ÉVALUATION COMPORTEMENTALE ENTRE UN REVÊTEMENT ET LA SURFACE À LA SUITE

D’UN TRAITEMENT PLASMA FROID SUR L’ÉPINETTE NOIRE: UNE QUESTION

D’ADHÉSION Par Jean-Michel Hardy

Université Laval

En direction avec le professeur Bernard Riedl

Et coodirection avec le professeur Luc Stafford de l’Université de Montréal

et Mirela Vlad de FPinnovations

CENTRE DE RECHERCHE SUR LES MATÉRIAUX RENOUVELABLES

INTRODUCTION

• Effet du traitement: • Hydrophile vs hydrophobe • Améliore l’adhésion avec certains gaz (N2/O2 [1:2], Ar, air, O2)1, 2 • La composition énergétique et réactionnelle du plasma est propre à chaque gaz • Meilleur que le sablage3 • Augmente la durabilité des revêtements à long terme4 • Dans le cas des plasma atmosphérique on parle souvent de nettoyage de

surface5

• Améliorer l’adhésion d’un revêtement polyacrylate/polyuréthane aqueux sur l’épinette noire sans modifier la chimie du revêtement.

• Traitement N2/O2 (1:2) et traitement d’azote (comparaison) • Améliorer la compatibilité en favorisant les interactions hydrophobes-

hydrophobes.

2

1Busnel f.; Blanchard V.; Prégent J.; Stafford L.; Riedl B.; Blanchet P.; Sarkissian A., J. Adhesion sci. And tech., Issus 24, 2010, 1401-1413 2Podgorski l.; Chevet B.; Onic L.; Merlin A., int. J. Of adhesion & adhesives, 20, 2000, 103-111 3Wolkenhauer a.; Avramidis G.; Hauswald E.; Militz H.; Viöl W., int. J. Of adhesion & adhesives, 29, 2009, 18-22 4Blanchard v.; Stirling R., wood and fiber sci., 45(2), 2013, 228-231 5Sabreen S. R., Cold gas plasma surface modification – optimize plastics bonding adhesion, the sbreen group Inc, 2010

PROBLÉMATIQUE • Études souvent limitées aux angles de contact

• Ne réponds pas à tout • Meilleure mouillabilité ≠ meilleure adhésion6

• Interaction hydrophobe (revêtement) – hydrophobe (surface)

• Tout dépend du revêtement et de la chimie de la surface

• Effet de surface instable dans le temps: • Des traitements plasma d’oxygène sur du polytétrafluoroéthylène (PTFE) ont démontré

une bonne stabilité dans le temps.7 • Pourquoi cela n’est pas le cas pour le bois qui est lui aussi un matériau polymère

• Complexité structurelle et chimique!

• Néanmoins, l’activation de surface par plasma atmosphérique est reconnu pour avoir un temps de vie plus court que les plasmas basse pression.8

3

6Teisala, H.; Tuominen, M.; Aromaa, M.; Mäkelä, J. M.; Stepien, M.; Saarinen, J. J.; Toivakka, M.; Kuusipalo, J. Surface & Coatings Technology, 2010, 205, 436-445. 7Salapare iii h.S.; Guittard F.; Noblin X.; Givenchy E.T.; Celestini F.; Ramos H.J., J. Of colloid and interface sci., 396, 2013, 287-292 8Sabreen S. R., Cold gas plasma surface modification – optimize plastics bonding adhesion, the sbreen group Inc, 2010

TROIS GRANDES QUESTIONS

• Outre de démontrer que les traitements plasma peuvent être utiles pour l’adhésion d’un revêtement polyuréthane/polyacrylate aqueux. Trois questions fondamentales demeurent:

