COLLAGE, physique

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L'assemblage par collage existe depuis des millénaires. Les hommes du paléolithique collaient leurs flèches avec du brai de bouleau ou du bitume. Malgré les progrès faits dans la formulation des colles et la compréhension du comportement des polymères qui assurent le collage, celui-ci demeure une technologie empirique. L'« ancrage », le processus par lequel la colle s'attache au substrat, est mal connu, ce qui empêche le calcul des propriétés d'un collage sans une approximation (de taille), consistant à supposer qu'il est « bon ».

Aujourd'hui, les mots « colle » et « adhésif » sont souvent utilisés indifféremment pour désigner les produits qui assurent le collage. Cela est dû à l'influence de la langue anglaise où le terme glue, qui désigne la colle, est péjoratif, ce qui conduit les scientifiques à lui préférer le mot adhesive. La terminologie adoptée dans cet article est la suivante : la colle est un produit destiné à unir deux pièces après durcissement, et l'adhésif, un produit s'assemblant par pression. Colles et adhésifs correspondent bien à l'existence de deux grandes classes de composés selon que le polymère est déjà formé avant le collage ou qu'il se forme par une réaction qui s'accomplit pendant le collage ; ce dernier, dans tous les cas, n'est efficace que grâce à une compatibilité du polymère et de ses supports.

Les grandes familles de colles

Les colles et la plupart des adhésifs sont des liquides qui durcissent. Pour les obtenir, les chimistes connaissent trois moyens.

Une méthode consiste à dissoudre un solide dans un solvant, ce qui donne un liquide ; celui-ci, après application et évaporation du solvant, se solidifie de nouveau. Ce sont les « colles à solvant » (on devrait dire adhésif). Un exemple en est la « dissolution », solution de néoprène dans le toluène qui permet de coller les rustines sur les chambres à air de vélo crevées. La tendance est de les remplacer par des solutions aqueuses.

Un deuxième moyen utilise la fusion d'un solide : transformé en liquide, il redevient solide après refroidissement. Les colles utilisant ce principe s'appellent des « thermofusibles » ou hot-melt. Elles sont très utilisées pour l'assemblage des tissus en confection et l'intérieur des automobiles.

Enfin, deux composants liquides peuvent réagir entre eux pour former un polymère solide. Ce sont les colles de « réaction », apparues à la fin du xixe siècle en même temps que les matières plastiques. C'est avec ces produits que l'on obtient des collages résistants, pouvant transmettre une force dans une structure, aussi les nomme-t-on « colles de structure ».

Colles de réaction

Les colles de réaction se trouvent sous forme de liquides, de pâtes ou de poudres.

Elles sont constituées soit de deux composants qui durcissent à partir de la température ordinaire, soit d'un seul qui contient un durcisseur latent activé par la chaleur. Ces colles existent aussi en films supportés ou non par un tissu. Le durcissement est dû à des réactions en chaîne de petites molécules, les monomères, qui conduisent à des macromolécules réticulées, c'est-à-dire formant un réseau de chaînes reliées entre elles.

La liaison entre les monomères peut se faire par union de deux radicaux (polymérisation), union de deux fonctions (polyaddition) ou union avec élimination d'une petite molécule, généralement de l'eau (polycondensation).

Les colles phénoliques

Les colles phénoliques sont les plus anciennes colles de réaction. Leur durcissement résulte d'une polycondensation de la formaldéhyde (CH2O) avec un phénol qui s'accompagne de la formation d'une molécule d'eau. Elles sont essentiellement utilisées pour assembler les substrats poreux comme le bois car il est difficile d'éliminer l'eau produite. Aussi, il faut exercer une forte pression sur l'assemblage. Comme elles sont bon marché, elles continuent à être utilisées pour la fabrication des contre-plaqués.

Les colles acryliques

Le groupe d'atomes acrylate (CCHCOOR) forme un réseau de polymère tridimensionnel par polymérisation radicalaire (R est le radical). La formation de radicaux peut être initiée par un alkyleborane ou par un peroxyde en présence d'ions ferreux ou cuivreux. Ce dernier est utilisé dans la formulation des colles dites « anaérobiques » qui ne collent que sur les surfaces contenant du fer ou du cuivre et nécessitent un « activateur » sur les autres. Le radical peut aussi être formé via un initiateur excité par la lumière et/ou le rayonnement ultraviolet (photopolymérisation). Dans les cyano-acryliques, la double liaison C=CH est activée par une fonction nitrile (R-CN) ; le radical se forme rapidement sous l'action d'une base ; la basicité de l'eau suffit et le durcissement peut s'effectuer en quelques secondes. Les colles acryliques sont utilisées de longue date en chirurgie et en médecine dentaire, ce qui leur donne un brevet de bio-compatibilité qu'il leur serait difficile d'obtenir avec les critères actuellement exigés. Par exemple, un produit comme l'octyle-cyanoacrylate est utilisé en médecine pour suturer les plaies et recoller de la peau sur les grandes brûlures.

Les colles époxy

Les colles « époxy » utilisent la réaction de polyaddition d'une molécule contenant une fonction oxiranne (ou époxyde, C2H4O) avec un nucléophile tenant le rôle de durcisseur. Pour former un réseau tridimensionnel, on utilise des molécules bifonctionnelles. En pratique, le durcisseur est une diamine (composé possédant deux fois la fonction RNHx) ou un mélange de diamines.

Le diépoxyde est une résine dérivée du « diglycidile éther du bisphénol A » DGEBA ou BADGE pour les associations de consommateurs (bisphénol A diglycidile éther). C'est un produit industriel courant contenant des oligomères qui permettent de maintenir le composé, normalement solide, à l'état de liquide épais d'où son appellation de résine. Généralement la colle est livrée en deux tubes contenant l'un la résine et l'autre le durcisseur aminé. Certaines formulations « monocomposant » contiennent le durcisseur sous une forme inactive. Il faut activer celui-ci en les chauffant à 120-140 0C.

Les colles « modifiées »

Le produit des réactions mentionnées ci-dessus est souvent rigide et cassant. Son utilisation est limitée à des collages minces entre des substrats rigides. L'addition d'une phase souple dans le réseau tridimensionnel va permettre d'en augmenter la ténacité. Ce peut être un thermoplastique en poudre ou, mieux, un caoutchouc liquide. Au fur et à mesure de la formation du réseau, il va en être expulsé et former des billes qui freineront la propagation des fissures sous contrainte. Ce procéd [...]

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Variation de l'énergie de fracture avec la vitesse de pelage

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Clivage d'un joint collé

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, chef du groupe Matériaux, Asulab, Swatch Group R.-D.

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Pour citer l’article

Jacques COGNARD, « COLLAGE, physique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/collage-physique/