Understanding mechanisms of surface modification of unvulcanized elastomers after plasma treatment and aftermath on adhesive behaviour
Compréhension des mécanismes de modification de surface d’élastomères non réticulés consécutifs à une exposition plasma et ses conséquences sur le comportement adhésif
Résumé
Plasma treatment has become a powerful candidate to modify surface properties without any change in bulk properties. It combines high chemical reactivity with low operational costs, in environmentally friendly processes. Plasma treatment has been intensively applied for surface modification of vulcanized rubbers. Almost no studies have been dedicated to plasma treatment of unvulcanized rubbers. The role of each additive during plasma exposure is poorly understood. It is also admitted that surface crosslinking occurs easily on rubber surfaces exposed to plasmas. This impacts the adhesive properties of the rubbers because it mimics chain interdiffusion. In this context, determining the key plasma parameters that have a significant effect on the surface properties is a prerequisite for further process control. To limit the complexity of the study, we concentrated our efforts on unvulcanized filler-free styrene butadiene rubber (SBR) and polybutadiene rubber (BR) which has been used for the first time as rubber models. The effect of three main parameters that directly impact the amount of energy and the nature of the excited species in the plasma phase (i.e. the RF source power, the exposure time and the distance between the rubber samples and the plasma) was analyzed. Optical Emission Spectroscopy was used to characterize the plasma phase. Surface modifications were investigated by wettability measurements and X-Ray Photoelectron Spectroscopy. Surface aging was investigated under ambiant and inert atmosphere at different temperatures and finally tack properties were measured and connected to surface properties determined with optical emission spectroscopy.
Les traitements plasma sont devenus des moyens incontournables et puissants pour modifier les propriétés de surface de nombreux matériaux sans intervenir sur les propriétés massiques et ceci en étant respectueux de l’environnement. Si ces traitements ont été appliqués à de nombreuses reprises aux élastomères réticulés pour améliorer leurs propriétés d’adhérence, ils n’ont quasiment jamais été appliqués à des élastomères non réticulés. Les expositions plasma ont été réalisées à basse pression, en décharge radiofréquence dans un environnement d’air. Pour limiter la complexité de l’étude et pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes d’interaction plasma-surface, un SBR et un polybutadiène (BR) non chargés et non réticulés ont été utilisé comme élastomères modèles. Le rôle d’un d’antioxydant (6PPD) classiquement utilisé a également été étudié. L’influence de la configuration du réacteur plasma sur les modifications surface a été suivie par mouillabilité et spectroscopie XPS. La cartographie des espèces plasmagènes a été obtenue par spectroscopie d’émission optique.L’augmentation du caractère hydrophile des surfaces avec l’énergie du plasma jusqu’à un seuil énergétique a pu être mise en évidence. Au-delà les phénomènes d’ablation et de réticulation de surface deviennent prépondérants. Les modifications de surface et leur cinétique de réorganisation de surface des chaînes polymère dépendent essentiellement de la température, l’environnement est un paramètre secondaire. L’influence de ces modifications physico-chimiques de surface induite sur les propriétés de tack est clairement mise en évidence. L’augmentation du caractère hydrophile conduit à une augmentation importante des performances adhésives instantanées (temps courts de contact 100s) au contact du verre. Par contre, la réticulation superficielle consécutive à des expositions plasma trop énergétiques diminue de façon drastique l’autohésion, ie le contact entre deux surfaces élastomères traitées. Le rôle de l’antioxydant sur la recombinaison des radicaux macromoléculaires formés lors du traitement a été montré. Le succès de la mise en œuvre d’un traitement de surface par plasma repose sur le contrôle du seuil énergétique à ne pas dépasser de sorte à minimiser les phénomènes de réticulation superficielle.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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