FR3092583A1 - Assemblage de joint autoadhésif et procédé de fabrication d’un tel assemblage - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un assemblage de joint autoadhésif, comprenant - un joint élastomère (1), gainé par un textile (2) et - un ruban adhésif double face (3) comprenant un ruban support (4), une première couche (5) d’un adhésif sensible à la pression (PSA) sur une première face du ruban support, une deuxième couche (6) d’un adhésif sensible à la pression, sur la deuxième face du ruban support, le joint élastomère (1) gainé par un textile (2) et le ruban adhésif double face (3) étant collés irréversiblement l’un à l’autre au moyen d’un adhésif structural (7) formant un joint de collage. Elle concerne également un procédé permettant de fabriquer un tel assemblage de joint autoadhésif.

Description

Assemblage de joint autoadhésif et procédé de fabrication d’un tel assemblage
La présente invention concerne un nouveau procédé de fixation d’un ruban adhésif sur un joint élastomère gainé par un textile (2), notamment un profilé en silicone, ainsi que l’assemblage obtenu par ce procédé.
La fixation de joints élastomères, en particulier en silicone, sur la carrosserie d’avions, de trains ou de véhicules automobiles se fait classiquement au moyen d’une colle de silicone RTV (de l’anglaisRoom Temperature Vulcanizable, vulcanisable à température ambiante). Le durcissement de l’adhésif est toutefois assez long, de l’ordre de plusieurs heures à plusieurs dizaines d’heures, et le maintien en position des joints pendant une durée si longue peut être compliqué à mettre en œuvre. Cette façon de coller les joints directement sur le support au moyen d’un adhésif structural à base de silicone nécessite un espace de stockage important et diminue la productivité globale du procédé.
L’idée de créer sur le joint en silicone une surface adhésive capable de coller instantanément sur un autre matériau, par exemple en fixant sur le joint un ruban adhésif portant un adhésif sensible à la pression (PSA, de l’anglaispressure sensitive adhesive), n’est pas nouvelle, mais sa mise en œuvre se heurte généralement à la difficulté de créer un lien adhésif d’une force suffisante entre un tel ruban adhésif et la surface du silicone.
Il est par ailleurs connu d’envelopper, ou « gainer », des joints élastomères par des textiles afin d’accroître leur résistance mécanique, de les protéger contre des sollicitations mécaniques ou encore de leur conférer des propriétés spécifiques, par exemple une imperméabilité aux rayonnements électromagnétiques. Ce gainage du joint par un textile ne réduit pas sensiblement le problème évoqué ci-dessus, car l’élastomère pénètre généralement le textile lors de la fabrication du joint et affleure à la surface du produit composite obtenu.
Il est connu de soumettre la surface hydrophobe de l’élastomère à des traitements de surface oxydants (plasma, corona, UV-ozone) afin d’en augmenter, au moins provisoirement, l’énergie de surface et de créer des groupes -OH capables de réagir avec un adhésif. Il est également connu que cette augmentation de l’énergie de surface n’est pas stable dans le temps et que le matériau redevient progressivement hydrophobe.
La Demanderesse a effectué un certain nombre d’essais visant à obtenir un lien adhésif fort entre un ruban adhésif PSA et une surface composite, formée par un textile et un élastomère hydrophobe, préalablement activée (c’est-à-dire rendue plus hydrophile) par un traitement de surface. Elle a testé des adhésifs structuraux siliconés et non siliconés, ainsi que différents adhésifs sensibles à la pression (PSA) permettant une adhérence instantanée entre les deux surfaces.
Ces essais ont montré que, de manière surprenante, on obtenait des valeurs d’adhésion (résistance au pelage) les plus élevées en combinant un adhésif structural avec un adhésif de type PSA. Autrement dit la Demanderesse a constaté que la présence d’un adhésif de type PSA sur la face du ruban adhésif destinée à être mise en contact avec le profilé en élastomère hydrophobe augmentait la résistance au pelage d’un collage réalisé au moyen d’un adhésif structural.
