Studio reologico di adesivi e sigillanti

Gli adesivi vengono utilizzati per unire le superfici, in genere modificando la loro fase da liquida a solida. A volte questo processo si innesca grazie ad una variazione di temperatura (adesivi a caldo), in altri casi la colla indurisce a temperatura ambiente (adesivi a contatto) ad esempio a causa di evaporazione del solvente o a causa dell'umidità dell'aria circostante. Esistono anche adesivi reattivi e multi-componente che induriscono miscelando due o più componenti che reagiscono chimicamente, o adesivi monocomponente che induriscono tramite una reazione chimica quando viene applicata una fonte di energia esterna, come radiazioni o calore. Gli adesivi sono presenti anche in natura, come la pece (dal legno), il bitume, la cera d'api o l'amido (dalle piante).

I sigillanti possono essere utilizzati per proteggere le superfici mediante impregnazione, e per riempire le piccole aperture, così da impedire la penetrazione di gas o liquidi.

Adesivi e sigillanti misurati di solito

• Adesivi a caldo
• Paste plastisol
• Sigillanti siliconici
• Adesivi polimerizzati con UV

Esistono numerose applicazioni per gli adesivi a caldo in una vasta gamma di settori, come il settore automobilistico e dell'elettronica, l’igiene e la medicina (cerotti medicati, fasce per neonato, ecc.) e il settore degli imballaggi (fascette per scatole e cartone, film adesivi, etichette ecc.), quello delle scarpe e dei vestiti (adesivi per suole, rivestimento, ecc.) e degli articoli per la casa (cartucce di colla a caldo, pellicole adesive, ecc.). Gli adesivi a caldo rappresentano uno dei segmenti a volume più grande dell'industria degli adesivi. Facili da applicare e di costo relativamente contenuto, gli adesivi a caldo possono contribuire ad aumentare la velocità di produzione e a ridurre i costi grazie al risparmio di tempo durante le applicazioni. Inoltre, dato che gli adesivi a caldo contengono poco o nessun solvente, si evitano le questioni ambientali ed i costi associati. Ciò che distingue gli adesivi a caldo da altri adesivi è che sono applicati allo stato fuso, e poi si raffreddano rapidamente in modo da formare un solido robusto ed aderente, a temperatura ambiente. La velocità con cui solidificano, unita con la loro viscosità relativamente alta, li rende ideali anche per legare i materiali porosi. 

Gli adesivi a caldo sono polimeri termoplastici con peso molecolare (MW) relativamente alto, che fornisce loro una elevata rigidità. Tuttavia, i polimeri con MW alto generalmente non hanno sufficiente potere adesivo (tack) proprio, e quindi questi polimeri sono mescolati con una varietà di additivi, che possono includere plastificanti, adesivizzanti e stabilizzanti per aumentare le prestazioni in termini di adesività. Gli adesivi a caldo vengono applicati allo stato fuso e devono scorrere uniformemente sulle superfici per assicurare sia umidificazione sia adesione. Per questo motivo, testare con un reometro la viscosità in funzione della temperatura è essenziale per assicurare un buon rendimento dell'adesivo a caldo. Inoltre, gli adesivi a caldo devono essere stabili nel tempo, al fine di formare un legame forte. Conoscendo le caratteristiche reologiche di un dato adesivo a caldo, può essere determinata la sua idoneità per un determinato compito o può essere modificata la sua formulazione per personalizzarlo per un'applicazione specifica. Uno dei modi migliori per studiare il comportamento reologico degli adesivi a caldo è la misura oscillatoria  dipendente dalla temperatura in condizioni meccaniche dinamiche costanti (ovvero deformazione costante nonché frequenza costante).

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di controllo della temperatura Peltier.

Questo è solo uno degli studi reologici tipicamente in uso nell'industria automobilistica.

Le paste plastisol in PVC sono utilizzate per processi di iniezione, immersione, stampaggio, modellatura o estrusione. Tali paste possono essere applicate, ad esempio, come rivestimento a spruzzo plastisol sul sottoscocca dei veicoli, come rivestimenti per la prevenzione della corrosione nell'industria chimica, come pavimentazione nel settore delle costruzioni, per la produzione di pelle artificiale, indumenti protettivi o profili di guarnizione. Solitamente, i processi di rivestimento e formatura vengono effettuati a temperatura ambiente. Le successive fasi di riscaldamento consentono la gelificazione e l'indurimento del plastisol.

