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Les adhésifs de structure chocs : formulation et propriétés
Les colles de structure, nommées chocs, présentent une amélioration de la résistance à la traction, de la résistance au choc et de la tenue en fatigue sans pour autant modifier leurs propriétés de base29. L’ajout d’additifs fait généralement évoluer le comportement visco‐élastique des résines époxy vers un comportement élasto‐visco plastique. Le caractère élasto‐viscoplastique d’un joint adhésif structural peut être identifié par un chargement cyclique (avec une charge croissante) des assemblages collés30.
Ajout de charges minérales
Les silicates sont souvent utilisés pour augmenter la rigidité et la résistance aux chocs des adhésifs. La préparation de nanocomposites époxy DGEBA – feuilles de silicates exfoliés en utilisant du NMA (anhydride nadique de méthyle) comme durcisseur indique une augmentation de 58% du module réel E’ des composites contenant 4% en volume de silicate à l’état vitreux, et une augmentation de 450% à l’état caoutchoutique, en comparaison avec la résine époxy non chargée32.
Le kaolin est une charge couramment utilisée dans les résines et a une influence directe sur les paramètres de réticulation tels que le temps de gel, le temps de réticulation et la température au maximum du pic exothermique31. Tous ces paramètres diminuent avec l’introduction de kaolin de granulométrie 1‐15 µm. Ceci peut être attribué à la mobilité moléculaire réduite des espèces réactives par la présence et la réactivité du kaolin. En outre, l’ajout de kaolin augmente la contrainte
à la rupture, le module de Young E du matériau et diminue l’allongement à la rupture. La rupture est de type fragile. Si le kaolin est introduit en concentration trop importante, les propriétés mécaniques sont diminuées à cause d’une agglomération des charges et d’une décohésion des particules de la matrice. Les mécanismes de rupture du matériau composite se font par déformation plastique localisée et arrêt de fissure.
S. Joannès33 indique que dans la colle de rigidité BETAMATETM 1044, composée d’une matrice époxy, d’un alliage de thermoplastiques et de charges minérales que sont le talc et la wollastonite, la fissure se propage à travers les charges de talc qui ont peu de cohésion et donc s’ouvrent sous la contrainte appliquée. Ceci augmente le nombre de ruptures cohésives.
Le taux de charges à introduire dans une même matrice pour obtenir des propriétés mécaniques similaires est différent selon la nature de la charge considérée. Par exemple, pour obtenir un module de cisaillement de 16,3 MPa pour des assemblages collé aluminium/époxy, il faut introduire 14 phr de fin mica ou 60 phr de talc à la matrice époxy31.
Par ailleurs, la taille, la géométrie et l’orientation des charges ont une influence sur les propriétés de renforcement de la matrice adhésive. Khalili et al.34 ont étudié l’influence de poudre de verre microscopique et l’orientation de fibres de verre continues sur les propriétés mécaniques de joints composites. Des tests de traction‐cisaillement indiquent que l’orientation des fibres en relation avec la direction de chargement a une influence importante sur la résistance mécanique des joints simple recouvrement, en particulier sur la contrainte et la déformation à rupture et donc, sur sa ductilité. Une orientation des fibres de verre à 0° conduit aux maxima de résistance et de ductilité (+ 136% par rapport à la matrice). Contrairement aux fibres de verre, la poudre de verre a une influence considérable sur la rigidité du joint (jusqu’à + 19% par rapport à la matrice) mais négligeable sur la déformation à rupture. Le joint est ainsi plus fragile avec ce type de renforcement.
