ADHESION et ADHERENCE des MATERIAUX

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1 ADHESION et ADHERENCE es MATERIAUX MECANISMES D'ADHESION Alain LAMURE 1

2 MECANISMES D ADHESION GENERALITES : INTERET DU COLLAGE AVANTAGES : collage = meilleure méthoe assemblage pour petites pièces (montage puces et composants électroniques, bijouterie), pièces, tôles ou feuilles minces très fragiles. Seule méthoe possibles pour certaines pièces (panneaux-sanwich, revêtements en feuilles minces écoratifs ou protecteurs, stratifiés), assemblage matériaux ifférents (plastique sur métal ou bois, métaux ifférents, plastiques ifférents, ). Collage meilleure répartition es contraintes, allégement e structure assemblée (suppression rivets, vis et boulons), pas affaiblissement structure (aucun trou à percer), meilleur aspect visuel (surface lisse, joint e colle invisible). Elasticité es joints collés amortissement vibrations et variations imensionnelles. Possibilité avoir joints collés isolants ou conucteurs électriques, e épose colles rapie et automatisée INCONVENIENTS : Mise en œuvre nécessite formation, aaptation et connaissance u collage. Nécessité une bonne préparation e surface et surfaces planes. Durabilité collages (5 à 40 ans selon ahésifs, contraintes et environnement) et résistance à chaleur (en général maximum 70 à 150 C, 200 à 300 C pour thermostables) limitées. Durées e urcissement parfois longues (10 à 20 h température ambiante). Résistance en pelage joint collé faible. 2

3 MECANISMES D ADHESION GENERALITES : GENERALITES SUR L ADHESION ADHESION = Ensemble phénomènes physiques et/ou chimiques qui prennent naissance lorsque 2 surfaces mises en contact. Ahésion liée à ahésivité (aptitue à créer es forces interactions entre 2 surfaces), état e surface es 2 constituants (surface spécifique, porosité, sites actifs, pollution) et mouillabilité (aptitue à créer un contact entre 2 surfaces). FORCES D'ADHESION = forces e cohésion es matériaux : liaisons interatomiques (liaisons chimiques fortes) ou intermoléculaires (liaisons "physiques" faibles). Energie a b potentielle interaction : U = (a : attraction et b : répulsion). Force F = U m n r r r Types e liaison Interatomiques Intermoléculaires Ionique Covalente Métallique Hyrogène Lonon Debye Keesom Energie e liaison (Kcal/mol) ,5 Distance interaction (Å) 1,5-2,4 1,5 2,4 2,6 3,0 2,6 3, Polarisation (Keesom) : E ~ - cte/t.r 6 Inuction (Debye) E ~ - cte/r 6 Dispersion (Lonon) E ~ - cte/r 6 3

4 MECANISMES D ADHESION GENERALITES : DISTANCES D ADHESION Quelles que soient les forces ahésion, interactions eviennent négligeables ès que istance entre sites "actifs" e chaque matériau > 5 Å (pour qu'il y ait ahésion, istance entre surfaces solie et polymère quelques Å 4

5 MECANISMES D ADHESION GENERALITES : MODES DE SOLLICITATION ADHERENCE = force ou travail qu il faut fournir au système ahérent pour séparer les 2 constituants. TESTS D'ADHERENCE = tests e rupture es assemblages collés (traction, cisaillement, pelage, clivage) ANALYSE DES RUPTURES : cohésive/ahésive (interfaciale) 5

6 MECANISMES D ADHESION MODELES D ADHESION : ANCRAGE MECANIQUE Ahérent, selon sa viscosité et son moe e épôt, vient remplir majorité anfractuosités ancrage mécanique. Lorsque relief (R a ) trop important, ahésif peut ne pas recouvrir entièrement surface et enfermer bulles air. Phénomènes imbrication es structures ahésif et ahéré (profoneur e pénétration quelques 1/100 mm) substrats rugueux ou poreux (bois, tissus, papier, oxye métallique comme Al anoisé en milieu phosphorique). Possibilité rugosité es surfaces par traitements mécaniques : grattage (toile abrasive), sablage ou grenaillage (microbillles e verre, sable, e corinon ou en céramique) ou tonnelage (abrasif en milieu humie). Rugosité (mm) , ,6 Résistance pelage (N) ,5 13,

7 MECANISMES D ADHESION MODELES D ADHESION : INTERACTIONS ELECTROSTATIQUES THEORIE : existence charges électriques signes opposées aux surfaces polymère et substrat système ahésif/substrat conensateur plan ont plaques constituées par ouble couche électronique. Polarité et ensité charges fonction substrat et polymère résulteraient u transfert électronique surface autre surface lorsque matériaux e nature ifférente mis en contact. énergie interactions travail nécessaire pour séparer faces u conensateur. Dans cas es assemblages entre PVC et substrat énergie e surface plus hε 2 U G i élevée (verre), valeurs calculées ( 8π h où U = potentiel e écharge) en parfait accor avec énergies séparation mesurées lors es tests e pelage Théorie restreinte au cas es matériaux incompatibles et lorsque matériaux ajacents = iélectriques. Difficile e supposer que transfert e - suffisant pour créer couche limite, e ensité telle que force ahésion non négligeable charges électriques = conséquences e la séparation? INTERPHASE = formation au voisinage interfaces e zones e structures particulières ifférentes es milieux en contact. A chaque interface, entités chaque milieu ont tenance à établir liaisons avec entités autre milieu. Distinction entre absorption (iffusion es 2 phases une ans autre = interface molle ou interphase) et asorption (simple contact entre phases = interface ure). 7

8 MECANISMES D ADHESION MODELES D ADHESION : DIFFUSION MODELE DE SOLUBILITE : 2 molécules e même solubilité peuvent être mélangées (si solubilités trop émixtion) moèle = principe u collage par iffusion ou colles thermofusibles. Quan solubilisation existe, solvant issout surface u plastique et interiffusion es molécules ajacentes aux 2 surfaces. polymère PTFE PE PP Néoprène PS Caoutchouc PMMA PVC PET EP PA66 PAN nitrile δ 6,2 7,9 7,9 7,9 8,5 9,38 9 9,38 10,7 11,0 13,6 15,4 (cal/cm 3 ) 1/2 8,1 8,35 9,7 9,5 9,5 9,7 solvant Alcool iso propylique acétone MEC Acétate éthyle toluène Xylène Cyclo hexane heptane hexane pentane δ 11,5 10,0 9,3 9,1 8,9 8,8 8,2 7,4 7,3 7 (cal/cm 3 ) 1/2 Moèle applicable que si molécules suffisamment mobiles phénomène iffusion impossible ans polymères réticulés et fonction taux cristallinité ans thermoplastiques. Solvants = possibilité e collage e matériaux ont tension superficielle faible ADHESION PAR DIFFUSION possible que si support organique peut être issous ou gonflé en surface par solvant e épôt et Tg < T application. Diffusion repose sur critères thermoynamiques (compatibilité entre ahérent et ahéré) et cinétiques (mobilité macromolécules pour pouvoir s'enchevêtrer par reptation sous effet faible pression). Diffusion n'intervient pas ans cas es composites à matrice polymère et renforts non polymères (verre, carbone, métal) mais explique intérêt es fibres e renfort moifiées par greffage ou enrobage par une phase polymère (ensimage) qui favorise compatibilité renfort-matrice. 8

9 MECANISMES D ADHESION MODELES D ADHESION : LIAISONS COVALENTES Pour obtenir es liaisons chimiques entre groupements actifs chaînes polymères et surface u substrat nécessité e réaction chimique entre extrémités. Exemples : VULCANISATION DU CAOUTCHOUC : après sulfuration laiton (alliage Cu-Zn), formation sulfure cuivreux qui réagit sur chaîne u caoutchouc PolyIsopréne ponts sulfures entre élastomère et cuivre. PRIMAIRES D ADHERENCE : utilisation 'agents e couplage tels que organosilanes ans collage u verre (groupements R = résinophile et OR = alcoxy). Hyrolyse groupements alcoxy formation silanol R-Si-(OH)3 qui après conensation avec groupements silanol présents à surface u verre liaisons siloxane Si-O-Si. Réactions e conensation également entre molécules e silane pour former film polymère en surface u verre. Agents e couplage organosilanes améliorent aussi ahésion renforts (microbilles verre, silice, quartz ou carbonate e calcium), charges ignifugeantes et pigments minéraux ans composites à matrice organique. 9

10 MECANISMES D ADHESION MODELES D ADHESION : INTERACTIONS ACIDE-BASE Transfert électronique atome onneur (base e Lewis) atome accepteur (acie) correspon liaison forte type acie-base. De nombreux atomes ou groupes atomes présentent caractère acie-base ± important. Fort Interméiaire Faible Bases e Lewis Acies e Lewis H 2 O, OH, F -, Cl - CH 3, CO 2, PO , SO 4 ROH, RO -, R 2 O NH 3,RNH 2 AlCl 3, RSP 2, HX Ions alcalins et alcalino-terreux C 6 H 5 NH 2 C 6 H 5 NSO 3 - Fe 2, NO, C 6 H 5 Ions métalliques RSH, RS - RNC H -, R - RS, trinitrobenzène, Quinones, O, Cl, I, N, RO, RO 2 M o (atomes métalliques) De manière + générale, théorie es orbitales moléculaires (mécanique quantique) acie espèce qui emploie une orbitale pour amorcer une réaction. Habituellement, orbitale acceptrice sur acie = orbitale non occupée la plus basse LUMO ( Lower Unoccupie Molecular Orbital ) et orbitale onneuse sur base = orbitale occupée la plus haute HOMO ( Higer Occupie Molecular Orbital ). Interactions acie-base gouvernées par eux règles : 1/ équilibre : acies urs/oux préfèrent s associer aux bases ures/ouces, 2/ cinétique e réaction : acies urs/oux réagissent rapiement avec bases ures/ouces Acie autant plus ur que niveau énergétique u LUMO élevé et autant plus mou, que LUMO bas. Base autant plus ure que niveau e HOMO bas et autant plus molle que HOMO plus haut. Avec ces éfinitions, métaux sont mous et principalement acies, semi-conucteurs plutôt mous et principalement bases, plupart es isolants (polymères inclus) urs et un certain nombre 'atomes ou e groupes 'atomes présente un caractère acie ou basique plus ou moins important. Présence e ces groupes est favorable à un mécanisme 'ahésion par liaison aciebase. 10

11 MECANISMES D ADHESION MOUILLAGE : ASPECT THERMODYNAMIQUE COUCHES INTERFACIALES : selon Bikerman, attraction interfaciale plus forte que cohésion un es eux matériaux mécanisme e formation assemblage, ahérence ne épenrait que propriétés massiques es ahérés. Multiples origines es couches interfaciales e faible cohésion : air (pas e mouillage par polymère), substances étrangères (aitifs, polluants), composés e faibles masses moléculaires migrant vers surface ou provenant réactions entre air et ahérés, entre ahérés, entre air, polymère et substrat. Traitements e surface permettent éliminer couches e faible cohésion. MOUILLAGE : mécanisme ahésion nécessité avoir suffisamment e résine pour remplir interstices afin que sous effet e P contact intime sur ensemble surface viscosité résine oit permette à celle-ci e s'écouler suffisamment rapiement pour avoir continuité u contact problèmes e mouillage : énergies e surface matériaux en contact et vitesse écoulement résine. A% Corrélation entre ahérence (A% = % fibres arrachées lors essais e rupture par arrachement) et angle e mouillage (cos θ). 11

