Molecular mechanisms of friction at soft polymer interfaces
Mécanismes moléculaires de la friction aux interfaces polymères souples.
Résumé
Different experiments show a correlation between interaction heterogeneities (roughness or chemical inhomogeneities) and friction properties of surfaces but the exact role of these interactions is still not clearly established. In this thesis, we try to identify molecular mechanism of friction at soft polymer interfaces. In this context, we have performed two complementary studies. The first one concerns the movement of a triple line solid-liquid-gas which moves on a solid substrate and more particularly the link between trapping and entrapping of the triple line and contact angle hysteresis. This method allows measurement of dynamic contact angles with a very good precision (0,1 ), and is particularly sensitive to mechanisms which tend to anchor a triple line. This technique is then a very efficient tool to study solid/liquid friction. In the second part of this thesis, we try to understand how flexible polymer chains strongly anchored on a solid substrate affect friction at the interface between such surface and crosslinked elastomer made of the same polymer. We show that the friction is dominated by the shear thinning of the grafted layer confined between the elastomer and the substrate, and responding to the shear solicitation like a melt, with very long relaxation times. We also show that the friction stress appears highly sensitive to the molecular organization inside the surface anchored polymer layer, comparing end grafted and strongly adsorbed layers having otherwise the same molecular characteristics (molecular weight of the chains, and thickness of the surface anchored layer). Keywords : friction, wetting, hysteresis, contact angle, interface, polymer, elastomer, entanglements, grafting, adsorbtion.
En dépit de leur importance pratique considérable, et bien que de nombreuses expériences établissent une corrélation certaine entre les hétérogénéités d'interaction de surface (rugosité ou inhomogénéités chimiques) et les propriétés de friction des surfaces, le rôle de ces interactions sur la friction n'est encore pas bien décrit par les modèles et les expériences existants. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'identification des mécanismes moléculaires de la friction aux interfaces polymères souples. Dans ce contexte, nous avons réalisé deux études complémentaires. La première partie du travail concerne le mouvement d'une ligne triple solide-liquide-vapeur qui se déplace sur une surface solide sous l'effet de différentes forces (gravité, forces capillaires et tensions interfaciales), et en particulier le lien entre le piégeage et le dépiégeage de la ligne triple et l'hystérèse de l'angle de contact. Cette méthode permet de mesurer des angles de contact d'avancée et de reculée avec une précision sans précédent (0,1 ) et s'avère être particulièrement sensible aux mécanismes qui tendent à ancrer la ligne triple. Ceci en fait un outil de choix pour étudier la friction liquide/solide. Dans la seconde partie du travail, nous avons cherché à comprendre comment des chaînes de polymère flexibles, fortement ancrées sur une surface solide, dans le régime des fortes densités de greffage affectent la friction entre une telle surface et un élastomère réticulé constitué du même polymère. Nous avons montré que le comportement en friction de cette couche confinée suit exactement le comportement rhéofluidifiant observé pour des couches de fondu de masses molaires équivalentes mais avec un temps de relaxation beaucoup plus long que celui des chaînes en fondu, la reptation n'étant pas permise pour les chaînes ancrées. Enfin, en comparant les résultats obtenus pour des couches greffées chimiquement à une extrémité et des couches fortement adsorbées, ayant par ailleurs les mêmes caractéristiques moléculaires (masse molaire des chaînes et épaisseur de la couche ancrée), nous avons mis en évidence que la friction est remarquablement sensible à l'organisation moléculaire au sein de la couche ancrée.