L'emploi d'adhésifs était connu dès 4500 av. JC. Ces adhésifs étaient composés de matières premières animales et végétales, comme la colle d'os( graisse animale) et de caséine, ainsi que de goudron, de poix, de cires, etc. C'est seulement à la fin du 19iéme siècle( en 1876 environ) que l'on produit les premières solutions de caoutchouc et de résines avec du benzène qui servent à un collage relativement fiable du bois, du papier, du carton, des tissus et du cuir.

    Au début du 20ième siècle, apparaissent les premières colles à base de nitrocellulose qui permettent un assemblage de construction, en partie sans utilisation de moyens mécaniques.

    En raison de progrès décisifs dans le domaine de la chimie macromoléculaire, les bases des techniques modernes du collage ont été mises en place. C'est en 1949 que sont introduites les colles sur base de Néoprène.

    Les moyens de collage évoluent et gagnent de plus en plus d'importance dans les méthodes actuelles de fabrication industrielle.

L'adhésion d'un liquide sur un solide fait intervenir deux notions indépendantes:

L'interaction liquide solide qui caractérise l'adhésion.
Le mouillage qui caractérise l'étalement du liquide sur le solide.

Quelques considérations sur la mouillabilité

Elle représente l'aptitude qu'a un liquide à occuper la plus grande surface possible lorsqu'on le dispose sur une surface solide. Nous la quantifierons par l'introduction de la notion d'énergie de surface d'un liquide ou d'un solide.

Énergie superficielle d'un liquide

Aussi appelée tension superficielle, elle caractérise l'aptitude qu'a la surface d'un liquide à prendre la plus petite valeur possible dans un milieu donné. Elle caractérise également la cohésion d'un liquide puisqu'il faut vaincre les forces de cohésion interne de celui-ci pour accroître cette surface.

Mécaniquement, elle s'exprime comme une force s'opposant à un accroissement de surface et rapportée à l'unité de longueur. L'unité utilisée est le N/m

Énergie de surface d'un solide

Elle représente la quantité de travail qu'il a fallu dépenser pour créer la dite surface, la température et la pression étant constantes. Elle s'exprime en J/m².

Notions de mouillabilité

Posons une goutte de liquide sur une surface solide.

L'équilibre des forces donne l'équation de Young:

Où g _s, g _sl ,g _l représentent l'énergie de surface du solide, l'énergie inter-faciale liquide solide et la tension superficielle du liquide.

Énergie superficielle critique

L'étalement du liquide n'est parfait que si l'angle de contact A est nul. Cette valeur correspond à une valeur critique de l'énergie superficielle du solide qui permet de prédire que si:

g _l < g _c alors A=0, le mouillage est bon.

g _l > g _c alors A est positif, le mouillage est mauvais.

Quelles sont les liaisons qui interviennent?

On qualifie ainsi l'ensemble des forces qui s'établissent entre l'adhésif et la surface du solide. Plusieurs explications existent, sans que l'on puisse généraliser l'une ou l'autre de celles ci.

Théorie mécanique. L'adhésion a longtemps été considérée comme étant un simple problème mécanique, la solidité du joint résultant de la pénétration de l'adhésif dans les aspérités de la surface solide. Explique une partie de l'adhésion.

Théorie électrique. L'adhésion serait due à l'établissement d'une couche électrique aux interfaces, les forces étant de nature électrostatique. Très controversée.

Théorie chimique. Elle interprète la liaison par la formation de liaisons covalentes entre deux corps en présence. N'a lieu que dans certains cas.

Théorie de la diffusion. Il y a inter-diffusion entre les deux surfaces en présence. Elle suppose la solubilité mutuelle des matériaux. Collage du PVC par exemple.

Théorie thermodynamique. Elle indique l'établissement de liaisons faibles( forces de Van Der Waals) entre les surfaces. Ces forces s'exercent sur de faibles distances et existent dans tous les cas de figure. Explique une bonne partie de l'adhésion.

Les forces de Van Der Waals résultent de la dissymétrie de répartition des charges positives et négatives entraînant la formation de dipôles aussi bien dans le polymère que dans le substrat et s'unissant tête-bêche.

Ces différentes hypothèses montrent que les phénomènes d'adhésion ne sont pas encore bien élucidés. Il semble cependant que l'établissement de liaisons faibles mais très nombreuses soit une des raisons principales de l'adhésion dans beaucoup de cas.

Importance de la rugosité

Une augmentation de la rugosité a deux incidences directes:

On pourrait alors s'attendre à ce que la résistance du joint augmente dans des proportions similaires. Or ce n'est pas le cas. Deux raisons essentielles expliquent ces observations.

- Une bonne mouillabilité n'est pas une condition suffisante, encore faut-il qu'il se forme des liaisons nombreuses et solides, ce qui suppose que la géométrie de la surface soit bien connue et que la chimie de l'adhésif et de la surface solide soient parfaitement adaptées.

 

 

Traction	Cisaillement
Clivage	Pelage

 

Là, si je suis un peu mécanicien, je vois bien qu'il faut éviter le clivage et le pelage....Mais le cisaillement ?

Si j'en crois Volkersen, il faut faire attention, car les contraintes ne sont pas très homogènes.

