L'incollaggio strutturale delle plastiche

In un mercato altamente competitivo come quello odierno, sempre alla ricerca di soluzioni più affidabili e semplici, gli adesivi hanno sostituito con successo la saldatura con solventi nel mercato dei componenti in plastica.

Secondo la "Engineers Guide to Plastics" pubblicata da Materials Engineering gli adesivi incollano efficacemente 36 tipi di plastiche differenti, al contrario dei comuni metodi di assemblaggio.

Per ottenere i migliori risultati è fondamentale progettare il giunto per ottimizzare le prestazioni dell'adesivo.

Considerazioni sulla progettazione

Se incollato correttamente, con un'adeguata superficie di incollaggio, un giunto può vedere cedere il materiale plastico prima dell'adesivo. Ci sono cinque diversi tipi di forze principali che agiscono su un giunto incollato: taglio, trazione, compressione, pelatura e la frattura.

La forza di trazione è quella applicata perpendicolarmente alla linea di giunzione separando le due superfici di incollaggio. Molti adesivi resistono molto bene a queste forze.

La forza di taglio è quella applicata parallelamente alla linea di giunzione. Il test a taglio è uno dei metodi principali per valutare un adesivo. Molti adesivi resistono molto bene a queste forze.

La forza di compressione è quella applicata perpendicolarmente alla linea di giunzione unendo le due superfici di incollaggio. E' la condizione nella quale un adesivo resiste meglio.

La pelatura e la frattura sono forze simili e sono applicate al bordo esterno della superficie incollata. Sono le forze peggiori a cui sottoporre un adesivo perché concentrano gli sforzi su un area molto ridotta. Una volta innescata, la frattura si propaga molto velocemente nella linea di giunzione.

Quando si sceglie un adesivo bisogna considerare le forze applicate al giunto dato che alcuni adesivi hanno migliori prestazioni in alcune condizioni piuttosto che in altre.

Nella fase di selezione dell'adesivo il progettista deve considerare le condizioni ambientali a cui il manufatto verrà esposto durante tutta la sua vita: i raggi UV, la contaminazione delle superfici, i trattamenti superficiali, il contatto con solventi e sostanze chimiche, ecc. Anche in questo caso, alcuni adesivi sono stati formulati per resistere ad alcune particolari sollecitazioni.

Tecnologie disponibili per l'incollaggio strutturale

Sono disponibili varie tecnologie adesive per soddisfare le esigenze dei costruttori. Per incollare in modo strutturale le plastiche esistono tre categorie principali: epossidici, cianoacrilati e metil metacrilati. In base alle esigenze di progetto bisognerà scegliere la tecnologia più indicata.

Adesivi epossidici

Gli adesivi epossidici possono essere mono o bi-componenti. Hanno capacità illimitata di riempire giochi e polimerizzano in profondità. Hanno un'ottima resistenza termica e chimica, una elevata forza coesiva (resistenza interna dell'adesivo), un basso calo di spessore e una buona resistenza a taglio e pelatura. Inoltre, sono estremamente versatili consentendo la formulazione di adesivi specifici per ogni cliente.

Gli epossidici polimerizzano quando si realizzano dei legami covalenti tra resina e indurente. E' possibile aggiungere dei catalizzatori o aumentare il calore per accelerare la reazione. L'applicazione di calore controllato può anche aumentare il numero di legami chimici aumentando la resistenza finale.

Sono poche le limitazioni di questi adesivi. Hanno tendenzialmente un tempo di polimerizzazione lungo e un tempo di fissaggio compreso tra 5 minuti e 2 ore. Questo consente di incollare grandi superfici e di riposizionare i pezzi prima che il prodotto inizi ad incollare.

La reazione di polimerizzazione è esotermica e quindi genera calore. Questo va considerato nell'incollaggio di parti sensibili.

Gli epossidici sono la scelta giusta in caso di grandi superfici, ampi giochi, alte temperature o esposizione a sostanze chimiche.

