TERMODINÁMICA DE SUPERFICIES E INTERFASES
¿Por qué hay plásticos que son difíciles de pegar?
A todos nos sonará intentar pegar un juguete o alguna pieza de plástico y ver cómo el pegamento líquido se desliza sobre la superficie y, por mucha presión que se ejerza, termine soltándose.
Si lo elevamos a nivel industrial, el pegado de piezas termoplásticas nos abre considerablemente el abanico en cuanto al diseño de nuestras piezas y conjuntos. Por ejemplo, nos permite obtener grosores superiores a los formatos disponibles o construir geometrías difícilmente mecanizables. Pero este método, supone importantes retos en varios de los plásticos más utilizados en la industria. ¿Por qué se dan estas diferencias entre materiales? Detrás de este fenómeno se encuentra la TERMODINÁMICA DE SUPERFICIES E INTERFASES.
Empecemos por definir el concepto que más nos puede sonar; el concepto de tensión superficial.
Tensión superficial
La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía (energía superficial) necesaria para aumentar su superficie por unidad de área (mJ/m2) o, de forma equivalente, a la fuerza normal que actúa por unidad de longitud (mN/m). El factor depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. Está originada por los efectos de las fuerzas intermoleculares que existen en la interfase (región de separación entre dos fases. Por ejemplo, la zona de contacto entre un sólido y un líquido). Siendo esto así, los líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes, tendrán tensión superficial elevada y viceversa.
El espesor de la interfase es de varias moléculas aunque para simplificar se considera una superficie. En realidad, en la naturaleza no existe discontinuidad y la transición entre diferentes fases es algo gradual.
Las fuerzas adhesivas entre el líquido y el sólido provocan que el líquido se extienda por la superficie, mientras que las cohesivas del líquido hace que éste se abulte y tienda a evitarlo.
Recordemos que la materia siempre busca el estado de mínima energía. Las moléculas del interior de una masa líquida están sometidas a un campo de fuerzas uniforme, haciendo que la fuerza resultante sea nula, encontrándose en equilibrio. Por el contrario, la interfase es desfavorable desde el punto de vista energético. Las moléculas más próximas a la interfase, no solo están sujetas a las fuerzas generadas en su fase, si no que son influenciadas por las fuerzas de la fase contigua.
Debido a estas interacciones, surge una fuerza resultante no neta que actúa en los átomos de la interfase y está dirigida hacia el interior del líquido, como puede verse en la Imagen 2.
Imagen 1: Representación de una interfase entre dos líquidos. Por ejemplo entre aceite y agua.
Imagen 2. Representación del equilibrio de fuerzas en el interior de una masa líquida (por ejemplo, agua)
El campo de fuerzas generado trata de conseguir el equilibrio característico existente en el interior, minimizando el número de átomos sometidos a estas fuerzas, lo que provoca que la superficie del líquido se altere disminuyendo su área y su energía superficial, es decir, su relación área-volumen. Y la superficie de mínima área con mayor volumen es la esfera.
Mojabilidad, ángulo de contacto y Ecuación de Young
Ahora que conocemos la tensión superficial, estudiaremos otro parámetro que influye en el pegado: la mojabilidad.
Simplemente observando la naturaleza, hemos podido ser conscientes de que no todos los líquidos mojan de igual manera a un determinado sólido y que no todos los sólidos se mojan de la misma forma por un líquido. Esta propiedad recibe el nombre de mojabilidad y la magnitud física experimentalmente relacionada con la mojabilidad (µ) es el ángulo de contacto θ. En la Imagen 3 se representa esquemáticamente una gota de líquido (L) reposando en equilibrio sobre una superficie sólida horizontal (S) en una atmósfera de gas (G).
La ecuación que da la información de lo que un determinado líquido se extiende sobre una superficie sólida, es la Ecuación de Young.
Imagen 3: Representación de una gota líquida (L), reposando en equilibrio sobre una superficie sólida horizontal en una atmósfera de gas (G).
Donde γSG, γSL, γLG son las tensiones interfaciales sólido-gas, sólido-líquido y líquido-gas.
De forma general, se define el ángulo de contacto como el ángulo que forma la superficie de un líquido al entrar en contacto con una superficie sólida. El valor del ángulo de contacto depende principalmente de la relación existente entre las fuerzas adhesivas del líquido y sólido y las fuerzas cohesivas del propio líquido. De esta manera, si las fuerzas de atracción intramoleculares del líquido son mayores que las fuerzas de adhesión entre el líquido y el sólido con el que está en contacto; el líquido no mojará el sólido. Por el contrario, cuando las fuerzas de adhesión entre el sólido y el líquido son mayores que las del propio líquido, aparecen los fenómenos de mojado.
Uno de los factores que influyen en el mojado es la anteriormente nombrada tensión superficial. Para que ocurra le mojado, la tensión superficial del sólido tiene que ser mayor que la del líquido.