12 MECANISMES D ADHESION MOUILLAGE: TENSION SUPERFICIELLE DES LIQUIDES ORIGINE DE LA TENSION SUPERFICIELLE : forme un liquie (goutte) liée à minimisation rapport surface/volume minimal tension superficielle (ou énergie libre surface) minimale. Tension superficielle u liquie ( L ), énergie libre e surface (absence forces extérieures pour s'opposer aux forces attraction internes). Soit élément s e surface, s e surface ( nombre molécules en surface) vaincre cohésion moléculaire interne travail W = s =. l.l. travail force F nécessaire pour éplacer segment l e l W = F.l = F/l METHODES DE MESURE : tension superficielle (mn.m -1 mj.m -2 ) irectement mesurable par plusieurs méthoes : Jurin : ascension u liquie ans le 2 L cosα capillaire ( h = avec r = rayon interne rρg u capillaire, ρ = masse volumique u liquie, α = angle raccorement et h = hauteur 'ascension u liquie ans le capillaire) Dognon Abribat : force équilibrage 'une plaque plongée ans le liquie à étuier. 12

13 MECANISMES D ADHESION MOUILLAGE : EQUILIBRE LIQUIDE-SOLIDE ENERGIE SURFACE DES LIQUIDES : L = L + L n Σ énergies interactions ispersive ( ou LW pour Lifshitz-Van er Waals type Lonon) et non ispersive ( n, p ou AB pour polaire acie-base interactions Debye, Keesom, H). Valeur élevée pour L eau ue à nature liaisons intermoléculaires (H + Lonon). LIQUIDE L (mj/m 2 ) L (mj/m 2 ) n L (mj/m 2 ) Eau 72,75 21,75 51,0 Glycérol 63,4 37,0 26,4 Ethylène glycol Ethanol 22,4 18,8 2,6 Méthyl Ethyl Cétone 24,6 24,6 0 α-bromonaphtalène 44,4 44,4 0 Diioométhane 50,8 50,8 0 Tension superficielle e quelques liquies Remarque : tension superficielle quan T et P. θ ( C) L (mn/m) 73,49 72,75 71,97 Variation tension superficielle e l eau avec T ANGLE DE CONTACT : mouillabilité solie par liquie caractérisée par angle e contact goutte e liquie éposée sur solie. Equilibre e la goutte avec surface plane écrit par équation e Young : SV = SL + LV cos θ où SV = énergie interfaciale u solie en présence e vapeur u liquie, SL = énergie interfaciale solie-liquie et LV = tension superficielle u liquie en présence e sa vapeur (souvent confonue avec L ). Remarque : en toute rigueur SV = S - π e où S = énergie e surface u solie ans vie et π e = pression 'étalement u liquie sur solie mais π e 0 pour surfaces polymères e basse énergie (forces Lonon préponérantes) Equation e Young : S SL + L cos θ 13

14 MECANISMES D ADHESION MOUILLAGE : ENERGIE DE SURFACE DES SOLIDES APOLAIRES Energie e surface solie S = énergie à fournir pour créer une nouvelle surface unité Σ ifférentes énergies S = n S + S EQUATION FOWKES : énergie interfaciale 12 entre liquies 1 et 2 = Σ toutes interactions, si l'un au moins es liquies apolaire : 12 = avec 1, 2 = tensions superficielles es 2 liquies et 1, 2 = énergies corresponant aux interactions ispersives. Par analogie, énergie interfaciale solie-liquie : SL = S + L - 2. S L - I n SL avec I n SL énergie 'interaction non ispersive entre liquie et solie. EQUATION DE DUPRE ans contact liquie-solie, énergie ahésion Σ énergies nécessaires pour créer chacune 'elles - énergie corresponant à estruction interface équation e Dupré : W A = S + L - SL En combinant équations Young et Dupré W A L (1 + cos θ) mesure angle e contact 'un liquie sur un solie permet e éterminer énergie 'ahésion. Dans cas où seules forces e ispersion agissent : SL = S + L - 2. S L A = 2. S L n A = 2. + I S L SL et ans cas général cos θ = 2 n I L SL S + L 1 L n Lorsque matériaux non polaires I SL = 0 cosθ = 2 L S 1 courbe L cos θ = f( L L ) = roite (e Goo) pente = 2 S passant à 0 pour cosθ = -1 14

15 MECANISMES D ADHESION MOUILLAGE : ENERGIE DE SURFACE DES SOLIDES POLAIRES n Lorsque matériaux polaires, terme I SL 0 non constant. Il faut : utiliser liquies très peu polaires (α-bromonaphtalène, iioométhane) liaisons formées essentiellement ispersives et roite Goo S. choisir un ou plusieurs liquie polaire (eau, éthylène glycol, formamie) et écart roite n Goo valeur I SL METHODE DE FOWKES : en posant travail ahésion e Fowkes : L ( 1 + cosθ ) = 2 S. L + I n éuite entre tracés (a) et (b) SL W a = 2 + In équation S L SL. Pour 1 liquie polaire onné, valeur I SL n I n SL = cosθ L a cosθ b MÉTHODE D OWENS-WENDT :. en posant W a p p L( 1+ cosθ ) = 2 S. L roite S L = 2 + S L 2 forme Y = a X + b. Tracé Y =f(x) onne à l origine et S p S (1 + cosθ ) L = 2 p L p p S L + L L p comme pente. S METHODE DE WU : moyenne non plus arithmétique mais harmonique p W SL = W SL + W SL avec S L p W = 4 SL + S (iem pour W ) SL L S e la 15

16 MECANISMES D ADHESION MOUILLAGE : CRITERE DE ZISMAN. Mouillabilité effective que si énergie réversible ahésion W A > W c énergie e cohésion S + L SL > 2 L W A - W C = S - SL - L après équation e Young : W A - W C = π e L (1 - cosθ) Mouillabilité autant meilleure que tension e surface solie S importante et que tensions superficielles ahésif L et interfaciale SL faibles. Exemple eau ( L = 72,8 mj.m -2 ) ne mouille parfaitement aucun es polymères alors que alcool éthylique ( L = 22,8 mj.m -2 ) les mouille tous sauf Téflon Etue solies e faibles énergies surface par Zisman. Si seules forces ispersives (Lonon) existent équation e Young : L ( 1 cosθ ) = 2 S. +. Variation cos θ = f( L ) L pour liquies non polaires = roite. Extrapolation roite cos θ = 1 valeur critique c e L corresponant à étalement parfait (θ = 0). On peut alors écrire : L S. L =. Comme liquies non polaires L = L. = L = C ( L liquie qui permettrait S étalement parfait sur surface composante ispersive S solie) Polymère S S n S (mj.m -2 ) (mj.m -2 ) (mj.m -2 ) PTFE 19,1 18,6 0,5 Silicone 22,0 PP 30,2 PE 33,2 33,2 0 PMMA 40,2 35,9 4,3 PS 42,0 41,4 0,6 PC 42,0 PET 43,0 Epoxye 43,0 PAN 44,0 PA 66 46,0 Acier E Mouillage surface solie par liquie réalisé que lorsque tension superficielle u liquie énergie superficielle critique u solie Remarques : pollution (poussières, traces graisse, huile, gaz asorbés, humiité) S. élimination pollutions = phase primoriale en collage. Pour faire ahérer sur surfaces e très faible S (Téflon, poyoléfines) moification superficielle surface (traitement chimique, flammage, Corona, ) 16

17 MECANISMES D ADHESION MOUILLAGE : METHODE DE LA BULLE CAPTIVE Echantillon immergé ans une cuve contenant liquie (généralement eau) et épôt soit bulle air, soit goutte liquie immiscible (octane = liquie apolaire, ont composante ispersive = ov tension superficielle octane = composante ispersive eau ov ev = 21,8 mn/m) pe po Polymère pe pa Polymère eo θ o Octane Eau ea θ a Air Eau Pour octane : pe = po + eo.cos.. θ o et pour air : pe = pa + ea.cos. θ. a où énergies interfaciales polymère/eau = pe, polymère/octane = po, polymère/air = pa, eau/octane = eo, et eau/air = ea. Energies interfaciales polymère/eau et polymère/octane peuvent s écrire sous forme géométrique : = pe pv ev pv ev p pv p ev et = + 2. p p pv + ev 2 pv. ev 2 pv. ev = pv + ov 2 pv. ov + eo p p ev 2 pv. ev = ov + eocosθo et comme ev ov ov. po = pv ov pv cos. θ o = ov = eo ev ov 2 2 ( p ev ov ) (1 cos θ ) o pv = p Etant onné que ev. ov 4 ev p 2 p ev (1 cos. θ ) ev = ev + p o ev pv = 4 De plus pe = pa + ea. cosθ a avec pa pv ev pv pv. + et. = et que = et = ea p p +. ev..2 pv.. ev..2 pv. ev = pv.. ev. cosθ a D où. ev. p p [ ev (1.. cos θ a ) 2 pv. ev ] = et 2 pv. = p p [ ev(1 cosθ a)..2 pv. ev ] 4. ev 2 17

18 ADHESION, ADHERENCE es MATERIAUX COLLES ET ADHESIFS Alain LAMURE

19 COLLES ET ADHESIFS GENERALITES : HISTORIQUE Epoque Matériaux Colle Applications 4500 bois, os, silex bitume, armes av JC brai e bouleau 3000 pierre, argile mastic résineux, poterie, armes av JC terre argileuse 2000 av JC bois poix minérale (asphalte), charbon e bois, gouron construction navale calfatage 1470 av JC bois, papier papyrus, étoffe gomme arabique, gélatine os, échets e poisson meubles en bois marqueterie 1000 bois, étoffe, papier térébenthine, cire abeille, papier, collages ivers av JC latex, gélatine végétale 1000 bois, corne, métal soufre, blanc œuf, lait caillé + chaux coutellerie, écoration, ameublement 1850 ivers caoutchouc, amion, caséine vulcanisation, contreplaqué, papier peint 1869 ivers issolution caouchouc solvant nitrocellulose colle contact pneumatique 1912 bois résine phénol formaléhye silicate e soue Bakélite, contre-plaqué, abrasifs 1917 métal caséine aéronautique 1930 bois, métaux, supports imperméables urée-formol,, Néoprène, résorcine, base e soja Pr. polymérisation, charpente contre-plaqués métal-métal, métalcaoutchouc, bois-métal caoutchoucs synthétiques, époxyes, silicones colles structurales avions, verres, bâtiment, 1950 bois, carton, papier ispersions aqueuses, émulsions vinyliques phénoliques 20 automobile Bâtiments préfabriqués, revêtements murs et sols 1953 ivers PMMA réticulation anaérobie 1957 ivers colles cyanoacrylates électronique, automobile optique, chirurgie 1960 Acryliques sensibles P (PSA) 1963 PolyImies, PolySulfites calfatage, pare-brises bois-métal, métal-métal caoutchouc silicone, PUR, acrylates et solvants 1965 métaux ispersion acrylique, 1966 ahésifs anaérobies 1980 tissus, ivers Acrylique renforcé, rubans auto-ahésifs 1985 carton, cuir, papier, thermofusibles réticulables métaux, plastiques Collage semi-structural calfatage automobile, aérospatiale, jouet BTP, textile emballages, automobile, électricité, reliure

