Cos’hanno a che fare gli adesivi con la stampa? Cosa ci fanno in questa rubrica? Non siamo impazziti: lo sappiamo anche noi che non si stampa sulla colla. Ma su materiali adesivi sì, e incolliamo spesso materiali stampati su oggetti e superfici. Ecco perché abbiamo deciso di proporvi questo approfondimento un po’ inusuale.
Questo non è un articolo come tutti gli altri: ha anche un titolo leggermente diverso dal solito. Sì, perché nessuno stampa “sugli” adesivi, ma questi materiali sono decisamente usati nel nostro settore. In ogni settore, in effetti. Siamo così abituati a trovarne, mentre svolgono la propria funzione, che spesso ci dimentichiamo anche che esistano. O non ce ne accorgiamo. Sono adesivi quelli usati per incollare tra loro le travi del tavolo della cucina. Ma anche quelli usati per incollare il parquet al massetto. Quelli sotto l’etichetta del frigorifero o quella della bottiglia di vino, o del detersivo. Ci sono adesivi nei nostri cellulari, nelle nostre borse in pelle, nelle nostre scarpe, nei libri che leggiamo. In questo viaggio cercheremo di capire che cosa siano gli adesivi e come interagiscano con il mondo della stampa. In fondo, non sono così diversi dagli inchiostri: partono generalmente da uno stato liquido o viscoso, e poi vengono asciugati. Anche nel loro caso, per analizzarli e sceglierli ci facciamo le nostre ormai consuete domande:
- Quali proprietà chimiche e fisiche ha l’adesivo?
- A quali sollecitazioni e carichi verrà sottoposto il giunto?
- Quanto deve durare l’adesione?
- Come va applicata la colla e come vengono uniti i materiali?
- Qual è la destinazione d’uso del prodotto finito?
- Dove verrà usato il prodotto finito?
- Che resistenze sono necessarie?
- Attraverso quali lavorazioni deve passare?
Facciamo però un passo indietro, cercando di partire dalla base. La scienza e la tecnologia dell’adesione sono campi interdisciplinari che richiedono competenze trasversali di meccanica, chimica e fisica, reologia.
Che cos’è l’adesione
Secondo la definizione dell’Enciclopedia Treccani, l’adesione è quel “fenomeno per cui due oggetti messi a contatto, si attraggono reciprocamente e hanno la tendenza a restare attaccati l’uno all’altro”. Se interessa due parti dello stesso corpo, questo fenomeno si chiama coesione. Secondo la norma UNI EN ISO 923:2006, si definiscono “adesivi” tutte le sostanze non metalliche in grado di congiungere materiali attraverso un fissaggio superficiale (adesione), così che il legame che si ottiene abbia una forza interna adeguata (coesione).
Perché si formi un legame adesivo, la colla deve bagnarsi e diffondersi sulle superfici che vengono unite, così che le molecole siano a contatto e producano quindi delle forze adesive intrinseche. Ci sono diverse teorie che spiegano come funziona l’adesione, e spesso ciascun tipo agisce sfruttandone più di una. La teoria dell’adsorbimento (italianizzazione di adsorption) spiega il meccanismo principale dell’adesione: le sostanze si incollano grazie a un contatto intermolecolare profondo. Ma ce ne sono altre: la teoria meccanica considera la porosità e la ruvidità degli aderendi, per cui l’adesivo fluisce nelle cavità o attorno alle sporgenze della superficie creando dei legami e dei punti di ancoraggio; la teoria della diffusione considera la compatibilità tra polimeri, le cui catene polimeriche si intrecciano; la teoria dei legami chimici, quando la superficie assorbe le molecole adesive e reagisce chimicamente con loro; la teoria elettrostatica, quando si sviluppano forze elettrostatiche e quindi due superfici cariche di segno opposto si attraggono.
Come si misura l’adesione
La forza di un legame adesivo di solito viene determinata da test distruttivi che misurano le sollecitazioni nel punto o nella linea di frattura del campione, e vengono eseguiti a temperature, velocità e in condizioni ambientali diverse. Un altro metodo consiste nel determinare il lavoro che serve a separare un’unità dell’interfaccia del giunto dall’altra. Spesso vengono condotti test per verificare anche se l’adesivo ha reticolato (e quindi è attivo) su tutta la superficie interessata: esistono diversi metodi, anche non invasivi, come i raggi X o gli ultrasuoni.
