Modèle des interactions élémentaires

Ce modèle a l’intérêt de ne prendre en compte que les interactions qui contribuent à donner leur cohésion aux liquides et solides et par conséquence aussi bien aux adhésifs qu’aux substrats. L’idée ici est de supposer que tous les types de liaisons (métallique, chimique, intermoléculaire) sont susceptibles d’intervenir dans l’adhésion, mais pas avec la même probabilité [VILLENAVE, 2005] :

•Liaison métallique (liaison forte)

Ses liaisons concernent les associations métal-métal. Dans le cas des métaux, les électrons de valence ne sont pas liés à un atome déterminé, mais délocalisés. La liaison métallique correspond à une structure d’ions positifs noyés dans un gaz d’électrons. Son énergie est comprise entre 100 et 400 kJ/mole. Son intervalle d’interaction est de 0.26 à 0.30 nm. Elle agit de manière isotrope dans toutes les directions de l’espace [DARQUE-CERETTI et FELDER, 2003].

Bien sûr, une structure métallique ne peut pas être comparée à un polymère tel que le bois, mais il n’est pas aberrant de considérer la soudure du cuivre à l’étain comme un collage par adhésif « thermofusible » [VILLENAVE, 2005].

•Liaisons Chimiques « interatomique » ou intramoléculaire (liaisons fortes)

Elles résultent d’échanges ou de partages d’électrons entre deux atomes. On distingue deux types :

- Liaison ionique

La liaison ionique résulte de l’association d’ions positifs (cations) et d’ions négatifs (anions). La somme des interactions cations/anions donne l’énergie électrostatique à la base du modèle d’adhésion électrique. L’énergie électrostatique d’un anion pour un cation vaut de 600 à 1000 kJ/mole.

- liaison covalente

Une forte liaison résultant de la mise en commun des électrons par deux atomes. Elle vaut aussi de 600 à 1000 kJ/mole (exemple de substances covalentes : diamant, Ge, Si). Ces liaisons peuvent être très importantes pour l’adhésion dans le domaine du bois car plusieurs constituants du bois et des adhésifs (les atomes C, N, O, Si, P et S) réagissent principalement avec des liaisons covalentes. Ces dernières se produisent entre les groupes hydroxyles, carboxyles du substrat et des groupes fonctionnels d’un polymère comme les groupes époxy, nitrile [DARQUE-CERETTI et FELDER, 2003] et [PIZZI et MITTAL, 2003].

Dans le cas du bois, les polymères des parois cellulaires sont très riches en groupes hydroxyles (_OH) responsables du pouvoir hygroscopique du bois favorisants ainsi la réaction avec les agents chimiques lors de la modification chimique du bois [OHKOSHI, 1996]. Le remplacement des groupes hydroxyles du bois par des groupes moins hygroscopiques constitue d’après [STAMM, 1960] un des traitements (au côté des revêtements, du remplissage et du traitement thermique) utilisés pour limiter le gonflement et retrait du bois [GARCIA, 2005]. Cette opération de remplacement est connue sous le nom de « greffage chimique du bois » [CHAUMAT, 2006].

•Liaisons intermoléculaires (liaisons faibles)

Ces liaisons considérées comme réversibles, et malgré leur faible énergie, sont souvent les seules invoquées pour justifier l’adhésion [VILLENAVE, 2005]. Elles sont aussi à la base du modèle du mouillage des solides par les liquides (voir paragraphe 1.4.3).

- Liaison chimique : interactions acide-base (liaison hydrogène) Elle correspond à la composante acido-basique de Lewis ( AB

i

γ ) (voir paragraphe 1.4.5). Cette liaison est à part car à ce jour sa nature microscopique n’est pas connue. C’est dans l’eau que la manifestation de cette liaison est apparue et sa force de liaison est estimée entre 10 et 50 kJ/mole. Elle est très importante car elle permet de comprendre non seulement la cohésion de l’eau et celle des deux hélices de l’ADN, mais elle détermine la force d’interaction entre un milieu aqueux et des surfaces d’oxydes hydratés, l’adsorption de polymères et des groupements hydroxyles et d’une manière générale l’approche acido-basique de l’adhésion [DARQUE-CERETTI et FELDER, 2003].

- Liaisons physiques : interactions de Lifshitz-van der Waals (LW)

Elles correspondent à la composante dispersive de l’énergie de surface ou de la tension superficielle ( LW

i

γ ). Il s’agit d’interactions attractives entre deux atomes ou groupes d’atomes neutres. Van der Waals avait découvert que les écarts à la loi des gaz parfait (PV = nRT ; P, pression, V, volume ; n, nombre de mole, R, constante de Boltzman, T, température) observés sur des liquides et des gaz non idéaux, étaient dus à des interactions « interatomiques » ou intermoléculaires non covalentes et non électrostatiques [VAN DER WAALS, 1873]. Ces interactions sont au nombre de trois [VILLENAVE, 2005] :

-les forces de London ou liaisons dispersives, souvent responsables de la cohésion des liquides apolaires et intrinsèquement très faibles (2 kJ/mole). Elles sont cependant capables par leur nombre d’assurer de fortes adhérences puisque qu’elles concernent tous les atomes des molécules (au total de l’ordre de 40 kJ/mole).

-Les forces d’orientation de Keesom, généralement considérées comme négligeables (10 kJ/mole) devant les interactions de London.

- les forces d’induction de Debye moins faibles (2kJ/mole) considérées comme négligeables devant les autres liaisons intermoléculaires.

En résumé, l’adhésion développée d’une opération de collage ou de revêtement du bois est la combinaison de plusieurs liaisons physico-chimiques : lors du contact adhésif/substrat, les liaisons LW s’établissent systématiquement. Viennent ensuite s’ajouter des liaisons chimiques acide-base s’il y a suffisamment d’absorbation des liaisons covalentes. Perdurant après le développement de la cohésion du joint, toutes ces liaisons constituent finalement les interactions joint-substrat.

L’intensité globale des liaisons est d’autant plus forte que la surface en contact est grande, ce qui peut être assuré en augmentant la rugosité de la surface [VILLENAVE, 2005], ce qui est en adéquation avec le modèle d’ancrage mécanique. La figure 1-34 résume tous les phénomènes susceptibles de participer au collage suivant les principaux modèles d’adhésion. Le tableau 1-12 récapitule les énergies selon les types de mécanismes développés lors de l’adhésion.

Tableau 1-12. Approche énergétique des liaisons mises en jeu lors de l’adhésion ([VILLENAVE, 2005] et [DARQUE-CERETTI et FELDER, 2003])

Type de liaison Energie en kJ/mole Ionique de 600 à 1000 Covalente de 600 à 1000 Liaisons « interatomique » (fortes) Métallique de 100 à 400 London 40 Keesom 10 Lifshitz-van der Waals LW i γ Debye 2 Liaisons intermoléculaires (faibles) acide-base AB i γ de 10 à 50