Understanding crack versus cavitation in pressure-sensitive adhesives: the role of kinetics

We perform traction experiments on viscous liquids highly confined between parallel plates, a geometry known as the probe-tack test in the adhesion community. Direct observation during the experiment coupled to force measurement shows the existence of several mechanisms for releasing the stress. Bubble nucleation and instantaneous growth had been observed in a previous work. Upon increasing further the traction velocity or the viscosity, the bubble growth is progressively delayed. At high velocities, cracks at the interface between the plate and the liquid appear before the bubbles have grown to their full size. Bubbles and cracks are thus observed concomitantly. At even higher velocities, cracks develop fully so early that the bubbles are not even visible. We present a theoretical model that describes these regimes, using a Maxwell fluid as a model for the actual fluid, a highly viscous silicon oil. We present the resulting phase diagramme for the different force peak regimes. The predictions are compatible with the data. Our results show that in addition to cavitation, interfacial cracks are encountered in a probe-tack traction test with viscoelastic, \emph{liquid} materials and not solely with viscoelastic solids like adhesives.Comment: 44 page

Tack de matériaux modèles

Nous étudions, dans une approche expérimentale et théorique, les mécanismes de séparation et de rupture lors de la traction d'un matériau confiné entre deux plaques parallèles (test de probe-tack). Cette étude est menée sur deux matériaux choisis pour leur comportement rhéologique de liquides viscoélastiques : une huile de silicones de grande masse, d’une part, et les mélanges d'une huile de silicones de faible masse avec des nanoparticules (à base de silice) en proportions variées, d’autre part. L'étude réalisée sur le premier matériau a permis de mettre en évidence qu'outre la digitation et la cavitation, mécanismes de rupture observés sur des liquides newtoniens, un mécanisme de fracture peut également apparaître, la fracture étant localisée à l'interface entre la plaque solide et le matériau viscoélastique. Un modèle théorique, faisant notamment intervenir la cinétique de cavitation, a été élaboré pour interpréter la succession de ces mécanismes et décrire les courbes de traction. Le bon accord entre les prédictions et les résultats expérimentaux valide l'importance du rôle de la cinétique et nous permet déxpliquer l'apparition de fractures malgré la croissance préalable de cavités. Le second système étudié provient de la déformulation d’adhésifs industriels. Nous avons tout d'abord étudié l'influence de la proportion en particules sur la rhéologie des mélanges. Nous avons observé une évolution des paramètres rhéologiques, que nous avons comparée à l'évolution de l'adhésion des mélanges. Nous avons ainsi pu corréler la présence d’un second plateau de force, observé fréquemment pour de véritables adhésifs, au taux de particules dans le matériau. Enfin, cette étude nous a permis de proposer la voie de rupture optimale pour un matériau adhésif.We study experimentally and theoretically the separation and rupture mechanisms encountered when a material confined between two parallel plates is put under traction (probe-tack test). This study is conducted on two model systems, chosen for their viscoelastic liquid behaviour: A highly viscous silicone oil and mixtures of a less viscous silicone oil with silica-based nanoparticles in various proportions. The study conducted on the first system shows that, in addition to fingering and cavitation which have been observed with Newtonian liquids, cracks can appear at the material-plate interface. Besides, we present a theoretical model to understand the hierarchy between the rupture mechanisms and describe the traction curve. The good fit of the theoretical model with our experimental data validates the importance of cavitation kinetics in the separation process and allows us to explain the appearance of cracks despite the presence of growing cavities. The second system comes from elements used in real, industrial adhesives. We have first analysed the influence of the particle volume fraction on rheology. We have observed an evolution of rheological parameters and compared it with that of the adhesion properties. We have then correlated the presence of a second force plateau, routinely observed on real adhesives, with the particle content of the material. Finally, our study leads us to propose an optimal way of rupture for adhesive materials

Fragmentation d'un empilement de couches minces sur un substrat polymérique flexible

Pour modifier les propriétés de surface des substrats polymériques flexibles et leur conférer de nouvelles fonctionnalités, on utilise de plus en plus fréquemment des dépôts d'empilement de couches minces de quelques dizaines de nanomètre d'épaisseur. Cependant, ces empilements souffrent de problèmes mécaniques spécifiques tels que la fissuration, le délaminage ou le cloquage. En utilisant des tests de fracture en traction uni-axiale effectuées sur des couches de ZnO et d'Ag déposées sur un substrat de ETFE flexible, on étendra les modèles classiques de la littérature en intégrant la plasticité dans le substrat pour mieux décrire la saturation de la densité de fissure observée expérimentalement

