colles et adhésifs

Classesd’adhésifs

Réalisation decollages Colles et Adhésifs

Maëlenn AUFRAY

Cours 3A INP-ENSIACETOption MAFO

2009


Réalisation decollages

Sommaire

1 Classes d’adhésifs

2 Réalisation de collages



Définitions

Colles et adhésifs

⇒ 2 termes pour une même fonction !

⇒ Ce sont tous des polymères



Quelques dates . . .Car les adhésifs sont utilisés depuis des millénaires !

Époque Matériaux/Adhésif/ApplicationsNéolithiqueFixation avec du bitume des pointes en os aux tiges des flèches

3000 .av. J.-C.

Fabrication et utilisation d’agents adhésifs à base de substancesnaturelles

2000 .av. J.-C.

Les Egyptiens fabriquaient des adhésifs végétaux et animaux

Dédale

Inventeur des adhésifs ou colles : le blanc d’œuf était utilisécomme adhésif pour les dorures des livres, les résines et jus vé-gétaux pour le collage du bois

Chineantique

Les laques et adhésifs servaient pour peindre et traiter la soie

1100 .av. J.-C.

Fonte du soufre et puis refroidissement très rapidement de fa-çon à en obtenir la phase élastique. Les lames de couteaux, lesflèches et les fers de lance étaient collés à leurs manches en boisau moyen de ce “hot-melt ”



Quelques dates . . .

Époque Matériaux/Adhésif/Applications

16ème

siècle

Invention de l’imprimerie : relance l’intérêt pour les colles et entraînel’amélioration des adhésifs animaux et végétaux (gomme arabique,sève d’acacia, latex des plantes à caoutchouc, . . .)

vers1850

Amélioration significative des propriétés des polymères naturels enles modifiant (invention de la vulcanisation du caoutchouc naturel sui-vie de celle du premier adhésif semi-synthétique : la nitrocellulose ou“celluloïd“)

1910 Premiers adhésifs thermofusibles à base de phénol-formaldéhyde(Bakélite), puis d’esters de cellulose pour le collage du bois

1930 Urées-formaldéhyde

1936 Polyesters insaturés, polyépoxydes

1947 Dépôt du brevet sur le procédé de fabrication des cyanoacrylates

1957 Cyanoacrylates produits industriellement

1967 Développement des polyimides



Formulation

BasePolymère ou mélange de polymères

AdditifsPlastifiantsTackifiantsCires cristallinesAgents épaississants, fluidifiants, “thixotropants”Lubrifiants, agents de démoulageColorants, stabilisants (antioxydants)

Charges

MinéralesOrganiques



Classements

Type de polymère (TP/TD ou amorphe/semi-cristallin . . .)

Forme (liquide, film, pâte . . .)

Mode de durcissement (thermofusible, solvant, réaction)

Définitions

Adhésifs à Mise en Œuvre Physique = AMOP⇒ Initialement liquides = Colles à solvant⇒ Initialement solides = Colles thermofusibles et PSA

Adhésifs à Mise en Œuvre Chimique = AMOC⇒ Durcissement par réaction de polymérisation



AMOP liquide - Colles solubilisées dans l’eau

AMOP liquide solubles dans l’eau

La colophane

L’amylopectine

La cellulose(colle pour papiers peints)

L’albumine, la caséine

Le bitume

PEG, Poly(alcool vinylique) . . .



AMOP liquide - Cas des émulsions

PVA = Polyacétate de vinyleAcétate de vinyle copolymérisable avec acryliques ouanhydridesEmulsions de polyacrylates



AMOP liquide - Colles à solvant

AMOP liquide solubles dans des solutions organiques

Caoutchouc

Polyisobutène (PIB)

Polydiènes

PU thermoplastiques



AMOP - Colles contact

Polychloroprène

PU



AMOP solide - Colles thermofusibles

Dérivés du PE :copolymérisationradicalaire ou greffage

PolyamidesPolyestersPU



AMOP solide - Adhésifs sensibles à la pression

Films et rubans adhésifs

PolyacrylatesScotch de bureau,d’emballage

Polydiènes/polyvinyliques

SIS = polymère triblocsstyrène-isoprène-styrène

SBS = polymère triblocsstyrène-butadiène-styrène



AMOC = Adhésifs de réaction

Durcissement par réaction de polymérisation

⇒ Polyaddition et polycondensation



Durcissement par mélange des composants

PrincipeRéaction chimique classique

⇒ Respecter la stœchiométrie !

