Adhérence des revêtements sur polyoléfines

Adhérence des revêtements sur polyoléfines : primaire d'adhérence, prétraitement ou les deux

Points clés

• Les polyoléfines n'ont aucun groupe polaire auquel se lier : toute solution ajoute de tels groupes ou ajoute une couche intermédiaire compatible.
• Les primaires introduisent une couche susceptible de céder de façon cohésive ; le prétraitement modifie la surface et n'ajoute rien.
• Le traitement se dégrade et les primaires non, ce qui fait de la maîtrise du délai le prix de la solution la plus propre.
• Les deux ensemble constituent la réponse standard sur les TPO et les polyoléfines chargées lorsque l'exigence est élevée.

Les polyoléfines sont les plastiques les plus utilisés au monde et parmi les plus difficiles à revêtir, pour une raison chimique et non de procédure. Les surfaces de polyéthylène et de polypropylène sont constituées de carbone et d'hydrogène, sans fonctionnalité polaire, avec une faible énergie de surface et une grande résistance chimique. Toutes les propriétés qui les rendent utiles comme matériaux les rendent peu réceptives comme substrats.

Deux façons de contourner le même obstacle

Un revêtement adhère par contact à l'échelle moléculaire et par interaction avec la surface. Une polyoléfine non traitée n'offre ni l'un ni l'autre : les revêtements perlent au lieu de mouiller, et lorsqu'ils se déposent, rien ne permet une interaction. L'industrie dispose de deux réponses établies.

Ajouter une couche intermédiaire. Les primaires à base de polyoléfine chlorée et les promoteurs d'adhérence apparentés contiennent un composant ayant de l'affinité pour le substrat polyoléfinique et une fonctionnalité polaire qui se lie au revêtement au-dessus. Rien ne change dans le substrat ; une couche compatible est insérée entre deux matériaux incompatibles.

Modifier la surface. Le plasma à flamme, le plasma atmosphérique et la décharge corona oxydent les couches moléculaires les plus externes, créant des groupes carbonyle, hydroxyle et carboxyle là où il n'en existait pas. La surface devient polaire et son énergie monte dans la plage requise par les revêtements. Rien n'est ajouté.

Les comparer sur les critères qui comptent

Les primaires sont intéressants lorsque l'investissement est contraint, la géométrie complexe ou la cadence faible. Ils n'exigent qu'une capacité de pulvérisation, atteignent les creux et les contre-dépouilles aussi bien que le revêtement, et la surface apprêtée est stable : elle ne se dégrade pas pendant que les pièces attendent.

Leur faiblesse est d'introduire une couche avec sa propre résistance cohésive et ses propres variables d'application. Un primaire appliqué trop épais, insuffisamment séché ou mal réparti devient l'élément le plus faible de l'empilement, et la défaillance qui en résulte est cohésive dans le primaire plutôt qu'à l'une ou l'autre interface. Ils ajoutent aussi une étape en phase humide, la manipulation de solvant et un temps de séchage.

Le prétraitement évite tout cela. Il n'y a ni matière supplémentaire, ni solvant, ni couche cohésive susceptible de céder, et le procédé peut se placer en ligne juste avant le revêtement. Ses faiblesses sont le coût d'investissement, les limites de couverture lorsque la ligne de visée est restreinte, et la dégradation : la surface modifiée revient en arrière en quelques heures ou quelques jours, à mesure que les chaînes de polymère se réorientent et que les additifs migrants remontent en surface.

La dégradation est le point central. Le traitement donne un résultat plus propre et exige en retour une discipline de délai ; le primaire donne un procédé plus tolérant et accepte en retour une couche supplémentaire.

Quand utiliser les deux

Les composants extérieurs automobiles en TPO illustrent l'intérêt de les combiner. Le substrat est un mélange de polyoléfines chargé soumis à une exigence sévère : adhérence après vieillissement climatique, cyclage thermique, humidité et impacts de gravillons, sur de nombreuses années. Le traitement seul laisse une surface qui doit être revêtue rapidement et dont l'énergie varie selon la géométrie. Le primaire seul doit mouiller et adhérer à une surface non traitée de faible énergie, ce qui limite ce qu'il peut apporter.

Appliqués ensemble, le traitement augmente l'énergie de surface de sorte que le primaire mouille pleinement et adhère bien, puis le primaire assure la compatibilité chimique avec le système de finition. La combinaison comporte davantage d'étapes de procédé et nettement plus de marge, ce qui est le bon compromis lorsqu'une défaillance sur le terrain coûte cher.

Réussir le traitement

Lorsqu'un prétraitement est utilisé, trois points pratiques déterminent s'il tient ses promesses.

Couverture. Le traitement atteint les surfaces qui font face à la tête. Les creux, les contre-dépouilles et les zones d'ombre en reçoivent moins, et une défaillance du revêtement précisément à ces endroits en est le résultat prévisible. Cartographier l'énergie de surface sur toute la zone à revêtir, et non en un seul point accessible, est ce qui transforme une installation en procédé maîtrisé.

Dose. Un traitement efficace exige une combinaison d'intensité et de durée d'exposition. Comprimer l'exposition pour respecter un temps de cycle produit une surface qui semble acceptable juste après le traitement et dont la durabilité est insuffisante pour survivre au délai avant revêtement.

Sur-traitement. Un traitement excessif dégrade la surface, produisant un matériau oxydé de faible masse moléculaire, polaire, mouillable et faiblement accroché : une couche limite faible qui donne d'excellentes valeurs en dyne et une mauvaise adhérence. Plus n'est pas systématiquement mieux.

