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En anglais
RÉSUMÉ
Cet article traite de la prédiction non empirique de la durée de vie des polymères dans leurs conditions de service. Une des étapes consiste à estimer les conséquences des changements structuraux sur les propriétés physiques du matériau. Après avoir rappelé l'approche idéale de prédiction de la durée de vie et les grandes familles de mécanismes de vieillissement, les relations mathématiques sont présentées. Ces dernières décrivent l'influence des modifications de l'architecture du squelette (coupures et soudures de chaînes) sur les propriétés mécaniques et thermomécaniques, ainsi que l'influence des modifications de groupements latéraux sur les propriétés optiques, électriques ou d'hydrophilie.
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This article discusses the non-empirical prediction of the lifetime of polymers in their conditions of service. One of the steps consists of estimating the impact of structural changes on the physical properties of the material. After describing the ideal approach for lifetime prediction, and the major families of aging mechanisms, the mathematical relationships will be presented. They describe the influence of recent changes in the architecture of the skeleton (cutting and welding chains) on the mechanical and thermo-mechanical properties, as well as the influence of the changes in lateral groupings on the optical, electrical or hydrophilic properties.
Auteur(s)
-
Emmanuel RICHAUD : Docteur Ingénieur - Maître de Conférences au laboratoire de Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux - Arts et Métiers ParisTech
-
Jacques VERDU : Professeur Emérite - Laboratoire de Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux - Arts et Métiers ParisTech
INTRODUCTION
Dans un contexte d'utilisation massive et en constante augmentation des matières plastiques, de maîtrise des risques de défaillance couplée avec une optimisation des coûts de développement d'une pièce industrielle, il s'avère nécessaire de traiter rigoureusement les questions liées au vieillissement d'une pièce polymère dans ses conditions de service. Précisons que les durées de vie attendues rendent le plus souvent incompatible la prédiction basée exclusivement sur l'observation en conditions de service avec les exigences des services de Recherche et Développement.
En conséquence, l'ingénieur doit disposer d'outils de simulation fiables permettant de prédire la durée de vie du matériau, et éventuellement de proposer des formulations plus adaptées, sans avoir recours à de longues et onéreuses campagnes d'essais. Il existe déjà des outils permettant de choisir les matériaux répondant à des exigences liées à un cahier des charges, et de dimensionner convenablement la pièce. Pour autant, la résistance de la pièce au fluage, par exemple, n'est plus assurée si des modifications chimiques induites par les interactions du matériau avec son environnement entraînent une évolution de ses propriétés au-delà d'un seuil acceptable.
Une série de dossiers est dédiée aux processus de vieillissement résultant d'abord de modifications de la structure chimique des matériaux polymères.
Toute prédiction de la durée de vie doit être fondée sur l'analyse cinétique des processus chimiques à l'œuvre. Cependant, si l'étude du vieillissement chimique présente un intérêt pratique, c'est parce que les modifications structurales qui en résultent se traduisent par une modification des propriétés physiques d'utilisation. Toute étude de durabilité doit donc inclure un volet « relation structure – propriétés ».
Les principaux mécanismes de dégradation font l'objet de ce premier dossier [AM3151v2].
Les deux dossiers suivants traitent de la modélisation cinétique [AM3152v2] et des stratégies de stabilisation [AM3153v2].
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2002 par Jacques VERDU
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Point de vue du chimiste organicien et du polymériste
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1. Aspects généraux
Le vieillissement est défini comme une évolution lente et irréversible (dans les conditions d'utilisation) d'une ou plusieurs propriétés du matériau, résultant de modifications de sa structure, de sa morphologie ou de sa composition.
Nous appellons « lent » tout phénomène qui ne peut être appréhendé dans une échelle de temps compatible avec les contraintes technico-économiques 1 qui nécessite donc le recours à des essais de vieillissement accéléré et à un modèle permettant d'extrapoler les résultats de ces derniers.
Deux catégories de vieillissement peuvent être distinguées :
-
le vieillissement physique ;
-
le vieillissement chimique.
-
Vieillissement physique
Nous englobons dans cette catégorie tous les processus de vieillissement dans lesquels la structure chimique des macromolécules est préservée.
On y trouve les processus de relaxation structurale (augmentation de la compacité, modification de la conformation des chaînes), de cristallisation lente et tous les processus impliquant des transferts de masse (perte de plastifiants, absorption de solvants). Si certains processus de vieillissement physique peuvent coexister avec le vieillissement chimique, leur étude sort du cadre de ce dossier.
-
Vieillissement chimique
C'est une évolution de la structure chimique du polymère sous influence de l'environnement.
Les praticiens classifient généralement les processus de vieillissement chimique en fonction de ce qu'ils supposent être la cause majeure de dégradation 2.
La concentration en oxygène, ou en eau, l'intensité lumineuse et le débit de dose des radiations ionisantes, peuvent être...
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Aspects généraux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FOX (T.G.), FLORY (P.J.) - J Appl Phys - 21:581-591 (1950).
-
(2) - DI MARZIO (EA) - J Res Nat B Stand A - 68A: 611-617 (1964).
-
(3) - FOX (T.G.), LOSHAEK (S.) - J Polym Sci - 15: 371-390 (1955).
-
(4) - UNGAR (G.), KELLER (A.) - Radiation and the crystals of polyethylene and paraffins. In Radiation effects on Polymers. - Edited by Roger L. Clough and Shalaby W. Shzlaby. ACS Symposium series 475. American Chemical Society, Washington, DC 1991. Chap. 7 p101-118.
-
(5) - RASOLDIER (N.), COLIN (X.), VERDU (J.), BOCQUET (M.), OLIVIER (L.), CHOCINSKI-ARNAULT (L.), LAFARIE-FRENOT (M.C.) - Model systems for thermo-oxidised epoxy composite matrices - . Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 39, Issue 9, September 2008, Pages 1522-1529 p.
-
(6) - FAYOLLE (B.), RICHAUD (E.), COLIN (X.), VERDUJ (J.) - Degradation induced embrittlement...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Vieillessement chimique des polymères Modélisation cinétique.
-
Vieillissement chimique des polymères Stratégies de Stabilisation.
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