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RÉSUMÉ
Le vieillissement d’un matériau est caractérisé par une évolution lente et irréversible suite à la combinaison de sollicitations mécaniques, d’interactions avec son environnement et de sa propre instabilité. Cet article s’intéresse plus spécifiquement aux phénomènes de vieillissement physique des matériaux polymères. Deux mécanismes principaux sont en jeu, les processus de relaxation structurale non impactés par l’environnement et les processus d’absorption-désorption lorsque l’environnement contient une espèce miscible au polymère.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Bruno FAYOLLE : Docteur - Maître de Conférences à l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métier (ENSAM – Paris)
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Jacques VERDU : Docteur ès sciences - Professeur à l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métier (ENSAM – Paris) Laboratoire Transformation et vieillissement des polymères
INTRODUCTION
On appelle vieillissement tout phénomène d’évolution lente et irréversible de la structure et/ou de la composition d’un matériau sous l’effet de son instabilité propre, de l’interaction avec l’environnement, de sollicitations mécaniques, ou de la combinaison de plusieurs de ces causes (on parlera alors de couplage). La rupture d’une éprouvette sous l’effet d’un choc, sa combustion, sa dissolution dans un solvant, sa dilatation sous l’effet d’une variation de température, sa radiolyse ou sa photolyse éclair sous l’effet d’une irradiation intense ne sont pas considérées ici comme des vieillissements, car il s’agit de phénomènes soit réversibles, soit rapides et donc qui ne posent pas de problème de prédiction de durée de vie.
Il peut être utile de distinguer vieillissement physique et vieillissement chimique. Dans le premier cas, il n’y a pas d’altération de la structure chimique des macromolécules, seule leur configuration spatiale ou la composition du matériau sont affectées. Dans le deuxième cas, il y a modification de la structure chimique des macromolécules. Les principaux cas de figure rencontrés dans la pratique peuvent être classifiés selon le tableau 1.
Cet article est consacré au vieillissement physique des polymères. Le vieillissement chimique fait l’objet des articles , et de ce traité.
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Vieillissement par relaxation structurale (au sens large)Article inclus dans l'offre
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1. Aspects généraux et analyse du phénomène
Nous distinguerons essentiellement deux mécanismes importants de vieillissement physique.
a) Les processus de relaxation structurale (au sens large). La cause de ces processus est l’instabilité propre du matériau, le vieillissement pouvant être décrit comme une évolution vers l’équilibre. Ces phénomènes n’impliquent pas nécessairement une interaction avec l’environnement ; leur cinétique ne dépend que des paramètres thermodynamiques (température T, contrainte σ) ; le matériau n’est pas le siège de transferts de masse, seule la configuration spatiale des macromolécules est modifiée. On peut distinguer trois cas :
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les relaxations d’orientation (les matériaux tendent spontanément à se « désorienter ») ;
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les post-cristallisations (pour les polymères semi-cristallins incomplètement cristallisés au départ) ;
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la relaxation structurale dans les polymères amorphes à l’état vitreux.
b) Les processus d’absorption-désorption. Lorsque l’environnement contient une espèce miscible au polymère, ce dernier l’absorbe jusqu’à ce que l’équilibre des potentiels chimiques soit atteint. S’il s’agit d’une espèce peu soluble, ce qui est généralement le cas des gaz permanents (O2, N2), les conséquences sont négligeables. Par contre, lorsqu’il s’agit d’une espèce relativement soluble (solvants, y compris l’eau), les effets sur le comportement mécanique peuvent être importants.
Lorsque le polymère contient initialement des petites molécules (adjuvants), ces dernières ont tendance à migrer dans l’environnement pour tendre vers l’équilibre des potentiels chimiques. La perte des adjuvants entraîne bien entendu la perte des propriétés qu’ils apportaient (stabilité pour les stabilisants, souplesse pour les plastifiants, etc.)
Ces phénomènes d’échange matériau-milieu dépendent eux aussi des paramètres thermodynamiques (T, σ) mais ils dépendent aussi de la composition du milieu (pression partielle p ou activité de l’espèce migrante a). Les processus diffusionnels vont, ici, souvent jouer un rôle important. Bien entendu le matériau est le siège de transferts de masse même si, dans le cas de faibles concentrations, ils peuvent être...
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BIBLIOGRAPHIE
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