L’adhésif PSA, présent sous forme d’une mince couche à la surface du ruban support, ne fragilise pas le lien adhésif, comme on aurait pu le craindre, mais le renforce de manière spectaculaire, la résistance au pelage étant d’environ deux à dix fois plus élevée qu’en l’absence de PSA.
La présente invention est ainsi basée sur la découverte que les PSA, normalement destinés à coller directement, grâce à leur pégosité (tack) élevée, au substrat à coller, pouvaient fonctionner comme une sorte de couche d’accrochage pour un adhésif structural.
La présente invention a donc pour objet un assemblage de joint autoadhésif, comprenant
- un joint élastomère, gainé par un textile et
- un ruban adhésif double face comprenant
(i) un ruban support,
(ii) une première couche d’un adhésif sensible à la pression (PSA) sur une première face du ruban support,
(iii) une deuxième couche d’un adhésif sensible à la pression, sur la deuxième face du ruban support,
le joint élastomère gainé par un textile et le ruban adhésif double face étant collés irréversiblement l’un à l’autre au moyen d’un adhésif structural formant un joint de collage.
Elle a également pour objet un procédé pour fabriquer un tel assemblage de joint autoadhésif. Ce procédé comprend les étapes suivante :
(a) la mise à disposition d’un joint élastomère gainé par un textile,
(b) la mise à disposition d’un ruban adhésif double face comprenant
- un ruban support,
- une première couche d’un adhésif sensible à la pression (PSA) sur une première face du ruban support,
- une deuxième couche d’un PSA, sur la deuxième face du ruban support,
(c) l’application d’un adhésif structural sur une zone de la surface du joint élastomère gainé par un textile et/ou sur la première couche de PSA,
(d) la mise en contact de ladite zone de la surface du joint élastomère gainé par un textile avec la première couche de PSA, et
(e) le durcissement de l’adhésif structural.
Les adhésifs structuraux sont des adhésifs utilisés pour coller ensemble deux matériaux de manière irréversible. Ils peuvent durcir par évaporation d’un solvant, par refroidissement (adhésifs thermofusibles) ou par réaction chimique et formation d’un réseau polymérique tridimensionnel (réticulation). Les adhésifs structuraux utilisés dans la présente invention sont choisis de préférence parmi ceux qui durcissent par réaction chimique. Leur température de transition vitreuse (Tg) est généralement, mais pas nécessairement, significativement supérieure à la température d’utilisation envisagée. Ils sont donc habituellement à l’état de matériau vitreux et rigide. Il existe certains adhésifs structuraux, en particulier des polyuréthannes, destinés à un usage à une température supérieure à leur Tg, mais ces adhésifs sont moins puissants que ceux à Tg élevée, et ne sont donc pas préférés dans la présente invention. Qu’elle soit supérieure ou inférieure à la température utilisation envisagée, il convient de manière générale de choisir les adhésifs structuraux avec une Tg assez éloignée de cette température d’utilisation, sous peine de voir ses performances d’adhésion varier fortement en cas de variations thermiques.
Les principales classes chimiques d’adhésifs structuraux sont les adhésifs époxydiques, acryliques, cyanoacryliques et phénoliques ainsi que les polyuréthannes et les silicones. Les adhésifs structuraux utilisés dans la présente invention sont de préférence des adhésifs non siliconés, c’est-à-dire ils contiennent moins de 30 % en poids, de préférence moins de 10 % en poids, en particulier moins de 5 % en poids et idéalement moins de 1 % en poids de polyorganosiloxanes.
Le terme « adhésif structural » englobe à la fois des compositions adhésives mono-composant ou bi-composants.
Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, l’adhésif structural comprend des fonctions chimiques capables de réagir avec des groupes à hydrogène labile, en particulier des groupes hydroxyle, telles que les fonctions isocyanate (présentes dans les polyuréthannes) et les fonctions époxyde (présentes dans les adhésifs époxydiques). La présence de telles fonctions assure une bonne adhésion de l’adhésif structural à la surface de la pièce en silicone portant, après traitement de surface, une multitude de fonctions SiOH.
Pour les raisons exposées ci-dessus, on utilisera de préférence dans la présente invention un adhésif structural choisi parmi les adhésifs époxydiques et les polyuréthannes.
Les compositions d’adhésifs structuraux de type polyuréthanne contiennent généralement des prépolymères à fonctions isocyanate et un durcisseur, généralement un polyol ou un autre composé comportant au moins deux fonctions à hydrogène labile. Le durcisseur peut également être l’humidité de l’atmosphère. Des adhésifs structuraux de type polyuréthanne sont décrits, entre autres dans les brevets suivants :
US 4 511626, US 4 515 933, US 4 551 517, US 5 290 853, US 5 719 252, US 723 534, US 5 852 103, US 5 900 809 et US 6 130 268.
Il s’agit par exemple des adhésifs de la gamme 3MTMScotch-WeldTMUrethane Adhesive, des mastics de construction Bostik PU.
Les adhésifs structuraux époxydiques contiennent généralement des monomères ou prépolymères à fonctions glycidyliques et un durcisseur de type amine. Des adhésifs structuraux époxydiques sont décrits par exemple dans les demandes et brevets suivants : US 7 157 143, US 8 618 204, US 2004/0072927 et US 2008/0045670. Les adhésifs structuraux époxydiques aussi peuvent se présenter sous forme de compositions mono-composant ou de kits bi-composants contenant deux compositions réactives que l’on mélange immédiatement avant emploi.
Les adhésifs sensibles à la pression (PSA) sont des adhésifs généralement présents sous forme d’une mince couche portée par un support. Ils collent presqu’immédiatement, par simple contact et application d’une pression, au matériau à coller. Bien qu’il existe certains PSA à très fort pouvoir adhésif, la très grande majorité des PSA sont considérés comme des adhésifs non-structuraux ou semi-structuraux, c’est-à-dire le collage est réversible. La température de transition vitreuse des PSA est toujours significativement inférieure à la température d’utilisation envisagée. A température ambiante, le réseau polymère formant la couche d’adhésif est donc un fluide viscoélastique, la grande mobilité des chaînes polymères étant en effet une condition indispensable à la formation d’une multitude de liaisons faibles (van der Waal et liaisons hydrogène) entre l’adhésif et la surface à coller.
Les PSA sont généralement caractérisés par leur pégosité (tack), leur résistance au pelage (peel strength) et leur résistance en cisaillement (shear strength).
On distingue typiquement trois principales classes chimiques d’adhésifs sensibles à la pression :
- les PSA à base d’élastomères,
- les PSA acryliques et
- les PSA à base de silicone.
De préférence, les PSA utilisés dans la présente invention ne sont pas des PSA à base de silicone. Ceux utilisés sur la première face du ruban adhésif double face sont de préférence des PSA acryliques. Le PSA appliqué sur la deuxième face du ruban peut être choisi librement en fonction du matériau sur lequel il doit adhérer.
Des rubans adhésifs double face comportant au moins une couche de PSA acrylique sont connus et décrits dans de nombreuses demandes de brevets dont on peut citer à titre d’exemples les suivantes : US2011/0244230, US2011/012966, US2013/0078463, US8 828 539, US2001/0033988, EP 0 587 752, EP 2 385 090, EP 2 499 194, EP 2 551 320, US 2011/0043737.
De tels rubans adhésifs double face comportant au moins une couche PSA acrylique sont disponibles sur le marché et commercialisés par exemple par la société Saint-Gobain Performance Plastics sous le nom de Normount®A6100 à A6300, ou par la société Scapa sous les noms AS1270, AS1160, AS197K, C705.
