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Dynamique de rupture saccadée dans les polymères – StickSlip

Instabilité dynamique de rupture d’un ruban adhésif ou d’un élastomère

Comprendre les instabilités de rupture en distinguant les effets liés à la géométrie de rupture, à la rhéologie du polymère et à la présence d'hétérogénéités au voisinage de la surface de fracture.

Identifier de nouveaux leviers pour contrôler l’apparition de l’instabilité : géométrie, inertie, désordre ?

La compréhension de l’instabilité dynamique de rupture dite « stick-slip » observée lors du pelage d’un ruban adhésif ou lors de la déchirure d’un élastomère demeure largement incomplète. Son apparition est nuisible au processus de fabrication industrielle des rouleaux de ruban adhésif : nuisances sonores hors norme et efficacité réduite, voire nulle, du produit fini. Les caractéristiques de cette instabilité (période, amplitude) sont mal comprises dans le régime à haute vitesse de rupture important pour les applications. De plus, certains aspects influençant la dynamique de stick-slip ont été très peu étudiés : l’influence de l’angle de pelage, le rôle de l’inertie du ruban, le rôle des hétérogénéités d’adhésion. Enfin, une instabilité de rupture « microscopique » se produisant à des échelles spatiales et temporelles plus petites que le stick-slip connu jusqu’à présent a été récemment découverte, sans aucune compréhension de son origine. L’objectif du projet a été d’améliorer la compréhension de l’instabilité et de permettre d’envisager de nouveaux leviers pour éviter son apparition en jouant par exemple sur la géométrie, l’inertie ou le désordre.

L’étude de l’influence de l’angle de pelage, à vitesse de pelage et à longueur de ruban tendu fixées, avec possibilité de les faire varier sur de larges gammes, a été réalisée grâce à un dispositif expérimental spécifiquement développé. Une caméra ultra rapide permet de visualiser la dynamique de l’instabilité de stick-slip, y compris l’instabilité microscopique qui nécessite une acquisition jusqu’à 500 000 images/s. La force moyenne appliquée pendant le pelage, stable ou instable, a été mesurée à l’aide d’un couplemètre dynamique équipant le moteur imposant la vitesse de pelage. Pour résoudre les variations temporelles rapides de la force de pelage, nous avons développé une méthode consistant à confronter la forme du ruban pelé, extraite des images de caméra rapide, à la prédiction d’un modèle théorique d’elastica avec zone cohésive (voir illustration). Des modèles analytiques et numériques ont été développés pour expliquer la variation de l’énergie d’adhérence avec l’angle de pelage ainsi que les effets inertiels agissant sur la dynamique de pelage instable. Pour étudier l’analogie entre le pelage d’un ruban adhésif et la déchirure d’un élastomère, nous avons réalisé un montage permettant de déchirer l’élastomère de manière symétrique sur une large gamme de vitesses.

Les résultats marquants à ce jour sont :
1. En analysant la dynamique de l'instabilité de stick-slip du pelage des adhésifs 3M dans des conditions de pelage en géométrie de rouleau, nous avons montré que la durée de la phase de stick était bien comprise, tandis que la durée de la phase de slip était anormalement longue, suggérant des effets dynamiques importants.
2. Grâce au montage réalisé au laboratoire FAST, des mesures de la dynamique de stick-slip en fonction de l’angle de pelage ont été réalisées. Ces mesures ont effectivement mis en évidence une très forte dépendance de l’instabilité avec l’angle de pelage. Nous avons interprété cette dépendance comme résultant d’une variation effective de la raideur du système mécanique avec l’angle de pelage. Par ailleurs, nous avons pu mettre en évidence le rôle très important de l’inertie du ruban pelé à angle de pelage fort. C’est un effet auquel nous ne nous attendions pas et qui nous a amené à réécrire les équations de propagation de la fissure pour le problème du pelage d’un ruban adhésif. Ces résultats expérimentaux et l’analyse correspondante ont été rassemblés dans un article actuellement soumis.
3. Nous avons mis en évidence que l’apparition et la disparition de l’instabilité en fonction de la vitesse de pelage est de nature sous-critique. Les modèles existant sont incompatibles avec ces observations car ils prédisent une transition supercritique.
4. Nous avons étudié en détail la dynamique interne d’un slip et avons réussi à mettre en évidence une dynamique secondaire liée à la propagation régulière de fractures transverses faisant avancer le front de fissure de manière saccadée à très haute fréquence. Cette dynamique de stick-slip pendant un slip fait actuellement l'objet d'une étude approfondie en fonction des paramètres de contrôle du pelage.

