La Colla Poliuretanica: Caratteristiche, Limiti e Resistenza al Calore

Le colle poliuretaniche sono adesivi creati a partire da un polimero chiamato poliuretano. Il poliuretano è utilizzato in diversi tipi di adesivi. Come adesivi strutturali, non legano semplicemente due materiali, ma ne diventano parte integrante, un tutt’uno. Sono conosciuti inoltre per la loro attitudine a resistere ad elevati sforzi meccanici, e possono infatti sostituire, in alcune situazioni, i tradizionali strumenti di giunzione come ad esempio saldature e viti. Gli adesivi poliuretanici hanno delle proprietà speciali. Sono impermeabili, resistenti alle alte temperature e si asciugano velocemente. In questo articolo approfondiremo la loro composizione, le diverse tipologie, e in particolare la loro resistenza al calore e i fattori che la influenzano.

Tipi di Adesivi Poliuretanici

La resina poliuretanica espandente si divide in due macro categorie: monocomponente e bicomponente.

Adesivi Monocomponenti

Gli adesivi poliuretanici monocomponenti creano legami molto resistenti. Si tratta di colle ad un componente principale, un prepolimero (NCO) integrato con altri prodotti chimici (additivi, solventi, ecc.) che dopo la sua applicazione, reagisce con l’umidità del substrato e dell’aria, formando legami covalenti con la superficie del materiale. Le colle 1K contengono prepolimeri con gruppi (-NCO) liberi che necessitano di un reagente esterno per polimerizzare: l’acqua.

Adesivi Bicomponenti

Gli adesivi poliuretanici bicomponenti sono composti da una resina e un indurente. Le colle bicomponenti superano i limiti dei monocomponenti contenendo il reagente necessario (il poliolo con gruppi -OH) direttamente nella formulazione. La poliuretanica bicomponente ha una formulazione chimica completamente diversa. È composta da una miscela poliolica (componente A) e un indurente (componente B) che miscelati reagiscono per produrre un polimero di legami uretanici per reazione di poliaddizione.

Adesivi Hot Melt

La categoria degli adesivi poliuretanici hot melt unisce caratteristiche dei polimeri termoplastici a quelle tipiche degli adesivi termoindurenti. La transizione da liquido a solido in una prima fase è puramente fisica e avviene per raffreddamento. I campi di applicazione degli adesivi hot melt sono molteplici poiché garantiscono ottima adesione su legno, plastiche e anche metalli.

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Composizione Chimica e Meccanismi di Polimerizzazione

Questo articolo analizza la chimica dei poliuretani. Tecnicamente, una colla poliuretanica bicomponente è un sistema adesivo reattivo costituito da due formulati distinti, denominati Parte A (resina o poliolo) e Parte B (indurente o isocianato). La parte A è tipicamente una miscela di polioli, cariche minerali, catalizzatori e additivi. La parte B è costituita da diisocianati, prevalentemente MDI (difenilmetano diisocianato) in varie forme (monomerico, polimerico o prepolimerizzato). Vengono esaminati i meccanismi di reticolazione isocianica. Successivamente, l’ammina formata reagisce con altro isocianato per formare gruppi urea. Per gli adesivi PU monocomponenti la reazione chimica con acqua è essenziale per la reticolazione. Il meccanismo di polimerizzazione che porta alla polimerizzazione della colla poliuretanica monocomponente si basa sulla presenza di umidità nell’aria e sulle superfici. L’acqua permette infatti di dare inizio alla reazione chimica di polimerizzazione e porta in breve tempo alla formazione di una pelle.

