ADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA
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ADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA
MASTER OFICIAL EN PROYECTO ARQUITECTONICO Y CIUDAD
UNIVERSIDAD DE ALCALÁ
ADHERENCIA Y ADHESIVOS
PARA MADERA
Materiales de Nueva Generación y Materiales Eficientes.
Presenta:
VALERIA MARIA QUEVEDO MACHUCA
MATERIALES DE NUEVA GENERACION Y MATERIALES EFICIENTESADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA
EL USO DE ADHESIVOS EN LAMADERA
El adhesivo o enlace de madera, es una actividad que se ha practicado por muchos siglos. Se estima
que el 70% de los productos en la práctica industrial es madera enlazada (Hemingway and Conner
1989).
Los Adhesivos están diseñados para aplicaciones especificas, relacionados a miles de productos
(Rice 1990).
Loa más comunes, son aquellos adhesivos utilizados en la fabricación de composites o aquellos que
se utilizan en el ensamblaje de productos. El mercado más grande de producción de madera, es el
de los paneles, incluyendo las maderas flexibles, placas de filamentos orientados (OSB), placas de
fibras y de partículas. Los adhesivos representan del 2 a 8% en comparación del peso total de los
productos terminados.
Adherencia de la Madera
La adherencia es el esfuerzo de la capa molecular del adhesivo que entra en contacto con la capa
superficial de los substratos, tales como la madera. En general, la madera es fácil de adherir en
comparación con la mayoría de substratos.
Las superficies (en la madera) no son atraídas uniformemente en un contacto tan cercano,
requiriendo del adhesivo para mantener a las superficies unidas.
Tanto para maderas laminadas como para uniones al beso, los adhesivos pueden ser curados por
calor o bien a temperatura ambiente. En la construcción y la fabricación de mobiliario, los adhesivos
utilizados poseen tiempos de secado muy largos y usualmente se realizan a temperatura ambiente.
(La importancia de los
adhesivos es ilustrada por la
necesidad de diferentes
pegamentos para hacer el
reborde por la vinculación de
las partes del laminado y la
orientación de las fibras en las
escamas de la viga I, y con el
accesorio de paneles de fibras
al borde.)
La mayoría de los adhesivos para uniones de madera se componen de formaldehidos como co-
monomero, generando preocupación por la emisión de sustancias formaldihídicas.
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Usualmente en este proceso de adherencias, el esfuerzo localizado es muy diferente del esfuerzo
aplicado, así mismo como lo es el distribuido del concentrado (Dillard 2002).
Variables de la Adherencia en la Madera
Resinas Madera Procesos Efectos
Tipo Especie Cantidad de Adhesivo Esfuerzo
Viscosidad Densidad Distribución del Adhesivo Módulo de Cortante
Distribución de Peso Contenido de Humedad Humedad Relativa Elevada Resistencia al Pliegue
Molecular
Porciones de Reactivos Plano de corte: Radial, Tangencial, Temperatura Arrastre
Transversal o Mixto
Valor de Curado Corteza vrs. Cuerpo de la Madera Tiempo Directo de Ensamblaje % de Fractura en la Madera
Total de Sólidos Maderas Jóvenes vrs. Maduras Tiempo Indirecto de Tipo de Fractura
Ensamblaje
Catalizadores Maderas Prematuras vrs. Dilatadas Prensado Seco Vrs. Húmedo
Mescla Reacción de la Madera Penetración del Adhesivo Modulo de Elasticidad
Clavo Angulo de la Partícula Vía Gaseosa Temperatura
Rellenos Porosidad de la Madera Tiempo de Prensado Resistencia de Hidrólisis
Sistema Solvente Rugosidad Superficial Pre-tratados Resistencia al Fuego
Duración Daño por Deshidratación Pos-tratados Resistencia Biológica: Hongos,
Bacterias, Insectos, etc.
pH Daño por Producción Temperatura de Adherencia Finalizado
Protecciones Suciedad, Contaminación, Extractos, Resistencia Ultravioleta
Capacidad de Protección,
Superficies Químicas.
Nota: Recopilación por Norm Kutscha
Se necesita considerar ambos aspectos de la fuerza de adherencia, tanto el químico como el
mecánico, porque la fuerza de adherencia es una medición de la fractura, cuyo proceso determina
donde se localiza el mayor esfuerzo bajo condiciones específicas de ensayo.
Algunas teorías de la adherencia acentúan aspectos mecánicos y otras ponen más énfasis en
aspectos químicos, la estructura química y las interacciones determinan las características
mecánicas y las características mecánicas determinan la fuerza que se concentra en vínculos
químicos individuales.
Para que los adhesivos formen dispositivos de seguridad, tienen que humedecer el fondo del
substrato lo suficiente, de modo que penetre un poco del producto, para que actúen tanto las
fuerzas químicas como las mecánicas en la unión. Para que un dispositivo de seguridad mecánico
trabaje, los enlaces del adhesivo deben ser lo suficientemente fuertes para soportarlos.
