Compte tenu de ce qui vient d’être expliqué, il est évident que pour un adhésif et deux substrats donnés, il va être possible d’optimiser les paramètres qui influent sur les mécanismes d’adhésion. C’est l’objectif des préparations de surface des substrats qui ont toujours lieu avant l’encollage.
"Dieu a créé les solides, mais les surfaces sont l’œuvre du diable", déclara un jour Wolfgang Pauli. Les sur- faces des substrats à coller jouent un rôle très important. Ainsi, la dépose d’un ruban adhésif sur une surface poussiéreuse ne permet pas une bonne adhésion. Certains matériaux comme le Téflon (polytetrafluoroethylene ou PTFE) ont des énergies de surface très faibles et sont ainsi très difficile à assembler.
Dans le cas des métaux, la surface est en général recouverte de différentes couches d’impuretés (oxydes, eau absorbée, contaminants divers, poussières, graisses, . . .). Ces différentes couches doivent être éliminées pour retrouver le métal nu parfaitement propre en surface (FIG. I.14).
Des traitements de surface spécifiques peuvent alors être appliqués afin d’accroître les performances méca- niques des joints, aussi bien à l’état non vieilli que dans des environnements endommageants.
D’une manière générale, le traitement de surface doit être choisi en fonction des substrats à encoller et de l’adhésif à mettre en oeuvre. Ils peuvent avoir une incidence capitale sur la qualité des collages et sur leur durabilité.
Couche métallique homogène Couche métallique non homogène
(alliages, cristaux ...) Couche d’oxyde métallique Hydroxyde et eau absorbés Contaminants divers adsorbés Graisse, huile de tréfilage, poussières
FIG. I.14 – Représentation schématique de l’état de surface d’un
métal ([COGNARD, 2003])
I.3.1 Traitement chimique I.3.1.1 Nettoyage, dégraissage
Cette méthode très simple permet d’éliminer la couche superficielle composée des corps gras et des poussières. On utilise généralement des dérivés d’hydrocarbures ou de chlore, en fonction de la nature des contaminants à éliminer et de celle du substrat. Le dégraissage peut se faire en application, en phase vapeur ou encore en immersion.
Il existe d’autres méthodes pour nettoyer les surfaces, comme le dégraissage par saponification (qui va transfor- mer les graisses animales et végétales en glycérine et en savon, qui peuvent ensuite être éliminés par rinçage) ou le dégraissage par émulsification (qui consiste à émulsionner les contaminants non-saponifiables pour les faire passer en suspension).
I.3. PRÉPARATIONS DE SURFACE 19
I.3.1.2 Décapage chimique
Le décapage chimique permet l’élimination des couches d’oxyde fragilisées, polluées ou peu actives qui se trouvent à la surface d’un substrat métallique. Il permet d’en reformer une autre avec des propriétés spécifiques à la solution acide utilisée. On effectue un traitement acide sur le fer et ses alliages et un traitement à base d’acide nitrique ou sulfurique dans le cas des aciers inoxydables.
I.3.1.3 Traitement électrochimique
En plus d’une attaque chimique, on peut pratiquer une anodisation du substrat. Une couche d’oxyde est ainsi formée, dont l’épaisseur varie suivant la solution d’anodisation. Par exemple, pour l’aluminium, on peut citer l’acide chromique, l’acide sulfurique, l’acide phosphorique. Le métal joue le rôle d’anode, et l’oxygène réagit par échange ionique pour produire un film d’alumine. Une partie de ce film est dissoute par l’acide, ce qui crée des pores à la surface dans des structures géométriques particulières. Les dimensions sont de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres maximum pour les cellules, et d’une dizaine de micromètres pour l’épaisseur d’oxyde. Comme pour l’attaque chimique, ces pores vont augmenter la surface de contact réelle entre l’adhésif et le substrat.
I.3.1.4 Promoteur d’adhésion
Une fois les surfaces préparées, il peut être nécessaire d’appliquer des primaires d’adhésion24. Ces composés remplissent deux rôles :
– un rôle de protection des surfaces traitées pour éviter toute nouvelle souillure avant le collage (absorption d’eau, de gaz, de poussières) qui diminuerait les propriétés adhésives
– un rôle d’amélioration du mouillage et de l’adhérence colle/substrat en créant des points d’ancrage sur une surface où la colle n’adhérerait pas sans primaire
Les promoteurs les plus répandus sont les organo-silanes. Ils ont une formule semi-développée de la forme
Y (CH2)nSi(OR)3, avec n compris entre 0 et 3. (Y) constitue le groupement organo-fonctionnel qui réagit avec l’adhésif et (OR) est le groupement ester hydrosoluble qui va s’ancrer sur la surface métallique. A la surface du substrat, une réaction de polycondensation se produit : les molécules directement en contact avec la surface métallique sont chimisorbées et forment des liaisons hydrogène25ou bien des liaisons covalentes26. Du côté de l’adhésif, il peut y avoir une réaction chimique si le groupement (Y) est bien choisi (groupement époxy par exemple)27. Il peut aussi y avoir aussi interpénétration des chaînes polymères du primaire et de l’adhésif. Le traitement primaire permet d’avoir ainsi des liaisons fortes, les liaisons covalentes, à toutes les interfaces de l’assemblage, assurant un maximum de résistance à la rupture.
I.3.2 Traitement mécanique I.3.2.1 Abrasion
Elle consiste à poncer la surface à encoller au moyen de revêtements abrasifs. Elle va entraîner une érosion de la couche d’oxyde superficielle d’une part et créer une rugosité d’autre part. Celle-ci peut permettre un ancrage mécanique plus important, elle va aussi surtout augmenter considérablement la surface de contact si le mouillage est bon.
24
[CUNLIFFEet al., 2001], [BOCKENHEIMERet al., 2000] 25[C
OGNARD, 1991], [ABELet al., 2006a] 26[R
ATTANAet al., 2002] 27
I.3.2.2 Sablage
Il se fait par projection d’une poudre abrasive (oxydes durs, corindons ou alumine), de composition et de taille contrôlées, à grande vitesse sur la surface à encoller. Comme pour l’abrasion, ce procédé permet d’éliminer les couches d’oxyde fragiles et peu actives et en former d’autres par oxydation dans l’atmosphère. Il permet aussi d’augmenter la rugosité par la déformation de la surface du substrat après impact des particules. Il modifie aussi l’énergie de surface du substrat28. Cependant, le sablage peut aussi amener des éléments contaminants à la surface du substrat traité : des particules ou des fragments de particules du sablage qui sont restées incrustées à la surface.
I.3.2.3 Ultrasons
Cette technique utilise les vibrations haute fréquence pour séparer les particules faiblement liées au substrat. Les ultrasons sont souvent utilisés après un traitement mécanique (sablage ou abrasion) ou un traitement chimique pour séparer les particules non solidaires de la surface créée après un décapage.