Force de pelage et énergie d’adhésion

L’intérêt du pelage en Y est de peler à force constante deux hydrogels collés ensemble. Nous avons développé au sein du laboratoire le dispositif expérimental du pelage en Y présenté en Figure III. 12. Il est adapté du dispositif développé par Lake et Yeoh, qui consistait à découper une lanière en forme de Y avec un rasoir à force constante.^21,22,13

Figure III. 12. Représentation schématique d’un pelage pour une géométrie Y

Contrairement au joint de recouvrement et au pelage à 90°, le pelage en Y consiste à appliquer une force constante uniaxiale F à l’aide d’une masse donnée et à mesurer une vitesse de propagation de fissure. L’objectif du test de pelage en géométrie Y est de mesurer la force nécessaire pour initier un pelage et de relier cette force à une énergie d’adhésion. Comme dans le cas de l’essai de joint de recouvrement, la conservation de l’énergie

117 mécanique conduit alors au taux de restitution d’énergie G. Pour obtenir l’équation ci-dessous, on considère deux lanières de gels de largeur w, d’épaisseur h et de module d’Young

E, soumises à une force constante F.

(III. 30)

Le détail des calculs pour obtenir cette équation est donné en Annexe A. Le premier terme correspond au terme d’énergie potentielle dû au déplacement de la force appliquée et le second terme est un terme élastique dû à la déformation de la lanière. Pour les systèmes étudiés dans la suite, la contrainte F/hw est beaucoup plus petite que E et le second terme est donc négligeable.²⁰ Après avoir négligé le second terme, l’énergie d’adhésion devient égale à :

(III. 31)

IV.2. Dispositif expérimental

Les expériences de pelage en Y des gels de PDMA ont été réalisées sur une machine électromécanique Instron modèle 5565 équipée d’une cellule de force de 10 N. Les distances entre les deux poulies et entre une poulie et la cellule de force sont fixées respectivement à 420 et 240 mm. Les dimensions des lanières d’hydrogel sont les suivantes: largeur : w=10 mm ; longueur initiale L0=60 mm ; épaisseur : h=2 mm. Les deux lanières sont amenées au contact sur une longueur de recouvrement l=50 mm sous une pression manuelle d’environ 10 kPa. Une extrémité de la jonction est fixée à un mors lui-même attaché à la cellule de force. L’autre extrémité de la jonction consiste en deux bras libres. Les bras libres des hydrogels sont accrochés à des petits mors, eux même attachés à un fil nylon, monté sur des poulies comme indiqué sur la Figure III. 12. Afin d’appliquer une force constante F, des masses données (m=0.25 à 8 g) sont accrochés sur le fil.

La Figure III. 13 met en évidence que la force appliquée est sensible à la manière d’accrocher le poids. Quand le poids est accroché brutalement, un saut de force de 0.02 N est observé avant d’obtenir un plateau (courbe rouge). Ce saut est dû à une énergie cinétique lors

118 du lâcher de la masse. Au contraire, quand le poids est posé tout doucement sur le fil en nylon, un plateau de force est obtenu sans pic de force (courbe noire).

(a) (b)

Figure III. 13. (a) Comparaison de deux courbes Force-temps de pelage en Y pour un gel de PDMA R_0.1 pour

un même poids accroché. La force a été représentée en fonction du temps. La différence entre les deux courbes est la manière d’accrocher le poids sur le fil de nylon : doucement (noire) ou brutalement (rouge) (b) Courbe Force-temps d’un poids au fil de nylon pour vérifier les effets de friction du fil sur les poulies.

Néanmoins certaines instabilités sont observées et indiquées par des flèches en noir sur la Figure III. 13 (a). Elles ne semblent pas dues à la friction du fil sur les poulies comme le montre la Figure III. 13 (b) où l’on a accroché juste un poids sur un fil en nylon directement attaché à la cellule de force sans lanières d’hydrogels.

IV.3. Interprétation de l’essai

La Figure III. 14 montre une courbe modèle d’un essai de pelage en géométrie Y pour étudier l’auto-adhésion de deux gels de PDMA_R0.1. La force appliquée par une masse donnée (en noir) et la position de la fissure (en bleu) ont été tracées en fonction du temps. Des exemples d’images du pelage à 5 instants successifs sont présentés en Figure III. 14 (b).

119 (a)

(b)

Figure III. 14. (a) Courbe Force-temps pour un essai de pelage en Y pour une jonction composée de deux gels

de PDMA_R0.1 (en noir) (conditions testées: longueur de recouvrement l= 50 mm et force imposée F=0.015 N). Une estimation du déplacement de la fissure par analyse d’image avec le logiciel ImageJ® a été tracée en fonction du temps (en bleu). (b) Exemples de photos du pelage à 5 instants successifs. Observation de l’avancée de la fissure.

Pour cet essai, la force au plateau est aux alentours de 0.015 N, qui correspond à une masse donnée de 2g. A partir de la vidéo réalisée pour chaque essai, la position de la fissure a été estimée au cours du temps par analyse d’image avec le logiciel ImageJ^® (Figure III. 14, courbe bleue). Une méthode a été développée pour obtenir des diagrammes spatio-temporels à partir de séquences d’images. Les différentes étapes du traitement d’image sont détaillées en Annexe B. Comme le montre la Figure III. 14 (a), la position de la pointe de fissure varie linéairement avec le temps excepté à proximité des extrémités du joint (courbe bleue). La pente de la droite de la Figure III. 14 (a) pour un avancement de la fissure compris entre 15 et

120 40 mm (Images  et  de la Figure III. 14 (b)) donne une estimation de la vitesse de propagation de fissure. Pour chaque force appliquée, une vitesse de propagation de fissure est ainsi mesurée.