ADESÃO E ADESIVOS

ADESÃO E ADESIVOS

Prof. Setsuo Iwakiri

UFPR - DETF

HISTÓRICO

Primeiras substâncias com propriedades adesivas: lama e argila, albumina (sangue), caseína (leite), glutina (couro, pele, ossos)

1690: Holanda – primeira fábrica de adesivos utilizando substâncias de origem animal

Aumento no uso de adesivos: surgimento de máqunas -beneficiamento da madeira, torno, faqueadeira, prensa…

1929: fenol-formaldeído 1931: uréia-formaldeído 1939: melamina-formaldeído 1943: resorcina-formaldeído Década de 40: adesivos termoplásticos (PVAc, epóxi,…)

A MADEIRA E SEUS PRODUTOS

DERIVADOS Madeira sólida - estrutura heterogênea / natureza

anisotrópica – limitações de uso:

Dimensões peças: • Largura máxima – diâmetro árvore• Comprimento - altura da árvore / equipamento

Anisotropia: diferentes propriedades – direções tangencial, radial e longitudinal (fator de anisotropia – CT:CR)

Defeitos naturais: nós, inclinação grã, lenhos de reação, lenho juvenil e adulto, …

A MADEIRA E SEUS PRODUTOS DERIVADOS

Colagem – elementos de madeira > tábuas, sarrafos, lâminas, partículas, fibras > Produtos reconstituídos de madeira:

Madeira laminada coladaPainel colado lateral – EGPPainéis laminados - compensado multilaminado / sarrafeadoPainéis particulados – aglomerados / OSBPainéis de fibras – chapas duras / MDF

Benefícios:

Painéis: largura, estabilidade dimensional, resistência mecânica – L/T

Madeira laminada colada: comprimento, seção transversal, estabilidade dimensional

CONCEITOS

ADESÃO: Fenômeno físico-químico que provê um mecanismo de

transferência de tensões entre duas peças sólidas, através de processos moleculares

ADESIVOS: Substância aderente capaz de manter unidos outros materiais

em suas superfícies

ADERENTE / SUBSTRATO: Termo empregado para sólidos (madeira) unidos por adesivos

CONCEITOS

Mecanismos envolvidos no processo de adesão > teorias:

Teoria mecânica: fluidez / penetração do adesivo líquido > substratos porosos (madeira) > solidificação > formação “ganchos” > união entre superfícies dos substratos

Teoria da difusão de polímeros: adesão ocorre através da difusão de segmentos de cadeias de polímeros, a nível molecular

Teoria da adesão química: ocorre através de ligações primárias (iônicas / covalentes) e/ou, através de forças secundárias intermoleculares

PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS

Processo de colagem: adesivo líquido > superfície madeira > ações de movimento > solidificação do adesivo > formação da ligação entre duas peças

Elos de conexão adesivo – madeira (Figura)

Ângulo de contato e umectação (Figura)

Funções de mobilidade do adesivo (Figura)

Fluidez – escoamento adesivo s/ superfícieTransferência – movimento adesivo > outra facePenetração – movimento penetração > poros madeiraUmedecimento – recobrimento estrutura submicroscópica madeiraSolidificação – mudança estado físico (líquido > sólido)


1: filme do adesivo; 2 e 3: camada de ligação intra-adesivo; 4 e 5: interface adesivo / aderente; 6 e 7: sub-superfície da madeira; 8 e 9: madeira


Ângulo de contato e umectação

180º >90º <90º 0ºsem umectação umectação incompleta umectação completa(coesão máxima) (tensão sup. máxima)


Figura – Sequência de movimentos do adesivo na formação da linha de cola

APLICAÇÃO DA COLA - ESPALHAMENTO

FLUIDEZ - TRANSFERÊNCIA

PENETRAÇÃO - UMEDECIMENTO

SOLIDIFICAÇÃO – LINHA DE COLA


De acordo com a composição do adesivo e condições de colagem, a linha de cola formada pode ser:

Faminta – penetração excessiva adesivoNormal – todos os movimentos do adesivo de forma satisfatóriaNão ancorada – umectação insuficientePré-endurecida – cura parcial do adesivo durante a aplicação da pressão

