4.1 Optimisation de l’adhésion
4.1.2 Étude de la fragilisation du fil
4.1.2.3 Recherche d’un prétraitement sans fragilisation
Au cours des paragraphes précédents, nous avons montré que la meilleure préparation de sur-face au regard de l’adhésion (prétraitement par plasma Ar/O2) était responsable d’une fragili-sation du fil. Cette préparation ne pourrait donc pas être une solution viable d’un point de vue industriel. Néanmoins, nous avons observé que le degré de fragilisation était directement fonction des conditions fixées pour la réalisation du prétraitement. Nous avons donc cherché des conditions de prétraitement Ar/O2 qui puissent permettre l’obtention de bonnes valeurs d’adhésion tout en minimisant les dommages engendrés sur le fil d’acier.
Pour un temps de résidence au sein de l’électrode fixé à une minute, nous avons vu précé-demment que la fragilisation s’accentue avec l’augmentation de la puissance incidente, qui est responsable d’une élévation de température et d’une accélération de la cinétique d’oxydation. Nous avons donc, dans un premier temps, cherché à déterminer si le fait de diminuer la puis-sance incidente pouvait minimiser la fragilisation du fil, tout en conservant un temps de rési-dence d’une minute. La mesure des forces de rupture du fil à l’issue du prétraitement Ar/O2, en fonction de la puissance incidente, peut être observée Figure 4-13.
On peut y observer que la force de rupture du fil d’acier n’est que peu affectée par le prétrai-tement Ar/O2 tant que la puissance incidente est inférieure ou égale à 40 W. À partir de 45 W, la force de rupture du fil chute rapidement d’une dizaine de newtons et la fragilisation s’accentue ensuite avec l’augmentation de puissance. La coloration du fil d’acier est égale-ment très dépendante de la puissance incidente. Jusqu’à 40 – 45 W, la surface du substrat ne subit qu’une légère coloration. Au-delà de 45 – 50 W, la coloration devient beaucoup plus marquée, passant du jaune au bleu pour des puissances de 100 et 110 W. D’un point de vue qualitatif, on peut donc, d’un simple coup d’œil, se faire une idée de l’étendue de la fragilisa-tion.
Tous les prétraitements précédemment décrits souffrent toutefois d’un sérieux inconvénient, à savoir la durée importante requise pour nettoyer le fil en continu. En effet, la vitesse de défi-lement que l’on doit fixer pour avoir un temps de résidence d’un point du substrat d’environ une minute au sein de l’électrode de 10 cm est de 0,167 cm/s, ce qui requiert une durée de 30 minutes pour nettoyer 3 mètres de fil. Ceci peut donc constituer un obstacle au développement industriel du procédé. Aussi avons-nous cherché s’il était possible de minimiser la fragilisa-tion du fil en conservant une puissance incidente élevée, mais en réduisant cette fois-ci le temps de résidence dans la décharge, dans l’optique de réduire la durée requise pour l’étape de prétraitement. Pour cela, nous avons fixé la puissance incidente à 100 W et diminué le temps de résidence en augmentant la vitesse de défilement linéaire du substrat, tout en con-servant une électrode de 10 cm de longueur pour un tube de décharge de 34 cm. Les valeurs des forces de rupture du fil à l’issue de ces prétraitements sont indiquées Figure 4-14.
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Figure 4-13 : Mesure des forces de rupture du fil d’acier à l’issue d’un prétraitement Ar/O2d’une durée fixée à une minute, en fonction de la puissance incidente réglée pour le prétraitement. La puissance 0 W correspond à
un plasma éteint, soit aucun traitement.
Figure 4-14 : Mesure des forces de rupture du fil d’acier à l’issue d’un prétraitement Ar/O2 réalisé avec une puissance incidente de 100 W, en fonction du temps de résidence dans la décharge. Le temps 0 s correspond à
une durée nulle de prétraitement, soit aucun traitement.
On peut voir que pour une puissance incidente de 100 W, la fragilisation du fil est très brutale dès les premières secondes du prétraitement, et s’atténue ensuite pour des durées supérieures à
0 20 40 60 80 100 120 160 180 200 220 240
Force
de
rup
tu
re (N
)
Puissance incidente (W)
0 10 20 30 40 50 60 160 180 200 220 240Force
de
rup
tu
re (N
)
Durée du prétraitement (s)
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10 s. Pour un temps de résidence de 4 s, temps minimal que l’on peut définir avec notre dis-positif expérimental en conservant une électrode de 10 cm, la force de rupture chute déjà à 205 N. Nous avons donc diminué progressivement la puissance incidente en maintenant le temps de résidence à 4 s, correspondant à une vitesse linéaire de 2,5 cm/s, dans le but de trou-ver des conditions de prétraitement alliant temps de résidence minimal et puissance maximale qui ne fragilisent pas le fil. Ainsi, à 80 W (pour une durée de 4 s), la force de rupture du fil à l’issue du prétraitement est de 220 N et n’est donc que très peu affectée par la préparation. Deux couples de temps de résidence et de puissance incidente ont donc été trouvés pour per-mettre un prétraitement Ar/O2qui ne fragilise pas le fil d’acier zingué, à savoir (60 s ; 40 W) et (4 s ; 80 W). Nous avons alors vérifié que ces nouvelles conditions permettaient toujours l’obtention de bons niveaux d’adhésion. Nous avons également étudié, pour chacune de ces conditions, l’influence de la concentration en dioxygène dans la décharge au cours du prétrai-tement, en fixant le flux de gaz total à 10 slm. Les valeurs d’adhésion entre le caoutchouc et le fil d’acier zingué revêtu du dépôt plasma peuvent être appréciées Figure 4-15. Pour mieux observer la dispersion des valeurs, et pour pouvoir représenter sur le même graphe le nombre d’échantillons dont la force d’adhésion est supérieure à la force de rupture du fil, nous avons représenté individuellement l’ensemble des valeurs mesurées plutôt que la valeur moyenne des mesures et leur écart type.
