THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (LIVRE CHAP.8) COLLES ET ADHESIFS

Structure et matériaux – ASDS Colles- 1/5

Act.1 : ASDS: COMMENT REALISER UN BON COLLAGE ?

Mots-clés : colles, adhésifs, tensioactifs, mouillage

De nos jours, il existe une multitude de colles de compositions chimiques différentes : cyanoacrylate, époxydique,

vinylique, etc., chacune étant plus ou moins bien adaptée à l’assemblage de matériaux spécifiques (bois, métal, verre, plastique, etc.) et à un usage particulier (décoration, sollicitation mécanique, immersion dans un liquide, etc.). Ainsi, on n’utilisera pas la même colle pour recoller convenablement un vase brisé ou une semelle de chaussure. Comment choisir ?

Doc.1. Les différents modèles pour expliquer le phénomène d’adhésion Plusieurs modèles ont été imaginés pour expliquer le fonctionnement de la colle. Aucun n’explique entièrement le phénomène, et il est probable que plusieurs coexistent. Le phénomène est appelé adhésion et les principales théories sur l’adhésion peuvent être regroupées en deux catégories : l’adhésion physico-chimique et l’adhésion mécanique. On peut définir le collage comme le procédé permettant de maintenir de façon durable et solide deux substrats entre eux. La liaison entre ces deux supports est alors d’origine chimique, et non mécanique. Quand la colle colle-t-elle ?

Il faut que la colle mouille. La première qualité de la colle est donc de bien s’étaler. Mieux elle y parvient, moins elle emprisonnera de bulles d’air contrariantes au fond des minuscules alvéoles des matériaux. Si des bulles restent coincées, elles seront sous pression et pourraient être à l’origine d’un décollement. Voilà pourquoi il faut que la colle mouille. Ainsi elle se répartit au mieux et, en séchant, va former des sortes de crochets sur les deux surfaces à coller. Ces crochets vont s’imbriquer et tenir solidaires les différentes parties à sceller. Plus cet ancrage est profond, plus il compte de points d’appui, plus le collage est réussi. C’est pourquoi la rugosité des matériaux à coller doit être régulière. Si des écarts trop importants se forment, les risques de créer des poches d’air augmentent.

A chaque matériau son mode de collage. En fait, la colle réalise un ancrage mécanique à travers des liaisons chimiques qu’elle installe avec les solides à assembler. Ces liaisons sont de deux types : l’un appelé covalent, l’autre ionique. Dans la liaison covalente, les atomes de colle partagent certains de leurs électrons avec ceux du matériau. Ainsi pour les métaux, les colles dites « époxy » attaquent chimiquement la surface, créant des liaisons covalentes. La liaison ionique, elle, s’établit entre anions et cations. C’est le type de liaison qu’utilise la simple colle blanche pour faire tenir deux feuilles de papier entre elles ; il en va de même pour l’assemblage du carton et du bois. Comment assembler deux matériaux polymères, appelés plus simplement plastiques ? Pour être efficaces, les colles utilisées doivent être formées des mêmes molécules que celles des polymères à joindre. Sous une forme liquide, les molécules de la colle pénètrent dans les deux solides, se mêlent à eux et réagissent avec leurs molécules pour former de nouvelles chaînes moléculaires. On assiste ainsi à une réaction de polymérisation entre les molécules de la colle elle-même et avec les molécules du matériau polymère. Le phénomène permet de faire passer ces chaînes d’un solide à l’autre, formant alors un maillage très résistant.

Adhésion physico-chimique Adhésion mécanique

Création de liaisons entre adhésif et matériau

• Covalentes (centaine de kJ / mol)

• Electrostatiques (variable)

• Hydrogène (10 à 20 kJ / mol)

• De Van der Waals (< 10 kJ / mol)

• Ancrage mécanique (selon la rugosité du matériau)

• Mouillage de l’adhésif sur le matériau (qui entraine une plus

grande surface de contact)

• Inter-diffusion des polymères (dans le cas d’une colle polymère)

Fig. 2 Différents cas de mouillage d’un liquide sur un matériau solide en fonction de l’angle de contact (ou de mouillage) ƟC.

Fig. 3 Influence de la rugosité sur l’adhésion.