La contamination qui met en échec les deux approches

Aucune des deux approches ne résiste à une contamination par silicone. Un agent de démoulage siliconé se répand jusqu'à une couverture monocouche, se place dans le plan où la liaison doit se former, et est chimiquement inerte. Un traitement appliqué par-dessus produit du silicone oxydé, mouillable mais toujours non lié au polymère. Un primaire appliqué par-dessus adhère au silicone et non au substrat.

La signature est une surface qui réussit l'essai en dyne et échoue à l'essai d'adhérence, et elle est diagnostique. Lorsqu'elle apparaît, l'action corrective est l'élimination de la source (agents de démoulage peignables, séparation des opérations de pulvérisation, air comprimé filtré, produits de maintenance maîtrisés) plutôt que davantage de traitement ou de primaire.

Qualification pour un service réel

Un essai d'adhérence initial sur une pièce fraîchement revêtue est un contrôle nécessaire et un mauvais prédicteur. Les systèmes de revêtement sur polyoléfines cèdent principalement par deux mécanismes différés : l'humidité atteignant l'interface, sous l'effet de l'humidité ambiante et de l'immersion, et la fatigue interfaciale due au cyclage thermique, causée par la forte différence de dilatation entre un substrat polyoléfinique et un revêtement.

Une qualification discriminante comprend donc une exposition à l'humidité à température élevée, un cyclage thermique sur toute la plage de service, une immersion dans l'eau le cas échéant, et pour les applications extérieures une exposition aux ultraviolets et au vieillissement climatique, avec une mesure de l'adhérence après chacune et non seulement avant. Les essais sur pièces réelles, bords et zones complexes compris, comptent aussi, car la couverture et l'épaisseur du revêtement sont toutes deux les plus mauvaises précisément là où la défaillance s'amorce.

Les polyoléfines chargées et mélangées se comportent différemment

La plupart des composants industriels en polyoléfine ne sont pas du polymère pur. Les grades chargés de talc ou de fibres de verre, les mélanges modifiés choc et les oléfines thermoplastiques modifient chacun le problème de revêtement de manières à anticiper.

Les grades chargés présentent une peau riche en résine dont l'épaisseur varie avec la longueur d'écoulement, la position du point d'injection et la température du moule ; la surface rencontrée par le revêtement n'est donc pas homogène sur la pièce. La réponse au traitement varie en conséquence, et l'adhérence du revêtement peut être sensiblement différente à l'extrémité d'un long trajet d'écoulement et près du point d'injection. Lorsqu'un composant est grand ou présente un schéma d'écoulement complexe, cartographier l'adhérence sur toute la pièce plutôt que de tester un seul endroit permet de le révéler.

Les mélanges modifiés choc et les TPO contiennent une phase caoutchouc répartie dans la surface. Cette phase réagit au traitement différemment de la matrice de polypropylène, et elle peut migrer, ce qui affecte à la fois l'énergie de surface atteignable et sa stabilité dans le temps. Les grades destinés aux applications peintes sont formulés en tenant compte de ce point ; ceux choisis uniquement sur leurs propriétés mécaniques le sont fréquemment sans cette précaution, et la différence n'apparaît pas sur une fiche technique mécanique.

Pour aller plus loin

• Revêtements industriels
• Prétraitements de surface et qualité de surface
• Revêtement liquide industriel des produits en polyoléfine
• Peinture des plastiques
• Défaillances des revêtements soft-touch
• Choisir un revêtement liquide, poudre ou durcissable aux UV

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Questions fréquentes

Pourquoi les revêtements n'adhèrent-ils pas au polypropylène ou au polyéthylène ?

Parce que leurs surfaces sont apolaires et chimiquement inertes, avec une énergie de surface proche de 30 mN/m. Les revêtements ont besoin d'une interaction polaire et d'un contact moléculaire pour adhérer, et rien sur une surface de polyoléfine non traitée ne permet cette interaction. Le revêtement ne peut pas mouiller correctement et, même lorsqu'il se dépose, n'a rien auquel s'accrocher.

Que fait un primaire à base de polyoléfine chlorée ?

Il établit un pont chimique. La partie polyoléfine chlorée a de l'affinité pour le substrat polyoléfinique, tandis que sa fonctionnalité polaire se lie au revêtement au-dessus. Il en résulte une couche intermédiaire compatible avec les deux, sans aucune modification du substrat lui-même.

Le prétraitement est-il meilleur qu'un primaire ?

Il est différent plutôt que meilleur. Le prétraitement oxyde la surface du polymère pour la rendre réceptive, n'ajoute rien qui puisse céder de façon cohésive et n'exige aucune étape en phase humide. En contrepartie, la surface traitée se dégrade avec le temps et nécessite une maîtrise du délai que n'exige pas une surface apprêtée.

Quand les deux sont-ils utilisés ensemble ?

Sur les applications exigeantes avec des substrats difficiles, en particulier les TPO et les polyoléfines chargées en usage extérieur automobile. Le traitement augmente l'énergie de surface afin que le primaire mouille et adhère correctement, puis le primaire gère la compatibilité chimique avec la finition. Chacun compense la faiblesse de l'autre.

Comment l'adhérence d'un revêtement est-elle qualifiée pour un usage extérieur ?

Au-delà de l'adhérence initiale, par une exposition à l'humidité, un cyclage thermique, une immersion dans l'eau et un vieillissement climatique avec ultraviolets, suivis d'un essai d'adhérence après chacun. Les composants extérieurs en polyoléfine cèdent principalement par l'humidité à l'interface et par la différence de dilatation pendant le cyclage, deux phénomènes qu'un essai de quadrillage initial ne détecte pas.

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