Formação da ligação adesiva e sua performance depende das propriedades reológicas do adesivo:

Sua fluidez (viscosidade)Como solidificam (física / quimicamente)Velocidade solidificação / cura – reatividadeQuantidade de sólidos (resistência linha de cola)Como mantém seu estado sólido (durabilidade)

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS

Características físico-químicas do adesivo

Composição e características da madeira

Procedimentos empregados na colagem

Condições de uso do produto colado

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Características físico-químicas do adesivo <

VISCOSIDADE

Conceito - grandeza que caracteriza a existência de atrito entre as moléculas de um fluido e que se manifesta através do escoamento

Viscosímetro “Brookfield” – mede a força necessária para girar um disco submerso no líquido, à velocidade constante

Diferenças na viscosidade > diferentes interações c/madeiraEspalhamento adesivoCondições de umectaçãoPenetração do adesivo na estrutura capilar da madeira > linha cola

espessa / famintaTempo armazenamento do adesivo – “idade da cola”Efeito da temperatura ambiente


TEMPO DE GELATINIZAÇÃO – GEL TIME

Conceito – tempo transcorrido do início do processo de cura até atingir a fase de “gel” – máxima elasticidade

Medição do gel time:

Aparelho - resistência ao movimento vertical da haste metálica c/disco submerso no adesivo líquido;

tubo de ensaio c/ arame

Gel time – relacionado à reatividade do adesivo


TEOR DE SÓLIDOS

Conceito – quantidade de sólidos contidos no adesivo líquido

Adesivo > sólido + líquido > evaporação / solidificação > formação > linha cola > ligação madeira - adesivo)

Procedimentos p/ determinação do TS:

Pesar +/- 1,0g de resina (P1)Secar na estufa à temperatura de 105°C por 3 horasResfriar e pesar (P2)TS = (P2 : P1) x 100 (%)


pH

Conceito: concentração de íons dissociados de H+ e OH- numa solução aquosa

Determinação: aparelho > pHmetro

Colagem de madeiras – interações entre pH da madeira e da resina >Resina UF > pH neutro > cura no meio ácido (catalisador)Resina FF > pH alcalino > cura no meio alcalino (calor)pH madeira > 3 a 6Madeiras com baixo pH >

• pré-cura colagem UF

• dificulta colagem FF

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Composição e características da madeira <

Principais propriedades da madeira que influenciam no processo de formação e performance da ligação adesiva:

Propriedades anatômicas Propriedades químicas Propriedades físicas Propriedades mecânicas


PROPRIEDADES ANATÔMICAS

Dimensões dos elementos celulares – fibras / parênquimas Dimensões, disposições e frequência - cavidades celulares Interações – densidade / porosidade / permeabilidade da madeira

Anéis de crescimento – lenho inicial e tardioDiferenças na densidade / porosidade / permeabilidade

Cerne e alburnoDiferenças na densidade / porosidade / permeabilidadeCerne – maior teor extrativos


Idade da árvore – lenho juvenil e adultoLenho juvenil > anéis de crescimento largos, menor densidade,

baixa resistência mecânica, alta instabilidade dimensionalLenho adulto > características opostas – lenho juvenil

Lenhos de reaçãoLenho de compressão (coníferas), Lenho de tração (folhosas)Alta instabilidade dimensional – gera tensões difusas na linha de

cola

GrãPorosidade da madeira > diferentes planos de corte / superfície de

colagemGrã revessa > alterações dimensionais difusas > tensões LC


PROPRIEDADES FÍSICAS Afetam as funções de mobilidade do adesivo e tensões na linha de cola

Densidade da madeiraRelação inversa com a porosidadePenetração do adesivo na estrutura lenhosaAlterações dimensionais da madeira / mudanças no conteúdo de umidade >

maior densidade > maiores tensões linha cola

Conteúdo de umidade+ C. umidade > menos espaços vazios > impede penetração adesivo líquido+ C. umidade > processo prensagem a quente > maior pressão interna

vapor > bolhas / delaminações.


