Adesivi e collanti: quando gli atomi formano reti

1. Adesivi e collanti:quando gli atomi formano reti Settimana della scienza 2012 Attività a cura dei docenti e degli studenti dell’IPSIA «Ponti» - Indirizzo «Tecnico di laboratorio Chimico e biologico»

2. Materiali e sviluppo tecnologico Il mondo che ci circonda muta a grande velocità: l’innovazione tecnologica comporta lo sviluppo di materiali innovativi e all’avanguardia. Esempi di questi materiali sono le leghe speciali, le materie plastiche, le ceramiche ed anche i materiali compositi,cioè prodotti combinando tra loro diversi materiali. Nella prossima slide viene presa ad esempio l’evoluzione della ruota dal tempo dei faraoni ai giorni nostri.

3. Materiali e sviluppo tecnologico Un esempio di materiale composito è il pneumatico delle auto

4. Materiali e sviluppo tecnologico Come è possibile combinare materiali diversi? Le tecniche di assemblaggio di tipo termico come la saldatura possonoalterare le proprietà del materiale nel punto sottoposto all’azione del calore. Le tecniche meccaniche come la rivettatura o l’avvitamento consentono solo il trasferimento di forza localizzato; inoltre, è necessario forare i pezzi che devono essere uniti e questo arreca un “danno” indebolendo i materiali. Una tecnica alternativa è l’incollaggio.

5. Vantaggi dell’incollaggio • non si hanno concentrazioni di sforzo • non viene appesantito il manufatto • unione e sigillatura contemporanee • assenza fenomeni galvanici (gli adesivi sono isolanti elettrici) • possibilità di unire materiali fisicamente e chimicamente molto diversi tra loro • possibilità di unire aree superficiali molto vaste • possibilità di unire materiali fragili • risparmio (usualmente)

6. Svantaggi dell’incollaggio • La durata dell’incollaggio dipende dalle condizioni in cui esso è seguito • Resistenza dell’adesivo limitata in presenza di condizioni estremamente critiche (elevata T) • Le strutture incollate non sono facilmente smontabili per riparazioni • Necessità di preparare la superficie in modo ottimale • Possibile infiammabilità o tossicità per adesivi a base di solvente

7. Incollaggio: arte antica e nuova scienza Quando venne rinvenuto “Ötzi”, l’uomo venuto dal ghiaccio, furono trovati utensili, compresa un’ascia la cui lama era attaccata con pece di betulla (adesivo) e nastri di pelle. Nell’antico Egitto (circa 3500 anni fa) l’incollaggio era una professione: era nato il mestiere del produttore di adesivi. A metà del XIV secolo gli Aztechi mescolavano il sangue animale con il cemento. E’ l’albumina a conferire proprietà adesive.

8. La natura ci insegna come fare L’incollaggio è un’invenzione dell’uomo? La vespa muraiola rompe il legno, ingerisce la cellulosa mescolandola ai succhi gastrici. Con questo adesivo costruisce il nido. Asciugando l’acqua evapora e le fibre di cellulosa formano una sorta di tessuto

9. La natura ci insegna come fare L’albero della gomma Il latice è una dispersione colloidale di particelle del polimero fondamentale, insieme a piccole quantità di grassi, resine, zuccheri e proteine. Formalmente la sostanza polimerica viene considerata come il polimero di un diene, l'isoprene o 2-metil-butadiene.

10. La natura ci insegna come fare Le larve delle ostriche di carena possono attaccarsi a tutti i materiali. Esse possiedono le “ghiandole del cemento” che secernono un adesivo reattivo bicomponente che ha un’elevata resistenza all’acqua e una sorprendente stabilità. Anche quando l’ostrica di carena cresce rimane attaccata alla superficie di base in quanto secerne costantemente una nuova quantità di adesivo

11. Cos’è un adesivo? In base alla norma UNI EN 923 l’adesivo viene definito come: «sostanza non metallica in grado di congiungere materiali mediante fissaggio superficiale (adesione), e in modo tale che il legame ottenuto possieda adeguata forza interna (coesione).» Quindi l’adesione è il tipo di legame fra substrato e adesivo solidificato, invece la coesione è dovuta alle forze di legame all’interno dell’adesivo stesso.

