Adhérence du nylon : angle de contact, propriétés de surface

Liaison par adhérence, angle de contact et propriétés de surface du nylon polyamide

Les polyamides, également appelés nylons, sont des plastiques hautes performances dotés d'une excellente résistance chimique. Les nylons sont hygroscopiques et absorbent l'humidité de l'air. L'humidité, en elle-même, provoque des problèmes d'adhérence. Le nylon est hydrophobe et présente une faible mouillabilité de surface. Question : le nylon est-il hydrophobe, hydrophile, ou peut-être les deux ?

Un polyamide est un polymère contenant des liaisons amide (–CO-NH–) répétitives. La fabrication des différents types de polyamides varie selon leurs unités monomères. Ils peuvent être aliphatiques, semi-aromatiques ou aromatiques (aramides). Selon leur cristallinité, ils peuvent être amorphes, semi-cristallins ou cristallins. Les polymères nylon sont intrinsèquement difficiles à coller car ils sont hydrophobes, chimiquement inertes et présentent une mauvaise mouillabilité de surface (c'est-à-dire une faible énergie de surface). De plus, les nylons sont hygroscopiques et absorbent de l'atmosphère plus de 3 % de leur masse en eau. L'humidité, en elle-même, provoque des problèmes d'adhérence.

Attention : les affirmations ci-dessus semblent directement contradictoires. Le nylon est-il hydrophobe ou hydrophile ? Le paradoxe apparent se résout dès lors que l'on reconnaît que le comportement hydrophobe du nylon est une propriété de surface, tandis que son comportement hydrophile est une propriété de masse (dans le volume du matériau). Le polyimide présente également ce comportement.

Examiner la structure chimique du motif de répétition d'un polymère — par exemple les groupes méthyle (CH3) des polyoléfines hydrophobes ou les groupes amide des nylons hydrophiles — est un moyen simple de déterminer s'il est hydrophile ou hydrophobe. La méthode la plus simple pour déterminer les propriétés de surface d'un polymère consiste à réaliser des mesures d'angle de contact avec l'eau, en angle de contact statique et en angle de contact dynamique.

Points clés à retenir

• Le nylon est hydrophobe en surface et hydrophile dans la masse — cette contradiction apparente est précisément la clé pour le comprendre.
• Les nylons absorbent de l'atmosphère plus de 3 % de leur masse en eau, et l'humidité seule suffit à provoquer des problèmes d'adhérence.
• Les liaisons amide attirent l'eau, ce qui gouverne le comportement dans la masse ; la surface, elle, reste à faible énergie et non mouillante.
• Le polyimide se comporte de la même manière : le principe se généralise donc au-delà du polyamide.

Le nylon, comme la plupart des polymères, possède une faible énergie de surface. Cela tient à la chimie de surface ainsi qu'à la physique de surface des polymères. Les angles de contact sont considérés comme influencés à la fois par les variations de la chimie de surface et par celles de la topographie de surface. Lorsqu'une goutte est déposée sur une surface solide et que cette surface est inclinée, la goutte s'élance vers l'avant et glisse vers le bas. Les angles ainsi formés sont appelés respectivement angle d'avancée et angle de retrait. La norme ASTM D724 décrit des méthodes de mesure des angles de contact dynamiques (DCA) à l'aide d'équipements évolués (tensiomètres optiques et goniomètres) permettant d'analyser les angles d'avancée et de retrait à partir de l'analyse de la forme de la goutte et de la masse.

L'angle de contact d'avancée est le plus sensible aux composantes à faible énergie (non modifiées) de la surface du substrat, tandis que l'angle de retrait est plus sensible aux groupes oxydés à haute énergie introduits par les prétraitements de surface. L'angle de retrait constitue donc en réalité la mesure la plus caractéristique de la composante modifiée de la surface après prétraitement. Il est par conséquent essentiel de mesurer à la fois l'angle de contact d'avancée et l'angle de contact de retrait sur tous les matériaux dont la surface a été modifiée.

Scott R. Sabreen est fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société d'ingénierie spécialisée dans la transformation secondaire des plastiques : prétraitements 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 contacter Scott Sabreen au 972.820.6777 ou consulter www.sabreen.com ou www.adhesionbonding.com.

Questions fréquentes

Le nylon est-il hydrophobe ou hydrophile ?

Les deux, et ce n'est pas une contradiction. Le comportement hydrophobe du nylon est une propriété de surface, tandis que son comportement hydrophile est une propriété de masse. La surface résiste au mouillage et présente une faible énergie de surface ; les groupes amide de la chaîne attirent l'eau, si bien que la masse absorbe facilement l'humidité.

Quelle quantité d'humidité le nylon absorbe-t-il ?

Plus de 3 % de sa masse, prélevés dans l'atmosphère. L'humidité, en elle-même, provoque des problèmes d'adhérence : c'est pourquoi un séchage correct avant moulage est essentiel, tant pour la transformation que pour la tenue de toute opération de collage ultérieure.

Comment savoir si un polymère est hydrophile ou hydrophobe ?

Examinez le motif de répétition de sa structure chimique. Les groupes méthyle, comme dans les polyoléfines, indiquent un comportement hydrophobe ; les groupes amide, comme dans les nylons, indiquent un comportement hydrophile. Il s'agit d'une vérification rapide de premier ordre, à effectuer avant tout essai de surface.

Pourquoi les nylons sont-ils difficiles à coller ?

Ils sont hydrophobes, chimiquement inertes et présentent une mauvaise mouillabilité de surface due à une faible énergie de surface. Les adhésifs ne parviennent pas à mouiller correctement la surface : un prétraitement de surface est donc normalement nécessaire pour augmenter l'énergie de surface et apporter des fonctions chimiques polaires.

Le polyimide se comporte-t-il comme le nylon ?

Oui. Le polyimide présente la même dissociation entre un comportement de surface hydrophobe et un comportement hydrophile dans la masse : la même rigueur de séchage et la même logique de prétraitement s'y appliquent donc.

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