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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Emmanuel RICHAUD : Docteur Ingénieur - Maître de Conférences au laboratoire de Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux - Arts et Métiers ParisTech
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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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Vieillissement affectant les groupements latéraux
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3. Processus affectant l'architecture du squelette macromoléculaire
3.1 Types de processus
Deux types de processus peuvent affecter la taille et l'architecture des macromolécules :
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les coupures (2) ;
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les soudures (3).
Coupures et soudures peuvent être « sélectives » ou « statistiques ». Quelques cas typiques de processus sélectifs sont schématisés sur la figure 4 :
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les processus de dépolymérisation ne sont en général favorisés qu'à des température élevées ;
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les processus de réticulation intramoléculaire ne sont éventuellement favorisés que dans les polymères insaturés, par exemple les élastomères polydiéniques ;
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les processus de coupures sélectives de liaisons intermoléculaires sont rencontrés dans les cas d'élastomères vulcanisés par le soufre.
Cependant, les processus de coupures et de soudures de loin les plus importants dans un contexte de vieillissement sont les processus « statistiques », c'est-à-dire les processus se produisant en des sites répartis aléatoirement le long des chaînes. Dans la modélisation d'un processus « statistique », on part de l'hypothèse que tous les sites réactifs portés par les macromolécules ont une probabilité égale de réagir.
Les processus « statistiques » de coupures peuvent être appelés « dégradation ». Les processus « statistiques » de soudure peuvent être appelés « réticulation ».
Il est important de distinguer ici deux cas :
-
celui des polymères linéaires ou ramifiés mais totalement solubles, auxquels on peut appliquer les concepts de masse molaire moyenne et de distribution des masses molaires ;
-
celui des réseaux partiellement ou totalement insolubles, auxquels on applique les concepts de densité de réticulation ou de masse molaire des chaînes élastiquement actives (CEA).
Dans les deux cas, si l'analyse des mécanismes chimiques de vieillissement donne accès aux nombres s de coupures et x de soudures par unité de masse, l'enjeu est de relier s et x aux grandeurs caractérisant la taille et l'architecture des macromolécules, grandeurs qui peuvent être...
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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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