Formation de réseaux interpénétrés
Les propriétés mécaniques de réseaux interpénétrés composés de bismaléimide modifié d’uréthane (UBMI) et partiellement greffé à une résine époxy par des agents de greffage ont été étudiées par K.H. Hsieh63. Deux types d’agent de greffage sont considérés. Ce sont des polyuréthanes soit à base de PU(PBA) poly(butylène adipate), soit des PU(PPG) poly(oxypropylène)polyols. Il ressort de cette étude que la contrainte à rupture augmente avec une augmentation du pourcentage d’agent de greffage et d’UBMI. Cependant comme dans le cas des adhésifs modifiés par des élastomères, cette tendance s’annule lorsque la concentration en UBMI atteint une valeur critique. Le maximum de contrainte est atteint lorsque la contribution de l’effet d’interpénétration s’équilibre avec le caractère souple des segments de polyuréthanes. Les agents de greffage produisent des microstructures aux morphologies différentes, selon le type de polyols utilisé dans la formation du polyuréthane. Ceci conduit à une grande résistance aux chocs des RIP à base de PU(PBA) qui présentent une meilleure compatibilité de phase, donc une microstructure homogène. Par contre, l’énergie d’adhérence GIC est plus faible pour les RIP à base de PU(PBA) que ceux à base de PU(PPG), qui présentent une morphologie biphasique où les particules d’UBMI sont dispersées dans la matrice époxy.
Les mécanismes de rupture proposés pour des RIP composés d’un prépolymère polyuréthane et d’une résine époxy sont la cavitation interne des particules de prépolymère et la formation de zones de plasticité localisée64.
L’adhésif étudié, BM 1480R de la compagnie DOW, repose sur cette technique d’amélioration des propriétés chocs. En effet, la formulation de l’adhésif est composé d’un réseau interpénétré d’élastomères : un prépolymère polyuréthane et une résine époxy‐CTBN (la formulation de l’adhésif est détaillée en partie B). D’après R. Müllhaupt65, l’augmentation de la ductilité et de la résistance mécanique de la résine époxy sont apportées par la synergie de ce mélange d’élastomères. Cette synergie est obtenue grâce à la compatibilité des deux élastomères. Le degré de comptabilité peut être augmenté si les deux polymères contiennent des groupements réactifs qui peuvent co‐réticulés, pour former une microphase ayant des réseaux interpénétrés. Le mécanisme de la réaction est présenté sur la figure 5. J. Bishopp66 propose qu’une décomposition spinodale lors de la réticulation mène à la formation de phases co‐continues de polymères, avec des tailles de particules de l’ordre du nanomètre. La figure 6 présente la microstructure de cet adhésif époxy modifié.
Le vieillissement thermique statique ou l’exposition à des températures négatives.
L’exposition à une atmosphère humide (notamment chaud/humide)
L’immersion dans l’eau à température ambiante ou élevée
Les vieillissements cycliques gel/dégel et sec/humide.
L’immersion dans une solution saline ou l’exposition à un brouillard salin, en continu ou intermittent.
L’exposition à des contraintes mécaniques combinées à une atmosphère favorisant le vieillissement.
L’exposition à des solvants, des solutions acides et alcalines et enfin, à des huiles ou de l’essence.
Le type de vieillissement choisi doit mettre en œuvre au mieux, les facteurs environnementaux qui sont réellement déterminants pour le système étudié, sachant que la température et le taux d’humidité sont des facteurs prédominants. En l’occurrence, pour les assemblages collés acier/adhésif époxy étudiés, les facteurs environnementaux jugés comme potentiellement néfastes à la tenue du joint sont l’eau, la température et le sel.
L’application de contraintes mécaniques92 a été démontrée comme étant un facteur qui accélérait les mécanismes de vieillissement de l’assemblage collé en milieu humide, chaud ou salé. Cependant l’action simultanée d’une contrainte mécanique avec un milieu chaud humide sur le vieillissement est relativement complexe à exploiter car il est difficile de juger la contribution spécifique de chaque facteur sur le vieillissement.