La première couche PSA, destinée à être collée au moyen d’un adhésif structural sur la surface de la pièce en silicone, présente une masse surfacique comprise entre 10 et 50 g/m2, de préférence entre 15 et 40 g/m2.
Le ruban support peut être en n’importe quel matériau approprié à l’utilisation envisagée. Il peut s’agir d’un ruban à base de fibres cellulosiques, tel que le papier, ou de fibres en polymère assemblées sous forme de non-tissés. Dans un mode de réalisation préféré, le ruban support est un film à base de polymère organique thermoplastique. Il peut s’agir d’un film expansé, c’est-à-dire d’une mousse.
Le polymère formant le ruban support du ruban adhésif double face de la présente invention est choisi de préférence dans le groupe formé par les polyesters, le poly(chlorure de vinyle), les polymères fluorés, les polyimides, l’éthylène-propylène-diène monomère, les polyuréthanes, les acrylates et les polyoléfines telles que le polyéthylène.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention le ruban adhésif double-face est constitué d’une masse homogène d’adhésif acrylique moussée. Dans un tel ruban adhésif les trois strates décrites ci-dessus (première couche de PSA, ruban support, deuxième couche de PSA) ne peuvent pas être distinguées les unes des autres car elles sont formées d’un seul et même matériau, à savoir d’un matériau acrylique viscoélastique présentant en surface les propriétés d’un PSA. De tels rubans sont commercialisés par la société 3M sous la dénomination VHB®.
Les joints élastomères gainés par un textile sont connus et leur fabrication est décrite par exemple dans US3531829 et GB1264881. Ils sont commercialisés par exemple par la société Seal Science Inc..
Les joints élastomères sont de préférence en silicone.
Le textile qui gaine les joints élastomère est de préférence choisi parmi les textiles en fibres de polyester, en fibres de verre, en fibres de quartz, en fibres aramide, en fibres de carbone, en fibres céramiques ou en fibres métalliques, en particulier en fibres d’aluminium. De préférence ces fibres sont au moins partiellement intégrées dans la masse de l’élastomère, de préférence de silicone.
Les joints élastomères gainés de textile se présentent de préférence sous forme d’un profilé, creux ou plein. Ce profilé comporte avantageusement une surface plane qui recevra le ruban adhésif double face. La longueur du ruban adhésif double-face est de préférence sensiblement égale à la longueur du profilé. Par ailleurs, après application/collage, le ruban adhésif double face couvre de préférence la totalité de la surface plane du profilé.
Pour que l’adhésif structural non siliconé utilisé dans la présente invention adhère de manière optimale au joint élastomère, il est utile de préparer la surface de celui-ci par un traitement de surface conduisant à l’augmentation de l’énergie de surface. Le silicone (polyorganosiloxane) présente généralement, avant traitement, une énergie de surface de l’ordre de 20 mJ/m2. Une telle surface n’est toutefois pas mouillée de manière satisfaisante par une composition adhésive non-siliconée.
Dans la présente invention on soumet donc de préférence la zone de la surface du joint élastomère qui est destinée à recevoir l’adhésif structural à un traitement de surface permettant d’augmenter l’énergie de surface à une valeur au moins égale à 30 mJ/m2. Toutes les valeurs d’énergie de surface dans la présente invention s’entendent comme ayant été déterminée selon la méthode de la goutte sessile en utilisant la théorie d’Owens-Wendt (D. Owens; R. Wendt,Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. dansJ. Appl. Polym. Sci.,13 (1969), P. 1741-1747).
Le traitement de surface est avantageusement un traitement par flamme, par plasma contenant de l’oxygène (O2), par torche à plasma, par décharge corona, par irradiation infrarouge, par UV-ozone ou encore un traitement chimique, par exemple avec un acide fort, une base forte ou un oxydant.
