La science de la résolution des problèmes d’adhérence des plastiques : angles de contact, mouillage de surface et activation chimique

La science de la résolution des problèmes d'adhérence des plastiques : angles de contact, mouillage de surface et activation chimique

Points clés à retenir

• Le collage ne concerne pas que les adhésifs. La même science régit les encres, peintures, revêtements, produits d'encapsulation, d'enrobage et la métallisation.
• Quatre propriétés rendent les plastiques difficiles à coller : hydrophobie, faible énergie de surface, caractère apolaire et inerte, et faible fonctionnalité chimique de surface.
• L'angle de contact statique seul est trompeur. La production est dynamique, non statique ; les angles de contact dynamiques comptent donc davantage.
• Les angles d'avancée et de recul mesurent des choses différentes : l'avancée reflète la surface non modifiée, le recul reflète la surface prétraitée.
• Le mouillage ne représente que la moitié du problème. Il faut créer une fonctionnalité chimique de surface, et pas seulement augmenter l'énergie de surface.

Les problèmes de liaison par adhérence des polymères sont omniprésents dans l'industrie des plastiques. Les produits bidimensionnels et tridimensionnels impliquent souvent le collage plastique sur plastique, plastique sur métal, plastique sur composite, des assemblages optomécaniques, etc. Les applications de liaison par adhérence ne se limitent pas aux adhésifs (époxydes, uréthanes, acryliques, silicones, etc.) : elles comprennent aussi l'adhérence des encres d'impression, des peintures et revêtements, des produits d'encapsulation, des produits d'enrobage, de la métallisation, etc.

Les substrats plastiques sont difficiles à coller parce qu'ils sont des matériaux hydrophobes (non mouillables naturellement) ; qu'ils présentent une faible mouillabilité de surface (c'est-à-dire de faibles énergies de surface) ; qu'ils ont des structures apolaires et inertes ; et qu'ils ont une faible fonctionnalité chimique de surface. Cet article présente les bases scientifiques des angles de contact, du mouillage de surface et de l'activation chimique nécessaires pour obtenir une forte résistance de liaison par adhérence.

Foire aux questions

Qu'est-ce qu'un angle de contact et pourquoi est-il important ?

C'est l'angle formé entre la tangente au point où une goutte de liquide rencontre une surface solide et la ligne horizontale de cette surface. Comprendre cet angle, et l'interaction physique entre solide et liquide qu'il représente, permet de savoir si la mouillabilité de surface est suffisante pour le collage.

Pourquoi mesurer les angles de contact dynamiques plutôt que statiques ?

Parce que la production industrielle est dynamique, et non statique. Ne tester que l'angle de contact statique peut conduire à une mauvaise interprétation de l'interface liquide/solide et du problème de collage lui-même.

Quelle est la différence entre les angles de contact d'avancée et de recul ?

L'angle d'avancée est le plus sensible aux composants à faible énergie, non modifiés, de la surface, tandis que l'angle de recul est plus sensible aux groupements oxydés à haute énergie introduits par le prétraitement. L'angle de recul est donc la mesure la plus significative sur une surface traitée.

Augmenter l'énergie de surface suffit-il à résoudre un problème de collage ?

Non. On a tendance à se concentrer sur les mesures d'angle de contact comme seul indicateur prédictif, mais la fonctionnalité chimique de surface est tout aussi importante : les surfaces hydrophobes doivent être activement converties en surfaces hydrophiles collables par oxydation en phase gazeuse.

Quelles applications de collage cette science couvre-t-elle ?

Bien plus que les adhésifs tels que les époxydes, uréthanes, acryliques et silicones. Elle s'applique tout autant aux encres d'impression, peintures et revêtements, produits d'encapsulation, produits d'enrobage et à la métallisation, pour les assemblages plastique sur plastique, plastique sur métal, plastique sur composite et optomécaniques.

L'angle de contact

Considérons une seule goutte de liquide au repos (état d'équilibre) sur une surface solide plane. Une vue en coupe est présentée ci-dessous (figure 1). L'angle formé par la surface solide et la tangente à la surface supérieure au point d'extrémité s'appelle l'angle de contact. L'angle de contact est l'angle entre la tangente au point de contact et la ligne horizontale de la surface solide. Comprendre l'angle de contact et ses propriétés physiques d'interaction entre solides et liquides fournit des informations précieuses pour déterminer les conditions optimales de mouillabilité de surface en vue de la liaison par adhérence.

La forme de la bulle ou de la goutte est due aux forces moléculaires par lesquelles tous les liquides, par contraction de leur surface, tendent à donner au volume contenu la forme présentant la plus petite aire de surface. Les forces intermoléculaires qui contractent la surface constituent la tension superficielle. La tension superficielle, mesure de l'énergie de surface exprimée en « dynes/cm » (ou mN/m en unités SI), est la propriété (due aux forces moléculaires) par laquelle tous les liquides, par contraction de leur surface, tendent à donner au volume contenu la forme présentant la plus petite aire de surface.

Plus l'énergie de surface du substrat solide est élevée par rapport à la tension superficielle d'un liquide (eau, encres d'impression, adhésifs/produits d'encapsulation, revêtements, etc.), meilleure est sa « mouillabilité » et plus l'angle de contact est petit. En règle générale, une adhérence de collage acceptable est obtenue lorsque l'énergie de surface d'un substrat (mesurée en dynes/cm) dépasse d'environ 8 à 10 dynes/cm la tension superficielle du liquide (figure 2).