Fattori che Influenzano la Scelta e i Tempi di Reazione

È normale chiedersi quando si utilizza una colla monocomponente piuttosto che la bicomponente. Riportiamo i principali fattori da considerare nella scelta dell’adesivo:

• Le condizioni ambientali: La temperatura e l’umidità sono i due fattori ambientali da tenere principalmente in considerazione in quanto influiscono sulla reazione della colla. Infatti se si utilizza una colla monocomponente bisogna considerare che più l’ambiente è umido e presenta temperature elevate, maggiore sarà la velocità di reazione dell’adesivo.
• La natura della superficie: L’umidità presente nel substrato determina la possibilità di utilizzare un adesivo 1K piuttosto che 2K. Generalmente, nei materiali in cui è presente l’umidità (come il legno), si utilizzano adesivi ad un componente in quanto grazie all’umidità si crea un incollaggio tenace. Al contrario, sulle superfici che non la contengono (ad esempio il PVC), si applica una colla a due componenti.
• Lo spessore della superficie: Lo spessore può suggerire quale tipologia di colla potrebbe garantire un miglior risultato. Il più delle volte, di fronte ad un materiale di basso spessore da incollare si utilizza una bicomponente per evitare il problema di ondulazioni, causato dalla liberazione di anidride carbonica.
• La dimensione del manufatto: Di fronte a misure molto vaste, bisogna considerare che una colla monocomponente, a causa dell’umidità dell’ambiente e del materiale, potrebbe causare una reazione poco conforme. Si può sempre bagnare la superficie per ovviare il problema, altrimenti si ricorre a una colla bicomponente per ottenere una reazione omogenea.
• La tecnologia: Alcuni prediligono la colla monocomponente semplicemente per la sua facilità di applicazione che non richiede strumenti complessi per distribuirla sulla superficie. La colla bicomponente, invece, necessita di una macchina di erogazione e dosaggio che miscela i due componenti prima della sua applicazione.

Tempi di Reazione degli Adesivi Poliuretanici

I tempi di reazione del composto devono essere confrontati con i propri tempi di produzione per individuare l’adesivo che ha più o meno le stesse tempistiche. Riportiamo in seguito i tre principali da conoscere:

• Il Pot Life: l’intervallo di tempo in cui il prodotto è utilizzabile dopo la sua miscelazione. Riguarda soprattutto le colle bicomponenti perché essendo formate da due composti, devono essere miscelate prima della loro applicazione. Tempo in cui la viscosità raddoppia a una data temperatura (solitamente 20°C).
• Il tempo aperto (open time): L’intervallo di tempo a disposizione all’incollaggio delle due parti, dopo che la colla è stata già distribuita. Rappresenta l'intervallo operativo massimo tra miscelazione e accoppiamento.
• Il tempo di pressa (press time): è il tempo necessario di compressione di un manufatto (passaggio obbligatorio per le monocomponenti), perché l’adesivo raggiunga uno stadio di polimerizzazione tale per cui sia possibile l’estrazione e la prima movimentazione. È un periodo mandatorio sotto pressione.

La temperatura ambiente influenza drasticamente la cinetica (legge di Arrhenius): la velocità di reazione raddoppia approssimativamente ogni 10°C di aumento. Sottolineiamo inoltre, che a causa sempre dell’umidità, i tempi di reazione delle colle monocomponenti possono variare, mentre le colle bicomponenti hanno un processo costante perché non sono soggette all’umidità dell’ambiente e del substrato. Anche la ricerca di un processo produttivo costante e definito può portare alla scelta di una colla bicomponente.

Confronto tra Adesivi Poliuretanici Monocomponenti e Bicomponenti

Fattore	Adesivo Monocomponente	Adesivo Bicomponente
Meccanismo di Cura	Reagisce con umidità (aria/substrato)	Reazione chimica tra resina (poliolo) e indurente (isocianato)
Controllo Processo	Varia in base a umidità e temperatura ambiente; meno costante	Processo costante, meno dipendente dall'umidità esterna
Adatto per Substrati	Con umidità (es. legno)	Senza umidità (es. PVC, metalli); ampie superfici
Spessore Materiale	Meno indicato per bassi spessori (rischio ondulazioni da CO2)	Ottimale per bassi spessori, evita ondulazioni
Dimensioni Manufatto	Meno adatto per vaste superfici se umidità ambiente non uniforme	Ottimale per vaste superfici, reazione omogenea
Complessità Applicativa	Facile applicazione, non richiede strumenti complessi	Richiede miscelazione precisa, spesso con macchina di erogazione e dosaggio
Tempi di Reazione	Possono variare significativamente con umidità e temperatura	Più prevedibili e costanti
Gap-filling	Molti coniugano rapidità di polimerizzazione con espansione adatta a colmare giochi e cavità	Buona capacità di riempimento dei giochi (gap-filling) rispetto ad acriliche strutturali (MMA)