20 COLLES ET ADHESIFS GENERALITES : TERMINOLOGIE GRAMMAGE consommation = quantité e colle étalée sur surface onnée (mesurée en gr/m 2 ou l/m 2 ). Elle épen rugosité et porosité es matériaux, interstices à combler entre matériaux. Pour entrecoller 2 films plastiques souples, minces et lisses (emballage PE-cellophane) : quelques gr. colle/m 2 ; pour rubans ahésifs : enuits e 15 à 40 gr/m 2 masse ahésive ; collages structuraux métal/métal : 100 à 200 gr/m 2 et collage carrelages sur murs en béton brut : 2 kg/m 2. DUREE DE VIE EN POT DES COLLES BICOMPOSANTS = temps penant lequel colle peut etre utilisée à partir u moment où les composants ont été mélangés. Facteurs influant sur urée e vie en pot : T (T urée e vie car chaleur réaction urcissement ), quantité prouit mélangé (réaction exothermique auto-accélération réaction). Durée e vie époxyes classiques bicomposants = 1 à 2 heures. TEMPS DE GOMMAGE = intervalle e temps à laisser entre étalement colle et assemblage ( affichage) es matériaux pour colles en solution et émulsions (exemple néoprène). Il épen vitesse évaporation solvants (0 à 5 mn pour solvants légers, 10 s à 140 mn pour eau), moe assemblage et pressage (pas e gommage pour colles utilisées sous presse à plateaux), rigiité et perméabilité es matériaux, T et humiité (affichage + rapie par temps chau et sec). TEMPS OUVERT temps assemblage ouvert = temps entre application colle ou ahésif et assemblage éléments collés. Temps ouvert épen e T (chaleur séchage temps ouvert ), absorption support encollé (absorption solvant temps ouvert). Temps ouvert pour revêtements e sols en PVC (type Gerflex) avec colles émulsions acryliques-colles aqueuses = min. PEGOSITE ("TACK") ahérence imméiate = propriété ahésif e maintenir imméiatement ensemble les matériaux à coller. Il épen es colles : très élevé pour colles néoprène, moyen pour émulsions (acryliques > vinyliques), faible pour colles à 2 composants. DUREE DE PRISE : colle est prise quan evenue complètement solie et résistante. Prise colles néoprène imméiate és affichage et pressage (7 jours nécessaires pour tenue maximale). Prise colles émulsion épen vitesse absorption ou évaporation eau absorption matériaux, grammage e colle Quelques sec. pour collage papier/papier (10-20 gr/m 2 ), 20 min à 20 et 3 min. à 70 pour placage bois ou stratifié sur panneaux particules (150 g/m 2 ). 21

21 COLLES ET ADHESIFS GENERALITES : MISE EN OEUVRE SYSTEMES DE MISE EN OEUVRE : caractéristiques colles et ahésifs liées aux systèmes e mise en œuvre. Chaînes e montage comportent 5 ou 6 étapes : préparation e surfaces (nettoyage pièces, préparation physique ou chimique), préparation colle, encollage par ivers systèmes (rouleaux, pistolets, extrusion, buses, ), assemblage (accostage, formage, pliage éventuel), pressage (serre joints, presses à plateaux, à rouleaux, careuses), urcissement e la colle par séchage ou "cuisson" (fours ou étuves, air chau, presse à plateaux chauffants, autoclave) et évacuation et entreposage es pièces. EXIGENCES ET CARACTERISTIQUES DES COLLES : Séquences es opérations e collage Exigences pour colles et ahésifs Caractéristiques e la colle à connaître Préparation surface Compatibilité traitement surface ahésif Ahérence sur surfaces Exigences vis à vis préparation Encollage Transfert pièces postes encollage assemblage Assemblage Pressage et urcissement Evacuation Stockage Encollage à vitesse machine, régulier, avec quantité colle aéquate Après collage ahésif oit rester collant Pour colles à prise lente maintien mécanique nécessaire Prise e la colle penant urée e pressage Collages ne oivent pas relâcher Assemblages ne oivent pas se écoller surfaces et primaires Viscosité, mouillage, masse volumique, stabilité colle ans bacs es encolleurs Temps ouvert Tack, viscosité, extrait sec, temps assemblage fermé. Moe et V e prise, V séchage. Durée, P et T urcissement Tack et cohésion à chau colle V prise complète Performances colles : R mécanique, chaleur, humiité 22

22 COLLES ET ADHESIFS GENERALITES : VISCOSITE/RHEOLOGIE VISCOSITE : viscosité oit être aaptée à applicateur (pistolets, pipettes, buses exigent colles très fluies, mastics et pâtes peuvent être appliqués manuellement avec spatule entelée, truelle ou rouleau). Mesure viscosité à l aie viscosimètre Brrokfiel (norme AFNOR NF T 76102) Colles Viscosité (cpo) Applications Vernis ahésifs 100 Colles en pâte Revêtement e sols Colles à bois Assemblage es meubles Colles mastics Joints e forte épaisseur ( 1 mm) Mastics > Etanchéité Consommation colle et vitesse e chaîne liées à viscosité (+ colle épaisse, + ifficulté application, + vitesse chaîne faible). colles, viscosité quan T (loi Arrhénius ou e Vogel). Cas particulier : colles thermofusibles "Hot melt" (solie à T ambiante, pâteux ou liquie C selon formulation) appliquées au pistolet ou extrusion. COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE DES COLLES : lors e l application, que ce soit au rouleau, au pistolet, par extrusion avec une buse, ahésif subit toujours actions e cisaillement nécessité e connaître lois e comportement : liquie newtonien (viscosité constante inépenante u taux e cisaillement), pseuoplastique (ex. ispersions = émulsions aqueuses : viscosité avec t lors brassage ans applicateurs) ou thixotrope (viscosité avec t lors brassage puis au repos). Thixotrope Hot melt gélification liquie 23

23 COLLES ET ADHESIFS COLLES VEGETALES: GOMMES/CAOUTCHOUC/COLOPHANE GOMMES NATURELLES = substances sécrétées par certains arbres (acacia) ou arbustes. Baume u Canaa initialement employé pour collage e lentilles optiques. Seule gomme arabique (prouit légèrement coloré soluble ans eau) utilisée irectement comme ahésif. Principale application traitionnelle = enuction papiers estinés à être ultérieurement collés par remouillage (timbres-postes, enveloppes, étiquettes). Gommes = prouits cassants à état sec aition humectant (glycérine, éthylène-glycol, PEG) pour améliorer flexibilité film séché. Remplacement e ces gommes naturelles, e coût relativement élevé, par extrines et prouits synthétiques à base acétate ou alcool polyvinyle. CAOUTCHOUC NATUREL : ahésifs soit sous forme émulsion (= latex) soit en solution. Latex = émulsion aqueuse naturelle e caoutchouc, liquie laiteux blanc très fluie extrait u suc hévéa Brasilinsis à haut extrait sec (35-60%). Latex aitionné ammoniaque lors es récoltes pour prévenir attaques bactériennes et éviter coagulation.(ph basique stabilise émulsion). Utilisations principales : fabrication enveloppes autocollantes, pansements auto-ahésifs, imprégnation textile, collage papier, bois, carton. En solution, caoutchouc naturel issous ans solvants pétroliers : hexane, heptane, essences aliphatiques. Solutions e caoutchouc habituellement translucies et couleur jaune à brun clair. Solutions peuvent contenir charges : ZnO (vulcanisant), triméthyl hyroquinone (antioxyant), argile, kaolin, CaCO 3, noir e carbone (cohésion ), résines phénols formaléhyes (tack ). Aition accélérateurs provoquant vulcanisation résistance joint. Prise par évaporation u solvant. Ahésifs vulcanisés principalement utilisés pour applications requérant bonne étanchéité à eau. Utilisation traitionnelle = assemblage cuir et caoutchouc ans inustrie chaussure, fabrication e tapisseries ameublement pour faire ahérer cuir, caoutchouc mousse, tissus. COLOPHANE = résine naturelle sécrétée par arbres résineux (pin,..) lorsqu on scarifie leur écorce. Dérivés e colophane (esthérifiée, hyrogénée) résistent mieux à oxyation et à chaleur. Résine-alcools = colophane + résines vinyliques + charges minérales en milieu solvant (alcools + essence). Avantages = coût, prise rapie après marouflage (pressage main). Inconvénients = inflammabilité et oeur (solvants). Application : colophane très collante = matière première e colles pour revêtements e sols (tapis, moquettes, feutres, panneaux bois agglomérés hormis PVC plastifié). 24

24 COLLES ET ADHESIFS COLLES VEGETALES: AMIDON ET SES DERIVES AMIDON = polymère naturel provenant tubercules pommes e terre ou grains e maïs, riz, tapioca. Amion constitué e 2 polysaccharies linéaire (amylose) et ramifié e masse moléculaire élevée (amylopectine) qui ans eau, gonflent et forment suspension colloïale visqueuse et collante. Amions onnent pâtes à hautes viscosités, contenant 30% matières solies qui conviennent pour travaux avec long temps ouvert et faible pouvoir collant. Assemblage effectué sous pression (colle pénètre ans structure fibreuse u papier ou carton). Prise e la colle par évaporation eau à travers substrat perméable. Utilisation principale = collage papiers peints, fabrication sacs en papier. DEXTRINES = gamme e prouits e épolymérisation e l amion obtenus par grillage par voie sèche en présence acie. Dextrines blanches hyrolysées avec quantité acie relativement élevée cuisson à T assez basse (90 à 140 C). Compte tenu attaque brutale par acie et temps cuisson relativement court, prouits ont tenance à "rétrograer" sous forme e gel.. Assez peu solubles ans eau froie, extrines blanches onnent à chau colles très fluies qui gélifient rapiement au refroiissement. Dextrines jaunes obtenues par attaque plus profone, avec concentration acie moins élevée. Coloration vient e T cuisson (160 à 180 C) et temps e grillage + long. Cuisson à cœur prouits plus stables et concentration 70%. De solubilité pratiquement totale, extrines jaunes gonflent ans eau froie et eviennent fluies à chau. Avantages = coût et tack élevé. Inconvénients : faible résistance, mauvaise tenue à eau (= avantage étiquettes bouteilles). Principales applications = inustrie u papier (fabrication étiquettes, papiers gommés, cartonnages, enveloppes, sachets, pochettes). 25

