II] La Chimie de la colle

1) Les mécanismes du collage

V

oici une question à laquelle nous avons tous été confrontés au moins une fois dans notre vie, car notre curiosité naturelle nous invite à nous demander pourquoi la colle possède ce mystérieux pouvoir d’assemblage. Nous allons essayer de résoudre ce mystère en abordant l’aspect chimique de la question de manière aussi claire et précise que possible.

Tout d’abord, la colle se caractérise par sa capacité à faire adhérer deux matériaux ensemble, il s’agit donc d’un moyen d’assemblage qui possède des avantages indéniables par rapport aux autres (poids, facilité d’utilisation, répartition de la tension).
«Coller» deux matériaux consiste à les assembler avec de la colle, colle qui doit répondre à la norme DIN 16 920 qui définit la colle comme un "matériau non métallique capable d'unir ensemble des substances au moyen d'une adhésion de surface et d'une force intérieure".

Boite à outils La colle : outil indispensable du bricoleur

Voici pour la définition de la colle, le pouvoir collant de la colle repose sur un grand principe: l’intéraction entre les molécules des matériaux que l’on veux assembler et plus précisément les liaisons entre ces molécules. Le collage consiste donc à créer des liaisons entre celles-ci qui malgré leur proximité apparente à l’œil nu reste éloignées à l’échelle moléculaire. Ces liaisons vont être créées par la colle. L’assemblage des deux matériaux repose sur plusieurs étapes.

Premièrement, le mouillage, c’est à dire l’étalage de la colle sur la surface à laquelle on veut adhérer. Il est en effet capital que la colle soit bien étalée sur la surface que l’on souhaite coller car du mouillage dépend la suite du collage. En effet, lors de l’application de la colle, celle-ci cherche à rentrer par capillarité à l’intérieur de manière à augmenter la surface de contact entre les deux matériaux. Si le mouillage n’est pas bon, des bulles d’air se retrouvent emprisonnées derrière la colle ce qui fragilisera les liaisons après le séchage car celles-ci risquent de séparer la colle des matériaux que l’on veut assembler. L’efficacité finale du collage dépendra donc de l’étalage du fluide.

Ensuite, il y a l’étape de l’assemblage, étape tout aussi importante que la précédente car il s’agit du moment où les liaisons moléculaires vont se mettre en place. En effet la colle va servir d’intermédiaire aux deux matériaux de deux manières différentes.

Elle peut établir des liaisons ioniques entre les atomes. En effet ceux-ci possèdent des électrons disposés en couches autour du noyau, or ces éléments aiment que leur dernière couche possède 8 électrons. Ainsi se forme, des ions positifs et négatifs dans la colle et les matériaux, qui vont créer une liaison ionique rigide. Cette liaison peut d’ailleurs se renforcer, en effet, selon un processus chimique très complexe, pour avoir le bon nombre d’électrons sur leur dernière couche les atomes vont partager des électrons, formant ainsi une liaison covalente extrêmement solide entre la colle et les matériaux et donc ceux-ci seront très bien collés.

Cependant il existe un autre système de collage moléculaire, surement plus utilisé de nos jours, il s’agit des polymères. Les polymères sont de très grandes molécules qui sont contenus dans la colle, lorsque celle-ci s’étale par capillarité à l’intérieur d’un matériau les polymères s’ancrent dans celui-ci. Ils font de même dans le deuxième matériau et ils forment ainsi une liaison physique et bien réelle entre les deux matériaux.

Pour terminer sur l’assemblage, rappelons que l'on doit veiller à ce que la colle s’étale bien sur la deuxième surface pour un bon mouillage.

Enfin, l’étape finale de tout bon collage: le séchage. Etape primordiale car sous forme de liquide, la colle n'adhère pas car elle peut être séparée du matériau à coller. Cependant une fois qu’elle a durci et est devenue solide les liaisons qu’elle a formées sont scellées et sont bien plus difficiles à briser. Très souvent,le temps de séchage correspond au temps d’évaporation du solvant qui compose la colle et qui doit disparaitre afin que celle-ci durcisse.