1. L’instabilité du traitement influence-t-elle l’adhésion?

2. D’où provient cette instabilité?

3. Qu’est-ce qui génère le changement d’énergie de surface et du même coup un changement de l’adhésion?

4

PLASMA À DÉCHARGES À

BARRIÈRE DIÉLECTRIQUE

• Fréquence : 9 kHz

• Différence de potentielle: 20 kV

• Débit de gaz: 50 L/min • Azote (50 L/min) • N2/O2 (1:2) à 16 L/min

pour l’azote et 34 L/min pour l’oxygène

• Vitesse de convoyeur de 1,5 m/s

• 6 passages

5

A-

C+

R•

M

SUBSTRAT

GA

Z Le plasma, c’est: • Cations • Anions • Radicaux • Espèces

métastables • Photons (UV) • Électrons e

p

RF AC

MATÉRIELS ET MÉTHODES

6

Traitement plasma Angle de contact et énergie de surface

Vernissage Adhésion par traction de pion

Mesure de pénétration par

Raman con-focal

Détection de radicaux libre par Spectrométrie

d’absorption

Extraction d’extractible (comprendre leurs rôles)

Microscopie de force chimique

ANGLE DE CONTACT: INSTABILITÉ DANS LE TEMPS

N2/O2 (1:2) AZOTE

7

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120

Ang

le d

e co

ntac

t

Temps d’observation (s)

Le jour même 7 jours après 14 jours après30 jours après Non traitée

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120A

ngle

de

cont

act

Temps d’observation (s)

Le jour même 7 jours après 14 jours après30 jours après Non traitée

ÉNERGIE LIBRE DE SURFACE N2/O2 (1:2) AZOTE

8

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0 20 40 60 80 100 120

Tens

ion

de s

urfa

ce (d

y/cm

)

Temps d'observation (s)

Non traitée Après traitement 7 jours après14 jours après 30 jours après Revêtement liquideEau

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0 20 40 60 80 100 120

Tens

ion

de s

urfa

ce (d

y/cm

)

Temps d'observation (s)

Non traitée Après le traitement 7 jours après14 jours après 30 jours après Revêtement liquideEau

72,8 dy/cm

31,6 dy/cm

Liquide γ γDispersive γPolaire γLW γacide γbasique Eau 72,8 21,8 51,8 26,0 65,0 10,0

Revêtement 31,6 27,3 4,3 33,70 4,53 0,24

Surface Non Traitée

49 43 6 9 26 10

Tension superficielle et composante (dy/cm)

ADHÉSION REVÊTEMENT-

BOIS

• Statistiquement pas de différence, sauf pour le traitement azote après 30 jours

• Observation d’une certaine tendance

• Pourquoi ne voit-on pas de différences majeures

• Qu’est-ce qui créer l’énorme variation?

• L’adhésion mécanique prend-elle le dessus?

• Le bois cède-t-il avant l’interface revêtement surface?

9

Con

trai

nte

de r

uptu

re (M

Pa)

Distribution statistique Duncan des mesures de traction de pions selon différent traitement

ADHÉSION BOIS SUR BOIS

• Mesure de traction sur la face tangentielle avec les mêmes paramètres que l’adhésion revêtement-bois

• Contrainte de rupture moyenne de 1,9 ± 0,8 MPa. • Valeur en dessous des mesures revêtement-bois

• Confirme l’hypothèse selon laquelle le bois a tendance à céder avant l’interface revêtement-bois

• Le mélange revêtement et bois dans la première couche de surface agit comme un matériau composite se qui augmente la résistance mécanique.

• Idéal pour mesurer différents systèmes bois-revêtement, mais pas pour évaluer des différences dans un système donné.

10

ADHÉSION PHYSIQUE/CHIMIQUE

• Peu de méthode connue pour mesurer l’adhésion chimique ou physique

• Utilisation de l’AFM (microscopie de force atomique) avec une pointe colloïdale chimiquement fonctionnalisée pour mesurer l’interaction entre la chimie de la pointe et celle de la surface.

