Principes communs des mesures de l’adhérence

Le test idéal pour mesurer une adhérence doit être, selon Mittal [106], reproductible, quantitatif, non destructif, facilement adaptable à des essais de routine, simple et rapide de mis en œuvre, applicable à des échantillons de nature et de dimensions variées, et les résultats obtenus doivent être simples d’interprétation et indépendants de l’expérimentateur. En

Polymère massique Interphase Oxyde métallique Substrat métallique Contaminants adsorbés Polymère adsorbé

attendant qu’un tel test soit un jour mis au point, un certain nombre de tests sont utilisés pour évaluer les performances d’un assemblage collé ou peint. Ils permettent ainsi la détermination d’une grandeur caractérisant l’adhérence. Le joint ne doit en aucun cas constituer le maillon faible d’un assemblage, il faut donc que sa géométrie conserve les propriétés intrinsèques de l’adhésif. Quatre types de modes de sollicitations mécaniques des joints sont mentionnés, et tout naturellement les tests d’adhérence usités correspondent à ces divers modes :

• les contraintes de traction ou de compression, perpendiculaires à l’interface substrat-polymère, qui permettent une répartition idéale des efforts uniaxiaux (Figure I.4.a), • les contraintes de cisaillement, où les directions d’application des efforts sont parallèles

à l’interface substrat-polymère (Figure I.4.b),

• les contraintes de pelage, résultats d’une traction appliquée à l’extrémité d’un assemblage constitué d’un matériau rigide et d’un matériau flexible (Figure I.4.c),

• les contraintes de clivage, similaires au pelage, la différence provenant de la nature des supports qui sont, dans ce cas tous les deux rigides (Figure I.4.d).

Figure I.4. Représentation schématique des principaux modes de sollicitation d’assemblages

collées.

D’une manière générale, lors des essais mécaniques, l’enregistrement des courbes forces-temps ou déplacement (lorsque la sollicitation est appliquée à vitesse constante) est effectué jusqu’à la rupture totale des systèmes. Ces courbes permettent de mesurer les variations de un ou plusieurs paramètres, à savoir la résistance à l’amorçage de la rupture ou la résistance à la propagation de la rupture du système. La Figure I.5 représente l’allure de courbes « types » obtenues lors d’essais de flexion trois points, de pelage et de cisaillement d’éprouvette à simple recouvrement. Bien évidemment, le choix du paramètre susceptible d’être utilisé afin de caractériser l’adhérence est de première importance.

Figure I.5. Allures des courbes caractéristiques obtenues lors d’essais : a, de flexion trois

points; b, de pelage ; c, de cisaillement.

Il est important de savoir si l’on doit associer ce paramètre à l’amorçage ou à la propagation de la rupture. Dans le premier cas, ils sont appelés paramètres ultimes et ils doivent être associés à la zone d’amorçage de la rupture : la valeur du paramètre mesuré est alors indépendante de la surface ou de la largeur collée. Dans le deuxième cas, le paramètre mesuré est un paramètre lié à la propagation de la rupture : les variations de ce paramètre doivent alors être associées à la zone de propagation de la rupture et elles dépendent de la surface ou de la largeur collée [86]. Dans ce dernier cas, la mécanique de la rupture est utilisable [106-108]. Bien évidemment, les variations de l’adhérence ne seront significatives que si elles sont liées à des variations des propriétés physiques, chimiques et mécaniques de l’interphase polymère/substrat et si l’amorçage ou la propagation (selon le type d’essai utilisé) de la rupture est adhésive ou « interfacial ». Dans le cas d’une rupture cohésive, les variations du paramètre mesuré sont caractéristiques des propriétés intrinsèques (résistance à la cohésion ou à la rupture) du matériau dans lequel la rupture a pris naissance ou s’est propagée.

Etant donné que les critères utilisés pour caractériser l’adhérence sont fortement dépendants de la géométrie des éprouvettes, certains auteurs préfèrent utiliser un critère basé sur l’énergie de rupture plutôt qu’un critère de résistance à la rupture, pour décrire correctement une rupture adhésive. Par exemple, concernant le pelage, largement utilisé dans l’industrie, il est maintenant admis que ce test ne permet pas de mesurer l’adhérence, mais la

résistance de l’adhésif. En effet, Gent et al. [109] ont montré que la force de pelage dépend fortement de l’angle de pelage, mais également des propriétés mécaniques ainsi que de l’épaisseur « du bras » de pelage. Le taux critique de restitution de l’énergie élastique, est généralement utilisé pour caractériser la résistance à la propagation de la rupture d’un adhésif

[110]. La mécanique de la rupture permet d’identifier les mécanismes de rupture, de caractériser la ténacité d’un adhésif ou encore d’estimer les conditions en service. Dans ce cas idéal, en plus du test idéal défini par Mittal [106], l’adhérence doit être caractérisée par un paramètre dont les valeurs permettront d’accéder à la somme de l’énergie nécessaire pour rompre un système polymère-substrat à l’interface ou au sein de l’interphase et à l’énergie dissipée dans le système. Les travaux de Kinloch et al. [111] ou Bosma et al. [112] vont dans ce sens.

