A nanoscale study of the adhesive contact

Analysis of adhesive and mechanical properties of model polymer surfaces can be achieved with an Atomic-Force Microscope (AFM), in contact mode. The purpose of this study is to dissociate the different contributions (chemical and mechanical) included in an AFM force-distance curve in order to establish relationships between interfacial tip-polymer interactions and surface viscoelastic properties of the polymer. Surface force measurements are, in a first step, done on chemically modified silicon substrates (grafted with hydroxyl, amine, methyl and ester functional groups). In order to investigate the effects of mechanical or viscoelastic contributions, force measurements on model polydimethylsiloxane (PDMS) networks, whose surfaces are chemically modified with the same functional groups as for silicon substrates, were achieved. New relationships are proposed between the local adhesion force and both the dissipation energy in the tip-polymer contact and the surface properties of the materials (thermodynamic work of adhesion). Moreover the dissipation function is related to Mc, the mass between crosslinks of the polymer network. To cite this article: M. Brogly et al., C. R. Chimie 9 (2006).

RésuméLa microscopie à force atomique offre, par l'intermédiaire d'une sonde de taille nanométrique, le moyen d'analyser mécaniquement les propriétés locales de surface des systèmes polymères, déterminantes quant aux propriétés finales de multimatériaux polymères. Dans un premier temps, les impératifs expérimentaux qui permettent l'obtention de mesures quantitatives sont exposés. La seconde partie du manuscrit traite de l'étude de systèmes modèles de chimie de surface contrôlée. Ce contrôle est réalisé par greffage chimique de silanes fonctionnels à terminaison CH3, CF3, COOR, NH2 et OH. Les mesures de forces locales d'adhésion permettent de déterminer le travail thermodynamique d'adhésion (W0) pointe–surface ainsi que l'énergie de surface (γs) de tels systèmes. Les effets de ponts capillaires doivent être pris en compte lorsqu'il y a contact hydrophile–hydrophile. Dans une troisième partie, nous montrons, par l'étude de réseaux polymères de chimie de surface contrôlée par greffage de couches fonctionnelles auto-assemblées, qu'il est possible de découpler les contributions chimique et mécanique dans le contact adhésif. Les résultats montrent que la force d'adhésion est proportionnelle à W0 et à une fonction de dissipation locale f, proportionnelle à Mc, la masse moyenne entre nœuds de réticulation. Nous montrons que les grands principes du modèle rhéologique de l'adhésion restent pertinents à une échelle locale. Pour citer cet article : M. Brogly et al., C. R. Chimie 9 (2006).