Les tests de vieillissement accéléré sont souvent sujets à controverse, notamment à cause de la faible connaissance de leur validité par rapport aux tests de vieillissement naturel91,93. Les tests accélérés ont tendance à surestimer la réduction des propriétés d’adhésion dans l’assemblage collé, avec des conséquences négatives sur le dimensionnement des assemblages collés et sur leur performance. En effet, un joint surdimensionné peut par exemple amener à utiliser une épaisseur de colle ou de tôle trop élevée, ce qui ne favorise pas l’allègement du véhicule qui est l’objectif de base du développement des colles de structure, d’où l’intérêt de choisir des méthodes de vieillissement bien adaptées au système et les plus représentatives possibles du vieillissement naturel.
Ashcroft, Digby et Shaw29 ont comparé des tests de vieillissement accéléré et naturel ; ils concluent qu’il n’y a pas de corrélation simple entre les joints vieillis dans différents environnements. Ils estiment que les tests accélérés permettent au mieux d’éliminer les adhésifs susceptibles de mal se comporter dans des conditions de forte humidité et d’indiquer ceux qui sont capables d’atteindre de bonnes performances.
Selon Broughton91, l’environnement le plus néfaste dans le monde peut être représenté par une humidité relative de 85% et une température de 60°C. Tout en sachant que le maximum d’humidité relative qui peut être atteint est de 96% et qu’en Europe, l’atmosphère ambiante correspond généralement à une température de 23°C et un taux d’humidité relative de 50%.
Broughton et Mera91 proposent un test de vieillissement accéléré en 3 étapes qui selon eux, trouve son intérêt dans la modélisation mathématique de la diffusion de l’eau pour chaque étape du test de vieillissement. Dans une première étape, le matériau est exposé à l’humidité relative maximum disponible (96%) jusqu’à ce que la concentration d’eau à l’équilibre atteigne le niveau correspondant aux conditions d’humidité/température les plus basses. La deuxième étape consiste à exposer le matériau à un taux d’humidité relative plus bas (par exemple 15% HR), ce qui correspond donc à une étape de séchage, pour enlever l’excès d’eau sur les couches de surface extérieures. La dernière étape utilise un taux d’humidité relative correspondant au niveau final désiré (c’est‐à‐dire 84% HR). Ainsi, la distribution est homogénéisée à travers toute l’épaisseur du matériau.
D’autres critiques à l’encontre des tests de vieillissement sous conditions sévérisées sont l’éventuel déclenchement de mécanismes de dégradation qui ne sont pas représentatifs du vieillissement naturel et une possible non linéarité des phénomènes quand la température est proche ou supérieure à la température de transition vitreuse96. Il n’existe pas de méthode simple pour déterminer la durabilité sur le long terme des assemblages collés à partir des tests accélérés29. Certains tests empiriques sont utilisés en milieu industriel. Leur description ainsi que quelques résultats sont rapportés en Annexes 1 et 6.
Les conséquences de la pénétration de l’eau dans un assemblage collé sont donc abordées en considérant, dans un premier temps, sa diffusion dans l’adhésif et dans un second temps, à l’interface. Auparavant, la notion de concentration critique en eau pour les assemblages collés est explicitée.
En considérant le taux d’humidité relative (HR) du milieu de vieillissement, le taux maximum d’absorption ou la concentration critique en eau wmax est définie par la relation suivante : wmax = k(HR)n.
Avec k et n, des constantes dépendant de la nature du polymère et variant pour les polyépoxydes de 0,049 à 0, 066 pour k et de 1 à 1,8 pour n.
Cette concentration critique en eau définit une limite au dessus de laquelle apparaît l’affaiblissement des propriétés. Kinloch, Gledhill et Shaw95 ont expérimenté la tenue d’assemblages collés bout à bout composés d’un adhésif époxy à base de DGEBA et réticulé par le 2‐éthylhexanoate de 2,4,6‐ tri(diméthylamino)‐phénol. Les conditions de vieillissement prévoyaient une variation de la température de 20 à 90°C pour les tests en immersion et maintenaient une température de 20°C pour les tests en atmosphère humide (55% HR). Par une approche de la mécanique de la rupture, il a été observé que la résistance des joints est affaiblie par immersion dans l’eau et qu’une fissure apparaît pour une concentration critique en eau absorbée de 1,35%93,96.
