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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Bruno FAYOLLE
: Docteur - Maître de Conférences à l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métier (ENSAM – Paris)
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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Considérons un échantillon de matériau polymère initialement « pur » d’épaisseur L, placé au temps zéro dans un milieu (gazeux, liquide ou solide), comportant une seule espèce E soluble dans le polymère, les autres composants du milieu ayant des solubilités dans ce polymère assez faibles pour que l’on puisse négliger leur effet. En supposant que la pénétration du solvant dans le matériau n’entraîne pas de réaction chimique, d’endommagement irréversible ou de dissolution totale du polymère, on va observer une augmentation de masse (c’est-à-dire de concentration de E dans le polymère) de l’échantillon selon une cinétique ayant l’allure de la figure 3.
Lorsque le milieu est gazeux, le solvant E est caractérisé par sa pression partielle p et par sa pression de vapeur saturante ps à la température considérée. ps augmente avec la température :
avec :
ps0
:
coefficient préexponnentiel
HV
:
enthalpie de vaporisation
R
:
constante molaire des gaz.
Dans le cas où la concentration à l’équilibre est assez faible pour ne pas modifier les propriétés physiques de la matrice polymère, on peut généralement appliquer la loi de Henry :
C = Sp
...
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Vieillissement par migration d’adjuvants