L’adesivo aderisce quando ha una tensione superficiale minore dell’energia superficiale del supporto. L’angolo di contatto che si genera è minore di 90°.
Cosa serve per l’adesione
Quando si progetta un giunto adesivo vanno considerati molti aspetti: i materiali da incollare e la loro eventuale necessità di avere un pretrattamento superficiale o primer; le proprietà chimiche e fisiche dell’adesivo; le sollecitazioni e i carichi a cui verrà sottoposto; il progetto geometrico del giunto; eventuali post-trattamenti; la durata necessaria dell’adesione; la modalità di applicazione della colla e di unione dei materiali.
Non tutte le colle funzionano per gli stessi materiali: dipende dalla loro interazione chimica e fisica. In generale, alcuni dei requisiti preliminari necessari per l’incollaggio sono la bagnabilità e l’adesione – aspetti che ormai conosciamo bene, perché sono fondamentali anche per il processo di stampa e, in particolare, di deposizione della goccia d’inchiostro sul materiale. Quando si parla di colla, il liquido deve poter formare lo strato sulla superficie, distribuendosi in modo omogeneo (senza schivature) e avendo una superficie di presa sufficiente: questo è garantito dalla tensione superficiale dell’adesivo e del substrato, ma anche dall’accessibilità e dal numero di strutture chimicamente o fisicamente attive. Insomma: la bagnabilità non basta, come dimostra per esempio l’acciaio, che non a caso è anche uno dei materiali più difficili da stampare (è “passivo”, e quindi la sua superficie va “attivata”). Esistono varie tecniche: operazioni meccaniche come la rettifica, il lavaggio a getto; processi chimici come la passivazione e il decapaggio per i metalli oppure la fluorurazione allo stato gassoso per le plastiche; processi fisici come il plasma atmosferico o il trattamento corona; applicazione di primer.
Altre condizioni necessarie perché la colla funzioni al meglio: le superfici da incollare devono essere pulite e ben attaccate al substrato. Pensiamo alla carrozzeria di un’automobile da wrappare: il film adesivo rimarrà tanto più incollato quanto più la vernice è pulita e ben attaccata al metallo. Se è scrostata o danneggiata l’adesione sarà più difficile (senza parlare dei danni che si faranno se si proverà a toglierlo una volta applicato: pezzi di vernice resteranno incollati all’adesivo e si staccheranno dalla carrozzeria).
L’adesivo deve poi avere quelle che si definiscono “adeguate proprietà reologiche”. Deve essere viscoso al punto giusto per non fuoriuscire dai bordi dei materiali che devono essere incollati, ma anche per poter essere steso in modo omogeneo, senza fare grumi. Inoltre la viscosità deve essere commisurata al tipo di stesura richiesta (spray, pennello, racla…). Per ottenere la giusta viscosità si possono aggiungere addensanti oppure diluire la colla con solventi o altre sostanze, a seconda della sua composizione chimica. Anche la tissotropicità è una proprietà reologica che possono avere alcuni adesivi: pensiamo per esempio alle colle “antisgocciolamento”, che diminuiscono la loro viscosità (ovvero diventano più liquide) nel momento in cui vengono stese con un pennello, e quindi sottoposte a forze meccaniche.
Progettare la geometria di un giunto adesivo significa inoltre assicurarsi che la superficie per l’incollaggio sia sufficientemente estesa e che non ci siano picchi di sollecitazioni sul legame.
Alcuni esempi di colle termofusibili o hot-melt usate in legatoria: si presentano allo stato solido, per acquisire proprietà adesive vengono fuse e quindi solidificano.
La classificazione degli adesivi
A questo punto abbiamo capito che il mondo degli adesivi è estremamente complesso e vasto. Ci sono almeno tre tipi diversi di classificazione: in base ai componenti, alla composizione, al tipo di solidificazione.