⇒ Éviter toute formation de bulles (couche de faible cohésion)



Durcissement par mélange des composants

⇒ Ce sont donc des bicomposants

Exemples

Époxydes

PU

Polyesters

Acryliques



Durcissement par apport de chaleur

Principe

La réaction de polymérisation ne commence qu’à unetempérature donnée

N.B. Le durcissement par mélange des composants peut être classé dans

“Durcissement par apport de chaleur” si Treaction = Tambiante



Durcissement par apport de chaleur

monocomposants

Époxydes

bicomposantsPhénol-formolÉpoxydesPhénoliquesPA

⇒ Adhésifs utilisés essentiellement pour coller des métaux



Durcissement aux UV

PrincipeAssemblage de matériaux transparents aux UV⇒ Verre, PMMA, PC, POM . . .

Respecter longueur d’onde, temps d’irradiation . . .⇒ UV-A (380-315 nm) utilisés généralement

Les UV décomposent un type de molécule pour formerdes radicaux libres servant d’amorceurs

Utilisation de masques possible



Durcissement aux UV

monocomposants

Adhésifs acryliques (les + anciens)

Polyesters

PU avec doubles liaisons



Durcissement à l’humidité de l’air

PrincipeHumidité de l’air de 65%

⇒ < 40% d’humidité→ pas de durcissement

⇒ > 80% d’humidité→ durcissement trop brutal



Durcissement à l’humidité de l’air

Exemples (monocomposants)

PU et Silicones (polysiloxane)

Base ester de l’acide cyanoacrylique



Durcissement par effet catalytique et sousexclusion d’air/oxygène

PrincipeEffet catalytique par contact métallique⇒ Collage des métaux exclusivement !

Domaines d’application :freinage, collage, étanchéification



Durcissement par effet catalytique et sousexclusion d’air/oxygène

monocomposants

Diacrylate



Exemple d’adhésifs de réaction -Poly-époxydes

Monomères ou oligomères terminés par des fonctions oxiranne⇒ DGEBA ou Novolaque

Co-monomère : amines, anhydrides




Exemples de monomères




Réactions époxyde-amine : polycondensation




Cas des époxydes monocomposant : Pas de réactiond’homopolymérisation de monomères époxydes maisblocage du co-monomère (amine)

par un complexe sensible à la chaleur.par l’état cristallin de co-monomère à Tamb

Co-monomère le plus utilisé : la dicyandiamide (Dicy)




ATTENTION : les époxydes sont très allergisants !

Certaines amines peu sympathiques . . .

Par contre, pas de solvant volatils

Nombreuses utilisations



Exemple d’adhésifs - PU

Réaction d’un di-isocyanate avec un produit hydroxylé(polyester-polyol, ou polyéther-polyol de f > 2)

Thermoplastiques formés si f=2 (TPU)Thermodurcissables si f>2 (PUR)AMOP et AMOC




Polymérisation par polycondensation




Monomères Diisocyanate courantsTDI = Toluène Diisocyanate

MDI = Diphényl Méthane Diisocyanate

IPDI = Isophorone Diisocyanate

HDI = 1-6 hexane diisocyanate




Formulation :

Mélange fréquent de différents types de monomères

Segments mous :diisocyanate + polyester-diol et/ou polyéther-diol

Segments durs :diisocyanate + amine et/ou polyol court




Cas des PU monocomposants :

di-isocyanate réagit avec l’humidité de l’air

Réaction parasite avec l’eau

Puis : isocyanate + amine→ urée

ou di-isocyanatebloqué par un agent complexant




PU très réactifs

Groupes isocyanates capables de réagir avec denombreux substrats

Liaisons H possibles



Exemple d’adhésifs - Acryliques

∃ adhésifs acryliques TP et TD

⇒ Font partie de la classe des vinyliques

Exemple de polymérisation du PMMA



Exemple d’adhésifs - Acryliques

Cas particulier des colles cyanoacrylates



Exemple - Acryliques : Cas particulier descolles anaérobies

Composition :monomère (MMA et/ou PU-acrylate)initiateur (peroxide)+ catalyseur . . .