12. Confronto tra adesione e coesione

13. Come funzionano gli adesivi? Quando viene applicato un adesivo si distinguono tre zone. La zona di adesione È la zona dove avviene l’interazione tra l’adesivo e il substrato. La zona di transizione In tale zona le proprietà chimiche, meccaniche e ottiche dell’adesivo risultano alterate La zona di coesione Le cui proprietà dipendono dalle interazioni tra le molecole dell’adesivo stesso

14. Cosa accade nella zona di adesione? Il fenomeno di adesione è causato dalle interazioni molecolari tra la superficie del substrato e l’adesivo. Le forze che operano all’interfaccia sono le seguenti: • forze di Van der Waals (adsorbimento); • legame a idrogeno ; • legami ionici, covalenti o di coordinazione. Le forze più importanti relative all’adesione sono le forze di Van der Waals. I legami chimici covalenti si formano soltanto in presenza di pochissime combinazioni di substrato/adesivo, ad es. tra il silicone e il vetro, il poliuretano e il vetro e la resina epossidica e l’alluminio. Esistono anche fenomeni meccanici come l’ «ancoraggio» dell’adesivo nei pori e nelle irregolarità del substrato (ad esempio nel caso di materiali rugosi come il legno).

15. Cosa accade nella zona di coesione? Le quattro forze coesive : 1. i legami molecolari all’interno dei polimeri 2. i legami chimici derivanti dalla reticolazione del polimero 3. le interazioni intermolecolari tra molecole nell’adesivo 4. l’aggrappaggio meccanico tra varie molecole nell’adesivo, influiscono sulle proprietà dell’adesivo non indurito e determinano, ad esempio, la viscosità dell’adesivo. L’indurimento dell’adesivo comporta la sua solidificazione attraverso legami che si verificano tra le molecole (es.: reticolazione di molecole)

16. In sintesi: Gli adesivi • devono comportarsi come liquidi durante la formazione del legame in modo da scorrere e bagnare la superficie aderente, • devono fluire sulla superficie del substrato e poi cambiare forma da liquido a solido strutturale senza creare pericolosi sforzi interni sulla giuntura • devono riuscire a tenere unite le superfici attraverso il meccanismo di adesione (sviluppo di forze intermolecolari con il substrato) • devono indurirsi per sopportare carichi continui o variabili durante la loro vita (coesione)

17. Bagnabilità L’adesivo deve avvicinarsi al substrato a distanza tale da permettere l’interazione. L’adesivo deve “bagnare” il substrato. La tensione superficiale di substrato e adesivo determinano il grado di bagnabilità.

18. Classificazione degli adesivi • La classificazione può essere sintetizzata in due macro gruppi: sostanze di origine animale o vegetale (detti Colle), oppure sintetica (detti comunemente Adesivi). • I primi sono usati con risultati eccellenti nel corso dei secoli fino a quando la disponibilità di prodotti sintetici migliori non ne ha progressivamente ridotto l’uso.

19. Classificazione

20. Le colle Le colle si utilizzano ancora al posto degli adesivi sintetici ad esempio nel campo del restauro in quanto possiedono • una buona elasticità per potersi adattare ai ritiri del legno • una buonareversibilità, ovvero offrono la possibilità di scollare le parti precedentemente unite al fine di permettere in futuro nuovi interventi di restauro • sono le sostanze utilizzate in origine per la realizzazione del manufatto e il restauratore è tenuto al loro utilizzo

21. La colla da falegname o colla forte Questa colla fu praticamente l'unica usata fino agli anni '30 quando entrarono in uso gli adesivi sintetici. La colla forte consiste in una gelatina, ottenuta facendo bollire i cascami di animali, pelle, ossa, unghie e una volta asciutta, viene venduta sotto forma di perle color ambra. È costituita per circa l’80% da collagene (il nome di questa proteina vuol dire letteralmente «generatore di colla»). Viene utilizzata facendo sciogliere le perle in acqua a caldo.

