Histoire des adhésifs, colles et mastics

Introduction

Pendant longtemps les êtres humains ont réussi à joindre ou à coller des matériaux ensemble dans plusieurs buts : la construction de maisons, d'outils, d'armes ou de machines (probablement très rudimentaires) et la décoration.
En conséquence, plusieurs techniques permettant la liaison permanente entre plusieurs substrats ou éléments ont été développées. Les adhésifs (ou colles) et les mastics font partie de ces techniques. La liaison par soudure en est un exemple ainsi que le rivetage, la jonction par tenon et mortaise, la ligature, l'utilisation de poids et de contrepoids, etc.
Les techniques de liaison développées initialement par l'homme ont probablement été inspirées par la nature. Par exemple, certains insectes, les araignées et les oiseaux sont capables de former des composites de fibres naturelles avec leurs propres secrétions et plusieurs mollusques se fixent solidement aux rochers. On peut raisonnablement avancer que les propriétés collantes du goudron de bouleau, du latex de l'hévéa, de l'albumen des œufs ou de la pâte d'amidon ont été exploitées très tôt par les premiers humains. Il est aussi probable que les propriétés adhésives du sang humain aient été découvertes il y a longtemps. D'après les recherches archéologiques, il est probable que les premières tentatives de collage par les humains ont précédé la période néolithique (environ 8000 avant JC) dans laquelle les premières preuves directes de l'utilisation des colles ont été observées.
On accepte généralement que l'évolution chronologique de l'acquisition des connaissances soit la suivante:

Résumé chronologique des types d'adhésifs et leur évolution:

• 3 000 000 avant JC : jonction de cellule à cellule, moules, araignées, abeilles et guêpes, bigorneaux...
• 2 800 000 avant JC: (Paléolithique): Goudron de bouleau (premières traces d'utilisation)
• 8 000 avant JC : (Néolithique): Goudron de bouleau
• 5000 avant JC : Mésopotamie (Babylone): protéines de sang animal, résines de plantes (colophane) et asphalte
• 3500 avant JC : Egypte : colles bouillies (peaux d'animaux, etc.)
• 1500 avant JC : Aztèques : sang d'animaux et ciment naturel de caoutchouc (latex d'hévéa)
• 1841: Procédé de vulcanisation >>> premiers adhésifs de synthèse
• 1902: Bakelite
• 1921: Principes de chimie macromoléculaire de Max Staudinger
• 1902-1940: caoutchouc synthétique (PolyButadiène); silicones; époxy; polyuréthanes...
• 1952: Cyanoacrylate (Spergle™ ou super colle)

Un art ancien

1. Goudron de bouleau

Durant la période néolithique, c'est-à-dire vers 8000 avant JC, les hommes utilisaient une résine issue des bouleaux pour fixer les pointes de sagaies et les lames de haches.

La plus ancienne production et utilisation de goudron de bouleau a été identifiée en Italie sur le site acheuléen (Paléolithique inférieur) de Campitello. Cet adhésif a également été utilisé au Paléolithique moyen, au Mésolithique et plus fréquemment au Néolithique.

Quand l'homme des glaciers « Ötzi » fut découvert, on trouva des outils et des morceaux de tissu, dont une hache faite de bois d'if dont la lame était fixée par du goudron de bouleau et des lanières de cuir.
La sève de bouleau est un liquide comestible que l'on collecte des arbres à l'issue de l'hiver. Le goudron de bouleau n'est pas fabriqué à partir de sève, mais à partir de l'écorce chauffée en absence d'air, comme pour le charbon de bois. Une huile noire est collectée au pied du four puis refroidie dans l'eau. Des recettes détaillées expliquant la manière de procéder sont faciles à trouver et l'équipement nécessaire est disponible par internet. L'huile est ensuite réduite par ébullition lente à découvert (à cause des fumées) jusqu'à épaississement mais avant qu'elle ne carbonise. Après solidification, le goudron peut être conservé indéfiniment et fondu avant usage, comme les colles thermoplastiques utilisées aujourd'hui pour les adhésifs thermofusibles.
Le goudron d'écorce de bouleau est un adhésif très efficace avec une excellente résistance à l'humidité: il était utilisé pour rendre étanche les coutures en cuir des mocassins et des bottes. Il était aussi communément utilisé pour réparer des poteries et pour attacher des pointes de flèches. Comme il n'est pas cassant, il peut servir à remplir des espaces comme un mastic.

