Debonding Mechanisms of Soft Adhesives: Toward Adhesives with a Gradient in - Theses.fr

197 Pages·2014·3.91 MB·English

THESE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE

Spécialité
Chimie et Physico-Chimie des Polymères
(ED 397, Physique et Chimie des Matériaux)

Présentée par
M. François TANGUY

Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE

Sujet de la thèse :

Debonding Mechanisms of Soft Adhesives: Toward
Adhesives with a Gradient in Viscoelasticity

Soutenance prévue le 02 Juin 2014 devant le jury composé de :

M. Frédéric Restagno Chargé de Recherches, Université d’Orsay Rapporteur
M. Loïc Vanel Professeur, Université Claude Bernard Lyon-1 Rapporteur
M. Laurent Corté Chargé de Recherches, Ecole des Mines ParisTech Examinateur
M. Alain Fradet Professeur, UPMC Examinateur
M . Norbert Willenbacher Professeur, Institut de Technologie de Karslruhe Examinateur
M. Costantino Creton Directeur de Recherche CNRS, ESPCI ParisTech Directeur de thèse
Mme Anke Lindner Professeur, Université Diderot Paris 7-ESPCI ParisTech Encadrante de thèse

Université Pierre & Marie Curie - Paris 6 Tél. Secrétariat : 01 44 27 28 10
Bureau d’accueil, inscription des doctorants Fax : [phone]
Esc G, 2ème étage Tél. pour les étudiants de A à EL : 01 44 27 28 07
15 rue de l’école de médecine Tél. pour les étudiants de EM à MON : 01 44 27 28 05
75270-PARIS CEDEX 06 Tél. pour les étudiants de MOO à Z : 01 44 27 28 02
E-mail : [email protected]

List of abbreviations

AA Acrylic acid
AFM Atomic force microscope or microscopy
BA Butyl Acrylate
CTA Chain Transfer Agent
GPC Gel Permeation Chromatography
M Number Average Molar Mass
n
M Weight Average Molar Mass
w
NMR Nuclear magnetic resonance
PAM Poly(acrylamide)
PDI Polydispersity index
PDMS Poly(dimethylsiloxane)
PE Polyethylene
Poly(BA-co-AA) Poly(butyl acrylate – co –acylic acid)
PSA Pressuse-Sensitve Adhesive
PSTC Pressure Sensitive Tape Council
PTT Phant-Thien and Tanner
SAOS Small Amplitude Oscillatory Shear
SFA Surface force apparatus
SS Stainless Steel
THF Tetrahydrofuran
UCM Upper-Convected Maxwell
VOC Volatile Organic Component

Table des matières
General Introdu
tion 1
1 State Of The Art 5
1.1 Adhesion and Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Pressure-sensitive Adhesives (PSAs) . . . . . . . . . . . . 7
1.2 A
ryli
Polymers as PSAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Synthesisof a
ryli
polymersby freeradi
alpolymerization 9
1.2.2 Film formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Me
hani
al
hara
terization and properties of PSAs . . . . . . . 18
1.3.1 Linear Vis
oelasti
properties . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2 Non-linear vis
oelasti
properties . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4 Adhesive
hara
terization and debonding me
hanisms of PSA . . 28
1.4.1 Chara
terisation of adhesive properties of PSA . . . . . . 28
1.4.2 Debonding me
hanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.3 Limits of a
tual PSA systems . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.5 Modeling elasti
solids, vis
ous (cid:29)uids and vis
oelasti
materials . 36
1.5.1 Elasti
solids and elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.5.2 Vis
ous (cid:29)uids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.5.3 Vis
oelasti
ity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2 A
ryli
polymers as model materials 55
2.1 Introdu
tion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2 Spe
i(cid:28)
ations of the model materials . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3 Chara
terizationof the polymers synthesized . . . . . . . . . . . 59
2.3.1 Mole
ular weight and gel
ontent . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.2 Ar
hite
ture
hara
terization . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4 Me
hani
al
hara
terization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.2 Linear vis
oelasti

hara
terization . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.3 Chara
terizationof the non-linear properties . . . . . . . 63
2.5 Adhesive Chara
terization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.2 Probe-ta
k test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
i
ii TABLE DES MATIÈRES
2.6 Results and Dis
ussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.6.1 Me
hani
al
hara
terization . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.6.2 Adhesion
hara
terization and debonding me
hanisms . . 74
2.7 Con
lusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3 Analysis of the growth of
avities at the interfa
e 85
3.1 Introdu
tion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2 High resolution observation and numeri
al analysis . . . . . . . . 88
3.2.1 Probe-Ta
k tests
oupled with mi
ros
ope . . . . . . . . . 88
3.2.2 Image Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3 Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.1 Me
hani
al properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.2 Adhesion properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4 Analysis of the debonding stru
ture . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.1 Evolution of the load(cid:21)bearingarea . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.2 Proje
ted shape of
avities . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.3 Growth rate of individual
avities. . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.4 E(cid:27)e
tive Normal Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.5 E(cid:27)e
tive elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4.6 E(cid:27)e
tive stress versus e(cid:27)e
tive elongation
urves . . . . . 103
3.5 Con
lusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4 Modeling vis
oelasti
materials used as PSAs 109
4.1 Introdu
tion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 Experimental se
tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3 Modeling uniaxial deformation of PSAs :
hoi
e of a
onvenient
model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.1 Choi
e of a
onvenient model for PSAs under uniaxial
deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4 The PTT Model : Mathemati
al aspe
ts . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.1 Appli
ation of the PTT model to the uniaxial (cid:29)ow . . . . 115
4.4.2 Asymptoti
behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
ǫ˙ ǫ˙
H H
4.4.3 PTT model under
onstant or varying . . . . . . . 120
4.4.4 In(cid:29)uen
e of the parameters on the PTT Model . . . . . . 120
4.5 2-modes PTT model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5.1 Fitting strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.5.2 Results and dis
ussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.6 Predi
tion of the adhesive/
ohesivedebonding transition of PSAs 127
4.7 Con
lusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5 Multi-layer adhesives 133
5.1 Introdu
tion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2 Making multi-layer adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3 Experimental Te
hniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.1 Probe-ta
k Test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.2 Shear test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
TABLE DES MATIÈRES iii
5.4 Results and Dis
ussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4.1 Multi-layer materials on low adhesion surfa
e . . . . . . . 137
5.4.2 Multi-layer materials on high adhesion surfa
e . . . . . . 140
5.4.3 Comparisonwith blend systems . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.4.4 E(cid:27)e
t of the thi
kness of the layers . . . . . . . . . . . . . 144
5.4.5 Shear properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.5 Con
lusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6 PSAs with a
ontinuous gradient 149
6.1 Introdu
tion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2 Preparation of Solvent-basedmodel a
ryli
polymers . . . . . . . 151
6.2.1 Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.2 Chemi
al Chara
terization . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.3 Chara
terizationof un
ross-linked and
ross-linkednetworks. . . 156
6.3.1 Corss-linking rea
tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.3.2 Me
hani
al
hara
terization . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.3.3 Adhesive properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.4 Making (cid:28)lms with a
ontinuous gradient in vis
oelasti
properties 161
6.4.1 Modus operandi to obtain (cid:28)lms with
ontinuous gradients 162
6.5 Adhesive properties of a (cid:28)lms with a
ontinuous gradient in vis-

oelasti
properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.6 Di(cid:27)usion theory applied to our system . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.7 Con
lusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7 General Con
lusion and Outlook 173
General Con
lusion and Outlook 173
iv TABLE DES MATIÈRES