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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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Processus affectant l'architecture du squelette macromoléculaire2. Point de vue du chimiste organicien et du polymériste
La « cible » du vieillissement chimique est toujours un petit groupe d'atomes, par exemple un groupement ester dans un processus d'hydrolyse ou un groupement méthylène dans un processus d'oxydation. Du point de vue de la chimie organique, c'est la transformation de ces groupements qu'il convient d'étudier. Par exemple, l'hydrolyse du groupement ester conduit à des groupements acide et alcool :
L'accumulation d'acides et d'alcools est susceptible de modifier certaines propriétés d'utilisation, comme on le verra dans le paragraphe 4. Cependant, l'hydrolyse peut s'accompagner de modifications à une autre échelle de structure, et ces modifications peuvent avoir des conséquences beaucoup plus graves. Pour illustrer notre propos, considérons l'hydrolyse de deux polymères différents :
-
le poly (éthylène téréphtalate) (PET)
-
le poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA)
Chaque acte d'hydrolyse produit un acide et d'un alcool dans les deux cas, mais une différence considérable apparaît :
-
le PET subit une coupure de chaîne ; sa masse molaire diminue rapidement avec le nombre de ces coupures. Il s'agit d'une dégradation du squelette macromoléculaire, dont les conséquences sont importantes sur le plan mécanique, ce qui justifie l'intérêt particulier que nous lui portons dans le paragraphe 3 ;
-
le PMMA ne subit pas de coupure de chaîne ; sa masse molaire diminue certes, mais très lentement. Autrement dit, si les propriétés du PMMA évoluent, ce ne peut être que via les modifications de groupements latéraux. Ce cas est étudié dans le paragraphe 4.
L'analyse des variations de taille des macromolécules relève de la physicochimie macromoléculaire. Pour confronter la différence de vision entre cette discipline et la chimie organique et analytique, considérons le cas d'un état dégradé tel que :
( 1 )
avec :
-
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: - masses molaires moyennes en nombre à...
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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).
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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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