Innovación en unión adhesiva de composites

En la actualidad, existe una gran variedad de métodos de unión de materiales, por ejemplo, mediante soldadura, uniones mecánicas, uniones por fricción, adhesivos o uniones híbridas. Sin embargo, cuando hablamos de unión de materiales compuestos, en concreto, matriz polimérica reforzada con fibra de vidrio, esa variedad de métodos de unión se ve reducida a tres: 1) uniones mecánicas que incluyen la inserción de tornillos, remaches, pernos, etc, 2) uniones adhesivas y 3) uniones híbridas en las que se combinan las dos anteriores.

Las uniones mecánicas son las más conocidas, presentan una serie de ventajas como que no requieren una preparación especial de las superficies de los sustratos a unir, su cómoda inspección visual y su facilidad de montaje y desmontaje. Gracias a estos dos últimos factores este tipo de uniones siempre han gozado de buena fama; tenemos la sensación de que una unión con un tornillo es más segura que la unión adhesiva, simplemente por el hecho de que la unión mecánica se ve a simple vista. El adhesivo en muchas ocasiones no se ve y eso puede suponer una gran ventaja estética, pero es un arma de doble filo, ya que nos parece una unión menos eficaz porque es difícil de visualizar.

Si comparamos las uniones mecánicas con las adhesivas, una de las mayores ventajas de estas últimas radica en la distribución de la tensión, tal y como se observa en la figura 1. En las uniones mecánicas es necesario realizar agujeros y, aunque se intenta minimizar el daño al composite en la operación de taladro y cierre, estos agujeros siempre van a debilitar la estructura generando una alta concentración de tensiones de tal manera que, cualquier carga aplicada, al acumularse a las tensiones residuales, puede superar la resistencia mecánica en algunos puntos del material causando grietas.

Normalmente el fallo en las uniones mecánicas se produce en la zona de los sustratos próxima al agujero, ése es el punto débil de estas uniones.

Sin embargo, en las uniones adhesivas, la tensión o la transmisión de la fuerza se distribuye uniformemente sobre toda la superficie de adhesión, además, la resistencia de la adhesión aumenta al incrementar la anchura y longitud del solapamiento. Por lo tanto, se puede decir que las uniones adhesivas tienen una alta resistencia específica y mejor resistencia a fatiga (capacidad para absorber las vibraciones originadas por esfuerzos repetitivos) que las uniones mecánicas.

Los adhesivos presentan otras ventajas interesantes que incluyen la posibilidad de unir materiales delgados y/o de distinta naturaleza; se consiguen uniones completamente selladas, es decir, se consigue adhesión y sellado en una sola operación, también proporcionan aislamiento eléctrico y térmico y muy buen amortiguamiento de vibraciones (uniones flexibles). Otra ventaja asociada al hecho de que los adhesivos son materiales poliméricos es su resistencia frente la corrosión, este es uno de los principales inconvenientes de las uniones mecánicas. Por último, aunque no menos importante en ciertas aplicaciones, es su superioridad estética ya que no daña los sustratos, además de la reducción de peso, comparado con las uniones mecánicas, ya que no aportan un componente extra al conjunto.

Visto así parece que los adhesivos sean la solución a muchos problemas de unión entre dos materiales, y es así, siempre y cuando se cumplan unos requisitos básicos de aplicación del adhesivo. Por eso es tan importante la formación de los aplicadores, ya que fallos en la unión que se han atribuido a una elección incorrecta del adhesivo, luego se ha visto que era debido a una mala aplicación del adhesivo. Una aplicación correcta de éste implica a) preparar las piezas (sustratos) que se van a ensamblar: limpieza con disolventes, métodos abrasivos y/o tratamientos que aumentan la energía superficial, b) mezcla correcta en los adhesivos de dos componentes, c) aplicación adecuada dependiendo del tipo de adhesivo y d) fijación y cumplimiento de los tiempos de endurecimiento.

Aparte de esta puesta en obra dificultosa y de la preparación de las superficies a unir, existen otros inconvenientes como son su resistencia deficiente al pelado, temperaturas de servicio limitadas, inspección de las uniones difícil y cara y problemática en el desmontado de piezas; es decir, una vez unidos dos sustratos mediante adhesivos, es muy complicado separarlos.

Sin embargo, las posibilidades de los adhesivos son infinitas, ya que todas estas limitaciones son solucionables a corto, medio o largo plazo. De hecho, la comunidad científica que trabaja en este campo está aunando esfuerzos en torno a estas líneas de investigación. Por esto, las innovaciones en el campo de unión mediante adhesivos de materiales compuestos se centran en los siguientes aspectos:

• Obtención de adhesivos de curado ultrarrápido, se decir, curado de adhesivos por métodos alternativos como ultravioleta, microondas o infrarrojos.
• Mejora de propiedades de adhesivos, principalmente con el objetivo último de aumentar la temperatura de servicio, conductividad y durabilidad de las uniones. Para ello el campo de los nanomateriales ofrece un gran abanico de posibilidades; por ejemplo, la adición de nanopartículas de sílice y/o de alúmina mejora el módulo elástico del adhesivo y la adición de nanotubos de carbono, en porcentajes tan pequeños como un 1%, mejora la conductividad eléctrica y térmica así como la resistencia al pelado y la durabilidad de la unión.
• Con el objetivo de obtener adhesivos auto-desmontables y también reparables, se está estudiando el uso de nanopartículas metálicas, a las que se induce calor con el fin de espumar el adhesivo de nuevo (reparaciones) o desmontarlo.
• También se están desarrollando nuevos equipos de aplicación y robotización, principalmente para piezas grandes, con esto se conseguirá que la aplicación del adhesivo sea mucho menos laboriosa y se reducirán tiempos de producción.
• Otro caballo de batalla de las uniones adhesivas son los métodos de inspección, ya que suelen ser difíciles, caros y destructivos. En este campo se están estudiando nuevos métodos de predicción de fallo no destructivos como por ejemplo métodos dielétricos o ultrasónicos.
• Por último, la fabricación de adhesivos procedentes de fuentes renovables (bio-adhesivos) como los obtenidos a partir del aceite de soja, proporcionan una ventaja medioambiental adicional a tener en cuenta.

Para concluir se puede decir que la unión con adhesivos, al igual que el resto de métodos de unión, tiene ventajas e inconvenientes, que llegado el momento del diseño de una unión, habrá que valorar. Esta valoración se hará teniendo en cuenta criterios de diseño, las solicitaciones mecánicas de la unión y la naturaleza de los adherentes. La gran variedad de adhesivos existentes actualmente en el mercado prácticamente cubre todas estas variables y los inconvenientes, poco a poco, se van minimizando gracias a la investigación y el desarrollo en este campo, pudiendo afirmar que la unión con adhesivos es el método de unión del futuro.