Pour des joints simple recouvrement d’un système adhésif époxy/aluminium, Brewis et Comyn96 ont eux déterminé une concentration critique en eau de 1,45% (soit la concentration en eau à l’équilibre pour le joint vieilli à 50°C et 65% HR). L’adhésif considéré est une résine époxy de type DGEBA réticulée par du 1,3‐diaminobenzène et ses propriétés d’absorption d’eau n’indiquent pas d’humidité relative critique comme pour les joints. Ceci laisse supposer que l’affaiblissement de l’assemblage collé au‐delà d’une humidité critique de 65% HR a lieu à l’interface aluminium/adhésif époxy, soit par affaiblissement des interactions adhésif/substrat (forces de Van der Waals, par exemple), soit par hydratation de la couche d’oxydes. Une combinaison de ces deux phénomènes est aussi envisageable. La valeur de cette concentration critique en eau peut s’expliquer par l’apparition d’une discontinuité des phénomènes à l’interface, comme l’hydratation des sels. Le sel absorbe l’eau jusqu’à son taux d’hydratation maximum. Une fois ce processus terminé, l’eau ne pourra plus être captée par les sels et sera libre d’engendrer la dégradation de l’interface.
Enfin, Sylvain Popineau97 définit la concentration critique en eau pour un assemblage aluminium/adhésif époxy comme étant la concentration en eau au dessous de laquelle il n’y a pas suffisamment de liaisons secondaires interfaciales rompues pour permettre la rupture interfaciale des joints, dimensionnés pour des tests de clivage en coin. Cette concentration critique en eau est aussi de l’ordre de 1% (exactement 1,1%). Il est à noter que cette hypothèse peut ne pas être valable pour des prétraitements de la surface métallique par des agents de couplage tels que les silanes pour lesquels des liaisons covalentes M‐O‐Si se forment à l’interface polymère/métal98. Bowditch conteste cette notion de concentration critique en eau et est sceptique vis‐à‐vis de la notion d’une concentration seuil99. Dans certaines circonstances, il est possible d’observer que l’affaiblissement attribuable à une dégradation interfaciale par l’eau est contrebalancé par un renforcement du joint adhésif dû à la diminution des contraintes internes par l’infiltration d’eau dans la couche d’adhésif. Il existe donc, dans ce cas, une concentration d’équilibre en eau en dessous de laquelle la force d’adhésion du joint n’est pas affectée par l’eau.
La diffusion de l’eau au sein d’un assemblage collé et en particulier au sein de l’adhésif, peut se décomposer selon trois étapes principales :
Une pénétration des premières molécules d’eau dans le polymère. Elles se lient aux sites polaires, avec lesquels elles ont une forte interaction, en cassant les liaisons secondaires. Il est à noter que les résines époxy ne présentent que très peu de volume libre 0,72%, et la plupart des molécules d’eau pénétrant dans un tel réseau sont liées par liaisons hydrogène
aux fonctions polaires de la résine époxy9. Le phénomène de plastification est donc principalement causé par l’eau liée, qui est en concentration très importante dans les réseaux époxy composés de groupes très polaires comme les hydroxyles, amines ou carboxyles19.
Une fois que tous les sites polaires ou presque sont liés aux molécules d’eau, un plateau est atteint. Le réseau est au maximum de plastification.
L’eau qui pénètre ensuite dans le réseau polymère se loge dans les microvolumes formés par le gonflement et la relaxation du réseau. Ces molécules d’eau n’ont que peu d’interaction avec le polymère puisqu’elles sont sous la forme d’agrégats. Lors de cette dernière étape, les propriétés mécaniques ne sont pas modifiées par rapport à la seconde étape100.