Schéma du séchage Le séchage

Voilà pour l'explication des mécanismes du collage. Mais pourquoi faut-il différents types de colles si elles reposent sur le même principe ? Réponse juste en dessous !
Schéma récapitulatif Les étapes du collage

Après avoir vu la façon dont la colle parvient à assembler deux matériaux, intéressons nous désormais à une particularité de la colle : il existe une très grande variété de colles différentes. Mais pourquoi autant de types de colles ? Un seul ne pourrait il pas suffire ?

2) Pourquoi existe-t-il tant de différents types de Colles

L’existence d’autant de colles différentes peut laisser perplexe quant à leur intérêt. Cependant l’existence de tant de types de colles répond à une variable d’un collage à l’autre : les matériaux à assembler. En effet, on ne colle pas un métal avec un stick de colle d'écolier.
Voilà pourquoi différents types de colles existent mais pourquoi une colle est-elle spécifique à un matériau ?

Comme nous l’avons expliqué précédemment les colles à polymères sont de loin les plus utilisées pour le collage de nos jours (sûrement parce qu’elles sont plus faciles à créer que des colles reposant sur les interactions moléculaires).

D’autre part, la formation des chaînes de polymères peut se faire de deux manières différentes. Soit par prise physique, c'est-à-dire que le polymère est déjà présent dans la colle et va se lier avec ceux présents dans le matériau. Soit par prise chimique : le collage nécessite une réaction chimique pour être efficace. Mais des sous-types à l’intérieur même de ces deux grands types. Nous allons faire une liste des grands types de colles.

Les colles à prise physiques sont utilisées pour coller des matériaux comme le papier, le bois, le tissu, le carton, le plastique ou le cuir qui se retrouveraient fragilisés par une réaction chimique car ces colles sont utilisées pour des petites surfaces. En voici les principales :
Les colles à solvants ou colles à dispersions quand l’eau est le solvant. Ce sont des colles très utilisées. Le collage n’est efficace que lorsque le solvant a séché. Les colles dîtes thermofusibles ou hotmelts à base de thermoplastique. Celui-ci est chauffé, fondu et appliqué chaud. Lorsque le plastique a refroidi, l’assemblage a durci et est réussi.

Les colles réactives sont plus utilisées dans l’industrie, car globalement plus puissantes, reposent sur deux grand types de réactions chimiques : la réticulation qui transforme un polymère linéaire en polymère tridimensionnel et la polymérisation : les molécules s’assemblent en formant des polymères. Elles permettent de coller les métaux et les plastiques.

Les polyuréthanes sont des colles qui contiennent des prépolymères se réticulent sous l’effet de l’humidité. Ils sont utilisés pour coller les matériaux polaires. Les epoxys qui se basent sur la polymérisation, attaquent chimiquement la surface du matériau à coller et créent des liaisons. Elles sont principalement utilisées pour le collage des métaux. Les cyanoacrylates, utilisés pour l’assemblage de métaux et d’un grands nombre de matériaux, disposent d’un temps de réticulation rapide (quelques secondes à quelques heures) et permettent d’exercer une pression de 20 à 25 Mpa, d’où leur puissance. On voit donc que chaque type de colles répond à des conditions particulières ainsi qu’à un type de matériaux d’où la multitude des types de colles qu’ils existent. Mais pourquoi la Super Glue colle presque tout ? La Super Glue colle presque tout car il s’agit d’un cyanoacrylate (ce qui explique l’efficacité du collage) qui crée des polymères avec les molécules d’eau qui sont présentes dans presque tous les matériaux. La Super Glue apparait donc comme la solution miracle pour tout coller avec un seul produit.

Cependant d'autres problèmes entrent en jeu : le facteur environnemental, le coût de production et le danger quant à son utilisation.