Fig. 1 Inter-diffusion de polymères : les

flèches indiquent le sens de la diffusion des chaînes de l’adhésif.

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Doc. 2 : Comment prévoir l’adhésion d’une colle ?

Doc. 4 : Une goutte de Super Glue de même volume sur différents matériaux

Vidéo : http://videotheque.cnrs.fr/index.php?urlaction=doc&id_doc=2268

https://www.youtube.com/watch?v=tRzBnfbpSMw

Super Glue sur du verre

Super Glue sur du PE (polyéthylène)

Super Glue sur du zinc

Super Glue sur du PTFE (ex. poêle Téfal)

Doc.3. Un exemple de colle polymère : Les cyanoacrylates Les colles cyanoacrylates polymérisent rapidement en présence de donneurs de doublets d’électrons. La polymérisation démarre le plus souvent grâce à l’eau naturellement présente sur les substrats (= humidité : attention aux doigts !). Dans certains cas, un amorceur anionique (tel des ions hydroxyde, alcoolate ...) peut être utilisé… Lors de la polymérisation, il y a formation de chaînes polaires longues et solides. Par exemple, la Super Glue, est une colle cyanocrylate obtenue par polymérisation du 2-cyanoacrylate de méthyle (Fig. 4).

Fig. 4 Monomère de la colle cyanoacrylate.

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QUESTIONS :

1) Faire un bilan sur le phénomène d’adhésion.

Colles « ordinaires » Colles polymères

Conditions pour un bon collage

Il faut que la colle mouille : elle se répartit au mieux pout former des sortes de crochets qui

vont s’imbriquer et tenir solidaires les différentes parties à sceller.

Matériaux concernés Métaux, papier, carton, bois Matériaux polymères : Les plastiques

Type d’adhésion Ancrage mécanique et chimique. Adhésion mécanique

Que se passe-t-il lors du collage ?

Le polymère se forme ou se termine au moment de l’utilisation. Un catalyseur (O2 de l’air ou l’eau de l’atmosphère, UV) provoque la réaction. La colle crée des liaisons covalentes, des liaisons ioniques, des liaisons hydrogène ou des interactions de Van Der Waals.

La colle pénètre dans les aspérités du matériau, donnant lieu à plusieurs points d’ancrage mécaniques après solidifications. L’efficacité de cette adhésion dépend de la rugosité du matériau Le polymère durcit après application

Plusieurs mécanismes peuvent expliquer le phénomène d’adhésion. Par exemple :

L’adhésion mécanique : la colle pénètre dans les aspérités du matériau, donnant lieu à plusieurs points d’encrage mécanique après solidification. L’efficacité de cette adhésion dépend de la rugosité du matériau.

L’adhésion par diffusion : il y a inter-diffusion entre les deux surfaces. Cela suppose la solubilité mutuelle des matériaux en contact. Ainsi, si adhésif et matériaux à coller sont composés de polymères compatibles, les chaînes polymères de l’adhésif vont diffuser à l’interface du matériau selon un mécanisme appelé reptation.

L’adhésion chimique : il peut se former, à l’interface colle/matériaux, des liaisons covalentes ou ioniques lors de réactions chimiques.

Si la surface est trop lisse, la colle n’adhère pas.

Si la surface est trop rugueuse, l’adhésion est

mauvaise car des bulles d’air se créent (cas (b)).

Le cas (a) montre une adhésion optimale, avec

une rugosité intermédiaire.

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L’adhésion physique : dans tous les cas, l’adhésif crée des liaisons électrostatiques intermoléculaires de type interactions de Van der Waals avec le matériau. Elles sont traduites par l’aptitude de l’adhésif à mouiller le matériau : l’adhésif doit pouvoir s’étaler, occuper la plus grande surface possible sur le substrat. Cet étalement est évalué par l’angle de contact θC défini sur la Fig. 2 du document 1.

2) a) Liaison covalente/ ionique/ de Van der Waals : quel est le classement de ces liaisons de la moins à la plus

«solide» ?

La liaison covalente est la mise en commun de deux électrons par deux atomes, chaque atome apportant un électron. C’est

aussi le lien qui maintient ensemble les atomes dans une molécule.

