Sviluppare formule adesive può essere incredibilmente impegnativo. Il problema principale risiede nella necessità di formulazioni mirate. Molte materie prime adatte devono essere combinate per ottenere le proprietà desiderate, il che richiede continui tentativi ed errori per risolvere le contraddizioni intrinseche. Soprattutto quando ci si trova di fronte a un collo di bottiglia, introdurre un'altra opzione potrebbe portare a una svolta significativa.
Principali difficoltà nello sviluppo della formula adesiva
Le sfide nella creazione di formule adesive possono essere meglio comprese attraverso esempi pratici. Tang Long et al. hanno esplorato un nuovo metodo di sviluppo di formule specificamente per componenti di poliolo in adesivi poliuretanici bicomponenti. Il loro approccio mirava a bilanciare il compromesso prestazionale tra bassa durezza ed elevata forza di legame.
Ottimizzazione delle materie prime
Gli autori hanno iniziato impiegando un design sperimentale ortogonale per ottimizzare i tipi di materie prime utilizzate. Questo passaggio è stato fondamentale per identificare i componenti più adatti per la formulazione adesiva.
Rapporti di messa a punto fine
In seguito, hanno utilizzato il design sperimentale personalizzato JMP per ottimizzare i rapporti delle materie prime selezionate. Questo metodo aggira efficacemente la sfida comune di affrontare contemporaneamente sia i tipi di materiali che i rapporti nello sviluppo di formule convenzionali.
I risultati del loro studio dimostrano che questo metodo innovativo ha affrontato con successo i requisiti contrastanti di bassa durezza e alta forza di legame negli adesivi. Hanno ottenuto un adesivo poliuretanico caratterizzato da:
- Durezza colloidale: 40D
- Resistenza al taglio a trazione: 11,34 MPa (foglio di alluminio su foglio di alluminio)
- Forza di legame: 283,5 kPa/D per unità di durezza
L'esperimento di sviluppo è completo? Non proprio. Gli autori hanno notato che permangono diversi "problemi", evidenziando le difficoltà in corso nello sviluppo della formulazione adesiva. Queste sfide sono spesso il punto in cui possono sorgere innovazioni significative.
L'importanza di valutare le seguenti ipotesi errate
Interazione tra categorie principali:Il processo di ottimizzazione non ha tenuto conto delle interazioni tra le diverse categorie di materie prime, che possono influenzare significativamente le risposte ai test.
Proprietà fisiche delle materie prime:Fattori quali purezza, contenuto di umidità e uniformità delle materie prime sono stati trascurati nell'analisi, falsando potenzialmente i risultati.
Effetti dell'indipendenza della materia prima: L'ipotesi che il tipo e la proporzione delle materie prime influenzino in modo indipendente le risposte al test è errata, poiché questi fattori spesso si influenzano a vicenda.
Date queste incertezze nella formulazione, è fondamentale trovare modi per mitigarne l'impatto. Una strategia efficace è quella di utilizzare fattori relativamente controllabili per compensare queste incertezze.
Sfruttamento dei riempitivi negli adesivi
(1) Selezione dei filler tradizionali
La scelta di riempitivi ampiamente utilizzati, come carbonato di calcio e silice, può migliorare le prestazioni adesive. I riempitivi minerali non solo forniscono una soluzione conveniente, ma offrono anche una vasta gamma di funzioni. Sono stati un punto fermo nella formulazione degli adesivi per anni, consentendo una messa a punto precisa delle proprietà. Tang Long et al. hanno evidenziato che nel loro studio, la gamma della resina della matrice e dell'agente estensore di catena/reticolazione ha avuto l'effetto maggiore sui risultati dei test. L'additivo reologico ha avuto un'influenza secondaria, mentre i riempitivi hanno avuto un impatto significativo, posizionato tra gli effetti primari e secondari.