Proprietà e Vantaggi Generali degli Adesivi Poliuretanici

La colla poliuretanica è in grado di creare legami resistenti tra due materiali diversi. Tra le tecnologie di assemblaggio industriale, gli adesivi reattivi hanno progressivamente sostituito o integrato i metodi di fissaggio meccanico tradizionali. Tra questi, le colle poliuretaniche occupano una posizione rilevante grazie alla loro capacità di formare legami intermolecolari forti su substrati eterogenei. Dal punto di vista fisico, i poliuretani offrono un comportamento viscoelastico modulabile. A differenza delle resine epossidiche, che presentano moduli elastici molto elevati e conseguente fragilità (basso allungamento a rottura), i poliuretani possono essere formulati per bilanciare tenacità e flessibilità.

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Gli adesivi poliuretanici sono adatti all’incollaggio ma anche al riempimento di spazi e fessure. Molti adesivi di questo tipo coniugano l’elevata rapidità di polimerizzazione con una espansione del materiale che li rende adatti a colmare giochi tra componenti e cavità. La buona flessibilità del giunto che si ottiene ne rende consigliabile l’utilizzo per applicazioni dove piccoli movimenti sono inevitabili o addirittura desiderabili.

Il principio di adesione meccanica si basa sulla capacità dell’adesivo fluido di bagnare la superficie del substrato e penetrare nelle sue irregolarità microscopiche. Una volta avvenuta la solidificazione (curing), il polimero risulta fisicamente bloccato all’interno di queste asperità. Per massimizzare questo effetto, la tensione superficiale dell’adesivo deve essere inferiore all’energia libera superficiale del substrato, garantendo un angolo di contatto ridotto.

L’adesione chimica rappresenta il valore aggiunto dei sistemi poliuretanici. I gruppi isocianati (-NCO) presenti nella miscela sono altamente reattivi ed elettrofili. Essi possono reagire non solo con il poliolo della Parte A, ma anche con i gruppi attivi presenti sulla superficie dei substrati. Su metalli ossidati, vetro e ceramica, i gruppi idrossilici superficiali (-OH) reagiscono con l’isocianato formando legami covalenti diretti. Su materiali plastici polari (es. PVC, ABS, policarbonato), i legami idrogeno e le interazioni dipolo-dipolo sono rafforzati da reazioni tra isocianati e gruppi funzionali superficiali.

Resistenza al Calore: Caratteristiche e Limiti Specifici

Gli adesivi poliuretanici sono resistenti alle alte temperature. Questa è una domanda cruciale, soprattutto per coloro che sono nelle industrie in cui le variazioni di temperatura sono una sfida comune. La temperatura minima che può resistere alla colla per laminazione in poliuretano dipende da diversi fattori. La formulazione chimica della colla svolge un ruolo significativo nel determinare la sua resistenza alla temperatura. Diversi tipi di colle per laminazione in poliuretano hanno diverse strutture chimiche, che possono influire sulle loro prestazioni a basse temperature.

Il modo in cui la colla viene curata influisce anche sulla sua resistenza alla temperatura. Il tipo di materiale del substrato che la colla incolla può anche influire sulla sua resistenza alla temperatura. Alcuni materiali, come materie plastiche e metalli, hanno coefficienti di espansione termica diversi rispetto ad altri. Ciò significa che possono espandersi o contrarsi a tassi diversi quando esposti alle variazioni di temperatura. Sulla base dell'esperienza e degli standard del settore, la maggior parte delle colle per laminazione in poliuretano può resistere a temperature da -20°C a -40°C. Indicativamente, gli adesivi poliuretanici arrivano massimo a +80°C.

