ADHERENCE DE MASTICS DE JOINTOIEMENT :

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1 ADHERENCE DE MASTICS DE JOINTOIEMENT : Un sujet de recherche académique? Une démarche scientifique Marie-France VALLAT Institut de Chimie des Surfaces et Interfaces UPR 9069 CNRS UHA Mulhouse Directeur : Dimitri Ivanov 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 1

2 Surfaces et Interfaces Approche interdisciplinaire et multi-échelle Elaboration contrôlée Synthèse Nanostructure, fonctionnalité de surface, topographie de surface, distribution, texture contrôlée, architecture originale, Caractérisations Chimie de surface, morphologie, structure, texture, mécanique, viscoélastique, thermodynamique de surface, thermique, biologique, POLYMERES MATERIAUX Synthèse macromoléculaire (polymères conducteurs) Physique des phénomènes interfaciaux Interfaces avec des systèmes biologiques Matériaux fonctionnels et hybrides Propriétés Adhésion, friction, usure, réactivité, renforcement, stockage d énergie, biofonctionnalité, adsorption sélective CARBONES FILMS MINCES BIOMATERIAUX 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 2

3 Stockage d énergie : stockage d hydrogène ou supercondensateurs Développement de nouveaux matériaux carbonés Traitements et modifications physiques ou chimiques des surfaces 1. Contrôle des propriétés d adsorption, de condensation et de mouillage 2. Ajustement et contrôle des propriétés d adhérence Multimatériaux plans Composites et matériaux renforcés 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 3 10µm

4 Comment régénérer la croissance d os? Développement de nouveaux matériaux hydroxyapatite Pollution bactérienne : conduites de climatisation, corrosion bactérienne, colmatage de filtres Relation entre la formation du biofilm et les propriétés de surface du support Confinement de cristaux liquides colonnaires Développement de cellules solaires organiques 1µmx1µm Couches minces de nanoparticules (nanoporosité et fonctionnalité) Développement de nouveaux matériaux pour la catalyse 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 4

5 Equipe «ADHESION» Contrôler l élaboration d interfaces réactives et ajuster les propriétés d interface (polymérisation plasma), modification par voie physique (plasma, flammage, ) Maîtriser les performances des multimatériaux Compréhension et contrôle de l ensemble des phénomènes qui concourent à la formation d interfaces Établissement de relations quantitatives entre propriétés intrinsèques des solides (de surface et de masse) et propriétés des interfaces Compréhension des mécanismes fondamentaux de l adhésion solide-solide et prévision des performances (rupture des interfaces) 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 5

6 MENRT et Bourses BDI CNRS/Région et Fondation de l ENSCMu/CG Etude de la pégosité de caoutchoucs naturels et de mélanges de caoutchoucs Structuration d une interface par polymérisation plasma Fibres de coton : microstructure et propriétés de surface Les films à réponse mécanique : une catégorie de films adaptatifs Collaborations industrielles Etude des interfaces des nouveaux matériaux utilisés pour les interconnexions des circuits microélectroniques Amélioration des propriétés transverses des matériaux composites polymères sous faisceau ionisant Structuration d une interface métal / polymère par greffage réactif Interface métal / élastomère Interface/interphase élastomère agent d adhérisation Caractéristiques de surface et de masse d une couche céramique 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 6

7 Le sujet : Mécanismes d adhésion de mastics polyuréthane (PU) sur supports polychlorure de vinyle (PVC) C. Chambat Thèse CIFRE + Sika, Gournay en Bray François Adeleu ICSI, Mulhouse 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 7

8 Application principale : joint d étanchéité Profilé pour fenêtre : PVC Mastic : PU Problème : adhérence limitée sur certains supports PVC sans utilisation de primaire 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 8

9 Les mastics polyuréthane PU Mastics monocomposants réticulant par l humidité atmosphérique Formulation complexe nombreux constituants pour atteindre les caractéristiques recherchées : joints élastiques souples réticule rapidement - ne coule pas pas de poussière bas module capacité de déformation élevée bonne adhérence sur tout support étanchéité assurée bonnes propriétés de vieillissement aux intempéries, UV Maîtrise de tous les éléments de la formulation 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 9

10 Le profilé pour fenêtre : PVC formulé PVC n [ClCH=CHCl] -[CHCl-CH 2 ] n Formulation profilés pour fenêtre : stabilisants à la température stabilisants aux UV agent de démoulage charges pas de plastifiant Formulation complexe imposée par le marché sans maîtrise des éléments en surface 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 10

11 Assemblages PU / PVC : Formation du joint Etape préliminaire = établissement des interactions interfaciales : mouillage du PVC par le PU liquide van der Waals (universelles - longue portée) électrostatiques (longue portée) liaisons hydrogène et acide-base (courte portée) liaisons chimiques (courte portée) structurales (rôle d intermédiaire du solvant) θ PVC 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 11

12 Assemblages PU / PVC : Rupture du joint ( ) Que connaissons-nous? G = W ϕ 1+Φ(v,T,...) G0 Interactions interfaciales et leurs évolutions PU Propriétés mécaniques massiques et locales / Dissipation Ancrage mécanique PVC Local dissipation 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 12

13 Objectifs de l étude Définir les mécanismes interfaciaux responsables du comportement adhésif de l interface PVC/PU Quelles sont les relations entre les propriétés des PU et PVC et leur comportement adhésif? Comment améliorer les performances adhésives sans mettre en œuvre de primaire d adhérence? 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 13

14 Notre démarche : 1. Caractériser les surfaces de PVC 2. Analyser et comprendre le rôle des constituants entrant dans les compositions de PU 3. Evaluer les propriétés interfaciales des assemblages étudiés 4. Modifier l interface pour augmenter l adhésion 5. Piste d amélioration des formulations proposées 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 14