2. Colles animales

Le bouleau ne pousse pas naturellement dans les climats plus tempérés, ce qui fait que d'autres solutions ont dû être trouvées.

On a découvert des indications archéologiques selon lesquelles les protéines extraites par ébullition prolongée et par hydrolyse partielle de la peau, des os, des sabots de chevaux ou des tendons étaient utilisées même par les Neandertal. Par contre, les preuves écrites les plus anciennes datent de 2000 ans avant JC en Egypte, où l'usage de ce type de colle dans la fabrication de l'ameublement a probablement commencé.

Les guides de survie expliquent comment fabriquer de la colle à partir de cuir brut. Il faut d'abord attendrir le cuir dans l'eau bouillante, puis le couper en petits morceaux et le remettre à l'ébullition pendant plusieurs heures. Ensuite, les parties restées insolubles sont filtrées et l'eau réduite jusqu'à épaississement. Plus la colle est concentrée, plus elle sèchera vite. Il est également possible de durcir la colle complètement ; elle se conservera mieux à l'abri de l'humidité. La colle de cuir était utilisée notamment dans la fabrication d'arcs composites.

La colle de poisson a été inventée en Irlande à la fin du 19ème siècle. Jusqu'à l'invention des colles époxy, la publicité vantait la propriété qu'a la colle de poisson raffinée d'attacher des métaux entre eux. Cette propriété est probablement exagérée. Le plus grand défaut de cette colle était qu'elle restait soluble dans l'eau après séchage.

L'albumen de blanc d'œuf est utilisé pour fixer les feuilles d'or utilisées en enluminure.

Les colles de caséine sont faites en précipitant la caséine du lait avec du vinaigre. Les grumeaux formés sont neutralisés aux cristaux de soude, ce qui les remet en solution et les épaissit. Le lait maigre donne les meilleurs résultats. Les colles de caséine peuvent être réduites en poudre par séchage d'abord en exprimant au torchon l'eau résiduelle, puis dans l'air, et enfin par broyage. Avant utilisation, la poudre est mélangée à l'eau jusqu'à la consistance du miel puis appliquée. Les colles à la caséine sont utilisées en menuiserie.

Le sang animal est un déchet d'abattoir. La partie adhésive est l'albumen contenue dans le sérum sanguin. L'ajout de chaux et d'un alcali à des mélanges albumen-eau améliore les propriétés adhésives. L'industrie du contre-plaqué est un consommateur important des adhésifs dérivés du sang car ils sont relativement résistants à l'humidité après compression à chaud. Aujourd'hui, on a tendance à utiliser dans la fabrication du contre-plaqué des colles synthétiques au formol et à la mélamine à cause de la meilleure résistance à l'humidité et à la plus grande disponibilité. Bien entendu, l'intérêt plus grand pour des matières premières renouvelables et biodégradables peut augmenter la part de marché de ces adhésifs basés sur le sang, jusqu'au moment où des colles synthétiques biodégradables seront disponibles en volumes importants.

3. Colles minérales et ciments

En Mésopotamie, les résurgences de bitume ont été utilisées pour en extraire l'asphalte. Les composants volatils du pétrole s'évaporent, laissant un résidu collant ou solide noir. En 6000 avant JC, l'asphalte naturel était exploité pour en faire du mortier de construction. Plus tard, l'asphalte fut utilisé pour calfater les navires, pour fabriquer des bijoux et pour fixer des mosaïques ou des pièces d'armes. En Amérique du Nord, les Amérindiens asphaltaient leurs paniers pour les rendre étanches et pour fixer les pointes de flèches. Aujourd'hui, l'asphalte est fabriqué industriellement à partir de résidus de distillation du pétrole ou de la houille, et est régulièrement utilisé pour fixer des panneaux d'isolation ou des ardoises de toit.
Historiquement, les premiers ciments minéraux connus furent abondamment utilisés par les Romains à partir de chaux, de cendres volcaniques et de brique pulvérisée (venant de l'argile), calcinés ensemble puis broyés. Les ciments minéraux durcissent en présence d'eau grâce à la formation d'hydrates cristallins. Le mortier est un mélange de ciment et de sable alors que le béton est fait à partir de ciment et d'agrégats. Le ciment est presque exclusivement utilisé en construction.
Par extension, les ciments dentaires sont faits en mélangeant une poudre avec un liquide, mais c'est là que s'arrête la similitude. La poudre est un oxyde de métal alcalin et le liquide est acide. Le sel de métal formé joue le rôle de matrice de cimentage.
Les ciments minéraux ne sont pas autrement pris en considération dans ce site car beaucoup de leurs propriétés sont différentes de celles de la plupart des adhésifs et mastics.

