Mesurer l’énergie de surface pour réussir son collage

Pourquoi mesurer la tension de surface avant d'effectuer un collage ?

L'énergie de surface, également appelée tension de surface ou tension superficielle, est un bon indicateur pour permettre de caractériser l'aptitude de vos matériaux à etre collés avec un ruban adhésif ou une colle.

En effet, cette notion met en évidence la façon dont les molécules d'un fluide ou d'un matériau sont attirées entre elles et par les molécules d'un autre milieu.

Les matériaux à basse énergie de surface, comme le Teflon, le PTFE ou le polyéthylène, sont difficiles à coller et demandent l'utilisation d'adhésifs ou de colles appropriés et/ou un traitement adéquat pour augmenter leur énergie de surface.

C'est pourquoi la tension de surface est une notion fondamentale dans le domaine des rubans adhésifs et des colles techniques. Il est parfois nécessaire de la mesurer afin de réussir un collage difficile, en particulier pour un assemblage permanent.

Petite expérience pour comprendre la tension de surface

Pour illustrer l'énergie ou la tension de surface d'un matériau, on observe le comportement d'une goutte d'eau sur ce substrat. Plus la surface de contact entre la goutte d'eau et le matériau est importante, plus l'énergie de surface est élevée. On parle de "mouillage" pour désigner la capacité d'un liquide à s'étaler à la surface d'un solide.

Les matériaux à haute énergie de surface sont plus faciles à mouiller que les matériaux à basse énergie de surface.

Sur la photo ci-dessus, la partie gauche du substrat en acier inoxydable affiche une basse énergie de surface par l'ajout d'un traitement antiadhésif. La partie droite, non traitée, est à haute énergie de surface et la goutte d'eau s'étale. Cette partie est donc plus apte à être adhésivée ou encollée de manière efficace.

La facilité ou non avec laquelle une colle mouille la surface d'un matériau dépend donc de l'énergie de surface du matériau. Celle-ci est exprimée en unités d'énergie par surface. Son unité de mesure est généralement exprimée en "dynes" (1 dyne/cm = 1mJ/m) ou en mN/m.

Nous reviendrons en détails un peu plus loin sur la notion de mouillage.

Les 3 catégories d'énergie de surface des matériaux

ÉNERGIES DE SURFACE BASSES (< 36 dynes/cm)*	ÉNERGIES DE SURFACE MOYENNES (36 à 300 dynes/cm)*	ÉNERGIES DE SURFACE HAUTES (> 300 dynes/cm)*
Les molécules à la surface des matériaux à faible énergie de surface sont très peu attirées par d'autres molécules, en particulier les molécules adhésives. Les matériaux à faible énergie de surface sont donc très difficles à coller.	L'énergie de surface moyenne est assez relative et se situe entre le film mouillant qui s'étale et la goutte parfaitement sphérique.	Les molécules de la surface sont très fortement attirées par les molécules qui l'entourent. Les matériaux à énergie de surface élevée, la plupart des métaux, sont faciles à mouiller et, par conséquent à coller.
Plastiques BES (Basse Énergie de Surface) ou LSE Plastics : Plastiques ayant la plus faible énergie de surface, comme le polypropylène, le polyéthylène, le polystyrène et de nombreuses peintures thermolaquées. Ces plastiques possèdent une réelle résistance au mouillage et demandent des colles très spécifiques pour y remédier.   Plastiques techniques ou Engeneering plastics : Ils désignent le polycarbonate, l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), les mousses polyuréthane, de nombreux composites et peintures. Ils sont plus rigides, solides et résistants aux températures que les plastiques BES. Ils sont légèrement moins difficiles à coller mais un traitement important est requis.   Attention, les agents démoulants "antiadhésifs" tels que le polytétrafluoroéthylène (PTFE) peuvent être problématiques pour le collage.	Matériaux traditionnels : verre, céramiques, béton, bois, tissu, cuir, ciment, pierre...   Ils sont assez facile à coller mais il faut prendre en compte certains facteurs spécifiques à chacun d'eux, notamment sur la préparation de surface et la propreté.   Plastiques techniques : On peut également considérer la plupart des plastiques techniques comme des matériaux à énergie de surface moyenne (voir colonne de gauche). Ces plastiques chevauchent les deux catégories.	Métaux : plomb, étain, zinc, aluminium, acier, acier inoxydable, cuivre... Ils sont faciles à coller avec une préparation de surface adéquate.   Les colles et rubans adhésifs sont des solutions particulièrement adaptées à ce type de matériaux. Ils peuvent même conférer des qualités supplémentaires à un collage/assemblage, telles que l'isolation thermique, l'isolation électrique, le remplissage (jointage, étanchéité).

* valeurs de référence théoriques généralement admises

Classification des matériaux par énergies de surface

Tableau mis à jour régulièrement à partir de nos tests en laboratoire.

Attention ! Sur certains substrats, il peut y avoir des pièges à éviter :

• PVC souple : migration de plastifiants
• Métaux et alliages : présence d'une couche d'oxyde possible
• Peintures poudres époxy : agents de tension de surface et autres additifs modifiant les caractéristiques de la peinture pour optimiser sa résistance aux contraintes environnementales (brillance, tenue aux rayures, à la température...)
• ...

Vérifiez toujours si votre surface à coller a été recouverte d'un revêtement spécial (peinture, peinture époxy, vernis, agents démoulants antiadhésifs...). Sur ces surfaces, le matériau que vous collez est celui du revêtement et non le matériau recouvert !

Pour chaque application, demandez une expertise technique pour trouver le bon ruban adhésif simple face, double face ou la bonne colle.

