Bonnes pratiques pour le collage des thermoplastiques semi-cristallins

Bonnes pratiques pour le collage des thermoplastiques semi-cristallins

Des grades courants aux grades hautes performances, les polymères semi-cristallins sont difficiles à coller à eux-mêmes comme à des matériaux dissemblables. Pour créer les liaisons moléculaires solides nécessaires à l'adhérence, les surfaces des substrats doivent être propres (souvent associées à un prétraitement). Le choix de l'adhésif et une polymérisation correcte sont déterminants pour obtenir le résultat recherché.

En règle générale, à l'état solide, les polymères présentent deux types de morphologie : « amorphe » et « semi-cristalline ». Dans certaines conditions, certains polymères peuvent présenter les deux. Dans les polymères amorphes, par exemple l'acrylique et le polycarbonate, il n'existe pas de véritable point de fusion (ramollissement progressif). Les molécules sont orientées de façon aléatoire et enchevêtrées (comme des spaghettis cuits), avec un aspect transparent proche du verre. Dans les polymères semi-cristallins, le point de fusion est net et les molécules s'agencent en zones ordonnées à structure linéaire régulière. Comme les cristallites diffusent la lumière, ces polymères sont généralement plus opaques. Ils tendent à former des plastiques tenaces, en raison des fortes forces intermoléculaires liées à l'empilement compact des chaînes. (Voir l'illustration 2.)

Les polymères semi-cristallins sont par nature difficiles à coller, car ils sont hydrophobes, chimiquement inertes et présentent une faible mouillabilité de surface (c'est-à-dire une faible énergie de surface). Si ces caractéristiques sont très recherchées pour les performances, la faible mouillabilité pose des difficultés de collage aux fabricants. De plus, les polymères semi-cristallins tels que le nylon absorbent l'humidité de l'atmosphère à hauteur de plus de trois pour cent de leur masse. L'humidité crée à elle seule des problèmes d'adhérence. Il est donc important de réaliser les opérations de collage dès que possible après le moulage, ou de conditionner hermétiquement les pièces dans des sacs sans polyoléfine avec un dessiccant. Une procédure de séchage adéquate est essentielle au procédé et aux performances de la pièce.

Points clés à retenir

• La morphologie détermine l'aptitude au collage. Les polymères amorphes, tels que l'acrylique et le polycarbonate, se collent plus facilement que les polymères semi-cristallins.
• Nettoyez avec du toluène, du xylène, de l'acétone ou de la MEK. L'alcool n'élimine que les salissures superficielles, pas les contaminants hydrocarbonés.
• Les silicones, les agents de démoulage et les agents antidérapants inhibent le collage et doivent être éliminés avant le prétraitement.
• Un défaut d'adhérence a une signature visuelle : de l'adhésif résiduel sur un seul substrat, et non sur les deux.
• Les époxydes, les acryliques et les uréthanes sont les familles d'adhésifs structuraux couramment employées pour ces polymères.

Foire aux questions

Pourquoi les polymères semi-cristallins sont-ils plus difficiles à coller que les polymères amorphes ?

À cause de leur morphologie moléculaire. Les polymères amorphes, comme l'acrylique et le polycarbonate, ont des molécules orientées de façon aléatoire et enchevêtrées, sans véritable point de fusion : ils se ramollissent progressivement. Les polymères semi-cristallins ont une structure ordonnée, et c'est cet ordre qui s'oppose au mouillage dont dépend l'adhérence.

Quels solvants utiliser pour nettoyer les surfaces semi-cristallines ?

Du toluène, du xylène, de l'acétone ou de la MEK de force modérée à élevée, conformément à la politique de l'entreprise en matière de solvants et à la législation de l'État. Les fiches techniques des polymères indiquent les agents adaptés. L'alcool est un solvant faible : il élimine les salissures superficielles, mais pas les contaminants hydrocarbonés.

Comment distinguer un défaut d'adhérence d'une défaillance de cohésion ?

Par l'endroit où l'adhésif reste. Le défaut d'adhérence se produit à l'interface entre l'adhésif et l'adhérend, et l'on observe de l'adhésif résiduel sur une seule surface, pas sur le second substrat. La rupture cohésive laisse de l'adhésif sur les deux.

Quels adhésifs conviennent aux polymères semi-cristallins ?

Les adhésifs structuraux : les époxydes, les acryliques et les uréthanes sont couramment utilisés. L'époxyde bicomposant consiste à mélanger une résine époxyde et un durcisseur, et la conception du joint doit tenir compte des efforts de traction, de compression, de cisaillement, de pelage et de clivage, souvent combinés.

Quelle contamination compromet le plus sûrement un collage ?

Les matériaux de faible masse moléculaire : silicones, agents de démoulage et agents antidérapants. Ils inhibent directement le collage, et aucun prétraitement ne peut compenser leur présence sur la surface.

Nettoyage de surface et prétraitement

La préparation de surface est essentielle pour obtenir une forte résistance du collage. Les surfaces doivent être propres et exemptes de saletés, de graisses et d'huiles. Les matériaux de faible masse moléculaire (LMWM), tels que les silicones, les agents de démoulage et les agents antidérapants, inhibent le collage. Pour nettoyer correctement les surfaces semi-cristallines et éliminer ces matériaux, il faut généralement employer du toluène, du xylène, de l'acétone ou de la MEK de force modérée à élevée (conformément à la politique de l'entreprise en matière de solvants et à la législation de l'État). Les fiches techniques des polymères indiquent les agents de nettoyage adaptés. L'alcool est un solvant faible : il n'élimine que les salissures superficielles, mais pas les contaminants hydrocarbonés.

