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Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Edition 2010


Supradhésion


Adhésion supramoléculaire

Chimie supramoléculaire et adhésion
Les adhésifs sensibles à la pression (ruban adhésif …) sont des solides mous, dont l'adhésion n'est efficace que s'ils sont capables de dissiper une énergie importante lors de leur contrainte. Le contrôle des interactions faibles au sein du matériau doit nous permettre d'augmenter significativement la dissipation d'énergie lors de sa déformation.

Contrôler les mécanismes de dissipation d’énergie au sein d’un adhésif
La chimie supramoléculaire permet d’organiser les molécules à l’échelle nanométrique en utilisant des interactions faibles. Bien qu’étant individuellement plus fragiles que les liaisons covalentes, ce type d’interactions a déjà permis collectivement de renforcer les propriétés mécaniques de réseaux réticulés, en permettant au système d’atteindre un état d’équilibre plus stable. De plus, ces interactions faibles sont par nature réversibles et peuvent être dynamiques à température ambiante. Par conséquent, elles peuvent apporter un caractère auto-réparant et un mécanisme additionnel de dissipation d’énergie au sein du matériau.
La grande majorité des polymères supramoléculaires ont été caractérisés par rhéologie uniquement dans le domaine des petites déformations, pourtant c’est dans le domaine des grandes déformations que la contribution des interactions faibles devrait apporter une contribution majeure.
Par conséquent, notre objectif est d’appliquer les concepts de la chimie supramoléculaire au domaine de l’adhésion. Les matériaux adhésifs doivent interagir fortement avec les surfaces à coller et permettre une bonne dissipation de l’énergie de déformation lors du décollement. Sur ces deux aspects, l’utilisation de groupements polaires et d’interactions réversibles doivent permettre d’améliorer les systèmes actuels.

Synthèse et caractérisation de polyacrylates associés par liaison hydrogène
Nous avons synthétisé des polyacrylates de basse température de transition vitreuse portant des groupements capables de former des liaisons hydrogène. Des films ont été formés et la structure des complexes assemblés par liaison hydrogène a été caractérisée par diffusion de rayon X (SAXS) et microscopie (TEM et AFM). Enfin, l’influence des liaisons hydrogène sur la dynamique des chaînes a été étudiée par rhéologie et les propriétés d’adhésion ont été évaluées.
La voie de synthèse choisie a permis de faire varier à volonté la longueur des chaînes, la nature et le nombre de groupements associatifs par chaîne ainsi que la présence de réticulations chimiques. Ces paramètres contrôlent la formation d’une structure supramoléculaire. Il est ainsi possible de moduler de façon rationnelle l’importance et les temps caractéristiques propres aux différents mécanismes de dissipation d’énergie au sein du matériau.

Résultats

Une large gamme de polyacrylates a été synthétisée et caractérisée. Pour chaque polymère, la stratégie retenue a consisté à synthétiser un amorceur présentant la fonction associative, puis à polymériser le monomère par polymérisation radicalaire contrôlée (ATRP). Les paramètres suivants ont été variés : le monomère; la masse molaire; la fonction associative. Dans chaque cas, les conditions d’un bon contrôle des chaînes a été identifié, avec une dispersité faible (Ip < 1.4).
La structure des échantillons a été étudiée par diffusion de rayons X (WAXS et SAXS) à différentes températures, au repos (Cf. illustration ci-dessous) et sous étirement. Elle montre de grandes différences en fonction de la fonction associative. Ces résultats sont confirmés par des images obtenues par Microscopie à Force Atomique (AFM) qui montre en outre une structuration multiéchelle avec des temps d’organisation relativement long.
Les propriétés rhéologiques de ces échantillons ont été caractérisées dans le régime linéaire à différentes fréquences et températures. La nature de la fonction associative et sa concentration ont une importance cruciale sur la visco-elasticité et sur les propriétés adhésives des matériaux : certains sont des huiles visqueuses à température ambiante alors que d’autres sont des gels élastiques jusqu’à 120°C.
Ces mesures ont montré que si la liaison supramoléculaire contrôle les propriétés dissipatives du matériau, une faible proportion de liaisons chimiques permanentes est importante pour obtenir des propriétés adhésives optimales.

Perspectives

Nous discutons actuellement avec une entreprise pour effectuer des tests dans le cadre d’une application industrielle précise.

Productions scientifiques et brevets

3 publications sur la synthèse des matériaux sont publiées.
2 publications sur la structuration et les propriétés des matériaux ont été soumises.
2 autres publications sont en cours de rédaction.

Partenaires

PPMD CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B

MATEIS INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON - INSA

LCP UNIVERSITE PARIS VI [PIERRE ET MARIE CURIE]

Aide de l'ANR 420 000 euros
Début et durée du projet scientifique - 48 mois

Résumé de soumission

Les adhésifs sensibles à la pression (PSA) sont essentiellement des polymères légèrement réticulés et dont la température de transition vitreuse est nettement inférieure à la température d'usage. Le design et l'optimisation d'un PSA nécessite une bonne maîtrise de la chimie des polymères, afin de contrôler l'architecture macromoléculaire (distribution de masses molaires, ramifications, degré de réticulation). Plusieurs approches sont actuellement connues pour élaborer de tels réseaux faiblement réticulés. Pourtant, les liaisons hydrogène, qui permettraient de créer des liaisons fortes mais labiles, n'ont pas été mises à profit dans le contexte de ces matériaux mous.
Par conséquent, notre objectif est d'appliquer les concepts récents de la chimie supramoléculaire au domaine de l’adhésion.
Les PSA sont des solides mous, dont l'adhésion n'est efficace que s'ils sont capables de dissiper une énergie importante lors de leur contrainte. La rupture et la reformation d'un grand nombre de liaisons hydrogène au sein de l'adhésif est une façon originale d'augmenter significativement la dissipation d'énergie lors de la déformation.
Plus précisément, nous synthétiserons une gamme de polymères de faible Tg et comportant des groupements auto-associatifs par liaisons hydrogène. Leur structure à l'état solide sera déterminée au repos ainsi que sous contrainte; et l'influence des liaisons hydrogène sur la dynamique des chaînes sera déterminée.
Pour tester notre concept, un polymère modèle a été préparé à partir de précurseurs facilement accessibles. Des chaînes de poly(isobutène) ont été combinées à des groupements bis-urées fortement auto-associatifs. Nous avons montré que les liaisons hydrogène sont responsables de la formation d'un ordre à longue distance et d'une structure hiérarchique, qui est néanmoins dynamique. De plus, les mesures d'adhésion montrent que ce matériau adhère fortement sur les surfaces de forte énergie tel que l'acier, mais également sur les surfaces de faible énergie tel qu'un poly(dimethylsiloxane) réticulé. Les mécanismes impliqués ne sont pas élucidés en détail, mais ces résultats macroscopiques remarquables justifient pleinement une étude systématique et approfondie.

 

Programme ANR : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8) 2010

Référence projet : ANR-10-BLAN-0801

Coordinateur du projet :
Monsieur Laurent Bouteiller (UNIVERSITE PARIS VI [PIERRE ET MARIE CURIE])
laurent.bouteiller@nullupmc.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.