traitement de surface des élastomères

Veille
mutualisée
LRCCP
Note de veille
Matériaux élastomères
TRAITEMENTS DE SURFACE DES
ÉLASTOMÈRES ET OPTIMISATION DES
FROTTEMENTS
Septembre 2011
Le développement des nanotechnologies et la recherche active dans le
domaine des revêtements et des dépôts de couches minces viennent
favoriser le secteur du traitement de surface des caoutchoucs et autres
élastomères thermoplastiques. Objectifs : influer sur les caractéristiques
de frottement.
Nota : un lexique des termes techniques figure
en fin de note.
REVÊTEMENTS DE SURFACE
TRAITEMENT PAR DÉPÔT SOUS VIDE
La société Specialty Coating Systems
(http://www.scscoatings.com/) est le leader
mondial du dépôt sous vide de Parylènes. Ce
procédé industriel permet de déposer des
couches ultra-minces comprises entre 500 Å
et 75 µm.
Dépôts comparés revêtement liquide &
Parylène
Il existe 4 parylènes de structures chimiques
différentes, dont le nouveau Parylène HT.
Celui-ci
apporte
des
performances
supplémentaires en tenue thermique (350°C
en continu, 450°C en pointe) et en stabilité UV
à long terme. Son coefficient de frottement
(COF) est le plus faible (0,15 en statique et
0,13 en dynamique). Le COF diminue avec
l'épaisseur de Parylène déposée. [SCS]
Procédé de dépôt sous vide du Parylène
On peut comparer l'action de ce dépôt à celle
d'un film PTFE, en lubrification à sec.
En l'absence de phase liquide, le film déposé
permet une encapsulation très précise, sans
ménisque par exemple. Le Parylène sous
forme gazeuse s'insinue dans toutes les
fissures en adoptant ainsi parfaitement la
conformation du support.
Influence du Parylène C sur le COF de
caoutchouc silicone
Centre technique des industries mécaniques
www.cetim.fr
REVÊTEMENT DLC DE CAOUTCHOUCS
L'université néerlandaise de Groningen a
étudié le comportement tribologique de
caoutchouc ACM revêtu de film DLC, déposé
par dépôt chimique, en CVD assisté plasma.
La variation du COF d'un ACM, à l'origine
d'une valeur de 1,3 - 1,4 à l'état non revêtu, a
été étudiée en fonction de la force appliquée,
de la taille des points d'adhérence du film
DLC sur le substrat caoutchouc et de la
vitesse de glissement. Les valeurs de COF
peuvent diminuer jusqu'à atteindre 0,16.
L'une des divisions du groupe Bodycote
(http://www.bodycote.com/) est spécialisée en
ingénierie de surface. Les résultats du
traitement de surface après implantation
ionique de certaines familles d'élastomères
sont très intéressants, surtout vis-à-vis de
l'amélioration du coefficient de frottement.
[BOD]
Le comportement tribologique de l'ACM
revêtu de film DLC dépend également
beaucoup des propriétés viscoélastiques de
l'élastomère.
Comportement d'élastomères fluorés, NBR et
silicone après implantation ionique : évolution
du COF & des propriétés à la rupture
(R/R en MPa, A/R en %)
PERFORMANCES TRIBOLOGIQUES D'UN
FILM DLC SELON LA TECHNIQUE DE
DÉPÔT UTILISÉE
Diminution du COF obtenue pour l'ACM
revêtu d'un film DLC
Les meilleurs COF obtenus sont aussi
indiqués pour d'autres élastomères revêtus de
film DLC :
IIR : 0,1 - 0,2 (10 cm/s, 1 - 2 N)
NBR et HNBR : 0,49 (10 cm/s, 40 N)
Pour une application médicale, une institution
espagnole CSIC (http://www.csic.es/) a examiné
comparativement le comportement tribologique
d'un revêtement DLC, en pratiquant le dépôt sur
un PE de ultra haute masse moléculaire par
différentes méthodes : faisceau d'ions,
pulvérisation cathodique, arc cathodique filtré,
dépôt chimique en phase vapeur assisté par
plasma.
Ces dépôts, dont les épaisseurs sont comprises
entre 0,1 et 0,7 µm, ont été caractérisés en
spectroscopie
Raman,
dureté
par
nanoindentation, frottement et usure.
Le revêtement par arc cathodique filtré aboutit
au COF le plus bas (0,1) tandis que la
pulvérisation cathodique induit, outre la dureté
initiale la plus élevée, un coefficient de
frottement également plus important (0,25).
