RELATIONS STRUCTURES / PROPRIÉTÉS

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1 RELATIONS STRUCTURES / PROPRIÉTÉS TRIBOLOGIQUES DE FILMS MINCES À MATRICE POLYMÈRE ISSUS DE COLLOÏDES AQUEUX Véronique Divry 1, Leandro Jacomine 2, Vincent Le Houérou 2, Dominique Collin², Christian Gauthier 2, Yves Holl 2 1 SAR Groupe Eurovia/Vinci BP40008 F6002 CLERMONT Cedex 2 Institut Charles Sadron, Université de Strasbourg, CNRS UPR 22, 23 rue du Loess, BP 84047, Strasbourg Cedex, France 1

2 PROBLÉMATIQUE INDUSTRIELLE Thème : Peinture routière à base aqueuse Politique environnementale : réduction des émissions COV utilisation de peinture à base aqueuse 16,5 % de la production totale de peinture routière en France (5000t en 2011) 85% de la production totale de peinture routière aux Etats Unis Problématique: Accélération de la vitesse de séchage tout en gardant de bonnes propriétés mécanique finales 2

3 PROBLÉMATIQUES FONDAMENTALES Etudier et comprendre les paramètres cinétiquement déterminants de la formation de films de peinture à base aqueuse en jouant sur la formulation du latex Etudier les propriétés mécaniques des films de latex plus ou moins formulés 3

4 PROBLÉMATIQUES FONDAMENTALES Etudier et comprendre les paramètres cinétiquement déterminants de la formation de films de peinture à base aqueuse en jouant sur la formulation du latex Etudier les propriétés mécaniques des films de latex plus ou moins formulés 4

5 PLAN D ÉTUDE 1 Bibliographie Qu est ce qu une peinture à base aqueuse? Comment sèche t-elle? Quels sont les paramètres cinétiquement déterminants dans le séchage? 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Echantillons étudiés Matériels et méthodes Résultats 3 Conclusion 5

6 1 Bibliographie Qu est ce qu une peinture à base aqueuse? Latex «Suspension colloïdale de polymère dans l eau» Liant polymère Agent émulsifiant Agent neutralisant Eau Additifs Ø 0,03 à 3 µm Représentation schématique d une peinture «à l eau» Agent réticulant Agents anti-mousses Agents mouillants et dispersants Agents de coalescence et co-solvant Agents épaississants Et autres Pigments et charges Ø 0,05 to 100 µm 6

7 1 Bibliographie Comment sèche t-elle? T>TMFF T>Tg 7

8 1 Bibliographie Quels sont les paramètres cinétiquement déterminant dans la séchage? Paramètres susceptibles d être cinétiquement déterminant dans le séchage : Nature du liant Taille et distribution en taille des particules Fraction volumique du latex Déstabilisation du latex (addition de sels, modification du ph ) L épaisseur du film Additifs (agent de coalescence, co-solvant, agent de réticulation, agent dispersant, pigments, agent épaississant) Paramètres extérieurs (température, humidité relative, vent ) 8

9 1 Bibliographie Quels sont les paramètres cinétiquement déterminant dans la séchage? Paramètres susceptibles d être cinétiquement déterminant dans le séchage : Nature du liant Taille et distribution en taille des particules Fraction volumique du latex Déstabilisation du latex (addition de sels, modification du ph ) L épaisseur du film Additifs (agent de coalescence, co-solvant, agent de réticulation, agent dispersant, pigments, agent épaississant) Paramètres extérieurs (température, humidité relative, vent ) 9

10 1 Bibliographie Quels sont les paramètres cinétiquement déterminant dans la séchage? Dilemme de formation de films de latex: avoir une Tg faible pour permettre une bonne filmification et une Tg élevée pour de bonne propriétés mécaniques Latex p(bua/mma/aa) taille de particules de 200 nm et Tg = 45 C «200-1» Plastification du latex Par l humidité relative Agent de coalescence : Texanol Co-solvant : Ethanol Amélioration des propriétés mécaniques Agent de réticulation : polycarbodiimide XL702 Pigments : Tioxide R-TC90 (94% Agent épaississant NaPAA 10

11 1 Bibliographie Quels sont les paramètres cinétiquement déterminant dans la séchage? Dilemme de formation de films de latex: avoir une Tg faible pour permettre une bonne filmification et une Tg élevée pour de bonne propriétés mécaniques Latex p(bua/mma/aa) taille de particules de 200 nm et Tg = 45 C «200-1» Plastification du latex Par l humidité relative Agent de coalescence : Texanol Co-solvant : Ethanol Amélioration des propriétés mécaniques Agent de réticulation : polycarbodiimide XL702 Pigments : Tioxide R-TC90 (94% Agent épaississant NaPAA 11

