Cavitation dans les adhésifs

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Cavitation dans les adhésifs
pelage d'un adhésif à petit angle.
Lors du décollement d'un ruban adhésif (ici vu de dessus à la loupe binoculaire), des bulles apparaissent les unes après les autres au-devant du front de pelage.
Apparition et croissance des cavités dans un matériau adhésif au cours d'un test de tack (force en fonction du déplacement).
Apparition et croissance des cavités dans un matériau adhésif au cours d'un test de tack (force en fonction du déplacement).
Illustration de l'effet ventouse : effet de la pression atmosph√©rique (variant ici de 0,4 √† 1 atm dans un caisson pressuris√©) sur la r√©ponse en force (ici en fonction du d√©placement) d'un liquide tr√®s visqueux sous traction entre deux plaques.
Illustration de l'effet ventouse : effet de la pression atmosph√©rique (variant ici de 0,4 √† 1 atm dans un caisson pressuris√©) sur la r√©ponse en force (ici en fonction du d√©placement) d'un liquide tr√®s visqueux sous traction entre deux plaques.
Cavitation et ouverture des cavit√©s dans un fluide tr√®s visqueux : vue de dessus.
Cavitation et ouverture des cavit√©s dans un fluide tr√®s visqueux (PDMS de viscosit√© 1 000 Pa.s) sous traction entre deux plaques rigides, similaire √† ce qui se produit dans un adh√©sif. Les cavit√©s sont d√©connect√©es de l'ext√©rieur et ont une pression faible. √Ä un moment donn√©, un doigt d'air atteint soudainement les cavit√©s et les emplit d'air.
Cavitation et digitation dans un fluide visqueux : force, son et ouverture des cavit√©s.
Cavitation et digitation dans un fluide visqueux (PDMS de viscosit√© 1 000 Pa.s) sous traction entre deux plaques rigides. Les cavit√©s sont d√©connect√©es de l'ext√©rieur et ont une pression faible. √Ä un moment donn√©, un doigt d'air atteint soudainement les cavit√©s et les emplit d'air. √Ä ce moment-l√†, la force mesur√©e chute brutalement (courbe rouge) et un bruit tr√®s bref est enregistr√© (pic bleu).
Cavitation et ouverture des cavit√©s dans un fluide tr√®s visqueux : vue de dessus.
Cavitation et ouverture des cavit√©s dans un fluide tr√®s visqueux (PDMS de viscosit√© 1 000 Pa.s) sous traction entre deux plaques rigides, similaire √† ce qui se produit dans un adh√©sif. Les cavit√©s sont d√©connect√©es de l'ext√©rieur et ont une pression faible. √Ä un moment donn√©, quelques doigts d'air atteignent soudainement les cavit√©s et les emplissent d'air. De l'air frais saute ainsi de cavit√© en cavit√© jusqu'√† ce que toutes les cavit√©s soient remplies d'air. Quelques parois liquides ont √©t√© perc√©es par l'air au cours de ce processus.

La cavitation décrit la naissance de bulles de gaz et de vapeur dans un matériau soumis à une dépression. Dans les adhésifs, la croissance des cavités occasionne de grandes déformations du matériau, ce qui dissipe de l'énergie mécanique. C'est même une composante essentielle de l'énergie nécessaire pour vaincre l'adhésion, appelée énergie d'adhésion.

Sommaire

Origine de la dépression

Dans un adh√©sif, la d√©pression qui est √† l'origine de la cavitation provient de la force avec laquelle on tire pour rompre l'adh√©sion. Plus pr√©cis√©ment, dans deux tests classiques d'adh√©sion :

  • dans le probe-tack, la d√©pression vient du fait que l'on exerce une traction sur deux plaques solides s√©par√©es par un film adh√©sif ;
  • dans le pelage, on tire sur un adh√©sif coll√© √† un substrat. Le dos de l'adh√©sif √©tant inextensible, la force appliqu√©e provoque sa mise sous tension, et il tente de soulever le film adh√©sif. Celui-ci √©tant fait d'un mat√©riau incompressible, une d√©pression se cr√©e et fait appara√ģtre des cavit√©s, √† l'avant du front de pelage.

Déroulement de la cavitation

Le déroulement de la cavitation dans les adhésifs est directement lié à la réponse en force dans un test de probe-tack, comme il a été montré en 1999[1].

