ADESO E ADESIVOS Prof Setsuo Iwakiri UFPR DETF

ADESÃO E ADESIVOS Prof. Setsuo Iwakiri UFPR - DETF

HISTÓRICO ¡ Primeiras substâncias com propriedadesivas: 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, …)

A MADEIRA E SEUS PRODUTOS DERIVADOS ¡ Madeira sólida - estrutura heterogênea / natureza anisotrópica – limitações de uso: l Dimensões peças: • Largura máxima – diâmetro árvore • Comprimento - altura da árvore / equipamento l Anisotropia: diferentes propriedades – direções tangencial, radial e longitudinal (fator de anisotropia – CT: CR) l Defeitos naturais: nós, inclinação grã, lenhos de reação, lenho juvenil e adulto, …

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

CONCEITOS l ADESÃO: ¡ Fenômeno físico-químico que provê um mecanismo de transferência de tensões entre duas peças sólidas, através de processos moleculares l ADESIVOS: ¡ Substância aderente capaz de manter unidos outros materiais em suas superfícies l ADERENTE / SUBSTRATO: ¡ Termo empregado para sólidos (madeira) unidos por adesivos

CONCEITOS l 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 segmentos de cadeias de polímeros, a nível molecular ¡ Teoria da adesão química: ocorre através de ligações primárias (iônicas / covalentes) e/ou, através de forças secundárias intermoleculares

PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS l 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) ¡ ngulo de contato e umectação (Figura) ¡ Funções de mobilidade do adesivo (Figura) l l l 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)

PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS l 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

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

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

PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS ¡ De acordo com a composição do adesivo e condições de colagem, a linha de cola formada pode ser: l l Faminta – penetração excessiva adesivo Normal – todos os movimentos do adesivo de forma satisfatória Não ancorada – umectação insuficiente Pré-endurecida – cura parcial do adesivo durante a aplicação da pressão ¡ Formação da ligação adesiva e sua performance depende das propriedades reológicas do adesivo: l l l Sua fluidez (viscosidade) Como solidificam (física / quimicamente) Velocidade solidificação / cura – reatividade Quantidade de sólidos (resistência linha de cola) Como mantém seu estado sólido (durabilidade)

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

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Características físico-químicas do adesivo < l 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 l Espalhamento adesivo l Condições de umectação l Penetração do adesivo na estrutura capilar da madeira > linha cola espessa / faminta l Tempo armazenamento do adesivo – “idade da cola” l Efeito da temperatura ambiente

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Características físico-químicas do adesivo < l 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: l Aparelho - resistência ao movimento vertical da haste metálica c/disco submerso no adesivo líquido; l tubo de ensaio c/ arame ¡ Gel time – relacionado à reatividade do adesivo

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Características físico-químicas do adesivo < l TEOR DE SÓLIDOS ¡ Conceito – quantidade de sólidos contidos no adesivo líquido l Adesivo > sólido + líquido > evaporação / solidificação > formação > linha cola > ligação madeira - adesivo) ¡ Procedimentos p/ determinação do TS: l l Pesar +/- 1, 0 g de resina (P 1) Secar na estufa à temperatura de 105°C por 3 horas Resfriar e pesar (P 2) TS = (P 2 : P 1) x 100 (%)

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Características físico-químicas do adesivo < l p. H ¡ Conceito: concentração de íons dissociados de H+ e OH- numa solução aquosa ¡ Determinação: aparelho > p. Hmetro ¡ Colagem de madeiras – interações entre p. H da madeira e da resina > l l Resina UF > p. H neutro > cura no meio ácido (catalisador) Resina FF > p. H alcalino > cura no meio alcalino (calor) p. H madeira > 3 a 6 Madeiras com baixo p. H > • pré-cura colagem UF • dificulta colagem FF

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Composição e características da madeira < l Principais propriedades da madeira que influenciam no processo de formação e performance da ligação adesiva: ¡ ¡ Propriedades anatômicas Propriedades químicas Propriedades físicas Propriedades mecânicas

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

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

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Composição e características da madeira < l PROPRIEDADES FÍSICAS ¡ Afetam as funções de mobilidade do adesivo e tensões na linha de cola ¡ Densidade da madeira l Relação inversa com a porosidade l Penetração do adesivo na estrutura lenhosa l Alterações dimensionais da madeira / mudanças no conteúdo de umidade > maior densidade > maiores tensões linha cola ¡ Conteúdo de umidade l + C. umidade > menos espaços vazios > impede penetração adesivo líquido l + C. umidade > processo prensagem a quente > maior pressão interna vapor > bolhas / delaminações.