Nel settore della stampa di piccolo e grande formato, della legatoria e del packaging sono diversi i momenti e le occasioni in cui vengono usati adesivi, in purezza oppure già accoppiati ad altri materiali. Ci è già capitato di fare qualche accenno alle colle negli articoli dedicati alle plastiche e al cartone ondulato. Vediamo ora quali sono le più usate in ogni settore e quali caratteristiche hanno.
In base ai materiali
| Tipo | Descrizione | Esempi | Impieghi |
| Organici | Sono la maggior parte degli adesivi. Sono naturali e sintetici. | Resine termoplastiche Resine termoindurenti Gomme ed elastomeri |
Praticamente in ogni settore, dalla cucina all’edilizia |
| Inorganici | Categoria minore che comprende il cemento. | A base di silicone (silicato di sodio e vetro solubile) A base di calcio (cemento e gesso) |
Edilizia, elettrotecnica, metalli |
In base alla composizione
| Tipo | Descrizione | Esempi | Impieghi |
| A dispersione di umidità | Si ottengono emulsionando la resina e disperdendola in acqua. | Resina epossidica Acetato polivinilico Gomma nitrilica |
Edilizia, falegnameria, carta, etichette |
| Solvente | Si ottengono dissolvendo la resina in un solvente. | Resina fenolica Acetato polivinilico Gomma cloroprene |
Edilizia, metalli, carta, industria |
| Non solvente | Polimerizzano tramite reazione chimica, inclusi quelli a basi di silicone e di epossido. | Resina epossidica Resina acrilica Gomma a base di silicone |
Edilizia, impieghi strutturali, etichette, nautica, isolamento |
| Solido | In polvere, in forma di pellicola o di granuli. | Resina epossidica Copolimero (gomma) stirene butadiene |
Imballaggi, edilizia, automotive |
In base ai metodi di solidificazione
| Tipo | Descrizione | Esempi | Impieghi |
| Con solvente volatile | Polimerizzano tramite vaporizzazione dei solventi organici. | Acetato polivinilico Gomma nitrilica |
Paste di gomma e adesivi per modelli plastici |
| Igroindurente | Polimerizzano reagendo all’umidità dell’aria. | Adesivi a base di cianoacrilato Gomme a base di silicone |
Adesivi istantanei e guarnizioni liquide a base di silicone |
| Termoindurente | L’indurente viene attivato tramite calore. | Resina epossidica Resina acrilica |
Resine epossidiche monocomponenti |
| Misto indurente | Polimerizza quando l’agente base viene mischiato a un indurente. | Resina epossidica Gomme a base di silicone |
Resine epossidiche bicomponenti |
| Anaerobico indurente | Polimerizza quando la parte metallica non è a contatto con l’aria. | Resina acrilica | Viti, giunture e tubi |
| Indurente con UV | Polimerizza in breve tempo grazie a raggi ultravioletti. | Resina acrilica Adesivi a base epossidica |
Sigillanti per vetri e plastiche trasparenti |
| Termofusibile | Viene applicata fusa, a strati; polimerizza e sigilla quando si raffredda. | Copolimero (gomma) stirene butadiene | Involucri/avvolgimenti, rilegature di libri |
| Sensibile alla pressione | Sigilla applicando pressione. | Resina acrilica | Nastri adesivi e sigilli |
| A umidificazione (bicomponente) | Recupera forza adesiva una volta umidificato con acqua. | Gomma cloroprene Adesivo a base di amido |
Francobolli, buste |
Colle per rilegare
In legatoria viene usata la colla per l’incollaggio del dorso. Deve essere molto elastica e flessibile per resistere allo stress meccanico continuo a cui viene sottoposto il libro, e deve anche essere resistente agli inchiostri e alla migrazione dei loro componenti.
A seconda della qualità del libro che viene rilegato, si usano diversi tipi di colla. I libri di minor pregio vengono fresati sul dorso, per aumentare la superficie e l’adesione, e incollati con un adesivo termofusibile (o hot-melt). Per i libri cuciti o garzati vengono usate colle acetoviniliche omo o copolimeriche. Tra le più note ci sono le cosiddette colle a base EVA: l’etilene vinil acetato è termofusibile (fonde a circa 160-180° C) e ha proprietà termoplastiche, ma ha una viscosità e un potere adesivo ridotti.