22. Lo sguardo del chimico: il meccanismo d’azione Il collagene è una proteina di tipo fibroso con funzioni strutturali. Le fibre sono formate da catene a struttura ad a-elica aggregate in gruppi di tre attraverso forti legami idrogeno intermolecolari. Presenta una bassa solubilità in acqua, per bollitura avviene una parziale idrolisi dei legami con estrazione del materiale proteico (formazione delle gelatine animali).

23. La colla viene preparata per riscaldamento in acqua. Le fibre si separano nelle singole catene e si disperdono casualmente nel liquido. Con il raffreddamento e l’evaporazione dell’acqua, le catene tendono ad riassemblarsi nella stuttura ad elica originale. L’impossibilita` di riallinersi correttamente fa si che le catene si leghino a tratti con catene diverse attraverso la formazione di legami ad idrogeno. Il film è reversibile, può essere risolubilizzato con acqua calda.

24. Colle alla caseina La caseina è una fosfoproteina contenuta nel latte come sale di calcio, in dispersione colloidale nell’acqua, essa può essere separata dal latte, dopo scrematura per togliere i grassi, riscaldandolo a circa 35-40°C ed acidificandolo fino a pH di circa 4,8. Quindi viene lavata ed essiccata. La caseina in polvere non è solubile in acqua; per renderla solubile e quindi utilizzabile occorre aggiungere degli alcali che reagiscono con i gruppi acidi -COOH liberi della caseina formando i cosiddetti caseinati. I caseinati più usati sono quello di ammonio ottenuto da caseina più ammoniaca NH3 o da caseina più carbonato d’ammonio (NH4)2CO3 e quello di calcio ottenuto da caseina e calce spenta Ca(OH)2.

25. Colle a base d’amido Il processo di formazione di un gel (gelatinizzazione e non gelificazione) a partire dai granuli d'amido consiste nel rigonfiamento per idratazione della parte amorfa dei granuli, con destabilizzazione delle regioni cristalline in essa disperse, le quali fondono. In parole povere, si passa da una struttura ordinata e in parte cristallina a una struttura disordinata, con le caratteristiche di un gel. Il fenomeno della gelatinizzazione consiste nella disorganizzazione dei granuli d'amido in ambiente acquoso, a un'idonea temperatura, tra 50 e 70°C. Non si tratta, quindi, di una reazione chimica, ma di un processo fisico.

26. Esempi di Adesivi sintetici: le resine fenolo-formaldeide Gli adesivi a base di fenolo-formaldeide (noti come resine fenoliche) polimerizzano a temperature comprese tra i 100 e 140°C. Il meccanismo alla base di questi adesivi reattivi è costituito da una reazione tra la formaldeide e il fenolo in condizioni alcaline (formazione resolo). Nell’adesivo pronto all’uso questa reazione è già completata.

27. Il resolo viene poi fatto polimerizzare nel giunto incollato, liberando acqua fino a formare un solido termoindurente (reazione di condensazione). In genere, si preferisce impiegare le resine fenoliche quando lo strato di adesivo è destinato ad essere sottoposto ad alte temperature. Un’applicazione tradizionale riguarda l’incollaggio dei rivestimenti per freno e frizione. Altri settori tipici in cui viene applicato questo tipo di adesivo sono la produzione di aeromobili , l’incollaggio strutturale di alluminio e l’industria del mobile. L’uso più consistente delle resine fenoliche, dal punto di vista quantitativo, si ha nell’industria del mobile e per l’incollaggio del legno.

28. E per finire divertiamoci a fare lo slime Questo materiale è in commercio come giocattolo, viene ottenuto da un polimero lineare, l’alcol polivinilico (PVA): Il polimero viene sciolto in acqua e alla soluzione se ne aggiunge un'altra contenente ioni borato che si formano per dissoluzione in acqua del borace Na2B4O7•10H2O, un sale derivato dall'acido borico. Lo ione borato si inserisce fra le catene di PVA e i suoi atomi di ossigeno si legano a quelli di idrogeno dei gruppi OH del PVA formando legami a idrogeno. In questo modo le catene vengono collegate fra loro e il polimero si reticola e non risulta più solubile in acqua formando una gelatina.

29. Ecco la struttura molecolare dello Slime

30. Tra due molecole di polialcoli si inseriscono le molecole di borace Si formeranno dei legami idrogeno