Le lecteur pourra se référer aux deux livres indiqués pour avoir plus d'informations dans ce domaine, car il est vrai que ça commence à devenir compliqué...... .

Je retiens quand même que les contraintes doivent être réparties sur l'ensemble du joint pour mieux résister aux efforts appliqués.

Une colle, c'est tout d'abord un polymère de base qui donne la cohésion de l'ensemble. C'est ensuite l'addition d'éléments destinés à augmenter le pouvoir collant, à augmenter la souplesse dans certains cas, ...

Commençons par les adhésifs structuraux

La notion d'adhésif structural est apparue lorsqu'on a commencé à réaliser des assemblages collés pouvant supporter des contraintes aussi importantes que les assemblages mécano - soudés.

L'assemblage collé présente alors une résistance équivalente à celle des matériaux constituant la structure. La colle est partie intégrante de l'ensemble de la structure à la différence des produits de revêtements ou des mastics d'étanchéité, d'où l'appellation d'adhésifs structuraux.

Ils sont conçus pour résister à des contraintes supérieures à 7 MPA ( ce n'est pas une frontière infranchissable!...) à température ambiante. Ils peuvent être sollicités sans défaillance à un pourcentage élevé de leur résistance maximale pendant une longue période, ceci dans des conditions hostiles( basses températures, chaleur, agents chimiques, ...).

LES POLYURÉTHANES

C'est une classe très vaste de produits dont certains peuvent être classés parmi les adhésifs structuraux. Ce sont alors des polymères réactifs sans solvants ou à très haut extrait sec.

Ils résultent de la condensation entre un monomère isocyanate et un monomère hydroxyde ou polyol. Ils se présentent sous la forme de bi-composants mais l'évolution tend à favoriser le développement des adhésifs polyuréthannes mono-composants en raison de leur facilité de mise en œuvre.

Ils ont une excellente tenue au pelage, à la déchirure.

Les polyuréthannes bi-composants sont considérés comme une colle semi-structurale. Ils conviennent parfaitement aux assemblages mixtes métal / plastique. Certains fabricants développent des gammes de polyuréthannes mono-composant. Ces colles se présentent sous un état pâteux puis deviennent après réticulation à l'humidité ambiante des masses élastiques.

Les excellentes propriétés d'adhérence des polyuréthannes ont trouvé des applications dans les adhésifs à moyen et haut module dans tous les secteurs d'activité industrielle, en particulier chaque fois que les assemblages sont soumis à la dilatation, des chocs ou des vibrations conséquentes. Ils trouvent de nombreuses utilisations dans des domaines aussi différents que les matériels de transports, la construction navale, les équipements électriques, ...

Les polyuréthannes sont moins rapides que les époxydes mais par contre ils sont beaucoup plus souples.

En outre on peut les coller sur pratiquement toutes les surfaces sans utiliser de primaires d'adhésion. Ces derniers ne sont nécessaires que sur le Téflon, ..., c'est à dire des matériaux qui sont supposés incollables.

Un des gros avantages des polyuréthannes actuellement sur le marché sont qu'ils collent le verre sans primaire. On a donc une utilisation beaucoup plus simple qu'avec une époxy. Par contre si on veut une prise rapide on utilise fréquemment des collages mixtes: polyuréthanne et ruban adhésif. On limite l'utilisation des rubans adhésifs car ils sont d'un coût assez élevé.

Il existe des polyuréthannes bi-composants. Ces derniers ont l'avantage de présenter des caractéristiques mécaniques plus élevées mais leur mise en œuvre est beaucoup plus complexe. Ils sont durs à étaler et les investissements sont lourds. Les fabricants développent maintenant des mono-composants avec des caractéristiques qui tendent à se rapprocher de celles des bi-composants.

Une des applications principales des polyuréthannes est le collage du verre. Par contre ils ont une mauvaise tenue aux UV. De nombreuses recherches sont menées afin de réduire ce problème( problème du collage des pares-brises des voitures).

Une autre application de ces colles est la réalisation de tapis de sols, de joints d'étanchéité, des assemblages d'éléments de bateaux, ... On joue beaucoup sur le fait de la grande souplesse de ces adhésifs. On parle d'ailleurs assez souvent de collage souple pour les polyuréthannes mono-composants.

Les caractéristiques principales des polyuréthannes sont:

Élasticité et souplesse importantes même à basse température
Bonne adhérence sur la plupart des matériaux
Bonne résistance au vieillissement
Résistance aux acides non dilués
Bonne tenue à l'humidité
Tenue aux températures moyennes( 80-90 °C)
Durcissement à chaud rapide( mono-composant)
Vitesse de réticulation de 3 à 5 MM par jour pour les mono-composants
Mise en œuvre technique pour les bi-composants
Propriété d'isolant électrique, propriété d'étanchéité
Absence de toxicité dans la plupart des cas
Nécessité d'étuves pour les mono-composants
Résistance au cisaillement moins élevée que les autres colles structurales
Dureté très bonne

A l'heure actuelle, des fabricants commercialisent des polyuréthannes mono-composants qui n'ont plus leur principal défaut c'est à dire la lenteur de polymérisation. Cette nouvelle colle est obtenue par la présence d'un activateur. On a ainsi les avantages d'une polyuréthanne mono-composant( simplicité d'emploi) et ceux d'une bi-composants( rapidité de prise).