⇒ Formation de radicaux initiée par une réaction redox desions métalliques



Exemple d’adhésifs - Silicones

Silicone = Polysiloxane

⇒ Composés inorganiques formés d’une chaînesilicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle desgroupes se fixent, sur les atomes de silicium

⇒ Exemple : le PDMS




Plusieurs polymérisations possibles :

Polyaddition

Polycondensation




Cas particulier des colles MS-polymère⇒ Marque déposée par Kaneka

⇒ MS-polymère = modified-silicone polymer =Silyl-terminated polyether (STP)

⇒ Combine les propriétés des PU et des silicones



Annexe - Liste non-exaustive d’adhésifs

Nom Acronyme ClasseAcétate de cellulose CA Ester de celluloseNitrate de cellulose = nitrocellulose CN Ester de cellulosePhénol-formaldéhyde PF polymère phénoliquePolyamide PA PolyamidePolycarbonate PC PolyesterPolydiméthylsiloxane PDMS Polysiloxanepolyétheréthercétone PEEK PolycétonePolyéthylène PE PolyoléfinePolyéthylène oxyde PEO PolyétherPolyéthylène glycol PEG PolyétherPolyéthylène téréphtalate PET PolyesterPolyimide PI PolyimidePolyisocyanate PIC PolyamidePolyacrylonitrile PAN Polymère vinyliquePolybutadiène PBD Polymère diènePolyacrylate de méthyle PMA Polymère vinyliquePolyméthacrylate de méthyle PMMA Polymère acryliquePolyoxyméthylène PMO PolyétherPolypropylène PP polyoléfinePolysiloxane silicones Polymères inorganiquePolystyrène PS Polymère vinyliquePolytétrafluoroéthylène PTFE Polymère vinyliquePolyacétate de vinyle PVAc Polymère vinyliquePolychlorure de vinyle PVC Polymère vinyliquePolyépoxydes EP PolyépoxydesPolyuréthanes réticulés PUR PolyuréthanesPolyuréthanes thermoplastiques TPU Polyuréthanes



Annexe - Propriétés de quelques adhésifs

Nom Acronyme Tg (°C) Tm (°C)Polyéthylène PE-LD -100 120Polyéthylène PE-HD -70 135Polyoxyméthylène POM 175 à 180Polypropylène PP -30 165Polyamide PA-12 40 à 80 180Polyamide PA-11 40 à 80 186Polyamide PA-6 40 220 à 230Polyamide PA-66 50 260Polyacétate de vinyle PVAc 30Polychlorure de vinyle PVC 85 190Polystyrène PS 100Polyméthacrylate de méthyle PMMA 105Polycarbonate PC 155 235Polyéthylène téréphtalate PET 69 256Polytétrafluoroéthylène PTFE -20 327polyétheréthercétone PEEK 143 335

Jacques RaultLes polymères solides

Cépaduès-éditions, 2002, 254p.



Bibliographie - Première partie

Jacques CognardScience et technologie du collage

Presses polytechniques et universitaires romandes, 2000, 322p.

E. H. Schindel-BidinelliPratique du collage industriel

Lavoisier, Ted et Doc, 1992, 246p.




