Classification et méthodes d'essai de la résistance de l'adhérence
La méthode la plus courante pour évaluer la qualité d'un collage consiste à mesurer sa résistance. La caractérisation des performances d'un adhésif nécessite souvent de fournir des données de résistance, car celle-ci est un indicateur essentiel en technologie adhésive. Elle fournit des indications précieuses pour le choix des adhésifs, le développement de nouvelles formulations, la conception des joints, l'amélioration des procédés de collage et l'application correcte des structures adhésives.
1. Définition de la force de liaison
La résistance d'adhérence désigne la contrainte nécessaire pour provoquer une rupture à l'interface entre l'adhésif et les substrats, ou dans les zones adjacentes de l'assemblage collé, sous l'effet de forces extérieures. On parle également de résistance de l'adhésif.
La résistance d'adhérence correspond à la contrainte nécessaire à la rupture d'un système adhésif. Son amplitude dépend non seulement de la force d'adhérence, des propriétés mécaniques de l'adhésif et de la nature des substrats, mais aussi de la conception de l'assemblage, des conditions de chargement (type, amplitude, direction, fréquence), des facteurs environnementaux (température, humidité, pression, milieu), ainsi que des conditions et techniques d'essai. La force d'adhérence n'est donc qu'un des facteurs déterminants de la résistance d'adhérence. Par conséquent, résistance d'adhérence et force d'adhérence sont deux concepts distincts qu'il ne faut pas confondre.
2. Types de contraintes sur les joints collés
Les forces agissant sur la couche adhésive dans un joint collé sous charges externes peuvent être classées en quatre types : cisaillement, traction, tension inégale (clivage) et pelage.
(1) Cisaillement
Les forces sont égales en magnitude et opposées en direction, essentiellement parallèles à la surface de liaison, et uniformément réparties sur toute la zone de liaison.
(2) Traction
Également appelée tension uniforme, elle implique des forces de traction opposées agissant perpendiculairement à la surface de collage et uniformément réparties sur celle-ci.
(3) Tension inégale
Également appelé clivage, ce phénomène se caractérise par une force extérieure dont la direction est perpendiculaire à la surface de liaison mais inégalement répartie.
(4) Peler
La direction de la force extérieure forme un angle avec la surface de collage et se concentre principalement le long d'une ligne droite sur cette surface.
Dans un même système adhésif, il est tout à fait possible que plusieurs de ces forces coexistent simultanément, la principale distinction étant la force prédominante.
3. Classification de la force d'adhérence
En fonction des conditions de contrainte du joint adhésif, la résistance de la liaison peut être classée en plusieurs catégories : résistance au cisaillement, résistance à la traction, résistance à la traction irrégulière, résistance au pelage, résistance à la compression, résistance aux chocs, résistance à la flexion, résistance à la torsion, résistance à la fatigue et résistance au fluage, entre autres.
(1) Résistance au cisaillement
La résistance au cisaillement fait référence à la force de cisaillement par unité de surface de collage que le joint adhésif peut supporter à la rupture, mesurée en mégapascals (MPa).
En fonction de la méthode de chargement utilisée lors des essais, la résistance au cisaillement est divisée en résistance au cisaillement en traction, en compression, en torsion et en flexion, entre autres.
La résistance au cisaillement varie selon les adhésifs et leurs propriétés. En général, les adhésifs résistants présentent une résistance au cisaillement supérieure à celle des adhésifs flexibles. De nombreux tests ont démontré que des couches d'adhésif plus fines offrent une résistance au cisaillement plus élevée.
Les conditions d'essai les plus influentes sont la température ambiante et la vitesse d'essai. Lorsque la température augmente, la résistance au cisaillement diminue ; de même, lorsque la vitesse d'essai diminue, la résistance au cisaillement diminue également. Ceci indique une relation d'équivalence entre la température et la vitesse : augmenter la température d'essai équivaut à réduire la vitesse de chargement.
(2) Résistance à la traction
La résistance à la traction, également connue sous le nom de résistance à la traction uniforme ou résistance à la traction normale, fait référence à la force de traction par unité de surface que le joint adhésif peut supporter à la rupture, mesurée en mégapascals (MPa).