Por todo lo anterior, la interacción del madera-adhesivo necesita ser evaluada en tres escalas
espaciales (milímetro, micrómetro, y el nanómetro) (Frazier 2002, Frihart 2003b).
El milímetro implica observaciones por el ojo o la microscopia ligera. El uso de exploraciones
microscópicas electrónicas, permite observaciones respecto al micrómetro o al nivel celular.
Mientras que el nivel del nanómetro, es la escala espacial en la cual las moléculas adhesivas
necesitan trabajar recíprocamente con la madera para que el enlace se forme.
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Términos Utilizados
Fractura de Uniones por Adhesivos: es el lugar donde ocurre la fractura en una unión adhesiva
como resultado de la pérdida de la capacidad de carga del pegamento.
Fractura del Substrato: es la fractura localizada en el sustrato o superficie adherente.
Interface: esta es la región de dimensión finita, que se extiende de un punto en el que el adhesivo
posee características particulares, y comienzan a cambiar a las características generales de la
adherencia con la madera, a un punto en el que las características del pegamento se comportan de
la misma manera.
Tiempo de Ensamblaje: es el intervalo del tiempo entre la
aplicación del pegamento en el substrato y el uso de la presión, o
calor, o ambos, hasta el ensamble.
Ajustes: es convertir un pegamento en un estado fijo o
endurecido por medio de una acción química o física en los
componentes del mismo.
Curado: es cambiar las características físicas de un pegamento
por la reacción química, de un estado a otro.
Agarre: es la característica de un pegamento que le permite
formar un enlace de la fuerza mensurable inmediatamente
después que el pegamento y el adherente se ponen en contacto
bajo presión.
Adhesivos Estructurales: es un agente de la vinculación, usado
para transferir cargas requeridas entre los adherentes
expuestos a los ambientes del efecto típicos para la estructura
implicada.
Aplicación de los Adhesivos
Aplicación de Adhesivos a la Madera:
No todos los adhesivos son de aplicación directa a los substratos de madera, algunas superficies
deben ser tratadas antes de efectuarse los enlaces.
• El primer paso en la formación de un enlace implica el esparcir del pegamento sobre la
superficie de madera.
• Después de la aplicación del adhesivo, una combinación de ensambles directos e indirectos,
se utiliza dependiendo del proceso específico del enlace.
• En algunos casos, el calor y la humedad se utilizan durante el proceso de enlace, esto
permite que el pegamento se vuelva más líquido y la madera más deformable (Green et al.
1999).
• Es así, como el Adhesivo tiene que fluir sobre la superficie total, y en los vacíos causados por
la porosidad que está presente con casi todas las superficies.
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• La madera es una de las superficies de enlace más compleja, que se encuentra
generalmente en la mayoría de los usos adhesivos.
• Agregando la tensión, compresión y la valoración de las partículas, aumenta la complejidad
de la interacción adhesiva de la madera.
Penetración de la Superficie de la Madera:
En una escala mayor, la madera es un substrato rugoso, celuloso y anisotropico; es debido a estas
características, que la penetración de los adhesivos y cualquier otra substancia posee cualidades
específicas.
• Los tipos y los tamaños de las células son
dramáticamente diferentes entre las maderas
dura y las maderas blanda.
• Las células de las maderas crudas con las paredes
más finas, son más fáciles de enlazar debido a un
lumen más accesible.
• La madera de savia se considera más fácil enlazar
debido a los cambios en los estratos.
• La madera joven, en compresión, y tensión
distorsionan la estructura celular de los enlaces y
debilitan la región de la interface adhesiva de la
madera.
• El mejor método para preparar una superficie de
madera para enlaces, es utilizar las placas
laminadas muy finas.
• La superficie de la madera-enlace varía
considerablemente dependiendo de cómo la
superficie está preparada y qué tipo de madera es.
(La penetración adhesiva de la unión es buena para
(a) una superficie de madera sana, pero no para (b)
una superficie de madera desmoronada y
maltratada.)
Cuadros de la microscopia electrónica de la exploración de secciones
transversales (a) del pino amarillo meridional y (b) del arce duro.
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A PAR
RA MADERA
Humidificacción, Flujo y Penetración
P n de la Madeera:
Para un en nlace se foorma, el adhesivo nece esita
mojar y fluir sobre unna superficie
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casos pene etrar en el substrato. Es importtante
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• El flu
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s bajo un tiemppo razonable e. El flujo no sólo depend
de del ángullo del contaccto, sino
tamb bién de la visscosidad de
el adhesivo. Con
C una visccosidad máss baja, el ad dhesivo fluye mejor y
moja a más de la superficie.