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Influenza dei Polioli sulla Resistenza Termica

La scelta del poliolo nella formulazione chimica è cruciale per la resistenza termica:

• Polioli polieteri: ottenuti per propossilazione o etossilazione, presentano legami eterei (C-O-C) nella catena principale. Questi legami sono intrinsecamente resistenti all’idrolisi, rendendo i poliuretani a base etere la scelta obbligata per applicazioni esposte ad acqua, umidità costante o attacco microbico.
• Polioli poliesteri: sintetizzati per policondensazione di acidi bicarbossilici e glicoli, contengono gruppi esteri (-COO-). Conferiscono al polimero finale proprietà meccaniche superiori in termini di carico di rottura, resistenza all’abrasione e resistenza ai solventi.
• Trioli: molecole con tre gruppi ossidrilici (f=3). Introdotti nella catena, agiscono come nodi di reticolazione (cross-linking points), creando una struttura tridimensionale reticolare. L’uso di trioli aumenta la densità di reticolazione, che si traduce in maggiore rigidità, durezza superficiale, resistenza chimica e termica (Tg più alta).

Additivi e Personalizzazione delle Formulazioni

Entrambe le colle vengono integrate con altri composti per modificare le caratteristiche dell’adesivo a seconda del suo utilizzo. Infatti quasi tutti gli adesivi, sia 1K che 2K vengono additivati con sostanze che migliorano le prestazioni, come l’antischiuma per diminuire l’emulsione, dispersori di cariche per migliorare la miscelazione dei riempitivi e sostanze che incrementano l’adesione quando sono coinvolte superfici critiche (il vetro ad esempio è considerato una superficie ostile).

Vengono impiegati inoltre dei riempitivi (o cariche) per ridurre il restringimento durante l’essiccazione o polimerizzazione, diminuire la temperatura esotermica durante la polimerizzazione, migliorare le proprietà coesive, la resistenza ad abrasione, la soppressione di fiamme e fumi, la resistenza all’umidità, agli agenti chimici e alla corrosione e ottenere specifiche proprietà reologiche.

Solventi e Pigmenti

I solventi, anch’essi presenti in piccola parte, regolarizzano alcune proprietà chimiche della resina. Permettono di migliorare la viscosità e quindi l’operabilità del processo, la bagnabilità, l’adesione su substrati plastici e conferiscono plasticità all’adesivo. Esistono adesivi poliuretanici Solvent Free? Sì, ma non è così facile trovarli nel mercato. Le colle Solvent Free vengono anche definite adesivi senza VOC (Composti Organici Volatili) che ne migliorano le proprietà tossicologiche.

Generalmente gli adesivi poliuretanici presentano un colore naturale che varia dal color crema al beige. Questo non deve essere un freno per chi volesse una colla di un colore diverso, è infatti possibile l’utilizzo di un pigmento per ottenere la colorazione che più si preferisce.

Confronto con le Resine Epossidiche

Il confronto economico e prestazionale con altre chimiche evidenzia il vantaggio competitivo dei poliuretani. Sebbene le colle acriliche strutturali (MMA) offrano velocità di presa superiori, presentano costi più elevati, odori pungenti e una minore capacità di riempimento dei giochi (gap-filling) rispetto ai sistemi poliuretanici.

La resina epossidica, famosa soprattutto nelle pavimentazioni, rientra anch’essa nella categoria di polimero termoindurente. Entrambe presentano una buona resistenza chimica ed hanno un’ottima presa rapida, ma differiscono per alcune proprietà. La prima differenza tra i due riguarda la temperatura di esercizio, un fattore essenziale da prendere in considerazione quando parliamo di sistemi di fissaggio per evitare che il composto perda la sua qualità. Indicativamente, gli adesivi epossidici lavorano ad una temperatura di esercizio più elevate, circa 150°C rispetto alle colle poliuretaniche che arrivano massimo a -100°/ + 80° C circa. Per prima cosa, per comprendere se è meglio utilizzare una colla epossidica o poliuretanica bisogna fare, anche qui, uno studio del materiale da incollaggio.