Origine des cavités initiales

Les cavit√©s qui se d√©veloppent dans l'adh√©sif sous traction naissent √† partir de germes de cavitation : il s'agit de cavitation h√©t√©rog√®ne (sans cela, les seuils de cavitation seraient beaucoup plus √©lev√©s). Il est admis qu'il existe probablement deux types de germes dans les adh√©sifs :

  • d'une part de petites bulles d'air sont emprisonn√©es au sein du mat√©riau lors de son √©laboration et de sa mise en Ňďuvre (comme les petites bulles emprisonn√©es dans le miel que l'on manipule),
  • d'autre part de petites bulles √† l'interface entre l'adh√©sif et le substrat, pi√©g√©es lors de leur mise en contact au fond des reliefs de la rugosit√© du substrat[2].

Déclenchement de la cavitation et croissance initiale des bulles

Les petites bulles originelles (germes) ayant une petite taille, il faut que le milieu environnant atteigne une d√©pression importante avant qu'elles ne commencent √† cro√ģtre : il s'agit du seuil de cavitation. Tant que leur croissance n'a pas d√©but√©, elles ont tr√®s peu d'effet sur la r√©ponse m√©canique globale du film adh√©sif : sa r√©sistance initiale demeure celle d'un film √©lastique confin√© sous traction.

En revanche, une fois que le seuil de cavitation est d√©pass√©, les germes croissent sous forme de cavit√©s. Elles sont rapidement beaucoup plus √©tendues que les germes initiaux (dont la taille typique est de l'ordre du ¬Ķm). Elles sont donc sph√©riques tant qu'elles ne s'approchent pas des parois. Par la suite, elles croissent lat√©ralement et deviennent plus larges qu'√©paisses.

Lorsque le volume total des cavités devient comparable à celui du film adhésif, elles augmentent son volume effectif de manière significative, et engendrent ainsi un soulagement de la dépression. Ce phénomène donne donc lieu à un arrêt de la croissance de la force de traction exercée sur cette région de l'adhésif ainsi qu'à un déplacement des parois. C'est ainsi l'origine principale du pic de force enregistré lors d'un test de probe-tack.

Apparition des parois

Lorsque les cavités croissent latéralement, leur bord parvient finalement à proximité des cavités voisines. Corrélativement, les gradients de pressions chutent et la croissance latérale se ralentit. Le matériau qui demeure entre les cavités voisines s'amincit et forme finalement de véritables parois (visibles en vue de dessus dans l'animation en haut de page).

À mesure que les parois continuent de s'écarter, les cavités s'étendent verticalement. Lorsque les parois sont déjà formées, c'est donc une véritable mousse bidimensionnelle qui se forme et qui est étirée verticalement, comme l'ont montré Lakrout et Creton en 1999.

Corrélativement, un plateau de contrainte est observé dans l'enregistrement d'un test de probe-tack.

Effet ventouse

Les cavités ne sont pas connectées à l'air extérieur. L'adhésif étant non volatile, les cavités sont à une pression très inférieure à la pression atmosphérique dès qu'elles ont grandi de manière significative par rapport à leur dimension initiale (en tant que germes). De ce fait, la pression atmosphérique extérieure contribue[3] à la force avec laquelle il faut tirer pour détacher l'adhésif. C'est l'effet ventouse.

Ouverture des cavités

Dans les adhésifs, la force chute soudainement à la fin du plateau de contrainte, et un petit bruit se fait entendre. Dans le cas d'un fluide très visqueux (voir illustrations ci-contre), l'ouverture des cavités, un bruit et la chute de la force de traction sont observés simultanément[4]. Cette série d'expériences établit ainsi l'interprétation de l'effet ventouse dans les liquides très visqueux et suggère que les phénomènes similaires dans les adhésifs procèdent également d'un effet ventouse et d'une ouverture finale des cavités. Dans le cas des adhésifs, cette ouverture finale ne résulte pas forcément d'une digitation puisque les adhésifs fluent plus difficilement.

Notes et références

  1. ‚ÜĎ H. Lakrout, C. Creton, J. of Adhesion 69, 307 (1999), http://www.espci.fr/usr/creton/
  2. ‚ÜĎ C. Gay, L. Leibler, Phys. Rev. Lett., 82 (1999) 936-939
  3. ‚ÜĎ S. Poivet et al. Europhys. Lett., 62(2) (2003) 244-250
  4. ‚ÜĎ S. Poivet et al., Eur. Phys. J. E 15 (2004) 97-116

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Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Cavitation dans les adhésifs de Wikipédia en français (auteurs)

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