NBR et HNBR : 0,23 (1 cm/s, 40 N)
L'adhésion interfaciale au substrat est
remarquable, la force mesurée étant
supérieure à 40 MPa.
Le degré d'usure est négligeable, et le
vieillissement (graisse, huile) n'impacte pas la
performance du film DLC.
De plus, sur un plan pratique, ces films DLC
peuvent être appliqués à des substrats
endommagés. [GRO]
IMPLANTATION IONIQUE
Le procédé d'implantation ionique transforme
la surface des matériaux, sans élévation de
température, par bombardement d'ions de
très haute énergie.
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Évolution des COF moyens du revêtement
DLC selon la technique de dépôt
(tribomètre bille/disque)
Dans ce cas, la tenue à l'abrasion, avec une
épaisseur de 0,5 µm, est la meilleure sans signe
de décollement, à l'inverse des dépôts par
faisceau d'ions et par phase vapeur plasma.
[CSI]
FLUOROÉLASTOMÈRE : DÉPÔT DLC À
BASSE TEMPERATURE
Afin de diversifier l'utilisation des revêtements
DLC, il est nécessaire de diminuer la
température du process. L'institut japonais des
sciences et techniques avancées AIST a
développé un nouvel équipement en ce sens,
utilisant un système de type implantation ionique
base plasma, à impulsion bipolaire.
La dureté Meyer du FKM revêtu est de 1,4 fois
celle du FKM témoin, tandis que le coefficient de
frottement diminue jusqu'à 0,2-0,25 par rapport à
un intervalle de 1,3-1,9 pour le FKM non revêtu.
De même l'usure constatée sur le témoin
n'apparaît pas sur l'échantillon traité, excepté
l'effet de fluage du substrat FKM. [AIS]
COF d'un HNBR stabilisé
par dépôt DLC de HEF
Un bon comportement au frottement est aussi
annoncé pour le NBR, et à un moindre degré
pour le PUR. [HEF]
PRÉPARATIONS DE SURFACE
GROUPE HEF : DÉPÔT DLC À BASSE
TEMPÉRATURE
SICT BLASTING : DÉCAPAGE SÉLECTIF
Le groupe HEF, spécialiste reconnu du
traitement de surface, a étendu ses
compétences en fonctionnalisation des surfaces
plastiques à l'étude des élastomères.
Cette société suisse de consulting industriel
utilise
une
(http://www.sict-blasting.com/)
technologie de projection brevetée Exastrip®
permettant le décapage de contaminant couche
par couche.
Développant spécifiquement les techniques de
revêtements DLC (procédé PECVD), les
résultats obtenus montrent une réduction d'un
facteur 7 du COF sur un caoutchouc de nature
non précisée.
Le procédé fait intervenir la projection d'un
agrégat sphérique HDO® à base de carbonate
de calcium.
Trois types d'agrégats plus ou moins fins sont
disponibles, projetables sous forme d'hydro- ou
d'aérogommage.
APPLICATIONS
REVÊTEMENT DE SURFACE À EFFET
NANO POUR JOINTS
Réduction du COF d'un caoutchouc revêtu ou
non selon la technique de dépôt DLC de HEF
Il est également possible de stabiliser à 0,2 le
COF d'un HNBR, qui va sinon nettement
augmenter s'il n'est pas traité. Ce niveau de
COF a été maintenu en essais de longue durée
(70.000 cycles).
Afin d'améliorer la fonctionnalité et la durée de
service
des
joints,
la
société
Simrit
(http://www.simrit.fr) du groupe Freudenberg, a
développé un traitement de surface avancé.
Cette méthode brevetée appelée RFN (ou
"Reduced Friction by Nanotechnology") induit
une modification permanente de la topologie des
surfaces (rugosité augmentée) et la formation
d'une couche mince superficielle fortement
réticulée. Les joints caoutchouc sont placés
dans l'équipement et sous l'environnement RFN
appropriés. Des essais comparatifs sur des
échantillons traités RFN ou non montrent une
baisse de 70 % du coefficient de frottement
statique. Ces niveaux de COF réduits sont
pratiquement les mêmes pour tous les
matériaux.
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®
TECHNOLOGIE SURFAPLUS NANO-F
Le
fournisseur
de
joints
Eriks
(http://www.eriks.fr/) a fait évoluer sa technologie
®
de traitement de surface SurfaPlus . Ce
traitement agit sans matériau d'apport par
transformation structurale, n'influençant ni les
tolérances dimensionnelles ni les propriétés
physiques de la pièce.