Lors du vieillissement d’une résine époxy DGEBA modifiée avec des élastomères et comportant des charges minérales dans une solution d’eau déminéralisée, il a été montré que l’absorption d’eau pouvait se résumer en 2 étapes28. La première étape d’absorption d’eau suit la loi de Fick et est attribuée au procédé de saturation de la matrice époxy. Cette première étape d’absorption a lieu j D.grad(C) jusqu’à un taux d’absorption en eau de 4,3% en fraction massique et mène à la plastification de la résine. Au‐delà de ce taux, l’eau se loge dans les microcavités formées lors du procédé de vieillissement et ne modifie pas le spectre mécanique de la résine. La force motrice pour la seconde étape d’absorption est la pression osmotique. Après séchage, la température de transition vitreuse ne revient pas à sa valeur initiale car une quantité d’eau résiduelle (~1%) est piégée dans le matériau. La seconde étape d’absorption n’est pas observée lors d’un vieillissement en immersion dans une solution saline (5% NaCl (w/w))28. La résine époxy, qui a un rôle de membrane, n’est pas perméable au soluté et la solution saline étant plus concentrée en ions que les poches formées lors de la dégradation hydrolytique du réseau époxyde, l’eau ne peut pas diffuser à travers la résine époxy pour équilibrer les concentrations. Il y a un phénomène d’osmose inverse qui limite l’absorption d’eau à un taux de 4,1% (en masse).
à des conditions de vieillissement accéléré, le modèle fickien n’est plus valable. Il existe une température limite au dessus de laquelle la diffusion de l’eau dérive du modèle classique monophasique de Fick, vers un modèle biphasique de type Langmuir 91.
C’est ainsi que le modèle de Carter et Kibler103 a été adapté à la description des phénomènes de diffusion de l’eau dans des adhésifs structuraux époxy. Ce modèle repose sur le modèle de Langmuir à 2 phases qui considèrent l’existence d’eau « libre » et d’eau « liée ».
Ces deux modèles cinétiques de la diffusion de l’eau (Fick et Langmuir) ne sont plus applicables dans le cas de dégradation irréversible de l’adhésif. Les coefficients de diffusion de l’eau dans des systèmes époxy‐amines sont relativement faibles et varient entre 5.10‐14 et 2.10‐13 m2.s‐1, à 25°C9.
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Table des matières
1 INTRODUCTION
I‐ CONTEXTE DE L’ETUDE
II‐ DEVELOPPEMENT DES ADHESIFS DE STRUCTURE DANS L’AUTOMOBILE
III‐ DEMARCHE SCIENTIFIQUE
PARTIE A ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I‐ LES ASSEMBLAGES DE STRUCTURE A BASE DE RESINE EPOXY
I‐1. ADHESIFS EPOXY
I‐1.1. Réticulation et particularités du système DGEBA/DDA
I‐1.2. Les adhésifs de structure chocs : formulation et propriétés
I‐2. L’ASSEMBLAGE COLLE
I‐2.1. Les aciers et leurs revêtements
I‐2.2. Le rôle de l’interphase ou/et interface
II‐VIEILLISSEMENT DES ASSEMBLAGES COLLES
II‐1. FACTEURS ENVIRONNEMENTAUX FAVORISANT LE VIEILLISSEMENT ET TESTS ASSOCIES
