colles et adhésifs
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Classesd’adhésifs
Réalisation decollages Colles et Adhésifs
Maëlenn AUFRAY
Cours 3A INP-ENSIACETOption MAFO
2009
Classesd’adhésifs
Réalisation decollages
Définitions
Colles et adhésifs
⇒ 2 termes pour une même fonction !
⇒ Ce sont tous des polymères
Classesd’adhésifs
Réalisation decollages
Quelques dates . . .Car les adhésifs sont utilisés depuis des millénaires !
Époque Matériaux/Adhésif/ApplicationsNéolithiqueFixation avec du bitume des pointes en os aux tiges des flèches
3000 .av. J.-C.
Fabrication et utilisation d’agents adhésifs à base de substancesnaturelles
2000 .av. J.-C.
Les Egyptiens fabriquaient des adhésifs végétaux et animaux
Dédale
Inventeur des adhésifs ou colles : le blanc d’œuf était utilisécomme adhésif pour les dorures des livres, les résines et jus vé-gétaux pour le collage du bois
Chineantique
Les laques et adhésifs servaient pour peindre et traiter la soie
1100 .av. J.-C.
Fonte du soufre et puis refroidissement très rapidement de fa-çon à en obtenir la phase élastique. Les lames de couteaux, lesflèches et les fers de lance étaient collés à leurs manches en boisau moyen de ce “hot-melt ”
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Réalisation decollages
Quelques dates . . .
Époque Matériaux/Adhésif/Applications
16ème
siècle
Invention de l’imprimerie : relance l’intérêt pour les colles et entraînel’amélioration des adhésifs animaux et végétaux (gomme arabique,sève d’acacia, latex des plantes à caoutchouc, . . .)
vers1850
Amélioration significative des propriétés des polymères naturels enles modifiant (invention de la vulcanisation du caoutchouc naturel sui-vie de celle du premier adhésif semi-synthétique : la nitrocellulose ou“celluloïd“)
1910 Premiers adhésifs thermofusibles à base de phénol-formaldéhyde(Bakélite), puis d’esters de cellulose pour le collage du bois
1930 Urées-formaldéhyde
1936 Polyesters insaturés, polyépoxydes
1947 Dépôt du brevet sur le procédé de fabrication des cyanoacrylates
1957 Cyanoacrylates produits industriellement
1967 Développement des polyimides
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Formulation
BasePolymère ou mélange de polymères
AdditifsPlastifiantsTackifiantsCires cristallinesAgents épaississants, fluidifiants, “thixotropants”Lubrifiants, agents de démoulageColorants, stabilisants (antioxydants)
Charges
MinéralesOrganiques
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Classements
Type de polymère (TP/TD ou amorphe/semi-cristallin . . .)
Forme (liquide, film, pâte . . .)
Mode de durcissement (thermofusible, solvant, réaction)
Définitions
Adhésifs à Mise en Œuvre Physique = AMOP⇒ Initialement liquides = Colles à solvant⇒ Initialement solides = Colles thermofusibles et PSA
Adhésifs à Mise en Œuvre Chimique = AMOC⇒ Durcissement par réaction de polymérisation
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AMOP liquide - Colles solubilisées dans l’eau
AMOP liquide solubles dans l’eau
La colophane
L’amylopectine
La cellulose(colle pour papiers peints)
L’albumine, la caséine
Le bitume
PEG, Poly(alcool vinylique) . . .
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AMOP liquide - Cas des émulsions
PVA = Polyacétate de vinyleAcétate de vinyle copolymérisable avec acryliques ouanhydridesEmulsions de polyacrylates
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AMOP liquide - Colles à solvant
AMOP liquide solubles dans des solutions organiques
Caoutchouc
Polyisobutène (PIB)
Polydiènes
PU thermoplastiques
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AMOP solide - Colles thermofusibles
Dérivés du PE :copolymérisationradicalaire ou greffage
PolyamidesPolyestersPU
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AMOP solide - Adhésifs sensibles à la pression
Films et rubans adhésifs
PolyacrylatesScotch de bureau,d’emballage
Polydiènes/polyvinyliques
SIS = polymère triblocsstyrène-isoprène-styrène
SBS = polymère triblocsstyrène-butadiène-styrène
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AMOC = Adhésifs de réaction
Durcissement par réaction de polymérisation
⇒ Polyaddition et polycondensation
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Durcissement par mélange des composants
PrincipeRéaction chimique classique
⇒ Respecter la stœchiométrie !