25 COLLES ET ADHESIFS COLLES ANIMALES: GELATINE/CASEINE Colles animales = protéines issues u collagène (principale protéine es tissus mous et urs) ou e la caséine (principale protéine u lait). COLLES DE PEAUX ET D OS obtenues en faisant bouillir peaux, os gélatine COLLES DE POISSON obtenues à partir poissons (principalement morue). Hyrolyse collagène gélatine en 2 étapes : perte conformation spatiale hélicoïale sous effet T (chaleur cassure liaisons intermoléculaires Van er Waals impliquées ans stabilisation structure en triple hélice) puis cassure certaines liaisons peptiiques NH-CO par hyrolyse. Colles e peaux et os présentées sous forme "sèche" (poure, perles, tablettes, flocons) oivent être gonflées ans eau froie puis chauffées au bain marie à C. Avantages : solubilité totale ans eau (collage temporaire), excellente pégosité, insolubilité ans nombreux solvants. Inconvénients : mauvaise résistance en T et gonflement en atmosphère humie. Colles moernes contiennent aitifs qui les protègent attaques bactériennes et agents anti-moussants. Certains aitifs tels que sulfates et chromates peuvent être ajoutés pour les renre insoluble à eau. Principale application : colles "fortes" utilisées traitionnellement en ébénisterie pour fabrication petits meubles, meubles art, chaises. CASEINE = prouit e conensation acies aminés, isolée par précipitation u lait e vache avec acie chlorhyrique, sulfurique ou lactique. Meilleure résistance à humiité qu autres colles naturelles animales ou végétales. Protéine sèche le + souvent en poure ou fins granulés, soluble ans eau froie à ph alcalin par ajout e prouits alcalins tels que soue caustique, borax, urée ou ammoniaque, carbonate e chaux (colle réversible avec NaOH, irréversible avec CaCO 3 ). Ajout e sels e calcium meilleure résistance à humiité ; silicate ou fluorure calcium meilleure fluiité ; glycérine ou latex e caoutchouc = plastifiants. Principale application = assemblage charpentes e bois (lamellées-collées) à l intérieur es bâtiments (séjour prolongé en environnement humie hyrolyse chimique). Colles caséine + latex (résistance à humiité et chaleur ) utilisées pour fabriquer complexes emballage alimentaire café (papier/aluminium, cellophane/carton). Inconvénients : temps e séchage long (10 à 40 min), alcalins (peuvent tacher bois fortement chargés en tanins, tissus, cuir), faible tenue à l eau. 26

26 COLLES ET ADHESIFS COLLES MINERALES : BITUMES/CIMENTS-COLLES BITUME = matière organique provenant istillation u pétrole ou u charbon. Prouits e composition variable, e couleur très foncée, e faible résistance, pouvant se présenter soit sous forme solie (application à chau) soit en émulsion aqueuse ou issous ans solvant (essence aliphatique). Incorporation ans bitume e calcaire (= asphalte), e latex SBR ("Styrène Butaiène Rubber") ou acétate e polyvinyle résistance chaleur, au froi et fluage. Avantages : excellentes résistances à eau et intempéries, faible coût, bon mouillage nombreuses surfaces (bois, béton, verre, métaux, matériaux fibreux tels que papier, pavés e bois, feutre. Inconvénients : couleur sombre, tachants, non aaptés pour applications exigeant granes forces ahérence, ramollissement es bitumes quan T > 50 C, risque incenie lors mise en œuvre traitionnelle à chau es bitumes. Principales applications : colles et mastics (solution, émulsion) pour fixation matériaux isolation sur murs ou toits-terrasses, colles en solution pour pose revêtements e sol (alles), mastics étanchéité et scellement coulés à chau en BTP, mastics fusibles à chau pour collage isolants en toiture et joints étanchéité EAC (Enuits Applicables à Chau). CIMENTS-COLLE = poures à base e ciment, charges minérales et ajuvants ivers. Prise par hyratation, par aition eau comme ciment (temps e prise entre 1 et 15 h selon formulations, 90% résistance mécanique au bout e 7 jours). Ajout caséine permet utilisation ciments-colles sur plâtre. Avantages : forces ahérence très élevées (20 kg/cm2 en traction pour carreaux e grès sur béton), excellente résistance à eau et aux cycles alternés type chaleur sèche-chaleur humie, ou immersion-séchage, ou immersion-gel. Principales applications : collage carrelages en sols et en murs (intérieur ou extérieur), mortiers pour blocs e béton cellulaire. (incorporation prouits moussants créant pores) 27

27 COLLES ET ADHESIFS THERMODURCISSABLES : COLLES DE CONDENSATION Colles utilisées pour collage u bois u fait e leurs performances et prix. AMINOPLASTES Urée-Formaléhye (UF) - Mélanine-Formaléhye (MF) Formulations UF peuvent contenir : résine e base soluble ans eau pure ou mélangée avec alcool (contrôle viscosité), hyroxye soium ou ammonium (ajustement ph), charges = farine (rectification viscosité, absorption eau, réglage épaisseur joints), agents coalescence = alcools (amélioration étalement u film), agents hyrofugation = émulsions e cires, urcisseur (généralement = composé libérant acie mais certaines résines UF urcissent en milieu neutre). Réaction catalysée par prouit acie (chlrorure ammonium). Avantages : prix e revient, urcissement à chau ou à froi, R aux huiles et solvants. Inconvénients : égagement formol lors pressage, ureté colle ( usure rapie outillage), sensibilité avec temps humiité et micro-organismes. Applications : fabrication contre-plaqué à usage intérieur, panneaux lattés, portes isoplanes, charpentes lamellées collées à usage intérieur à joints épais, assemblages en menuiserie sur bois enses et huileux, stratifiés, carton onulé. Colles MF : meilleures propriétés que UF (joints incolores, R eau, solvants et huiles et T ) mais prix + élevé, très faible viscosité ( pénétration excessive supports poreux), mise en œuvre P et T urcissement + élevées. PHENOPLASTES Phénol-Formaléhye (PF) - Résorcine-Formaléhye Résines PF = copolymère formaléhye et phénol énommées résols si obtenues en milieu alcalin (formol/phénol >1) ou novolaques si obtenues en milieu acie (formol/phénol <1). Moins e phénols (élément lour, nœu réseau 3D) ans résols que novolaques résines + fluies. Durcissement résols par action T et novolaques par action combinée T + hexaméthylène tétramine en présence catalyseur (anhyrie hexahyrophtalique). Structure hyrophile résines phénoliques bonne imprégnation fibres cellulosiques. Avantages : excellente R à H 2 O (même bouillante) et agents chimiques, longs élais assemblage, R mécanique élevée, absence attaque microbienne. Inconvénients : urcissement à T (120 à 140 C) et P élevées, risque e tacher substrats, prix > colles UF. Applications : fabrication contre-plaqués à usage extérieur et stratifiés écoratifs (Formica), liants ans abrasifs, meules et laine e verre. Complexe résines phénoliques + caoutchouc synthétique (néoprène) ahésifs structuraux utilisés ans placage garnitures sabots e freins. Colles résorcine fabriquées en faisant réagir excés e iphénol sur formol. Avantages : prise à chau rapie, pas e taches sur bois. Inconvénients : prix + élevé, ajustement P à essence e bois, couleur brune très foncée. Applications : charpentes lamellées collées, collage bois/bois parois isolantes méthaniers. 28

28 COLLES ET ADHESIFS THERMODURCISSABLES : ADHESIFS EPOXYDES Polymères caractérisés par groupements époxy en bout e chaînes qui peuvent réagir avec urcisseurs. Résines époxyes = ahésifs les + utilisés pour collages structuraux, sous forme liquie (Aralite ), en pâte ou en films. ADHESIFS BICOMPOSANTS : base = résine érivée DGEBA, urcisseur = amines I, II, anhyries acies, iacies, polyamines ou iisocyanates. Durcisseur ajouté à résine au moment emploi ans proportion éterminée réaction exothermique. Durcissement à froi (20 C) peut être par chaleur. Conservation résines à 5 C penant t > 1 an. ADHESIFS MONOCOMPOSANT : ahésifs livrés en un seul composant contiennent base + urcisseur (bloqué par BF 3 et libéré lors chauffage au moment assemblage). CARACTERISTIQUES : ahésion époxy sur nombreux types e substrats : métaux (traitement surface nécessaire), bois, verre et céramique, certaines matières plastiques, béton et ciment. Pour collage métal/métal force arrachement = kg/cm 2 en traction, 1 5 kg/cm 2 en pelage (force par incorporation élastomère ans ahésif). Durée prise colles épen nature urcisseur et T. Pour assurer bon mouillage, P relativement importante parfois nécessaire. Chauffage soit en étuve, par inuction (métal) ou micro-ones (isolants composites). Avantages : réticulation rapie, pas e sous prouits volatils, très faible retrait lors urcissement, R chimique et en T élevée ( C), urabilité ahésion. Inconvénients : risque allergie, nocivité certains urcisseurs amines, prix. Utilisations : inustries aéronautique et spatiale (collage pièces en ni abeilles et composites), automobiles (raiisseurs capot ou coffres, optiques), BTP (carrelages sols inustriel, renforts métalliques sur béton), électrique et électronique (Cu mince sur stratifiés circuits imprimés, tôles transformateurs) DGEBA 29

29 COLLES ET ADHESIFS THERMODURCISSABLES : COMPOSITION DES EPOXY RESINES EP EPOXYDES = matrices éfinies par groupes fonctionnels oxirannes. Durcissement résine provoqué par réaction chimique entre un équivalent époxye et un équivalent urcisseur. RESINE EPOXYDE CLASSIQUE = éther iglyciylique u bisphénol A (DGEBA) obtenue par conensation bisphénol A avec épichlorhyrine u glycérol milieu basique. Suivant valeur u egré n e polymérisation résines liquies, pâteuses ou solies. DURCISSEURS constitués e Polyamines aliphatiques primaires, amines cyclo-aliphatiques et PA (moulage à froi au contact et par projection), iamines aromatiques DDS (Diamino-Diphényl-Sulfone ans prépegs) ou anhyries MNA (Anhyrie Méthyl Naique et accélérateurs pour enroulement filamentaire, imprégnation sous vie et stratification par voie humie). Autres AGENTS CATALYTIQUES LENTS ET LATENTS : amines tertiaires, complexes trifluorure e bore également utilisés pour favoriser en post-cuisson réactions époxye-hyroxyle et réaction continue formation structure stable éthérifiée. Utilisation e iluants réactifs (composés mono-époxyes tels que éthers butyl-glyciylique et crésyl-glyciylique) pour aapter viscosité résines époxyes. catalyseurs type urcissement t ouvert Applications Rapies T amb Amine I 2 4 h 30 min granes surfaces Lents T amb Polyamie 8 h 4 h usage général, peu sensible proportions Rapies T élevée Amine aromatique 2 h à120 C 12 h bonne performance à H T monocomposants BF 3 amine 30 min < 6 bonne performance à rapies, T élevée Lents T élevée Amine bloquée Anhyrie 'acie à120 C 4 h à150 C mois H T, utilisation facile ± 7 j excellentes propriétés à H T MNA DDM 30

30 COLLES ET ADHESIFS THERMODURCISSABLES : ADHESIFS POLYURETHANE POLYURETHANES = prouits e polyaition e polyisocyannates (et polymères érivés isocyanates) avec polyalcools (polyols). Isocyanates réagissent avec composés à atomes hyrogène mobile (alcools, amines, eau, ). Réactions en général exothermiques. Diisocyanate + iol thermoplastique et + triol thermourcissable. Isocyanates les + utilisés = Toluène Diisocyanate (TDI) et Diphényl Méthane Diisocyanate (MDI) structure aromatique et polyols squelette aliphatique. Distinction entre polyesters polyols (polyconensation entre iacie et iol en excès, bonne R huiles et essences mais très sensibles hyrolyse) et polyethers polyols (polymérisation ionique oxiranne en présence alcool qui étermine fonctionnalité oligomère final.). Formule e base contient un ou plusieurs prépolymères polyol (polyester iol, polyether iol : f = 2), iisocyanate (TDI, MDI ; g = 2 ), allongeur e chaînes (iols, iamines e faibles Mn ; f = 2), agent réticulant (souvent triol), catalyseur (sels Sn, amine tertiaire) et charges. Réticulation au niveau segment rigie par formation groupement allophanate qui réagit à son tour avec autre fonction uréthanne propriétés finales fonction rapport séquences souples/rigies (nature isocyanates et composés polyhyroxylées e base). TDI Polyester polyol MDI Polyether polyol 31