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Composição e características da madeira < ¡ PROPRIEDADES QUÍMICAS l Componentes majoritários: celulose (40 -47%), hemicelulose (2030%), lignina (16 -30%) l Componentes minoritários: extrativos (1 -10%), substâncias inorgânicas (0, 1 -0, 5%) l Propriedades mais importantes > extrativos, p. H l Extrativos • Espécies > condições secagem > migração / concentração extrativos > superfície madeira > superfície inativa / contaminada > prejudica cura resina • Bloqueio / barreira física > movimento água / adesivo l p. H • p. H madeira varia de 3 – 6% • p. H dos extrativos podem inibir as reações de cura do adesivo • Madeira com baixo p. H > pré-cura resina UF / prejudica cura FF

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Composição e características da madeira < ¡ PROPRIEDADES MEC NICAS l Importante > balanço das tensões na interface madeira – linha de cola l Tensões na linha de cola – cisalhamento, tração perpendicular l Maior resistência da linha de cola – maior percentagem de rupturas ou falhas na madeira l Tensões internas: • geradas em função dos efeitos da temperatura e umidade do ambiente • Magnitude > depende > densidade, grã, coeficiente retratibilidade l Tensões externas: • Geradas em função da aplicação de cargas em uso

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Procedimentos empregados na colagem < ¡ PREPARAÇÃO DA MADEIRA PARA COLAGEM l Topografia da superfície > aspereza, imperfeições superficiais > grau de aproximação de duas peças a serem coladas l Processos de obtenção do material > serras, torno, faqueadeira, plainas l Sub-superfície da madeira > danificada > corte / pressão excessiva ¡ PROCESSO DE COLAGEM l Formulação / quantidade de adesivo > função > espécie, espessura lâmina, área superficial partículas l Parâmetros do ciclo de prensagem – temperatura, pressão específica, tempo de prensagem

FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS > Condições de uso < ¡ CONDIÇÕES AMBIENTAIS DO LOCAL DE UTILIZAÇÃO l Temperatura / umidade relativa do ambiente l Condições ambientais > escolha resina adequada > • Uso interno – resina UF • Uso intermediário – resina MUF, PMUF • Uso externo – FF, RF

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Classificação dos adesivos < l Origem dos componentes primários > ¡ Natural ¡ Sintético l Termoplásticos l Termoendurecedores ou termofixos l 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 l Resistência à umidade > ¡ À prova d’água ¡ Resistente a umidade ¡ Não resistente à umidade

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Classificação dos adesivos < l 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)

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Classificação dos adesivos < l Adesivos naturais ¡ Origem animal – glutina (couro, pele, ossos), caseína (leite), albumina (sangue) ¡ Origem vegetal – soja ¡ Amido – batatas, trigo ¡ Éter celulósico, borracha natural l Adesivos sintéticos termoplásticos ¡ ¡ Poliacetato de vinila (PVAc) “Hot-melt” Polietileno, polistirol Borracha sintética

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Classificação dos adesivos < l 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)

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos principais tipos de adesivos < l 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 ¡ p. H: 4, 0 – 5, 0

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos adesivos < l 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

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos adesivos < l 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 (1 g/3 h/105°C): 64 – 66% p. H (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)

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos adesivos < l Melamina-formaldeído ¡ ¡ ¡ ¡ Uso intermediário (MR – BR); coloração – branco leitoso Alto custo > utilizado em mistura com resina UF > MUF Viscosidade Brookfield (25°C): 150 – 210 cp Teor de sólidos (0, 5 g/3 h/105°C): 65 – 67% p. H (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

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos adesivos < l Fenol-formaldeído ¡ ¡ ¡ ¡ Uso exterior (BR – WBP); coloração marrom-avermelhado Viscosidade Brookfield (25°C): 400 – 800 cp Teor de sólidos (0, 5 g/3 h/105°C): 48 – 51% p. H (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

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos adesivos < l Resorcina-formaldeído ¡ ¡ ¡ ¡ Uso exterior (BR – WBP), coloração marrom Aplicações especiais > vigas laminadas, construções navais, . . . Viscosidade Brookfield (25°C): 500 – 800 c. P Teor de sólidos (0, 5 g/3 h/105°C): 53 – 55% p. H (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

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos adesivos < l 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

CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS > Características dos adesivos < l 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 > l Partículas maior teor umidade l Menor tempo prensagem l Ausência de emissão de formaldeído livre

EXTENSORES l Extensores: ¡ Substâncias à base de amido ou proteína, com alguma ação adesiva, adicionadas na composição do adesivo para produção de compensados – Farinha de trigo l 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

EXTENSORES ¡ Formulação adesivo > maior proporção extensor > l l 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: l l l 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 p. H neutro – não interferir na cura adesivo Baixo teor de cinzas – não prejudicar ferramentas de corte

MATERIAIS DE ENCHIMENTO l 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