Con questo articolo inauguro una serie di testi che ho scritto qualche anno fa per il blog Chimicare, ora non più attivo. Sono testi legati alla chimica e sono mediamente più lunghi dei miei soliti post. Li trovate con il tag #chimicare.
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In questo articolo scoprirete la composizione e le funzioni di adesivi e sigillanti, categorie di sostanze che trovano molte applicazioni nella nostra vita quotidiana.
Adesivi e sigillanti sono due categorie merceologiche che si trovano spesso accoppiate. Entrambe le categorie sono costituite da polimeri comuni. Ciò che rende le due categorie – e i vari prodotti all’interno di ogni categoria – diversi, sono in realtà gli additivi che vengono aggiunti ai polimeri. Inoltre, in base ai polimeri di base utilizzati, si ha un’ampia gamma di prestazioni diverse, e per questo motivo adesivi e sigillanti trovano impiego in numerosi settori, dall’imballaggio al settore dell’edilizia, dalle calzature alla fabbricazione di mobili. I produttori di adesivi offrono attualmente oltre 250.000 prodotti differenti destinati alle più svariate applicazioni e questi prodotti sono personalizzabili, potenzialmente per qualsiasi utilizzo.
Nella preparazione degli adesivi e dei sigillanti sono coinvolti più di 40 polimeri diversi, che possono essere raggruppati in cinque classi.
1) adesivi naturali, comprendenti materiali di origine animale o vegetale (amido, destrina, proteine, colle animali e di pesce, caseina, colofonia, gomma lacca), in pratica i primi adesivi conosciuti nella storia;
2) adesivi termoplastici, comprendenti resine naturali e sintetiche;
3) adesivi termoindurenti, comprendenti soloresine sintetiche;
4) adesivi elastomerici, comprendenti materiali di tipo gommoso di origine naturale o sintetica;
5) adesivi bipolimerici, generalmente costituiti da elementi delle categorie (2), (3) e (4).
I confini fra le diverse classi, tuttavia stanno diventando sempre più indefiniti: per esempio, alcuni adesivi sono applicati come adesivi termoplastici e poi sono reticolati per reazione chimica per formare elastomeri, o per radiazione UV, per formare adesivi termoindurenti.
Gli adesivi
Secondo la norma EN 923, l’adesivo è una sostanza non metallica in grado di unire diversi materiali mediante fissaggio superficiale (adesione), in modo tale che il legame ottenuto possieda una forza interna (coesione) adeguata.
Le forze di coesione sono legami chimici, interazioni deboli fra le singole molecole del polimero, che dipendono solo dalle sue proprietà allo stato solido.
L’adesione, invece, dipende dalle forze di interazione fra substrato e polimero. Si tratta essenzialmente di forze intermolecolari deboli, condizionate, tra l’altro, dalle proprietà dell’adesivo.
L’obiettivo tecnologico di un adesivo è pertanto di realizzare un’adesione fra due superfici con l’aiuto di una pellicola di polimero. La matrice polimerica deve avere, possibilmente, una forza di coesione elevata, vale a dire che maggiore è la coesione, più il legame tra le due superfici è forte.
Le proprietà finali di un adesivo sono misurate con prove di tipo meccanico, di resistenza agli agenti atmosferici, chimica e termica: gli adesivi vengono considerati, più che prodotti chimici, dei materiali veri e propri.
A seconda dell’applicazione, un adesivo deve essere in grado di resistere a temperature bassissime o a diverse centinaia di gradi, oppure deve essere molto elastico o estremamente rigido.
Per la formazione di una pellicola polimerica solida possiamo distinguere tre metodi differenti, che forniscono anche una classificazione degli adesivi.
Alla prima classe appartengono gli adesivi che contengono già il polimero preformato prima dell’adesione e che solidificano perevaporazione del solvente. A questa classe appartengono gli adesivi naturali, una parte degli elastomeri e dei termoplastici. Il solvente può essere organico, acquoso, oppure si possono avere delle emulsioni acquose. Il solvente viene eliminato prima che il polimero solidifichi.
La seconda classe è costituita dai cosiddetti “hot melts”: adesivi a base di polimeri termoplastici o di elastomeri, polimeri che si liquefano per riscaldamento e poi solidificano per successivo raffreddamento. Anche qui il polimero è già presente nell’adesivo, però non è necessario l’uso di un solvente.
La terza classe è quella degli adesivi indurenti per reazione chimica che può avvenire sia a caldo che a freddo. A questa classe appartengono gli adesivi bipolimerici, una parte degli elastomeri e gli adesivi termoindurenti. La reazione chimica che porta alla pellicola polimerica può essere una polimerizzazione radicalica o ionica, una poliaddizione, una policondensazione, una polimerizzazione per irradiazione UV o una vulcanizzazione, mediante aggiunta di reticolanti.
Prima del processo di adesione, questi prodotti sono costituiti da monomeri o oligomeri e il solvente può essere assente.
Abbiamo visto che la maggior parte delle materie utilizzate negli adesivi non è specifica del settore ed è largamente disponibile. Il polimero è la materia prima principale, ma non è sufficiente a fornire le proprietà di adesione richieste: è necessaria la presenza di numerosi altri componenti. I più importanti sono i seguenti:
– resine non reattive: l’aggiunta di queste resine al polimero aumenta le proprietà di adesione e modifica la viscosità e la fluidità dell’adesivo finale;
– plastificanti;
– riempitivi (polveri inorganiche con particolari dimensioni e forma come carbonati, silicati e silice): utili per aumentare la resistenza dell’adesivo.