II‐2. L’EAU ET SES MECANISMES DE DIFFUSION
II‐2.1. Diffusion dans l’adhésif
II‐2.2. Diffusion à l’interface
II‐3. LE FACTEUR TEMPERATURE
II‐4. INFLUENCE D’UN MILIEU SALIN (NACL)
III‐TESTS MECANIQUES
III‐1. ETUDE DE LA FISSURATION
III‐1.1. Test de clivage en coin
III‐1.2. Test en mode I : DCB, TDCB
III‐1.3. Test en mode II et modes mixtes
III‐2. ETUDE DU COMPORTEMENT MECANIQUE JUSQU’A RUPTURE
III‐2.1. Tests avec des joints simple ou double recouvrement
III‐2.2. Test de sollicitations mixtes : Arcan
III‐3. VISUALISATION DE L’ENDOMMAGEMENT DE LA MICROSTRUCTURE
III‐4. MODELISATIONS DE LA RUPTURE D’UN JOINT ADHESIF
IV‐ LES APPROCHES PREDICTIVES DE LA DUREE DE VIE
PARTIE B MATERIAUX ET METHODES EXPERIMENTALES
I‐ MATERIAUX
I‐1. L’ADHESIF BM1480R
I‐1.1. Identification par FTIR de la formulation de l’adhésif BM1480R
I‐1.2. Détermination du taux d’époxydes
I‐2. LE SUBSTRAT : ACIER GALVANISE
II‐ELABORATION DES EPROUVETTES
II‐1. ASSEMBLAGES COLLES
II‐1.1. Essais de cisaillement (notés « essai S » : Shear)
II‐1.2. Essai en traction (notés « essai T », Tensile)
II‐2. EPROUVETTES HALTERES
III‐ CARACTERISATION DE LA RETICULATION
III‐1. TECHNIQUES EXPERIMENTALES SPECIFIQUES A LA CARACTERISATION DE LA RETICULATION
III‐1.1. Infrarouge
III‐1.2. DSC
III‐2. ETUDE DE LA RETICULATION DE L’ADHESIF
III‐2.1. Approche phénoménologique
III‐2.2. Approche cinétique
III‐3.CARACTERISATION DES ASSEMBLAGES COLLES
III‐4. CARACTERISATION DES EPROUVETTES HALTERES
III‐5. BILAN
IV‐TECHNIQUES D’ANALYSES PHYSICO‐CHIMIQUES ET MICROSCOPIQUES
IV‐1. ANALYSE SPECTROPHOTOMETRIQUE INFRAROUGE A TRANSFORMEE DE FOURIER (FTIR‐ATR)
IV‐2. ANALYSE CALORIMETRIQUE DIFFERENTIELLE (MDSC)
IV‐3. MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE (MEB) ET ANALYSE CHIMIQUE (EDX)
V‐TESTS MECANIQUES
V‐1. SPECTROSCOPIE MECANIQUE (DMA)
V‐2. ESSAIS DE TRACTION SUR L’ADHESIF MASSIF
V‐3. TEST DE SOLLICITATION DES ASSEMBLAGES EN CISAILLEMENT
V‐4. TEST DE SOLLICITATION DES ASSEMBLAGES EN TRACTION
V‐5. OUTIL DE CORRELATION D’IMAGES
V‐6. METHODOLOGIE D’EXPLOITATION DES RESULTATS
VI‐DETERMINATION DES PARAMETRES D’ABSORPTION D’EAU
VI‐1. MESURES DE PRISE EN EAU ET COEFFICIENT DE DIFFUSION
VI‐1.1. Mesures de prises en eau par DVS
VI‐1.2. Mesures de prises en eau sur des éprouvettes haltères et coefficients de diffusion
VI‐2. MODELE DE DIFFUSION 2D
VII‐VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE
PARTIE C VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE DE L’ADHESIF MASSIF
I‐ETUDE GRAVIMETRIQUE
II‐EVOLUTION DE LA STRUCTURE CHIMIQUE
II‐1. VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE A 70°C, 75% HR
II‐2. ANALYSE DES EAUX DE VIEILLISSEMENT
II‐3. VIEILLISSEMENT THERMIQUE A 70°C
III‐EVOLUTION DE LA TG
IV‐EVOLUTION DES PROPRIETES MECANIQUES
IV‐1. SPECTROSCOPIE MECANIQUE
IV‐2. ESSAIS DE TRACTION
V‐ BILAN ET DISCUSSION
PARTIE D VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE DES ASSEMBLAGES COLLES
BIBLIOGRAPHIE
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