31 COLLES ET ADHESIFS THERMODURCISSABLES : APPLICATIONS DES PUR ADHESIFS A BASE ELASTOMERE DE PUR EN DISSOLUTION DANS SOLVANTS (cétones, esters). Aition, au moment emploi, généralement urcisseur isocyanate (cohésion, R eau et chaleur ). Technique collage par contact (surfaces enuites séchées films éposés non collants. Films réactivés par chauffage à C puis assemblage sous presse [quelques kg/cm 2 ] collage imméiat). Principal avantage : joint e colle souple forces e pelage élevées (5-10 kg/cm pour semelles PVC sur essus chaussures en cuir). Applications : inustrie chaussure, textile (flocage). ADHESIFS PUR BICOMPOSANTS SEMI-STRUCTURAUX (100% extrait sec) à base polyesters ou prépolymères hyroxylées + urcisseur isocyanate, au moment emploi joints rigies ou semi-rigies, très solies. Moins bonnes propriétés mécaniques qu époxy (sauf en pelage), R chaleur moyenne (fluage à partir e 120 C) et bonne ahérence sur métaux et bois (plusieurs izaines kg/cm 2 en cisaillement). Applications : collage panneaux-sanwich ans bâtiment, raiisseurs e portes (métal/métal) ans carrosserie automobile. ADHESIFS PUR SOUPLES BICOMPOSANTS : partie A (base) = polyester pur ramifié et partie B (urcisseur) = isocyanate ajouté au moment emploi. Ahésifs utilisés pour collage matériaux souples entre eux. Applications : textile (collage mousse PUR en feuilles minces sur toile plastifiée = "Foamback"), emballage alimentaire ("complexes emballage" comme PET/PVC/PE). Joint e collage extrêmement souple et résistant chaleur (utilisation pour "boil in bag", cycle eau chaue, eau froie textiles). MASTICS PUR BICOMPOSANTS : prouits 100% extrait sec pour joints étanchéité. Partie A fluie = prépolymère terminé par groupements isocyanates, partie B = polymère à groupements hyroxylés, chargé ou non. Réaction à T ambiante masse élastique qui ahère bien sur verre, métaux, bois, pierre, béton (primaire recommané). Avantages : élasticité élevée (300 à 800% supportent ilatations et compressions alternées), retrait nul lors urcissement, bonne R eau, acies et bases ilués, urabilité (5 10 ans en extérieur). Inconvénient : bicomposant mélange nécessaire. MASTICS PUR MONOCOMPOSANTS : réticulation sous action H 2 O e l air. Avantage : 1 composant. Inconvénient : t très long pour réticulation à cœur. 32

32 COLLES ET ADHESIFS THERMODURCISSABLES : ADHESIFS ANAEROBIES DESCRIPTION : ahésifs anaérobies = monocomposants à base e érivés esters iacyliques liquies polymérisant à T ambiante en absence O 2 et contact avec métal qui catalyse réaction (Loctite ). Appliqués sur pièces avant assemblage, ils remplissent complètement vies entre surfaces par effet e capillarité. Absence O 2 film mince et résistant qui emplit complètement rugosités e surface et réalise soliarisation complète. Excès u prouit à extérieur assemblage reste liquie s enlève facilement. COMPOSITION : ahésif = mélange e monomère actif (ester iacylique, iméthacrylate), charges (agents thixotropes, lubrifiants, ), initiateurs générateurs e raicaux libres (base hyropéroxye stables en situation anaérobie, instables en présence O 2 ), inhibiteurs (quinones) qui associés à stabilisant (sels acies) temps e stockage et accélérateurs ( temps e prise lorsque urcissement a émarré). Applications : anaérobies principalement utilisés ans assemblages filetés, pour blocage vis et boulons et assemblages cylinriques e métaux (emmanchements lisses) et fixation e glaces même e granes imensions (autobus). Emploi anaérobies apporte à assemblage lubrification au moment vissage, étanchéité filetages après urcissement (carburateur, pompe à essence), protection contre corrosion type galvanique, freinage obtenu sans précontrainte, résistance aux chocs et vibrations. Anaérobies inaaptés aux matériaux poreux et peu aaptés aux matériaux non métalliques. Métal u substrat influe sur temps e polymérisation : normal (alliage Alu, laiton, bronze, Co, Cu, Mn, Ni, acier), lent (fonte, métaux galvanisé, anoisé, chromaté, oxyé) et très lent (Alu, C, Au, Ag, Ti, acier inox). Ester iacylique 33

33 COLLES ET ADHESIFS THERMODURCISSABLES : ACRYLIQUES DE 2 NDE GENERATION ADHESIFS ACRYLIQUES MODIFIES : incorporation phase élastomérique (ex. polybutaiène) = ispersion homogène e micro-sites à base caoutchouc ans phase acrylique sous charge, fissures se issipent ans phase caoutchouc. monocomposant avec catalyseur sous forme e vernis. Vernis urcisseur appliqué en mince pellicule sur une surface et colle sur autre surface. Réaction ébute au contact es 2 surfaces. monocomposant avec catalyseur en poure ou pâte. Catalyseur mélangé à colle juste avant application sur substrats. bicomposants plus catalyseur. Composant contenant accélérateur appliqué sur une surface. Secone surface enuite composant B préalablement mélangé avec catalyseur. P e contact lors assemblage surfaces. bicomposants (seringue). Catalyseur ans une partie et accélérateur ans autre. Juxtaposition es corons un sur autre émarrage réaction. Avantages : joints e R élevée aux chocs, pelage, T ( C en continu), humiité et solvants. Collage surfaces métalliques non égraissées grâce pouvoir solvant monomères méthacryliques vis-à-vis huiles et graisses, plastiques (PS, PVC, PC, PMMA) verre. Inconvénient : coût ( 50% + chère que vinyliques). Applications : Collage plastique/métal ou plastique/verre. ADHESIFS ACRYLATES RETICULABLES SOUS UV : ahésion obtenue par réticulation, sous irraiation UV A ( nm), monomères ou oligomères : méthacrylates, acrylates (époxyes, polyester, uréthanes, silicone). Avantages : V prise très élevée (quelques s), facilité emploi (ahésif = liquie monocomposant, 100% extrait sec), réuction pollution (pas e solvant), aucun chauffage (irraiation T ambiante), vie en pot élevée (abri rayons UV), bonnes propriétés optiques et tenue vieillissement solaire. Inconvénients : perméabilité substrat aux UV, tenue humiité limitée. Applications : assemblage matériaux translucies comme verre et plastiques transparents. 34

34 COLLES ET ADHESIFS THERMOPLASTIQUES : ADHESIFS ACRYLIQUES POLYACRYLATES = copolymères acrylate e butyl ou éthyl hexyl avec soit méthacrylate e méthyle (émulsion aqueuse), soit acétate e vinyl (solution ans solvants classiques cétones, esters). ADHESIFS EN EMULSION : ispersion ans eau, à l aie émulsifiants, monomères C=C. Polymérisation éclenchée par initiateurs péroxyes qui sous effet chaleur forment fragments raicalaires. Monomères enveloppés par émulsifiant ou migrent ans micelles émulsifiant chaînes e polymère en croissance isposées en particules sphériques (iamètre entre 0,05 et 1,5 mm). Alimentation en monomères pour polymérisation ans chaque micelle à partir gouttelette e monomère par interméiaire phase aqueuse ADHESIFS EN SOLUTION : mélange homogène polymère + solvant organique. Pour ahésifs autocollants, utilisation esters acryliques alcools (R = 4 8 C), copolymérisés avec autres monomères agissant comme plastifiants (ex. acrylate i-butyl) ou urcissants (ex. acrylate hyroxyérhyl). Autres aitifs possibles phtalates e ibutyl (fluiité mouillabilité et R pelage ), éthers polyvinyliques ou polyvinyls isobutyliques (pégosité ), épaississants (caséine, extrine, silice) pour régler viscosité), émulsifiants (agents mouillants comme alcane sulfonate e Na) pour aapter S colle à celle support, antimousses (composés acétyléniques non ioniques) pour inhiber formation mousses ues aux émulsifiants, charges (talc, silice, craie) et pigments (oxye Ti, poure quartz pouvoir couvrant ), agents conservateurs (formol) pour protéger ispersions contre moisissures et bactéries. Pour mastics étanchéité plastifiants préalablement mélangés avec pigments (blanc Ti, noir oxye fer). Aitifs comme antigels (éthylène glycol) aussi ajoutés pour R froi. CARACTERISTIQUES DES ADHESIFS ACRYLIQUES : Avantages : R pelage élevée, bonne R eau et vieillissement aux UV (ne jaunissent pas), bonne ahérence sur ciment, béton et insensibilité alcalinité substrats. Inconvénient : prix. Utilisation : revêtements sols et murs e feuilles PVC/panneaux particules ou contre plaqué, colle pour films plastiques sur papier ou cartons imprimés et pour "foamback", mastics étanchéité BTP. 35

35 COLLES ET ADHESIFS THERMOPLASTIQUES : ADHESIFS CYANOACRYLATES CYANOACRYLATES = liquies incolores, monocomposants ont polymérisation amorcée, à T basse, par eau ou bases faibles (acétone, MEC préférable ans cas métaux ont surface préalablement nettoyée par prouits acies) ou par raical libre. Cyanoacrylates stabilisées par aition acie. Polymérisation ue à compression, sous forme film fin, u monomère cyanoacrylate ( importance e former film le + mince possible, max = 0,1 mm). Deux principales familles e cyanoacrylates à base e méthyle (pour métaux) et éthyle (pour plastiques). CARACTERISTIQUES DES CYANOACRYLATES : Avantages : prise très rapie (temps e prise = quelques s), R aux solvants et mécaniques élevées (20 25 MPA en cisaillement ahésifs structuraux), bonne ahérence sur nombreux supports (même muqueuses et peau). Inconvénients : prix, liaisons rigies, peu résistantes au choc éveloppement e cyanoacrylates comportant phase élastomérique (isopropyle, alkyle, butyl), formation instantanée film mince nécessité avoir surfaces à coller non poreuses et très lisses, affaiblissement pour T >80 C (avantage réversibilité collage) et R à H 2 O faible (meilleurs résultats pour 40% < RH < 50% sur lieu travail). Applications : collage ans secteur électronique et électrique (composants sur plaques circuits imprimés, interrupteurs et boutons, cônes e haut-parleur [papier/caoutchouc], téléphone [plastique/métal]), mécanique et construction automobile (blocage écrous), méical (entaire, orthopéie). 36

