Formation and structure of epoxy network interphases at the contact to native metal surfaces

Films (20 nm < dEP < 5 μm) and 1-mm adhesive joints of an amine-cured epoxy (DETA-DGEBA) are studied on native surfaces of Au, Al and Cu. For the films  , IR spectroscopy reveals the chemistry as a function of dEPdEP. Curing is based on amine-epoxy reactions only. Compared to the bulk, the gross reaction rate slows down for the RT-curing. A metal-specific ‘chemical interphase’ with reduced epoxy group consumption extends over some 100 nm. Post-curing (393 K, 1 h) is not sufficient to consume all epoxy groups. Brillouin spectroscopy and microscopy provide local mechanical stiffness data (c11c11) with better than 10-μm resolution. The RT-cured films possess mechanical heterogeneities on the sub-mm scale. Their glass temperature is well below RT for most films while TGbulk = 326 K. In the adhesive joints  , ‘mechanical interphases’ are detected on the metal side with an unexpected width of up to some 100 μm and with a c11c11-maximum inside the epoxy. Its shape, height and position depend on the metal and the epoxy curing state. It is interpreted as the result of competing influences from epoxy structure and internal stresses. During polymerisation, a ‘morphological interphase’ should form with a 3-dimensional heterogeneous structure that is specific for the metal and the route of compound formation. Hence, the properties of thin films are not generally equivalent to the situation in thick adhesive bonds. To cite this article: W. Possart et al., C. R. Chimie 9 (2006).

RésuméL'étude des films minces (20 nm < dEP < 5 μm) et adhésifs (dEP = 1 mm) de réseaux époxy-amine (DGEBA-DETA) réticulés sur des surfaces natives d'Au, d'Al, et de Cu est présentée ici. Pour les films, la spectroscopie IR révèle la chimie du polymère en fonction de dEP. Les réactions de polymérisation considérées sont fondées sur les réactions époxy-amine. Comparée au bulk, la vitesse de réaction est ralentie durant la polymérisation à température ambiante. L'« interphase chimique », spécifique au métal, accompagnée par la réduction de la consommation des groupes époxy peut atteindre une largeur de quelque 100 nm. Même la post-polymérisation à 393 K pendant une heure n'est pas suffisante pour la consommation totale des groupes époxy. La spectroscopie, plus particulièrement la microscopie Brillouin permet l'obtention du profil du module d'élasticité longitudinal, c11, avec une résolution supérieure à 10 μm. Des hétérogénéités mécaniques à l'échelle du sub-mm sont observées pour des films minces, polymérisés à température ambiante. Leurs températures de transition vitreuse se situent en dessous de la température ambiante alors que TGbulk = 326 K. Pour les adhésifs, des interphases mécaniques mesurées, côté métal, peuvent atteindre des largeurs surprenantes de quelques 100 μm accompagnées d'un maximum de c11. Sa forme, hauteur, position dépendent du métal et de l'état de polymérisation de l'époxy. L'interphase mécanique est interprétée comme le résultat d'influences concurrentes de la structure époxy et des stress internes engendrés à la surface du métal. Durant la polymérisation, une « interphase morphologique », de structure tridimensionnelle hétérogène, spécifique au métal et au chemin emprunté pendant la formation du composant, se forme. Il en résulte que les propriétés des films minces ne sont généralement pas équivalentes à celles observées pour les adhésifs épais. Pour citer cet article : W. Possart et al., C. R. Chimie 9 (2006).