Análisis del tratamiento superficial del aluminio y su influencia en el proceso de la adhesión: evaluación de la topografía y su relación con la energía superficial del sustrato

Al considerar los mecanismos de unión entre dos elementos, metálicos o no, es cada vez más habitual referirse a la adhesión. El término adhesión se refiere a un complejo conjunto de fenómenos relacionados entre sí que están lejos de ser completamente entendidos y, por lo tanto, tiene sentido considerar la conveniencia de cualquier intento de predecir el comportamiento mediante el uso de métodos semi-empíricos. El empleo de adhesivos en las uniones entre materiales iguales o diferentes es un hecho que se ha implantado como sistema de unión en diferentes campos, tales como la industria metalúrgica, la industria de los medios de transporte (aviación, automóvil, transportes de viajeros por carretera urbanos e interurbanos, industria naval y, en los últimos años, transporte ferroviario), la electrónica y comunicaciones, la biomecánica, la nanotecnología, etc. Las funciones del adhesivo en la unión pueden ser variadas: desde soportar esfuerzos mecánicos, como lo hacen los materiales que une -adhesivos estructurales-, a, simplemente, dar continuidad a un objeto o a actuar como sellado y protección de un conjunto electrónico, con funciones aislantes o incluso conductoras. En todos los casos, el adhesivo realiza su función uniendo superficies. El estudio de cómo es y cómo se comporta esa superficie es fundamental para poder definir y diseñar los parámetros más adecuados de los elementos que participan en la unión. Pero el concepto de superficie no queda bien definido si no lo están sus características: así, la rugosidad, la energía superficial o la estructura y orientación cristalina van a definir el resultado final, junto con las propiedades del adhesivo empleado. Se ha comprobado que un tratamiento superficial realizado sobre un sustrato, puede realizar cambios superficiales no sólo a nivel topográfico, sino también a nivel químico y/o microestructural, lo que podría modificar la energía superficial del sustrato. En ensayos realizados en el propio laboratorio, se ha detectado que en casos en los que los valores de la rugosidad obtenida es la misma, la energía superficial del sustrato es diferente dependiendo del tipo de ataque, para la misma aleación del material. Se podría deducir, a priori, que la modificación cristalográfica conseguida influye, además de en la rugosidad, en las características termodinámicas de la misma. Si bien es cierto que la relación entre la rugosidad y la fuerza de adhesión ha sido ampliamente estudiada, la influencia de diferentes tipos de tratamientos superficiales, tanto en la rugosidad como en las características termodinámicas y en las fuerzas de adhesión, es un tema que produce discrepancias en diferentes autores. No todos los autores o investigadores en los mecanismos de la adhesión ven de igual manera la influencia de una u otra característica de la superficie, ni la posibilidad de aplicación de uno u otro criterio de valorización. Por otra parte, un factor de vital importancia en una buena adhesión es la viscosidad del adhesivo y su velocidad de curado. La aplicación de un adhesivo sobre el adherente implica que, si no hay una buena relación entre las energías superficiales de uno y otro, es decir si no se produce un buen mojado, la capacidad de penetración del adhesivo en los poros o microporos del adherente se reduce de forma sinérgica con la velocidad de curado del adhesivo, es decir, con el aumento de viscosidad. Los adhesivos presentan propiedades reológicas muy diferentes antes y después de su curado. En el momento de su aplicación se comportan como fluidos cuyo comportamiento reológico afecta, entre otras, a características tales como la procesabilidad, su ámbito de uso, la dosificación o la capacidad de relleno de holgura. Antes del curado, deben ser fluidos capaces de ser transportados hasta la superficie del sustrato y copiar su superficie realizando un buen mojado. Según va produciéndose el curado del adhesivo, éste va aumentando su viscosidad hasta comportarse como un sólido; una vez completado el curado, los adhesivos han de presentar propiedades mecánicas adecuadas a los requisitos de ensamblaje. En adhesión, la medida en la que un adhesivo es capaz de impregnar la superficie del sustrato sobre el cual se desea realizar la unión, realizar un contacto interfacial intimo y una buena penetración en las oquedades y rugosidades superficiales del sólido, se denomina mojado. Para que la adhesión sea buena, es condición indispensable que el mojado del sustrato por el adhesivo sea bueno. Para el estudio y cuantificación del mojado se utilizan medidas del ángulo de contacto que forma una gota de adhesivo depositada en el sólido tras esperar a que el sistema alcance el equilibrio. Dado el interés que tiene lo que ocurre en la interfase para alcanzar un mayor conocimiento de los procesos de adhesión, el objetivo principal de esta tesis es caracterizar morfológicamente la superficie de un adherente de aluminio para determinar la influencia que tiene en los parámetros que definen la unión adhesiva. Para ello se han marcado unos objetivos parciales que, fundamentalmente, son: • Caracterizar la superficie de un sustrato (aluminio) sometido a diferentes tratamientos superficiales, tanto mecánicos como químicos • Determinar la energía superficial del mismo sustrato después de los tratamientos superficiales mediante la medida de los ángulos de mojado • Analizar la influencia de la viscosidad en el mojado del sustrato, en función de la rugosidad • Determinar la aplicabilidad de la ecuación de Wenzel en función de la magnitud de la rugosidad • Validar los resultados de las características superficiales mediante la realización de ensayos de tracción Para alcanzar estos objetivos, se han empleado nueve tipos diferentes de tratamientos, en los que se ha buscado la obtención de muy diferentes acabados superficiales, razón por la que no todos los tratamientos que se han utilizado son de aplicación actual en la industria. Los tratamientos mecánicos han sido abrasivos de dos clases: • por rozamiento (Pulido y lijado con dos granulometrías diferentes) y • por impacto (Granallado y LSP) Los ataques químicos han sido, también, de dos tipos • Ácidos (HCl en dos concentraciones diferentes) y • Básicos (NaOH en dos concentraciones distintas) La caracterización superficial se ha realizado con el estudio de los parámetros de rugosidad superficiales, definidos en la normativa de rugosidad 3D, y con el estudio derivado de los análisis de la superficie por transformadas de Fourier La energía superficial se ha realizado mediante dos métodos: la determinación de la energía crítica, γc, por el método de Zisman y el cálculo de las componentes polar y dispersiva de la energía superficial mediante la aproximación de van Oss, Chaudhury y Good. Como estudio paralelo, se ha ensayado el efecto de la viscosidad del adhesivo y su velocidad de curado sobre unas muestras de aluminio con rugosidades diferentes. El estudio finaliza con las conclusiones que relacionan el tratamiento superficial y su influencia en el proceso de la adhesión, teniendo como elemento de referencia el efecto producido en las características topográficas y termodinámicas de la superficie

