Article de référence | Réf : AM3154 v1

Conclusion
Modélisation cinétique d’un mécanisme d’oxydation

Auteur(s) : Ludmila AUDOUIN, Xavier COLIN, Bruno FAYOLLE, Jacques VERDU

Relu et validé le 01 sept. 2016

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RÉSUMÉ

L’oxydation des polymères hydrocarbonés résulte d’un processus radicalaire en chaîne. Des résolutions de tels schémas cinétiques peuvent être retenues en se limitant notamment à l’étude des faibles taux de transformation. Cet article décrit la modélisation cinétique de l’oxydation des polymères dans différents cas de figure : amorçage par décomposition unimoléculaire ou bimoléculaire des hydroperoxydes ou amorçage extrinsèque à vitesse constante, ce qui permet de couvrir une très large gamme de cas pratiques.

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Auteur(s)

  • Ludmila AUDOUIN : Maître de Conférences. Docteur ès sciences (ENSAM)

  • Xavier COLIN : Maître de conférence. Docteur-Ingénieur (ENSAM)

  • Bruno FAYOLLE : Maître de Conférences. Docteur-Ingénieur (ENSAM)

  • Jacques VERDU : Professeur à l’École nationale supérieure d’arts et métiers (ENSAM) – Paris

INTRODUCTION

Ce dossier décrit la modélisation cinétique de l’oxydation des polymères dans différents cas de figure : amorçage par décomposition unimoléculaire ou bimoléculaire des hydroperoxydes ou amorçage extrinsèque à vitesse constante, ce qui permet de couvrir une très large gamme de cas pratiques.

Nous montrons qu’en considérant des domaines restreints de variation de la concentration d’oxygène, on peut trouver des solutions analytiques au schéma cinétique. La caractéristique de ces solutions est que les concentrations des espèces réactives s’expriment toujours sous la forme de loi puissance de la concentration de O2 . Les vitesses des processus élémentaires s’expriment donc elles aussi sous forme de loi puissance de C. Dans le cas de l’amorçage extrinsèque, on peut, par ailleurs, aussi exprimer les vitesses sous forme de loi puissance de la vitesse d’amorçage r i .

Nous avons déterminé les valeurs des exposants de ces lois puissance :

m = d(lg r )/d(lg C ) et n = d(lg r )/d(lg ri )

où C est la concentration en oxygène et r la vitesse d’une réaction élémentaire.

En confrontant les valeurs expérimentales de m et/ou n avec les valeurs théoriques, les praticiens devraient obtenir des éléments intéressants d’identification des mécanismes de vieillissement.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3154


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7. Conclusion

Ce dossier portait sur l’utilisation du schéma mécanistique « standard » d’oxydation des polymères hydrocarbonés, avec trois des mécanismes d’amorçage les plus fréquemment rencontrés : l’amorçage extrinsèque à vitesse constante (essentiellement vieillissement radiochimique), l’amorçage par décomposition unimoléculaire des hydroperoxydes (essentiellement vieillissement photochimique et vieillissement thermique à haute température) et l’amorçage par décomposition bimoléculaire des hydroperoxydes (essentiellement vieillissement à basse température). Dans ces deux derniers cas, le schéma cinétique global n’admet pas de solution analytique. Si, cependant, on considère des intervalles restreints de concentration (de pression) d’oxygène, on peut obtenir de telles solutions, au moins pour l’état stationnaire, c’est-à-dire pour la vitesse maximale d’oxydation r ox .

L’intérêt de ces solutions est qu’elles s’expriment toujours sous forme de lois en puissance dont l’exposant varie avec le mécanisme élémentaire considéré et avec le domaine de concentration d’oxygène choisi. La valeur de cet exposant peut donc constituer un élément intéressant d’identification du mécanisme. Dans le cas de l’amorçage extrinsèque, on peut faire la même analyse des relations entre vitesse de vieillissement et vitesse d’amorçage. Nous avons calculé les exposants m = d (ln vitesse)/d (ln concentration d’oxygène) et n = d (ln vitesse)/d (ln vitesse d’amorçage) dans les différents cas de figure et rappelé les critères permettant de distinguer les différents modes d’amorçage. Le tableau 3 des résultats devrait permettre aux praticiens de tester leurs hypothèses de mécanismes sans nécessairement entrer dans les calculs compliqués de cinétique.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOLLAND (J.L.), GEE (G.) -   *  -  Trans. Faraday Soc. 42, p. 236-243 et p. 244-252 (1946).

  • (2) - AUDOUIN (L.), ACHIMSKY (L.), VERDU (J.) -   Kinetic modelling of low temperature oxidation of hydrocarbon polymers.  -  Dans Handbook of polymer degradation, 2e éd., édité par S.H. Hamid, New York Marcel Dekker, p. 734 (2000).

  • (3) - RINCON RUBIO (L.), FAYOLLE (B.), AUDOUIN (L.), VERDU (J.) -   *  -  Polym. Deg. Stab. 74, p. 177-188 (2001).

  • (4) - RINCON-RUBIO (L.M.), COLIN (X.), AUDOUIN (L.), VERDU (J.) -   *  -  Rubber Chem. & Techn., 76 (2), p. 460-482 (2003).

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  • ...

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