Conceptos químicos y físicos del proceso de laminación

Teoría de adhesión
Para profundizar en el proceso de laminación, antes debemos entender los conceptos químicos y físicos básicos que hacen posible la unión de dos sustratos por medio de un adhesivo en una máquina laminadora.

Tengamos clara la siguiente definición: "La adhesión de un adhesivo a la superficie de un sustrato es la suma de un conjunto de fuerzas mecánicas, físicas y químicas que se influencian entre sí. Estas fuerzas se dan por el anclaje mecánico del adhesivo en los poros de la superficie de un sustrato, fuerzas electroestáticas, como resultado de la diferencia de electronegatividades de los materiales que se adhieren y otros mecanismos de adhesión, concernientes a fuerzas de adhesión química e intermolecular ¹.

Estos fenómenos físicos y químicos ocurren en una interfase originada por el contacto de una fase liquida (adhesivo), una fase sólida (sustrato) y una fase gaseosa (el aire).

Adsorción
Para lograr buenas fuerzas de adhesión entre un adhesivo y una superficie, debe existir una relación intermolecular entre los átomos del adhesivo y de la superficie.

Las fuerzas más comunes que se forman entre el adhesivo y la superficie adherente son las fuerzas de adsorción de Van der Waals. Estas fuerzas de atracción pueden existir entre átomos y/o moléculas de un mismo tipo o diferentes.

Este tipo de fuerzas o atracciones tienen una naturaleza eléctrica. Teóricamente en una molécula simétrica no debe haber ningún tipo de distorsión para producir partes positivas o negativas en esta, pero esto es cierto solo en parte.

Los electrones se mueven y en un momento dado pueden encontrarse en un extremo de la molécula, haciendo este ligeramente negativo; mientras tanto el otro extremo estará temporalmente con pocos electrones, es decir ligeramente positivo. Esta constante rotación de átomos crea rápidamente una fluctuación de dipolos.

La adhesión ocurre cuando una molécula, con una polaridad temporal, es atraída y dominada por otra molécula con una polaridad mayor. A medida que las dos moléculas están más cerca, los electrones de la molécula con una polaridad menor serán atraídos con mayor fuerza hacia la molécula de mayor polaridad; esto genera un dipolo inducido, de tal forma que el extremo ligeramente positivo de una molécula es atraído hacia el extremo ligeramente positivo de la otra. Un instante después los electrones de algunas de las moléculas se habrán movido repeliendo a los de la otra, en este instante la polaridad de ambas moléculas cambia, pero se mantiene la atracción del lado positivo de una al lado negativo de la otra. Entre más cerca esté una molécula de la otra, las polaridades seguirán fluctuando sincrónicamente haciendo que la atracción se mantenga. Estas fuerzas de adsorción de Van der Waals pueden mantener unidas moléculas aún en fase sólida. (Ver Figura 1)

Para obtener una buena adsorción debe haber un buen contacto entre el adhesivo y la superficie, de tal forma que las fuerzas de Van der Waals puedan originarse. Desde este punto de vista una buena humectación y anclaje mecánico son primordiales.

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Figura 1

Tensión superficial
La tensión superficial se define como "el trabajo que debe realizarse para llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie"³.

En forma general, para cualquier tipo de superficie, la tensión superficial se define como la cantidad de energía por unidad de área (E/A).

Humectación de la superficie
Para lograr buenas fuerzas de adhesión entre el adhesivo y la superficie, el adhesivo debe humectar la superficie adherente; es decir que este debe ser aplicado en su fase líquida.

Una medida de la humectabilidad o mojado de una superficie es el ángulo de contacto entre una gota del adhesivo y la superficie plana.

Según Young, el fenómeno de mojado o humectación se origina cuando las tensiones superficiales de las tres fases; gas/sólido, líquido/sólido y gas/líquido, llegan al equilibrio y forman un ángulo de contacto llamado ángulo de equilibrio (ángulo de Young)². (Ver Figura 2)

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Figura 2

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Figura 3

Una buena humectación o mojado ocurre cuando el ángulo de equilibrio entre el adhesivo y la superficie es menor a 60 grados (Ver Figura 3); una humectación completa ocurre cuando las fuerzas de atracción molecular entre el adhesivo y la superficie son mayores que la fuerza de atracción entre las mismas moléculas del adhesivo.

En términos generales para lograr una buena humectación la tensión superficial del sustrato respecto al aire debe ser mayor que la tensión superficial del adhesivo con respecto al aire. Para lograr que la tensión superficial del sustrato sea mayor, se le debe proporcionar un tratamiento especial a la superficie, el tratamiento más común se conoce como tratamiento corona, tema que tratamos en el Post número 2 de este blog, en el mes de marzo de 2016.

La superficie de contacto del adhesivo también depende de la viscosidad de este y de la estructura de la superficie. El tamaño efectivo de la superficie generalmente es menor que la superficie total del sustrato, debido a que los poros no pueden ser llenados en su totalidad por el adhesivo. Para mejorar la humectación se debe aplicar presión, ya que la presión contribuye a que haya un mejor contacto interfacial y, en consecuencia, mejor humectación. De igual forma las propiedades reológicas del adhesivo (viscosidad) deben ser apropiadas, pues entre menor sea la viscosidad será más fácil humectar el sustrato.

Anclaje mecánico
Finalmente existe otra variable que es el anclaje mecánico, y consiste en que, para lograr una buena adhesión entre el adhesivo y la superficie, el adhesivo debe llenar los poros e irregularidades de la superficie adherente y anclarse mecánicamente al sustrato. El adhesivo no sólo debe humectar bien la superficie adherente del sustrato, sino que debe tener las propiedades reológicas adecuadas para llenar las irregularidades de esta en un tiempo razonable.

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Figura 4

Con estos conceptos básicos de adhesión, podemos avanzar y tener un mejor entendimiento de los procesos de laminación, de los problemas, y de las variables que debemos tener en cuenta en nuestro proceso de producción.

Gracias y ¡hasta la próxima!

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Bibliografía

1. "Science of adhesion, what is bonding?" The Chemquest Group. www.adhesives.org

2.  "Wetting of surfaces" by Mika Linden. Department of Physical Chemistry, Abo Akademi University, Turku, Finlandia.

3.  "Science of adhesion, what is bonding?" The Chemquest Group. www.adhesives.org