Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

The growing need for lightweight and high-performance structures has fueled extensive research into refining the assembling of materials to bonding using structural adhesives. Unlike conventional methods (e.g., welding, riveting, and bolting), structural adhesive bonding excels by integrating advanced surface treatment techniques. These techniques play a crucial role in determining the stability and performance of the bonded joints. Traditional electrochemical surface treatments (e.g., acid anodization) involves use of acids and raise serious environmental and safety concerns. Hence, the present work aims to utilize eco-friendly, cost-effective, and less complex surface treatment techniques for preparing metal and polymer surfaces, facilitating similar and dissimilar adhesive bonding applications. This thesis work has been developed into two sections. The first section addresses surface preparation and adhesive bonding of metal/metal substrates, and the second section deals with the same on metal/polymer substrates. Aluminum (Al) was selected for the metal/metal system, while Al and polyvinyl chloride (PVC) were chosen as substrates for the metal/polymer system. A mechanical abrasion process using silicon carbide (SiC) and an electrochemical anodization technique were used to surface treat Al to tune it’s wetting properties. The erection of micro-rough structures on Al due to mechanical abrasion enhanced the hydrophilic nature providing a water contact angle of ~53°. The treated surfaces, were bonded using Adhesive #1 and Adhesive #2. This resulted in a relative gain of 46% in their single lap shear (SLS) strength compared to those bonded without any surface treatment using Adhesive #2. Furthermore, the effect of various environments (DI water, 3.5 and 7 wt.% aqueous NaCl solutions) on aging was explored, and a suitable model was proposed to explain the residual SLS strength in these samples. On the other hand, the growth of a porous oxide layer was observed on the Al substrate when it was electrochemically anodized into an aqueous salt solution of disodium hydrogen phosphate (Na2HPO4). The average roughness of these surfaces was found to be ~ 1.4 μm providing a water contact angle of ~42°. These surfaces were bonded using an Adhesive #3, and the relative gain in the obtained SLS strength was 133% compared to as-received Al/Al joints. These results indicated that the anodization technique resulted in a superior performance as compared to the mechanical abrasion when bonded adhesively. Furthermore, the influence of an organosilane, namely [3-glycidoxypropyl] trimethoxysilane (GPS), on the roughness and morphological properties of anodized Al was performed to investigate their influence on the SLS strengths when bonded with Adhesive #4. In this study, the anodization was conducted in aqueous electrolytes of the organic GPS and an inorganic salt of zinc nitrate (Zn(NO3)2. The insertion of GPS molecules during anodization has provided a two-tire roughness effect with microroughness of ~ 8 μm on the anodized Al. These surfaces were bonded using a bio-based organic adhesive, and the measured SLS strength was enhanced by 160% compared to as-received Al/Al joints. As compared to the abrasion and anodization, this technique provides a higher relative gain in the SLS strengths when bonded adhesively. The second part of this work involves bonding PVC with Al, where PVC, by nature, is a hydrophobic material and presents very low surface reactivity and low affinity towards adhesives. Therefore, in order to treat the less reactive PVC, a corona discharge surface treatment method was used to activate their surfaces to favor adhesive bonding. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analyses presented evidence of incorporation of –OH polar functional groups at 3390 cm−1 leading to a lowering of water contact angle to ~36° from ~98o on untreated PVC surface, which is favorable to improving the bond strength between PVC and the adhesive. As a result, the SLS strength of adhesively bonded Al/PVC joints demonstrated a relative gain of 300% compared to its as-received counterparts. Apart from modifying the PVC substrates to improve the SLS strength, an additional attempt was made to mix two chemically dissimilar adhesives (epoxy and silicone) to bond two chemically dissimilar substrates (Al and PVC). FTIR spectra of the mixed adhesive revealed the presence of overlapping peaks with PVC, namely –CH2, –CH3 around 2800–3000 cm−1 and Si–CH3 at 1260 cm−1 confirming the signature of both adhesive chemistries. The SLS strength of Al/PVC joints bonded using mixed adhesive showed that the relative gain was 447% higher than that of Al/PVC joints made with only silicone adhesive. In both cases studied, namely, adhesively bonded Al/Al joints and Al/PVC joints, a surface treatment was required to improve the relative gain in the joint strengths. In the case of Al/Al adhesive joints, anodization techniques provided higher relative gain in the joint strengths than the mechanical abrasion treatment. In the case of Al/PVC, corona discharge treatment was required to increase the PVC surface affinity towards adhesive resulting in improved bond strengths. When Al/PVC adhesive joints were made using a mixed epoxy/silicone adhesive, the relative gain in adhesive strengths further increased to higher values. The results indicate the feasibility of tuning the surface characteristics of metals such as aluminum and even the most difficult-to-bond light weight material such as PVC in enhancing the adhesive bond strengths, hence demonstrating potentials to be used in structures where light-weight is increasingly sought.

