Chimie adhésive

Adhésif, toute substance capable de maintenir les matériaux ensemble de manière fonctionnelle par une fixation en surface qui résiste à la séparation. «Adhésif» en tant que terme général comprend le ciment, le mucilage, la colle et la pâte - termes qui sont souvent utilisés de manière interchangeable pour toute matière organique qui forme une liaison adhésive. Les substances inorganiques telles que le ciment Portland peuvent également être considérées comme des adhésifs, dans le sens où elles maintiennent ensemble des objets tels que des briques et des poutres par fixation en surface, mais cet article se limite à une discussion sur les adhésifs organiques, naturels et synthétiques.

Les adhésifs naturels sont connus depuis l'antiquité. Des sculptures égyptiennes datant de 3 300 ans représentent le collage d'un mince morceau de placage sur ce qui semble être une planche de sycomore. Le papyrus, un premier tissu non tissé, contenait des fibres de plantes ressemblant à des roseaux liées avec de la pâte de farine. Le bitume, les terrains d'arbres et la cire d'abeille étaient utilisés comme scellants (revêtements protecteurs) et adhésifs dans les temps anciens et médiévaux. La feuille d'or des manuscrits enluminés était collée au papier par du blanc d'œuf et les objets en bois étaient collés avec des colles de poisson, de corne et de fromage. La technologie des colles pour animaux et poissons a progressé au cours du XVIIIe siècle, et au XIXe siècle, des ciments à base de caoutchouc et de nitrocellulose ont été introduits. Cependant, des progrès décisifs dans la technologie des adhésifs attendaient le 20e siècle, au cours duquel les adhésifs naturels ont été améliorés et de nombreux synthétiques sont sortis du laboratoire pour remplacer les adhésifs naturels sur le marché. La croissance rapide des industries aéronautique et aérospatiale au cours de la seconde moitié du 20e siècle a eu un impact profond sur la technologie des adhésifs. La demande d'adhésifs qui ont un degré élevé de résistance structurelle et qui résistent à la fatigue et aux conditions environnementales sévères a conduit au développement de matériaux haute performance, qui ont finalement trouvé leur place dans de nombreuses applications industrielles et domestiques.

Cet article commence par une brève explication des principes de l'adhésion puis passe en revue les principales classes d'adhésifs naturels et synthétiques.

Adhésion

Dans la performance des joints adhésifs, les propriétés physiques et chimiques de l'adhésif sont les facteurs les plus importants. Les types d'adhérence (c'est-à-dire les composants à assembler - par exemple, alliage métallique, plastique, matériau composite) et la nature du prétraitement de surface ou du primaire sont également importants pour déterminer si le joint adhésif fonctionnera correctement. Ces trois facteurs - adhésif, adhérent et surface - ont un impact sur la durée de vie de la structure collée. Le comportement mécanique de la structure collée est à son tour influencé par les détails de la conception du joint et par la façon dont les charges appliquées sont transférées d'une adhérence à l'autre.

Implicite dans la formation d'une liaison adhésive acceptable est la capacité de l'adhésif à mouiller et à s'étendre sur les adhérents qui sont joints. La réalisation d'un tel contact moléculaire interfacial est une première étape nécessaire dans la formation de joints adhésifs solides et stables. Une fois le mouillage obtenu, des forces d'adhérence intrinsèques sont générées à travers l'interface via un certain nombre de mécanismes. La nature précise de ces mécanismes fait l'objet d'études physiques et chimiques depuis au moins les années 1960, avec pour résultat l'existence d'un certain nombre de théories de l'adhésion. Le principal mécanisme d'adhésion est expliqué par la théorie de l'adsorption, qui stipule que les substances collent principalement à cause du contact intermoléculaire intime. Dans les joints adhésifs, ce contact est atteint par les forces intermoléculaires ou de valence exercées par les molécules dans les couches de surface de l'adhésif et adhèrent.

En plus de l'adsorption, quatre autres mécanismes d'adhésion ont été proposés. Le premier, l'emboîtement mécanique, se produit lorsque l'adhésif s'écoule dans les pores de la surface adhérente ou autour des projections sur la surface. La seconde, l'interdiffusion, se produit lorsque l'adhésif liquide se dissout et se diffuse dans les matériaux adhérents. Dans le troisième mécanisme, l'adsorption et la réaction de surface, la liaison se produit lorsque les molécules adhésives s'adsorbent sur une surface solide et réagissent chimiquement avec elle. En raison de la réaction chimique, ce processus diffère dans une certaine mesure de la simple adsorption, décrite ci-dessus, bien que certains chercheurs considèrent la réaction chimique comme faisant partie d'un processus d'adsorption totale et non comme un mécanisme d'adhésion séparé. Enfin, la théorie de l'attraction électronique ou électrostatique suggère que les forces électrostatiques se développent à l'interface entre des matériaux ayant des structures de bandes électroniques différentes. En général, plusieurs de ces mécanismes jouent un rôle dans la réalisation du niveau d'adhésion souhaité pour différents types d'adhésifs et d'adhésifs.

