificultades actuales en el desarrollo de formulaciones adhesivas. Estos desafíos suelen ser el punto de partida para innovaciones significativas.
La importancia de evaluar las siguientes suposiciones incorrectas
Interacción entre categorías principales:El proceso de optimización no tuvo en cuenta las interacciones entre las diferentes categorías de materias primas, que pueden afectar significativamente las respuestas de la prueba.
Propiedades físicas de las materias primas:En el análisis se pasaron por alto factores como la pureza, el contenido de humedad y la uniformidad de las materias primas, lo que potencialmente sesgó los resultados.
Independencia de los efectos de las materias primas:La suposición de que el tipo y la proporción de materias primas afectan las respuestas de la prueba de forma independiente es errónea, ya que estos factores a menudo se influyen entre sí.
Dadas estas incertidumbres en la formulación, es fundamental encontrar formas de mitigar su impacto. Una estrategia eficaz consiste en utilizar factores relativamente controlables para compensar estas incertidumbres.
Aprovechamiento de los rellenos en los adhesivos
(1) Selección de rellenos convencionales
La elección de rellenos de uso generalizado (como el carbonato de calcio y el sílice) puede mejorar el rendimiento del adhesivo. Los rellenos minerales no solo proporcionan una solución rentable, sino que también ofrecen una amplia gama de funciones. Han sido un elemento básico en la formulación de adhesivos durante años, lo que permite ajustar con precisión las propiedades. Tang Long et al. destacaron que en su estudio, la gama de resina matriz y el extensor de cadena/agente de reticulación tuvieron el mayor efecto en los resultados de la prueba. El aditivo reológico tuvo una influencia secundaria, mientras que los rellenos tuvieron un impacto significativo, ubicado entre los efectos primarios y secundarios.
A la hora de seleccionar los rellenos, existe una considerable flexibilidad y los rellenos tradicionales suelen ser la mejor opción. Su uso prolongado en la producción les confiere una mayor rentabilidad y estabilidad. Por ejemplo, el carbonato de calcio, conocido por su finura, uniformidad y alta blancura, se ha utilizado ampliamente como relleno en adhesivos.
Cui Lidong et al. realizaron una investigación utilizando carbonato de calcio de malla 850 como relleno en adhesivos en emulsión para madera. Estudiaron los efectos de variar las proporciones de adición en el rendimiento del adhesivo mediante un método experimental de un solo factor. Los resultados indicaron que:
- Viscosidad y dureza:Aumenta con proporciones más altas de carbonato de calcio.
- Fuerza de unión:Inicialmente aumentó y luego disminuyó en proporciones más altas.
- Estabilidad:Deteriorado con el aumento del contenido de relleno.
El impacto de los rellenos en el rendimiento del adhesivo
Relación entre la proporción de adición de carbonato de calcio y la dureza Shore A
Zhou Xiao et al. investigaron la influencia del polvo de cuarzo como relleno en adhesivos de poliuretano de un solo componente. Sus hallazgos indicaron que el polvo de cuarzo exhibe una buena compatibilidad con los sistemas de poliuretano, mejorando significativamente propiedades como la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura y la resistencia al desgarro de los productos adhesivos resultantes.
(2) Exploración de rellenos avanzados: carburo de silicio y alúmina
Li Zhaoyuan et al. utilizaron nanocarburo de silicio cúbico (β-SiC) como relleno para desarrollar adhesivos inorgánicos modificados. Sus experimentos revelaron que con un contenido de relleno de 40%, el adhesivo alcanzó métricas de rendimiento notables:
- Resistencia a la tracción y al corte: 13,5 MPa
- Número de iteración de vida de fatiga:67 ciclos
- Resistencia al pelado: 46,7 N/mm²
Estos resultados resaltan que la modificación de nanopartículas puede mejorar significativamente el rendimiento de unión de los adhesivos inorgánicos, proporcionando una confiabilidad superior en diversas aplicaciones.
Chen Zeming et al. exploraron los efectos de varios rellenos inorgánicos (incluidos polvo de sílice, Al₂O₃, mullita, nitruro de boro, talco y mica) en adhesivos de resina epoxi modificados. Su estudio evaluó cómo diferentes tipos y dosis de rellenos influyeron en la resistencia de la unión y la interfaz de unión. Los hallazgos clave incluyeron:
Tendencias en la fuerza de unión:La fuerza de unión aumentó inicialmente con la dosis de relleno y luego disminuyó a niveles más altos.
Rendimiento óptimo del relleno:Entre los rellenos probados, 15 partes de Al₂O₃ arrojaron los mejores resultados, logrando valores de resistencia al corte y resistencia al pelado de 22,42 MPa y 12,84 N/cm, respectivamente.