3) L'effet nocif sur l'environnement de certains produits contenus dans la colle

Malgré l’efficacité des colles chimiques créées par l’homme celles-ci posent un problème majeur : celui de leur toxicité. En effet, les colles d’origine industrielles peuvent avoir des effets néfastes sur l’environnement ainsi que sur la santé des hommes.

Cette toxicité des colles est connue et les produits responsables de celle-ci ont été identifiés. En effet, l’emballage de ces produits porte des pictogrammes réglementaires et dans le cas de leur utilisation à l’échelle industrielle ces produits sont accompagnés d’une fiche de données de sécurité décrivant les précautions à prendre et les effets possibles sur l’Homme. Certaines colles sont d’ailleurs classées CMR « Cancérigène, Mutagène, toxique pour la Reproduction ».

Différents pictogrammes

Cependant, ces produits chimiques sont si nombreux qu’il nous est impossible de tous les citer et de décrire leurs effets. Nous nous intéresserons donc dans cette partie à certains produits dangereux connus et couramment utilisés.

On peut classer les produits toxiques en deux catégories :
Les produits dont les composants principaux à l’origine de la propriété adhésive sont dangereux. Les produits qui contiennent des additifs dangereux (solvants ou autres composants).

Dans un premier temps, intéressons nous aux produits dangereux pour l’environnement utilisés pour leurs propriétés adhésives dans les colles et plus particulièrement aux acrylates. Les acrylates sont utilisés dans les colles acrylates (colles industrielles de type époxy), les colles cyanoacrylates ( de type Super Glue) et les colles à base solvantée. Il existe un nombre important d’acrylates différents et tous ne sont pas toxiques. Cependant certains comme l’acrylate d’éthyle sont très dangereux pour l’homme et pour les animaux. De nombreuses études ont, en effet, montré que celui-ci pouvait causer de graves irritations occulaires et pulmonaires, ainsi que des convulsions nerveuses en cas d’exposition importante au produit. Les cyanoacrylates peuvent être tout aussi nocifs notamment le cyano-2 acrylate d’éthyle qui peut causer des lésions occulaires ou des irritations des voies respiratoires. Ces colles assez couramment utilisées peuvent donc s’avérer être dangereuses. Au Québec des cas d’asthme professionnel dus à une exposition importante à ces produits ont d’ailleurs été reconnus.

Par ailleurs, d’autres produits utilisés dans les colles comme solvants ou additifs peuvent également être tout aussi dangereux.

En effet, les colles à solvants, qui sont les plus couramment utilisées de par leur facilité d’emploi, peuvent s’avérer très toxiques car les solvants qui les composent sont parfois très nocifs comme par exemple les solvants organiques. En effet, ceux-ci sont connus, pour leur toxicité mais aussi par le fait qu’ils peuvent constituer une drogue, de par leur effet narcotique, les vertiges et les troubles nerveux qu’ils peuvent causer.

La colle : une drogue

L’un de ces solvants organiques, le trichloréthylène, est extrêmement dangereux mais reste utilisé en faible quantité. Il cause de graves irritations occulaires ainsi qu’au niveau de la peau. Il peut aussi être source de troubles nerveux et il est considéré comme cancérigène et il peut être cause d’infertilité chez l’homme (dénaturation des spermatozoïdes).

D’autres produits moins dangereux mais tout de même nocifs restent utilisés couramment dans la fabrication de colles comme le cyclohexane qui est un produit très nocif pour le milieu aquatique et peut s’avérer être irritant.

Ce danger pour milieu aquatique est commun à de nombreux adhésifs du fait de la toxicité de nombreux produits et de la facilité de dissolution des colles dans l’eau. L’impact sur un environnement non aquatique n’est pas facile à mesurer, les colles ne se répandent pas dans la terre de par leur viscosité et leur propriétés collantes. Cependant les expériences en laboratoires permettent de mesurer les effets de ces produits sur les mammifères.