ADESÃO E ADESIVOS

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ADESÃO E ADESIVOS
Prof. Setsuo Iwakiri
UFPR - DETF
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 HISTÓRICO
Primeiras substâncias com propriedades adesivas: 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,…)
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 A MADEIRA E SEUS PRODUTOS DERIVADOS 
Madeira sólida - estrutura heterogênea / natureza anisotrópica – limitações de uso:
Dimensões peças: 
Largura máxima – diâmetro árvore
Comprimento - altura da árvore / equipamento
Anisotropia: diferentes propriedades – direções tangencial, radial e longitudinal (fator de anisotropia – CT:CR)
Defeitos naturais: nós, inclinação grã, lenhos de reação, lenho juvenil e adulto, …
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A MADEIRA E SEUS PRODUTOS DERIVADOS
Colagem – elementos de madeira > tábuas, sarrafos, lâminas, partículas, fibras > Produtos reconstituídos de madeira:
Madeira laminada colada
Painel colado lateral – EGP
Painéis laminados - compensado multilaminado / sarrafeado
Painéis particulados – aglomerados / OSB
Painéis de fibras – chapas duras / MDF
Benefícios:
Painéis: largura, estabilidade dimensional, resistência mecânica – L/T
Madeira laminada colada: comprimento, seção transversal, estabilidade dimensional 
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CONCEITOS
ADESÃO: 
Fenômeno físico-químico que provê um mecanismo de transferência de tensões entre duas peças sólidas, através de processos moleculares
ADESIVOS: 
Substância aderente capaz de manter unidos outros materiais em suas superfícies
ADERENTE / SUBSTRATO: 
Termo empregado para sólidos (madeira) unidos por adesivos
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CONCEITOS
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
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PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS
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)
Ângulo de contato e umectação (Figura)
Funções de mobilidade do adesivo (Figura)
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)
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PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS
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 
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PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS
Ângulo de contato e umectação
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PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS
Figura – Sequência de movimentos do adesivo na formação da linha de cola
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PRINCÍPIOS BÁSICOS DA COLAGEM DE MADEIRAS
De acordo com a composição do adesivo e condições de colagem, a linha de cola formada pode ser:
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:
Sua fluidez (viscosidade)
Como solidificam (física / quimicamente)
Velocidade solidificação / cura – reatividade
Quantidade de sólidos (resistência linha de cola)
Como mantém seu estado sólido (durabilidade)
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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
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Características físico-químicas do adesivo <
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
Espalhamento adesivo
Condições de umectação
Penetração do adesivo na estrutura capilar da madeira > linha cola espessa / faminta
Tempo armazenamento do adesivo – “idade da cola”
Efeito da temperatura ambiente
 
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Características físico-químicas do adesivo <
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:
 
Aparelho - resistência ao movimento vertical da haste metálica c/disco submerso no adesivo líquido; 
tubo de ensaio c/ arame
Gel time – relacionado à reatividade do adesivo
	
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Características físico-químicas do adesivo <
TEOR DE SÓLIDOS 
Conceito – quantidade de sólidos contidos no adesivo líquido
Adesivo > sólido + líquido > evaporação / solidificação > formação > linha cola > ligação madeira - adesivo)
Procedimentos p/ determinação do TS:
Pesar +/- 1,0g de resina (P1)
Secar na estufa à temperatura de 105°C por 3 horas
Resfriar e pesar (P2)
TS = (P2 : P1) x 100 (%)
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Características físico-químicas do adesivo <
pH
Conceito: concentração de íons dissociados de H+ e OH- numa solução aquosa
Determinação: aparelho > pHmetro
Colagem de madeiras – interações entre pH da madeira e da resina >
Resina UF > pH neutro > cura no meio ácido (catalisador)
Resina FF > pH alcalino > cura no meio alcalino (calor)
pH madeira > 3 a 6
Madeiras com baixo pH > 
pré-cura colagem UF 
dificulta colagem FF
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Composição e características da madeira <
Principais propriedades da madeira que influenciam no processo de formação e performance da ligação adesiva:
Propriedades anatômicas
Propriedades químicas
Propriedades físicas
Propriedades mecânicas
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Composição e características da madeira <
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
Diferenças na densidade / porosidade / permeabilidade
Cerne e alburno
Diferenças na densidade / porosidade / permeabilidade
Cerne – maior teor extrativos
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Composição e características da madeira <
Idade da árvore – lenho juvenil e adulto
Lenho juvenil > anéis de crescimento largos, menor densidade, baixa resistência mecânica, alta instabilidade dimensional
Lenho adulto > características opostas – lenho juvenil
Lenhos de reação
Lenho de compressão (coníferas), Lenho de tração (folhosas)
Alta instabilidade dimensional – gera tensões difusas na linha de cola
Grã
Porosidade da madeira > diferentes planos de corte / superfície de colagem
Grã revessa > alterações dimensionais difusas > tensões LC
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Composição e características
da madeira <
PROPRIEDADES FÍSICAS
Afetam as funções de mobilidade do adesivo e tensões na linha de cola
Densidade da madeira
Relação inversa com a porosidade
Penetração do adesivo na estrutura lenhosa
Alterações dimensionais da madeira / mudanças no conteúdo de umidade > maior densidade > maiores tensões linha cola
Conteúdo de umidade
+ C. umidade > menos espaços vazios > impede penetração adesivo líquido
+ C. umidade > processo prensagem a quente > maior pressão interna vapor > bolhas / delaminações.
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Composição e características da madeira <
PROPRIEDADES QUÍMICAS
Componentes majoritários: celulose (40-47%), hemicelulose (20-30%), lignina (16-30%)
Componentes minoritários: extrativos (1-10%), substâncias inorgânicas (0,1-0,5%)
Propriedades mais importantes > extrativos, pH
Extrativos
Espécies > condições secagem > migração / concentração extrativos > superfície madeira > superfície inativa / contaminada > prejudica cura resina
Bloqueio / barreira física > movimento água / adesivo
pH
pH madeira varia de 3 – 6%
pH dos extrativos podem inibir as reações de cura do adesivo
Madeira com baixo pH > pré-cura resina UF / prejudica cura FF
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Composição e características da madeira <
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Importante > balanço das tensões na interface madeira – linha de cola
Tensões na linha de cola – cisalhamento, tração perpendicular
Maior resistência da linha de cola – maior percentagem de rupturas ou falhas na madeira
Tensões internas:
geradas em função dos efeitos da temperatura e umidade do ambiente
Magnitude > depende > densidade, grã, coeficiente retratibilidade
Tensões externas:
Geradas em função da aplicação de cargas em uso
	
