La chimica delle colle
Per definizione la colla è un materiale non metallico in grado di unire saldamente due substrati utilizzando meccanismi di adesione (che si sviluppa tra il substrato e l'adesivo) e meccanismi coesivi (che si sviluppano all'interno dell'adesivo stesso). Il substrato corrisponde al materiale da unire, mentre, i due substrati possono essere della stessa natura o di materiale diverso. La forza di adesione è quella che manterrà le molecole dell'adesivo a contatto con ogni parte del substrato mentre le forze di coesione sono quelle che mantengono le molecole dell'adesivo in stretto contatto tra loro: queste forze mettono in gioco i legami chimici e le forze intermolecolari, i primi si sviluppano tra gli atomi che costituiscono la materia consentendo la creazione di molecole e polimeri. I legami chimici permettono di unire catene diverse di polimeri creando strutture compatte e reticolati. Le forze intermolecolari tra le molecole possono permettere la creazione di strutture amorfe con ottima elasticità e deformabilità. Legami chimici e forze intermolecolari sono gli elementi di ancoraggio che tengono insieme colla, substrato e le stesse molecole del collante tra di loro.
Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo delle colle
Esiste una serie di processi e prodotti che sarebbe impossibile produrre senza l'uso delle colle o degli adesivi: la riparazione delle ruote delle biciclette, l'isolamento acustico dei serramenti, la rilegatura classica e tante attività nel fai da te o di cartapesta. Le tecniche di giunzione alternative quali la rivettatura, la saldatura o la bullonatura devono essere utilizzate se c'è bisogno di ottenere la forza del legame adesivo immediatamente, cosa che si ottiene con i rivetti o con le viti, o anche se i materiali devono sopportate temperature elevatissime, poiché le colle hanno una resistenza media alle temperature. La resistenza a lungo termine delle colle è anche influenzata da varie azioni fisiche e chimiche che si trovano nell'ambiente. La luce ultravioletta, la presenza di umidità nell'ambiente possono alterare le qualità leganti delle colle. La preparazione delle superfici prima del procedimento di applicazione per ottenere una buona adesione tra i substrati varia a seconda del tipo di colla e dei materiali da incollare e i requisiti tecnici necessari per soddisfare il legame adesivo non sono posseduti da tutti i materiali e non in egual misura.
Il principio dell'aderenza: come funziona
Il fenomeno dell'aderenza si spiega con la teoria meccanica. Secondo questa, il grado di adesione che è possibile ottenere è direttamente legato alla porosità e rugosità superficiale del substrato. Qualsiasi tipo di materiale osservato al microscopio mette in evidenza la superficie composta di valli e creste, la topografia della superficie consente all'adesivo di penetrare riempendo le valli, con conseguenti zone di ancoraggio tra adesivo e substrato. Il modello meccanico di adesione è simile al funzionamento del velcro, dove una parte del materiale penetra l'altra ancorandosi. Oltre alla ruvidità e porosità della superficie del substrato, per generare punti di ancoraggio ed adesione, è necessario che le colle abbiano un buon potere di riempimento e questo è direttamente correlato alla viscosità del collante. La teoria dell'adesione meccanica non tiene conto delle incompatibilità che possono esistere tra l'adesivo e il substrato né da conto dell'adesione delle superfici con bassa rugosità o liscie, o, all'opposto della mancanza di adesione delle superfici ruvide ma incompatibili con un tipo di colla piuttosto che un altro.
Colle da sempre e per sempre
Le colle nascono davvero nella notte dei tempi, ovvero quando le antiche tribù scoprono che ossa, pelli, pelle, tendini ed altri tessuti connettivi di animali possono essere trattati per ottenere collagene, un materiale appiccicoso, utile per unire oggetti fra loro. I solidi del latte, ovvero la caseina, l'albumina del sangue possono anche essere usati come base per colle e così il siero bovino coagulato ma anche quella derivata da teste, ossa e pelle di pesce, anche se meno resistente e meno dotata di qualità leganti. Solo in seguito gli uomini hanno scoperto l'uso delle budella dei pesci da cui si produceva una colla bianca e insapore molto più resistente, la colla di pesce. Anche le piante sono state utilizzate per la produzione di colle. Si tratta di materiali solubili in acqua, generalmente ostituiti da amidi che compongono molti cereali e verdure. Le gomme naturali invece comprendono gomma arabica, estratto da una specie di acacia nota anche come l'albero della gomma, derivati da resine, alghe e colloidi di piante acquatiche. Poteva essere prodotta anche con teste, ossa e pelle di pesce ma aveva minori qualità adesive, che si ottennero in seguito utilizzando le interiora.
Utilizzi delle colle nella storia
Le prime colle vennero usate per fissare e rendere più resistente la vernice delle pitture rupestri. Tracce di colle sono state rinvenute anche nei manufatti egizi e nei papiri prodotti già nel 3.000 a.C. Artisti greci e latini fecero ampio uso di colle nei pavimenti a mosaico e nelle pareti piastrellate. Fu la diffusione dei mobili a incrementarne l'uso, tutti gli ebanisti dal XVI sec. in poi iniziarono ad utilizzarle anche se esistevano molte tecniche per fissare i pezzi a incastro. Le colle venivano prodotte da pelli di animali e ossa ridotte in gelatina ed essiccate, per poi essere riscaldate in acqua al momento dell'utilizzo. Questo prodotto non era impermeabile, ma è stato l'unico disponibile fino alla prima guerra mondiale, quando cominciarono a diffondersi le colle di caseina a base di latte e nitrocellulosa. Dal 1930 i progressi della chimica portarono allo sviluppo di una vasta gamma di colle in resina sintetica aprendo la strada agli adesivi acrilici, utilizzati inizialmente in campo militare e commercializzati solo dopo la seconda guerra mondiale. Oggi, grazie alle nanotecnologie, la nuova frontiera è costituita dall'utilizzo delle proteine altamente adesive dei mitili.
Colle naturali, nonostante i miracoli della chimica
Sebbene oggi le industrie chimiche sono in grado di produrre adesivi altamente specializzati per ogni tipo di applicazione, le colle sono ancora utilizzate nella lavorazione del legno, nella produzione degli abrasivi e come colloide nei processi industriali per separare particelle solide sospese nei liquidi. Queste colle naturali vengono prodotte industrialmente da ossa e tessuti animali provenienti da macelli, concerie e industrie alimentari. I resti degli animali che forniscono la materia prima includono le orecchie, le code, brandelli di cuoio o pelle, tendini, ossa e zoccoli. I produttori di colla di pesce ottengono da industrie conserviere e impianti di trasformazione le materie prime, e tranne qualche piccola variante il procedimento è in tutti i casi simile. I materiali di scarto vengono lavati per rimuovere lo sporco e ammorbiditi per immersione. Al brodo che si ottiene viene aggiunta calce fino a quando le pelli non si gonfiano. Un nuovo lavaggio e un trattamento del materiale con acidi deboli servirà a rimuovere ogni traccia di calce. Infine il materiale viene bollito in vasche aperte o in autoclave. La bollitura serve a rompere il collagene trasformandolo in colla.