Adhérence entre l’acier inoxydable et la matrice polymère 

Dans le procédé de soudage par résistance, l’adhérence de l’élément chauffant sur la matrice polymère est faible, les deux matériaux étant très différents. L’acier est hydrophile avec une bonne énergie de surface et les thermoplastiques sont le plus souvent hydrophobes. Beaucoup de recherches ont été faites sur l’adhésion entre le métal sous forme de plaque et les thermoplastiques. L’adhésion entre deux matériaux peut alors être classée en deux catégories : l’adhésion mécanique concernant la diffusion du polymère dans les irrégularités de la surface du métal et l’adhésion spécifique. Parmi les liaisons spécifiques, les liaisons physiques concernent les liaisons hydrogène et les liaisons dipôle-dipôle alors que les liaisons chimiques sont les liaisons covalentes et les liaisons thermodynamiques et sont liées à la mouillabilité et la compatibilité de deux matériaux [65]. Il va alors être question ici de discuter des effets des traitements de surface du métal ou du polymère sur leur adhésion et de leur viabilité sur un grillage métallique et dans le procédé de soudage par résistance.

Traitement chimique 

Parmi les traitements chimiques, la gravure alcaline et le décapage à l’acide permettent d’oxyder la surface de l’acier sans affecter grandement sa rugosité. Le décapage à l’acide va d’ailleurs donner une couche d’oxydes plus homogène [66]. Cette couche d’oxydes va augmenter la mouillabilité du métal en augmentant la composante polaire de son énergie de surface aussi appelée tension superficielle. Cette force est composée de deux parties, une disperse dépendant des forces de London et une polaire dépendante des interactions dipôledipôle. Ces composantes peuvent être mesurées par la méthode d’Owens, Wendt, Rabel et Kaelble [67] en mesurant l’angle de contact entre la surface du solide et des solvants ou polymères sous forme fondus [68].

Il a été réalisé par Ochoa-Putman et al. [69] une série d’expériences visant à augmenter l’adhésion entre le polypropylène (PP) et l’acier en traitant le PP avec un anhydride maléique pour ajouter des groupes carbonyles (-C=O) réactifs ce qui a eu pour conséquence d’augmenter l’énergie de surface du polymère et d’augmenter de deux fois la force de la liaison avec l’acier, le pourcentage de ruptures cohésives est également bien supérieur par rapport au PP non traité où les ruptures sont majoritairement adhésives.

Micro-/Nano-texturisation de l’acier 

Les traitements mécaniques du métal visent à changer la structure de sa surface pour augmenter sa rugosité et permettre au polymère fondu de pénétrer cette structure et augmenter l’adhésion. Le grenaillage avec un oxyde d’aluminium [68,70] permet d’augmenter la rugosité du métal en créant des fosses de différentes tailles, de < 1 μm à 5 μm et de différentes profondeurs allant jusqu’à 20 μm. Cette méthode a été utilisé par Ramani et al. [70] pour lier le polycarbonate à l’aluminium. Les microcavités sont mieux pénétrées avec une température plus haute. À trop basse température, seules les macrocavités sont pénétrées par le polymère donnant une résistance à la tension plus faible. La micro/nano-texturisation peut également servir à diminuer l’adhésion entre un métal et un thermoplastique en utilisant l’effet « lotus». Cela permet de démouler des pièces composites sans passer par un agent de démoulage pouvant contaminer le thermoplastique [71]. Mais pour ce qui est de la résistance en cisaillement, la rugosité est de moindre importance selon Mitschang et al. [68] où ce traitement a été comparé avec des décapages chimiques de l’aluminium donnant des rugosités bien plus faibles. Il a été conclu que la rugosité n’affecte pas significativement la résistance en cisaillement et que des interactions physiques ou chimiques entre les deux matériaux sont plus efficaces.

Traitement au plasma

Le plasma est formé de particules (d’ions et d’électrons) chargées. Ces particules sont créées suite à un apport d’énergie conséquent à des molécules qui se désolidarisent alors et sont projetées sur une surface à traiter. On utilise généralement un gaz comme source de matière qui sous forme d’ions va pouvoir soit nettoyer une surface soit l’activer.

L’activation peut être mécanique en créant de la rugosité sur le matériau ou chimique quand les groupements de surface sont modifiés par le plasma. L’activation de surface sert à augmenter l’énergie de surface d’un matériau afin d’augmenter sa mouillabilité et donc son adhésion à d’autres matières. Elle est faisable sur plusieurs types de matériaux, les métaux comme les polymères, cependant après traitement, la surface activée est très sensible aux particules environnantes et se désactive avec le temps de façon logarithmique [72]. C’est d’autant plus rapide pour les métaux (quelques heures) que pour les plastiques (de quelques jours à quelques mois). De plus, il a été démontré que traiter l’acier par cette méthode n’augmentait que très peu son énergie de surface déjà très haute [73].

Contrairement aux métaux, les thermoplastiques sont bien souvent hydrophobes compte tenu de leur faible énergie de surface mais ils peuvent être facilement traités par plasma. Plusieurs paramètres vont avoir une influence sur la qualité du traitement : la pression, le gaz, le temps, le flux et la puissance [74], le but étant d’avoir la plus grande énergie de surface possible mais aussi d’obtenir un procédé rapide et peu couteux [75]. La rapidité de cette technique peut être améliorée en augmentant la concentration d’oxygène dans le gaz utilisé [72]. Cependant la concentration d’oxygène est limitée pour ne pas obtenir un gaz qui deviendrait inflammable. Bien que ces traitements soient souvent faits à basse pression (quelques centaines de Pa), il est possible de les effectuer à pression atmosphérique rendant le procédé plus simple pour le réaliser sur de grandes surfaces [76].

Pour ce qui est des métaux, le traitement au plasma induit une oxydation de surface rapide et efficace. À haute puissance, il permet de modifier plus profondément la rugosité du métal. Ces différences physico-chimiques de surface ont un impact sur l’activité de surface mesurée par angle de contact. Cet angle est en général très faible après traitement au plasma [77]. Il est aussi montré que l’énergie de surface a tendance à diminuer avec le temps dû aux contaminants présents dans la chambre plasma, la surface étant très réactive aux espèces carbonées.