Le besoin croissant de structures légères et performantes a stimulé des recherches approfondies visant à améliorer l'assemblage des matériaux par le biais de liaisons à l'aide d'adhésifs structuraux. Contrairement aux méthodes conventionnelles (par exemple, soudage, rivetage et boulonnage), le collage adhésif structural excelle en intégrant des techniques avancées de traitement de surface. Ces techniques jouent un rôle crucial dans la détermination de la stabilité et des performances des joints collés. Les traitements de surface électrochimiques traditionnels (par exemple, l'anodisation acide) impliquent l'utilisation d'acides et soulèvent d'importantes préoccupations environnementales et de sécurité. Ainsi, le présent travail vise à utiliser des techniques de traitement de surface respectueuses de l'environnement, rentables et moins complexes pour préparer les surfaces métalliques et polymères, facilitant ainsi des applications de collage adhésif similaires et dissemblables. Ce travail de thèse a été développé en deux sections. La première section aborde la préparation de surface et le collage adhésif des substrats métal/métal, tandis que la deuxième section traite de la même chose sur des substrats métal/polymère. L'aluminium (Al) a été sélectionné pour le système métal/métal, tandis que l'Al et le chlorure de polyvinyle (PVC) ont été choisis comme substrats pour le système métal/polymère. Un processus d'abrasion mécanique utilisant du carbure de silicium (SiC) et une technique d'anodisation électrochimique ont été utilisés pour traiter la surface de l'Al afin d'ajuster ses propriétés de mouillage. L'érection de microstructures rugueuses sur l'Al en raison de l'abrasion mécanique a amélioré sa nature hydrophile en fournissant un angle de contact avec l'eau d'environ ~53°. Les surfaces traitées, lorsqu'elles étaient collées avec l'adhésif n #1 et l'adhésif n #2. Cela a entraîné un gain relatif de 46 % dans leur résistance au cisaillement simple (SLS) par rapport à celles collées sans aucun traitement de surface à l'aide de l'adhésif n #2. De plus, l'effet de divers environnements (eau déionisée, solutions aqueuses de NaCl à 3,5 et 7% en poids) sur le vieillissement a été exploré, et un modèle approprié a été proposé pour expliquer la résistance SLS résiduelle dans ces échantillons. D'autre part, la croissance d'une couche d'oxyde poreuse a été observée sur le substrat en Al lorsqu'il était électro chimiquement anodisé dans une solution aqueuse de phosphate de sodium dihydrogène (Na2HPO4). La rugosité moyenne de ces surfaces était d'environ ~1,4 μm, fournissant un angle de contact avec l'eau d'environ ~42°. Ces surfaces ont été collées à l'aide d'un adhésif n #3, et le gain relatif de la résistance SLS obtenue était de 133% par rapport aux joints Al/Al d'origine. Ces résultats indiquent que la technique d'anodisation a conduit à une performance supérieure par rapport à l'abrasion mécanique lorsqu'elle est collée adhésivement. De plus, l'influence d'un organosilane, à savoir le [3-glycidoxypropyl] triméthoxysilane (GPS), sur la rugosité et les propriétés morphologiques de l'aluminium anodisé a été étudiée pour investiguer leur influence sur les résistances au cisaillement simple (SLS) lorsqu'elles sont collées avec l'adhésif n #4. Dans cette étude, l'anodisation a été réalisée dans