PROPRIEDADES QUÍMICASComponentes majoritários: celulose (40-47%), hemicelulose (20-

30%), lignina (16-30%)Componentes minoritários: extrativos (1-10%), substâncias

inorgânicas (0,1-0,5%)Propriedades mais importantes > extrativos, pH

Extrativos• Espécies > condições secagem > migração / concentração extrativos >

superfície madeira > superfície inativa / contaminada > prejudica cura resina

• Bloqueio / barreira física > movimento água / adesivo

pH• pH madeira varia de 3 – 6%• pH dos extrativos podem inibir as reações de cura do adesivo• Madeira com baixo pH > pré-cura resina UF / prejudica cura FF


PROPRIEDADES MECÂNICAS

Importante > balanço das tensões na interface madeira – linha de cola

Tensões na linha de cola – cisalhamento, tração perpendicularMaior resistência da linha de cola – maior percentagem de rupturas

ou falhas na madeira

Tensões internas:• geradas em função dos efeitos da temperatura e umidade do ambiente• Magnitude > depende > densidade, grã, coeficiente retratibilidade

Tensões externas:• Geradas em função da aplicação de cargas em uso

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Procedimentos empregados na colagem <

PREPARAÇÃO DA MADEIRA PARA COLAGEMTopografia da superfície > aspereza, imperfeições superficiais >

grau de aproximação de duas peças a serem coladas

Processos de obtenção do material > serras, torno, faqueadeira, plainas

Sub-superfície da madeira > danificada > corte / pressão excessiva

PROCESSO DE COLAGEMFormulação / quantidade de adesivo > função > espécie, espessura

lâmina, área superficial partículas

Parâmetros do ciclo de prensagem – temperatura, pressão específica, tempo de prensagem

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Condições de uso <

CONDIÇÕES AMBIENTAIS DO LOCAL DE UTILIZAÇÃO

Temperatura / umidade relativa do ambiente

Condições ambientais > escolha resina adequada >

• Uso interno – resina UF• Uso intermediário – resina MUF, PMUF• Uso externo – FF, RF

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Classificação dos adesivos <

Origem dos componentes primários > Natural Sintético

Termoplásticos Termoendurecedores ou termofixos

Temperatura de cura > Cura à alta temperatura > acima de 90 graus Cura à média temperatura > entre 30 a 90 graus Cura à baixa temperatura > inferior a 30 graus

Resistência à umidade > À prova d’água Resistente a umidade Não resistente à umidade


Terminologias – classificação

INT: uso interior

MR: resistente a umidade (Moisture resistant)

BR: resistente a fervura (boil resistant)

WBP: resistente a fervura e intempéries (water and boil proof)


Adesivos naturais Origem animal – glutina (couro, pele, ossos), caseína (leite), albumina

(sangue) Origem vegetal – soja Amido – batatas, trigo Éter celulósico, borracha natural

Adesivos sintéticos termoplásticos Poliacetato de vinila (PVAc) “Hot-melt” Polietileno, polistirol Borracha sintética


Adesivos sintéticos termoendurecedores

Uréia-formaldeído (UF) Melamina-formaldeído (MF) Fenol-formaldeído (FF) Resorcina-formaldeído (RF) Melamina-uréia-formaldeído (MUF) Fenol-melamina-uréia-formaldeído (FMUF) Resorcina-fenol formaldeído (RFF) Tanino-formaldeído (TF) Licor sulfito Isocianato (MDI)

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos principais tipos de adesivos <

Poliacetato de vinila – PVAc

Desenvolvido no início da década de 50 > uso interior / não resistente a umidade (cola branca)

Aplicações: “finger-joints”, painéis colado lateral, móveis e carpintaria em geral

Cura: prensagem a frio, a quente, alta frequencia Vantagens: baixo custo, facilidade e segurança no manuseio, inodoro,

não inflamável, secagem rápida, alta estabilidade Coloração branco-amarelado Teor de sólidos: 51 – 55% Visocosidade: 6.000 – 8.000 cp pH: 4,0 – 5,0

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos adesivos <

Hot-melt

Adesivo na forma sólida > fundido à alta temperatura na superfície da madeira

Composto – copolímero de etileno com acetato de vinila, polietileno e poliamida

Aplicações: junção de lâminas e sarrafos


Uréia-formaldeído

Resina mais utilizada nas indústrias de painéis de madeira Uso interno (INT); coloração branco leitoso Viscosidade Brookfield (25°C): 300 – 1.000 cp Teor de sólidos (1g/3h/105°C): 64 – 66% pH (25°C): 7,4 – 9,0 Densidade (25°C): 1,25 – 1,30 g/cm³ Temperatura prensagem: 95 – 115°C Cura com catalisador > sulfato de amônia (cura quente) / ácido

orgânicos – cítrico / fórmico (cura frio)