36 COLLES ET ADHESIFS THERMOPLASTIQUES : COLLES VINYLIQUES Elaboration, à partir monomère acétate e vinyl e : ACETATES DE POLYVINYLE (PVAC) : En émulsion = colles aqueuses les plus courantes, e couleur blanche, qui font leur prise par évaporation partielle eau à l air avant assemblage puis absorption e H 2 O par matériaux. Principales résines = Polyvinyl Acétate (VA), propionate e vinyl, copolymère EVA ou VAVC (introuction EVA souplesse, ahérence sur films plastifiés, pégosité, R aux bases, acies, H 2 O, O 2 et UV). En solution, résines (VC, VA, copolymère VAVC) issous ans solvants (cétones, esters). Ajout à ces résines e plastifiants (phtalates ibutyl DBP, ioctyle DOP, iméthylglycol DMGP, ) pour propriétés filmogènes, épaississants (résine cellulosique, silice, PVA), agents e conservation (formaléhye, crésol), mouillants (polyphosphate alcalin), émulsifiant (alcool polyvinyle), antimousse (hyrocarbure). Prise complète que lorsque solvant colle totalement absorbé nécessité supports poreux ( izaine h). Avantages PVAc : prix, facilité emploi, inoore, non toxicité et ininflammabilité, mise en œuvre facile, assez bonnes propriétés mécaniques (50 kg/cm 2 en cisaillement pour bois/bois), urée e vie illimitée. Inconvénients : thermoplastique R à eau faible, limite en T (fluage à partir 70 C R pour colles avec urcisseur où A = émulsion et B = acie organique [chlorure ou nitrate ammonium, nitrate e Cr]), ispersions aqueuses altération par gel. Applications : inustrie u bois (assemblages, placage), transformation papier et carton (reliure livres, sacs, enveloppes, tubes e carton spiralé, valise), bâtiment (placoplâtre), revêtements muraux. BUTYRALS = ACETALS DE POLYVINYL formés par réaction aléhye avec alcool polyvinylique : R-CHO + 2 R OH R-CH-(OR ) 2 + H 2 O. Comme alcool PV conserve fonctions acétate ahésif présente fonctions acétate et hyroxyle (moification taux fonctions OH variation performance ahésives). Résines acétals compatibles avec phénoliques (+ taux phénolique + réticulation ahésif et R HT ) et beaucoup EP mélanges pour R en T, au pelage et impact. Applications : butyral utilisé ans fabrication verres e sécurité (pare-brise), acétals combinés phénoliques ou époxy utilisés comme ahésifs structuraux en aéronautique. 37

37 COLLES ET ADHESIFS THERMOPLASTIQUES : COLLES PLASTISOLS/CELLULOSIQUES PLASTISOLS = ispersions e PVC ans plastifiant, le tout formant pâte ± visqueuse. Chauffage à T > 130 C gélification u PVC solie plastique. Prouits utilisés comme ahésifs par aition promoteur ahérence (époxys, silanes, phénoliques). Avantages : prix, mise en œuvre simple et fiable (uniquement contrôle cuisson au moyen four à air pulsé, plaques chauffantes, fours IR ou champs électromagnétiques), absence e solvants ( pas aménagement en cabine nécessaire), bonne ahésion sur substrats variés sans P (sauf maintien) ni préparation e surface (tôles acier brutes e laminage, passivées ou apprëtées, inox, Alu, plastiques comme PA, PC), possibilité constituer joints épais ( 0,5 à 1 mm), souplesse ( bonne R à fatigue et vibrations), bonne R chaleur humie, brouillar salin, UV, huile moteur et essence. Inconvénient : R mécanique moyenne. Applications : secteur automobile. COLLES CELLULOSIQUES : cellulose = polymère naturel constitué e longues chaînes, monomères e base, reliés ponts oxygènes, étant constitués e 3 groupe OH. Ahésifs à base cellulose = érivés obtenus en faisant réagir 1 ou 2 groupes OH. Ils se présentent sous forme aqueuse ou solvant. colles en phase aqueuse (méthyl-, hyroxyéthyl-, carboxyméthyl-cellulose) utilisés pour collage papiers peints (estinés à être enlevés). Applications : composés cellulosiques peuvent être utilisés comme base principale colle, ajuvant une autre colle (agent épaississant es colles vinyliques par ex.), ou rétenteur eau (ans mortiers colles pour empêcher absorption ahésif liquie par matériau poreux). colles en phase solvant : elles contiennent un ester cellulosique (nitrate, acétate, propionate, butyrate ou caprylate). Acétate et butyrate e cellulose moins inflammable que nitrates. Applications : colle la + largement utilisée en bricolage = nitrate cellulose qui contient solvants (acétone, alcool éthylique, benzène, méthanol) et plastifiants (phtalates, camphre). Nitrate cellulose = colle étanche à eau, flexible utilisée pour réparation porcelaine et collages e bois, métal, verre, papier et cuir. 38

38 COLLES ET ADHESIFS THERMOPLASTIQUES : THERMOFUSIBLES ADHESIF THERMOFUSIBLE ("HOT MELT") = thermoplastique, solie à T ambiante ayant propriétés ahésives. Ahésif à 100% extrait sec s applique à chau (entre 120 et 190 C). Prise très rapie (entre 0,5 et 5 s) lors u refroiissement. Collage par passage ahésif état solie liquie urant chauffage puis l s lors refroiissement connu epuis antiquité (bitumes, cires fonues). Composition : principales résines e base thermofusibles : Polyoléfines (PE), PA, Polyesters et copolymères EVA, EEA (Ethylène Ethyl Acrylate), SB, Styrène-Isoprène. Soliité et rigiité thermofusibles base polyester > composés base PA. Copolymères EEA + souples, + stables en T et meilleurs en ahérence sur plastiques que EVA. Constitution thermofusible : polymère (35 à 50% : ahésion et cohésion), plastifiant (0 à 10% : souplesse film), tackifiant (20 à 35% : pégosité), cires (5 à 25% : viscosité état fonu), charge (0 à 5% : viscosité) et stabilisants (0,1 à 0,5% : égraation à chau) CARACTERISTIQUES : utilisation ahésifs hot melt en simple encollage (un seul substrat, l autre étant mis en contact ensuite). Avantages : prouits solies, faciles à manipuler, temps e prise très rapie (caences élevées), aucun solvant ( peu e pressage), collage substrats imperméables, insensibilité à humiité et au gel. Inconvénients : temps ouvert très court, sensibilité aux H T contrôle précis température application, fluage à chau (ramollissement 50 C avant fusion glissement pièces collées). Applications : inustries automobile (tableau e bor, habillage portière), bois (placage chants en stratifiés sur bors plateaux e table ou porte, collage enjoliveurs), emballage (carton/carton, fermeture prouits surgelés), livre (collage pages et couverture), textile (ourlets, oublures e vêtements), électrique (assemblage boîtiers batterie). 39

39 COLLES ET ADHESIFS ADHESIFS SOUPLES : ELASTOMERES Famille e prouits comprenant éléments très ivers comme caoutchoucs naturels ou synthétiques sous forme émulsion ou solution. Propriétés principales = pégosité importante (ahésion par simple contact pour néoprène), haute flexibilité bonne R au pelage, ahérence sur gran nombre e surfaces. ADHESIFS A BASE DE CAOUTCHOUC : ahésifs en solution ou latex. Caoutchoucs nitriles = copolymères AB (acrylonitrile-butaiène). Incorporation e B compatibilité et ahésion. Applications : collage matière plastique sur métaux. Inconvénients : temps ouvert très court. Caoutchoucs butyl = copolymères isobutène utilisés principalement aitionnés e charges (noir e C, quartz, craie, ZnO) sous forme e mastics. Applications : bâtiment (prouits e scellement ou banes ahésives pour électricité, étanchéité es châssis), électroménager (scellement pièces). ADHESIFS A BASE D ELASTOMERES THERMOPLASTIQUES : solution, émulsion ou thermofusible e copolymères SBR, SBS, ABS. Solvants organiques : hyrocarbures aliphatiques (hexane, heptane) pour SBR et cycloaliphatiques ou cétoniques pour SBS. Enuction es substrats ahésifs issous. Solvant éliminé par évaporation ou iffusion ans substrat poreux et ahésif urcit. Suivant nature ahésif en solution, ifférents types e collage possibles : collage par simple séchage, par séchage et réactivation (application ahésif sur surfaces à joinre, séchage puis réactivation soit avec solvant e volatilité aéquate soit par chaleur) ou par séchage puis réticulation (aition urcisseur ans colle liquie et collage par contact). Applications : panneaux sanwich (collage PS expansé sensible aux solvants usuels sauf heptane et hexane), emballage (collage films complexes). ADHESIF POLYCHLOROPRENE (NEOPRENE ) = composés constitués u caoutchouc polychloropène (préparé à partir u 2-chloro-1,3-butaiène) + résines moifiante pour pégosité (colophane), cohésion et ahésion (résines alkylphénoliques) sur supports ifficiles avec éventuellement aitifs : charges (silice, noir e C, silicats) ; accélérateur (PbO), antioxyant (hyroquinone). Constituant majeur (70 à 80% en pois) ahésifs liquies = solvant e nature iverse (hexane, heptane, cyclopentane, toluène, cétone, ichlorométhane). Avantages : grane qualité vitesse e prise, bonne R aux intempéries. Applications : inustrie chaussure (collage semelle), automobile (collage garnitures e sièges), bâtiment. 40

40 COLLES ET ADHESIFS ADHESIFS SOUPLES : SILICONES SILICONES = famille caractérisée par liaisons Si-C et Si-O (contraction e "silicon-ketones"). Pour obtenir silicones, synthèse précurseurs = chlorosilanes obtenus par réaction entre Si en poure et chlorure e méthyle CH 3 Cl gazeux. Suivant fonctionnalité (mono M, i D, tri T ou tétra Q), hyrolyse et polyconensation chlorosilanes huiles, gommes ou résines. Huiles et gommes = composés linéaires (uniquement motifs M et D), réactifs ou pas (texture fluie huile et figée gomme). Résines réseaux (présence motifs T et/ou Q squelette ramifié). Vulcanisation élastomères Si à chau pour EVC ou HTV ("high temperature vulcanizing") ou à froi pour RTV ("room temperature"). Réticulation assurée par péroxyes organiques ou un amorceur au Pt ans systèmes polyaition M D T Q PROPRIETES : remarquable stabilité thermique entre 50 et C. Huiles PDMS (PolyDiMéthyl Siloxane) inertes chimiquement, incompatibles avec milieux aqueux, ouées très bon pouvoir étalement (très faible S ) et compressibilité élevée comparativement composés organiques, hyrocarbures et huiles minérales. APPLICATIONS : huiles utilisées comme fluies hyrauliques ou amortisseurs, aitifs pour peintures et prouits entretien, lubrifiants et anti-ahérents. Pâtes utilisées comme prouits étanchéité et isolation électrique, revêtements protecteurs, agents e émoulage et lubrifiants pour frottements faibles. Utilisation résines EVC ans bâtiment, aéronautique et automobile (jointoiement circulation es fluies Durits), protection électrique (câbles, capuchons e bougies, connecteurs), hyrofugation matériaux e construction, enuction textiles, prise empreintes, réalisation articles méicaux et pièces en contact alimentaire, anti-ahérence u papier et u film, collage u verre. 41