Per questo, nei prodotti più pregiati si preferisce la più costosa colla a base PUR, termofusibile poliuretanica reattiva, igroindurente (che indurisce a contatto con l’umidità dell’aria o del substrato) o reticolabile alla luce UV, facile da applicare come i normali adesivi termofusibili, ma caratterizzata da una tenuta maggiore. Fonde a temperature inferiori (circa 130-140° C) e reticola dopo 12-14 ore. È un materiale termoindurente, quindi non si può più rifondere.
Le copertine dei libri vengono spesso realizzate con colle animali o ricoperte da film plastici con emulsioni acriliche. Vengono poi incollate ai volumi con adesivi a base acqua naturali o sintetici. Le copertine e i risguardi vengono di solito incollati con adesivi termofusibili autoadesivi.
In legatoria vengono usate principalmente due famiglie di colle: a base EVA (etilene vinil acetato) e a base PUR (poliuretano reattivo).
Film e nastri adesivi
I film adesivi usati per il wrapping e l’interior design sono una categoria particolare di materiale composito: vengono realizzati accoppiando un film plastico detto “frontale”, generalmente vinilico, un adesivo e un liner, ovvero un materiale di supporto destinato a essere smaltito, ma che ha un’importanza cruciale per la realizzazione e l’utilizzo del materiale. I liner si dividono in due principali famiglie: i bipolitenati, composti da uno strato di carta ricoperto su entrambi i lati da uno strato in polietilene, destinato a prodotti di gamma più alta, e i monosiliconati, realizzati spalmando uno strato di silicone su una carta craft.
Contrariamente a quanto generalmente si pensa, nelle linee produttive l’adesivo viene spalmato prima sul liner con un sistema di racle, e solo a questo punto viene accoppiato al film polimerico e sottoposto al curing.
Gli adesivi in questione sono i cosiddetti “self adhesive”, cioè autoadesivi, o “pressure sensitive adhesive” (PSA), cioè sensibili alla pressione, perché si attivano quando vengono premuti sul materiale a cui si devono incollare. Sono principalmente resine acriliche, a base acqua o a base solvente; queste ultime hanno di solito performance più alte in termini di tenuta, resistenza all’acqua, adesione, durata. Ci sono anche film con adesivi poliuretanici. Questi adesivi sono progettati per reagire in modo ottimale a determinate temperature ambientali: è quindi fondamentale scegliere il tipo di prodotto giusto per l’utilizzo che se ne deve fare. Un altro aspetto da considerare è il materiale del substrato da incollare; bisogna analizzare qual è “davvero”: per esempio, quando parliamo di legno o di metallo spesso la superficie da incollare è laminata o verniciata. Alcuni materiali, tra cui alcuni metalli e alcune plastiche, dette apolari, possono creare difficoltà di adesione: è il caso dell’acciaio, come accennato prima, oppure del polietilene (PE) e dell’acrilonitrile butadiene stirene (ABS).
Nel caso in cui i film debbano essere stampati, nella scelta va considerata la tecnologia di stampa: per esempio, con solvente ed ecosolvent bisogna calibrare accuratamente la quantità di inchiostro e spessore del film, in modo che non venga intaccato l’adesivo.
A seconda dell’uso finale, l’adesivo può essere pigmentato (solitamente bianco, grigio, nero), per formare una base coprente per la stampa o per far sì che il colore del substrato non interferisca con quello del film; può essere steso in strati più o meno spessi, a seconda dell’irregolarità della superficie del substrato; può essere steso in modo da facilitare la fuoriuscita dell’aria attraverso canaline; può avere una composizione chimica o fisica tale da facilitare il riposizionamento immediato (aspetto molto importante in settori come il car wrapping).
I nastri adesivi vengono realizzati in modo simile ai film adesivi, ma in questo caso il liner è costituito dalla superficie superiore del film stesso, che deve avere quindi le giuste caratteristiche di release, così da permettere uno srotolamento agevole del nastro.
Dal punto di vista produttivo i nastri adesivi nascono come bobine, e vengono tagliati solo successivamente in “fette” della larghezza desiderata.
