Les colles

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 polyuréthanes mono-composants en raison de leur facilité de mise en œuvre.

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

Les polyuréthanes bi-composants sont considérés comme une colle semi-structurale. Ils conviennent parfaitement aux assemblages mixtes métal / plastique. Certains fabricants développent des gammes de polyuréthanes 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 polyuréthanes 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 polyuréthanes 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 polyuréthanes 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 polyuréthanes 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 polyuréthanes 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 polyuréthanes mono-composants.

Les caractéristiques principales des polyuréthanes 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 polyuréthanes 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 polyuréthane 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

Ce sont des colles thermodurcissables pour lesquelles la polymérisation ne peut avoir lieu qu’en l’absence d’oxygène ou d’air. Les surfaces métalliques ont la propriété de catalyser la réaction mais celle-ci nécessite également l’action d’un activeur ou de rayonnements électromagnétiques tels que les ultraviolets.

Application de frein filet pour bloquer l’assemblage fileté.

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.

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 inconvénients:

• 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 polyuréthane 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 polyuréthane 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

On distingue plusieurs sortes de rubans adhésifs structuraux: les films supportés, les films époxys non supportés, et enfin les films acryliques.

Les films supportés sont développés depuis plusieurs années mais sont peu utilisés.

Les films structuraux mono-composants ont des caractéristiques supérieures aux colles époxydes classiques. Les joints peuvent atteindre plus de 30 à 35 MPA en cisaillement et d’environ 12 à 13 N/MM en pelage.

Ils permettent de combler des jeux assez importants. Un apport de chaleur est nécessaire pour assurer une bonne polymérisation.

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.

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
• 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.