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Auteur(s)
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Jacques VERDU : Docteur ès sciences - Professeur à l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers de Paris - Directeur du Laboratoire de transformation et vieillissement des polymères
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Lire l’articleINTRODUCTION
L‘eau fait partie de notre environnement naturel, et donc de celui de la majorité des matériaux que nous utilisons. On connaît depuis longtemps les effets d’un milieu humide sur la corrosion des métaux, mais on a souvent les idées moins claires en ce qui concerne les matériaux polymères car ces effets peuvent se manifester de façon plus subtile et à long terme (plusieurs années), et leurs mécanismes peuvent être diversifiés (physiques ou chimiques). Il nous a paru intéressant de faire le point sur ce sujet pour au moins deux raisons. Tout d’abord, le développement des matériaux composites à hautes performances, en particulier à matrice polyépoxyde, a fait apparaître de nouveaux problèmes méconnus jusqu’alors et liés aux gonflements différentiels en régime transitoire de diffusion, problèmes qui relèvent de nouvelles approches expérimentale et théorique. Ensuite, nous commençons à recueillir les fruits d’études généralement réalisées dans les années 1970 sur le comportement à long terme des matériaux souvent appelés plastiques de spécialité (en anglais : engineering plastics), et présentant des structures susceptibles de subir une hydrolyse : polyamides, polyuréthanes, polyesters linéaires et polyesters réticulés, polycarbonates, poly(amides-imides), polyimides, etc.
Nous examinerons successivement les vieillissements physique et chimique dus à l’eau.
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Vieillissement chimique en présence d’eau. Hydrolyse1. Vieillissement physique par absorption d’eau
1.1 Hydrophilie d’un polymère en relation avec sa structure
1.1.1 Caractérisation expérimentale de l’hydrophilie
On peut apprécier l’hydrophilie d’un polymère d’après la teneur en eau wm (généralement exprimée en pour-cent en masse), qu’il peut atteindre à l’équilibre dans un milieu isotherme à taux hygrométrique constant proche de 100 % HR (hygrométrie relative).
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On remarquera que le temps au bout duquel l’équilibre est atteint est de l’ordre de L2/D, L étant l’épaisseur de l’échantillon et D le coefficient de diffusion de l’eau dans le polymère entre 10–11 et 10–14 m.2s–1 à température ambiante (voir 1.1.4). Les normes sur la mesure de l’absorption d’eau fixent généralement un temps trop court, par exemple 24 h (NF EN ISO 62) pour que l’équilibre soit atteint, sauf pour des échantillons très minces (films, fibres). Ces méthodes ne donnent donc pas toujours accès à des valeurs permettant d’apprécier l’hydrophilie intrinsèque du matériau.
Nota :NF EN ISO 62 (mai 1999) : Plastiques - Détermination de l’absorption d’eau
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On notera également que le matériau peut être le siège de processus irréversibles (endommagement osmotique, hydrolyse), qui modifient son hydrophilie. Il y a bien entendu lieu d’en tenir compte dans l’interprétation des valeurs de wm.
Pour mesurer wm, on utilise le plus souvent la gravimétrie. La sensibilité et la précision d’une balance usuelle de laboratoire (0,1 mg) sont généralement suffisantes pour un échantillon de masse voisine de 1 g ou supérieure. Pour les déterminations discontinues (retrait de l’enceinte d’exposition, pesée, retour à l’enceinte),...
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Vieillissement physique par absorption d’eau
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - VAN KREVELEN (D.W.) - Properties of polymers. - 1976 Elsevier p. 420-25.
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(2) - MOREL (E.), BELLENGER (V.), VERDU (J.) - Relations structure-hydrophilie des réticulats époxyde-amine. - 4es Journées Nationales sur les Composites Paris sept. 1984 Éd. Pluralis p. 597-614.
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(3) - BROWNING (C.E.) - The mechanism of elevated temperature property losses in high performance structural epoxy resin matrix materials after exposure to high humidity environments. - Polymers Engineering and Science (USA) 18 n 1 1978 p. 16-24.
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(4) - McKAGUE (E.L.), REYNOLDS (J.D.), HALKIAS (J.E.) - Swelling and glass transition relations for epoxy matrix in humid environments. - J. Appl. Polymer Sci. (USA) 22 1978 p. 1 643-54.
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(5) - BONNIAU (P.), BUNSELL (A.R.) - A comparative study of water absorption theories applied to glass-epoxy composites. - J. Composite Materials (USA) 15 1981 p. 272.
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