LES ÉPOXYDES

Ce sont des adhésifs thermodurcissables parmi les plus courants et les plus performants. Leur dénomination provient de la présence d'un groupement caractéristique appelé groupement époxyde. Les formulations sont présentées sous forme de produits liquides ou pâteux selon le cas. Ce sont des adhésifs sans solvants, mono ou bi-composants.

Pour les adhésifs bi-composants, le mélange durcisseur résine de base est fait au moment du collage, en respectant bien les quantités. Une réaction exothermique a alors lieu, permettant la réticulation.

Généralement, le collage est fait à température ambiante mais il peut être accéléré par un apport de chaleur.

Pour les adhésifs mono-composants, la colle est prête à l'emploi c'est à dire que la résine de base et le durcisseur cohabitent sans que la réaction ait lieu. Il est nécessaire d'avoir un apport de chaleur pour que la réaction se produise.

Les conditions de stockage sont importantes: la température ne doit pas dépasser 20 à 30 °C, au risque de provoquer un début de réaction.

Les époxydes sont fréquemment utilisées pour des collages métal / métal ou métal / plastique devant résister à des contraintes mécaniques très élevées. Elles offrent une très bonne adhésion sur la plupart des matériaux et une excellente résistance au vieillissement.

Pour les époxydes pouvant supporter des températures élevées, on insère des particules de céramique. Le problème est alors le temps de manipulation qui atteint 24 H. La recherche est axée sur la tenue en température de ces colles ainsi que sur la réalisation de plus en plus courante d'époxyde mono-composant à caractéristique mécanique élevée..

On commercialise des époxydes à prise rapide, semi-rapide, normale. Mais la résistance baisse au fur et à mesure que le temps de prise raccourcit. Il faut donc trouver un compromis entre les impératifs de rapidité de réalisation industrielle et la tenue du collage.

Citons comme caractéristiques pour les mono-composants:

Excellente résistance en température pouvant aller de -55 à +200 °C
Excellente résistance au cisaillement : jusqu'à 40 MPa à 20°C
Excellente tenue aux environnements
Excellente résistance aux huiles, solvants
Stockage à +4 ou -18 °C
Prix élevé
Nocivité
Manque de souplesse

Pour les époxydes bi-composants, on peut citer:

Excellente résistance en température
Excellente résistance au cisaillement
Bonne tenue aux environnements
Bonne résistance aux huiles et aux solvants
Possibilité de réduire la durée de polymérisation en augmentant la température
Stockage à température ambiante

LES ACRYLIQUES

Il y a plusieurs types d'adhésifs à base acrylique.

LES CYANOACRYLATES

Ce sont des colles assez récentes qui connaissent un essor assez important en raison de certaines de leurs caractéristiques. La réaction est une réaction de polymérisation simple de type anionique, provoquée par la présence d'une base faible sur la surface considérée.

Au départ ces colles étaient destinées uniquement au collage de métaux / caoutchouc. Maintenant, on les utilise aussi pour les matériaux poreux.

Les caractéristiques principales de ces colles sont:

- Une vitesse de polymérisation faible en général mais elle dépend fortement de la nature des supports

- L'humidité est un bon catalyseur

- La polymérisation a lieu par compression du film fin de monomères

- Cette polymérisation a lieu sur une surface polaire non acide

- Les résistances mécaniques sont élevées

- Leur résistance aux solvants est bonne

- Elles ont un fort pouvoir couvrant

- Leur tenue à la température est faible

- Le film est incolore

Ce sont des colles assez spécifiques qui sont en général destinées aux industries de précision. On les utilise sur des petites pièces, pour le collage de joints en caoutchouc, ...

Elles résistent généralement assez mal aux chocs, à la température( 100 °C). Mais maintenant certains fabricants commercialisent des cyanoacrylates qui résistent à 150 °C, à des jeux de 0.25 mm, à des chocs, à l'humidité. On élimine ainsi les principaux défauts de ce type de colle.

Un des grands avantages de ces adhésifs est de pouvoir adhérer sur des surfaces réputées incollables grâce à l'emploi de primaires d'adhésion. On évite ainsi sur le polypropylène, le Téflon, ..., des traitements de surface tels qu'un traitement plasma suivi d'effets CORONA.

LES ANAÉROBIES

Les caractéristiques principales sont:

Leur temps de prise faible

Une excellente résistance au cisaillement mais une très faible résistance à la traction

Leur caractère thermodurcissable leur confère d'excellentes caractéristiques en fonction de la température. Certaines peuvent tenir jusqu'à 180 °C.
Leur inertie chimique est très bonne.
Elles sont inadaptées aux matériaux poreux.

Leur fluidité est plus ou moins importante pour compléter les jeux. On les utilise pour le freinage de filets, collage mécanique pour les roulements.

Le jeu doit rester faible et inférieur à 0.25 MM.

Les paramètres principaux sur les conditions d'emploi de ces colles sont:

La nature des substrats: les métaux sont réactifs à des degrés divers, les autres matériaux exigent l'emploi des activateurs.

