Experimental investigation of molecular mechanisms of friction at polymer melt - solid interfaces
Étude expérimentale des mécanismes moléculaires de la friction aux interfaces polymère fondu - solide
Résumé
We studied friction of SBR (Styrene Butadiene Rubber) melts over smooth surfaces bearing anchored SBR chains, by simultaneous measurements of slip velocity at the wall (with laser velocimetry and photobleaching techniques, developed in the laboratory) and of the transmitted stress. SBR is more entangled than polymer previously investigated: in the accessible experimental window, shear rate can be greater than the inverse of the disengagement time. In order to obtain surfaces with anchored chains of controlled length and density, we first used SBR end-terminated with a monochlorosilane function. We were not able to control the grafting process due to synthesis residual impurities, which created defects in the layer. We then developed a procedure based on adsorption of diblock SBR-PDMS copolymers, with short PDMS block acting as an anchor on the surface. In all friction experiments of SBR melts over surfaces with anchored chains, we observed a progressive transition between a low and a high slip regime as the shear rate was increased. In the transition region, the shear stress appeared blocked over a wide range of slip velocities, meaning a non linear friction. Comparison to theoretical models developed by Brochard - de Gennes or Ajdari et al. remained qualitative as only few experiments over controlled layers could be conducted. Nevertheless, these slip transition and blocking stress regime correspond well to a mechanism of progressive elongation and extraction of surface anchored chains from the bulk.
Nous avons étudié la friction de SBR (Styrene Butadiene Rubber) fondu sur des surfaces de faible rugosité portant des chaines ancrées de SBR, par mesures simultanées de la vitesse locale à la paroi (techniques de vélocimétrie laser par photolyse, mises au point au laboratoire pour des écoulements Couette-plan) et de la contrainte transmise. Le SBR est très enchevêtré par rapport aux études précédentes : ceci entraîne que les taux de cisaillement accessibles dans la fenêtre expérimentale peuvent être supérieurs à l'inverse du temps de reptation des chaines. Afin d'obtenir des surfaces avec des chaines de longueur et de densité contrôlées, nous avons d'abord utilisé des SBR fonctionnalisés monochlorosilane. Cette voie n'a pas abouti en raison d'impuretés résiduelles de synthèse créant des défauts dans les couches. Nous avons alors adsorbé des copolymères diblocs SBR-PDMS dont le bloc PDMS court s'adsorbe plus fortement a la surface que le bloc SBR. Dans toutes les expériences de friction sur des surfaces portant des chaines de SBR, nous avons observé le passage progressif d'un régime de glissement faible vers un régime de glissement fort en fonction du taux de cisaillement. Nous avons observé de manière quasi systématique un blocage de la contrainte sur une large gamme de vitesses de glissement, d'où une friction non linéaire, correspondant à la plage des vitesses de la transition faible -- fort glissement. La comparaison avec les modèles de Brochard-de Gennes ou d'Ajdari et al. reste qualitative compte tenu du nombre restreint de couches contrôlées, mais ces transitions de glissement et le blocage de contrainte correspondent bien an mécanisme d'étirement progressif et d'extraction des chaines ancrées en surface.