Les forces de traction étant réparties de manière beaucoup plus uniforme que les forces de cisaillement, la résistance à la traction de la plupart des adhésifs est nettement supérieure à leur résistance au cisaillement. Lors des essais, la déformation plus importante de l'adhésif par rapport aux substrats et le risque de désalignement des forces appliquées peuvent engendrer des contraintes de cisaillement, en plus des contraintes de compression transversale. Il peut en résulter des modes de rupture mixtes. Augmenter la longueur de l'éprouvette et réduire la surface de collage permet d'atténuer les effets du décollement lors de la rupture, conduisant à une distribution des contraintes plus homogène. L'influence du module d'élasticité, de l'épaisseur de la couche adhésive, de la température d'essai et de la vitesse de chargement sur la résistance à la traction est généralement similaire à son influence sur la résistance au cisaillement.
(3) Résistance au pelage
La résistance au pelage fait référence à la charge maximale par unité de largeur qu'un joint adhésif peut supporter dans des conditions de pelage spécifiées, mesurée en kilonewtons par mètre (kN/m).
Les modes de pelage varient considérablement et peuvent généralement être classés en pelage de type L, pelage de type U, pelage de type T et pelage à surface courbe, comme illustré dans la figure ci-dessous.
Le mode de pelage varie en fonction de l'angle de pelage. Lorsque cet angle est inférieur ou égal à 90°, on parle de pelage en L ; lorsqu'il est supérieur à 90° ou égal à 180°, il s'agit d'un pelage en U. Ces deux modes conviennent au pelage entre matériaux rigides et flexibles. Le pelage en T est utilisé pour le pelage entre deux matériaux flexibles.
La résistance au pelage est influencée par des facteurs tels que la largeur et l'épaisseur de l'échantillon, l'épaisseur de la couche adhésive, la force de pelage et l'angle de pelage.
(4) Force de tension inégale
La résistance à la traction irrégulière désigne la charge maximale qu'un joint adhésif peut supporter sous des forces de traction irrégulières. La charge étant principalement concentrée sur un ou les deux bords de la couche adhésive, la résistance est mesurée par unité de longueur et non par unité de surface, en kN/m.
(5) Résistance aux chocs
La résistance aux chocs fait référence au travail maximal consommé par unité de surface de collage lorsqu'un joint adhésif cède sous une charge d'impact, mesuré en kJ/m².
En fonction de la configuration de l'assemblage et de la méthode de chargement, la résistance aux chocs est classée en plusieurs catégories, notamment la résistance aux chocs en flexion, en cisaillement par compression, en cisaillement par traction, en cisaillement par torsion et en résistance aux chocs par pelage de type T.
La résistance aux chocs est influencée par des facteurs tels que la ténacité de l'adhésif, l'épaisseur de la couche adhésive, le type de substrats, les dimensions de l'éprouvette, l'angle d'impact, l'humidité ambiante et la température d'essai. Plus la ténacité de l'adhésif est élevée, plus la résistance aux chocs est importante. Lorsque le module d'élasticité de l'adhésif est faible, la résistance aux chocs augmente avec l'épaisseur de la couche adhésive.
(6) Force à long terme
La résistance à long terme fait référence à la charge maximale par unité de surface de collage qu'un joint adhésif peut supporter après avoir été soumis à des charges statiques sur une période prolongée, mesurée en mégapascals (MPa).
La résistance à long terme est influencée par la contrainte appliquée et la température d'essai. Plus la contrainte appliquée et la température augmentent, plus la résistance à long terme diminue.
(7) Résistance à la fatigue
La résistance à la fatigue désigne la contrainte maximale pouvant être appliquée de manière répétée à un joint adhésif pendant un nombre de cycles spécifié sans provoquer de rupture. Généralement, la limite de résistance à la fatigue est définie comme la résistance à la fatigue à 10⁷ cycles.
En général, les adhésifs à haute résistance au cisaillement présentent une résistance au pelage, à la flexion et aux chocs plus faible, tandis que ceux à haute résistance au pelage affichent souvent une résistance aux chocs et à la flexion plus élevée. Les différents types d'adhésifs présentent également des variations importantes de leurs caractéristiques de résistance respectives.
Vous trouverez ci-dessous une brève introduction aux méthodes d'essai de la résistance à la traction et de la résistance au cisaillement.