Il est essentiel de mettre en œuvre ce traitement hydrophilisant peu de temps avant que la surface traitée ne vienne en contact avec l’adhésif structural, de préférence non siliconé. Il est en effet connu que le caractère hydrophile de la zone traitée n’est que transitoire et disparaît assez rapidement. Ce phénomène, connu sous le nom de « récupération hydrophobe », peut se produire en quelques minutes seulement et est généralement attribué à la condensation des groupes silanol, la réorientation de groupes polaires et la migration de composants de faible poids moléculaire depuis l’intérieur de la pièce vers la surface.
Dans le procédé de la présente invention, le traitement de surface est avantageusement mise en œuvre moins de 5 minutes, de préférence moins de 3 minutes, et encore plus préférentiellement moins d’une minute avant la mise en contact de la zone traitée avec l’adhésif structural.
L’adhésif structural peut être appliqué sur la zone de la surface du joint élastomère ou bien sur la couche PSA du ruban adhésif double face, ou encore sur les deux à la fois. Il est de préférence appliqué sur le joint élastomère, de préférence en silicone.
L’adhésif structural est appliqué avantageusement en une quantité comprise entre 8 et 1500 g/m2, de préférence entre 40 et 450 g/m2.
Le durcissement de l’adhésif structural peut se faire sans apport d’énergie, par exemple lorsque la réaction de durcissement se produit entre les deux réactifs d’un adhésif bi-composant, conservé sous forme de deux compositions séparées et qui ne sont mélangées qu’immédiatement avant application, ou encore dans le cas d’un adhésif mono-composant qui utilise l’eau de l’atmosphère pour la réaction de durcissement.
La réaction de durcissement est avantageusement déclenchée ou accélérée par l’apport d’énergie thermique ou actinique. Les compositions adhésives photodurcissables peuvent ainsi être utilisées lorsque le ruban adhésif et/ou le joint élastomère ne sont pas opaques à la lumière.
L’épaisseur de la couche d’adhésif structural durcie est typiquement comprise entre 10 µm et 1 mm, de préférence entre 50 µm et 300 µm.
Dans un mode de réalisation avantageux de la présente invention, une pression est appliquée sur le joint de collage pendant au moins une partie de la phase de durcissement.
Le procédé de collage décrit ci-dessus est de préférence un procédé continu, dans lequel chacune des étapes décrites ci-dessus (traitement de surface – application d’un adhésif structural – mise en contact – durcissement) correspond à un poste de travail dans une installation dédiée. Dans une telle installation dédiée, le joint élastomère, de préférence un profilé de silicone, passe successivement
- dans un poste de traitement de surface,
- éventuellement dans un poste d’application d’un adhésif structural,
- dans un poste de mise en contact avec le ruban adhésif double face, puis
dans un poste de chauffage ou d’irradiation.
Le joint de collage entre le joint élastomère et le ruban adhésif double face présente une résistance au pelage (mesurée selon la norme ISO 4578) supérieure à 8 N/cm, de préférence comprise entre 10 et 100 N/cm, en particulier entre 12 et 80 N/cm.
L’invention est à présent illustrée en référence à la Figure 1 qui montre une coupe transversale d’un assemblage de joint autoadhésif selon l’invention.
Dans cette figure 1 le joint élastomère 1 est un tube cylindrique combiné avec une partie droite présentant une surface extérieure plane. En coupe transversale, ce joint élastomère présente ainsi la forme de la lettre « oméga » avec une base fermée. Le joint élastomère 1 est entouré sur toute sa surface d’un textile 2 qui épouse parfaitement la surface extérieur du joint. Le joint élastomère 1 gainé du textile 2 est collé sur un ruban adhésif double face 3 au moins d’un joint de collage formé d’un adhésif structural 7. Le ruban adhésif double face 3 est constitué d’un ruban support 4 portant, sur une première de ses deux surfaces, une première couche 5 d’un adhésif sensible à la pression, et, sur sa deuxième surface, une deuxième couche 6 d’un adhésif sensible à la pression.