Pour chaque condition de prétraitement, sept échantillons ont été introduits simultanément dans le caoutchouc au cours du même enrobage. Sur ces sept échantillons, deux ont été enro-bés directement à l’issue de la préparation, et les cinq autres ont été préalablement revêtus d’une couche mince organochlorée dont les conditions de réalisation sont rassemblées Ta-bleau 4-1. Les valeurs d’adhésion mesurées pour les échantillons non revêtus sont tées par des carrés gris, tandis que celles mesurées pour les échantillons revêtus sont représen-tées par des ronds rouges ou noirs. Ces ronds sont remplacés par des étoiles lorsque la force d’adhésion excède la force de rupture du fil, et donc lorsque le fil n’a pas pu être extrait du caoutchouc. Les symboles rouges correspondent aux forces d’adhésion mesurées lorsque le fil fraîchement revêtu n’a eu aucun contact avec la poulie en sortie du réacteur. En effet, nous avons vu au paragraphe 2.2.1 que les dépôts, contrairement aux prétraitements, sont réalisés avec un tube de décharge de 15 cm de longueur (et non plus 34 cm). Il est alors possible, dans cette configuration, de récupérer en sortie du réacteur une longueur d’environ 20 cm de fil revêtu, qui ne soit pas entrée en contact avec la poulie, et de réaliser un test d’adhésion (pour chaque condition expérimentale) avec cette longueur de fil.
On observe donc Figure 4-15 que l’ensemble des conditions testées conduisent à de bonnes, voire très bonnes valeurs d’adhésion, qui excèdent souvent la force de rupture du fil d’acier lorsque ce dernier est revêtu d’une couche mince avant d’être enrobé dans le caoutchouc. Au contraire, tous les échantillons non revêtus ne montrent aucune adhérence au caoutchouc. À quelques reprises, on voit que le fil d’acier se rompt à des forces de l’ordre de 210 N, indi-quant qu’une fragilisation se produit encore de temps à autre. Mais globalement, le phéno-mène est fortement minimisé comparé aux premières observations qui ont été faites. On ob-serve également que la concentration en dioxygène dans la décharge au cours du prétraitement est sans influence notable sur les valeurs d’adhésion.
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Figure 4-15 : Mesure des forces d’adhésion entre le caoutchouc et le fil d’acier zingué ayant été préalablement prétraité par un plasma Ar/O2avant d’être revêtu d’une couche mince dans les conditions indiquées Tableau
4-1, en fonction de la concentration en dioxygène dans la décharge au cours du prétraitement, et pour deux couples de puissance incidente et de temps de résidence au sein de l’électrode : a) 40 W, 1 min ; b) 80 W, 4 s. Les valeurs d’adhésion entre le caoutchouc et le fil tout juste issu de la préparation sont également indiquées.
0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250
( ) Valeurs d'adhésion (rupture du fil)
( ) Aucun contact fil / poulie de sortie (rupture) Juste après prétraitement
Concentration en dioxygène (%)
Force d'adhésion (N)
a)
0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 250( ) Valeurs d'adhésion (rupture du fil)
( ) Aucun contact fil / poulie de sortie (rupture) Juste après prétraitement
Force d'adhésion (N)
Concentration en dioxygène (%)
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La dernière remarque que nous ferons concerne le passage du fil fraîchement revêtu sur la poulie en sortie du réacteur. On voit en effet que, dans presque tous les cas, la plus grande valeur d’adhésion mesurée est celle de l’échantillon qui n’est pas passé sur cette poulie. Ce ne sont ici que quelques exemples parmi de nombreux autres qui ne sont pas présentés dans ce mémoire, et dont certains sont beaucoup plus flagrants. De manière générale, on observe que le passage sur la poulie fait perdre de 10 à 40 % de la force d’adhésion mesurée lorsqu’aucun contact n’est établi, en fonction de l’état du dispositif. Ceci peut s’expliquer par le fait que ce contact, entre le fil revêtu et la poulie, peut arracher une partie plus ou moins importante de la couche mince déposée, et donc empêcher la formation d’une interphase d’adhésion dans ces régions, comme nous l’avons évoqué dans le paragraphe 3.3.2. Cet aspect devra donc nécessi-ter une attention particulière pour permettre le développement industriel du procédé.
Pour conclure brièvement sur l’étude de l’optimisation de la préparation de surface, on peut donc dire que l’obtention de bons niveaux d’adhésion entre le caoutchouc et le fil d’acier zin-gué nécessite de réaliser un prétraitement Ar/O2 de la surface du fil avant de le revêtir d’une couche mince organochlorée. Les meilleures conditions de prétraitement trouvées pour per-mettre un nettoyage efficace de la surface du fil sans le fragiliser sont les couples (puissance incidente ; temps de résidence) à (40 W ; 60 s) et (80 W ; 4 s). La concentration en dioxygène dans la décharge n’exerce pas d’influence significative sur les niveaux d’adhésion obtenus. Pour la suite de l’étude dédiée à l’optimisation de la couche mince, nous fixerons cette fois-ci une même préparation de surface pour l’ensemble des expériences qui seront réalisées. Nous choisirons les conditions permettant le prétraitement le plus rapide, avec la plus faible teneur en oxygène, à savoir une puissance incidente de 80 W, un temps de résidence au sein de l’électrode haute tension de 4 s (vitesse de défilement linéaire de 2,5 cm/s), et une concentra-tion en dioxygène de 0,5 %. Dans ces condiconcentra-tions, traiter trois mètres de fil ne prend plus que deux minutes au lieu de trente.