Etichette
Chi si occupa di etichette sa quanto il settore sia complesso e tecnico, a partire dalla loro produzione. Sono molte le sfide da superare: la velocità e le particolarità delle linee di produzione fanno sì che servano materiali – e quindi adesivi – dalle performance e resistenze particolari. Ogni settore specifico ha preferenze di materiali: mentre un flacone di detersivo o bagnoschiuma avrà etichette plastiche, economiche e resistenti all’acqua, le bottiglie di liquidi pregiati come vino e olio vorranno etichette in carta dall’aspetto e dalla mano “naturali”.
Prendiamo appunto una linea di produzione di bottiglie: le etichette in carta si devono incollare immediatamente alla superficie in vetro, solitamente bagnata, senza formare grinze: devono quindi avere un tack molto alto. Inoltre non si devono muovere né accartocciare, e devono mantenere il loro aspetto e le loro caratteristiche anche nel caso in cui si bagnino. Se le bottiglie contengono olio o vino non devono sporcarsi o staccarsi nel caso in cui alcune gocce di prodotto scivolino all’esterno. Allo stesso tempo, però, quando le bottiglie vengono lavate si devono staccare facilmente. Per questo motivo la colla dietro le etichette per le bottiglie in vetro è un adesivo alla caseina, che soddisfa tutte queste caratteristiche. Altri adesivi impiegati per la confezione di liquidi sono a base di amidi, dispersioni sintetiche e adesivi termofusibili.
Packaging
La quasi totalità dei prodotti che compriamo ha un qualche tipo di imballaggio. Per realizzarlo vengono usate colle: per accoppiare i materiali, per confezionarli, per renderli più accattivanti, per renderli più resistenti a urti, temperatura, umidità, ossigeno, aromi (per esempio nel settore food & beverage)…
Cartoncini e cartoni ondulati possono essere plastificati con dispersioni di acetato di polivinile. Altri imballaggi vengono realizzati accoppiando poliestere (PETP, PBTP), poliammidi, polietilene, polipropilene, cellofan, carta, cloruro di polivinile, fluoruro di polivinilidene, poliimmidi, alluminio, ma anche film metallici. Vengono usati adesivi poliuretanici a base solvente, che garantiscono una qualità costante e una viscosità stabile, ma anche colle a base di dispersioni acquose acriliche e poliuretaniche o adesivi termofusibili. Questi ultimi tipi vengono impiegati per chiudere scatole pieghevoli e pacchetti. Per incollare sacchi e sacchetti in carta vengono usati adesivi a base amido o dispersioni acquose di polivinilacetato, simili a quelli usati per comporre il cartone ondulato. Anche gli adesivi termofusibili e le dispersioni di copolimeri sono sempre più diffusi in questo settore, che richiede materiali nuovi e aumenta costantemente le velocità di macchina.
Adesivi funzionali al processo di stampa
Vengono usati adesivi, infine, anche in determinati momenti di alcuni processi di stampa. Per esempio, nel caso della stampa flessografica i cliché vengono applicati ai cilindri grazie a nastri biadesivi acrilici la cui anima è una schiuma di polietilene, che ammortizza l’impatto del cliché sul materiale che va stampato. Vengono usati nastri adesivi o speciali nastri biadesivi anche per collegare “al volo” due bobine senza che la macchina si interrompa, per massimizzare l’efficienza produttiva dei processi di stampa flessografica e rotocalco, caratterizzate da lunghe tirature e alte velocità.
Aderendo: il materiale sul quale viene incollato l’adesivo.
Adesione: forza che si esercita tra le molecole di due corpi diversi posti a contatto, insieme di interazioni tra la superficie del substrato e lo strato adesivo; è inversamente proporzionale alla coesione.
Bagnabilità: capacità di una superficie di essere bagnata. A parità di temperatura e tipologia di liquido, dipende dalla levigatezza e dalle impurità presenti sulla superficie. Determina la forma che assume la goccia di colla sulla superficie: quanto più la bagnabilità è alta, tanto più sarà sottile lo strato di liquido.
Coesione: forze di attrazione per cui le molecole dell’adesivo rimangono unite; è inversamente proporzionale all’adesione.