3.4.1.2. Adhérence humide – Techniques de mesure de l’adhérence entre le revêtement et le substrat métallique

L'adhérence est la propriété la plus importante de couches organiques car si elle manque, toutes les autres propriétés de la couche sont sans valeur. Beaucoup de travaux expérimentaux ont été effectués pour la mesure de l'adhésion revêtement/substrat en utilisant des méthodes différentes tel que l’arrachement (pull-of-test) [74, 113-117], le pelage (peel-test) [65, 118-120], le « cross-cut test » [121, 122] ou la flexion trois points [15, 121, 123]. En particulier, la mesure de l’adhérence humide attire l’attention des chercheurs. L’impact des molécules d’eau sur l’interface revêtement / métal fait diminuer son adhérence. La mesure de l’adhérence humide devient donc beaucoup plus difficile. Quelques méthodes utilisées pour cette mesure sont citées ci-dessous.

a, Test de la bande adhésive (Cross-cut/Tape Test)

Cette méthode décrit une procédure qui consiste à appliquer une bande adhésive sur une surface du revêtement préalablement scarifiée sous forme d’un quadrillage. Il est ainsi possible d’obtenir des données quantitatives sur les propriétés adhésives des couches organiques. Ce test a plusieurs avantages [124] :

• il est possible d'évaluer presque instantanément l'adhérence humide d'un film après prélèvement en situation de vieillissement,

• cette méthode peut être utilisée sur des supports de dimensions et de formes diverses. Cependant, ce test reste essentiellement qualitatif. La Figure I.6 représente une exemple de ce test [124].

Figure I.6. Test de la bande adhésive : vues de l’échantillon avant et après arrachement.

Le test de la bande adhésive (adhesive tape test) appliquée sur la surface du revêtement après vieillissement humide est la méthode choisie par différents auteurs [117, 125-128].

b, Essai d’arrachement (Pull-off-test)

. La méthode du pull-off test est assimilable à un essai de traction. On peut mieux

comprendre son principe grâce à la Figure I.7.

Figure I.7. Différentes étapes de mise en œuvre de l’essai de Pull-Off- Test.

Cette méthode est classique pour les mesures d’adhérence de peinture sur substrat métallique. En particulier, elle présente un avantage pour la caractérisation de l’adhérence humide [127, 129]. Cet essai est intéressant car une manipulation simple, rapide et peu coûteuse permet d’obtenir un classement entre des configurations d’échantillons différentes.

c, Test au solvant organique sur surface quadrillée

Nous citons ici une méthode spécifique pour la caractérisation de l’adhérence de revêtements à base de systèmes d’époxy sur substrat métallique utilisant un solvant organique, le N-Méthyl-2-Pyrrolidone ou « NMP » (Figure I.8).

Figure I.8. N-Méthyl-2-pyrrolidone.

Le N-Méthyl-2-pyrrolidone ou 1-Méthyl-2-pyrrolidone est un liquide incolore ou jaune clair. C'est une amide cyclique (lactame) utilisée en tant que solvant organique. Grâce à sa haute polarité, le NMP a été utilisé pour la mesure de l’adhérence et surtout de l’adhérence humide

[120, 130-132]. Il est capable de former des liaisons Hydrogène fortes en diffusant rapidement dans le revêtement organique et en provoquant son gonflement. Du fait de ce gonflement, les contraintes de cisaillement sont imposées à l'interface métal/revêtement organique. Ces contraintes de cisaillement dans la plupart des cas sont relaxées par la délamination du revêtement. Van Ooij et al. [133] ont effectué cette mesure afin de caractériser l'adhérence d’une couche de peinture. Les résultats dépendent de l'épaisseur du film, de la nature de la couche, et surtout du traitement de surface préalable du substrat. Les résultats sont exprimés par le temps nécessaire pour obtenir le décollement du film organique dans la NMP. Ce paramètre est nommé « RTNMP » (temps de rétention de N Méthyle pyrrolidone).