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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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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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Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Plastiques et composites > Propriétés générales des plastiques > VieiIlissement chimique des polymères - Mécanismes de dégradation > Vieillissement affectant les groupements latéraux
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Aspects généraux
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4. Vieillissement affectant les groupements latéraux
En l'absence de soudures ou de coupures, les réactions de modification des groupements latéraux n'ont pas d'influence (aux taux de transformation raisonnables) sur les propriétés mécaniques.
On a vu que dans le cas des propriétés mécaniques cruciales, comme la ténacité, le vieillissement se traduisait par une variation brutale au passage d'un seuil qui offrait naturellement le meilleur choix de critère de fin de vie. Dans le cas des propriétés affectées par les modifications de groupements latéraux, on n'observe pas en général de telles discontinuités : les propriétés varient linéairement ou quasi-linéairement avec la structure. Les critères de fin de vie doivent donc être choisis de manière plus ou moins arbitraire.
À part la couleur, presque toutes les propriétés liées à la nature des groupements latéraux, comme les propriétés électriques, l'indice de réfraction, les propriétés de surface ou l'absorption d'eau sont liées à la polarité électrique des groupements. Nous allons donc consacrer un paragraphe à la coloration et un autre aux modifications de polarité et aux conséquences qui en découlent.
4.1 Coloration/Décoloration
La coloration peut être liée à l'absorption par des chromophores absorbant dans le visible ou à la fluorescence dans le visible de chromophores absorbant dans l'UV. Il existe une grande variété de types de chromophores produits par le vieillissement. Les plus fréquemment rencontrés sont des structures quinoniques ou autres résultant de l'oxydation de cycles aromatiques, par exemple :
-
dans les polymères aromatiques :
-
dans les phénols :
Les adjuvants aromatiques (phénols, amines) peuvent être la cause du jaunissement.
Les spectres UV de ces structures peuvent être schématisés par la figure 14.
Tous les polymères aromatiques (PS, PET, PC, PSU, epoxy, etc.) jaunissent au cours de leur oxydation. Leurs produits d'oxydation absorbent dans le proche UV et le violet-bleu. L'œil perçoit la couleur complémentaire, c'est-à-dire le jaune.
Dans les polymères vinyliques subissant des réactions d'élimination séquentielle, en particulier le PVC, les polymères conjugués résultant de ces réactions sont colorés dès que le nombre de doubles liaisons...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FOX (T.G.), FLORY (P.J.) - J Appl Phys - 21:581-591 (1950).
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(2) - DI MARZIO (EA) - J Res Nat B Stand A - 68A: 611-617 (1964).
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(3) - FOX (T.G.), LOSHAEK (S.) - J Polym Sci - 15: 371-390 (1955).
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(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.
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(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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