Le jeu interface: le temps de polymérisation augmente rapidement avec le jeu.

Le choix du produit: d'origine, différents produits peuvent être dotés de sensibilités différentes à l'effet anaérobie, aux métaux, voire aux rayonnement UV.

La propreté de surface: les surfaces sales retardent la polymérisation et réduisent les performances du produit. Les traitements de surface des demandent l'emploi de produits plus réactifs ou une préparation de l'activateur.

Les activateurs: ce sont des solvants contenant des principes actifs qui restent sur les surfaces après évaporation. Leur action est indispensable avec certains adhésifs ou sur des substrats non réactifs.

LES ANAÉROBIES REACTIVABLES AUX UV

On a une réactivité par manque d'oxygène et la présence d'U.V. Cette colle est utilisée pour le collage du verre sur tout support. La polymérisation a lieu en 20 S si on a une lampe UV, et en 24 H avec l'action du soleil. Cette colle est importante dans l'optique, la construction de miroirs, la décoration, ...

Elles sont très intéressantes puisqu'elles ont le même indice réfractaire que le verre. On n'a pas ainsi de problème pour les industries de l'optique.

Il est possible de nettoyer la surface qui a été exposée à l'action de l'air. Ce type de colle est beaucoup utilisée dans le secteur de la décoration.

LES ACRYLIQUES MODIFIÉES

Il y a, par rapport aux acryliques classiques, l'apparition d'un radical uréthane. Cette modification entraîne des caractéristiques tout à fait particulières. Le durcissement est rendu possible par l'adjonction de deux parties différentes: un activateur et la colle. La colle est constituée de la résine de base alors que l'activateur est constitué de peroxyde.

Les principales caractéristiques des acryliques modifiées sont:

Une prise très rapide, quelques minutes pour la prise en main, quelques heures pour la résistance finale.
L'adhérence sur des surfaces mal préparées.
Une bonne tenue à la température.
Une résistance au cisaillement très bonne.
La résistance aux agents chimique et à l'humidité est très honnête.
L'épaisseur du joint doit être faible.

Ils sont utilisés pour la fabrication en chaîne car le temps de prise est assez faible contrairement aux époxydes.

Par contre ce type de colle ne peut être utilisée dans tous les cas de figure. Par exemple le montage suivant ne peut pas être réalisé avec un adhésif de type acrylique modifiée.

Ce type de collage est impossible à effectuer avec une acrylique modifiée.

En effet la colle est liquide alors que l'activateur est visqueux. La colle est donc chassée au moment de l'emmanchement. Si observe le détail du collage, on a:

LES THERMOFUSIBLES OU HOT-MELTS

Au départ ils étaient utilisés pour le collage carton / carton et du bois. Mais on s'est rapidement rendu compte qu'ils étaient capables de coller beaucoup d'autres choses. Leur avantage principal est la prise immédiate.

Ce sont des adhésifs qui présentent la particularité de devoir être chauffés afin d'être fluidifiés, la prise ayant lieu au refroidissement.

Ils ont un problème: lors de l'application sur des matériaux froids, il peut y avoir la formation d'une couche mince( un glacis) qui empêche le collage.

Ils sont constitués d'un polymère de base, d'une résine et d'une cire auxquels on rajoute des additifs stabilisants ou plastifiants.

Le polymère de base est destiné à donner la cohésion, la tenue à la température et la stabilité thermique tandis que les cires ont pour objet de contrôler la viscosité. La résine tacktifiante est destinée à augmenter le pouvoir collant à chaud.

Les polymères de base sont essentiellement des copolymères d'éthylène tels que les EVA. On trouve également des polyesters et des polyamides.

De par leur manutention assez facile et leur temps de prise faible, ces adhésifs connaissent un essor assez rapide.

On peut donner les principaux avantages de cette colle:

Vitesse de prise rapide
100 % d'extraits secs d'où une facilité de manutention
Adhérence sur de nombreux supports
Absence de solvants
Réactivable à chaud en permanence
Facilité d'utilisation
Machines adaptées aux cadences évolutives( plieuses-colleuses)

Mais par contre il y a quelques défauts:

Résistance au fluage insuffisante
Vitesse de solidification sensible à la température du support
Compromis délicat entre vitesse de temps de prise et le temps d'ouverture
Sensibilité à la chaleur

Au départ le composant de base était l'acrylique. Mais à l'heure actuelle, les fabricants utilisent des thermofusibles à base de polyuréthanne mono-composant. Ils sont emballés dans des cartouches hermétiques et sous forme solide. On a les avantages d'une HOT-MELT classique. Le collage se fait par chauffage. Ensuite l'adhésif joue le rôle d'un polyuréthanne classique. On a donc une polymérisation. L'avantage est que la tenue est figée. Elle ne bougera plus. En outre la prise est rapide.

C'est une colle miracle mais sa mise en œuvre est complexe. En effet, une fois que la cartouche est ouverte l'utilisateur doit l'utiliser jusqu'au bout. Il est nécessaire d'employer un pistolet spécial et coûteux. On doit en outre disposé d'un réchauffeur de cartouche. Enfin le pistolet doit être impérativement nettoyé avec un solvant spécial après chaque utilisation. Sinon, la colle polymérise et bouche le pistolet. On a donc en entretien et un matériel assez lourds et coûteux.