• La penetración es la capacidad del peg gamento de moverse en los vacíos de la superrficie del
subsstrato o en ele substratoo mismo. Pa ara lograr un n enlace fue
erte, el adhe
esivo debe penetrar
p
en toodas las porrosidades deel substrato en una micro-escala
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dadura mejorad da por el retiro de los
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es. La fotografía
a fue tomada 30 0 segundos desspués de poner tres gotitas en la superficie. Laa gota
izquierda esstaba en una suuperficie sin trattar, el centro fue renovado porr dos pasos de papel
p de lija de 320
3 arenas, y la gota
derecha fuee renovada con cuatro pasos co on el papel de lija.
Moodos de la intera
acción adhesiva
a dentro
de las membranass celulares de madera.
m
MATERIALES DE NUEVA GENERAC
CION Y MATERIALLES EFICIENTESADHERENCIA Y ADHESIVOS PARA MADERA
Ajustes en los Adhesivos
El ajuste es convertir un adhesivo en un estado fijo o endurecido por la acción química o física, tal
como condensación, polimerización, oxidación, vulcanización, congelación, hidratación, o evaporación
del solvente volátil.
• Para la mayoría de adhesivos poliméricos, es necesario reaccionarlos mediante la perdida de
solventes o minerales en el compuesto.
• Para muchos otros tipos de adhesivos es necesaria la evaporación o pérdida de agua,
enfriamiento y la polimerización de los mismos.
Separación de Solventes:
Los solventes son un problema debido a la naturaleza no porosa del substrato que previene el retiro
del solvente por la migración dentro y a través del substrato. Es así como la mayoría de los
procesos de enlace requieren de maderas que estén dentro de una gama aceptable en contenido
de agua, para conseguir una adecuada manejabilidad.
Polimerización:
Para lograr un enlace más fuerte, un peso molecular más alto y un mayor número de polímeros
reticulados son generalmente mejores los procesos de polimerización. Esta activación puede incluir
aplicación de calor, el cambio en el pH, catalizadores, la adición de un segundo componente, o la
radiación.
Solidificación por Enfriamiento:
Muchos adhesivos usados con anterioridad para las maderas, eran sensibles a derretimientos por
calor. Debido a que los adhesivos termo sensibles y los plásticos usados para los compuestos son
poliméricos, tienen una capacidad limitada de fluidez. Mientras el adhesivo se enfría, su viscosidad
se eleva rápidamente para una mejor adherencia de soldadura.
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ADHESIVOS
Tipos de Adhesivos
En el mercado existen una inmensa gama de productos para adherir sustratos y materiales de
diferente composición. Para la madera, de igual forma, existe un amplio número de estos adhesivos
que varían en sus características y propiedades dependiendo de su composición.
Las características de un adhesivo necesitan no sólo coincidir con las necesidades del enlace
ensamblado final, sino que también necesita ser compatible con el substrato y las condiciones de
proceso del enlace.
Aunque estos pegamentos se posicionan en la clasificación general del tipo estructural, en los
enlaces de madera pueden ser divididos como estructurales, semi-estructural y no estructurales.
Los tipos de curado de los adhesivos determinan muchas veces el desempeño de los mismos,
algunas consideraciones para los curados y su relación con las características de los enlaces en la
maderas son:
1. El curado lento a temperatura ambiente, proporciona el tiempo necesario para que los
componentes de la madera estén cubiertos con el adhesivo y se mantengan unidos durante
el ensamblaje.
2. El calor y la humedad dejan ablandar a la madera, permitiendo que las superficies de madera
colindantes sean traídas en contacto más cercano.
3. Sobre la calefacción, el curado del pegamento es rápido, reduciendo el retardo cuando se
aplica presión.
Algunos de los tipos de adhesivos que existen se clasifican según su uso o composición, y más
concretamente según su componente base. Entre los que se pueden mencionar los siguientes:
• Formaciones Poliméricas
• Autoadhesivos
• Formaldehidos Adhesivos
• Adhesivos Epóxicos
• Dispersión de Adhesivos Acetaticos Polivinílicos y Vinil-etílicos
• Fundidos por Calor
• Adhesivos Sensibles a la Presión
• Adhesivos Orgánicos
Los adhesivos más utilizados son los siguientes:
Formaciones Poliméricas
Las características de los polímeros son importantes en el proceso de los enlaces y en el último
caso, para el funcionamiento final del material consolidado. Algunos aspectos que se deben tomar
en cuenta para la efectividad de los polímeros son el uso, la clase, el tipo y el tamaño.
Las clases de polímeros son determinadas por cómo está constituido el polímero, enlaces simples o
composiciones variadas, y según el tipo de enlaces que forman.