Le test de mouillage de surface consiste à mesurer l'angle de contact. Lorsqu'un liquide ne mouille pas complètement un substrat (c'est-à-dire un produit polymère), un angle de contact se forme. L'angle de contact est une mesure quantitative du mouillage d'un solide par un liquide. C'est une mesure directe des interactions entre les phases en présence (gaz/liquide/solide ou liquide/liquide/solide). La forme de la goutte et la valeur de l'angle de contact sont régies par les trois forces d'interaction que sont les tensions interfaciales de chaque phase en présence (gaz, liquide et solide).

Pour de nombreuses applications, il peut suffire d'examiner l'angle de contact statique d'équilibre à l'aide de solutions dyne, selon une procédure d'essai documentée telle que ASTM D2578. Les kits d'application ou « stylos/solutions dyne » fournissent des informations utiles, mais ne constituent pas des mesures précises de la tension superficielle. Les mesures de tension superficielle peuvent varier considérablement d'un opérateur à l'autre (technique) et selon l'interprétation du comportement du liquide « central ». Les stylos/solutions dyne sont reconnus comme des indicateurs d'orientation des écarts significatifs de tension superficielle, capables d'identifier de « bonnes » et de « mauvaises » surfaces collables à un prix économique.

Angles de contact dynamiques (DCA)

Ne tester que le comportement du fluide à l'angle de contact statique peut conduire à une mauvaise interprétation des résultats de l'interface liquide/solide et de la résolution des problèmes de collage. En effet, les opérations de production industrielle relèvent plus réalistement de conditions dynamiques que statiques. Il est donc essentiel de comprendre les angles de contact dynamiques (DCA).

On considère généralement que les angles de contact sont influencés à la fois par les variations de la chimie de surface et par celles de la topographie de surface. L'angle de contact d'avancée est le plus sensible aux composants à faible énergie (non modifiés) de la surface du substrat, tandis que l'angle de recul est plus sensible aux groupements oxydés à haute énergie introduits par les prétraitements de surface. L'angle de recul est donc en fait la mesure la plus caractéristique du composant modifié de la surface après prétraitement, telle que mesurée à l'aide de solutions dyne. Il est donc important de mesurer les angles de contact d'avancée et de recul sur tous les matériaux à surface modifiée1 (figure 3).

Lorsqu'une goutte est fixée sur une surface solide que l'on incline, elle se projette vers l'avant et glisse vers le bas. Les angles formés sont respectivement appelés angle d'avancée (?a) et angle de recul (?r). La norme ASTM D724 décrit des méthodes de mesure des DCA à l'aide d'équipements avancés (tensiomètres optiques et goniomètres) pour analyser les angles de contact d'avancée et de recul à partir de l'analyse de la forme de la goutte et de sa masse.

Activation chimique de surface

Les fabricants ont fortement tendance à se concentrer uniquement sur les mesures d'angle de contact comme seul indicateur prédictif des problèmes de collage et pour les essais de surface de routine. La fonctionnalité chimique de surface est tout aussi importante : les surfaces hydrophobes sont activées pour devenir des surfaces hydrophiles collables. Les procédés de prétraitement en phase gazeuse, par « décharge luminescente » et par oxydation de surface servent à l'activation chimique de surface.

Les méthodes de traitement par oxydation de surface en phase gazeuse comprennent la décharge corona électrique, le traitement à la flamme, le plasma froid basse pression et l'irradiation ultraviolette. Chaque méthode est propre à une application et présente des avantages uniques et d'éventuelles limites.

La réaction chimique et physique de base est la suivante : les électrons libres, les ions, les espèces métastables, les radicaux et les UV générés dans le plasma peuvent frapper une surface avec des énergies suffisantes pour rompre les liaisons moléculaires à la surface de la plupart des substrats polymères. Cela crée à la surface du polymère des radicaux libres très réactifs qui peuvent à leur tour former des liaisons, se réticuler ou, en présence d'oxygène, réagir rapidement pour former divers groupements fonctionnels chimiques à la surface du substrat. Les groupements fonctionnels polaires susceptibles de se former et d'améliorer l'aptitude au collage comprennent les groupements carbonyle (C=O), carboxyle (HOOC), hydroperoxyde (HOO-) et hydroxyle (HO-). Même de faibles quantités de groupements fonctionnels réactifs incorporés aux polymères peuvent être très bénéfiques pour améliorer la fonctionnalité chimique de surface et la mouillabilité. En outre, les primaires chimiques/solvants et l'abrasion mécanique (y compris la texture de l'outillage de moulage) peuvent être utilisés seuls ou en combinaison avec les prétraitements en phase gazeuse.2

Les problèmes de collage des polymères sont répandus et ne se limitent pas aux adhésifs. Les défaillances de collage ont des conséquences importantes en termes de coûts : mauvaises performances du produit sur le terrain, rebuts/reprises, inefficacités de production et contrôles qualité accrus. En comprenant les bases scientifiques des angles de contact, du mouillage de surface et de l'activation chimique, pratiquement tout problème de collage peut être résolu avec succès, même avec les matériaux polymères et élastomères les plus difficiles à coller.

Références

• Mark Strobel, Christopher Lyons, 3M Company, 3M Center, 1995
• Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc., “Surface Wetting Pretreatment Methods,” Plastics Decorating Magazine, 2002
• Remerciements : Enercon Industries Corporation, pour les photos

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc. The Sabreen Group est une société internationale de conseil en ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, liaison par adhérence, décoration et finition, marquage laser et sécurité des produits. Pour plus d'informations, appelez le (888) SABREEN ou visitez www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

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