⇒ Éviter toute formation de bulles (couche de faible cohésion)
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Durcissement par mélange des composants
⇒ Ce sont donc des bicomposants
Exemples
Époxydes
PU
Polyesters
Acryliques
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Durcissement par apport de chaleur
Principe
La réaction de polymérisation ne commence qu’à unetempérature donnée
N.B. Le durcissement par mélange des composants peut être classé dans
“Durcissement par apport de chaleur” si Treaction = Tambiante
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Durcissement par apport de chaleur
monocomposants
Époxydes
bicomposantsPhénol-formolÉpoxydesPhénoliquesPA
⇒ Adhésifs utilisés essentiellement pour coller des métaux
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Durcissement aux UV
PrincipeAssemblage de matériaux transparents aux UV⇒ Verre, PMMA, PC, POM . . .
Respecter longueur d’onde, temps d’irradiation . . .⇒ UV-A (380-315 nm) utilisés généralement
Les UV décomposent un type de molécule pour formerdes radicaux libres servant d’amorceurs
Utilisation de masques possible
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Durcissement aux UV
monocomposants
Adhésifs acryliques (les + anciens)
Polyesters
PU avec doubles liaisons
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Durcissement à l’humidité de l’air
PrincipeHumidité de l’air de 65%
⇒ < 40% d’humidité→ pas de durcissement
⇒ > 80% d’humidité→ durcissement trop brutal
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Durcissement à l’humidité de l’air
Exemples (monocomposants)
PU et Silicones (polysiloxane)
Base ester de l’acide cyanoacrylique
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Durcissement par effet catalytique et sousexclusion d’air/oxygène
PrincipeEffet catalytique par contact métallique⇒ Collage des métaux exclusivement !
Domaines d’application :freinage, collage, étanchéification
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Durcissement par effet catalytique et sousexclusion d’air/oxygène
monocomposants
Diacrylate
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Exemple d’adhésifs de réaction -Poly-époxydes
Monomères ou oligomères terminés par des fonctions oxiranne⇒ DGEBA ou Novolaque
Co-monomère : amines, anhydrides
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Exemple d’adhésifs de réaction -Poly-époxydes
Exemples de monomères
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Exemple d’adhésifs de réaction -Poly-époxydes
Réactions époxyde-amine : polycondensation
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Exemple d’adhésifs de réaction -Poly-époxydes
Cas des époxydes monocomposant : Pas de réactiond’homopolymérisation de monomères époxydes maisblocage du co-monomère (amine)
par un complexe sensible à la chaleur.par l’état cristallin de co-monomère à Tamb
Co-monomère le plus utilisé : la dicyandiamide (Dicy)
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Exemple d’adhésifs de réaction -Poly-époxydes
ATTENTION : les époxydes sont très allergisants !
Certaines amines peu sympathiques . . .
Par contre, pas de solvant volatils
Nombreuses utilisations
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Exemple d’adhésifs - PU
Réaction d’un di-isocyanate avec un produit hydroxylé(polyester-polyol, ou polyéther-polyol de f > 2)
Thermoplastiques formés si f=2 (TPU)Thermodurcissables si f>2 (PUR)AMOP et AMOC
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Exemple d’adhésifs - PU
Polymérisation par polycondensation
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Exemple d’adhésifs - PU
Monomères Diisocyanate courantsTDI = Toluène Diisocyanate
MDI = Diphényl Méthane Diisocyanate
IPDI = Isophorone Diisocyanate
HDI = 1-6 hexane diisocyanate
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Exemple d’adhésifs - PU
Formulation :
Mélange fréquent de différents types de monomères
Segments mous :diisocyanate + polyester-diol et/ou polyéther-diol
Segments durs :diisocyanate + amine et/ou polyol court
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Exemple d’adhésifs - PU
Cas des PU monocomposants :
di-isocyanate réagit avec l’humidité de l’air
Réaction parasite avec l’eau
Puis : isocyanate + amine→ urée
ou di-isocyanatebloqué par un agent complexant
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Exemple d’adhésifs - PU
PU très réactifs
Groupes isocyanates capables de réagir avec denombreux substrats
Liaisons H possibles
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Exemple d’adhésifs - Acryliques
∃ adhésifs acryliques TP et TD
⇒ Font partie de la classe des vinyliques
Exemple de polymérisation du PMMA
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Exemple d’adhésifs - Acryliques
Cas particulier des colles cyanoacrylates
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Exemple - Acryliques : Cas particulier descolles anaérobies
Composition :monomère (MMA et/ou PU-acrylate)initiateur (peroxide)+ catalyseur . . .
