Desenvolver fórmulas adesivas pode ser incrivelmente desafiador. O problema principal está na necessidade de formulações direcionadas. Muitas matérias-primas adequadas devem ser combinadas para atingir as propriedades desejadas, exigindo tentativa e erro contínuos para resolver contradições inerentes. Especialmente ao enfrentar um gargalo, introduzir mais uma opção pode levar a um avanço significativo.
Principais dificuldades no desenvolvimento de fórmulas adesivas
Os desafios na criação de fórmulas adesivas podem ser melhor compreendidos por meio de exemplos práticos. Tang Long et al. exploraram um novo método de desenvolvimento de fórmulas especificamente para componentes de poliol em adesivos de poliuretano de dois componentes. Sua abordagem visava equilibrar o trade-off de desempenho entre baixa dureza e alta resistência de ligação.
Otimizando Matérias-Primas
Os autores começaram empregando o design experimental ortogonal para otimizar os tipos de matérias-primas usadas. Esta etapa foi crucial para identificar os componentes mais adequados para a formulação do adesivo.
Proporções de ajuste fino
Depois disso, eles utilizaram o design experimental personalizado JMP para otimizar as proporções das matérias-primas selecionadas. Este método efetivamente contorna o desafio comum de abordar tipos de materiais e proporções simultaneamente no desenvolvimento de fórmulas convencionais.
Os resultados do estudo demonstram que esse método inovador abordou com sucesso os requisitos conflitantes de baixa dureza e alta resistência de ligação em adesivos. Eles obtiveram um adesivo de poliuretano caracterizado por:
- Dureza coloidal: 40D
- Resistência à tração e cisalhamento: 11,34 MPa (folha de alumínio para folha de alumínio)
- Força de ligação: 283,5 kPa/D por unidade de dureza
O Experimento de Desenvolvimento Está Completo? Não exatamente. Os autores notaram que vários “problemas” permanecem, destacando as dificuldades contínuas no desenvolvimento de formulações adesivas. Esses desafios são frequentemente onde inovações significativas podem surgir.
A importância de avaliar as seguintes suposições incorretas
Interação entre as principais categorias: O processo de otimização não levou em consideração as interações entre diferentes categorias de matérias-primas, o que pode afetar significativamente as respostas do teste.
Propriedades físicas das matérias-primas: Fatores como pureza, teor de umidade e uniformidade das matérias-primas foram negligenciados na análise, potencialmente distorcendo os resultados.
Independência dos efeitos da matéria-prima:A suposição de que o tipo e a proporção de matérias-primas afetam as respostas do teste de forma independente é falha, pois esses fatores geralmente influenciam uns aos outros.
Dadas essas incertezas na formulação, é crucial encontrar maneiras de mitigar seu impacto. Uma estratégia eficaz é utilizar fatores relativamente controláveis para compensar essas incertezas.
Aproveitando enchimentos em adesivos
(1) Selecionando enchimentos convencionais
A escolha de enchimentos amplamente utilizados — como carbonato de cálcio e sílica — pode melhorar o desempenho do adesivo. Os enchimentos minerais não apenas fornecem uma solução econômica, mas também oferecem uma gama diversificada de funções. Eles têm sido um grampo na formulação de adesivos por anos, permitindo o ajuste fino das propriedades. Tang Long et al. destacaram que, em seu estudo, a gama da resina da matriz e do extensor de cadeia/agente de reticulação tiveram o maior efeito nos resultados do teste. O aditivo reológico teve uma influência secundária, enquanto os enchimentos tiveram um impacto significativo, posicionados entre os efeitos primários e secundários.
Ao selecionar enchimentos, há uma flexibilidade considerável, e os enchimentos tradicionais são frequentemente a melhor escolha. Seu uso de longa data na produção lhes confere maior custo-benefício e estabilidade. Por exemplo, o carbonato de cálcio — conhecido por sua finura, uniformidade e alta brancura — tem sido amplamente utilizado como enchimento em adesivos.
Cui Lidong et al. conduziram uma pesquisa usando carbonato de cálcio de malha 850 como enchimento em adesivos de emulsão para madeira. Eles estudaram os efeitos de taxas de adição variáveis no desempenho do adesivo por meio de um método experimental de fator único. Os resultados indicaram que:
- Viscosidade e Dureza: Aumentou com maiores proporções de carbonato de cálcio.
- Força de ligação: Inicialmente aumentou, depois diminuiu em proporções mais altas.
- Estabilidade: Deteriorado com aumento do teor de enchimento.
O impacto dos enchimentos no desempenho do adesivo
Relação entre a taxa de adição de carbonato de cálcio e a dureza Shore A
Zhou Xiao et al. investigaram a influência do pó de quartzo como enchimento em adesivos de poliuretano de componente único. Suas descobertas indicaram que o pó de quartzo exibe boa compatibilidade com sistemas de poliuretano, melhorando significativamente propriedades como resistência à tração, alongamento na ruptura e resistência ao rasgo dos produtos adesivos resultantes.
(2) Explorando enchimentos avançados: carboneto de silício e alumina
Li Zhaoyuan et al. utilizaram nano-carboneto de silício cúbico (β-SiC) como um enchimento para desenvolver adesivos inorgânicos modificados. Seus experimentos revelaram que com um teor de enchimento de 40%, o adesivo atingiu métricas de desempenho notáveis:
- Resistência à tração e cisalhamento: 13,5 MPa
- Número de iteração da vida útil da fadiga: 67 ciclos
- Força de descascamento: 46,7 N/mm²
Esses resultados destacam que a modificação de nanopartículas pode melhorar significativamente o desempenho de ligação de adesivos inorgânicos, proporcionando confiabilidade superior em diversas aplicações.
