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Theses Year : 2019

Dissipative mechanisms during the debonding of high performance foam pressure sensitive adhesives for automotive

Mécanismes dissipatifs lors du décollement d'adhésifs sensibles à la pression haute performance (foam PSA) dans l’automobile

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Abstract

Dissipative mechanisms developing in high performance pressure sensitive adhesives (called PSA foam) are extensively studied. New assembly techniques in the automotive domain are based on those materials. Their proper functioning depends on their ability to dissipate energy when they undergo high deformations. Such a large deformations behavior comes from their soft character. The literature on adhesion problems or, more recently, on the fracture mechanics of soft materials has laid the foundations for the study of this type of material. Nevertheless, previous works always focused on the study of thin and unfilled polymers. In this thesis, one emphasizes foam adhesives. They are at least 10 times thicker and filled with hollow glass spheres with diameters ranging from 10 to 100µm. In particular, this structure gives foam PSA, new types of dissipative mechanisms. The latter make it possible to reach adherence levels rarely achieved with conventional adhesives. These dissipative mechanisms appear at three levels during debonding. For low adhesions, the entire dissipation comes from debondings between the microspheres and the matrix in a volume close to the interface between the adhesive and the substrate. These detachments generate a fibrillation phenomenon that remains confined to a small area near the interface. Then, as the adhesion increases, the entire volume of the adhesive deforms. This deformation causes the spheres to detach from the matrix in volume. These volume decohesions generate cavities (cavitation phenomenon) which gradually deconfines the adhesive. The latter then loses its continuum. During the growth of these cavities in volume, instabilities occur at the micrometric scale to minimize the strain energy. Once the material has been deconfined, the adhesive moves in a preferential direction. This orientation is allowed by adopting a millimeter-scale fibrillar structure. A model explains this process well where each of these fibrils is assumed to be loaded in uniaxial tension. Thus, the extensional non-linear rheology of these equivalent fibrils drives the energy dissipation process. The relevant parameter is then the strain rate of the equivalent fibrils. Eventually, we explained quantitatively the link existing between the shape of the debonding region and the adherence level.
Cette thèse a porté sur l'étude des mécanismes dissipatifs se développant dans les adhésifs sensibles à la pression haute performance (appelés foam PSA). Ces adhésifs sont à la base des nouvelles techniques d'assemblage dans le secteur automobile. Leur bon fonctionnement dépend de leur capacité à dissiper de l'énergie lorsqu'ils sont soumis à de fortes déformations. Ces fortes déformations sont permises grâce à leur caractère mou. La littérature sur les problématiques d'adhésion ou, plus récemment, sur la mécanique de la fracture des matériaux mous a jeté les fondements de l'étude de ce genre de matériau. Néanmoins, les précédents travaux se sont toujours concentrés sur l'étude de matériaux fins et non chargés. Dans la thèse ici présentée, l'accent est mis sur un type d'adhésifs au moins 10 fois plus épais et chargé à l'aide de sphères de verre creuses de diamètres allant de 10 à 100µm. C'est en particulier cette structure qui confère au foam PSA de nouveaux types de mécanismes dissipatifs. Ces derniers permettent d'atteindre des niveaux d'adhérence rarement atteints avec des adhésifs conventionnels. D'une manière générale, ces mécanismes dissipatifs apparaissent à trois niveaux pendant le décollement. Pour les faibles adhérences, l'ensemble de la dissipation se fait par un décollement des microsphères de la matrice en volume dans un espace proche de l'interface entre l'adhésif et le substrat. Ces décollements engendrent un phénomène de fibrillation qui reste confiné dans une région de taille restreinte proche de l'interface. Ensuite, lorsque l'adhérence augmente, tout le volume de l'adhésif se déforme. Cette déformation entraine le décollement des sphères avec la matrice en volume. Ces décohésions volumiques génèrent des cavités (phénomène de cavitation) qui peu à peu déconfine l'adhésif. Ce dernier perd alors son caractère de continuum. Durant la croissance de de ces cavités en volume, on observe à l'échelle micrométrique l'occurrence d'instabilités permettant de minimiser l'énergie de déformation. Une fois le matériau déconfiné, l'adhésif s'oriente suivant une direction privilégiée. Cette orientation se fait en adoptant une structure fibrillaire à l'échelle millimétrique. Un modèle semble bien expliquer ce procédé où chacune de ces fibrilles est soumise à un chargement de type traction uniaxiale. Ainsi, la dissipation d'énergie est conduite par la rhéologie non-linéaire de ces fibrilles en extension. Le paramètre pertinent à prendre en considération dans le pilotage de cette dissipation est alors le taux de déformation. Ce lien sous-entendu entre forme de la zone dissipative et niveau d'adhérence a enfin été expliqué quantitativement.
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tel-02921451 , version 1 (25-08-2020)

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Cite

Antoine Fleury. Dissipative mechanisms during the debonding of high performance foam pressure sensitive adhesives for automotive. Theoretical and/or physical chemistry. Université Paris sciences et lettres, 2019. English. ⟨NNT : 2019PSLET013⟩. ⟨tel-02921451⟩
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