⇒ Formation de radicaux initiée par une réaction redox desions métalliques
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Exemple d’adhésifs - Silicones
Silicone = Polysiloxane
⇒ Composés inorganiques formés d’une chaînesilicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle desgroupes se fixent, sur les atomes de silicium
⇒ Exemple : le PDMS
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Exemple d’adhésifs - Silicones
Plusieurs polymérisations possibles :
Polyaddition
Polycondensation
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Exemple d’adhésifs - Silicones
Cas particulier des colles MS-polymère⇒ Marque déposée par Kaneka
⇒ MS-polymère = modified-silicone polymer =Silyl-terminated polyether (STP)
⇒ Combine les propriétés des PU et des silicones
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Annexe - Liste non-exaustive d’adhésifs
Nom Acronyme ClasseAcétate de cellulose CA Ester de celluloseNitrate de cellulose = nitrocellulose CN Ester de cellulosePhénol-formaldéhyde PF polymère phénoliquePolyamide PA PolyamidePolycarbonate PC PolyesterPolydiméthylsiloxane PDMS Polysiloxanepolyétheréthercétone PEEK PolycétonePolyéthylène PE PolyoléfinePolyéthylène oxyde PEO PolyétherPolyéthylène glycol PEG PolyétherPolyéthylène téréphtalate PET PolyesterPolyimide PI PolyimidePolyisocyanate PIC PolyamidePolyacrylonitrile PAN Polymère vinyliquePolybutadiène PBD Polymère diènePolyacrylate de méthyle PMA Polymère vinyliquePolyméthacrylate de méthyle PMMA Polymère acryliquePolyoxyméthylène PMO PolyétherPolypropylène PP polyoléfinePolysiloxane silicones Polymères inorganiquePolystyrène PS Polymère vinyliquePolytétrafluoroéthylène PTFE Polymère vinyliquePolyacétate de vinyle PVAc Polymère vinyliquePolychlorure de vinyle PVC Polymère vinyliquePolyépoxydes EP PolyépoxydesPolyuréthanes réticulés PUR PolyuréthanesPolyuréthanes thermoplastiques TPU Polyuréthanes
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Annexe - Propriétés de quelques adhésifs
Nom Acronyme Tg (°C) Tm (°C)Polyéthylène PE-LD -100 120Polyéthylène PE-HD -70 135Polyoxyméthylène POM 175 à 180Polypropylène PP -30 165Polyamide PA-12 40 à 80 180Polyamide PA-11 40 à 80 186Polyamide PA-6 40 220 à 230Polyamide PA-66 50 260Polyacétate de vinyle PVAc 30Polychlorure de vinyle PVC 85 190Polystyrène PS 100Polyméthacrylate de méthyle PMMA 105Polycarbonate PC 155 235Polyéthylène téréphtalate PET 69 256Polytétrafluoroéthylène PTFE -20 327polyétheréthercétone PEEK 143 335
Jacques RaultLes polymères solides
Cépaduès-éditions, 2002, 254p.
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Bibliographie - Première partie
Jacques CognardScience et technologie du collage
Presses polytechniques et universitaires romandes, 2000, 322p.
E. H. Schindel-BidinelliPratique du collage industriel
Lavoisier, Ted et Doc, 1992, 246p.