Philippe CognardCollage des matériaux. Mécanismes : Classification des collesTechniques de l’ingénieur : BM 7 615

Stéphanie Clouet et Frédéric FortierLes rubans adhésifsTechniques de l’ingénieur : BM 7 612

Éric PaponChimie et mise en œuvre des adhésifs12èmes Journées d’Étude sur l’adhésion, Session de formation, 2003

H. HAIDARAMécanismes fondamentaux du mouillage et de l’adhésion12èmes Journées d’Étude sur l’adhésion, Session de formation, 2003



Sommaire

1 Classes d’adhésifs

2 Réalisation de collages



Avantages du collage

Avantages du collage

Assemblage de matériaux fragilesAssemblage de matériaux différentsAssemblage de matériaux mincesRépartition des contraintesConservation des dimentionsRéduction du nombre de piècesEtanchéité, Esthétique, lutte contre la corrosion,isolation ...Rattrapage des tolérancesRépartition des contraintes



Inconvénients du collage

Inconvénients du collage

Limite de températureVieillissementFiabilitéSensibilité à l’environnement (H2O)DémontageContrôle non destructifPréparation de surface



Vocabulaire technique

Grammage

Quantité d’adhésif déposé par unité de surface

Pégosité (Tack)

Faculté d’un adhésif de maintenir ensembleinstantanément deux supports (=adhérenceinstantanée).

Encollage

Phase du collage pendant laquelle on appliquel’adhésif sur le ou les supports.

Fluage

Déformation irréversible progressive d’unmatériau soumis de façon prolongée à unecontrainte. Pour les adhésifs, écoulementvisqueux du joint de colle en service.

Thixotropie

Propriété qu’ont certains fluides de passer d’unétat visqueux à un état liquide lorsqu’on lesagite et de retrouver leur état initial après untemps de repos.

Durée de vie en pot

Durée de conservation admise pour une collemélangée à son durcisseur au-delà de laquelle lescollages deviennent moins bons, généralement parsuite d’un épaississement exagéré.

Durée de prise

Durée de maintien de deux surfaces encollées l’unecontre l’autre pour avoir une résistance suffisante ducollage au cours des manipulations d’usage.

Temps d’assemblage ouvert

Durée qui s’écoule entre l’application de l’adhésif etla mise en contact intime des substrats avec ou sanspression.

Temps de travail

Durée s’écoulant entre le moment où l’on peutcommencer l’affichage ou l’assemblage et le momentoù celui-ci devient inefficace.

Temps de gommage

Durée s’écoulant entre le moment de l’encollage oude réactivation de l’adhésif et celui où l’on peutprocéder à l’affichage ou à l’assemblage.



Forme des joints




⇒ Dimensionnement à ne pas négliger !

Analyses uniaxialesThéorie de VolkersenThéorie de DemarklesThéorie de Erdogan et Ratwani

Analyses biaxialesThéorie de Goland et Reissner. . .

Approches numériquesUtilisation des éléments finis. . .

Éric ParoissienContribution aux assemblages hybrides boulonnés/collésAplication aux jonctions aéronautiquesThèse de doctorat de l’Universités Toulouse III, 287p., 2006.



Conception des joints-DimensionnementAnalyses uniaxiales

Théorie de VolkersenAnalyse de l’état de contraintes dans un joint à simple recouvrement

T (x) = 0,5ηVb

cosh(ηV (0,5L−x))sinh(0,5ηV L) f

avec

ηV =

r2G

ee1E1

T (x) : contrainte de cisaillement dans l’adhésif (MPa)

ηV : constante de Volkersen (mm−1)

G : module de Coulomb de l’adhésif (MPa)

e : épaisseur de l’adhésif (mm)

e1 = e2 : épaisseur des substrats (mm)

E1 = E2 : module d’Young des substrats (MPa)

b : profondeur de la jonction (mm)

L : longueur du recouvrement (mm)

x : abscisse dans une base orthonormale

f : charge appliquée selon x (N)

Tmax = ηV L2tanh(ηV L)Tmoy avec Tmoy = f

bL ⇒ Topt = 2ηV

O. Volkersen 1938 et 1965




Demarkles améliore l’analyse précédente en tenant comptedes déformations de cisaillement des substrats

T (x) = ηDLsinh(ηDL)

[e2cosh(ηDx)+e1sinh(ηDL−ηDx)

e1+e2

]Tmoy

avec ηD =√

2G1G(e1+e2)Ee1e2(2G1e+G(e1+e2))

ici, e1 peut être différent de e2

L. R. Demarkles

Investigation on the use of rubber analogue in the study of the stress distribution in riveted and

cemented joint

NASA, Technical Notes N° 3413, 1955.