Melamina-formaldeído

Uso intermediário (MR – BR); coloração – branco leitoso Alto custo > utilizado em mistura com resina UF > MUF Viscosidade Brookfield (25°C): 150 – 210cp Teor de sólidos (0,5g/3h/105°C): 65 – 67% pH (25°C): 7,5 – 9,0 Densidade (25°C): 1,28 – 1,29 g/cm³ Durabilidade: um mês (25°C) Temperatura prensagem: 115 – 130°C


Fenol-formaldeído

Uso exterior (BR – WBP); coloração marrom-avermelhado Viscosidade Brookfield (25°C): 400 – 800 cp Teor de sólidos (0,5g/3h/105°C): 48 – 51% pH (25°C): 11,5 – 13,0 Densidade (25°C): 1,19 – 1,25 g/cm³ Durabilidade: um mês (25°C) Gel time: 6 – 11 min. Temperatura prensagem: 130 - 150°C


Resorcina-formaldeído

Uso exterior (BR – WBP), coloração marrom Aplicações especiais > vigas laminadas, construções navais, ... Viscosidade Brookfield (25°C): 500 – 800 cP Teor de sólidos (0,5g/3h/105°C): 53 – 55% pH (25°C): 6,9 – 7,5 Durabilidade: um ano (20°C) Gel time (21°C): 4 – 6 h Prensagem a frio com uso de endurecedor > tempo prensagem muito

variável em função da temperatura ambiente


Tanino formaldeído

Fenol > obtido de polifenol natural > casca / madeira de espécies como > Acácia melissima, Acácia nigra, quebracho, ...

Muito utilizado > África do Sul, Austrália Desenvolvido a partir da década de 70 (crise petróleo) Algumas limitações > baixa resistência coesiva e à umidade >

minimizado com adição de resinas RF, FF, UF Produto em forma de pó; vida útil longa


Isocianato – MDI

Base MDI > difenil metano di-isocianato Desenvolvido na Alemanha (1930) e utilizadas a partir década 40 Utilização principal > camada interna de painéis OSB Vantagens >

Partículas maior teor umidade Menor tempo prensagem Ausência de emissão de formaldeído livre

EXTENSORES

Extensores: Substâncias à base de amido ou proteína, com alguma ação

adesiva, adicionadas na composição do adesivo para produção de compensados – Farinha de trigo

Finalidades de uso:

Redução do custo do adesivo Prolongar tempo de panela / tolerância no tempo montagem Aumentar a viscosidade do adesivo > melhorar espalhamento /

evitar penetração excessiva na madeira Evitar a redução acentuada da viscosidade da resina na fase

inicial de aquecimento Limitações > base amido – aumenta absorção de água e

susceptibilidade ao ataque de insetos

EXTENSORES

Formulação adesivo > maior proporção extensor >Menor custoMaior viscosidadeMaior vida útil em panelaMenor resistência a água

Materiais alternativos – extensor > farinha soja e milho (boas propriedades);

Características básicas – extensor:Partículas finas (150 – 200 mesh) – facilitar espalhamentoFácil dispersão na resina líquida – mistura homogêneaMelhorar capacidade de ligamento / coesividade do adesivoManter viscosidade do adesivo na faixa de 4000 – 6500 cppH neutro – não interferir na cura adesivoBaixo teor de cinzas – não prejudicar ferramentas de corte

MATERIAIS DE ENCHIMENTO

Materiais de enchimento:

Substâncias sem propriedades de adesão, adicionados na composição do adesivo para compensados

Objetivo > reduzir custos Função física > controle penetração do adesivo na madeira Uso excessivo > enfraquecimento da ligação adesiva Vantagens > reduz absorção de água / susceptibilidade ao ataque de

insetos Produtos: minerais – caolina; farinha de casca de coco; substâncias

sintéticas pulverizadas

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