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Bibliographie - Première partie
Philippe CognardCollage des matériaux. Mécanismes : Classification des collesTechniques de l’ingénieur : BM 7 615
Stéphanie Clouet et Frédéric FortierLes rubans adhésifsTechniques de l’ingénieur : BM 7 612
Éric PaponChimie et mise en œuvre des adhésifs12èmes Journées d’Étude sur l’adhésion, Session de formation, 2003
H. HAIDARAMécanismes fondamentaux du mouillage et de l’adhésion12èmes Journées d’Étude sur l’adhésion, Session de formation, 2003
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Avantages du collage
Avantages du collage
Assemblage de matériaux fragilesAssemblage de matériaux différentsAssemblage de matériaux mincesRépartition des contraintesConservation des dimentionsRéduction du nombre de piècesEtanchéité, Esthétique, lutte contre la corrosion,isolation ...Rattrapage des tolérancesRépartition des contraintes
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Inconvénients du collage
Inconvénients du collage
Limite de températureVieillissementFiabilitéSensibilité à l’environnement (H2O)DémontageContrôle non destructifPréparation de surface
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Vocabulaire technique
Grammage
Quantité d’adhésif déposé par unité de surface
Pégosité (Tack)
Faculté d’un adhésif de maintenir ensembleinstantanément deux supports (=adhérenceinstantanée).
Encollage
Phase du collage pendant laquelle on appliquel’adhésif sur le ou les supports.
Fluage
Déformation irréversible progressive d’unmatériau soumis de façon prolongée à unecontrainte. Pour les adhésifs, écoulementvisqueux du joint de colle en service.
Thixotropie
Propriété qu’ont certains fluides de passer d’unétat visqueux à un état liquide lorsqu’on lesagite et de retrouver leur état initial après untemps de repos.
Durée de vie en pot
Durée de conservation admise pour une collemélangée à son durcisseur au-delà de laquelle lescollages deviennent moins bons, généralement parsuite d’un épaississement exagéré.
Durée de prise
Durée de maintien de deux surfaces encollées l’unecontre l’autre pour avoir une résistance suffisante ducollage au cours des manipulations d’usage.
Temps d’assemblage ouvert
Durée qui s’écoule entre l’application de l’adhésif etla mise en contact intime des substrats avec ou sanspression.
Temps de travail
Durée s’écoulant entre le moment où l’on peutcommencer l’affichage ou l’assemblage et le momentoù celui-ci devient inefficace.
Temps de gommage
Durée s’écoulant entre le moment de l’encollage oude réactivation de l’adhésif et celui où l’on peutprocéder à l’affichage ou à l’assemblage.
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Bibliographie - Première partie
⇒ Dimensionnement à ne pas négliger !
Analyses uniaxialesThéorie de VolkersenThéorie de DemarklesThéorie de Erdogan et Ratwani
Analyses biaxialesThéorie de Goland et Reissner. . .
Approches numériquesUtilisation des éléments finis. . .
Éric ParoissienContribution aux assemblages hybrides boulonnés/collésAplication aux jonctions aéronautiquesThèse de doctorat de l’Universités Toulouse III, 287p., 2006.
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Conception des joints-DimensionnementAnalyses uniaxiales
Théorie de VolkersenAnalyse de l’état de contraintes dans un joint à simple recouvrement
T (x) = 0,5ηVb
cosh(ηV (0,5L−x))sinh(0,5ηV L) f
avec
ηV =
r2G
ee1E1
T (x) : contrainte de cisaillement dans l’adhésif (MPa)
ηV : constante de Volkersen (mm−1)
G : module de Coulomb de l’adhésif (MPa)
e : épaisseur de l’adhésif (mm)
e1 = e2 : épaisseur des substrats (mm)
E1 = E2 : module d’Young des substrats (MPa)
b : profondeur de la jonction (mm)
L : longueur du recouvrement (mm)
x : abscisse dans une base orthonormale
f : charge appliquée selon x (N)
Tmax = ηV L2tanh(ηV L)Tmoy avec Tmoy = f
bL ⇒ Topt = 2ηV
O. Volkersen 1938 et 1965
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Conception des joints-DimensionnementAnalyses uniaxiales
Demarkles améliore l’analyse précédente en tenant comptedes déformations de cisaillement des substrats
T (x) = ηDLsinh(ηDL)
[e2cosh(ηDx)+e1sinh(ηDL−ηDx)
e1+e2
]Tmoy
avec ηD =√
2G1G(e1+e2)Ee1e2(2G1e+G(e1+e2))
ici, e1 peut être différent de e2
L. R. Demarkles
Investigation on the use of rubber analogue in the study of the stress distribution in riveted and
cemented joint
NASA, Technical Notes N° 3413, 1955.