LES COLLES EN DISPERSION AQUEUSE

Tous les produits de cette famille sont parfaitement adaptés pour répondre à un grand nombre de sollicitations industrielles. Leur utilisation est conseillée là où les produits en phase solvant sont interdits. En effet les colles en dispersion aqueuse présentent l'avantage d'être beaucoup moins toxiques qu'une colle solvant et d'être inflammables à l'état liquide( intérêt au niveau du stockage et de la mise en œuvre).

Ces produits donnent d'excellents résultats sur un grand nombre de supports tels le bois, les plastiques, les tissus, etc. A titre d'exemple, ces colles sont aujourd'hui utilisées pour la fixation de tissus sur bois dans la fabrication d'enceintes acoustiques ainsi que pour le collage de revêtements muraux notamment dans les transports en commun. Ces produits sont également très utilisés dans la fabrication de filtres industriels, de matériaux légers, ainsi que pour l'assemblage de produits d'isolation.

Les colles en dispersion aqueuse sont issues en général de deux technologies:

Les colles contacts: on effectue un double encollage, on attend le temps d'évaporation nécessaire et on affiche les deux surfaces encollées en maintenant la pression

Les colles auto-adhésives: Après évaporation complète du solvant( en l'occurrence de l'eau), ces produits restent auto-adhésifs très longtemps. Cela procure une grande flexibilité au niveau du process de mise en œuvre du produit. Un apport de chaleur peut diminuer de façon considérable le temps de séchage de la colle.

Les colles en dispersion aqueuse ont en général un taux d'extraits secs assez importants. On peut souvent coller avec un litre de colle en dispersion une surface beaucoup plus importante qu'avec un litre de colle en solvant.

Pour la mise en œuvre de ces produits, on peut les appliquer sans problème au pinceau, au rouleau ou au pistolet.

LES RUBANS ADHÉSIFS

Il existe de nombreuses applications des rubans adhésifs:

Collage classique
Rubans pour la construction électrique
Rubans de protection pour condensateurs plastiques
Ruban de masquage( dorure des contacts de circuits imprimés)
Rubans adhésifs d'épargne pour les traitements de surface
Rubans d'assemblages ouvrables et refermables
Rubans adhésifs industriels anti-adhérents

Les mousses et les transferts très haute adhésion sont des adhésifs acryliques comparables à des adhésifs double faces.

Il existe différents types de masses adhésives sur le marché:

Caoutchouc
Caoutchouc naturel
Caoutchouc synthétique
Caoutchouc non thermodurcissable
Caoutchouc thermodurcissable
Caoutchouc thermodurcissable réticulé
Acrylique
Acrylique thermodurcissable
Acrylique réticulée
Silicone
Silicone thermodurcissable

La colle la plus efficace est celle à base d'acrylique. C'est la seule qui peut être considérée comme structurale.

Ce type de collage est connu depuis plus de 20 ans. Au début il s'agissait essentiellement de résines époxy, ré-activables à chaud plus pressage. Depuis 15 ans les rubans les plus performants sont à base d'acrylique. On a un support, la mousse, et l'adhésif.

On peut combler des défauts assez importants avec l'épaisseur.

Par contre on s'est rendu compte que lorsque l'on faisait travailler ce type d'assemblage, il y avait risque de rupture au niveau de la mousse. Les fabricants commercialisent actuellement des colles à base d'acrylique pure. On évite ainsi le problème de la mousse. Il y a selon les besoins une épaisseur plus ou moins importante du ruban. Pour les faibles épaisseurs on a de l'acrylique pure. Par contre pour les rubans de plus fortes épaisseurs on a de l'acrylique émulsionnée.

Ces produits sont assez intéressants car outre des performances exceptionnelles à l'arrachement et au cisaillement, ils ont une mémoire viscoélastique. On peut ainsi coller deux matériaux avec des coefficients de dilatation différents. Le ruban s'allonge mais ne se rompt pas. On peut également citer des aptitudes de résistance aux chocs, vibrations, corrosion, d'isolation électrique, ... Ils sont en outre indécollables.

Comme exemple d'utilisation, on peut citer la fabrication des armoires électriques. Dans le passé, on plaçait un renfort en forme d'oméga. Il fallait alors le souder puis le poncer pour l'application de la peinture. Maintenant avec la présence de rubans à très hautes propriétés d'adhésion, l'opération de ponçage n'est plus efficace. Ce gain de temps n'a été possible que parce que les nouveaux rubans résistent à de fortes températures. On peut citer, par exemple, avec la gamme VHB de chez 3M: 250 °C pendant 4 H, 150 °C en continu.

La recherche est actuellement axée sur le développement de rubans supportant encore mieux la chaleur et aux caractéristiques mécaniques nettement plus performantes.

LES PRIMAIRES D'ADHÉSION: LEURS FONCTIONS

Ils sont constitués d'une résine et souvent de polyuréthanne. C'est pourquoi ils sont fabriqués par les industriels de la colle.

