Materiais Compósitos e Teorias de Adesão

Como já atrás foi referido, para que um material compósito se comporte com se de um único material se tratasse, é necessário existir uma perfeita adesão entre os materiais componentes, isto para que, de qualquer força a que seja submetido, resulte apenas uma deformação. Isto é, é necessário que exista uma continuidade de tensões entre os materiais. E é na interface adesiva que é garantida essa continuidade.

A adesão é o resultado de forças de natureza física e/ou química que se estabelecem entre as superfícies de dois materiais diferentes.

 

1. Teorias de Adesão

É um facto não controverso que não existe uma teoria generalizada para explicar todos os fenómenos de adesão. Existem, portanto, várias teorias para explicar os fenómenos de adesão, todas elas baseadas em fenómenos de superfície, de natureza química e/ou física. Na prática podemos encontrar situações em que apenas uma das teorias explica cabalmente o processo de adesão. Noutras situações, parece ocorrer uma combinação sinergética de várias das teorias aceites. As teorias de adesão geralmente aceites são as seguintes:

a) Ligações Mecânicas

b) Ligações Químicas de Natureza Covalente

c) Ligações Intermoleculares

d) Ligações por Difusão

e) Ligações Termodinâmicas

 

a) Ligações Mecânicas

Este tipo de ligação existe quando a contextura do fio, do cord ou da tela é razoavelmente aberta e permite uma grande penetração do sistema de adesão, quando este é aplicado por Mergulho (Dipping). Este sistema é aplicado, geralmente, na forma de uma dispersão em base aquosa ou em solvente. Para além do revestimento das fibras, o sistema de adesão penetra mais ou menos profundamente nos interstícios existentes no fio, no cord ou na tela. Após as operações de secagem e de cura, o sistema de adesão endurece e fica mecanicamente ligado ao material de suporte. A quantidade de material adesivo, traduzido pela sua espessura e o seu módulo devem estar perfeitamente ajustados ao material do fio, do cord ou da tela, de forma a proporcionar uma suave transição de tensões entre materiais adjacentes. Podemos afirmar que as ligações do tipo mecânico estão sempre presentes, em maior ou menor grau, pois que existem sempre interstícios nos elementos têxteis referidos.

 

b) Ligações Químicas de Natureza Covalente

Neste tipo de ligações químicas de natureza covalente, dois átomos partilham um ou mais pares de electrões, e isto ocorre quando se dá uma verdadeira reacção química entre a fibra e a substância adesiva.

Este tipo de ligação ocorre quando a electronegatividade dos materiais a unir é muito semelhante (a sua diferença deve ser inferior a 1,7 – valor sem dimensões). É um tipo de ligação difícil de obter: exige, por um lado, que a superfície da fibra esteja isenta de materiais estranhos, o que nem sempre acontece; por exemplo, podem estar presentes materiais de acabamento superficial (spin finish). Exige, por outro lado, um contacto íntimo entre a substância adesiva e a superfície da fibra (portanto, a substância adesiva tem de possuir um bom poder molhante).

 

c) Ligações Intermoleculares

Este tipo de ligações resulta de forças de atracção relativamente fracas que se estabelecem entre moléculas vizinhas. Temos a considerar, neste tipo de ligações intermoleculares, as ligações de hidrogénio e as ligações por forças de Van der Walls.

Uma ligação de hidrogénio resulta de forças de atracção de natureza electromagnética entre moléculas polares, no qual um átomo de hidrogénio, ligado a um átomo muito electronegativo (pode ser um átomo de azoto, de oxigénio ou de flúor), fica ligado a um outro átomo electronegativo de uma molécula vizinha.

Na Figura 5, a ligação de hidrogénio é exemplificada com o que se passa com a água.

Figura 5 – Ligações de hidrogénio em água

 

Este tipo de ligação só é possível, como se disse, com materiais têxteis de natureza polar, verificando-se neste caso uma forte atracção entre o sistema adesivo e as fibras. É o caso das fibras de origem celulósica (com grupos hidroxilo) e as fibras de poliamida (com grupos amida). Contrariamente, as fibras de poliéster e poliaramida não possuem qualquer tipo de grupos aptos a estabelecer ligações por hidrogénio.

 

Este tipo de forças resulta de atracções electroestáticas entre espécies moleculares vizinhas que possuam grupos dipolares, permanentes ou transitórios (Figura 6).

Figura 6 – Forças de Van der Waals

 

Uma ligação deste tipo é chamada Adsorção. De acordo com esta teoria, as forças de atracção entre os materiais em contacto são interpretadas em termos de fenómenos de quimissorção e de fisicossorção de espécies atómicas e moleculares que existem na interface dos materiais em contacto. E as forças envolvidas são do tipo Van der Waals,

 

d) Ligações por Difusão

De acordo com esta teoria, as ligações formadas entre o sistema adesivo e o substrato são devidas à existência de uma certa mobilidade das moléculas das camadas superficiais dos dois materiais, as quais devem apresentar uma certa similaridade. As moléculas dos dois materiais em contacto devem apresentar uma certa flexibilidade e de manifestarem movimentos brownianos numa escala sub-molecular. Dessa difusão molecular para um e outro lado da interface de separação, formam-se verdadeiros emaranhados de moléculas dos dois materiais em contacto, de que resulta uma força de adesão, ainda que de fraca expressão.

 

e) Ligações Termodinâmicas

Neste tipo de ligação, o sistema adesivo provoca o inchamento (swelling) da superfície do substrato em contacto (que pode ser uma matéria têxtil) e por um processo mecânico fixa-se nessa camada. Um exemplo deste tipo é o que se passa no método de soldadura por solvente; o solvente ataca e promove o inchamento das superfícies dos substratos e estas, postas em contacto, acabam por se unir, devido à criação de um entrelaçamento de cadeias moleculares. Este sistema pode ser aplicado à união de alguns tipos de fibras têxteis, tais como o rayon, poliamida, poliéster e até mesmo para poliaramida.

 

2. Valores das Energias de Ligação

No Quadro 1 são indicados os valores das energias de ligação, em kJoule/Mole para alguns dos tipos de ligação formados em processos de adesão.

Quadro 1 – Valores das energias de ligação em função do seu tipo
Tipo de Ligação	Energia, kJ/mole
Covalente	60 – 750
Hidrogénio	10 – 50
Van der Waals Dipolos permanentes Dipolos transitórios	4 – 20 <2
Termodinâmicas	?
Mecânicas	?