• Permets d’évaluer l’interaction ou l’adhésion chimique/physique entre le revêtement et la surface d’un polymère dépendamment du traitement effectué.11

• Choix de fonctionnalisation • Groupement hydrophobe -CH3 pour mesurer les

interactions hydrophobes

• Groupement hydrophile -OH pour mesurer les interactions hydrophiles

11 11Gourianova S.; Willenbacher N.; Kutschera M., Langmuir ASC, 2005

PÉNÉTRATION DU REVÊTEMENT

• Suivie des bandes caractéristiques Raman des animes provenant du revêtement en fonction de la pénétration du faisceau Raman con-focal dans le bois.

• Disparition des bandes du revêtement et apparition des bandes du bois en simultanée.

12

Intensité Raman d’un revêtement en fonction de la profondeur dans la bois: Avec la permission du professeur Bernard Riedl

RADICAUX LIBRES ET ESPÈCES RÉACTIVES • Le plasma peut générer des

radiaux libres sur la surface des substrats9

13

Immersion partielle d’échantillon dans une solution de 50 µM de DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl)10

9Inagaki N, Plasma surface modification and plasma polymerization, Technomic publishing co, 1996, 265 pages 10Benhadi s., Greffage de cyclodextrines modifies par traitements corona sur matériaux cellulosiques, thèse de doctorat, université henri poincaré nancy 1, département de formation doctorale science du bois, France, 2010, 155 pages

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

0,450

0,500

0,550

0,600

0,650

450 500 550 600 650

Abs

orba

nce

(u.a

.)

Longueur d'onde d'absorption (nm)

Spectre d'absortion de solution d'immersion partiel à 50µM de DPPH sur des échantillons

traités au plasma N2/O2

Référence Non traitéeAprès traitement 150 minutes après traitement

MIGRATION D’EXTRACTIBLE

• Séparation de phases dans la première couche

• Aucun changement de masse

14

• Migration de la première vers la deuxième couche

• Augmentation de la masse

• Vaporisation des extractibles de la première couche

• Diminution de la masse

Hypothèse des couches minces

• Comment mesurer le tout:

1. Perturbation des extractibles: Mesurer la quantité d’extractible d’une couche mince (~100 µm) avant et après le traitement par extraction des composés hydrophiles puis hydrophobes.

2. Rôle des extractibles: Évaluer l’angle de contact en fonction du temps de conditionnement dépendamment de la présence ou non d’extractible hydrophile et hydrophobe.

CONCLUSION

• Le plasma génère bien un changement d’énergie de surface, mais ne semble pas démontrer d’amélioration de l’adhésion avec la méthode de traction de pions.

• Il faut imaginer une autre façon de mesurer l’adhésion physique et chimique afin d’exclure l’adhésion mécanique.

• Il est impératif de comprendre pourquoi le traitement n’est pas stable dans le temps en effectuant des analyses fondamentales de la chimie de surface: extractible, radicaux libres, fonctionnalisations, modification de la chimique de surface et restructuration.

15

REMERCIEMENT

Directeur

Bernard Riedl

Codirecteurs

Luc Stafford (UdM), Mirela Vlad (FPI)

Techniciens

Daniel Bourgault, David Lageux, Jean Ouellet, Luc Germin, Stéphane Thibeault (FPI), Yves Bédard

Remerciement Spécial

Guylaine Bélangé, Marthe Larouche, Nicolas Mariotti, Olivier Levasseur (UdM)

16

Merci FPInnovations

APPAREIL PLASMA

18

Plasma basse pression Décharge corona (Air-plasma or blown ion)

Plasma atmosphérique (Flame plasma)

+ Excellente modification de surface

+ Haut en énergie - Basse pression demandée - Long et peu pratique pour

de grosses pièces

+ Rapide et simple + Peu couteux - Filamenteux et moins

uniforme - Peu énergétique - Temps de vie court (appareil) - Peu de gaz disponible en

raison de la production de protoxyde d’azote (NO)

+ Rapide, simple et uniforme + Pression atmosphérique + Plusieurs formes disponibles + Temps de vie long + Plus haut en énergie que les

décharges coronas - Modification de surface plus

faible que ceux à basse pression

- Plus couteux que décharge corona