Nella selezione dei riempitivi, c'è una notevole flessibilità e i riempitivi tradizionali sono spesso la scelta migliore. Il loro uso di lunga data nella produzione conferisce loro maggiore convenienza e stabilità. Ad esempio, il carbonato di calcio, noto per la sua finezza, uniformità e alto grado di bianco, è stato ampiamente utilizzato come riempitivo negli adesivi.
Cui Lidong et al. hanno condotto una ricerca utilizzando carbonato di calcio da 850 mesh come riempitivo in adesivi in emulsione per legno. Hanno studiato gli effetti di rapporti di aggiunta variabili sulle prestazioni adesive tramite un metodo sperimentale a fattore singolo. I risultati hanno indicato che:
- Viscosità e durezza: Aumenta con rapporti più elevati di carbonato di calcio.
- Forza di legame: Inizialmente aumentato, poi diminuito a rapporti più elevati.
- Stabilità: Deterioramento dovuto all'aumento del contenuto di riempitivo.
L'impatto dei riempitivi sulle prestazioni adesive
Relazione tra rapporto di aggiunta di carbonato di calcio e durezza Shore A
Zhou Xiao et al. hanno studiato l'influenza della polvere di quarzo come riempitivo negli adesivi poliuretanici monocomponenti. I loro risultati hanno indicato che la polvere di quarzo mostra una buona compatibilità con i sistemi poliuretanici, migliorando significativamente proprietà come resistenza alla trazione, allungamento a rottura e resistenza allo strappo dei prodotti adesivi risultanti.
(2) Esplorazione di riempitivi avanzati: carburo di silicio e allumina
Li Zhaoyuan et al. hanno utilizzato il nano-carburo di silicio cubico (β-SiC) come riempitivo per sviluppare adesivi inorganici modificati. I loro esperimenti hanno rivelato che con un contenuto di riempitivo di 40%, l'adesivo ha raggiunto metriche di prestazioni notevoli:
- Resistenza al taglio a trazione: 13,5 MPa
- Numero di iterazioni della durata della fatica: 67 cicli
- Resistenza alla pelatura: 46,7 N/mm²
Questi risultati evidenziano che la modifica delle nanoparticelle può migliorare significativamente le prestazioni di adesione degli adesivi inorganici, garantendo un'affidabilità superiore in diverse applicazioni.
Chen Zeming et al. hanno esplorato gli effetti di vari riempitivi inorganici, tra cui polvere di silice, Al₂O₃, mullite, nitruro di boro, polvere di talco e mica, sugli adesivi in resina epossidica modificata. Il loro studio ha valutato come diversi tipi e dosaggi di riempitivi influenzassero la forza di legame e l'interfaccia di legame. I risultati principali includevano:
Tendenze della forza di legame: Inizialmente la forza di legame aumentava con il dosaggio del riempitivo, per poi diminuire a livelli più elevati.
Prestazioni ottimali del riempitivo: Tra i riempitivi testati, 15 parti di Al₂O₃ hanno prodotto i risultati migliori, ottenendo valori di resistenza al taglio e resistenza alla pelatura rispettivamente di 22,42 MPa e 12,84 N/cm.
L'aggiunta di riempitivo Al₂O₃ facilita la formazione di legami chimici, come C-Al e Al-OC, che riducono la forza coesiva della resina epossidica modificata. Questo miglioramento aumenta la forza di legame all'interfaccia adesivo-lega di alluminio, migliorando così sia la resistenza al distacco che al taglio.
(3) Studio sistematico dei riempitivi negli adesivi
Gli adesivi strutturali acrilici bicomponenti sono ampiamente utilizzati per incollare materiali metallici e non metallici in vari settori, tra cui aerospaziale, automobilistico, edile ed elettronico. Sebbene i riempitivi siano insolubili nei sistemi adesivi a causa delle loro proprietà intrinseche, le modifiche possono migliorare l'interazione tra riempitivi e adesivi. Questa interazione migliora le proprietà meccaniche degli adesivi, aumenta la viscosità e promuove un'adesione più forte ai substrati.