des électrolytes aqueux du GPS organique et d'un sel inorganique de nitrate de zinc (Zn(NO3)2). L'insertion de molécules de GPS pendant l'anodisation a produit un effet de rugosité à deux niveaux avec une microrugosité d'environ ~8 μm sur l'aluminium anodisé. Ces surfaces ont été collées à l'aide d'un adhésif organique à base biologique, et la résistance mesurée au cisaillement simple (SLS) a été améliorée de 160% par rapport aux joints d'aluminium d'origine. En comparaison avec l'abrasion et l'anodisation, cette technique offre un gain relatif plus élevé dans les résistances SLS lorsqu'elle est utilisée pour le collage adhésif. La deuxième partie de ce travail implique le collage du PVC avec de l'aluminium, le PVC étant, par nature, un matériau hydrophobe présentant une réactivité de surface très faible et une faible affinité envers les adhésifs. Par conséquent, afin de traiter le PVC moins réactif, une méthode de traitement de surface par décharge corona a été utilisée pour activer leurs surfaces en faveur du collage adhésif. Les analyses de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont présenté des preuves de l'incorporation de groupes fonctionnels polaires –OH à 3390 cm−1, entraînant une réduction de l'angle de contact avec l'eau à environ ~36° par rapport aux ~98° de la surface de PVC non traitée, ce qui est favorable à l'amélioration de la résistance de liaison entre le PVC et l'adhésif. En conséquence, la résistance au cisaillement simple (SLS) des joints Al/PVC collés adhésivement a montré un gain relatif de 300% par rapport à leurs homologues d'origine. En plus de modifier les substrats en PVC pour améliorer la résistance SLS, une tentative supplémentaire a été faite pour mélanger deux adhésifs chimiquement différents (époxy et silicone) pour coller deux substrats chimiquement différents (Al et PVC). Les spectres FTIR de l'adhésif mélangé ont révélé la présence de pics superposés avec le PVC, notamment –CH2, –CH3 autour de 2800–3000 cm−1 et Si–CH3 à 1260 cm−1, confirmant la signature des deux chimies adhésives. La résistance SLS des joints Al/PVC collés avec l'adhésif mixte a montré que le gain relatif était 447% plus élevé que celui des joints Al/PVC fabriqués uniquement avec de l'adhésif silicone. Dans les deux cas étudiés, à savoir les joints collés adhésivement Al/Al et Al/PVC, un traitement de surface était nécessaire pour améliorer le gain relatif des résistances des joints. Dans le cas des joints adhésifs Al/Al, les techniques d'anodisation ont fourni un gain relatif plus élevé dans les résistances des joints que le traitement par abrasion mécanique. Dans le cas du Al/PVC, un traitement par décharge corona était nécessaire pour augmenter l'affinité de la surface du PVC envers l'adhésif, ce qui a conduit à des résistances de liaison améliorées. Lorsque des joints adhésifs Al/PVC ont été réalisés à l'aide d'un adhésif mixte époxy/silicone, le gain relatif des résistances adhésives a encore augmenté à des valeurs plus élevées. Les résultats indiquent la faisabilité d'ajuster les caractéristiques de surface de métaux tels que l'aluminium et même de matériaux légers difficiles à coller comme le PVC, ce qui améliore les résistances des liaisons adhésives, démontrant ainsi un potentiel d'utilisation dans des structures où la légèreté est de plus en plus recherchée.