41 COLLES ET ADHESIFS AUTO ADHESIFS : ADHESIFS SENSIBLES A LA PRESSION ADHESIFS SENSIBLES A LA PRESSION PSA ("Pressure sensitive ahesives") = compositions onnant naissance à films qui restent collants en permanence et qui ahèrent imméiatement à T ambiante, sous faible P appliquée, sur substrats. Qualité film autocollant conitionnée par rapport entre cohésion et ahésion : couche e colle oit ahérer à couche intercalaire (substrat protecteur = feuille papier siliconé) mais utilisateur oit pouvoir les séparer sans transfert ni rupture cohésive ahérence au support > cohésion colle > ahérence au substrat. CARACTERISTIQUES : autoahésion ne provoque aucune moification physique colle car filmification (état liquie solie) réalisée lors fabrication ahésif. Films autocollants oivent 1/ ahérer imméiatement sous faible P (pégosité élevée mouillage essentiel lié au rapport énergies interfaciales colle et substrat) et 2/ présenter forte ahérence peu e temps après mise en contact ( ahésion et cohésion colle élevée). Nombreuses formulations isponibles pour optimiser pégosité, ahésion et cohésion. Propriétés épenent e nombreux paramètres : couche e colle (épaisseur, structure superficielle, teneur en solvants résiuels ou humiité relative), support (rigiité, épaisseur, nature surface, tension superficielle), conitions essai (T, temps e contact, P exercée, V écollement, angle écollement). Constituant principal ahésif PSA = élastomère (30 50% : assure cohésion). Elastomère associé à résines (20 40% : pégosité ), plastifiants (0 40%), charges (0 10% : viscosité), stabilisants (1 2% : oubles liaisons C=C ans élastomères sensibles à oxyation ajout e stabilisants contre action e O 2 ). MISE EN ŒUVRE : pour pouvoir être appliqués sur supports, ahésifs oivent être fluies épôt ahésif en solution (ex. caoutchouc, problème es solvants), en ispersion aqueuse (ex. acrylates), par fusion (cf hot melt) ou emploi e monomères réactifs (polymérisation après application par apport énergie thermique ou électromagnétique). Après encollage élimination es solvants ou refroiissement e la masse fonue. 42

42 COLLES ET ADHESIFS ADHESIFS STRUCTURAUX : THERMOSTABLES Ahésif structural = polymère capable e lier entre eux matériaux fortement sollicités sur plan mécanique (cellule avion, carrosserie automobile). Ahésif thermostable = ahésif capable e conserver propriétés ahérence à HT. Comme O 2 autant + actif que T élevée seuls polymères susceptibles e résister aux T exigées par applications aéronautiques = polymères contenant motifs aromatiques POLYBENZIMIDAZOLES PBI = résine e conensation entre 3,3- iaminobenziine et iphénylisophtlalate. Ahésifs préparés en ajoutant poure Al (performances mécaniques et tension interne ) et thioarcénate As (agent antioxyant).. Inconvénients : collage sous P élevée (10 à 140 N/cm 2 ) à HT ( C), égagement résius volatils (phénol, eau) penant cuisson. Avantages : excellente R à chaleur ( 260 C en continu, 500 C pour urées limitées e 1/4h à quelques h) et agents chimiques, eau, brouillar salin, huile, fuel aviation (skyrol). POLYIMIDES PI = résine e conensation entre tétra-acie ou ianhyrie aromatique et iamine aromatique. Contiennent également charges (poure Al) et antoxoyants (érivés As). Mise en œuvre + facile que PBI : cuisson 90 min entre 290 et 370 C sous P = 3 atm. Avantages : bonnes R en cisaillement et vieillissement à T élevées ( 250 C), excellente et longue conservation propriétés ahésives après exposition à T élevées. Inconvénients : faible R en pelage, évaporation importante vapeur eau penant cuisson, sensibilité joint à hyrolyse, bonnes performants que PBI à très HT (315 C). POLYARYLSULFONES PAI = ahésifs thermoplastiques et thermostables. Avantages : pas e solvants, assemblage suivant technique thermofusible (T mise en œuvre > 350 C). Inconvénients : + limité en T que thermours ( 200 C en continu). PBI PI PAI 43

43 ADHESION, ADHERENCE es MATERIAUX REALISATION DU COLLAGE Alain LAMURE

44 REALISATION DU COLLAGE CONCEPTION DES JOINTS COLLES : FORME DES JOINTS TYPES D ASSEMBLAGES : forme es joints imposée par celle es éléments à assembler et par leurs imensions. Eléments minces et plats ne peuvent être joints que par recouvrement, parties tubulaires par manchonnage et pièces épaisses par "enture" ou en biseau. Géométriquement joints classés en joints "surfaces au contact" et joints "bor sur surface". MODES D ASSEMBLAGE : Joint en bout, bor à bor Joint à recouvrement simple Joint à recouvrement simple biseauté Joint biseauté en bout, enture Joint à mi-épaisseur ou recouvrement en grain Joint à ouble enture Joint embrévé ou à oreille simple Joint à recouvrement avec sertissage Joint bor à bor à recouvrement Joint à ouble recouvrement Symétrique Joint bor à bor à ouble recouvrement et mi-épaisseur Joint en bout, à ouble recouvrement symétrique biseauté Joint en simple recouvrement croisé, joint en croix 46

45 REALISATION DU COLLAGE CONCEPTION DES JOINTS COLLES : REGLES D ASSEMBLAGE REALISATION DU JOINT ADHESIF = question e bon sens : surface maximale onne résistance maximale et géométrie oit éviter au maximum concentration es contraintes. Joint oit être continu ans son épaisseur et sa surface. Liaison collée oit avoir R comparable à celle es substrats ( surimensionnement u joint inutile). Sous contrainte e clivage, contrainte non istribuée uniformément (effort maximal un côté) et istribution es contraintes en pelage sur minimum e surface joint oit être mis sous tension ans irection la + favorable. Eviter toujours pelage et assemblages ont forme risque e se trauire par existence e concentrations e contraintes (ex. assemblages à angle bout-à-bout). Quan pièces risquent e se éformer sous charge et inuire pelage important, réétuier forme assemblage et si moification insuffisante, iminuer risques e écollement par ispositifs appropriés (ex. bors). 47

46 REALISATION DU COLLAGE CONCEPTION DES JOINTS COLLES : DIMENSION DU JOINT RESISTANCE DU JOINT COLLE : joint collé oit être imensionné une manière telle que contraintes ou éformation u joint < valeur critique. Fabricants fournissent R théorique (en cisaillement) ahésifs mais R collages inustriels < R collage éprouvettes en laboratoire (influence matériaux, états e surface, épaisseur joint, fluage) ans assemblages sollicités en statique prenre R statique = R théorique ahésif /10 et en ynamique R ynamique = R statique /5. SURFACE D ASSEMBLAGE : charge e rupture joints à recouvrement e manière non proportionnelle avec largeur l et longueur L u joint (en largeur R l = 2 cm > 2*R l = 1 cm. et en longueur R L = 4 cm < 2*R L = 2 cm ). Granes longueurs pelage aux extrémités u joint pour surface e collage ientique, mieux vaut joint + large que long. Longueur optimale épen épaisseur moyenne e matériaux à assembler (colles urcissant à froi L = 10 20*e et colles urcissant à chau L = 7 15 *e). 48

47 REALISATION DU COLLAGE CONCEPTION DES JOINTS COLLES : METHODE DE VOLKERSEN METHODE DE VOLKERSEN ANALYTIQUE : Hypothèses = comportement u joint élastique, éformations ahésif/substrats en cisaillement/tension pur, plaques minces (épaisseur joint << celle supports e c << e 1 et e 2 ), supports épaisseur << longueur recouvrement (e 1 et e 2 << l), souplesse substrats << celle ahésif (E c << E 1 et E 2 ). Selon principe action et réaction, efforts aux interfaces égaux ε c = ε 2 ε 1. Si supports éformés uniquement en traction ε i = σ i /E i et ahésif en cisaillement τ = G c. Conitions équilibre (σ 1 + σ 1 σ 1 ).l.e 1 + τ.b.x = 0 et (σ 2.e 2 + σ 1.e 1 ).b = F ε 2 ε 1 = e G c τ σ σ 2 et 2 1 = e. e. c x 1 G c σ. E E x2 2 1 c EQUATION DE VOLKERSEN : contrainte e cisaillement ans la colle :.. ω. l coshωx E e E e sinhωx τ = τ ( ) m avec contrainte moyenne x 2 sinhωl /2 E. e. +. E. e coshωl /2 F m. =. b. l τ et ω. =. G c e c E. e E. e CONSEQUENCE : Variation es contraintes minimale lorsque joint équilibré ( rigiités égales E 1.e 1 = E 2.e 2 ) si collage matériaux ientiques égalité es épaisseurs et si matériaux épaisseurs substrats ans rapport inverse es moules (ex. collage acier/alu E 1 = 210 GPa et E 2 = 70 GPa tôle en Alu 3 fois + épaisse) 49

48 REALISATION DU COLLAGE CONCEPTION DES JOINTS COLLES : METHODE GOLAND-REISSNER METHODE DE GOLAND ET REISSNER : couche ahésif traitée comme infinité e ressorts en cisaillement et infinité ressorts en traction/compression ans sens prise en compte u fléchissement observé au niveau u joint. Moment e flexion créé ½ F.t non transmis intégralement aux bors u joint : coefficient e transmission k < 1 moment e flexion effectif M = ½ k.f.t P.(1 + ν ) Valeur approchée k = avec η = où E s /ν = moule η /2 3 b. E. t Young/coefficient e Poisson es substrats 1+ 3K cosh2ωx 3 CONTRAINTES DE CISAILLEMENT :..... ( 1 ). ( ) τ = τ m ωl + K x 4 sinhωl avec K = où tanh( mz) 2 l F m = 1 ν et Z = 2 2t E s. t CONTRAINTES EN PELAGE : σ y = A.cosh(λx).cos(λx) + B.sinh(λx).sin(λx) où λ = coefficient épenant paramètres géométriques et résistance es matériaux. Contraintes normales peuvent être > contraintes cisaillement aux extrémités u joint. 2 CONSEQUENCES : Moment e flexion inuit par non-axialité es efforts, autant + important que plaques flexibles Clivage inuit autant + faible que épaisseur es plaques faible et matériaux moins rigies (Alu/acier) Réuction inertie es plaques (formes en biseau) composante e clivage 50

49 REALISATION DU COLLAGE CONCEPTION DES JOINTS COLLES : METHODES NUMERIQUES METHODES ANALYTIQUES = méthoes limités aux recouvrements simple et ouble sollicités par efforts uniirectionnels qui imposent par hypothèse que contraintes ans épaisseur u joint uniformes (uniquement f(x)). En réalité, pour assemblage simple recouvrement, contrainte en A > B utilisation moélisation plus fine pour prenre en compte effets e flexion, cisaillement ans ahésif, effets e bor ans joint. METHODE DES ELEMENTS FINIS (EF) : iscrétisation e la structure en ifférents éléments (triangulaires ou quarangulaires) ans lesquels contrainte = constante, reliés entre eux par nœus (points noaux). Estimation es contraintes autant meilleure que maillage important (optimisation calculs maillage plus fin aux abors points singuliers). Chaque élément caractérisé par une matrice (= tenseur reliant éplacements aux éformations et contraintes). Méthoe EF consiste à écrire relations e continuités géométrique (éléments restent juxtaposés) et énergétique (forces intérieures = forces extérieures). Par suite opérations matricielles utilisation lois élasticité permet e remonter aux matrices e contraintes et éformations. REMARQUE : Méthoe EF permet étue répartition es contraintes ans joints e formes quelconques et ans cas e charges multiirectionnels. 51

