Lavoro di adesione ed energia superficiale (Dupre e Young)

Quanto «costa» separare due superfici incollate? La risposta termodinamica e il lavoro di adesione, l’energia per unita di area necessaria a creare le due nuove superfici staccando il giunto. Legato all’energia superficiale dei materiali e alla bagnabilita, e la grandezza che collega l’angolo di contatto misurabile alla forza potenziale di un incollaggio.

Vediamo che cos’e il lavoro di adesione, l’equazione di Dupre, il legame con l’angolo di contatto e il confronto con il lavoro di coesione.

Il lavoro di adesione

Immaginiamo due fasi a contatto, 1 e 2, separate da un’interfaccia. Il lavoro di adesione W_a e l’energia, per unita di area, che bisogna spendere per separarle reversibilmente, creando due superfici libere al posto dell’interfaccia. Quanto piu W_a e grande, tanto piu forte e il legame interfacciale. E una grandezza termodinamica, quindi un limite ideale: misura la forza intrinseca dell’interfaccia, non la resistenza meccanica reale del giunto, che dipende anche da difetti, geometria e modo di rottura.

L’equazione di Dupre

La relazione di Dupre esprime il lavoro di adesione in funzione delle tensioni superficiali delle due fasi e della loro tensione interfacciale.

W_a = γ₁ + γ₂ − γ₁₂

Qui γ₁ e γ₂ sono le tensioni (energie) superficiali delle due fasi separate e γ₁₂ la loro tensione interfacciale. Separando il giunto si distruggono l’interfaccia (si recupera −γ₁₂) e si creano due superfici libere (si spendono γ₁ + γ₂). Piu l’interfaccia e «affine» — cioe piu γ₁₂ e piccola — piu il lavoro di adesione e alto: materiali termodinamicamente compatibili aderiscono meglio.

Il legame con l’angolo di contatto

Per un sistema solido/liquido la tensione interfacciale solido/liquido non e misurabile direttamente, ma puo essere eliminata combinando Dupre con l’equazione di Young per l’angolo di contatto. Si ottiene la relazione di Young-Dupre, che lega il lavoro di adesione a due quantita misurabili: la tensione superficiale del liquido γ_L e l’angolo di contatto θ.

W_a = γ_L (1 + cos θ)

E un risultato potentissimo: misurando l’angolo di contatto di un liquido noto su una superficie si stima il lavoro di adesione fra i due. Un angolo piccolo (cos θ vicino a 1, buona bagnabilita) da il massimo lavoro di adesione, fino al doppio della tensione superficiale del liquido per θ = 0; un angolo grande (scarsa bagnabilita) lo riduce. Ecco perche, in pratica, una superficie ad alta energia che si fa bagnare bene e una superficie che incolla bene.

Adesione e coesione

Accanto al lavoro di adesione esiste il lavoro di coesione W_c, l’energia per separare un materiale da se stesso, pari a due volte la sua tensione superficiale (si creano due superfici identiche). Il confronto fra i due governa il comportamento di una goccia: se il liquido «preferisce» il solido (adesione > coesione) tende a spandersi, se preferisce se stesso (coesione > adesione) tende a formare gocce. Lo stesso confronto, applicato a un giunto, anticipa il modo di rottura: dove la coesione dell’adesivo e il punto debole, il giunto cede al suo interno (rottura coesiva); dove lo e l’interfaccia, cede al contatto (rottura adesiva), come spiega l’articolo sulle prove.

Energia superficiale e scelta dei materiali

Ne segue una regola di progetto: gli adesivi a bassa energia superficiale bagnano bene i substrati ad alta energia (metalli, vetro, ceramica), mentre i materiali a bassissima energia superficiale — come le poliolefine PE e PP o i fluoropolimeri — sono notoriamente difficili da incollare, perche pochi adesivi riescono a bagnarli. Per questi materiali si interviene proprio sull’energia superficiale con i trattamenti pre-adesione, oggetto dell’articolo dedicato.

Perche conta nella pratica

Il lavoro di adesione trasforma un concetto astratto in un dato di laboratorio: una semplice misura di angolo di contatto, su una superficie pulita e omogenea, dice se quel substrato e «incollabile» e quanto forte sara il legame potenziale. E lo strumento con cui si valutano l’efficacia di un trattamento superficiale, la compatibilita fra adesivo e substrato e la causa di un incollaggio fallito. Nella selezione dei materiali e nel controllo qualita degli incollaggi, ragionare in termini di energie superficiali e bagnabilita evita molte sorprese.

Domande frequenti

Che cos’e il lavoro di adesione?

E l’energia, per unita di area, necessaria a separare reversibilmente due fasi a contatto, creando due nuove superfici al posto dell’interfaccia. Misura la forza intrinseca del legame interfacciale: quanto piu e grande, tanto piu forte e l’adesione termodinamica. E un limite ideale, distinto dalla resistenza meccanica reale del giunto, che dipende anche da difetti e geometria.

Che cos’e l’equazione di Dupre?

E la relazione W_a = γ₁ + γ₂ − γ₁₂, che esprime il lavoro di adesione in funzione delle tensioni superficiali delle due fasi e della loro tensione interfacciale. Mostra che materiali con interfaccia poco costosa (bassa γ₁₂), cioe termodinamicamente affini, hanno un lavoro di adesione elevato e quindi aderiscono meglio.

Come si lega il lavoro di adesione all’angolo di contatto?

Attraverso l’equazione di Young-Dupre: W_a = γ_L(1 + cos θ), dove γ_L e la tensione superficiale del liquido e θ l’angolo di contatto. Un angolo piccolo (buona bagnabilita) da il massimo lavoro di adesione, un angolo grande lo riduce. Misurare l’angolo di contatto e quindi un modo pratico per stimare la forza potenziale di un incollaggio.

Che differenza c’e fra lavoro di adesione e di coesione?

Il lavoro di adesione separa due fasi diverse, quello di coesione separa una fase da se stessa ed e pari a 2γ. Confrontarli spiega se una goccia tende a spandersi (adesione > coesione) o a formare gocce (coesione > adesione), e anticipa il modo di rottura di un giunto: rottura coesiva se cede l’adesivo, adesiva se cede l’interfaccia.

Perche alcuni materiali sono difficili da incollare?

Perche hanno un’energia superficiale molto bassa, come le poliolefine (PE, PP) e i fluoropolimeri: pochi adesivi riescono a bagnarli, quindi il lavoro di adesione resta basso e il legame debole. Per incollarli si aumenta l’energia superficiale con trattamenti come fiamma, corona o plasma, che rendono la superficie bagnabile prima dell’incollaggio.