Claims (21)

  1. Assemblage de joint autoadhésif, comprenant
    - un joint élastomère (1), gainé par un textile (2) et
    - un ruban adhésif double face (3) comprenant
    (i) un ruban support (4),
    (ii) une première couche (5) d’un adhésif sensible à la pression (PSA) sur une première face du ruban support,
    (iii) une deuxième couche (6) d’un adhésif sensible à la pression, sur la deuxième face du ruban support,
    le joint élastomère (1) gainé par un textile (2) et le ruban adhésif double face (3) étant collés irréversiblement l’un à l’autre au moyen d’un adhésif structural (7) formant un joint de collage.
  2. Assemblage selon la revendication 1, dans lequel l’adhésif structural est un adhésif structural non-siliconé.
  3. Assemblage selon la revendication 2, dans lequel l’adhésif structural non-siliconé est choisi parmi les adhésifs époxydiques et les polyuréthannes.
  4. Assemblage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le joint de collage en adhésif structural (7) entre le joint élastomère (1) gainé par un textile (2) et le ruban adhésif double face (3) présente une résistance au pelage supérieure à 8 N/cm, de préférence comprise entre 10 et 100 N/cm.
  5. Assemblage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’adhésif formant la première couche (5) de PSA est un adhésif acrylique.
  6. Assemblage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’adhésif structural comprend des fonctions capables de réagir avec des groupes à hydrogène labile, de préférence avec des groupes hydroxyle.
  7. Assemblage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le ruban support est une mousse.
  8. Assemblage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le joint élastomère gainé par un textile est un profilé comportant une surface plane.
  9. Assemblage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le joint élastomère est un joint en silicone.
  10. Assemblage selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le textile gainant le joint élastomère est un textile en fibres de polyester, fibres de verre, fibres de quartz, fibres aramide, fibres de carbone, fibres céramiques ou fibres métalliques.
  11. Procédé de fabrication d’un assemblage de joint autoadhésif selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes suivante :
    (a) la mise à disposition d’un joint élastomère (1) gainé par un textile (2),
    (b) la mise à disposition d’un ruban adhésif double face (3) comprenant
    - un ruban support (4),
    - une première couche (5) d’un adhésif sensible à la pression (PSA) sur une première face du ruban support,
    - une deuxième couche (6) d’un PSA, sur la deuxième face du ruban support,
    (c) l’application d’un adhésif structural (7) sur une zone de la surface du joint élastomère (1) gainé par un textile (2) et/ou sur la première couche de PSA,
    (d) la mise en contact de ladite zone de la surface du joint élastomère (1) gainé par un textile (2) avec la première couche de PSA, et
    (e) le durcissement de l’adhésif structural.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on soumet la zone de la surface du joint élastomère qui est destinée à recevoir l’adhésif structural à un traitement de surface permettant d’augmenter l’énergie de surface à une valeur au moins égale à 30 mJ/m2.
  13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l’adhésif structural est un adhésif structural non-siliconé.
  14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l’adhésif structural non siliconé est choisi parmi les adhésifs époxydiques et les polyuréthannes.
  15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 - 14, dans lequel l’adhésif formant la première couche (5) de PSA est un adhésif acrylique.
  16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 - 15, dans lequel l’adhésif structural comprend des fonctions capables de réagir avec des groupes à hydrogène labile, de préférence avec des groupes hydroxyle.
  17. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 - 16, dans lequel le ruban support est une mousse.
  18. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 - 17, dans lequel le joint élastomère gainé par un textile est un profilé comportant une surface plane.
  19. Procédé selon l’une des revendications 11 - 18, caractérisé par le fait qu’il s’agit d’un procédé continu.
  20. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 - 19, dans lequel le joint élastomère est un joint en silicone.
  21. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 - 20, dans lequel le textile gainant le joint élastomère est un textile en fibres de polyester, fibres de verre, fibres de quartz, fibres aramide, fibres de carbone, fibres céramiques ou fibres métalliques.
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