Plastic deformation of Na-aluminosilicate glasses under micro and nano-indentation

The transition « normal glass - anomalous glass » is followed on Na-aluminosilicate glass model system using micro- and nano-indentation investigatio

Tack of model materials

Nous étudions, dans une approche expérimentale et théorique, les mécanismes de séparation et de rupture lors de la traction d'un matériau confiné entre deux plaques parallèles (test de probe-tack). Cette étude est menée sur deux matériaux choisis pour leur comportement rhéologique de liquides viscoélastiques : une huile de silicones de grande masse, d'une part, et les mélanges d'une huile de silicones de faible masse avec des nanoparticules (à base de silice) en proportions variées, d'autre part. L'étude réalisée sur le premier matériau a permis de mettre en évidence qu'outre la digitation et la cavitation, mécanismes de rupture observés sur des liquides newtoniens, un mécanisme de fracture peut également apparaître, la fracture étant localisée à l'interface entre la plaque solide et le matériau viscoélastique. Un modèle théorique, faisant notamment intervenir la cinétique de cavitation, a été élaboré pour interpréter la succession de ces mécanismes et décrire les courbes de traction. Le bon accord entre les prédictions et les résultats expérimentaux valide l'importance du rôle de la cinétique et nous permet d'expliquer l'apparition de fractures malgré la croissance préalable de cavités. Le second système étudié provient de la déformulation d'adhésifs industriels. Nous avons tout d'abord étudié l'influence de la proportion en particules sur la rhéologie des mélanges. Nous avons observé une évolution des paramètres rhéologiques, que nous avons comparée à l'évolution de l'adhésion des mélanges. Nous avons ainsi pu corréler la présence d'un second plateau de force, observé fréquemment pour de véritables adhésifs, au taux de particules dans le matériau. Enfin, cette étude nous a permis de proposer la voie de rupture optimale pour un matériau adhésif.We study experimentally and theoretically the separation and rupture mechanisms encountered when a material confined between two parallel plates is put under traction (probe-tack test). This study is conducted on two model systems, chosen for their viscoelastic liquid behaviour: A highly viscous silicone oil and mixtures of a less viscous silicone oil with silica-based nano-particles in various proportions. The study conducted on the first system shows that, in addition to fingering and cavitation which have been observed with Newtonian liquids, cracks can appear at the material-plate interface. Besides, we present a theoretical model to understand the hierarchy between the rupture mechanisms and describe the traction curve. The good fit of the theoretical model with our experimental data validates the importance of cavitation kinetics in the separation process and allows us to explain the appearance of cracks despite the presence of growing cavities. The second system comes from elements used in real, industrial adhesives. We have first analysed the influence of the particle volume fraction on rheology. We have observed an evolution of rheological parameters and compared it with that of the adhesion properties. We have then correlated the presence of a second force plateau, routinely observed on real adhesives, with the particle content of the material. Finally, our study leads us to propose an optimal way of rupture for adhesive materials

Wetting against the nap -- how asperity inclination determines unidirectional spreading

International audienceWe have carried out wetting experiments on textured surfaces with high aspect ratio asperities in the Wenzel state. When inclination is imparted to the asperities, we observe a strictly unidi-rectional spreading opposite to the direction in which the asperities point. The advancing contact angle decreases markedly as inclination increases. A crude numerical analysis successfully accounts for this behaviour, highlighting the interplay between Gibbs pinning at the top of the structures and imbibition along the valleys between them. In Gibbs pinning non-linearities play a major role and we find that simple line averaging-i.e. a rule of mixture-cannot account for this evolution except for weak surface perturbations, i.e. large inclinations

Relaxation visqueuse en géométrie confinée de nanostructures embossées dans du PMMA.

La structuration de couches de polymère par nano-impression à chaud est une technique qui présente aujourd’hui de nombreux avantages. Les conditions d’embossage et la relaxation des structures restent encore des sujets de recherche importants. Nous nous sommes intéressés à la relaxation d’une couche de PMMA chauffée au-dessus de la Tg. La réalisation d’expériences et l’élaboration d’un modèle nous ont permis de mettre en évidence l’effet du confinement sur l’écoulement

Renforcement du verre par revêtement polymérique

La tenue mécanique du verre étant conditionnée en partie par la présence de défauts surfaciques, plusieurs études montrent le rôle renforçant d’un revêtement. Nous nous sommes intéressés au cours de notre étude à l’impact du comportement mécanique d’un revêtement polymérique confiné sur le renforcement du verre et à la propagation d’une fracture renforcée. Nous cherchons ainsi à comprendre les mécanismes initiaux de la propagation d’une fracture renforcée et l’origine du renforcement