15 1. Caractériser les surfaces de PVC Mise en œuvre de techniques complémentaires : 1. Mouillabilité e analysée = qq nm mais pas d information chimique 2. XPS - e analysée < 10 nm analyse élémentaire et environnement chimique 3. MEB/EDX morphologie de surface et défauts + analyse élémentaire - e analysée 1 µm 4. FTIR mode ATR (cristal diamant) fonctions superficielles - e analysée 1 à 2 µm Objectif 1 Acquérir une bonne connaissance de la surface des substrats 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 15

16 Mouillabilité γ s d (mj.m -1 ) I nd SL (mj.m -1 ) PVC pur PVC PVC PVC P 2 µm XPS C (%) Cl (%) O (%) Pb, Ca, Si (%) PVC pur 66 33,4 0,6 0 PVC PVC PVC W 2 µm Energie de surface : inférieure au PVC pur XPS : composition atomique éloignée du PVC pur oxydation de surface Pas de différence significative physico-chimique entre les PVC étudiés Extrême surface PVC pur contamination par migration d additifs et oxydation 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 16

17 2. Analyser et comprendre le rôle des constituants entrant dans les compositions de PU 1. Choisir des formulations conduisant à des comportements différents en adhérence tout en maintenant un certain nombre de paramètres constants (par ex charges) 2. Définir des conditions de mise en œuvre susceptibles de modifier le comportement adhésif : température et HR 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 17

18 2. Analyser et comprendre le rôle des constituants entrant dans les compositions de PU 1. Cinétique de réticulation test de pénétration 3 aspects à considérer 2. Propriétés de surface Energie de surface et polarité - mouillabilité Fonctions de surface - FTIR en mode ATR 3. Propriétés massiques Caractérisation des réseaux - gonflement Propriétés mécaniques statiques E, σ R et ε R Cohésion test de déchirement Objectif 2 Acquérir une bonne connaissance des propriétés des mastics 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 18

19 5 Young Modulus (MPa) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Mastic HR 15 C 20 C 35 C % 80% 50% 80% 50% 80% 1A - 50 % 1A - 80 % P2-50 % P2-80 % P15-50 % P15-80 % Unités d'absorbance 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 P15 réticulé 1A réticulé Mastic3 Mastic cm -1 NH urée cm -1 C=O libre uréthane 2270 cm -1 Pas d'isocyanate Nombre d'onde (cm -1 ) 1633 cm -1 C=O lié urée C 50 % HR 35 C 50 % HR Différence significative d énergie de surface Pas de séparation de phase Pas de loi simple permettant de corréler E, cohésion, T et HR 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 19

20 3. Evaluer les propriétés interfaciales des assemblages étudiés Proposer le test le mieux adapté à l objectif visé (compréhension des mécanismes interfaciaux) Test industriel - joint bout à bout : fortement influencé par les propriétés massiques Test de pelage à 180 : plus sensible aux variations de l interface F F Renfort PU PVC PU Mastic PU PVC 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 20

21 Estimer le comportement interfacial en tenant compte : des propriétés massiques - conditions de test (v, T) des propriétés interfaciales pelage en milieu liquide Associer à l énergie de séparation, la localisation de la rupture interfaciale ou cohésive Objectif 3 Déterminer les relations entre les propriétés des PU et PVC et leur comportement adhésif 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 21

22 Pelage Cohésion Energie de pelage (N.m -1 ) C 20 C 35 C C : rupture cohésive C C C C Energie de cohésion (N.m -1 ) C 20 C 35 C Mastic HR % 80% 50% 80% 50% 80% 1A - 50 % 1A - 80 % P2-50 % P2-80 % P15-50 % P15-80 % 0 Mastic HR % 80% 50% 80% 50% 80% 1A-50% 1A-80% P2-50% P2-80 % P15-50% P15-80 % Interactions de nature physique Pas de loi simple permettant de corréler G, T et HR Interviennent simultanément l énergie de cohésion et les propriétés à l origine dont les variations sont complexes avec T et HR 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 22

23 4. Modifier l interface pour augmenter l adhésion 1. Agir sur le substrat PVC méthode simple sans mise en œuvre de primaire d adhérence activation par des solvants (éliminer l agent de démoulage interne, des additifs, augmenter la mobilité des chaînes polymères) oxyder la surface par traitement UV ou UV/T 2. Agir sur le PU en examinant les possibilités potentielles permettant d agir sur les interactions interfaciales ou la cohésion modifier le plastifiant et les additifs ajouter un agent de couplage interne ajouter un solvant MODIFIER LA COHESION DES MASTICS 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 23

24 5. Piste d amélioration des formulations proposées Caractéristiques mécaniques à atteindre pour le PU : Bas module et ε R > 500% Absence de seuil de plasticité Seule alternative pour assurer un comportement satisfaisant Diminuer la cohésion de la formulation en agissant sur le prépolymère Compromis à trouver car de nombreuses caractéristiques s opposent! 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 24

25 Retombées industrielles Compréhension des causes de mauvaise adhérence des mastics sur certains supports grâce à l'expertise du laboratoire et des moyens d'essai plus sophistiqués que ceux de SIKA permettant une approche plus scientifique Meilleure compréhension du comportement mécanique des produits en fonction des efforts auxquels ils sont soumis Définition d'un profil de comportement mécanique "idéal" Les conclusions ont conduit SIKA à élaborer un nouveau projet de recherche ayant pour but de synthétiser de nouveaux polymères compatibles avec le comportement recherché. 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 25

26 Avantages : formation par la recherche de jeunes acquisition de compétences complémentaires et maîtrise de techniques souvent non disponibles dans les entreprises Merci de votre attention 25 0ctobre 2007 CRITT MATERIAUX ALSACE 26