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Conception des joints-DimensionnementAnalyses uniaxiales
Analyse de Erdogan et Ratwani
⇒ Analyse de l’assemblage collé de 2 substrats en escalierpuis biseautés⇒ flexion des substrats négligée : seuls les efforts normauxdans le substrats et la contrainte adhésive de cisaillementsont considérés⇒ Calcul des contraintes de cisaillement de l’adhésif etapplication au cas du simple recouvrement
F. Erdogan and M. Ratwani
Stress Distribution in Bonded Joints
Journal of Composite Materials, Vol. 5, pp. 378-393, 1971.
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Bibliographie - Première partie
Limite des analyses uniaxialesElles négligent le fait que pour une jonction à simplerecouvrement, le chargement est excentré, et qu’il existedonc un moment fléchissant, qui a pour effet de fairetourner le joint. Cette rotation est à l’origine de l’apparitionde contraintes normales de pelage dans l’épaisseur du jointen plus des contraintes de cisaillement.
Éric ParoissienContribution aux assemblages hybrides boulonnés/collésAplication aux jonctions aéronautiquesThèse de doctorat de l’Universités Toulouse III, 287p., 2006.
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Conception des joints-DimensionnementAnalyses biaxiales
Analyses biaxiales⇒ Prise en compte de la flexion des substrats due àl’excentricité de chargement : introduction d’un moment deflexion en bord de joint⇒ L’adhésif est représenté par une infinité de ressortstravaillant en cisaillement et une infinité de ressortstravaillant en traction-compression (⊥
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Conception des joints-DimensionnementAnalyses biaxiales
Analyse de Goland et ReissnerAnalyse en 2 temps
1 détermination de la répartition du chargement sur lasection rectangulaire du joint
2 détermination des contraintes dans la colle⇒ Solutions pour 2 cas particuliers
Fine couche de colle + rigidité similaire colle/substratsFine couche de colle + ses déformations ne sont pasnégligeables
M. Goland and E. ReissnerThe stress in cemented jointsJournal of applied mechanics, pp.A17-A26, 1944
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Conception des joints-DimensionnementApproches analytiques vs approches numériques
Approches analytiques+© Solutions prêtes à
l’emploi+© Solutions nombreuses-© Validité des hypothèses
simplificatrices ? ? ?
Approches numériques+© Permettent d’éviter
certaines hypothèsessimplificatrices
-© Maillage fin nécessaire⇒ Temps de calcul
important
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Conception des joints-Dimensionnement
Utilisation d’éléments finis dans l’étude des contraintesadhésives d’une jonction collée
Substrats élastiquesThéorie des poutresStructure substrat/adhésif/substrat→ éléments finis à 4noeudsDéplacements nodaux interpolés par des fonctionsclassiquesCalcul de la matrice de rigidité
⇒ Résultats en accord avec le modèle biaxial de Golandet Reissner
S. Amijima, T. FujiiA microcomputer program for stress analysis of adhesive-bondedjointsInt J Adhes Adhes 7, pp. 199-204, 1987
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Conception des joints
Choix de la forme du joint
Choix du son mode d’application
Choix de l’adhésif
Préparation de la surface
CollageEncollageMise en place du joint
Séchage/polymérisation
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Préparation de la surface
Lavage/Dégraissage
Traitement mécanique
Traitement thermique
Traitement chimique
Traitement électrique
Revêtement/primaire
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Préparation de la surface
Lavage/Dégraissage
Il nettoie la surface sans modifier ses caractéristiques demouillabilité
SolvantsOn utilise généralement des dérivés d’hydrocarburesou de chlore. On choisit le solvant suivant les élémentscontaminants.Saponificationdestruction des graisses animales et végétales par laréaction (graisse plus base donnent glycérine plussavon)
⇒ Dégraissage par immersion, essuyage, . . .