La liaison ionique se forme entre des ions de signe opposé. Lorsque deux atomes liés ont des électronégativités très

différentes, la liaison covalente est totalement dissymétrique. L’un des atomes transfère quasiment son (ses) électron (s) à

l’autre et chacun des atomes devient un ion.

Les liaisons de Van Der Waals existent pour tous les corps moléculaires. Elles proviennent de dipôles polarisés instantanés car

les deux électrons d'une liaison covalente sont mobiles et lorsqu'ils sont un peu plus du côté d'un atome, cela crée un dipôle

polarisé instantané (+ -). Les forces de Van der Waals sont d’autant plus grandes que les électrons sont nombreux et la molécule

étendue.

Les liaisons de Van Der Waals sont des liaisons faibles.

La liaison ionique est moins forte que la liaison hydrogène.

b) Peut-on en conclure que l’adhésion physique est moins efficace que l’adhésion chimique ? L’adhésion physique est due aux liaisons de Van Der Waals qui se créent alors que l’adhésion chimique entraîne la formation de

liaisons covalentes ou des liaisons ioniques donc l’adhésion physique est moins efficace que l’adhésion chimique.

3) Pourquoi est-il souhaitable de poncer légèrement les matériaux avant assemblage ? Dans le document 1, la fig. 3 présente l’influence de la rugosité sur l’adhésion : une surface trop lisse ou une rugosité trop importante ne permet pas un bon ancrage d’où la nécessité de poncer légèrement les matériaux

4) La relation de Young-Dupré traduit l’équilibre de la goutte de colle en posant que « la somme des

composantes horizontales des trois vecteurs évoqués dans le doc.2. est égale au vecteur nul ».

a) Montrer qu’on a alors : γSV = γSL + γLV.cosθ.

On applique la relation de Young-Dupré (qui traduit l’équilibre de la goutte) : 𝛾 SV + 𝛾 SL + 𝛾 LV = 0

En projetant les vecteurs sur Ox : ││ 𝛾 SV ││ = - SV ││ 𝛾 SL ││ = SL ; ││𝛾 LV ││ = LV x cos θ

L’équilibre de la goutte est traduit par 𝛾 SV + 𝛾 SL + 𝛾 LV = 0

soit - SV + SL + LV x cos θ = 0 soit SV = SL + LV x cos θ

b) A l’aide d’une analyse dimensionnelle, justifier que γSL, γLV et γSV peuvent s’exprimer en J.m-2.

représente la tension superficielle c’est-à-dire la force qui s’exerce à l’interface ou la force qui s’exerce par unité

de surface.

[ ] = F . S-2 [ F ] = N [ S ] = L2

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c) L’adhésion d’une colle de type résine époxy (γLV = 44,0 mJ.m–2) est-elle plus satisfaisante sur une surface en

polyéthylène (γSV = 31,0 mJ.m–2 ; γSL = 41,0 mJ.m–2) ou sur une surface en aluminium (γSV = 500 mJ.m -2 ;

γSL = 456 mJ.m–2) ?

On recherche la meilleure adhésion, c’est-à-dire la valeur de l’angle θ la plus éloignée de 90° (proche de 0° ou 180°).

On s’appuie sur la relation de Young-Dupré : SV = SL + LV x cosθ soit cosθ = (SV - SL ) / LV

Sur la surface en polyéthylène : cosθ = (31,0 – 41,0).10-3 / (44,0.10-3) = 0,3647 soit θ = 103°

Sur la surface en aluminium : cosθ = (500 - 456).10-3 / (44,0.10-3) = 1 soit θ = 0 °

L’étalement est maximal pour la surface en aluminium.

Surface en polyéthylène Surface en aluminium

γSV (mJ.m-2

) 31,0 500

γSL (mJ.m-2

) 41,0 456

θ = cos –1

(LV

SLSV

) (rad) 1,80 3,14

θ = cos –1

(LV

SLSV

) (°) 103 180

5) a) Entourer et nommer le ou les groupe(s) caractéristique(s) du monomère de la Super Glue.

b) Parmi ceux présentés dans le doc. 4, quel est le matériau sur lequel la Super Glue a le plus de chance de bien coller ?

La Super Glue collera le mieux sur du PE, matière plastique avec un faible.

Groupe ester

Groupe amine