Compréhension des mécanismes d’adhésion d’une nouvelle génération de colles époxy crash sur aciers pour l’industrie automobile

Understanding of the adhesion mechanisms of a new generation of epoxy crash adhesives for the automotive industry

• Auteur / Autrice : Lucas David Tomasovic
• Direction : Arnaud Ponche, Florence Bally
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydroxyle

Automobiles -- Conception et construction

Chimie des surfaces

Monocouches moléculaires autoassemblées

Collage (matériaux)

Mots clés libres

Adhésifs structurels

Adhésion

Chimie des surfaces

Hydroxyle

Monocouches auto-assemblées

Modification de surface

Structural adhesives

Adhesion

Surface chemistry

Hydroxyl

Self-assembled monolayers

Surface modification

Résumé

Le collage structurel est largement utilisé dans l'industrie automobile pour garantir des propriétés comme la résistance crash et l'assemblage de différents types et épaisseurs de matériaux. ArcelorMittal, fabricant d'acier, a développé de nouveaux revêtements anticorrosion ZnMgAl, qui doivent être compatibles avec les adhésifs crash. Une nouvelle génération de colle crash a énormément augmenté l’adhérence de la colle sur ces revêtements par rapport à l'ancienne génération de colles. Ces nouvelles colles contiennent deux nouveaux composants : des silanes et des billes de verre. Des colles modèles, de formulation simplifiée, ont été développées pour comprendre l'impact de ces nouveaux composants sur l’adhérence. La caractérisation des aciers revêtus a été réalisée pour corréler la chimie de surface à l’adhérence. Les aciers revêtus ont été modélisés par des substrats métalliques purs, à savoir du zinc, magnésium et aluminium. Des monocouches auto-assemblées (SAMs) terminées par des fonctions hydroxyles ont également été développés pour contrôler la densité des hydroxyles de surface sans impacter la rugosité de surface et pouvoir ensuite étudier l’importance de la densité surfacique des hydroxyles sur l'adhérence des colles crash par des tests de pelage. Ces essais ont révélé qu'une densité minimale d’hydroxyles est requise pour une bonne adhésion. L'effet de l'incorporation des billes de verre dans les nouvelles colles sur le comportement des joints de colle a été étudiée expérimentalement et numériquement. Ces charges modifient les faciès de rupture sans réduire la résistance au cisaillement.

Adhesive bonding is widely used in automotive industry as joining technique to ensure features as fatigue resistance and the assembly of different materials types and thicknesses. ArcelorMittal as steel manufacturer developed new anticorrosion coatings ZnMgAl, which must be compatible with epoxy adhesives. A new generation of crash adhesives greatly increases the adhesive properties on these new coatings in comparison to former adhesives. These adhesives contain two new components: silanes and glass beads. Model adhesives with simplified composition were formulated to understand how each of these components impact on adhesion properties on metallic substrates. Moreover, the surface of coated steels has been characterized to correlate surface chemistry and adhesion, particularly as for the presence of hydroxyl groups at the extreme surface. Coated steels were modelled by pure metallic substrates, constituting their surface chemical domains, namely zinc, magnesium and aluminum. Self-assembled monolayers (SAMs) terminated with hydroxyl groups were also developed to control the surface density of hydroxyl groups without impacting surface roughness and to evaluate the importance of the surface density of hydroxyl groups on the adhesion of crash adhesives. This was studied by peel tests, revealing that a minimal density of hydroxyl groups is required for obtaining good adhesion properties. Finally, the influence of glass beads incorporation in new adhesives was studied both experimentally and numerically to understand how it changes failure patterns without reducing shear strength.