Applicazioni e Vantaggi Industriali

L’impiego della colla poliuretanica bicomponente costituisce uno standard tecnico per applicazioni industriali che richiedono adesione strutturale, resistenza chimica e stabilità termica. In numerose applicazioni industriali l’utilizzo di adesivi è una valida alternativa a metodi di fissaggio tradizionali quali rivettature e saldature. Gli adesivi strutturali di nuova generazione garantiscono tutte queste caratteristiche, e molte altre, apportando numerosi vantaggi rispetto ai metodi di fissaggio tradizionali. In base all’applicazione e alle caratteristiche richieste è possibile scegliere all’interno di una vasta gamma di adesivi.

Ogni tipologia di adesivo ha caratteristiche specifiche che la rendono più adatta a particolari applicazioni rispetto ad altre. Tutte le colle poliuretaniche hanno caratteristiche comuni che le distinguono da altre tipologie di adesivi. Le caratteristiche elencate possono essere modulate ulteriormente andando a selezionare prodotti specifici. Le colle con consistenza più densa ad esempio sono più adatte per gli incollaggi in verticale e sono le preferite quando si lavora in cantiere. La variante più fluida trova il suo impiego ideale nell‘incollaggio di grandi superfici e in falegnameria in genere. Entrambe le consistenze si lasciano lavorare bene per mezzo di una spatola, nel caso della colla più fluida si può optare anche per uno stendicolla. Alcune colle PU sono rinforzate con fibre. Queste sono pensate appositamente per la realizzazione di pezzi portanti in legno incollati tra loro, in ambito di interni ed esterni. Il mondo della colla poliuretanica è estremamente variegato ed è possibile scegliere tra tantissimi prodotti per ottenere il risultato migliore per la propria applicazione.

Guida all'Applicazione (Esempio)

Prima di cominciare, separa i materiali. La seguente guida passo passo ti spiega come incollare e riempire fessure con l’adesivo poliuretanico:

1. Prepara le superfici: devono essere pulite da qualsiasi tipo di polvere, sporcizia o grasso. Asciugale bene.
2. Indossa dei guanti per proteggere la pelle.
3. Prepara i componenti dell’adesivo: versa in un contenitore due cordoli di resina lunghi almeno tre centimetri e la stessa identica quantità di indurente.
4. Amalgama i componenti della colla. Mischia le due parti con cura con le bacchette di legno finché il composto non diventa una pasta.
5. Riempi il buco o la fessura. Premi con la spatola l’adesivo poliuretanico dentro lo spazio vuoto. Se necessario, lo puoi sistemare ulteriormente quando si asciuga.
6. Se invece vuoi incollare un pezzo di legno ad altri materiali, applica uno strato sottile di colla poliuretanica per legno ad entrambi le superfici.
7. Premi le parti e tienile insieme per un minimo di 3 ore, se c’è bisogno con l’aiuto di un morsetto o di un oggetto pesante.

Test e Validazione della Resistenza Termica

Per garantire che le colle per laminazione in poliuretano soddisfino gli standard di resistenza alla temperatura richiesti, si conducono ampi test e validazione. Le procedure di test includono il sottoporre la colla a varie condizioni di temperatura e umidità in un ambiente controllato. Oltre ai test interni, si lavora a stretto contatto con laboratori di test indipendenti per convalidare le prestazioni dei prodotti. Il laboratorio R&D Glueton conduce test meccanici (trazione, taglio, peel test secondo ASTM/ISO) e invecchiamento accelerato. L’ottimizzazione del processo di incollaggio industriale mediante colla poliuretanica bicomponente richiede un’analisi basata su dati oggettivi.

Consigli per l'Uso e la Conservazione

• Assicurati di conservare la colla in un luogo fresco e asciutto alla temperatura consigliata.
• Se possibile, preriscaldare il materiale del substrato a una temperatura leggermente più alta prima di applicare la colla.
• Seguire attentamente le istruzioni del produttore quando si applica la colla.
• Dai alla colla abbastanza tempo per curare correttamente prima di esporla a basse temperature. Il tempo di cura può variare a seconda del tipo di colla e delle condizioni ambientali.
• Se la colla non può ricevere l‘umidità necessaria dai materiali o dall‘ambiente, se necessario, è possibile bagnare accuratamente i pezzi da lavorare.

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