ADHESION et ADHERENCE es MATERIAUX MECANISMES D'ADHESION Alain LAMURE 1
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
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) 80-250 50-220 25-85 2-10 1-10 1-5 0,5 Distance interaction (Å) 1,5-2,4 1,5 2,4 2,6 3,0 2,6 3,0 3 5 3 5 3-5 Polarisation (Keesom) : E ~ - cte/t.r 6 Inuction (Debye) E ~ - cte/r 6 Dispersion (Lonon) E ~ - cte/r 6 3
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
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
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) 43 51 63,5 115 152 228,6 Résistance pelage (N) 9 9 10,5 13,5 18 25 6
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
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
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
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 3-2- 4, 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
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
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
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 48 29 19 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) 15 20 25 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
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 = 1 + 2-2. 1 2 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
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 + 2.. 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
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 E42 99 98 1 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
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 : = + 2. 2. 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
ADHESION, ADHERENCE es MATERIAUX COLLES ET ADHESIFS Alain LAMURE
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 1938 1942 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 1964 1965 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
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 = 30 50 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
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
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 4 000 70 000 Revêtement e sols Colles à bois 8 000 30 000 Assemblage es meubles Colles mastics 100 000 300 000 Joints e forte épaisseur ( 1 mm) Mastics > 300 000 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 100 200 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
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
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
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 40 70 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