Adesivi cianoacrilati monocomponenti

I cianoacrilati sono adesivi monocomponenti che incollano molti materiali in pochi secondi a temperature ambiente. Essendo monocomponenti possono essere facilmente dosati in modo automatico e integrati nelle linee di produzione. Sono disponibili in viscosità che vanno dall'acqua al gel, hanno buona resistenza all'umidità e alle sostanze chimiche non polari.

Polimerizzano con una reazione anionica in presenza di una base debole come l'acqua (che dev'essere presente in forma di umidità nell'aria o sulle superfici) che neutralizza gli stabilizzanti acidi presenti nell'adesivo.

I cianoacrilati standard hanno delle limitazioni: incollano velocemente la pelle, non possono riempire giochi e polimerizzano lentamente in profondità, hanno scarsa resistenza a solventi polari (isopropanolo, acetone, cloruro di metilene), scarsa durata sui substrati in vetro, bassa velocità di polimerizzazione su substrati acidi o asciutti, scarsa resistenza alle alte temperature e agli urti (a causa della loro natura rigida) e infine scarsa adesione alle poliolefine, ma esistono prodotti specifici formulati per superare questi limiti.

Gli adesivi insensibili alle superfici polimerizzano anche in presenza di superfici acide o con scarsa umidità, oltre ad avere la miglior resistenza meccanica sulla maggior parte delle plastiche. In prove distruttive solitamente cede il substrato prima dell'adesivo.

Gli attivatori aumentano la velocità e la profondità di polimerizzazione riducendo il tempo di fissaggio.

I primer possono essere applicati sulle plastiche difficili da incollare come le poliolefine per migliorare l'adesione.

Alcuni cianoacrilati sono caricati con elastomeri per aumentare la loro resistenza agli urti.

Adesivi cianoacrilati bicomponenti

I cianoacrilati bicomponenti sono tra le più recenti innovazioni per questa famiglia di adesivi. Fissano velocemente a temperatura ambiente e incollano una grande varietà di substrati. A causa della loro natura in due parti sono leggermente più complessi da  dosare in modo automatico e attualmente sono disponibili solo in gel. Hanno un'ottima resistenza all'umidità e ai solventi non polari.

I cianoacrilati bicomponenti sono disponibili in cartucce contenenti entrambi le parti. Grazie al beccuccio miscelatore il monomero e il catalizzatore vengono uniti per far iniziare la reazione esotermica (che produce calore).

Non dipendendo dall'umidità, la polimerizzazione dei cianoacrilati bicomponenti avviene anche in profondità e più velocemente di un cianoacrilato monocomponente e consentono di riempire ampi giochi.

Adesivi metil metacrilati

Gli adesivi metil metacrilati (MMA) sono adesivi strutturali bicomponenti che polimerizzano a temperatura ambiente quando le due parti vengono miscelate nelle giuste proporzioni. La resina è composta di elastomeri dissolti in monomeri acrilici miscelati con perossidi. Gli elastomeri contenuti nella formulazione forniscono resistenza meccanica e termica. I perossidi si decompongono quando vengono a contatto con l'indurente creando dei radicali liberi che innescano la polimerizzazione.

Gli MMA sono adesivi strutturali che incollano plastiche, materiali compositi e metalli, oltre ad avere un'eccellente resistenza alla pelatura e agli urti. Sono molto versatili e possono essere formulati per rispondere alle esigenze del cliente. E' possibile anche inserire nella formula degli spaziatori in vetro per consentire uno spessore controllato del cordolo di adesivo o delle cariche in gomma per garantire resistenza agli urti mantenendo eccezionale resistenza meccanica.

Gli adesivi MMA possono fissare in 2 minuti, hanno velocità di polimerizzazione che variano da 5 minuti a un'ora e sviluppano la completa resistenza da 4 a 24 ore. Al contrario di altre tecnologie adesive, gli MMA riescono ad aderire anche in presenza di diversi contaminanti.