COLLAGE, physique

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Pourquoi ça colle ?

Il est clair que, pour réaliser un assemblage, il faut qu'il y ait une continuité entre les liaisons chimiques qui assurent la cohésion des substrats et la colle (ou l'adhésif). L'origine de cette liaison a été attribuée à des liaisons chimiques faibles, dites « de Van der Waals », ou « dispersives », qui existent entre tous les corps. De ces interactions résulte « l'énergie d'adhésion », Wa, que l'on peut calculer à partir des énergies superficielles, γs, du substrat et, γl, de l'adhésif et de l'énergie interfaciale, γsl. Wa = gs + γl — γsl.. Elle est de l'ordre de 0,1 J.m—2, ce qui est bien vérifié dans le cas de l'adhésion d'un poinçon en caoutchouc à une surface de verre. C'est bien insuffisant pour assurer la résistance d'un collage utilisable dans un produit. Même si l'on y ajoute la contribution d'un « ancrage mécanique » dû à la rugosité de la surface du substrat, on est encore loin de ce qui est nécessaire. L'énergie de séparation d'un collage est 1 000 à 10 000 fois plus grande. Ce qui conduit à distinguer « l'adhésion », résultant des interactions chimiques, de « l'adhérence », qui mesure la résistance à la séparation.

L'ancrage

D'où provient la différence entre un collage fort et un collage faible ? Les physiciens expliquent qu'elle est due à la dissipation d'énergie dans les colles. En effet, la résistance des polymères soumis à une tension provient de leur capacité à dissiper l'énergie en formant des cavités, des craquelures ou des craquelides (traduction de l'anglais croids, contraction de craze et de voids).

Seulement voilà, pour que la colle puisse dissiper de l'énergie, il faut qu'elle soit ancrée au substrat. L'ancrage est le facteur clé du collage et l'on ne sait pas bien le mesurer ni comment l'établir. C'est le travail principal dans l'élaboration d'un procédé de collage. Toutefois, on remarque que, selon le traitement de la surface, la même colle peut se rompre dans le volume (rupture cohésive) ou le long de l'interface (rupture adhésive). Dans les conditions normales, dès que la densité d'ancrage D est comprise entre 20 et 40 p. 100 de la densité maximale, la valeur de résistance à la rupture atteint son maximum. En effet, dès que D est supérieure ou égale à la densité spécifique, Dc, des chaînes de polymère dans le volume, l'énergie de fracture est celle de la colle, la rupture est cohésive.

L'interdiffusion

L'adhérence de deux matières plastiques l'une à l'autre dépend de l'interpénétration des chaînes. Certains plastiques sont collés l'un à l'autre simplement en ajoutant un solvant qui facilite l'interpénétration. En général, un peu de plastique dissous est ajouté au solvant. C'est ainsi que les plombiers assemblent les tuyaux en PVC (polychlorure de vinyle) avec une solution de PVC dans du THF (tétrahydrofurane). Dès que les chaînes sont interpénétrées sur une quinzaine de nanomètres (1 nm = 10—9 m), l'adhérence atteint la résistance du substrat. Le collage du bois ou des prothèses dentaires se fait par également interpénétration du réseau de colle dans le substrat. Lorsqu'une colle de réaction est déposée sur le substrat, les composants liquides peuvent y pénétrer et réagir en formant un réseau interpénétré dont la profondeur peut atteindre une centaine de micromètres (1 μm = 10—6 m) selon les conditions de durcissement. L'interpénétration est liée à des interactions spécifiques qui ne sont pas connues pour chaque produit ; il est donc nécessaire de faire des essais. Dans les formulations composées d'une résine époxy et d'un durcisseur aminé, celui-ci joue un rôle déterminant. Il peut pénétrer dans le substrat ouvrant la voie à la diffusion de l'époxy. Cela dépend du durcisseur, s'il diffuse dans le substrat, il forme une interphase pouvant atteindre 200 μm, ce qui assure un bon collage. S'il ne diffuse pas, l'adhérence est négligeable.

L'interphase microcomposite sur les surfaces inorganiques

Le collage des métaux, des verres et des céramiques est plus compliqué. Il se produit au voisinage de l'interface des réactions avec la colle qui créent une couche perturbée, l'« interphase », dont la constitution assure la liaison.

L'adhésion du caoutchouc aux fils d'acier laitonnés des pneus à carcasse radiale illustre le concept d'ancrage par réaction avec le substrat. Le caoutchouc, qui joue le rôle de colle de réaction, est réticulé par du soufre (vulcanisation). Il n'adhère pas à la surface de l'acier. L'adhésion se produit lorsque du cuivre est présent en surface par des réactions en plusieurs étapes. Le soufre forme des dendrites de sulfure de cuivre CuxS qui accrochent les chaînes de caoutchouc à la surface. La cinétique n'est pas déterminée, mais il faut d'abord que du zinc migre en surface et se transforme en oxyde, lequel modère la vitesse de croissance des dendrites à partir des inclusions de cuivre. La température est choisie de façon à ce que la vulcanisation commence avec un certain retard sur la sulfuration pour que les dendrites se forment avec la bonne densité et la bonne longueur.

Le traitement de surface

Les progrès dans la fiabilité des collages sont dus à la mise en œuvre de traitements de surface adaptés à chaque substrat. Le traitement de surface doit faciliter l'ancrage de l'adhésif et protéger la surface de la corrosion. Comme les conditions d'ancrage ne sont pas connues, le traitement de surface relève du savoir-faire. Les métaux ont des énergies de surface élevée, ce qui est déduit par les physico-chimistes de l'extrapolation des valeurs mesurées sur l'oxyde fondu. Si c'est théoriquement vrai, c'est pratiquement faux. Une goutte d'eau (γs = 72 mJ.m—2) posée sur un métal reste sous forme hémisphérique avec le même angle de contact que sur la surface d'un polymère d'énergie superficielle γs = 45 mJ.m—2. Il en va de même pour les colles. Aucune ne mouille une surface, au mieux il y a mouillage partiel que l'on force en pressant le deuxième substrat. La surface des métaux, sauf l'or, est recouverte d'une couche d'oxyde hydraté. Les mesures spectroscopiques mettent en évidence, dans les premières couches superficielles, la présence de carbone en concentration atomique de 40 à 70 p. 100. Cela n'est pas dû à des contaminations. En réalité, il s'agit d'une couche incrustée qui résulte du processus même de formation de la surface lors de la mise en forme du métal. Après trois lavages à la lessive en présence d'ultrasons, la concentration de carbone à la surface de l'acier inoxydable 316L est encore de 30 p. 100. C'est que, sur Terre, un matériau ne peut pas exister avec une énergie de surface élevée. Lorsque l'on sépare les atomes d'un solide pour créer une surface, ils sont excités comme s'ils étaient chauffés à plusieurs milliers de degrés ; dans ces conditions, ils perturbent les couches internes et réagissent avec tout ce [...]

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

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 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/collage-physique/