Une technique rigoureuse s'impose en permanence, notamment l'usage de chiffons non pelucheux et le port de gants de protection sans poudre. Un excès de solvant crée des couches limites faibles de produits chimiques non éliminés, laissant un voile qui inhibe le collage.

Le collage des polymères semi-cristallins exige souvent un prétraitement plasma immédiatement après le nettoyage au solvant. Les prétraitements par oxydation de surface en phase gazeuse comprennent le traitement corona (décharge électrique), le plasma atmosphérique électrique, le plasma à air (décharge électrique), le plasma à flamme et le plasma froid RF basse pression. Ces procédés se caractérisent par leur capacité à générer un « plasma gazeux », gaz extrêmement réactif composé d'électrons libres, d'ions positifs et d'autres espèces. Une fonctionnalisation chimique de la surface se produit également. En physique, les mécanismes de génération de ces plasmas diffèrent, mais leurs effets sur la mouillabilité de surface sont similaires. Chaque méthode est propre à l'application et présente des avantages et/ou des limites.

Par exemple, les prétraitements électriques n'éliminent pas et ne nettoient pas tous les hydrocarbures polyaromatiques ; il peut donc être nécessaire de poursuivre le nettoyage au solvant. Le prétraitement plasma froid RF élimine les hydrocarbures, si bien qu'un pré-nettoyage n'est pas nécessaire.

En règle générale, une adhérence de collage acceptable est obtenue lorsque l'énergie de surface du substrat dépasse d'environ 10 dynes/cm la tension superficielle du liquide ou de l'adhésif. L'énergie de surface du nylon non traité est d'environ 40 dynes/cm. L'énergie de surface souhaitée après traitement doit donc se situer entre 50 et 54 dynes. Dans ce cas, on dit que le liquide « mouille » la surface ou y adhère. Une méthode courante de mesure du « mouillage » consiste à utiliser des solutions à dynes calibrées, conformément à la méthode d'essai ASTM D2578.

Adhésifs et polymérisation

Par définition, un « défaut d'adhérence » se produit à l'interface entre l'adhésif et l'adhérend (substrat). Visuellement, de l'adhésif résiduel subsiste en un point quelconque d'une seule surface, et non sur le second adhérend. Une conception de joint optimale est essentielle dans toute application de collage. Les joints collés peuvent être soumis à des efforts de traction, de compression, de cisaillement, de pelage ou de clivage, souvent combinés.

Pour de nombreuses applications de collage de polymères semi-cristallins, on utilise couramment des adhésifs structuraux (dont les époxydes, les acryliques et les uréthanes). L'époxyde bicomposant consiste à mélanger une résine époxyde et un durcisseur, ou à recourir à des applicateurs « duo-pak ». Une épaisseur de joint de colle fine et uniforme (0,002 à 0,007 pouce) est préférable pour des propriétés optimales de résistance au cisaillement et à la traction. La polymérisation complète prend généralement environ sept jours à 75 °F, mais varie selon les applications et les conditions ambiantes. Elle peut être accélérée par un apport de chaleur (120-210 °F), qui provoque une polymérisation supplémentaire et peut donner à l'époxyde de meilleures propriétés. La température de fléchissement sous charge du polymère constitue généralement la limite supérieure de la chaleur appliquée lors d'un traitement après moulage. Le temps et la température de cuisson dépendent de l'application.

Une mauvaise pratique courante consiste à appliquer un surplus d'adhésif pour améliorer la résistance du collage. Un excès d'adhésif est néfaste et constitue une cause majeure de défaillances de collage. Par exemple, les adhésifs époxydes ont des coefficients de dilatation thermique relativement élevés. Les joints de colle doivent rester minces et d'épaisseur uniforme (généralement 3 à 5 mils pour une résistance maximale au cisaillement). Le fournisseur d'adhésif peut indiquer l'épaisseur de joint optimale pour l'application concernée. Les applicateurs « duo-pak » prédosés éliminent les problèmes de mélange et garantissent un rapport de mélange plus précis. Ils assurent aussi de meilleures réactions chimiques stœchiométriques, d'où une meilleure résistance et de meilleures propriétés de dégazage.

En ce qui concerne la texture de surface de la pièce à coller, telle que moulée, une surface texturée augmente l'adhérence par ancrage mécanique, en plus du nettoyage au solvant et du prétraitement plasma. La texture peut être obtenue dans l'outil de moulage ou manuellement à l'aide d'un tampon Scotch-Brite. Par exemple, la finition d'empreinte NTMA « 40-Diamond buffed 1200 Grit » améliorera probablement la résistance du collage par rapport à la finition « 10-Fine Diamond 8000 Grit » (plage de 0 à 3 microns). Même des surfaces légèrement texturées sont bénéfiques. (Voir l'illustration 3.)

En résumé, pour obtenir un collage de haute résistance des polymères semi-cristallins, les mesures suivantes sont recommandées :

• Veiller à ce que la résine soit correctement séchée avant le moulage.
• Réaliser le collage dès que possible après le moulage.
• Nettoyer la surface de la pièce au solvant pour éliminer les débris et les contaminants hydrocarbonés.
• Envisager un prétraitement de surface par plasma pour augmenter le mouillage et la fonctionnalisation chimique de la surface (en plus du nettoyage au solvant).
• Appliquer un joint de colle fin et uniforme. Des avantages supplémentaires peuvent être obtenus si le produit présente une surface texturée.

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitement de surface, collage, décoration et finition, marquage laser et sécurité des produits. Il développe de nouvelles technologies et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez joindre Scott Sabreen au 972.820.6777 ou consulter www.sabreen.com ou www.adhesionbonding.com.

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