Regolazione delle proprietà meccaniche
Le proprietà meccaniche sono fondamentali per le prestazioni delle strutture acriliche adesivi in diverse applicazioni. I ricercatori hanno proposto diverse strategie per migliorare queste proprietà, tra cui l'incorporazione di composti termoplastici e riempitivi inorganici.
Regolazione della conduttività termica
L'incorporazione di riempitivi inorganici appropriati con proprietà di isolamento elettrico può migliorare significativamente la conduttività termica dei sistemi adesivi acrilici. I riempitivi adatti includono:
- Idrossido di alluminio
- Idrossido di magnesio
- Ossido di alluminio
- Ossido di magnesio
- Ossido di zinco
- Biossido di silicio
- Biossido di titanio
- Silicato di calcio
- Silicato di alluminio
- Carbonato di calcio
- Nitruro di silicio
- Carburo di silicio
- Borato di alluminio
Inoltre, i baffi realizzati in carburo di silicio, ossido di alluminio o borato di alluminio possono migliorare la conduttività termica e la resistenza al fuoco dell'adesivo, mantenendone al contempo le proprietà meccaniche e di polimerizzazione.
Regolazione dell'umidità e della resistenza al calore
Liu Chengliang et al. hanno introdotto un metodo per preparare adesivi strutturali acrilici altamente resistenti alle intemperie nel loro brevetto. Aggiungendo da 0 a 30 parti di riempitivi inorganici, come silice pirogenica, carbonato di calcio e nano-allumina, ai componenti A e B, l'adesivo ha dimostrato prestazioni impressionanti:
- Resistenza al taglio a trazione a temperatura ambiente: 9,36 MPa (acciaio inossidabile/PMMA) e 10,35 MPa (magnesio/PMMA).
- Resistenza al taglio a trazione dopo l'invecchiamento: Valori mantenuti pari a 9,83 MPa e 9,64 MPa dopo 2 settimane a 85°C e 85% di umidità, con velocità di ritenzione rispettivamente di 105% e 93%.
Regolamentazione della resistenza alla corrosione
L'uso di adesivi strutturali acrilici può ridurre o eliminare la necessità di costose operazioni di finitura come rivettatura e saldatura, con conseguente aspetto esteticamente più gradevole con meno fori o punti di stress soggetti a corrosione. Diversi metalli possono essere legati con un rischio inferiore di corrosione galvanica. È possibile migliorare la resistenza alla corrosione aggiungendo miscele di molibdati metallici (ad esempio, molibdato di zinco, molibdato di calcio, molibdato di bario o molibdato di stronzio) e riempitivi inerti come fosfato di zinco, fosfato di calcio e fosfato di magnesio.
Regolamentazione di altre proprietà
Oltre a migliorare le proprietà meccaniche e termiche, alcuni riempitivi inorganici svolgono ruoli critici come agenti tissotropici, addensanti e agenti di rinforzo. Possono alterare efficacemente varie caratteristiche dei sistemi adesivi strutturali acrilici bicomponenti, tra cui densità, viscosità e tissotropia. Liu Suyu et al. hanno sviluppato un metodo per creare un adesivo acrilico specificamente progettato per l'incollaggio di battiscopa per automobili. In questa formulazione, il carbonato di calcio è stato utilizzato come riempitivo primario. L'inclusione del carbonato di calcio ha portato a diversi risultati benefici:
- Tissotropia ridotta: L'adesivo è diventato più facile da applicare e da raschiare.
- Temperatura esotermica inferiore: La temperatura esotermica è stata ridotta da 115°C a meno di 85°C, favorendo una polimerizzazione più stabile.
- Ritiro da polimerizzazione ridotto al minimo: Il ritiro da polimerizzazione è stato mantenuto al di sotto di 1%, riducendo di fatto i tempi di costruzione.
Conclusione
Quando ci si trova di fronte a sfide nella formulazione degli adesivi, si consideri di sfruttare i filler inorganici. La loro versatilità può fornire soluzioni efficaci a vari problemi.