Un fattore di fondamentale importanza per l'operatore è la temperatura di insorgenza della gelificazione. Il modo migliore per descrivere il comportamento di addensamento dipendente dalla temperatura di una pasta di plastisol è un test oscillatorio a un'ampiezza e frequenza costante effettuato come scansione di temperatura. La temperatura di lavorazione solitamente è la temperatura ambiente. A causa dell'attrito delle particelle che si verifica nel corso del processo, tuttavia, sono attese temperature sino a +30 °C e superiori, per esempio quando si utilizza una pistola a spruzzo o un rivestimento a lama. Inoltre, è importante la temperatura alla quale la viscosità è al suo minimo. Se questa viscosità minima è troppo bassa, la pasta può cadere o sgocciolare dalla superficie dopo l'applicazione. I produttori hanno bisogno di sapere a che temperatura massima il materiale può essere immagazzinato prima di essere processato, soprattutto d'estate. La temperatura di insorgenza del processo di gelificazione viene raggiunta quando la viscosità e la rigidità della pasta aumentano (generalmente oltre +60 °C). Infine la pasta di plastisol solitamente raggiunge la sua massima rigidità a temperature del forno (tipicamente superiori a +120 °C).

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di controllo della temperatura Peltier.

La necessità di proteggere qualcosa da influenze esterne tramite sigillante è vecchia quasi quanto l'umanità stessa. Anche nell'età della pietra, l'uomo proteggeva le sue case dal vento e dalle condizioni atmosferiche sigillando le aperture con sigillanti naturali come erba, fango o cera. A partire dal 18° secolo con l’invenzione dello stucco, sono poi stati inventati numerosi sigillanti sintetici. Sigillanti siliconici o acrilici per finiture interne, ad esempio in bagno, sono tra i più comuni.

Un importante test per la caratterizzazione reologica dei sigillanti siliconici è la determinazione del comportamento tissotropico. Questo descrive la rigenerazione del materiale dopo essere stato spinto fuori della cartuccia. Con un cosiddetto step test o test tissotropico a tre intervalli, il materiale viene misurato applicando una deformazione variabile - da un' oscillazione di piccola ampiezza ad un'oscillazione di grande ampiezza sino a tornare ad un' oscillazione di piccola ampiezza. I test oscillatori  forniscono informazioni circa il comportamento viscoelastico del materiale, in modo che i risultati dei test possano essere utilizzati per caratterizzare le proprietà viscose (modulo viscoso G") e le proprietà elastiche (modulo elastico G') di un campione. Un test tissotropico  a tre intervalli in oscillazione fornisce informazioni preziose che indicano se un campione è scorrevole (con G’’ > G’) o già  allo  stato solido (con G’ > G’’) dopo l'applicazione. In questo modo è possibile distinguere chiaramente tra un buono ed un cattivo sigillante a seconda del comportamento desiderato durante e dopo l'applicazione.

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di controllo della temperatura Peltier.

Gli adesivi che polimerizzano sotto irradiazione con luce UV presentano numerosi vantaggi rispetto agli adesivi a polimerizzazione convenzionale. Generalmente non contengono solventi e il processo di polimerizzazione è rapido - spesso basta solo una frazione di secondo - in modo da poter ottenere velocità di lavorazione elevate. Inoltre, le sollecitazioni termiche sui materiali sono generalmente molto ridotte, poiché non è necessario alcun riscaldamento esterno.

Le proprietà meccaniche del materiale polimerizzato dipendono da una serie di fattori, come la quantità e il tipo di agente reattivo, l'intensità e la lunghezza d'onda della sorgente UV e il tempo di irradiazione. Le misure reologiche possono fornire tantissime informazioni su questi fattori. La polimerizzazione UV viene monitorata al meglio utilizzando misure oscillatorie a frequenza e deformazione costanti. Ad esempio, la figura sotto mostra come il tempo di polimerizzazione di una colla di polimerizzazione UV, nonché la sua rigidità finale, sono influenzati dall'intensità dell'irradiazione UV.

Questo test richiede unreometro dotato di un sistema di polimerizzazione a UV. (un sistema di controllo della temperatura Peltier con una sorgente di luce UV e piastre di vetro intercambiabili per consentire l'irradiazione dei campioni dal basso).