Analyse de Erdogan et Ratwani

⇒ Analyse de l’assemblage collé de 2 substrats en escalierpuis biseautés⇒ flexion des substrats négligée : seuls les efforts normauxdans le substrats et la contrainte adhésive de cisaillementsont considérés⇒ Calcul des contraintes de cisaillement de l’adhésif etapplication au cas du simple recouvrement

F. Erdogan and M. Ratwani

Stress Distribution in Bonded Joints

Journal of Composite Materials, Vol. 5, pp. 378-393, 1971.




Limite des analyses uniaxialesElles négligent le fait que pour une jonction à simplerecouvrement, le chargement est excentré, et qu’il existedonc un moment fléchissant, qui a pour effet de fairetourner le joint. Cette rotation est à l’origine de l’apparitionde contraintes normales de pelage dans l’épaisseur du jointen plus des contraintes de cisaillement.

Éric ParoissienContribution aux assemblages hybrides boulonnés/collésAplication aux jonctions aéronautiquesThèse de doctorat de l’Universités Toulouse III, 287p., 2006.



Conception des joints-DimensionnementAnalyses biaxiales

Analyses biaxiales⇒ Prise en compte de la flexion des substrats due àl’excentricité de chargement : introduction d’un moment deflexion en bord de joint⇒ L’adhésif est représenté par une infinité de ressortstravaillant en cisaillement et une infinité de ressortstravaillant en traction-compression (⊥



Conception des joints-DimensionnementAnalyses biaxiales

Analyse de Goland et ReissnerAnalyse en 2 temps

1 détermination de la répartition du chargement sur lasection rectangulaire du joint

2 détermination des contraintes dans la colle⇒ Solutions pour 2 cas particuliers

Fine couche de colle + rigidité similaire colle/substratsFine couche de colle + ses déformations ne sont pasnégligeables

M. Goland and E. ReissnerThe stress in cemented jointsJournal of applied mechanics, pp.A17-A26, 1944



Conception des joints-DimensionnementApproches analytiques vs approches numériques

Approches analytiques+© Solutions prêtes à

l’emploi+© Solutions nombreuses-© Validité des hypothèses

simplificatrices ? ? ?

Approches numériques+© Permettent d’éviter

certaines hypothèsessimplificatrices

-© Maillage fin nécessaire⇒ Temps de calcul

important



Conception des joints-Dimensionnement

Utilisation d’éléments finis dans l’étude des contraintesadhésives d’une jonction collée

Substrats élastiquesThéorie des poutresStructure substrat/adhésif/substrat→ éléments finis à 4noeudsDéplacements nodaux interpolés par des fonctionsclassiquesCalcul de la matrice de rigidité

⇒ Résultats en accord avec le modèle biaxial de Golandet Reissner

S. Amijima, T. FujiiA microcomputer program for stress analysis of adhesive-bondedjointsInt J Adhes Adhes 7, pp. 199-204, 1987



Conception des joints

Choix de la forme du joint

Choix du son mode d’application

Choix de l’adhésif

Préparation de la surface

CollageEncollageMise en place du joint

Séchage/polymérisation




Lavage/Dégraissage

Traitement mécanique

Traitement thermique

Traitement chimique

Traitement électrique

Revêtement/primaire




Lavage/Dégraissage

Il nettoie la surface sans modifier ses caractéristiques demouillabilité

SolvantsOn utilise généralement des dérivés d’hydrocarburesou de chlore. On choisit le solvant suivant les élémentscontaminants.Saponificationdestruction des graisses animales et végétales par laréaction (graisse plus base donnent glycérine plussavon)

⇒ Dégraissage par immersion, essuyage, . . .

