Organisation moléculaire interfaciale et conséquenses sur la friction et l’adhésion

Nous présenterons plusieurs séries d’expériences conduites sur des systèmes modèles et visant à caractériser les mécanismes moléculaires de l’adhésion et de la friction aux interfaces polymères souples–solides. Ces expériences utilisent des surfaces solides revêtues de macromolécules ancrées par greffage chimique (par une extrémité des chaînes) ou par simple adsorption, dont on contrôle la longueur et la densité de surface. Les enchevêtrements entre ces chaînes ancrées et les macromolécules du volume pilotent la friction. Nous discuterons les méthodes de formation de ces couches nanométriques, ainsi que les expériences permettant de comprendre le rôle des paramètres moléculaires sur l’organisation interne des macromolécules ancrées en surface. On montrera en particulier qu’il est possible de contrôler indépendamment la longueur et la densité de surface des chaînes ancrées en jouant sur la masse molaire et sur la concentration en polymère dans le bain d’incubation. Ces couches ont été utilisées comme substrat modèle pour identifier les mécanismes moléculaires de promotion d’adhésion et de friction entre une surface solide lisse et un polymère de volume (liquide fondu ou élastomère réticulé) de même nature chimique que les chaînes ancrées. Nous discuterons successivement comment ces chaînes ancrées en surface agissent comme promoteur d’adhésion entre un solide et une petite lentille d’élastomère réticulé, leur aptitude à piloter la friction à l’interface polymère liquide fondu – solide, puis à l’interface élastomère réticulé – solide. Le test JKR (Johnson, Kendall, Roberts), dans lequel le contact entre une petite lentille élastomère et le substrat est étudié en fonction de la charge appliquée a permis de mettre en évidence que c’est le degré d’interpénétration des chaînes ancrées dans l’élastomère qui pilote l’adhésion et qu’il existe un optimum en densité surfacique de chaînes ancrées vis-à-vis de la promotion d’adhésion. Pour la friction à l’interface polymère fondu/couche ancrée, nous présenterons un ensemble de résultats expérimentaux, basés sur des techniques de mesure directe de la vitesse d’écoulement au voisinage immédiat de la paroi solide (Vélocimétrie Laser en champ Proche), permettant d’identifier trois régimes de friction différents, selon le taux de cisaillement. Pour des élastomères des expériences dans lesquelles on mesure la force de friction entre une petite lentille élastomère et des surfaces portant des chaînes greffées de longueur et de densité de surface variables seront présentées. Ces expériences de micro-triboliogie permettent une détermination quantitative de la force de friction par chaîne ancrée en surface. Dans les deux cas, nous montrerons comment la déformation des chaînes de surface sous l’effet des force de friction conduit à une friction non linéaire dont on peut comprendre les caractéristiques à partir de modèles décrivant l’étirement progressif d’une macromolécule sous l’effet des forces de friction.