Défaillances de collage

Comprendre les mécanismes des modes de défaillance des collages adhésifs – comment concevoir des joints collés robustes et durables qui conservent leurs performances pendant toute la durée de vie du produit.

Comment identifier les défaillances de collage

La défaillance adhésive est une rupture de liaison à l'interface entre l'adhésif (ou les revêtements, encres d'impression, mastics d'étanchéité) et le substrat. La défaillance cohésive se produit lorsqu'une fracture laisse une couche d'adhésif sur les deux surfaces. L'examen du mode de défaillance apporte des informations précieuses sur les variables de procédé qui affectent la résistance et la durabilité du joint collé. Le processus de collage fait intervenir à la fois des forces adhésives et cohésives, et les défaillances impliquent souvent plusieurs modes de défaillance simultanément. Les quatre modes de défaillance sont la défaillance adhésive (interfaciale), la défaillance cohésive (au sein de l'adhésif), la défaillance du substrat (rupture du matériau) et la défaillance en mode mixte (combinaison de défaillances adhésives et cohésives). Le délaminage peut survenir pendant la fabrication ou à tout moment durant le stockage ou la durée de vie en service du produit. Des collages adhésifs robustes doivent présenter à la fois une résistance et une durabilité de liaison élevées. Trop souvent, les mécanismes de défaillance critiques ne sont pas correctement identifiés, et les fabricants finissent par acquérir des équipements coûteux et inutiles en cherchant une solution.

Types de modes de défaillance des collages adhésifs et leurs origines

L'adhérence entre deux matériaux fait intervenir la science des surfaces, la conception des joints et la chimie de l'adhésif (ou de l'encre/du revêtement). Les joints collés peuvent présenter une défaillance adhésive ou cohésive. Le mode de défaillance désigne le mécanisme par lequel un collage adhésif se rompt ou échoue sous l'effet d'une contrainte ou d'une force appliquée. Lorsqu'un collage échoue, il est essentiel d'en identifier les causes profondes.

Les joints collés peuvent présenter une défaillance adhésive ou cohésive

Défaillance adhésive

Les défaillances adhésives se produisent à l'interface entre l'adhésif et le substrat. L'adhésif se sépare proprement du substrat. Visuellement, l'adhésif résiduel ne se retrouve, en tout point, que sur une seule des deux surfaces. Les défaillances adhésives trouvent presque toujours leur origine dans le processus de fabrication : contamination étrangère, migration d'additifs chimiques dans le joint de collage, propriétés de viscosité et d'épaisseur de l'interface collée, durcissement incorrect ; les variations de température peuvent aussi générer une contrainte excessive sur les collages adhésifs en raison de coefficients de dilatation thermique différents. L'adhésif doit correctement mouiller la surface du substrat, faute de quoi la résistance du collage sera inférieure au maximum.

Défaillances adhésives

viscosité

Défaillance cohésive

La défaillance cohésive se traduit par une fracture de l'adhésif et se caractérise par la présence visuelle de matériau adhésif sur les faces correspondantes des deux substrats. La liaison entre l'adhésif et les substrats est alors plus forte que l'adhésif lui-même. Les défaillances cohésives observées sur le terrain sont généralement dues à une conception de joint inadéquate.

Défaillance du substrat

La défaillance du substrat (ou défaillance de l'adhérend) correspond à la résistance de collage optimale, dans laquelle c'est le matériau lui-même qui se rompt plutôt que le collage.

Défaillance en mode mixte

Les défaillances en mode mixte présentent à la fois des caractéristiques de la défaillance adhésive et de la défaillance cohésive, car l'interface est partiellement dégradée. Ce mode de défaillance correspond essentiellement à une phase transitoire dans laquelle la résistance du collage adhésif est inférieure à la résistance de défaillance cohésive.

Comment concevoir des collages adhésifs solides pour la fabrication

Les collages adhésifs échouent pour diverses raisons : conception des pièces, moulage, matériaux et stockage, prétraitement, assemblage et conditions d'utilisation sur le terrain. Dans le contexte actuel de fabrication mondialisée, les composants sont souvent produits dans un pays puis expédiés vers un autre pour y être assemblés. Ce seul protocole introduit des facteurs qui compliquent le collage.

Pourquoi les collages adhésifs échouent-ils ?

Les défaillances de collage peuvent avoir de nombreuses causes : conception des pièces, moulage, matériaux et stockage, prétraitement, assemblage et conditions de service. Dans l'environnement de fabrication mondialisé actuel, les composants sont couramment fabriqués dans un pays puis livrés dans un autre pour y être assemblés. Ce seul protocole introduit des facteurs qui compliquent le collage.

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Comment les surfaces polymères et les angles de contact influencent le collage adhésif

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La morphologie et la mise en œuvre du polymère influencent en définitive la facilité ou la difficulté des opérations de collage. Les plastiques semi-cristallins sont généralement plus difficiles à coller que les plastiques amorphes. Les acétals, les nylons, les polyoléfines, le PPS, les polycarbonates, le PTFE et les caoutchoucs/élastomères présentent les plus grands défis. Les aérosols lubrifiants externes migrants, tels que les silicones, ne doivent jamais être utilisés dans les ateliers de moulage, car ils se propagent dans l'air jusqu'aux autres machines et se déposent sur les pièces moulées.

La préparation de surface est essentielle pour obtenir une résistance de collage adhésif élevée. Les surfaces doivent être propres et exemptes de toute contamination par la saleté, la graisse et les huiles. Les matériaux à faible poids moléculaire (LMWM), tels que les silicones, les agents démoulants et les agents antidérapants, inhibent le collage. Lors du nettoyage des surfaces plastiques, un excès de solvant crée des couches limites faibles laissant une accumulation de voile qui inhibe le collage. Lors de l'utilisation d'un prétraitement plasma de surface, il existe des niveaux de mouillage optimaux — le surtraitement comme le sous-traitement doivent être évités.

Angles de contact et énergie de surface. La compréhension de l'angle de contact et de ses propriétés physiques d'interaction entre solides et liquides fournit des informations précieuses pour déterminer les conditions optimales de mouillabilité de surface pour le collage adhésif. Plus l'énergie de surface du substrat solide est élevée par rapport à la tension superficielle d'un liquide (eau, encres d'impression, adhésifs, revêtements, etc.), meilleure sera sa « mouillabilité », avec un angle de contact plus petit. Les angles de contact sont influencés à la fois par les variations de la chimie de surface et par les variations 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 retrait est plus sensible aux groupes oxydés à haute énergie introduits par les prétraitements de surface. Ainsi, l'angle de retrait est en réalité la mesure la plus caractéristique de la composante modifiée de la surface après prétraitement, telle que mesurée à l'aide de solutions dyne. Il est donc important de mesurer à la fois les angles de contact d'avancée et de retrait sur tous les matériaux à surface modifiée.

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