⇒ Rinçage indispensable




Traitement mécanique

Sablageprojection d’une poudre abrasive.

Abrasion par ponçage/polissage

Ultrasons

⇒ Voie sèche, ou humide

⇒ Protection de la surface créée nécessaire



Rugosité

Rp : Pic maximal observé sur la longueur analysée. Si l’on pose unrepère cartésien dont l’axe des abscisses est aligné sur la lignecentrale de la surface à mesurer, le pic maximal, lu sur l’axe desordonnées, pourra également être noté Rp = ymax

Rc : Creux maximal observé sur la longueur analysée. Rc = |ymin|

Rt : Rugosité totale. Elle correspond à la somme du pic maximal etdu creux maximal observé sur la longueur analysée. Rt = Rp + Rc

Ra : Écart moyen, ou moyenne arithmétique des distances entrepics et creux successifs. “Ra“ correspond à la différence entre cettedistance moyenne et la ”ligne centrale“. Ce paramètre ”moyen“permet de donner une indication générale résumant les autresparamètres de rugosité d’une surface donnée, et est parconséquent fréquemment utilisé. Ra = 1

n

Pni=1|yi |

Rq : Moyenne arithmétique des distances entre pics et creux

successifs Rq =q

1n

Pni=1y2

i




Traitement thermique

⇒ Un traitement d’une heure à 300°C est souvent trèsefficace pour le collage.




Traitement chimique⇒ Permet d’éliminer la couche d’oxydes recouvrant certains métaux

Fer et alliagestraitement acide. Il y a risque de fragilisation pour les aciers ayantsubi un traitement thermique pour augmenter la dureté.

Acier inoxil faut reformer la couche de passivation détruite par traitementmécanique. Le traitement est à base de HNO3, H2SO4, . . .

Cuivre et alliagestraitement au chlorure ferrique + HNO3 ou HCl, au mélangesulfochromique Ce traitement est délicat car le collage doit suivreimmédiatement le décapage.

Aluminium et alliagesil existe diverses méthodes dont une conservation de la couched’oxydes et dégraissage de la surface, un décapage chimique suivid’un décapage électrochimique, . . .




Traitement électro-chimiqueAnodisation

à la cathode

H+ + e – −−→ 12 H2

à l’anode

Al −−→ 3 e – + Al+3 , puis 2 Al+3 + 3 H2O −−→ Al2O3 + 6 H+

Équation bilan

2 Al + 3 H2O −−→ Al2O3 + 3 H2




Traitement électriquePlasma (état de la matière)⇒ pour métaux et polymèresmais aussi traitement coronaLaser. . .




Fonctions d’un primaireBoucher les poresAméliorer la mouillabilitéProtéger la surface



Règles d’assemblage : Encollage et application

Les facteurs d’influence sont :

La viscosité, rhéologie, thixotropie

La nature chimique : le matériau des applicateurs peutattaquer les colles et inversement.

Adhésifs mono ou bi-composants : problème deconservation, de préparation et de quantité nécessaire.

Adhésifs hot melts : Problèmes de mise en œuvre.

Durée de prise, nettoyage, sécurité.



Mise en œuvre : Assemblage et durcissement

Les paramètres importants sont :

L’épaisseur du joint

La pression exercée

La montée en température

Le maintien en position des éléments à assemblerOn peut employer pour l’assemblage un outillagespécial (serre-joints, presse à rouleaux, . . .)

Éventuellement, mise à l’étuve



Associations diverses

http ://www.feica.comFEICA : Association of European adhesives andsealants manufacturers

http ://www.fipec.orgFIPEC : Fédération des industries des peintures,encres, couleurs, colles et adhésifs

http ://www.aficam.frAFICAM : Association Française des Industries Colles& Adhésifs et Mastics,

http ://www.creacol.frCRéACOL : Transfert de technologie auprès desentreprises Spécialiste de l’Assemblage par Collage

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