Altri componenti importanti sono stabilizzanti, catalizzatori, acceleratori, solventi e antiossidanti.
Classificazione e proprietà degli adesivi disponibili in commercio
Gli adesivi disponibili in commercio possono essere classificati in base alle seguenti quattro proprietà:
– metodo di indurimento del polimero;
– natura chimica;
– settore industriale di applicazione;
– materiali da incollare.
Gli adesivi sono disponibili in diverse forme fisiche: la maggior parte si trova allo stato liquido, come dispersione in un solvente, o come emulsione in acqua. Ci sono poi adesivi solidi, usati per preparare materiali che fondono con il calore, o in pasta o in mastice, più adatti per la produzione in serie. Gli adesivi formulati in polvere devono essere mescolati con un liquido o attivati a caldo per raggiungere lo stato liquido. È infine possibile trovare adesivi in pellicola, applicabili su superfici lisce.
Sono diverse anche le tecniche di applicazione utilizzate.
Abbiamo detto che grazie alle diverse composizioni e caratteristiche, gli adesivi possono essere utilizzati in numerose applicazioni, anche molto differenti tra loro.
Gli adesivi naturali vengono usati per applicazioni per usi domestici e di imballaggio industriale. Gli adesivi termoplastici sono utilizzati per applicazioni con bassi carichi di esercizio, mentre gli adesivi termoindurenti sono utilizzati, in genere, in applicazioni strutturali, per incollare metalli, legno, ceramiche o vetro. Gli adesivi elastomerici vengono utilizzati per unire tra loro materiali leggeri e giunti flessibili e per incollare plastiche, gomme, tessuti, cuoio. Gli adesivi bipolimerici sono usati per strutture soggette a forti carichi o a calore ed umidità, e per incollare plastiche, gomme, tessuti, cuoio.
I sigillanti
I sigillanti possono essere usati sia per la protezione delle superfici, sia per riempire piccole aperture, e dunque impedire la penetrazione di gas o liquidi. I sigillanti hanno quindi una funzione protettrice degli oggetti che possediamo. Quella di proteggere gli oggetti da interferenze esterne è una necessità antica: già nell’età della pietra l’uomo proteggeva le proprie abitazioni da condizioni atmosferiche avverse tappandone le aperture con sigillanti naturali come erba, fango e cera. I primi sigillanti sintetici, come lo stucco, sono stati inventati a partire dal XVIII secolo. Oggi i sigillanti più comuni sono quelli a base siliconica o acrilica, usati per le finiture interne (ad esempio nel bagno), oppure nel settore dell’edilizia, per l’isolamento termico e acustico.
Il futuro di adesivi e sigillanti è sempre più verde
Adesivi e sigillanti di ultima generazione offrono prestazioni decisamente migliori rispetto ai materiali più tradizionali e sono risolutivi in molteplici situazioni, in particolare nel settore dell’edilizia, ma anche in quello del packaging alimentare.
Grazie alla loro presa rapida, ad esempio, riducono i tempi (e i costi) di realizzazione dell’opera edile. Inoltre, grazie alle loro proprietà idrorepellenti, deumidificanti, antimuffa e/o di resistenza meccanica e deformabilità, garantiscono una maggiore durata nel tempo degli edifici, anche in contesti di vulnerabilità sismica, purtroppo molto attuali.
Il settore degli adesivi e dei sigillanti presenta un’elevata capacità innovativa, che si manifesta attraverso l’introduzione di nuovi formulati dalle prestazioni sempre maggiori o dotati di funzionalità nuove e impensabili senza il contributo della chimica.
Un ambito di ricerca e innovazione è quello della sostenibilità ambientale, anche sulla scia dei requisiti imposti dal regolamento REACH per le sostanze e le miscele chimiche. Ciò avviene innanzitutto attraverso una attenta analisi di impatto lungo l’intero ciclo di vita dei prodotti e la messa a punto di formulazioni che abbiano emissioni praticamente nulle di sostanze organiche volatili (i VOC), e con una tecnologia che garantisce un drastico abbattimento del rilascio di polvere in fase di miscelazione, lavorazione e utilizzo, per promuovere le condizioni di salute nei cantieri e durante i piccoli lavori di ristrutturazione. Sempre per questi motivi sono preferiti adesivi e sigillanti che non richiedono l’uso di solventi.
Queste caratteristiche diventano ancora più importanti nel settore alimentare o per quei prodotti utilizzati all’interno delle abitazioni, dove il mantenimento della salubrità dell’ambiente interno è indispensabile.
Bibliografia e sitografia
– Adesivi in Enciclopedia della chimica Garzanti, Garzanti editore S.p.A., 1° Ed., aprile 1998
– Consolidamento e protezione, in Scienza e tecnologia dei materiali, di A. Negro, J-M. Tulliani, L. Montanaro, Ed. Celid, 2000, pp.209-220
– Dalle molecole agli adesivi. La lunga strada della formulazione, di Ferruccio Trifirò, La Chimica e l’Industria -RICHMAC Magazine – Settembre 2003, pp. 23-24
– Gli adesivi, prodotti chimici caratterizzati come materiali, di Ferruccio Trifirò, Laura Forni, La Chimica e l’Industria –n° 5 – Giugno 2007, pp. 112-117
– Costruire con la chimica, di Marco Squinzi, Giorgio Ferrari, Amilcare Collina, La chimica e l’industria, anno XCVIII, n° 1, gennaio-febbraio 2016, pp.28-30
– Norma UNI EN 923:2008