En savoir plus sur l'énergie de surface : Principes de bases

En mesurant la tension de surface d'un matériau solide et la tension superficielle d'une masse adhésive, on pourra choisir le ruban adhésif ou la colle adéquate et/ou traiter la surface à coller afin d'obtenir la mouillabilité souhaitée et optimiser le collage.

Énergie de surface des solides : le mouillage

Comme vu précédemment, lors du dépôt d'une goutte de fluide sur un solide, celle-ci va plus ou moins bien s'étaler à sa surface en formant un angle appelé "angle de contact" entre l'interface fluide/air et la surface solide. Ce phénomène s'appelle le "mouillage".

• Basse tension de surface du liquide = Liquide mouillant
• Haute énergie de surface du substrat = Substrat facile à mouiller

Tension de surface des liquides

Avez-vous déjà observé certains de ces phénomènes dans votre quotidien ? Des insectes qui marchent sur l'eau, la rosée qui perle sur les pétales d'une fleur, un sucre s'imprégnant de café ou une goutte d'eau qui pend sans tomber ? Ces faits amusants sont tous l'effet de la tension superficielle des liquides.

Il s'agit d'un phénomène physico-chimique lié aux interactions moléculaires d'un fluide : c'est-à-dire la façon dont ses molécules sont attirées entre elles d'une part, et par les molécules d'un autre matériau d'autre part.

Les molécules au sein d'un fluide exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion :

• Force de Van der Waals (attraction)
• Force électrostatique (attraction ou répulsion, liaison hydrogène)

Ces molécules se positionnent toujours dans la configuration de la plus basse énergie au sein du même fluide afin d'atteindre un équilibre énergétique.

Dans un système impliquant plusieurs milieux, les interactions moléculaires sont déséquilibrées : les molécules situées à l'interface interagissent avec celles de l'autre milieu, mais celles situées au sein de la matière n'interagissent qu'avec leurs semblables.

Le système tend naturellement vers un équilibre correspondant à la configuration de la plus basse énergie. Il modifie alors sa géométrie pour diminuer l'aire de l'interface avec l'autre milieu. La force qui maintient le système dans cette configuration est la tension superficielle.

La tension superficielle est un bon indicateur de la capacité d'un fluide à mouiller et donc, de celle d'une masse adhésive à adhérer à une surface donnée.

Méthodes pour mesurer la tension de surface

Voici 2 exemples de méthodes fréquemment utilisées pour mesurer l'énergie de surface. Notre ingénieur d'application peut vous guider dans vos mesures, mais aussi effectuer certains tests au sein de notre laboratoire interne, afin de vous aiguiller dans le choix de vos produits et la préparation de vos surfaces à coller.

Méthode de la goutte sessile

À l'aide d'un goniomètre, composé d'une seringue motorisée reliée à un logiciel de traitement de données, on est capable de déposer une goutte de liquide sur un substrat solide étudié. Une caméra collecte et enregistre les images de l'expérience. On observe la forme de la goutte, l'angle de contact, et en recoupant ces données avec la tension superficielle déterminée du fluide, on est capable de calculer l'énergie de surface du substrat.

Note : On utilise généralement de l'eau pour la mesure de base de l'énergie de surface. Elle est facile à purifier et de faible viscosité, ce qui permet d'atteindre l'équilibre en surface en moins d'une minute. On peut utiliser d'autres fluides, tels que certains solvants ou certaines huiles, pour affiner les mesures par la suite.

Méthode des encres de test

La méthode des encres de test pour mesurer l'énergie de surface est un procédé simple et rapide, nécessitant moins de matériel que d'autres méthodes. Elle est particulièrement utilisée pour mesurer l'énergie de surface de matériaux communs, comme le plastique, le verre, les matériaux recyclés ou composites. Le testeur dispose de plusieurs flacons d'encres, correspondant à des fourchettes de valeurs d'énergie de surface.

• Après nettoyage et éventuellement prétraitement de la surface à tester, on applique l'encre correspondant à l'énergie de surface la plus élevée, à l'aide d'un pinceau intégré dans le flacon.
   
• Si l'encre appliquée est stable pendant 2 secondes, la surface est facilement mouillable, donc adhésivable.
   
• Si l'encre perle sur le substrat, on continue le test avec l'encre à la valeur immédiatement inférieure et ainsi de suite, jusqu'à ce que l'encre déposée soit stable.

La tension de surface du matériaux est égale à la valeur de la dernière encre testée qui a affiché un mauvais mouillage pendant 2 secondes minimum.

Note : La méthode des encres de test nécessite un approche critique des résultats de mesure. Les valeurs obtenues sont situées dans une plage de résultats relative. Dans tous les cas, les encres utilisées doivent être fabriquées selon la norme DIN 53364 ou ISO 8296.

Obstacles, contaminations et traitements

Les contaminations de la surface à coller peuvent provoquer :

• Une perte de tack (adhésion instantanée)
• Une diminution du mouillage
• Une réduction du contact adhésif/substrat
• Une réduction de la force d'adhésion

Ces obstacles diminuent la surface d'adhésion, fragilisent le collage et augmentent les chances de déchirement du ruban adhésif. Afin de prévenir ce genre de désagréments, nous vous rappelons qu'un dégraissage selon des méthodes précises est indispensable avant tout collage/assemblage. 

L'application d'un primaire d'accrochage pourra également être utilisé afin d'augmenter l'énergie de surface d'un substrat, en particulier pour vos collages difficiles (matériaux à faible énergie de surface).

Consultez notre page sur la préparation de surface avant la pose d'un adhésif pour plus de détails et de conseils techniques.