4. Caoutchouc naturel

Le caoutchouc naturel est fabriqué en coagulant la sève de l'arbre Hevea. Un liquide stable et visqueux se forme par mélange avec un solvant hydrocarboné et un peu d'alcool.
Les propriétés du caoutchouc naturel furent grandement améliorées par les recherches de Charles Goodyear ( à l'état brut, le caoutchouc naturel devient soit collant et fluide quand il fait chaud, soit cassant quand il fait froid).
Les premiers imperméables furent fabriqués par Macintosh en collant deux épaisseurs de tissu ensemble avec du caoutchouc dilué dans du naphta.
En 1841, la découverte accidentelle de la vulcanisation du caoutchouc au moyen de soufre a résolu le problème de l'amollissement du caoutchouc quand il est chauffé en présence d'huile ou de carburant. C'était la première fois qu'une substance naturelle était modifiée chimiquement pour en améliorer les propriétés.
Les ciments de caoutchouc utilisés pour réparer les chambres à air des pneus contiennent des additifs réticulants pour éviter qu'ils ne fondent par temps chaud.

5. Résines synthétiques

En 1862, A. Parkes réussit à fabriquer le celluloïd semi-synthétique en mélangeant la nitrocellulose et le camphre. La nitrocellulose était trop cassante pour être utilisée comme adhésif.
La première résine totalement synthétique fut la Bakélite, une substance phénolique thermodurcissable inventée par le Belge Leo Bakeland en 1907. La Bakélite est un matériau dur et moulable mais ne convenant pas comme adhésif. La même chimie fut exploitée plus tard pour imprégner des tissus ou du papier.
Aujourd'hui, les panneaux de fibres et de particules sont faits en chauffant sous pression des copeaux de bois ou de la sciure avec des résines amino-formaldéhyde. Depuis que le formaldéhyde est classifié comme potentiellement cancérigène, les teneurs en résidus sont maintenus dans les limites strictes.
Plusieurs nouveaux caoutchoucs synthétiques comme le polychloroprène, le Buna (polybutadiène) et les silicones furent synthétisés pendant la Seconde Guerre Mondiale. Suivirent les résines époxy, les polyuréthanes et enfin les adhésifs au methacrylate et au cyanoacrylate (super colle ou Superglue™). De nouvelles technologies de séchage basées sur l'irradiation UV et les faisceaux d'électrons apparurent pour éliminer les solvants volatils. Ce procédé nécessite des résines et des additifs spéciaux.

La nature est notre guide

L'étude de la nature a révélé plusieurs exemples d'utilisation d'adhésifs qui continuent d'être une source d'inspiration.

1. Latex de caoutchouc

Une bonne force adhésive dépend du poids moléculaire du liant résinique. Malheureusement, les hauts poids moléculaires augmentent la viscosité des résines en solution, rendant l'utilisation difficile ou modifiant les autres propriétés de la colle. Par exemple, les latex qui sont très utilisés en peinture ont été inventés il y a longtemps par la nature. Celle-ci a montré la voie des émulsions modernes comme les peintures acryliques ou les dispersions de colles. La résine y est sous forme de particules microscopiques suspendues dans l'eau en présence de tensio-actifs, comme dans la sève de l'Hévéa.

2. Les ruches

La cire utilisée pour construire les ruches à miel est appliquée sous forme liquide grâce à la chaleur du corps de l'abeille, comme un adhésif thermofusible.

Le Naw (ou hulusheng en Chine) est un orgue à bouche utilisé en Thaïlande du Nord. Les tuyaux sont collés à une calebasse évidée par de la cire d’abeille.

Nids de guêpes : plusieurs espèces de guêpes sociales construisent leurs nids à partir de matériaux proches mâchés et mélangés à des fibres de bois. Les nids résistent à l'eau grâce à la richesse en proline des mucoprotéines de la salive, proches de l'exosquelette de chitine de la guêpe, qui sèche et devient irréversiblement une surface repoussant l'eau.