Les études que nous menons sont permettront d’approfondir notre compréhension de la dépendance en vitesse de l’énergie de rupture au voisinage de l’instabilité et même, de l’étendre au cas très peu exploré de matériaux présentant des hétérogénéités de surface ou de volume. Les comparaisons entre le pelage adhésif et la rupture d’élastomère nous permettront de valider la généralité de notre analyse.
Nous devrions être en mesure de proposer une modélisation de la dynamique d'avancée saccadée du front de pelage dans les adhésifs par un système non-linéaire d'équations qui pourra être confrontée aux données.
L’obtention de nouvelles solutions pour contrôler l’instabilité (contrôle de la géométrie, contrôle de la rhéologie du polymère, contrôle des hétérogénéités) pourraient permettre des avancées significatives dans les applications industrielles.

[1] P.-P. Cortet, M.-J. Dalbe, C. Guerra, C. Cohen, M. Ciccotti, S. Santucci, L. Vanel,
Intermittent stick-slip dynamics during the peeling of an adhesive tape from a roller
Physical Review E, 87 022601 (2013)
(Mise en évidence d’une int

L’instabilité dynamique de rupture qui concerne ce projet est une instabilité dite de stick-slip correspondant à la croissance saccadée d’une fissure. Les instabilités de stick-slip sont observées dans de nombreux systèmes, notamment dans les caoutchoucs hétérogènes utilisés dans l’industrie du pneu ainsi que lors du pelage à grande vitesse d’adhésifs dans les procédés industriels d’étiquetage automatisé, le collage de pièces automobiles ou encore la pose de ruban d’étanchéité pour des applications électroniques. Globalement, les gênes occasionnées par le stick-slip dans les bandes adhésives réduisent la productivité industrielle et limitent le développement de nouvelles solutions techniques.
Du point de vue de la science fondamentale, la dépendance non monotone de l’énergie de rupture avec la vitesse de la fissure, responsable du déclenchement de l’instabilité de stick-slip, demeure difficile à comprendre quantitativement. Cette difficulté provient de l’interaction complexe entre la géométrie de rupture, la réponse mécanique non linéaire des matériaux sollicités à de grandes déformations et la présence d’hétérogénéités, issues de la microstructure du matériau ou bien induites par le mécanisme de rupture. De plus, les divers paramètres physiques qui ont un effet sur l’instabilité de stick-slip ont très rarement été corrélés aux caractéristiques de la dynamique de stick-slip (vitesses, durées et amplitudes de stick et de slip).
Le projet StickSlip développera et/ou utilisera des outils expérimentaux nouveaux et conçus sur mesure afin de résoudre temporellement et spatialement le mouvement du front de fissure pendant un cycle de stick-slip dans deux situations : (i) la rupture d’un adhésif à l’interface entre un film support et un substrat ; (ii) la rupture en volume d’un élastomère.
Les expériences que nous proposons donneront un nouvel éclairage sur les instabilités de stick-slip en rupture. La mesure des caractéristiques détaillées du mouvement de stick-slip nous permettra d’identifier les paramètres clés contrôlant l’instabilité (géométrie, rhéologie de l’adhésif ou de l’élastomère).
Les expériences proposées permettront également de tester de nouvelles idées concernant l’effet d’hétérogénéités interfaciales ou en volume sur le stick-slip. Le mouvement collectif intermittent qui se produit lors d’un stick-slip adhésif pourrait être perturbé par la présence d’hétérogénéités. Un objectif majeur du projet est de comprendre si les hétérogénéités peuvent, dans certaines conditions, faire disparaître l’instabilité de stick-slip à l’échelle macroscopique en détruisant les corrélations à grande échelle, et en confinant la dynamique de stick-slip à des petites échelles moins dommageables pour les applications industrielles. Etre capable de contrôler proprement les hétérogénéités est un enjeu important du projet.
D’une part, les études que nous proposons sont importantes pour la science fondamentale puisqu’elles permettront d’approfondir notre compréhension de la dépendance en vitesse de l’énergie de rupture au voisinage de l’instabilité et même, de l’étendre au cas très peu exploré de matériaux présentant des hétérogénéités de surface ou de volume. Les comparaisons entre le pelage adhésif et la rupture d’élastomère nous permettront de valider la généralité de notre analyse.
D’autre part, l’obtention de nouvelles solutions pour contrôler l’instabilité (contrôle de la géométrie, contrôle de la rhéologie du polymère, contrôle des hétérogénéités) pourraient permettre des avancées significatives dans les applications industrielles. Dans ce cadre, le soutien technique offert par Bluestar Silicones sera une valeur ajoutée importante pour le projet.


Coordinateur du projet

Monsieur LOIC VANEL (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures) – loic.vanel@univ-lyon1.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PPMD/SIMM - ESPCI Science et Ingénierie de la Matière Molle (UMR 7615) - ESPCI Paristech
LPMCN - UCBL Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures
LP - ENSL Laboratoire de Physique
FAST - CNRS Laboratoire Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques, CNRS, Univ Paris-Sud, UPMC Univ Paris 06

Aide de l'ANR 409 999 euros
Début et durée du projet scientifique : août 2012 - 36 Mois

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