Siendo esto así, si el líquido es agua, una superficie se puede considerar super-hidrófila (buena mojabilidad) cuando el ángulo de contacto es inferior a 10° (θ≤10). La superficie se considera hidrófila cuando 10°<θ<90°. Por el contrario, será hidrófobo cuando el ángulo de contacto se sitúe entre 90° y 120°. Por último, se considerará super-hidrófobo cuando el ángulo de contacto sea superior a 120°. La mojabilidad será nula cuando se alcancen los 180°.
En estos dos últimos casos, la tensión superficial del líquido es mayor que la del sólido.
Sin embargo, la tensión superficial no es el único factor que interviene a la hora de conseguir una superficie hidrófoba. También depende de la rugosidad superficial del sólido. Lo que se consigue mediante el control de la rugosidad es disminuir las fuerzas adhesivas entre el sólido y el líquido a través de bolsas de aire (hidrofobicidad).
Cada tipo de material tiene una rugosidad superficial característica. Para conseguirlo se hace uso de recubrimientos de materiales que sí poseen una rugosidad propicia, por ejemplo usando PTFE; o a través de materiales técnicos avanzados que se crean con ese propósito (por ejemplo el uso de nanofibras alineadas).
Este tipo de rugosidad es muy común en plantas, siendo los ejemplos más conocidos el de la hoja de Lotus (el conocido efecto lotus) o la hoja de arroz. Estas son hojas donde se pueden generar esferas de agua en su superficie, claro ejemplo de superhidrofobia.
Plásticos que no se pegan
Centrémonos ahora en lo que, desde Bronymec, más nos incumbe: aunque la opción del pegado químico entre diferentes termoplásticos permite abrir el abanico de posibilidades a la hora de diseñar piezas plásticas, muchas veces nos encontramos con el mismo problema.
Plásticos tan utilizados a nivel mundial como el polietileno (PE), el polipropileno (PP), o el Teflón (PTFE), son materiales que en caso de necesidad de ser pegados, no resulta un trabajo fácil ni utilizando adhesivos especiales para plásticos. No es problema del adhesivo; el principal factor no es otro que la baja tensión superficial que tienen. Tal y como se ha mencionado anteriormente, esto supone que el adhesivo no moja la superficie correctamente. Es decir, las fuerzas de cohesión del líquido son mayores que las fuerzas de adhesión entre el líquido y el sólido con el que está en contacto; con lo que el líquido no mojará el sólido. Como ya hemos comentado, para que ocurra el mojado, la tensión superficial del líquido tiene que ser más baja que la del sólido a mojar.
A modo de curiosidad, en las tablas que siguen a continuación se pueden ver varios polímeros y otros materiales y sus correspondientes tensiones superficiales.
| POLÍMERO | ABREVIATURA | TENSIÓN SUPERFICIAL mN/m |
|---|---|---|
| Politetrafluoroetileno (Teflón) | PTFE | 19 |
| Polipropileno | PP | 30,1 |
| Poliisobutileno | PIB | 32 |
| Policarbonato | PC | 34,2 |
| Polietileno | PE | 35,5 |
| Poliuretano | PU | 38 |
| Poliamida 6 | PA 6 | 38 |
| Poliamida 6,6 | PA66 | 40,7 |
| Poliestireno | PS | 40,7 |
| Polimetil metacrilato | PMMA | 41,1 |
| Policloruro de vinilo | PVC | 41,5 |
| Tereftalato de polietileno | PET | 42 |
| Polietereterketon | PEEK | 42,1 |
| MATERIAL | TENSIÓN SUPERFICIAL mN/m |
|---|---|
| Hierro | 2550 |
| Titanio | 2050 |
| Cobre | 1850 |
| Agua | 73 |
No es casualidad que los metales presenten alta tensión superficial. estos, junto con el vidrio y la cerámica, forman parte del grupo denominado “alta energía”, ya que sus enlaces químicos son muy fuertes. Los enlaces de los polímeros, son menos rígidos. Estos materiales forman el grupo de “baja energía”, donde la mojabilidad es menor.
Grabado PTFE
Otra opción de pegado muy común y económica en fluoropolímeros como, por ejemplo, el PTFE (más conocido como Teflón®), es el grabado mediante una solución de sodio.
El proceso de marcado químico causa una reacción entre las moléculas de flúor de la superficie y la solución de sodio. Concretamente, lo que ocurre es que estas moléculas de flúor son retiradas generando una deficiencia de electrones alrededor de átomo de carbono. Cuando esta superficie de expone al aire, las moléculas de hidrógeno, oxígeno y vapor de agua equilibran los electrones del átomo de carbono. Como consecuencia se habilita el pegado.
Este proceso penetra solo una profundidad de angstroms (10-10 metros) quedando las propiedades intrínsecas de fluoropolímero intactas. Sin embargo, como consecuencia, la superficie adquiere un color marrón. El color y la adhesión no están relacionados. Es decir, un color más oscuro o más claro no es sinónimo de mejor o peor adhesión.
A la hora de almacenar estas piezas, hay que conservarlas en un lugar oscuro y envueltas, dado que los rayos ultravioleta hacen que pierda las propiedades adhesivas. Esto es debido a que los electrones continuamente están absorbiendo moléculas del entorno.