Distaccante o release (agent): sostanza che previene l’adesione di due elementi; è ciò che permette al film o al nastro adesivo di staccarsi dal liner o svolgersi facilmente.
Giunto: organo che realizza un accoppiamento, un collegamento, una giunzione, oppure che stabilisce una continuità.
Laminazione: accoppiamento di strati di substrati flessibili a una superficie tramite adesivo, per proteggere lo strato inferiore.
Plastificante: sostanza che serve a migliorare la flessibilità e la resilienza dell’incollaggio; viene aggiunta ai polimeri per modificarne proprietà fisiche come il comportamento a bassa temperatura, la lavorabilità, le proprietà elastiche, la durezza, la flessibilità.
Plasma: somministrando con una scarica elettrica energia a un gas si ottiene il plasma. È detto anche “quarto stato della materia”, perché si aggiunge a quello solido, a quello liquido e a quello gassoso.
Polarità: quando una molecola presenta una carica parziale positiva su una parte e una carica parziale negativa sulla parte opposta. Se non presenta questo fenomeno è detta apolare o non polare.
Polimerizzazione: reazione chimica che porta alla formazione di una catena polimerica; nel caso delle colle, quando avviene la polimerizzazione sono asciutte e attive.
Release (agent): v. distaccante.
Reologia: scienza che studia gli equilibri raggiunti nella materia che fluisce o si deforma per effetto di sollecitazioni.
Resilienza: proprietà meccanica dei materiali di resistere agli urti; energia assorbita da un corpo in conseguenza di deformazioni elastiche e plastiche.
Schivatura: piccolo cratere che si forma quando una vernice si ritira lasciando scoperto il supporto o lo strato di vernice sottostante.
Sintetico: materiale creato a partire da materiali non naturali, attraverso un processo di sintesi chimica.
Tack: proprietà di film e nastri adesivi di fissarsi immediatamente a una superficie; è tanto più elevato quanto la pressione e il tempo di contatto necessari sono bassi.
Termoindurente: i polimeri termoindurenti, a differenza di quelli termoplastici, una volta prodotti non possono essere fusi senza carbonizzare.
Termoplastico: se si aumenta la loro temperatura, i polimeri termoplastici assumono stato viscoso e possono essere formati. Una volta raffreddati, mantengono la forma che gli è stata data. Possono essere nuovamente sciolti e nuovamente formati.
Tissotropia o tixotropia: diminuzione della viscosità apparente sotto sforzo di taglio, seguita da un graduale recupero quando viene tolta la sollecitazione; un gel adesivo si dice tissotropico se, sotto forma di gel, diventa liquido se gli si applicano forze meccaniche (agitazione, scuotimento, ultrasuoni) per poi riacquistare la forma originale quando le forze non agiscono più.
Trattamento corona: metodo di trattamento superficiale: gli elettroni emessi dagli elettrodi ionizzano le molecole del gas, così sulla superficie della plastica si generano strutture polari che migliorano le proprietà di adesione e bagnabilità.
Viscosità: grandezza fisica che misura la resistenza di un fluido allo scorrimento.
Gli adesivi permeano, letteralmente, la quasi totalità dei settori e dei prodotti che ci circondano. Per approfondire, vi lasciamo una piccola bibliografia che abbiamo consultato per la stesura di questo articolo:
- i Materiali Didattici – Incollaggio/Adesivi curati da Federchimica e AVISA
- Associazione Vernici Inchiostri Sigillanti Adesivi) nel 2006 https://bit.ly/2B7Ehmm
- i Seminari sugli adesivi di ThreeBond Europe https://bit.ly/2CGOZAI
- l’articolo Adhesive di Roscoe A. Pike sul sito dell’Enciclopedia Britannica https://bit.ly/2ZCviD9
- la tesi di Federica Bucci dal titolo Misura di adesione di film polimerici su tappi di sughero, discussa all’Università di Bologna nell’anno accademico 2013/14 https://bit.ly/2CGPkU0
- le risorse di 3M Italia dedicate alla Scienza dell’adesione https://bit.ly/2OAHYE8
- il volume Adhesion Science and Engineering – I. The Mechanics of Adhesion, curato da D.A. Dillard e A.V. Pocius e pubblicato da Elsevier nel 2002.