COLLAGE, physique

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 », W_a, que l'on peut calculer à partir des énergies superficielles, γ_s, du substrat et, γ_l, de l'adhésif et de l'énergie interfaciale, γ_sl. W_a = g_s + γ_l — γ_sl.. 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, D_c, 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[...]

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