Thèse
Auteur :
Greiveldinger Marc

Date de soutenance :
01 avril 2000

Directeur(s) de thèse :
Shanahan M. e. r.



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Mécanismes d'adhésion sur tôles grasses et tenue mécanique en milieu humide


Résumé : Le collage est largement utilisé dans l'industrie automobile comme mode d'assemblage de tôles grasses. Or, le lubrifiant initialement présent entre la tôle et l'adhésif peut dans certains cas poser problème et conduire à une déchéance de l'assemblage collé (avant ou après vieillissement). L'objectif de cette étude est de fournir des démarches et méthodes permettant d'acquérir une meilleure compréhension des phénomènes et mécanismes régissant le collage de tôles huilées. Le système étudié est semi industriel (tôle galvanisée, huile et cycle de cuisson industriels, adhésif époxydique modèle).Basée sur l'analyse de l'assemblage avant et après cuisson, une approche multitechnique a permis de montrer que le contact tôle/adhésif s'établit par diffusion du lubrifiant dans l'adhésif. Cette approche a été complétée par une étude dynamique des phénomènes. Ainsi, la formation des interphases substrat/huile/adhésif a été suivie de façon continue au cours du cycle thermique de cuisson de l'adhésif. Ceci nous a permis de mieux appréhender le comportement et devenir de l'huile au sein de l'assemblage, par exemple a- en établissant la chronologie des phénomènes de diffusion d'huile et de réticulation de l'adhésif, b- en déterminant l'influence de l'huile sur les cinétiques et mécanismes de réticulation et de formation des interphases, et c- en identifiant les paramètres clefs de la compatibilité huile/adhésif (viscosité de l'adhésif, charges, solubilité et évolution des masses moléculaires ). Enfin, des essais mécaniques (torsion et traction cisaillement, avant et après vieillissement hygrothermique) ont montré une faible influence de l'huile sur la robustesse des assemblages. Au delà de la caractérisation de notre système particulier, nos travaux ont été menés de façon à fournir et valider des démarches et appareillages utilisables pour une large gamme de systèmes modèles ou industriels.Introduction - 1
Chapitre 1: Collage structural et problématique 3
I. L'adhésionstructural - 4
I.1. Définition - 4
I.2. Théories de l'adhésion - 4
I.2.1. Théorie mécanique - 5
I.2.2. Théories spécifiques - 5
I.2.3. Théories "massiques" - 7
I.3. Adhérence: comportement mécanique des assemblages structuraux - 8
I.3.1. Essais mécaniques: généralités - 8
I.3.2. Facteurs influençant le comportement des joints structuraux - 10
II. Les adhesifs epoxydiques - 11
II.1. Généralités - 11
II.1.1. Les prépolymères époxydiques - 12
II.1.2. Les durcisseurs - 13
II.1.3. Les additifs - 13
II.2. Réticulation du système prépolymère époxydique/dicyandiamide - 14
II.3. Réseau formé et caractéristique physico-chimique - 17
III. Collage structural dans l'industrie automobile - 18
III.1. Généralités - 18
III.2. Intérêts du collage structural dans l'automobile - 20
III.3. Limitations du collage structural - 20
III.4. Bilan - 21
IV. Problématique du collage de tôles grasses et démarche - 21
IV.1. Problématique - 22
IV.2. Etat des connaissances - 23
IV.2.1. Compréhension des phénomènes rendant possible le collage de tôles huilées - 23
IV.2.2. Performances mécaniques d'assemblages réalisés sur tôles huilées - 28
IV.2.3. Bilan - 30
IV.3. Axes de recherche et démarche adoptée - 30
IV.3.1. Axes de recherche - 30
IV.3.2. Choix de la démarche scientifique et méthodologique - 31
V. Conclusion - 34
Chapitre 2: Matériaux et techniques expérimentales - 35
I. Matériaux - 36
I.1. Tôle - 36
I.2. Huile - 37
I.3. Adhésifs structuraux - 38
I.3.1. Formulation - 38
I.3.2. Charge - 39
II. Techniques expérimentales - 40
II.1. Préparation des assemblages collés sur tôles grasses - 40
II.1.1. Préparation des substrats - 40
II.1.2. Réalisation de l'adhésif - 41
II.1.3. Cycle thermique de réticulation - 42
II.2. Techniques d'analyse des surfaces et interfaces - 42
II.2.1. Par Spectrométrie InfraRouge à Réflexion Totale Atténuée au cours du cycle thermique de réticulation - 42
II.2.2. Par mouillage en température - 49
II.3. Techniques d'essais mécaniques - 51
II.3.1. Elaboration des joints structuraux - 51
II.3.2. Essais mécaniques - 55
II.3.3. Conditions de vieillissement - 58
Chapitre 3: Mécanismes d'adhésion en présence d'huile – Devenir de l'huile - 59
