Chapitre III Les recettes de glacis : Etude des propriétés physico-chimiques
III.3 Propriétés mécaniques et suivi du séchage
III.3.3 Expérimentations
Dans la continuité des expériences de rhéologie, nous avons étudié les propriétés viscoélastiques de films de glacis seuls. Nous présentons donc les principaux résultats obtenus et des pistes de réflexion qui permettraient de poursuivre cette étude.
III.3.3.a Principe de la mesure
Il nous a semblé important d’étudier les propriétés du film appliqué à des épaisseurs proches de celles utilisées réellement, c'est-à-dire entre 1 et 20 µm environ : la réponse mécanique d’un matériau massif n’étant parfois pas représentative de celle du film. Les méthodes standard de mesure mécaniques sont généralement difficiles à utiliser sur de tels échantillons. Des méthodes ont été développées récemment afin de caractériser les films minces : nano-indentation [Kermouche, 2006], micro-nano-indentation, diffusion de Brillouin, résonateurs de cristaux de quartz [Bouchard, 1998], méthodes plus ou moins faciles à appliquer et à interpréter. L’une des difficultés des méthodes de contact telles que la micro ou la nano indentation est l’élimination de la contribution du substrat.
Le laboratoire de Physico-Chimie des Polymères et Milieux Dispersés (UMR 7615) a récemment développé une méthode alternative de contact permettant la mesure des modules viscoélastiques sur des films micrométriques [Gacoin, 2004 ; Gacoin, 2006]. Cette méthode
(Figure 48). L’appareil est conçu de façon à imposer des déplacements cycliques tangentiels de faible amplitude (de 5 µm à 100 nm, quelques Hz), sous une force normale constante.
Déplacement tangentiel e, épaisseur du film Lentille Substrat d = 2 a, a, rayon du contact
Figure 48 : Schéma de principe du montage utilisé
Un film mince de liant est déposé par utilisation d’un applicateur quadruple (entrefer 30 µm) sur une plaque de verre (5 x 50 x 20 mm) puis laissé à sécher dans un endroit protégé de la poussière. La plaque de verre est ensuite fixée au montage. La lentille est déplacée jusqu’au contact du film pour la mesure.
Un actionneur piézoélectrique est à l’origine du déplacement tangentiel de la lentille. L’acquisition de la force exercée sur le film et de son déplacement a lieu en continu : un capteur piézoélectrique permet de connaître la force ; et un capteur optique le déplacement. Nous ne détaillerons pas plus ici les spécifications du montage. Nous avons imposé des déplacements (de la lentille) de 1 µm, à 1 Hz, après avoir vérifié la linéarité autour de ces valeurs (en amplitude de 50 nm à 3 µm environ, et en fréquence de 0,1 à 3 Hz). Trois mesures au minimum sont effectuées pour chaque film à chaque série d’expérience.
La force complexe est liée au déplacement par la raideur de contact k du film. Par transformée de Fourier des signaux de force et de déplacement, la raideur en phase (k’) et en quadrature (k’’) ainsi que le déphasage sont extraits. Ces raideurs de contact nous permettent d’accéder aux modules viscoélastiques G des différents liants, d’après l’équation suivante:
π
k a
e
Des photographies des contacts permettent de mesurer le rayon a du contact (Figure 49). Les épaisseurs des films ont été mesurées par interférométrie (indice de réfraction des milieux pris à 1,5 [Elias, 2004])
La formule précédente est applicable lorsque les deux hypothèses suivantes sont respectées : • le contact est confiné géométriquement : a/e >> 10.
Dans notre cas le rayon de contact a est de l’ordre du millimètre, et l’épaisseur e du film de l’ordre de la dizaine de micromètres. Ce rapport a/e est donc proche de 100 : cette hypothèse est vérifiée.
• le substrat est indéformable : Esubstrat >> Efilm
Ici, le substrat consiste en une plaque de verre de module : Everre = 60 GPa. Les modules des films étudiés étant compris entre 0,1 et 100 MPa, cette deuxième hypothèse est aussi vérifiée.
III.3.3.b Difficultés rencontrées
Nous avons rencontré des difficultés pratiques essentiellement pour les préparations de nos échantillons :
• Tout d’abord, les différentes préparations à tester s’étalent assez mal sur le verre, en particulier celles à l’huile.
Divers traitements des plaques ont été essayés sans permettre une réelle amélioration. Nous n’avons pas pu obtenir de films dans le cas de certaines huiles cuites.
• Suite à ces problèmes d’étalement, certains films ne présentent pas une épaisseur homogène sur l’ensemble de la plaque : c’est particulièrement le cas des films d’huile cuites ou crue.
Il existe alors une incertitude importante sur la mesure du module : il faudrait mesurer l’épaisseur à l’endroit exact où le contact sera appliqué.
• Les films obtenus ne présentent pas tous la même épaisseur :
Des épaisseurs assez différentes d’un film à l’autre (de 5 à 40 µm) sont obtenues essentiellement en raison des différents mécanismes de séchage (diminution de l’épaisseur avec évaporation…). Or, pour pouvoir comparer le séchage des films, il faudrait considérer des films de même épaisseur.
Le contact grossit au cours de la mesure : une moyenne est faite du rayon du contact au début et à la fin de la mesure. Il est cependant difficile d’interpréter ces résultats obtenus sur des films encore très liquides.
D’autres contacts ne sont pas circulaires, certains films présentant d’importantes irrégularités (Figure 49). Là encore l’interprétation des résultats obtenus peut poser problème.
Figure 49 : Aspects des contacts film-lentille pour
a) un mélange huile-vernis b) un vernis à l’essence, c) huile cuite à 150°C, d) huile cuite en présence de 5 % de plomb, e) huile cuite en présence de 20 % de plomb, f) huile cuite à 300°C, réalisées 252
jours (a et b) ou 56 jours après application du film (c à f).
Les contacts a) et b) donnent lieu à des mesures fiables tandis que les autres posent des problèmes d’interprétation et de mesure du rayon de contact.
Les contacts présentant un ménisque sont adhésifs. Le contact b) présente des anneaux de Newton : il s’agit d’un film sec élastique, non adhésif.