ADESÃO E ADESIVOS

1. ADESÃO E ADESIVOS Prof. Setsuo Iwakiri UFPR - DETF

2. 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,…)

3. 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, …

4. A MADEIRA E SEUS PRODUTOS DERIVADOS • Colagem – elementos de madeira > tábuas, sarrafos, lâminas, partículas, fibras > Produtos reconstituídos de madeira: • Madeira laminada colada • Painel colado lateral – EGP • Painéis laminados - compensado multilaminado / sarrafeado • Painéis particulados – aglomerados / OSB • Painéis de fibras – chapas duras / MDF • Benefícios: • Painéis: largura, estabilidade dimensional, resistência mecânica – L/T • Madeira laminada colada: comprimento, seção transversal, estabilidade dimensional

5. 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

6. 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 segmentosde cadeias de polímeros, a nível molecular • Teoria da adesão química: ocorre através de ligações primárias (iônicas / covalentes) e/ou,através de forças secundárias intermoleculares

7. 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/ superfície • Transferência – movimento adesivo > outra face • Penetração – movimento penetração > poros madeira • Umedecimento – recobrimento estrutura submicroscópica madeira • Solidificação – mudança estado físico (líquido > sólido)

8. PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS • 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

9. 180º >90º <90º 0º sem umectação umectação incompleta umectação completa (coesão máxima) (tensão sup. máxima) PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS • Ângulo de contato e umectação

10. APLICAÇÃO DA COLA - ESPALHAMENTO FLUIDEZ - TRANSFERÊNCIA PENETRAÇÃO - UMEDECIMENTO SOLIDIFICAÇÃO – LINHA DE COLA PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS • Figura – Sequência de movimentos do adesivo na formação da linha de cola

11. PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS • De acordo com a composição do adesivo e condições decolagem, a linha de cola formada pode ser: • Faminta – penetração excessiva adesivo • Normal – todos os movimentos do adesivo de forma satisfatória • Não ancorada – umectação insuficiente • Pré-endurecida – cura parcialdo 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 – reatividade • Quantidade de sólidos (resistência linha de cola) • Como mantém seu estado sólido (durabilidade)

12. 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

13. 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/madeira • Espalhamento adesivo • Condições de umectação • Penetração do adesivo na estrutura capilar da madeira > linha cola espessa / faminta • Tempo armazenamento do adesivo – “idade da cola” • Efeito da temperatura ambiente

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

15. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Características físico-químicas 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 horas • Resfriar e pesar (P2) • TS = (P2 : P1) x 100 (%)

16. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Características físico-químicas do adesivo < • 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 6 • Madeiras com baixo pH > • pré-cura colagem UF • dificulta colagem FF

17. 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

18. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Composição e características da madeira < • 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 tardio • Diferenças na densidade / porosidade / permeabilidade • Cerne e alburno • Diferenças na densidade / porosidade / permeabilidade • Cerne – maior teor extrativos

19. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Composição e características da madeira < • Idade da árvore – lenho juvenil e adulto • Lenho juvenil > anéis de crescimento largos, menor densidade, baixa resistênciamecânica, alta instabilidade dimensional • Lenho adulto > características opostas – lenho juvenil • Lenhos de reação • Lenho de compressão (coníferas), Lenho de tração (folhosas) • Alta instabilidade dimensional – gera tensões difusas na linha de cola • Grã • Porosidade da madeira > diferentes planos de corte / superfície de colagem • Grã revessa > alterações dimensionais difusas > tensões LC

20. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Composição e características da madeira < • PROPRIEDADES FÍSICAS • Afetam as funções de mobilidade do adesivo e tensões na linha de cola • Densidade da madeira • Relação inversa com a porosidade • Penetração do adesivo na estrutura lenhosa • Alterações 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.

21. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Composição e características da madeira < • PROPRIEDADES QUÍMICAS • Componentes 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

22. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Composição e características da madeira < • PROPRIEDADES MECÂNICAS • Importante > balanço das tensões na interface madeira – linha de cola • Tensões na linha de cola – cisalhamento, tração perpendicular • Maior 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

23. FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS> Procedimentos empregados na colagem < • PREPARAÇÃO DA MADEIRA PARA COLAGEM • Topografia 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 COLAGEM • Formulação / quantidade de adesivo > função > espécie, espessura lâmina, área superficial partículas • Parâmetros do ciclo de prensagem – temperatura, pressão específica, tempo de prensagem

24. 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

25. 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

26. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Classificação dos adesivos < • 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)

27. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Classificação dos adesivos < • 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

28. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Classificação dos adesivos < • 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)

29. 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

30. 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

31. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos adesivos < • 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)

32. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos adesivos < • 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

33. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos adesivos < • 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

34. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos adesivos < • 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

35. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos adesivos < • 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

36. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS> Características dos adesivos < • 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

37. 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

38. EXTENSORES • Formulação adesivo > maior proporção extensor > • Menor custo • Maior viscosidade • Maior vida útil em panela • Menor resistência a água • Materiais alternativos – extensor > farinha soja e milho (boas propriedades); • Características básicas – extensor: • Partículas finas (150 – 200 mesh) – facilitar espalhamento • Fácil dispersão na resina líquida – mistura homogênea • Melhorar capacidade de ligamento / coesividade do adesivo • Manter viscosidade do adesivo na faixa de 4000 – 6500 cp • pH neutro – não interferir na cura adesivo • Baixo teor de cinzas – não prejudicar ferramentas de corte

39. 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