⇒ Rinçage indispensable
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Préparation de la surface
Traitement mécanique
Sablageprojection d’une poudre abrasive.
Abrasion par ponçage/polissage
Ultrasons
⇒ Voie sèche, ou humide
⇒ Protection de la surface créée nécessaire
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Rugosité
Rp : Pic maximal observé sur la longueur analysée. Si l’on pose unrepère cartésien dont l’axe des abscisses est aligné sur la lignecentrale de la surface à mesurer, le pic maximal, lu sur l’axe desordonnées, pourra également être noté Rp = ymax
Rc : Creux maximal observé sur la longueur analysée. Rc = |ymin|
Rt : Rugosité totale. Elle correspond à la somme du pic maximal etdu creux maximal observé sur la longueur analysée. Rt = Rp + Rc
Ra : Écart moyen, ou moyenne arithmétique des distances entrepics et creux successifs. “Ra“ correspond à la différence entre cettedistance moyenne et la ”ligne centrale“. Ce paramètre ”moyen“permet de donner une indication générale résumant les autresparamètres de rugosité d’une surface donnée, et est parconséquent fréquemment utilisé. Ra = 1
n
Pni=1|yi |
Rq : Moyenne arithmétique des distances entre pics et creux
successifs Rq =q
1n
Pni=1y2
i
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Préparation de la surface
Traitement thermique
⇒ Un traitement d’une heure à 300°C est souvent trèsefficace pour le collage.
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Préparation de la surface
Traitement chimique⇒ Permet d’éliminer la couche d’oxydes recouvrant certains métaux
Fer et alliagestraitement acide. Il y a risque de fragilisation pour les aciers ayantsubi un traitement thermique pour augmenter la dureté.
Acier inoxil faut reformer la couche de passivation détruite par traitementmécanique. Le traitement est à base de HNO3, H2SO4, . . .
Cuivre et alliagestraitement au chlorure ferrique + HNO3 ou HCl, au mélangesulfochromique Ce traitement est délicat car le collage doit suivreimmédiatement le décapage.
Aluminium et alliagesil existe diverses méthodes dont une conservation de la couched’oxydes et dégraissage de la surface, un décapage chimique suivid’un décapage électrochimique, . . .
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Préparation de la surface
Traitement électro-chimiqueAnodisation
à la cathode
H+ + e – −−→ 12 H2
à l’anode
Al −−→ 3 e – + Al+3 , puis 2 Al+3 + 3 H2O −−→ Al2O3 + 6 H+
Équation bilan
2 Al + 3 H2O −−→ Al2O3 + 3 H2
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Préparation de la surface
Traitement électriquePlasma (état de la matière)⇒ pour métaux et polymèresmais aussi traitement coronaLaser. . .
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Préparation de la surface
Fonctions d’un primaireBoucher les poresAméliorer la mouillabilitéProtéger la surface
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Règles d’assemblage : Encollage et application
Les facteurs d’influence sont :
La viscosité, rhéologie, thixotropie
La nature chimique : le matériau des applicateurs peutattaquer les colles et inversement.
Adhésifs mono ou bi-composants : problème deconservation, de préparation et de quantité nécessaire.
Adhésifs hot melts : Problèmes de mise en œuvre.
Durée de prise, nettoyage, sécurité.
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Mise en œuvre : Assemblage et durcissement
Les paramètres importants sont :
L’épaisseur du joint
La pression exercée
La montée en température
Le maintien en position des éléments à assemblerOn peut employer pour l’assemblage un outillagespécial (serre-joints, presse à rouleaux, . . .)
Éventuellement, mise à l’étuve
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Associations diverses
http ://www.feica.comFEICA : Association of European adhesives andsealants manufacturers
http ://www.fipec.orgFIPEC : Fédération des industries des peintures,encres, couleurs, colles et adhésifs
http ://www.aficam.frAFICAM : Association Française des Industries Colles& Adhésifs et Mastics,
http ://www.creacol.frCRéACOL : Transfert de technologie auprès desentreprises Spécialiste de l’Assemblage par Collage