Chen Zeming et al. exploraram os efeitos de vários enchimentos inorgânicos — incluindo pó de sílica, Al₂O₃, mulita, nitreto de boro, pó de talco e mica — em adesivos de resina epóxi modificados. Seu estudo avaliou como diferentes tipos e dosagens de enchimentos influenciaram a força de ligação e a interface de ligação. As principais descobertas incluíram:
Tendências de força de ligação:A força de ligação aumentou inicialmente com a dosagem do enchimento e depois diminuiu em níveis mais altos.
Desempenho ideal do enchimento: Dentre os enchimentos testados, 15 partes de Al₂O₃ apresentaram os melhores resultados, atingindo valores de resistência ao cisalhamento e resistência ao descascamento de 22,42 MPa e 12,84 N/cm, respectivamente.
A adição de enchimento Al₂O₃ facilita a formação de ligações químicas, como C-Al e Al-OC, que reduzem a força coesiva da resina epóxi modificada. Esse aprimoramento aumenta a força de ligação na interface adesivo-liga de alumínio, melhorando assim a resistência ao descascamento e ao cisalhamento.
(3) Estudo Sistemático de Cargas em Adesivos
Adesivos estruturais acrílicos de dois componentes são amplamente usados para unir materiais metálicos e não metálicos em várias indústrias, incluindo aeroespacial, automotiva, construção e eletrônica. Embora os enchimentos sejam insolúveis em sistemas adesivos devido às suas propriedades inerentes, modificações podem aumentar a interação entre enchimentos e adesivos. Essa interação melhora as propriedades mecânicas dos adesivos, aumenta a viscosidade e promove uma adesão mais forte aos substratos.
Regulação das Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas são críticas para o desempenho das estruturas acrílicas adesivos em diferentes aplicações. Pesquisadores propuseram diversas estratégias para melhorar essas propriedades, incluindo a incorporação de compostos termoplásticos e cargas inorgânicas.
Regulação da Condutividade Térmica
Incorporar enchimentos inorgânicos apropriados com propriedades de isolamento elétrico pode aumentar significativamente a condutividade térmica de sistemas adesivos acrílicos. Os enchimentos adequados incluem:
- Hidróxido de Alumínio
- Hidróxido de Magnésio
- Óxido de alumínio
- Óxido de magnésio
- Óxido de zinco
- Dióxido de Silício
- Dióxido de titânio
- Silicato de cálcio
- Silicato de Alumínio
- Carbonato de cálcio
- Nitreto de Silício
- Carboneto de silício
- Borato de alumínio
Além disso, fios feitos de carboneto de silício, óxido de alumínio ou borato de alumínio podem melhorar a condutividade térmica e a retardância de chamas do adesivo, mantendo suas propriedades mecânicas e de cura.
Regulação da resistência à umidade e ao calor
Liu Chengliang et al. introduziram um método para preparar adesivos estruturais acrílicos altamente resistentes às intempéries em sua patente. Ao adicionar de 0 a 30 partes de cargas inorgânicas, como sílica pirogênica, carbonato de cálcio e nanoalumina, aos componentes A e B, o adesivo demonstrou desempenho impressionante:
- Resistência à tração e ao cisalhamento à temperatura ambiente: 9,36 MPa (aço inoxidável/PMMA) e 10,35 MPa (magnésio/PMMA).
- Resistência à tração e ao cisalhamento após o envelhecimento: Valores retidos de 9,83 MPa e 9,64 MPa após 2 semanas a 85°C e umidade de 85%, com taxas de retenção de 105% e 93%, respectivamente.
Regulação da Resistência à Corrosão
O uso de adesivos estruturais acrílicos pode reduzir ou eliminar a necessidade de operações de acabamento dispendiosas, como rebitagem e soldagem, resultando em uma aparência esteticamente mais agradável com menos furos propensos à corrosão ou pontos de tensão. Metais diferentes podem ser unidos com menor risco de corrosão galvânica. O aumento da resistência à corrosão pode ser alcançado pela adição de misturas de molibdatos metálicos (por exemplo, molibdato de zinco, molibdato de cálcio, molibdato de bário ou molibdato de estrôncio) e cargas inertes, como fosfato de zinco, fosfato de cálcio e fosfato de magnésio.
Regulamentação de outras propriedades
Além de melhorar as propriedades mecânicas e térmicas, alguns enchimentos inorgânicos desempenham papéis críticos como agentes tixotrópicos, espessantes e agentes de reforço. Eles podem alterar efetivamente várias características de sistemas adesivos estruturais acrílicos de dois componentes, incluindo densidade, viscosidade e tixotropia. Liu Suyu et al. desenvolveram um método para criar um adesivo acrílico projetado especificamente para colagem de rodapés automotivos. Nesta formulação, o carbonato de cálcio foi usado como enchimento primário. A inclusão de carbonato de cálcio levou a vários resultados benéficos:
- Tixotropia reduzida:O adesivo ficou mais fácil de aplicar e raspar.
- Temperatura Exotérmica Mais Baixa: A temperatura exotérmica foi reduzida de 115°C para menos de 85°C, promovendo uma cura mais estável.
- Contração de cura minimizada: A contração de cura foi mantida abaixo de 1%, reduzindo efetivamente o tempo de construção.
Conclusão
Ao enfrentar desafios na formulação de adesivos, considere alavancar enchimentos inorgânicos. Sua versatilidade pode fornecer soluções eficazes para vários problemas.