• Homopolimeros (de un componente)
• Copolimeros (de dos o más componentes poliméricos)
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• De enlaces Reticulados (termo estables)
• De enlaces No-Reticulados (termoplásticos)
Auto-adhesivos
Las fuerzas que trabajan contra una buena auto-adherencia son la aspereza de la superficie y la
carencia de movilidad de los componentes de la madera. Para la buena adherencia, las dos
superficies tienen que ser puestas en contacto a nivel molecular.
La adherencia de los elementos de madera depende mucho de la vinculación del hidrógeno y la auto-
reticulación.
Formaldehidos Adhesivos
Los adhesivos para madera más comunes, son aquellos a base de reacciones formaldehídicas con
Fenol, Resorcinas, Urea, Melanina o una mescla de los mismos. Estas reacciones pueden involucrar
los siguientes pasos:
1. Reacción del formaldehido con un centro nucleophilico del co-monomero para formar un
derivado hidroximetílico.
2. Condensación de dos de estos grupos hidroximetílicos para formar un grupo del éter del bi-
metileno, con pérdida de una molécula de agua.
3. Eliminación del formaldehido del éter del bi-metileno para formar un puente del metileno
Los tipos de formaciones formaldehídicas que se generan de estas reacciones son las siguientes:
- Fenol Formaldehido (PF)
- Resinol Formaldehido (RF)
- Fenol-Resinol Formaldehido (PRF)
- Adhesivos Urea Formaldehidos y Urea Formaldehidos Mesclados
- Adhesivos Formaldehidos de Melanina
Adhesivos Epóxicos
Los adhesivos y las capas de epóxido son ampliamente utilizados debido a su buena resistencia
ambiental y la capacidad de enlazar a una variedad amplia de superficies, incluyendo la madera,
metales, plásticos, cerámica, y concreto.
Son menos de uso general en la vinculación de madera porque son más costosos que la mayoría de
los adhesivos de madera, y en algunos casos, su durabilidad es limitada.
Por otra parte, estos son adhesivos estructurales capaces de curar a temperaturas ambiente,
tienen la habilidad que llena cualquier fisura, y enlazan a muchas otras superficies, mientras que la
mayoría de los pegamentos de madera requieren un curado a base de calor, no cubres fisuras y no
enlazan con otros substratos.
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Adhesivos Orgánicos
La mayoría de los adhesivos orgánicos, son los generados a base de proteínas. Aunque los
productos de antiguos madera consolidada fueron hechos usando los pegamentos naturales de la
proteína, estos enlaces eran durables solamente a niveles de la humedad baja y fueron
ablandándose generalmente a niveles de la humedad alta.
El adelanto más grande en el desarrollo de los adhesivos naturales, son los de la harina de la soja
que permitieron que el chapeado interior se convirtiera en un reemplazo rentable de la madera
sólida. Se han realizado investigaciones sobre la harina o la proteína de la soja que incorporan
resinas de fenol-formaldehidos, pero más exitoso ha sido, obtener un compuesto usando el fenol y el
formaldehido para reticular la proteína desnaturalizada de la harina de soja.
Algunas de las composiciones naturales que forman adhesivos son:
• Colas de proteínas
• Adhesivos de Tanino
• Adhesivos de lignina
CONSIDERACIONES AMBIENTALES
Hay un número de áreas problemáticas, pero el primer motivo de preocupación ha sido emisiones
del formaldehido de los productos consolidados, usando principalmente las resinas del UF.
El problema puede presentarse del formaldehido sin reaccionar y degenerado. Los valores iníciales
son altos, pero disminuye lentamente debido a las limitaciones de la difusión.
La preocupación más grande está con los paneles conglomerados, debido a la gran cantidad de su
uso en interiores y al de alto nivel del pegamento en los productos.
La preocupación principal, son las emisiones, se ha centrado en el formaldehido, pero éste no es el
único compuesto emitido por los productos de madera consolidados.
Otros compuestos volátiles en la formulación adhesiva también se han detectado. Además, un
número de otros volátiles están presentes en de madera y los adicionales que se pueden generar
por el calor y la humedad en la producción del compuesto (Wang et al. 2003).
Un análisis cuidadoso ha revelado la presencia del formaldehido, y de otros aldehídos del metanol, y
de los pinenos, muchos de los cuales vienen de la madera en sí mismo más bien que del adhesivo
(Baumann et. al. 2000).
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BIBLIOGRAFIA
• “HANDBOOK OF WOOD CHEMISTRY AND WOOD COMPOSITES” Charles R. Frihart, - Wood
Adhesion and Adhesives- , USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory, Madison, WI.
• Douglas J. Gardner, “ Adhesion Mechanisms of Durable Wood Adhesive Bonds”. Stokke
2005.
• RESEARCH PROJECT OUTLINE, Nicole R. Brown. “Wood-adhesive Curing and Crosslinking
Reactions”. The Pennsylvania State University. 2004.
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