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
Deux aspects de forme de goutte en fonction de la tension superficielle du support
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:
g lv cos q + g sl = g sv
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 θ 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 θ=0, le mouillage est bon.
g l > g c alors θ 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:
Un meilleur ancrage mécanique.
Une élévation de la surface réelle de contact( 10 à 100 fois la surface apparente).
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.
Le bon mouillage d’une surface est fondamental à un bon collage
– Il y a concentration de contraintes au sommet des aspérités
– Sans creux, le mouillage est mieux réalisé.
– La mouillabilité doit être la meilleure possible afin que le maximum de liaisons s’établissent entre l’adhésif et le substrat. L’équation de Young nous indique qu’un traitement de surface est pratiquement indispensable afin que l’énergie de surface du substrat soit maximale. Ces traitements devront avoir comme principal but de nettoyer la surface solide de tous les éléments susceptibles d’établir une barrière à l’établissement des liaisons.
– La tension superficielle des adhésifs utilisés doit être inférieure à l’énergie de surface des solides considérés. C’est pourquoi il est extrêmement difficile de coller des plastiques à l’état brut.
– 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.
