L'élastomère que nous avons choisi est un élastomère de silicone (Sylgard184,
Dow Corning) résultant du pontage de molécules de polydiméthylsiloxane (PDMS,
Température 40°C 75°C 140°C
Temps de >24h >2h >10min
réticulation
Taux de 0.5% 1.5% 3%
contraction
Table2.2Tempsderéticulationettauxdecontractiondel'élastomèreenfonction
de latempérature.
est soit un hydrogène, soit un groupement alkyl. On remarquera que l'élastomère
présente les mêmesliaisons siloxanes que leverre.
1.2.1 Préparation
L'élastomèreest fabriqué à partirde deux composés :
•
Un polymère qui possède des groupements vinyliques terminauxH2C = CH(Si(CH3)2O)nSi(CH3)2CH = CH2
avec un nombre
n
de monomèrespar chaîne estiméà 350 [137].•
Un agentréticulant possédant des groupementsSi− H
(CH3)3Si(OSiHCH3)5(OSi(CH3)2)3OSi(CH3)3
Lorsque lesdeux composés sont mélangés ensemble, les hydrogènes de laliaison
Si-H réagissent avec la double liaison des groupements vinyliques pour former une
liaison -Si-C-C-Si. Les chaînes se lient progressivement les unes aux autres jusqu'à
former un réseau macroscopique.Lacinétiquede la réaction, catalyséepar un
com-poséàbasede platine,esttrès dépendantedelatempérature(tab.2.2). Lemélange
réactionnel qui est initialement liquide, est essentiellement élastique à la n de la
réaction( g.2.2).Lepourcentagedechaîneslibresdépendde laquantitéd'agent
ré-ticulant,lorsqu'il estajoutédansune proportionde
1 : 10
en masse,onestimeentre 3 et5% lepourcentage de chaînes libres [99,137]. Suivantlatempératurederéticu-lation, on observe une contraction du volume plus oumoins importante (tab. 2.2).
Cette contraction ne pose de pas de problème pour la préparation d'échantillonde
20mmde largeparcontrepourleséchantillonsde 70mmde large,latempératurede
réticulationest d'environ50°Cpendantunedizained'heures puiselleest augmentée
à75°Cpendant2h. Enprocédantde cettefaçon,onévitel'apparitiondecontraintes
internes qui provoquent un décollement spontané bien que partiel de l'élastomère
sur lalame de moulage.
1.2.2 Propriétés physiques
Lorsque l'agent réticulant etle polymère sont mélangés dans une proportionde
1 : 10
en masse, le comportement de l'élastomère est essentiellement élastique. Sa température de transition vitreuse est alors très inférieure à la températureFigure 2.2 Mesure du module élastique
G0
(
•
) et du module de perteG00
(
◦
) en fonctiondelafréquence decisaillement.Lemélangecontient 10%d'agentréticulanten masse (d'après [99]).
Propriétés Caractéristiques
Densite 0.9
Module d'Young
∼
2MPaCoe cient de Poisson
∼
0.5 Energiede surface 21.3mJm−2
Perméabilité perméable augaz,
aux solvants organiques
apolaire,impérméable à l'eau
Table2.3 Propriétés physico-chimiques du PDMS réticulé (d'après [91]).
réponse mécanique du matériau : plus la proportion d'agent réticulant est faible
plus lacomposantevisqueuse de saréponse est importante( g. 2.2).Lespropriétés
physiques de l'élastomère sont consignées dans le tableau 2.3. Le module d'Young
d'un élastomère est une grandeur di cile à mesurer, elle est comprise entre 2MPa
et3MPa[81,99,125,137],cettegrandevariabilitépeuts'expliquerparlesdiérences
dans les méthodes de mesure (test compression, test JKR, mesure rhéologique) et
par des modes de préparation diérents (tempsde réticulation,température).
1.2.3 Test JKR et énergie d'adhésion
Une méthode très utiliséepour caractériser l'adhésion entre deux matériauxest
letestJKR.Ilconsisteàpresserl'uncontrel'autredeuxsolidesélastiques,engénéral
dansunegéométriesphère-plan,etàmesurerlaforce
P
,ledéplacementδ
etl'airede contact( g.2.3(a)).DanslathéorieétablieparJohnson,KendalletRoberts(théorieJKR[64]), la relationentre
P
,δ
eta
, lerayonde l'aire de contact, s'écrit :P = Ka
2
R −√6πKΓa2
(a) (b)
Figure2.3a)Con guration del'expérienceJKRoùunhémisphèrede PDMS est
pressé contre un substrat rigide. Le rayon
a
de la zone de contact est mesurée en fonction de la forceP
appliquée. b)Courbe représentanta3
en fonction de
P
pour un cycle de compression/décompression(d'après [133]).où
K
est uneconstanteliéeauxmodulesd'Youngdesdeuxmatériaux,Γ
l'énergiede fracture. L'expression de laforcefait intervenir deux contributions : l'une estd'ori-gine purement élastique, l'autre est due à l'interaction attractive à courte portée
entre lesdeux matériaux.Leshypothèsesde lathéorieJKRsontbien rempliespour
les solides élastiques mous comme le PDMS. Lorsque les deux matériaux sont en
PDMS,onapumesurer uneénergied'autoadhésion
ΓP DM S = 45.2
Jm−2
[22] enbon
accordavec lavaleurde latensionde surface duPDMS liquide
γP DM S = 21.3
Jm−2
.
Cesvaleursontétéobtenuesenanalysantlacourbedecompression.Bienque
l'équa-tion 2.1 ne fasse pas de distinction entre la compression et la décompression, une
hystérésisest généralementobservée :lacourbede compressionne sesuperpose pas
avec la courbe de décompression ( g. 2.3(b)).Lorsque le matériauentre en contact
pour lapremière fois avec lesubstrat, on peut supposer queles interactions de Van
der Waals sont les seules à contribuer à l'énergie d'adhésion. Par contre, d'autres
phénonèmes peuvent y contribuer si le temps de contact est su samment
impor-tant pour permettre la création de liaisons chimiques permanentes [22], de liaisons
hydrogènes multiples [130,133] ouencore la diusionde chaînes de polymère à
tra-vers l'interface 1
[80]. Ces mécanismes, limités par la diusion, sont proposés pour
expliquer lasaturationde l'énergiede fracture auboutd'unedizained'heures [130].
Desétudesrésentes ontmontréqu'ilexistaitune autresourced'hystérisisliéeau
temps de réponse du matériau. Toujours dans une con guration sphère-plan mais
avec un chargement oscillant, il est possible de mettre en évidence
expérimentale-ment un cycle d'hystérésis pour des fréquences su samment grande, de l'ordre de
ladizaine de hertz[21]. L'existence de ce cycle est liéeà lanatureviscoélastiquedu
matériau.
2 Préparation de l'échantillon