Lors de la formation d'une liaison adhésive, une zone de transition apparaît à l'interface entre l'adhérent et l'adhésif. Dans cette zone, appelée interphase, les propriétés chimiques et physiques de l'adhésif peuvent être considérablement différentes de celles des portions sans contact. On pense généralement que la composition interphase contrôle la durabilité et la résistance d'un joint adhésif et est principalement responsable du transfert de la contrainte d'un adhérent à un autre. La région interphase est souvent le site d'attaques environnementales, conduisant à une défaillance articulaire.

La résistance des liaisons adhésives est généralement déterminée par des essais destructifs, qui mesurent les contraintes établies au point ou à la ligne de rupture de l'éprouvette. Diverses méthodes d'essai sont utilisées, notamment des essais de pelage, de cisaillement à la traction, de clivage et de fatigue. Ces tests sont effectués sur une large gamme de températures et dans diverses conditions environnementales. Une autre méthode pour caractériser un joint adhésif consiste à déterminer l'énergie dépensée pour séparer une zone unitaire de l'interphase. Les conclusions tirées de ces calculs d'énergie sont, en principe, totalement équivalentes à celles issues de l'analyse des contraintes.

Matériaux adhésifs

Pratiquement tous les adhésifs synthétiques et certains adhésifs naturels sont composés de polymères, qui sont des molécules géantes, ou macromolécules, formées par la liaison de milliers de molécules plus simples appelées monomères. La formation du polymère (une réaction chimique connue sous le nom de polymérisation) peut se produire au cours d'une étape de "durcissement", au cours de laquelle la polymérisation a lieu simultanément avec la formation de liaisons adhésives (comme c'est le cas avec les résines époxy et les cyanoacrylates), ou le polymère peut être formé avant que le matériau ne soit appliqué comme adhésif, comme avec les élastomères thermoplastiques tels que les copolymères séquencés styrène-isoprène-styrène. Les polymères confèrent force, flexibilité et la capacité de s'étendre et d'interagir sur une surface adhérente, propriétés qui sont nécessaires pour la formation de niveaux d'adhésion acceptables.

Adhésifs naturels

Les adhésifs naturels sont principalement d'origine animale ou végétale. Bien que la demande de produits naturels ait diminué depuis le milieu du 20e siècle, certains d'entre eux continuent d'être utilisés avec des produits en bois et en papier, en particulier dans le carton ondulé, les enveloppes, les étiquettes de bouteilles, les reliures de livres, les cartons, les meubles et les films et films laminés.. De plus, en raison de diverses réglementations environnementales, les adhésifs naturels dérivés de ressources renouvelables font l'objet d'une attention renouvelée. Les produits naturels les plus importants sont décrits ci-dessous.

Colle animale

Le terme colle animale se limite généralement aux colles préparées à partir de collagène de mammifère, principal constituant protéique de la peau, des os et des muscles. Lorsqu'il est traité avec des acides, des alcalis ou de l'eau chaude, le collagène normalement insoluble devient lentement soluble. Si la protéine d'origine est pure et que le processus de conversion est doux, le produit de poids moléculaire élevé est appelé gélatine et peut être utilisé pour des produits alimentaires ou photographiques. Le matériau de faible poids moléculaire produit par un traitement plus vigoureux est normalement moins pur et de couleur plus foncée et est appelé colle animale.

La colle animale a traditionnellement été utilisée pour l'assemblage du bois, la reliure de livres, la fabrication de papier de verre, les rubans gommés lourds et des applications similaires. Malgré son avantage de forte adhérence initiale (adhésivité), une grande partie de la colle animale a été modifiée ou entièrement remplacée par des adhésifs synthétiques.

Colle de caséine

Ce produit est fabriqué en dissolvant la caséine, une protéine obtenue à partir du lait, dans un solvant alcalin aqueux. Le degré et le type d'alcali influencent le comportement du produit. Dans le collage du bois, les colles de caséine sont généralement supérieures aux colles d'origine animale en termes de résistance à l'humidité et de caractéristiques de vieillissement. La caséine est également utilisée pour améliorer les caractéristiques d'adhérence des peintures et des revêtements.

Colle d'albumine de sang

La colle de ce type est fabriquée à partir d'albumine sérique, un composant sanguin pouvant être obtenu à partir de sang animal frais ou de poudre de sang soluble séchée à laquelle de l'eau a été ajoutée. L'ajout d'alcali aux mélanges albumine-eau améliore les propriétés adhésives. Une quantité considérable de colles à base de sang est utilisée dans l'industrie du contreplaqué.

Amidon et dextrine

L'amidon et la dextrine sont extraits du maïs, du blé, des pommes de terre ou du riz. Ils constituent les principaux types d'adhésifs végétaux, solubles ou dispersibles dans l'eau et obtenus à partir de sources végétales à travers le monde. Les colles d'amidon et de dextrine sont utilisées dans le carton ondulé et les emballages et comme adhésif pour papier peint.