La fonction des primaires est très vaste. Ils ont été développés depuis quelques années pour des emplois bien particuliers. Citons par exemple:

Accélérateur de prise des adhésifs instantanés
Préparation de surface
Dégraissage des surfaces
Accroissement de l'adhésion sur les plastiques, le verre
Agent de polymérisation
Gélification de l'adhésif visible
Ils servent également de barrières aux plastifiants, aux essences, etc.

PRÉSENTATION DE QUELQUES AUTRES COLLES EXISTANTES

Les colles de par la nature de base du polymère et celle des additifs, représentent une famille très vaste qu'il serait fastidieux de détailler. Nous nous limiterons donc à une présentation rapide et succincte des autres adhésifs .

ÉMULSIONS ET SOLUTIONS

Ce sont des adhésifs en milieu aqueux ou organique dont le durcissement résulte de l'évaporation du solvant ou de son absorption par l'un ou l'autre des substrats. Les colles naturelles d'origine végétale n'utilisent pas de solvant organique.

Les colles obtenues à partir de résines thermoplastiques, de colles thermodurcissables voire d'élastomères, peuvent selon le cas être obtenues soit en milieu aqueux, soit en milieu solvant.

Les colles naturelles ne peuvent pas être qualifiées de structurales mais elles sont cependant très utilisées dans l'industrie du bois, papier, livre, ...

LES COLLES CONTACTS

La mise en contact des surfaces à assembler n'a lieu qu'après l'évaporation des solvants, l'assemblage nécessitant une pression pour souder les deux films de colle.

L'exemple type est la colle Néoprène.

Afin de réaliser un bon collage, une colle doit mouiller les deux surfaces qui vont être assemblées, elle doit donc être fluide au moment de l'application. Pourtant le film de colle doit durcir pour acquérir sa cohésion.

Dans le cas des colles solvant, on peut arriver à ce résultat de plusieurs façons:
Collage humide
Collage après évaporation des solvants
Colle contact
Réactivation solvant ou chaleur

Dans le cas des colles chimiquement réactives, par:
La polymérisation

Dans le cas des colles thermofusibles, par:
Refroidissement du produit déposé à chaud

LE COLLAGE HUMIDE

Le collage humide consiste en l'enduction de l'une ou l'autre des deux surfaces qui doivent être assemblées et en leur mise en contact immédiate. Cette méthode ne peut être utilisée que pour des surfaces poreuses afin de permettre l'évaporation ultérieure du solvant. La force de cohésion du joint sera très faible au départ, elle augmentera progressivement avec le temps en fonction de l'évaporation du solvant.

LE COLLAGE THERMOFUSIBLE

Dans ce principe de collage, l'adhésif passe de l'état solide à l'état liquide par chauffage puis de l'état liquide à l'état solide par refroidissement. Refroidie, la colle durcit sans modification chimique. Les adhésifs HOT-MELTS s'utilisent en simple encollage.

Le temps de prise et l'assemblage seront fonction de l'état de surface des supports, des caractéristiques de l'adhésif et de la pression.

LE COLLAGE CONTACT

Cette technique est identique au collage avec évaporation des solvants. Le temps de séchage sera lui aussi variable en fonction du type de colle et de la température ambiante.

Les colles contact développent des performances importantes aussitôt après la mise en contact des deux surfaces en réclamant une pression plus régulière sur tout le joint réalisé. On utilise cette méthode chaque fois que le joint de colle doit être sollicité dans les heures qui suivent l'adhésion. Généralement, ce sont des colles à base de polychloroprène qui possèdent des caractéristiques particulières.

LE COLLAGE PAR RÉACTIVATION

On utilisera les méthodes de réactivation chaque fois que l'on souhaitera obtenir des performances maximales, que l'on ne pourra pas attendre le temps normal d'évaporation des solvants ou que l'on voudra stocker des pièces encollées avant utilisation.

Réactivation solvants

Dans cette méthode, le film de colle est parfaitement sec sur les surfaces à joindre. On imprègne le film sec avec le solvant correspondant; cela permet de rendre poisseux le film de colle et lui redonne de l'adhérence. On peut de cette manière assembler immédiatement les deux matériaux.

Il est indispensable d'utiliser, pour cette réactivation, le solvant correspondant à cette colle ou un solvant qui permet de dissoudre partiellement le caoutchouc de base de la colle.

Réactivation chaleur

Cette méthode sera utilisée pour des films de colle secs sur les matériaux. Sous l'action de la chaleur, on ramollit le film sec pour redonner la possibilité d'adhésion sur les surfaces en contact. On presse les matériaux assemblés et la cohésion du collage est immédiatement importante. Généralement, on presse pendant ce chauffage ce qui permet d'obtenir les meilleures performances. On laisse refroidir l'assemblage en maintenant la pression.

Une température d'environ 100 °C, une pression de 2 à 3 bars pendant 2 à 3 minutes représentent des conditions moyennes de réactivation chaleur.

LE COLLAGE AVEC ÉVAPORATION DES SOLVANTS

Dans cette méthode, la colle est déposée sur les deux supports et on attend l'évaporation de la plus grande partie des solvants contenus dans le film de colle.

