L’assemblage par collage – décryptage

Il y a quelques mois, j’avais promis un article sur les assemblages collés. Le sujet est très complexe, il fait appel à plusieurs domaines, je vais donc essayer de le rendre compréhensible et j’espère qu’il vous intéressera. Un enjeu dans notamment dans l’aérospatial !

Un assemblage collé est constitué des deux matériaux que l’on appelle substrats, rendus indissociables par l’ajout d’une colle. Ces matériaux ne pouvant pas adhérer entre eux sans elle. Pour que vous compreniez bien ce dont il s’agit voici un petit schéma.

Une colle est un liquide visqueux ou une pâte, généralement un époxy ou un polyuréthane, qui devient rigide lorsqu’elle est appliquée. Elle polymérise totalement ou partiellement si on souhaite qu’elle garde une certaine élasticité, comme un mastic.

Le durcissement se fait grâce à un catalyseur, lors du mélange des deux composants qui la constituent (bi-composants) ou au contact de l’humidité de l’air. Ce sont des thermodurcissables ou des élastomères. Comme je le présentais ici.

L’adhésion entre un substrat et une colle peut être obtenue de différentes manières, en fonction de la nature chimique de la colle et du substrat. Plus la colle aura une grande affinité chimique avec le matériau à coller, plus sa mouillabilité sera importante.

Mouillabilité ? ça veut dire que la colle va bien s’étaler sur le substrat s’ils ont une polarité proche. S’il n’y a pas d’affinité, elle ne s’y étalera pas. Exemple : si on dépose une goutte d’eau, liquide polaire, sur une plaque en polyéthylène, apolaire, la goutte ne s’étalera pas.

Mais sur un acier dont la surface est plus polaire que le polyéthylène, elle s’étalera beaucoup plus. Dans l’image ci-dessous, la mouillabilité de la colle sur le substrat augmente de A à C.

Pourquoi la colle s’étale sur le substrat ?
Il faut considérer que la colle est constituée de molécules ayant des liaisons entre elles. Une force de cohésion se crée à l’intérieur du liquide, ce qui permet aux molécules de rester ensemble pour former une goutte.

Mais lorsqu’on dépose une goutte de colle sur un substrat, il y a une compétition entre cette force de cohésion et la force d’adhésion entre les molécules qui constituent la colle et la surface du substrat. Donc, pour que la colle puisse s’étaler à la surface du substrat, il faut que son affinité avec la surface de ce dernier puisse être suffisamment élevée pour créer un équilibre avec les forces de cohésion interne, qui diminuent lorsque la surface de contact avec le substrat augmente. Comme le montre le schéma ci-dessous.

La capacité de la colle à s’étaler témoigne donc de la mise en place d’un équilibre thermodynamique. L’énergie d’adhésion, qui représente l’énergie nécessaire pour séparer les matériaux en contact, est importante lorsque lorsque la colle s’étale à la surface du substrat.

Ainsi, l’acier qui a une énergie de surface importante présentera une bonne mouillabilité avec les colles disponibles sur le marché. Par contre, les plastiques comme le polyéthylène ayant une faible énergie de surface, ils présenteront une mauvaise mouillabilité, puisque les colles sont généralement polaires, avec une énergie de surface plus élevée que ce type de matériau.

Donc pour qu’un collage fonctionne, il faut choisir le bon couple substrat/colle, des deux côtés !! et c’est là ou c’est compliqué… Notamment si je veux, par exemple, coller un acier avec un plastique. Mais on peut trouver un compromis et améliorer la mouillabilité d’une colle sur un substrat en travaillant la surface du substrat de différentes manière.

1/ Traitement mécanique

Il s’agit de modifier la surface du substrat en créant de la rugosité pour favoriser l’accroche de la colle. En fonction de sa viscosité et de son affinité avec le substrat, la colle va pénétrer entre les aspérités et créer un ancrage en durcissant.

Le deal c’est créer une rugosité homogène. On applique ce traitement sur les substrats qui ont une énergie de surface importante, notre acier, pour accentuer l’adhésion. Vous voyez bien sur l’exemple B ci-dessus que sur un polyéthylène ça risque de marcher moyennement.

2/ Traitement chimique

On peut appliquer un produit à la surface du substrat appelé primaire, qui va assurer sa compatibilité avec la colle. Ce produit, en séchant, crée des fonctions réactives à sa surface qui réagissent avec colle. C’est un agent (spécial) de couplage.

3/ Traitement par activation physique

C’est là que je sors l’artillerie. Comme expliqué, pour que la mouillabilité soit importante, il faut que l’affinité entre le substrat et la colle soit importante. Donc comment faire quand j’ai un plastique qui n’est pas polaire DU TOUT !

Je lui crée de jolies fonctions polaires en surface grâce à des techniques comme le flammage ou le plasma, qui vont oxyder légèrement la surface sans dégrader le matériau.

Par contre il ne faut pas trop attendre après cette modification, sinon l’effet peut devenir réversible. Ainsi, la mouillabilité de la colle augmente et son efficacité également.

Pour conclure…

Vous l’aurez compris, le collage est une science plus compliquée qu’il n’y parait. Pour ce qui est de la durabilité des assemblages collés c’est encore plus compliqué parce qu’en fonction des conditions, chaque matériau et les interfaces peuvent réagir très différemment.

C’est un enjeu dans l’aéronautique et du spatial par exemple: comprendre comment fonctionnent ces assemblages pour anticiper leur comportement. La complexité du vieillissement des assemblages réside dans leur constitution qui génère une multitude de phénomènes complexes associés à des processus élémentaires.

Il faut arriver à modéliser chacun de ces processus. Et quand on a un assemblage collé, il faut anticipé le cumul des processus de dégradation de chacun des substrats, de la colle ET de chaque interface. Complexe. Mais pas impossible.

Je pourrai vous présenter les différentes manières de déterminer le vieillissement d’un matériau ou d’un assemblage collé si vous le souhaitez. Mais ça demandera un autre article juste sur ce sujet.

Petit lien vers le Thread Twitter :

https://twitter.com/Kako_line/status/1314642080573128704?s=20

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