Optimum adhesive thickness in structural adhesives joints using statistical techniques base on Weibull distribution

The geometrical factors defining an adhesive joint are of great importance as its design greatly conditions the performance of the bonding. One of the most relevant geometrical factors is the thickness of the adhesive as it decisively influences the mechanical properties of the bonding and has a clear economic impact on the manufacturing processes or long runs. The traditional mechanical joints (riveting, welding, etc.) are characterised by a predictable performance, and are very reliable in service conditions. Thus, structural adhesive joints will only be selected in industrial applications demanding mechanical requirements and adverse environmental conditions if the suitable reliability (the same or higher than the mechanical joints) is guaranteed. For this purpose, the objective of this paper is to analyse the influence of the adhesive thickness on the mechanical behaviour of the joint and, by means of a statistical analysis based on Weibull distribution, propose the optimum thickness for the adhesive combining the best mechanical performance and high reliability. This procedure, which is applicable without a great deal of difficulty to other joints and adhesives, provides a general use for a more reliable use of adhesive bondings and, therefore, for a better and wider use in the industrial manufacturing processes

Influencia de la modificación de la estructura cristalina superficial de un aluminio en el valor de su energía superficial, al ser atacado con diferentes tratamientos mecano-químicos

En el trabajo se analizaron las modificaciones que diferentes ataques superficiales empleados para modificar la topografía superficial inducían en la estructura cristalina del sustrato y sus consecuencias en las características termodinámicas de la superficie con vistas a la adhesión. Se consideraron cuatro tipos diferentes de ataques superficiales y se analizaron los efectos que habían producido sobre la energía superficial del sustrato de aluminio. Se comprobó mediante XRD la modificación inducida por los distintos tratamientos en la estructura cristalina del aluminio utilizado como sustrato

Influencia de las características superficiales de un sustrato en la resistencia de una unión adhesiva

Uno de los objetivos que se plantean cuando se realiza una unión adhesiva es que su resistencia sea lo más elevada posible para los esfuerzos a los que va a estar solicitada. Además de las propias características del adhesivo empleado, está la resistencia que se genera en la interfase. En trabajos anteriores se ha caracterizado la topografía de la superficie del sustrato. En este trabajo se han realizado ensayos de resistencia de la unión adhesiva sometida a ensayos de tracción pura, buscando la relación con las características de las superficies tratadas con diferentes tratamientos mecánicos y químicos. Se ha comprobado que el valor de la rugosidad influye en la resistencia, pero condicionado por el tratamiento aplicado

Influence of acrylic adhesive viscosity and surface roughness on the properties of adhesive joint