Un test simple pour déterminer le moment de presser l'un contre l'autre les deux matériaux consiste à contrôler l'adhésion du film de colle avec le doigt. Si le film de colle est adhésif au dos du doigt sans transfert de colle, l'assemblage est possible sinon il est nécessaire d'attendre plus longtemps.

LA POLYMÉRISATION

Pour les produits à 100% d'extrait sec, la mise en œuvre du produit ne peut évidemment être fonction des solvants.

Par mélange

Ces produits se présenteront sous forme de deux parts( base et durcisseur ): A et B qu'il convient de mélanger intimement pour obtenir un produit final qui après polymérisation aura d'excellentes performances.

Par polymérisation sous l'action de l'humidité

L'humidité atmosphérique provoque une polymérisation des produits avec un développement progressif des performances en fonction de l'évolution de la réaction sous l'action de l'humidité. On atteint des valeurs maximales après plusieurs jours.

Par polymérisation sous l'action de la chaleur

Dans le cas de produits structuraux, la plupart des polymérisations sont obtenues par la chaleur. Une température de 100 à 200 °C sera nécessaire pendant 20 à 60 minutes.

Par simple contact entre la base et le durcisseur:

C'est le cas des colles acryliques.

La nature de la surface est très importante car elle détermine l'aptitude au mouillage donc la qualité du collage. Il est donc nécessaire de préparer les surfaces.

Deux préparations de la surface éventuellement complémentaires peuvent être réalisées: mécanique ou chimique.

Traitement mécanique

Sablage: projection d'une poudre abrasive. On recouvre ensuite la surface d'un film protecteur ou des premières enductions de collage.

Abrasion par ponçage: il faut éliminer ensuite les inclusions par nettoyage chimique. Ce traitement est à éviter pour les métaux.

Ultrasons: méthode onéreuse consistant à faire caviter l'eau par surpression - dépression.

Traitement chimique

Il nettoie la surface sans modifier ses caractéristiques de mouillabilité.

Solvants: on utilise généralement des dérivés d'hydrocarbures ou de chlore. On choisit le solvant suivant les éléments contaminants.

Saponification: destruction des graisses animales et végétales par la réaction ( graisse plus base donnent glycérine plus savon)

Emulsification: on utilise cette méthode pour les graisses non-saponifiables.

Décapage chimique

Ce traitement permet d'éliminer la couche d'oxydes recouvrant certains métaux.

Fer et alliages: traitement acide. Il y a risque de fragilisation pour les aciers ayant subi un traitement thermique pour augmenter la dureté.

Acier inox: il faut reformer la couche de passivation détruite par traitement mécanique. Le traitement est à base de HNO3, H2SO4, ...

Cuivre et alliages: traitement au chlorure ferrique + HNO3 ou HCL, au persulfate d'ammonium, au mélange sulfochromique. Ce traitement est délicat car le collage doit suivre immédiatement le décapage.

Aluminium et alliages: il existe diverses méthodes dont une conservation de la couche d'oxydes et dégraissage de la surface, un décapage chimique suivi d'un décapage électrochimique, ...

Préparation des matières plastiques

Les polymères sont des matériaux difficiles à coller en l'état, d'où la nécessité d'activer la surface de ces corps.

Décapage par solvant: pour éliminer les graisses et plastifiants et ramollir la surface.

Cardage: pour augmenter la surface du joint.

Traitement chimique: modification chimique superficielle pour créer des liaisons réactives avec l'adhésif.

Traitement thermique ou électrique: flammage oxydant la surface ou traitement par effet Corona afin de créer des liaisons réactives.

Les primaires d'adhésion

Les primaires d'adhésion sont destinés avant tout à protéger les surfaces venant d'être traitées. En effet, toute surface préparée doit absolument être protégée de toute souillure pour conserver ses propriétés d'adhésion. On estime qu'après une exposition d'environ 5 à 8 heures à l'atmosphère ambiante, les propriétés adhésives diminuent à cause des différentes absorptions d'humidité, de gaz, de poussières, ...

Or du point de vue industriel, il n'est pas toujours possible de procéder à l'assemblage dans ce laps de temps. Les fournisseurs d'adhésifs proposent alors d'appliquer un film protecteur que l'on applique au pistolet( primaire d'adhésion). Les solvants doivent ensuite être évaporés par étuvage. Ils permettent de différer l'assemblage d'une vingtaine de jours.

On utilise également des primaires d'adhésion pour le collage des matières réputées incollables( Téflon, polypropylène).

Encollage et application

Les facteurs d'influence sont

La viscosité
La nature chimique: le matériau des applicateurs peut attaquer les colles et inversement.
Adhésifs mono ou bi-composants: problème de conservation, de préparation et de quantité nécessaire.
Adhésifs HOT-MELTS: nécessité de bacs de pré-fusion pour ne pas mettre un bloc froid dans un bac chaud.
Durée de prise, nettoyage, sécurité.

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 assembler

On peut employer pour l'assemblage un outillage spécial( serre-joints, presse à rouleaux, ...)

Les colles thermodurcissables nécessitent un durcissement par la chaleur grâce à des étuves à air chaud ou par autoclaves.