12 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Echantillons étudiés 12

13 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Matériels et méthodes Test de frottement Indenteur sphérique verre R=500µm saphir R = 2000 µm Paliers de force 1N à 9N Vitesse : 0.3mm/s Epaisseur des films : 200 µm (+/-15%) Course palier : 2mm Représentation schématique du dispositif expérimental de micro-rayure/frottement «Chatel, MicroVisioScratch T. et al (2011)» 13

14 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Matériels et méthodes Test de frottement μ é é avec aire de contact é é avec, l enfoncement du film et e l épaisseur du film (variant entre 0 et 90 ) 14

15 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Matériels et méthodes Analyse mécanique dynamique sur rhéomètre piezoélectrique Déformation : 10-5 à 10-3 Fréquences : 10-2 à 10 4 Hz Température : -30 C à 150 C 15 Représentation schématique du dispositif expérimental du rhéomètre piezoélectrique (Collin D et al 2013)

16 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Résultats Plastification du latex par l humidité relative % HR 20% HR 45% HR 60% HR 75% HR d µ app c e F N (N) a b 16

17 Influence du support Réponse du film Incertitude de mesure Transition Influence du support Indenteur µ app % HR 20% HR 0.1 Sink-in Pile-up h/e (%) Film µ app Réponse du film 45% HR 60% HR 75% HR Incertitude de mesure Transition Influence du support h/e (%) 17

18 Charge progressive en eau p m (MPa) p T2 p T1 Régime élastique T1 Régime élastoplastique h/e (%) Transition T2 Régime plastique 10% HR 20% HR p m (MPa) p T2 T1 Régime élasto plastique T2 Régime plastique 6 p T1 45% HR 4 60% HR 75% HR h/e (%) Transition Humidité relative 10%HR 20%HR 45%HR 60%HR 75%HR / (+/-0.1%) 11.3% 13.2% 15.3% 15.8% 18.6% P T1 (+/-0.1MPa) P T2 (+/-0.1 MPa) Influence du support pour 10% Films plus souples (augmentation / ) et dommageable au frottement (augmentation de μ ) Charge progressive en eau avec l humidité L influence de l humidité relative se fait ressentir de manière marquée à partir de 45%HR (~saturation du film en eau) 18

19 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Résultats Plastification du latex par le Texanol (75%HR et 23 C) Transition élastique/élastoplastique Indenteur saphir R = 2000 µm %Tex h/e (%) 19

20 µ app Vitesse de déformation ~0.4 à 0.8 Réponse du film +10%Tex +8%Tex +6%Tex Incertitude de mesure Transition R = 2000 µm Influence du substrat h/e (%) G' (Pa) G''(Pa) %Tex +10%Tex +33%Tex Température ( C) Tg %Tex +10%Tex +33%Tex Température ( C) Vitesse de déformation ~0.4 Influence du support, pas de phénomène de «pile up» Diminution de la Tg Film moins rigide (augmentation /, diminution de Film plus visqueuse (augmentation de Augmentation de la composante de déformation de μ 20

21 µ app Cinétique d évaporation du Texanol (75%HR et 23 C) Incertitude de mesure Transition J100 J h/e (%) J3 R = 2000 µm J Tg Mesure de traction %Tex Jours après dépot sur lame 10%Tex J1 J3 J100 E ( Pa) (+/-0.3) ( Pa) (+/-0.1) Vitesse de déformation = 0.03 Cinétique d évaporation à 75%HR et 23 C très lente Diminution de la composante de déformation de μ (film plus rigide) Amélioration des propriétés mécaniques plutôt lente 21

22 2 Etudes mécaniques des films de latex plus ou moins formulés Résultats Influence du co-solvant à 75%HR et 23 C Influence faible sur le frottement µ app R = 500 µm %Tex +5%EtOH +10%EtOH +25%EtOH h/e (%) Gonflement des particules de latex dans les formulations Améliore la plastification du polymère par le Texanol Augmentation de la composante de déformation de μ 22

23 3 Conclusion La présence du support influence la réponse des films de latex à une sollicitation en frottement pour des épaisseur de 200µm et un confinement > 10%. Une augmentation des coefficients de frottement avec l humidité relative témoigne de la sensibilité des systèmes colloïdaux aux conditions climatiques La plastification du polymère par l eau ou par le Texanol entraine la monté progressive de la composante de déformation du frottement apparent. Les films s endommage plus facilement L évolution progressive des propriétés mécaniques met en évidence la cinétique d évaporation très lente de l agent de coalescence Le co-solvant joue un rôle mineur, il améliore faiblement la plastification du polymère 23

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