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Procedimentos empregados na colagem <
PREPARAÇÃO DA MADEIRA PARA COLAGEM
Topografia da superfície > aspereza, imperfeições superficiais > grau de aproximação de duas peças a serem coladas
Processos de obtenção do material > serras, torno, faqueadeira, plainas
Sub-superfície da madeira > danificada > corte / pressão excessiva
PROCESSO DE COLAGEM
Formulação / quantidade de adesivo > função > espécie, espessura lâmina, área superficial partículas
Parâmetros do ciclo de prensagem – temperatura, pressão específica, tempo de prensagem
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FATORES QUE INFLUENCIAM NA COLAGEM DE MADEIRAS
> Condições de uso <
CONDIÇÕES AMBIENTAIS DO LOCAL DE UTILIZAÇÃO
Temperatura / umidade relativa do ambiente
Condições ambientais > escolha resina adequada >
Uso interno – resina UF
Uso intermediário – resina MUF, PMUF
Uso externo – FF, RF
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Classificação dos adesivos <
Origem dos componentes primários >
Natural
Sintético
Termoplásticos
Termoendurecedores ou termofixos
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
Resistência à umidade >
À prova d’água
Resistente a umidade
Não resistente à umidade
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Classificação dos adesivos <
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) 
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Classificação dos adesivos <
Adesivos naturais
Origem animal – glutina (couro, pele, ossos), caseína (leite), albumina (sangue)
Origem vegetal – soja
Amido – batatas, trigo
Éter celulósico, borracha natural
Adesivos sintéticos termoplásticos
Poliacetato de vinila (PVAc)
“Hot-melt”
Polietileno, polistirol
Borracha sintética
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Classificação dos adesivos <
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)
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos principais tipos de adesivos <
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
pH: 4,0 – 5,0
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos adesivos <
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
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos adesivos <
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 (1g/3h/105°C): 64 – 66%
pH (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)
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos adesivos <
Melamina-formaldeído
Uso intermediário (MR – BR); coloração – branco leitoso
Alto custo > utilizado em mistura com resina UF > MUF
Viscosidade Brookfield (25°C): 150 – 210cp
Teor de sólidos (0,5g/3h/105°C): 65 – 67%
pH (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
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos adesivos <
Fenol-formaldeído
Uso exterior (BR – WBP); coloração marrom-avermelhado
Viscosidade Brookfield (25°C): 400 – 800 cp
Teor de sólidos (0,5g/3h/105°C): 48 – 51%
pH (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
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos adesivos <
Resorcina-formaldeído
Uso exterior (BR – WBP), coloração marrom
Aplicações especiais > vigas laminadas, construções navais, ...
Viscosidade Brookfield (25°C): 500 – 800 cP
Teor de sólidos (0,5g/3h/105°C): 53 – 55%
pH (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
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos adesivos <
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
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CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ADESIVOS
> Características dos adesivos <
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 > 
Partículas maior teor umidade 
Menor tempo prensagem 
Ausência de emissão de formaldeído livre
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EXTENSORES
Extensores:
Substâncias à base de amido ou proteína, com alguma ação adesiva, adicionadas na composição do adesivo para produção
de compensados – Farinha de trigo
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
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EXTENSORES
Formulação adesivo > maior proporção extensor >
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:
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
pH neutro – não interferir na cura adesivo
Baixo teor de cinzas – não prejudicar ferramentas de corte
	
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MATERIAIS DE ENCHIMENTO
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
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