I. Démarche - 60
II. Hypothèse du contact adhesif/substrat par chassage thermodynamique - 61
II.1. Considération thermodynamique - 62
II.2. Test avant cuisson par analyse ATR - 65
II.2.1. Résultats - 66
II.2.2. Domaine de validité - 68
II.3. Test après cuisson par observation de fractures cryogéniques - 71
Principe - 71
II.3.2. Résultats - 72
III. Hypothèse du contact adhesif/substrat par diffusion d'huile dans l'adhésif - 73
III.1. Localisation de l'huile par marquage - 73
III.1.1. Principe - 74
III.1.2. Application et observation - 76
III.1.3. Validation et limitations de la méthode - 78
III.2. Localisation de l'huile par observation MEB - 82
III.2.1. Principe - 82
III.2.2. Application et observation - 83
III.2.3. Validation et limitations - 86
III.3. Détermination du gradient de concentration de l'huile dans l'adhésif - 88
III.3.1. Principe et intérêt de cette approche - 88
III.3.2. Application et observation - 89
III.3.3. Limitations - 90
IV. Bilan - 90
IV.1. Bilan des mécanismes d'adhésion en présence d'huile - 90
IV.2. Bilan de la localisation d'huile au sein de l'assemblage gras collé - 92
IV.3. Discussion - 93
Chapitre 4: Influence de l'huile sur la formation des interphases et sur le comportement de l'adhésif - 95
I. Suivi continu par ATR de l'interphase au cours du cycle thermique de cuisson - 96
I.1. Objectif de la cellule ATR chauffante - 97
I.1.1. Intérêt - 97
I.1.2. Systèmes étudiés - 98
I.2. Résultats "bruts" - 99
I.2.1. Série de spectres obtenus en fonction de la température - 100
I.2.2. Observations - 100
I.3. Critères de suivi des phénomènes et traitement des résultats bruts - 103
I.3.1. Définition des critères - 103
I.3.2. Traitement de l'information - 105
I.3.3. Reproductibilité - 107
I.4. Suivi des phénomènes se déroulant à l'interphase en fonction du cycle de cuisson - 108
I.4.1. Diffusion d'huile - 109
I.4.2. Réticulation de l'adhésif au sein de l'interphase - 111
I.4.3. Chronologie des phénomènes - 115
I.5. Résidus d'huile à l'interphase - 118
I.5.1. A chaud - 118
I.5.2. Après retour à température ambiante - 119
I.6. Influence des charges - 120
I.6.1. Sur la diffusion d'huile - 121
I.6.2. Sur la réaction de réticulation - 122
I.6.3. Sur la quantité d'huile résiduelle à l'interphase après retour à température ambiante - 122
I.7. Bilan - 124
II. Influence de l'huile sur l'étalement de l'adhésif sur tôle galvanisée - 127
II.1. Influence sur l'évolution des angles de contact - 128
II.1.1. Observation de l'état initial et final - 129
II.1.2. Evolution des angles de contact au cours du cycle thermique de cuisson - 130
II.1.3. Modèle prédictif de l'étalement d'une goutte d'adhésif au cours de sa cuisson - 140
II.2. Démonstration de l'existence d'un film précurseur d'adhésif sur la tôle - 145
II.2.1. Observation d'un halo autour de la goutte d'adhésif déposée sur la tôle huilée - 145
II.2.2. Caractérisation de la nature de ce halo - 146
II.3. Bilan - 155
III. Discussion - 157
Chapitre 5: Caractérisation mécanique d'assemblages de tôles huilées avant et aprèsvieillissement - 162
I. Essais mecaniques - 163
I.1. Essai de torsion - 164
I.1.1. Principe de mesure - 164
I.1.2. Correction des grandeurs mécaniques mesurées - 166
I.2. Essai de traction cisaillement - 167
II. Caractérisation à l'état initial - 169
II.1. Caractérisation mécanique par l'essai de torsion - 169
II.1.1. Influence de l'état de surface du cylindre - 169
II.1.2. Dispersion des résultats - 171
II.1.3. Influence de l'huile - 172
II.2. Caractérisation mécanique par traction cisaillement 174
II.2.1. Dispersion des résultats - 174
II.2.2. Influence de l'huile et de sa composition - 175
II.2.3. Influence des charges - 177
II.3. Bilan - 177
III. Caractérisation mécanique des assemblages après vieillissement hygrothermique - 178
III.1. Evolution des caractéristiques en torsion - 178
III.1.1. Influence de l'huile sur les grandeurs mécaniques - 178
III.1.2. Influence de l'huile sur les faciès de rupture - 183
III.2. Evolution des caractéristiques en traction cisaillement - 186
III.2.1. Influence de l'huile et de sa composition - 186
III.2.2. Influence des charges - 189
III.3. Bilan - 190
IV. Discussion - 192
Conclusions et perspectives - 197
Annexes
1 - Détermination des contributions aux énergies libres de surface par mouillabilité
2 - Algorithme du programme d'acquisition et de traitement des angles de contact

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