In adhesion, the wetting process depends on three fundamental factors: the surface topography of the adherend, the viscosity of the adhesive, and the surface energy of both. The aim of this paper is to study the influence of viscosity and surface roughness on the wetting and their effect on the bond strength. For this purpose, an acrylic adhesive with different viscosities was synthesized and some properties, such as viscosity and surface tension, were studied before adhesive curing took place. Furthermore, the contact angle and the lap-shear strength were analyzed using aluminum adherends with two different roughnesses. Scanning electron microscopy was used to determine the effect of the viscosity and the roughness on the joint interface. The results showed that the adhesive exhibits an optimal value of viscosity. Below this value, at low viscosities, the low neoprene content produces poor bond strength due to the reduced toughness of the adhesive. Additionally, it also produces a high shrinkage during curing, which leads to the apparition of residual stresses that weakens the interfacial strength. However, once the optimum value, an increase in the viscosity produces a negative effect on the joint strength as a result of an important decrease in the wettability

La Hora TutHora: una herramienta de ordenación académica para incrementar la acción tutorial en la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de la UPM

La reciente puesta en marcha de las titulaciones adaptadas al RD 1393/2007 constituía la oportunidad largamente esperada de implementar una serie de proyectos ilusionantes asociados a la Declaración de Bolonia y a su “nebulosa”. Entre ellos, la mejora del rendimiento en la Acción Tutorial constituye, para la UPM, uno de los aspectos prioritarios. En ese ámbito, la E.U. de Ingeniería Técnica Industrial ha desarrollado, desde el curso 2010/2011, un proyecto denominado “La Hora TutHora”, cuyo objetivo consiste en actuar desde Ordenación Académica para favorecer la mencionada Acción Tutorial. Este artículo expone los resultados que han podido medirse tras un año de vida del proyecto

La Acción Tutorial incentivada durante los dos últimos cursos académicos con el proyecto de "La Hora Tuthora"

La puesta en marcha de las titulaciones adaptadas al RD 1393/2007 constituía la oportunidad largamente esperada de implementar una serie de proyectos ilusionantes asociados a la Declaración de Bolonia y a su “nebulosa”. Entre ellos, la mejora del rendimiento en la Acción Tutorial constituye, para la UPM, uno de los aspectos prioritarios. En ese ámbito, la E.U. de Ingeniería Técnica Industrial ha desarrollado, desde el curso 2010/2011, un proyecto denominado “La Hora TutHora”, cuyo objetivo consiste en actuar desde Ordenación Académica para favorecer la mencionada Acción Tutorial. Este artículo expone los resultados que han podido medirse tras dos años de vida del proyecto, las conclusiones que pueden obtenerse y el planteamiento de propuestas de mejora

Experiencia en la ETS de Ingeniería y Diseño Industrial en la implantación del Doble Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto y en Ingeniería Mecánica por la Universidad Politécnica de Madrid

(SPA) En este trabajo se plantea el desarrollo curricular del Doble Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto y en Ingeniería Mecánica. Se exponen los motivos por los que se decidió implantar, se ofrecen datos de demanda, oferta, notas de corte y se presenta un avance de los resultados académicos del primer curso correspondiente a la primera promoción. (ENG) In this work the study plan of the doble degree in Industrial Desing an Product development and in Mechanical Engineering. The reasons why the double dergree was implanted, the demand, the offer and the students academic results of the first class

Influence of surface treatment on the surface energy of an aluminium substrate

The mechanisms by which adhesion occurs are known. In all cases, the search for an adequate surface condition is decisive in achieving a good adhesion. For this reason, the researches usually work on modifying the surface roughness or improving the thermodynamic characteristics of the surface. The objective on this work is to analyse influence of different attack types (chemical, mechanic, with laser...) which are used to improve surface finish, roughness and surface energy. We have analysed the effects that have produced in the contact angle, measuring the surface energy by the Zisman method. The results revealed that the method of attack has more influence on the value of surface energy than the values of roughness obtained, which can make rethink the type of surface treatment to improve adhesion

Análisis de la velocidad de curado de distintos adhesivos en diferentes sustratos mediante cámara termográfica

Los ensayos no destructivos permiten conocer propiedades de distintos materiales sin producir en ellos daños químicos o mecánicos. El objetivo de este estudio es analizar la velocidad de curado de distintos adhesivos en diferentes sustratos mediante cámara termográfica y analizar la influencia de la temperatura en el proceso de curado, así como la evolución de la temperatura del adhesivo a medida que se produce la reacción insitu en un proceso de unión. Para poder llevar a cabo este estudio, se han realizado ensayos con distintos adhesivos, realizando probetas en masa y sobre sustratos, tomando fotografías con la cámara termogáfica. Además de este ensayo, se han realizado ensayos de dureza a distintos tiempos para comprobar la dureza del adhesivo a distintos tiempos de curado. Los resultados obtenidos permiten conocer la evolución de la temperatura durante el tiempo de curado pudiendo relacionar esta con el tiempo al que se inicia y finaliza la reacción. En los estudios se observa la influencia del sustrato en cada adhesivo y la evolución de la reacción en los distintos adhesivos en masa