La adición de relleno de Al₂O₃ facilita la formación de enlaces químicos, como C-Al y Al-OC, que reducen la fuerza de cohesión de la resina epoxi modificada. Esta mejora aumenta la fuerza de unión en la interfaz entre el adhesivo y la aleación de aluminio, mejorando así tanto la resistencia al pelado como al corte.
(3) Estudio sistemático de cargas en adhesivos
Los adhesivos estructurales acrílicos de dos componentes se utilizan ampliamente para unir materiales metálicos y no metálicos en diversas industrias, incluidas la aeroespacial, la automotriz, la construcción y la electrónica. Aunque los rellenos son insolubles en los sistemas adhesivos debido a sus propiedades inherentes, las modificaciones pueden mejorar la interacción entre los rellenos y los adhesivos. Esta interacción mejora las propiedades mecánicas de los adhesivos, aumenta la viscosidad y promueve una adhesión más fuerte a los sustratos.
Regulación de propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas son fundamentales para el rendimiento de las estructuras acrílicas. Adhesivos en diferentes aplicaciones. Los investigadores han propuesto varias estrategias para mejorar estas propiedades, incluida la incorporación de compuestos termoplásticos y rellenos inorgánicos.
Regulación de la conductividad térmica
La incorporación de rellenos inorgánicos adecuados con propiedades de aislamiento eléctrico puede mejorar significativamente la conductividad térmica de los sistemas adhesivos acrílicos. Entre los rellenos adecuados se incluyen:
- Hidróxido de aluminio
- Hidróxido de magnesio
- Óxido de aluminio
- Óxido de magnesio
- Óxido de zinc
- Dióxido de silicio
- Dióxido de titanio
- Silicato de calcio
- Silicato de aluminio
- Carbonato de calcio
- Nitruro de silicio
- Carburo de silicio
- Borato de aluminio
Además, los bigotes hechos de carburo de silicio, óxido de aluminio o borato de aluminio pueden mejorar la conductividad térmica y la resistencia al fuego del adhesivo, manteniendo al mismo tiempo sus propiedades mecánicas y de curado.
Regulación de la humedad y la resistencia al calor
Liu Chengliang et al. presentaron en su patente un método para preparar adhesivos estructurales acrílicos altamente resistentes a la intemperie. Al agregar de 0 a 30 partes de rellenos inorgánicos, como sílice pirogénica, carbonato de calcio y nanoalúmina, a los componentes A y B, el adhesivo demostró un rendimiento impresionante:
- Resistencia a la tracción y al corte a temperatura ambiente:9,36 MPa (acero inoxidable/PMMA) y 10,35 MPa (magnesio/PMMA).
- Resistencia a la tracción y al corte después del envejecimiento:Se mantuvieron valores de 9,83 MPa y 9,64 MPa después de 2 semanas a 85°C y 85% de humedad, con tasas de retención de 105% y 93%, respectivamente.
Regulación de la resistencia a la corrosión
El uso de adhesivos estructurales acrílicos puede reducir o eliminar la necesidad de costosas operaciones de acabado como remachado y soldadura, lo que da como resultado una apariencia más agradable desde el punto de vista estético con menos orificios propensos a la corrosión o puntos de tensión. Se pueden unir diferentes metales con un menor riesgo de corrosión galvánica. Se puede mejorar la resistencia a la corrosión agregando mezclas de molibdatos metálicos (por ejemplo, molibdato de zinc, molibdato de calcio, molibdato de bario o molibdato de estroncio) y rellenos inertes como fosfato de zinc, fosfato de calcio y fosfato de magnesio.
Regulación de otras propiedades
Además de mejorar las propiedades mecánicas y térmicas, algunos rellenos inorgánicos cumplen funciones fundamentales como agentes tixotrópicos, espesantes y agentes de refuerzo. Pueden alterar de manera eficaz varias características de los sistemas adhesivos estructurales acrílicos de dos componentes, como la densidad, la viscosidad y la tixotropía. Liu Suyu et al. desarrollaron un método para crear un adhesivo acrílico diseñado específicamente para unir faldones de automóviles. En esta formulación, se utilizó carbonato de calcio como relleno principal. La inclusión de carbonato de calcio produjo varios resultados beneficiosos:
- Tixotropía reducida:El adhesivo se volvió más fácil de aplicar y raspar.
- Temperatura exotérmica más baja:La temperatura exotérmica se redujo de 115 °C a menos de 85 °C, promoviendo un curado más estable.
- Contracción de curado minimizada:La contracción de curado se mantuvo por debajo de 1%, acortando efectivamente el tiempo de construcción.
Conclusión
Cuando se enfrente a desafíos en la formulación de adhesivos, considere aprovechar los rellenos inorgánicos. Su versatilidad puede brindar soluciones efectivas a diversos problemas.