50 REALISATION DU COLLAGE PREPARATION DE SURFACE : OBJECTIFS FINALITE DES TRAITEMENTS DE SURFACE = élimination contaminants provenant fabrication ou stockage (poussières, limailles, humiité, traces grasses, agents émoulage), élimination couches superficielles e faible cohésion (composés faible masse moléculaire ayant migré en surface es polymères, oxyes fragiles ou résius e corrosion pour substrats métalliques), moification morphologie e surface ( rugosité), changement composition chimique superficielle en créant couches actives (principalement par chimisorption) PROCEDES : chaque système ahésifs./substrats possèe ses propres recommanations. Procéés Métaux et alliages Céramiques Polymères mécanique brossage, sablage, brossage, sablage abrasion grenaillage, abrasion chimique égraissage, égraissage, écapage, passivation, écapage, primaire primaire primaire électrochimique photochimique rayonnement UV physique anoisation, électroéposition écapage, activation, épôt plasma écapage, activation, épôt plasma égraissage, écapage, oxyation, réuction, réuction activation, greffage écapage, activation, épôt plasma, flammage, activation thermique, bombarement électronique, ionique, photonique REMARQUES : Tenir compte e la finalité u collage (préparation e surface autant + sévère que R mécanique visée élevée et urabilité recherchée) et taille es séries et forme es pièces (flammage aapté pour granes séries mais pas pour formes complexes). Même si procéures bien éfinies, prouction peut subir érives par manque attention u personnel, érèglement ispositifs (ex. altération intensité flamme par résius e C ans flammage, effets humiité ambiante ans traitement Corona, T bain pour écapage) 52

51 REALISATION DU COLLAGE PREPARATION DE SURFACE : DEGRAISSAGE Nombre contaminants graisseux proviennent opérations élaboration, usinage, manutention et stockage es substrats. Huiles et graisses animales éliminées par saponification ans base forte tanis que contaminants origine minérale enlevés par solvants organiques ou bains aqueux faiblement alcalins. Pour nettoyage es polymères, solvant e égraissage oit être inerte vis à vis surface à traiter. DEGRAISSAGE AUX SOLVANTS : recommané pour nettoyage pièces très sales ou salissures tenaces. Prouits : solvants non halogénés : hyrocarbures aromatiques (toluène, xylène), hyrocarbures aliphatiques (white spirit, essences), alcools (méthanol, éthanol, isopropanol, propylèneglycol), cétones (acétone, MEC, MIBC). Peu coûteux mais inflammables et toxiques. solvants halogénés essentiellement chlorés : CFC, perchloréthylène, trichloréthylène, chlorure e méthylène. Solvants aux qualités égraissantes exceptionnelles, ininflammables mais très toxiques et non écologiques. Dégraissage mis en œuvre par iverses techniques : essuyage avec chiffon propre, blanc, non pelucheux trempage (avec ou sans ultrasons) e la pièce ons cuve contenant solvant froi ou à ébullition (solvants chlorés), aspersion (pulvérisation solvant en émulsion ans solution aqueuse), phase vapeur (pièces suspenues au essus solvant halogéné en ébullition conensation vapeur u solvant sur pièce froie : meilleurs résultats car solvant toujours propre). DEGRAISSAGE ALCALIN : procéé par immersion ans bains (cuves chauffées ou non) constitués e nombreux composants : agents mouillants (tensio-actifs anioniques ou non toxiques), émulsifiants (phosphates, carbonates, borates, silicates), saponifiants (soue caustique, potasse), agents complexants (cyanures, gluconates, citrates, EDTA), aitifs ivers tels que agents anti-moussants, inhibiteurs e corrosion. RINÇAGE : permet élimination film hyrophile moléculaire formé e huile retenue ans micelles e tensio-actifs. Dans procéés e égraissage en phase aqueuse, nettoyage, rinçage et séchage non réalisés au cours même étape. Qualité eau e rinçage importante : eaux polluées ou très ures ahésion es colles, eau éminéralisée recommanée pour collages structuraux.. 53

52 REALISATION DU COLLAGE PREPARATION DE SURFACE : TRAITEMENTS MECANIQUES TRAITEMENTS MECANIQUES réalisés : manuellement à l aie ponceuse, grattoir, brosse, papiers abrasifs, avec sableuse = projection, sous forte P, e matériaux abrasifs e granulométrie et forme (5 µm à 5 cm) comme sable ou oxyes urs (corinon, alumine, SiC), grenailles. Procéé utilisé principalement pour surfaces métalliques. Particules abrasives recyclées par filtration (en solution aqueuse) ou par cyclonage (procéé à sec). Après sablage ne plus manipuler surfaces traitées à mains nues (envelopper un film ou enuire un primaire). PARAMETRES DE RUGOSITE : relief obtenu épren type e traitement appliqué. Traitement grenaillage Sablage grossier Sablage moyen Sablage fin Rugosité 0,25-0,6 µm 4-10 µm 1-2,5 µm 0,25 0,6 µm R a = rugosité moyenne arithmétique (moyenne arithmétique es valeurs absolues es istances entre ligne e base et profil mesuré) R max = profoneur e rugosité (L crête L fon ) R p = profoneur e lissage (L crête L centrale ) Règles générales : abrasifs métalliques à proscrire avec aciers inox, traitements très souples et surfaces + uniformes avec outils en fibres e PA66 (nylon) imprégnées liant + agent abrasif. Encrassement et usure moinre qu avec prouits traitionnels. traitements mécaniques réalisables à sec ou par voie humie (limitée aux matériaux non oxyables et recommanée pour pièces élicates en raison e l absence échauffement). 54

53 REALISATION DU COLLAGE PREPARATION DE SURFACE : TRAITEMENTS CHIMIQUES Traitements chimiques et électrochimiques permettent préparation pièces e granes imensions et formes variées. Epaisseur u substrat moifié très faible (< 10 nm). TRAITEMENT DES METAUX élimination oxyes présents ou reformés entre 2 étapes u traitement puis génération espèces chimiques réactives par : écapage et passivation en milieu acie (HCl, H 2 SO 4, H 2 CrO 4, H 3 PO 4, HF, sulfochromique,, fluonitrique). Décapage permet mettre "à vif" surface par voie humie en éliminants contaminants origine minérale (oxyes, sulfures, carbonates). Décapage suivi un rinçage neutralisant alcalin. Après écapage réactivité chimique surfaces métalliques très élevée sensibilité action agents agressifs et passivation chimique parfois nécessaire. conversion chimique (phosphatation, chromatation) : procéés complexes e issolution anoique u métal et précipitation e phosphates ou chromates insolubles sur sites cathoiques e la surface. anoisation ans ivers milieux (nitrique, sulfurique, sulfo-chromique, hyroxye e Na) : traitement électrochimique métaux légers et Ti création fine couche oxye e structure et composition bien éfinies. Anoisations non colmatées sensibles également aux agents agressifs. C B A Observations MEB surface métallique traité avec fluoro-ammonium A : rinçage court (5 s), B : rinçage normal (5 min) C : hyrolyse TRAITEMENT DES POLYMERES énergie e surface traitement chromique sur polyoléfines oxye surface, introuit espèces réactives (C=O, C-OH) et écape sélectivement zones amorphes ou peu cristallisés. solution naphtalène e Na ans THF éfluoration superficielle et couche ± oxyée obtenue evient apte au mouillage par résines époxyes. 55

54 REALISATION DU COLLAGE PREPARATION DE SURFACE : TRAITEMENTS PHYSIQUES TRAITEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES : flammage = surface es substrats (généralement polyoléfines) exposée à une flamme penant temps très court (0,02 à 0,1 s). Durée traitement épen istance flamme/substrat (6 à 10 mm). T flamme = ± C. Gaz utilisés = méthane, propane, butane. Polymère oxyé sur épaisseur 4 à 9 nm. Réaction espèces raicalaires contenues ans flamme et atomes H labiles e surface fixation en surface groupements fonctionnels e type COOH, -OH, -C=O, - NH2, -CN. Restructuration e surface par suite iffusion résultats peu reprouctibles. courant air chau : surface objets soumise à flux air chau (T 500 C). Pas e risque inflammation. Résultats et applications flammage. thermoiffusion : immersion u substrat plastique (PP) ans bain chau (T = 40 C) solvanté contenant espèces actives. Séchage rapie à air ambiant. Traitement rapie, stable ans temps (collage possible plusieurs jours après traitement) et peu onéreux. TRAITEMENTS PAR RAYONNEMENTS : utilisation e ivers types e rayonnements (UV, électrons, ions, écharges électriques, plasmas frois) permet e transformer surface. réticulation : recombinaison raicaux e polymères inuits par traitement formation réseau 3D (CASING "Crosslinking Activate by Inert Gazes"). Réticulation + importante ans atmosphère gaz raréfié (plasma) que ans air (Corona). Epaisseur affectée par plasma = 1 à 3 monocouches atomes. érosion ou gravure = coupure nombreuses chaînes en surface perte e matière par suite formation e groupements volatils et oligomères. Couche formée chaînes courtes peut (iffusion) ou (faible cohésion) ahésion. création e nouvelles fonctions chimiques : ouverture oubles liaisons ou incorporation nouveaux atomes (O, F, N). Nouvelles fonctions réactives peuvent réagir avec elles-mêmes (réticulation), milieu extérieur (vieillissement surface) ou colle (bonne ahésion) et servir e sites e greffage. 56

55 REALISATION DU COLLAGE PREPARATION DE SURFACE : TRAITEMENT ELECTROMAGNETIQUE TRAITEMENTS AUX UV : exposition aux UV e la surface ans atmosphère oxyante (oxygène et ozone attaquent polymère) ou e la surface imprégnée un primaire qui se écompose sous effet rayonnement ( formation raicaux libres). Réactions fonction u temps e traitement, istance lampe UV/support, angle insolation et spectre émission lampe (ans zone absorption u primaire). Méthoe encore peu utilisée inustriellement. FAISCEAU D ELECTRONS : bombarement électronique (électrons prouits par cathoe et accélérés par H tension à basse P) ouverture liaisons chimiques et arrachement protons qui vont favoriser oxyation, greffage ou réticulation.. Forte énergie électrons + faible probabilité contact traitement en profoneur. Surfaces traitées nécessairement planes, atmosphère contrôlé procéé lour à mettre en œuvre + approprié pour granes séries (vulcanisation élastomères, greffage). DECHARGES ELECTRIQUES : écharges électriques ites froies prouites par application champ électrique qui accélère électrons u gaz qui vont ioniser molécules et atomes avec lesquels ils entrent en contact, prouisant e nouveaux électrons gaz evient conucteur. Plasma = zone où gaz ionisé (1 atome/10 000) et électriquement neutre. Polymère atteint par écharge non chauffé mais bombaré par électrons, ions, atomes ou molécules excités, photons (provenant ésexcitation particules e gaz), raicaux u gaz (provenant issociation molécules générées par collisions avec électrons). Particules e peu énergie faibles profoneurs e pénétration (< 100 Å). écharge couronne (Corona) : passage à P atmosphérique un courant alternatif (12 à 20 kv, 10 à 20 khz) entre 2 électroes champ ionisation. Méthoe aaptée aux surfaces planes et traitement en ligne hautes caences (100 m/min). traitements basse pression (plasmas frois) : plasmas créés ans réacteur sous vie partiel (< 700 Pa) par passage e écharges HF (13,6 MHz) ou micro-ones (433 MHz ou 2,5 GHz). Intensité + importante effet limité à extrême surface. 57