Cette technologie Nano-F, applicable à des
pièces complexes, diminue le coefficient de
frottement. En activant la surface à la pièce
traitée, elle favorise ainsi l'aptitude au collage,
flocage ou peinture. [ERI]
COF comparés selon le traitement de surface
en fonction de la distance de glissement
(v = 150 mm/s, FN = 10 N, T ambiante)
PU POUR APPLICATIONS MÉDICALES
Après traitement RFN, la résistance à l'abrasion
est élevée, ainsi que la tenue aux fluides
agressifs, dont les agents de nettoyage de type
CIP courants.
Un film de PU pour applications médicales est
préalablement activé par ozonisation, puis greffé
par immersion dans une solution d'acide
acrylique, qui polymérise en surface par
catalyse. Le coefficient de frottement passe de
0,6 à 0,12 et est stabilisé à ce niveau. Cette
réduction est attribuée à une plus forte rugosité
de surface.
COF d'un matériau pour joint de clapet
comparés à des échantillons modifiés RFN
après 0/168/300 h d'un fluide CIP à 80°C
Le traitement RFN est inerte, inodore et
transparent. Un FKM traité RFN exposé à
l'ozone ou testé en tenue à l'usure à 900
cycles montre une baisse du COF statique, de
0,30 à 0,19 dans le premeir cas et de 0,23
pour l’usure, tandis que le COF du FKM non
traité augmente pratiquement de 50 et 100 %.
[SIM]
TRAITEMENT DE SURFACE POUR JOINTS
Le
fabricant
anglais
Blue
Diamond
(http://www.blue-diamond.co.uk/),
spécialiste
des joints, annonce un traitement de surface
innovant, dédié aux polymères.
Ce traitement, appelé SBBT, consiste à déposer
un revêtement PTFE contenant un liant de type
résine phénolique sur le joint. Son épaisseur est
comprise entre 5 et 25 µm. Ce revêtement peut
être diversement coloré et reste stable au
stockage. Il permettrait de diminuer le COF
autour de 0,05 à 0,07.
Comparé à une laque PTFE seule, la couche
SBBT améliore la tenue à l'usure, élargit la
résistance chimique et retarde le vieillissement
du caoutchouc constitutif. [SBB]
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Réduction du COF d'un PU par greffage et
polymérisation d'acide acrylique
Lexique :
ACM : Caoutchouc acrylique
A/R : Caractéristique d'allongement à la rupture du matériau
CIP : nettoyage en place
COF : coefficient de frottement
DLC : Revêtement de surface (couches de carbone/Diamond Like Carbon) réalisé par dépôt en phase
vapeur
Dureté Meyer : variante de la dureté Brinell (même principe et duromètre similaire)
HNBR : Caoutchouc nitrile hydrogéné
IIR : Caoutchouc butyl
FPM ou FKM : Fluoroélastomère
NBR : Caoutchouc nitrile
PE : Polyéthylène
PECVD : système de dépôt en phase vapeur activé par plasma
PTFE : Polytétrafluoroethylène
PU(R) : Polyuréthane
R/R : Caractéristique de résistance à la rupture du matériau
Références
[AIS] Low temperature Si-DLC coatings on fluoro rubber by a bipolar pulse type PBII system,
Surface & Coatings Tech., 2011, sous presse
[BOD] Ingénierie des surfaces, Documentation technique Bodycote, 2011
[CSI] Tribological performance of DLC coatings on UHMWPE, Jal of Physics, Conf Series, 2010-12
[ERI] Sealing elements, Technical handbook O-rings, Eriks, dernière version
[GRO] Tribological performance of DLC films deposited on ACM rubber by PACVD, Surface &
Coatings Tech., 4838, 2011-06
[HEF] Procédé DLC sur élastomères, Présentation Faverjon F., HEF, 2010
[MED] The surface modification of medical polyurethane to improve the hydrophilicity and lubricity, Jal of
App. Pol. Sc., 116, 2010
[SBB] SBBT surface treatment, Burnage S., 2011-03
[SCS] Parylene coatings offer reliable protection, Rubber World, 17, 2011-05
[SIM] Seal surface treatment, Rubber World, 42, 2011-06
Note réalisée par Catherine Rigaud, LRCCP (Laboratoire de Recherches et de Contrôle du Caoutchouc
et des Plastiques), 60 rue Auber, 94408 Vitry-sur-Seine Cedex, [email protected], http://www.lrccp.com
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Cetim - B.P. 80067
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Retrouvez nos notes de veille dans la Mécathèque du site Cetim :
http://www.cetim.fr/cetim/fr/Mecatheque
Consultez le guide des Technologies prioritaires 2015 sur le site Cetim
http://www.cetim.fr/cetim/fr/Mon-espace - Cliquez sur : Ì technos 2015
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