3. Nids d'oiseaux

Les nids d'hirondelles sont bien connus mais ont un usage temporaire. Ils sont construits avec de la terre agglomérée par de la salive contenant de l'imucine, une glycoprotéine.
La salive sèche de la salangane à nid blanc (Aerodramus fuciphagus) et de la salangane à nid noir (Aerodramus maximus) est comestible et d'usage courant dans la confection de soupe de nids d'hirondelles, une spécialité chinoise. Les salanganes déposent des filets entrelacés de salive pure secrétée par des glandes situées sous leur langue.

4. Termites

Les nids de termites sont parfois attaqués par d'autres insectes. Quelques espèces de termites ont développé des techniques de défense utilisant une excroissance frontale projetant un liquide collant sur leurs attaquants. Le liquide durcit rapidement au contact de l'air, emprisonnant rapidement les fourmis ou d'autres termites. Parfois, les contractions sont si violentes que les termites s'auto-détruisent (autothyse).

5. Balanes

Les balanes sont des mollusques aquatiques qui s'attachent solidement à des surfaces dures, comme les coques de navires (bio-encrassement), les rochers ou les baleines. Les balanes produisent les fixations les plus solides et les plus durables de tout le monde aquatique. Ces mollusques secrètent des protéines polyphénoliques que l'on étudie aujourd'hui pour des applications dentaires et médicales à cause de leur résistance aux antibiotiques. Un enzyme, le polyphénol oxidase, provoque la réaction de la protéine avec un bisphénol formant ainsi une protéine insoluble (tannage).

6. Geckos

Les geckos sont capables d'attacher et de détacher leurs doigts adhésifs en l'espace de millisecondes en courant jusqu'à 1 mètre par seconde sur n'importe quelle surface. L'adhésif sur les orteils de geckos diffère totalement des adhésifs conventionnels. En effet, les adhésifs autocollants sont difficiles à enlever une fois appliqués. Les doigts de geckos sont couverts de réseaux de fibres branchés comme des cheveux (setae) formés par de la kératine hydrophobique raide qui agit comme un lit de ressorts anguleux. Il en résulte une force d'adhésion similaire à celle des autocollants. Les setae sont autonettoyants et sont capables de servir continuellement pendant des mois en usage continuel même en milieu sale. Les setae de geckos résistent à la fixation inappropriée et sont capables de s'attacher et de se détacher rapidement. D'après les savants, des nanostructures adhésives inspirées des geckos pourraient devenir la colle de l'avenir.

7. Résine de pin (ou colophane ou brai grec)

La colophane provient de l'exsudation du pin en réponse à une blessure. La colophane distillée comme telle est un matériau cassant fondant entre 80° et 90°C dont les propriétés adhésives sont trop faibles pour un usage courant. En mélange, elle peut être utilisée pour protéger les arbres des insectes grimpants ou comme cire à cacheter. Des dérivés obtenus par modification chimique sont couramment utilisés dans des formulations d'adhésifs thermofusibles et d'adhésifs de contact, ( et aussi pour la fabication de peintures et d´encres). La colophane telle quelle est utilisée pour améliorer l´adhérence des crins de l´archet sur les cordes du violon.  La première utilsation de colophane dans ce but eut lieu à Cremona ( Italie) ville d´origine du Stradivarius.

8. Autres adhésifs végétaux

L'amidon extrait de nombreuses plantes comme la pomme de terre, le riz, le tapioca, et ainsi de suite est aussi un adhésif utile bien que son usage soit limité par sa faible résistance à l'humidité et par sa propension à la moisissure. Les adhésifs à base d'amidon sont utilisés pour la fabrication du carton ondulé et du papier peint, par exemple. Les anciens Chinois et les Egyptiens étaient capables d'utiliser les adhésifs basés sur l'amidon dans la fabrication du papier ou du papyrus. Chauffés dans l'eau, les grains d'amidoplastes s'hydratent (absorbent l'eau), se gonflent et s'épaississent formant un liquide visqueux, un gel ou une pâte. La pâte peut être utilisée pour attacher le papier au bois. Une fois sèche, la pâte devient relativement dure et cohésive tout en conservant ses propriétés adhésives. Sa mauvaise résistance à l'humidité limite l'utilisation de cette pâte. Peut-être certains d'entre nous ont-ils déjà utilisés cette colle pour fabriquer des cerfs-volants, avec du papier et du bambou.

Sources

•  L'ART DE FAIRE DIFFERENTES SORTES DE COLLES.  par Duhamel Du Monceau, de l'Académie Royale des Sciences (1771).

• Adhesives.org
• Primitiveways.com
• Wikipedia.org