Contribution de la rhéologie aux propriétés tribologiques d'un nontissé abrasif

Impact of the rheology on the tribologies properties of a nonwoven abrasive

• Auteur / Autrice : Etienne Leprat
• Direction : Thomas Mathia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tribologie (technologie)

Abrasifs

Viscoélasticité

Mots clés libres

Non-tissé

Densification

Efficacité abrasive

Topographie de surface

Résumé

La société Spontex fabrique des non-tissés abrasifs destinés au récurage ménager et à l’entretien des sols. Ils sont constitués d’une structure fibreuse liée tridimensionnelle sur laquelle des grains abrasifs en corindon sont fixés au moyen d’un deuxième liant. La capacité à enlever de la matière et à fournir une surface rénovée en fonction du comportement des liants est mal comprise et constitue l’objectif de ce travail. Les récurants de l’étude sont basés sur une nappe de fibres et des grains abrasifs identiques liés avec une résine et/ou des latex au comportement viscoélastique varié. Les propriétés mécaniques sont analysées directement sur les échantillons au moyen d’un rhéomètre en torsion. Les propriétés tribologiques sont déterminées grâce à un tribomètre original, conçu pour l’étude et adapté aux récurants. Ce dispositif mesure l’énergie fournie à un échantillon immergé dans l’eau qui abrase une surface en aluminium 1050 ou en acier inoxydable 304L et qui est soumis, pendant l’expérimentation, à une pression constante et un mouvement trochoïdal typique du nettoyage. Sous l’effet de la densification des structures, qui s’opère pendant les mesures, le comportement des récurants évolue en permanence. Pourtant, l’action abrasive reste stable car la densité surfacique d’abrasifs en contact n’évolue pas avec la densification. Les mesures d’abrasion montrent que le volume abrasé est proportionnel à l’énergie fournie aux échantillons. L’efficacité abrasive, qui correspond à la pente du volume en fonction de l’énergie, dépend uniquement de la raideur du liant des grains abrasifs. Ainsi, à liant des grains identique, l’efficacité n’est pas affectée par la souplesse du liant de la nappe de fibres, souplesse qui augmente la densité d’abrasifs en contact. En revanche, l’augmentation de la densité d’abrasifs diminue considérablement la rugosité des surfaces abrasées. On constate finalement qu’un récurant efficace peut générer une surface peu rugueuse. Ce comportement inhabituel dans le domaine de l’abrasion peut être en partie lié à la particularité des mécanismes d’abrasion engendrés par les mouvements trochoïdaux. Le processus abrasif des récurants est modélisé grâce à une approche énergétique qui se décompose en une partie due aux longueurs de glissement et une partie due aux efforts d’abrasion dépendante de la nature des liants.

Spontex is a company which manufactures non-woven scourers for domestic uses such as cleaning dishes and floors. The scourers consist of a three-dimensional structure of bonded fibres, onto which abrasive corundum particles have been bonded. The way in which this material acts to remove material and clean a surface, and the influence of the bonds on its performance, are poorly understood and are the object of this study. The scourers used here are formed from a layer of fibres and identical abrasive grains, bonded with either resin or latex, with varying visco-elastic properties. The mechanical properties of the materials have been measured directly, using a torsion rheometer. The tribological properties of the surface have been measured using a tribometer that was designed specifically for this study and adapted to the characteristics of the scourers. This device measures the energy supplied to a scourer (immersed in water) which is subject to a constant applied pressure and undergoes a trochoidal motion similar to that used in cleaning. Experiments have been performed on two substrates: aluminium 1050 and stainless steel 304L. During the experiments, the scourer undergoes compaction and its behaviour changes over time. However the abrasive action remains almost constant because the compaction does not change the surface density of the abrasive grains. Abrasion measurements show that the volume of material removed by abrasion is proportional to the supplied energy. The abrasive efficiency, defined as the slope of the eroded volume when plotted versus the supplied energy, depends only on the stiffness of the bonds holding the abrasive grains. Thus the abrasive efficiency does not depend on the flexibility of the bonds in the fibre layer, provided the grain bonding does not change, even though increasing the flexibility of the fibre bonds increases the number of abrasive grains in contact with the substrate. On the other hand, increasing the surface density of the abrasive grains produces a significantly smoother abraded surface. Finally, we observe that an efficient scourer can produce a relatively smooth surface. This is an unusual result for surface abrasion, which can possibly be explained by the rather special abrasion mechanisms generated by the trochoidal motion of the scourer. The abrasive action of a scourer has been modelled using an energy approach, based on two effects – one linked to the slip lengths and the other linked to the abrasive forces, which depend on the characteristics of the bonds.