Il ne figure ici que des mots de base qui servent dans l'industrie du collage. Il ne s'agit en aucun cas du vocabulaire qui a été utilisé dans ce rapport.

- Adhésif de réaction: c'est une colle à plusieurs composants qui doivent être mélangés avant l'application. La préparation doit être mise en œuvre pendant un certain laps de temps( durée de vie en pot). Il peut également qu'il s'agisse d'une colle à un seul composant qui réagit sous l'action de l'humidité, de la chaleur.

- Adhésifs thermofusibles: ce sont des colles qui sont fluidifiées par la chaleur avant l'application. La dureté finale est atteinte par refroidissement et / ou par réaction chimique.

- Adhésion: Il s'agit des forces intermoléculaires à l'interface entre le matériau à coller et la préparation adhésive.

- Collage auto-adhésif: ce type de collage exige des colles auto-adhésives qui restent collantes pour longtemps. En règle générale, la préparation adhésive n'est enduite que sur un élément, et les pièces sont collées après le séchage, souvent sous une légère pression.

- Collage une face ou collage en phase humide: la préparation adhésive n'est appliquée que sur l'une ou l'autre des deux éléments à coller et les éléments sont assemblés au cours de la période indiquée.

- Collage à froid: lors du collage à froid, les éléments à lier sont assemblés pendant le temps ouvert, à température ambiante.

- Collage à la chaleur: dans ce cas là, les éléments à lier sont assemblés à une température d'activation et sous une pression déterminées.

- auto-adhésif: il s'agit là d'un procédé de collage pour lequel la préparation adhésive est appliquée sur les deux surfaces à coller. Après évaporation complète des solvants, les deux éléments sont assemblés en pression. La prise initiale est très élevée.

- Colle à base de solvants: c'est une colle qui contient les solides en préparation dissoute.

- Colle de dispersion: il s'agit de colles qui contiennent des solides, finement dispersés.

- Concentration maximale à l'emplacement de travail: par concentration maximale à l'emplacement de travail, on comprend les concentrations les plus élevées à l'endroit où l'on travaille de vapeurs de solvants dans l'air.

- Durée de vie en pot: la durée de vie en pot est une indication concernant les colles à deux ou plusieurs composants. Elle décrit la période pendant laquelle une préparation peut être mise en œuvre.

- Extrait sec: l'extrait sec est indiqué en % et représente la part de solides( ce sont les matières non volatiles) d'une colle.

- Inflammabilité: l'inflammabilité est une indication concernant les prescriptions de sécurité et indique le point d'inflammation ou le point éclair.

- Limite d'explosivité: la gamme dans laquelle l'inflammation d'un mélange vapeur de solvants-air peut exploser s'appelle limite d'explosivité ou plage d'inflammabilité.

- Point éclair: indication de la température à laquelle sont dégagées des vapeurs en quantité suffisante pour provoquer la formation d'un mélange air-vapeurs détonant.

- Rapport de mélange: cette indication définit les parties en poids qui doivent être mélangées pour des colles à plusieurs composants.

- Source d'inflammation: dans une entreprise, il y a un grand potentiel de sources d'inflammation. On peut citer les flammes nues, les jets de flamme, le tabac en ignition, ... Il y a également des surfaces chaudes, des appareils électriques.

- Temps ouvert: ce temps indique le laps de temps maximal qui peut s'écouler entre l'encollage et l'assemblage d'éléments lors du collage contact.

- Viscosité: la viscosité représente le comportement rhéologique d'une matière.

Les importants progrès réalisés dans le domaine des adhésifs( terme générique des colles, mastics et revêtement) permettent l'assemblage de la quasi-totalité des matériaux. Les conséquences techniques et économiques font qu'ils sont de plus en plus utilisés dans des secteurs aussi divers que la mécanique, le textile, le bois, les transports, le bâtiment.

C'est dans l'assemblage que l'évolution est la plus spectaculaire car, si le collage se substitue parfois aux moyens traditionnellement employés, il présente l'avantage d'élargir de façon importante le cadre des applications. De ce fait, il est souvent préféré pour une ou plusieurs des raisons suivantes:

Répartition uniforme des efforts sur l'ensemble du film de colle
Prix au m² souvent moins élevé
Moyen d'assemblage invisible( décoration)
Étanchéité et protection contre la corrosion réalisées en même temps que l'assemblage
Suppression de la reprise de pièces( ébavurage, ponçage, masticage.)
Assemblage de matériaux très différents

Mais toutes ces qualités ne doivent pas faire oublier que le collage est une technique d'assemblage moderne et assez complexe à mettre en œuvre. Il est nécessaire d'avoir de bonnes connaissances dans la théorie de la colle pour pouvoir appliquer cette méthode dans des conditions satisfaisantes.

Le collage ne doit pas être un palliatif ou une roue de secours. Il faut penser au collage dès la conception du produit. Les conditions de réussite sont d'autant plus grandes que l'on maîtrise la théorie des adhésifs et que l'on a de bonnes notions des colles disponibles sur le marché.

Si votre soif de connaissances sur le collage n'est pas étanchée après tout ça, le Laboratoire de Matériaux vous propose les deux ouvrages suivants écrits au laboratoire: