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LES ESSAIS DE VIEILLISSEMENT ACCELER COMME OUTILS DE PRDICTION DE LA DURABILIT DES POLYMRES
L. Van Schoors, S. Lavaud, G. Derombise, J. Tireau, N. Barberis, K. Benzarti, X. ColinDivision Physico-Chimie des Matriaux
ENSAM Paris - LIM
DURABILIT
La durabilit : met en jeu des phnomnes complexes
Elle dpend :
odes caractristiques et de la nature du matriau
o des applications
o des conditions environnementales
En gnie civil :
o Multitude de polymres utiliss (thermoplastiques, thermodurcissables, lastomres)
o Applications diverses (gosynthtiques, infrastructures, ouvrages dart, rparation, renforcement, btiment)
o Contraintes environnementales varies (thermique, photochimique, milieu ractif, biochimique, mcanique...)
Pour certaines applications : Durabilit 100 ans
Mcanismes de dgradation spcifiques
VIEILLISSEMENT
Vieillissement naturel
Difficult destimer la durabilit des matriaux
- Prvoir le comportement long terme- Dlais de ralisation relativement courts
- Dterminer les mcanismes responsables des dgradations- Evaluer les chutes de proprits- Estimer les cintiques dvolution de comportement en utilisant des modles adapts
Vieillissement acclr appropri : - mmes mcanismes que lors dun vieillissement naturel - seule la cintique de vieillissement est accrue
Les vieillissements acclrs doivent ncessairement tre valids en corrlant les volutions des matriaux vieillis en laboratoire et vieillis naturellement lors de leur application.
LONG
VIEILLISSEMENTS ACCLRS
VIEILLISSEMENT ACCLR
VIEILLISSEMENT ACCLRCONTRL EN LABORATOIRE
EX
PE
RT
ISE
MA
TE
RIA
UX
VIE
ILLI
S S
UR
SIT
E
(RE
FE
RE
NC
E)
Comprhension des mcanismesde dgradation
PRDICTION DE DURE DE VIE FIABLE
EX
PE
RT
ISE
MA
TE
RIA
UX
VIE
ILLI
S S
UR
SIT
E
(RE
FE
RE
NC
E) Proprits
chimiquesphysico-chimiques
morphologiques
Proprits fonctionnelles
Cintiques Cintiques
VIEILLISSEMENT DES POLYMERES
VIEILLISSEMENTS PHYSIQUES : Pas daltration chimi que des macromolcules Evolution de la configuration spatiale et/ou de la composition globale du matriau
o Relaxation structurale : passage dune conformation moins stable une conf ormation plus stable lie la mobilit des chaines macromol culaire
o Absorption : gonflement diffusion plastification
o Migration dadjuvants : vaporation extraction consommation par des mic ro-organismes
VIEILLISSEMENTS CHIMIQUES : Modification chimique d es macromolculeso Vieillissement thermochimique : thermique- anarobie ou arobie - thermooxydation
o Vieillissement photochimique : Absorption de photon excitation - photooxydation
o Vieillissement radiochimique : radiation ionisante
o Vieillissement en milieu ractif : hydrolyse chloration - sulfonation.
o Vieillissement biochimique : organismes vivants, mtabolisation, colonisation d e surface
VIEILLISSEMENTS MECANIQUES o Fluage relaxation : li au phnomne de glissement des chaines macromole culaires
o Fatigue : Contrainte cyclique
VIEILLISSEMENT DES POLYMERES
VIEILLISSEMENTS PHYSIQUES : Pas daltration chimi que des macromolcules Evolution de la configuration spatiale et/ou de la composition globale du matriau
o Relaxation structurale : passage dune conformation moins stable une conf ormation plus stable lie la mobilit des chaines macromol culaires
o Absorption : gonflement diffusion plastification
o Migration dadjuvants : vaporation extraction consommation par des mic ro-organismes
VIEILLISSEMENTS CHIMIQUES : Modification chimique d es macromolculeso Vieillissement thermochimique : thermique- anarobie ou arobie - thermooxydation
o Vieillissement photochimique : Absorption de photon excitation - photooxydation
o Vieillissement radiochimique : radiation ionisante
o Vieillissement en milieu ractif : hydrolyse chloration - sulfonation.
o Vieillissement biochimique : organismes vivants, mtabolisation, colonisation d e surface
VIEILLISSEMENTS MECANIQUES o Fluage relaxation : li au phnomne de glissement des chaines macromole culaires
o Fatigue : Contrainte cyclique
VIEILLISSEMENT EN MILIEU REACTIF : MILIEU ALCALIN
o Environnement : Sols traits Peau superficiel de bton durci(pH 9 pH11.5)
Temprature 10 - 20C
o Application : Gotextile de renforcement
o Matriaux : Polyesters - aramides
Principal point faible : hydrolyse
Polyester poly(thylne trphtalate)
Aramide
VIEILLISSEMENT DES POLYMERES
VIEILLISSEMENT ACCLR EN LABORATOIRE
VIEILLISSEMENT ACCLR EN MILIEU REACTIF : MILIEU A LCALIN
o 2 pH : 9-11o 1 milieu : Na2CO3 NaHCO3o 4 tempratures PET (45-55-65-75 C)o 4 tempratures PAr (20-40-60-80C)
1 2 3 4 5 6 710
100
1000 2ans
1an
1,5ans
6mois
3mois
44jours
22jours
TE
MP
S D
E V
IEIL
LIS
SE
ME
NT
(he
ures
)
PRELEVEMENTS
o 75C sous air pour les polyesterso 80C sous air pour les aramides
pH 9 : Importante chute de rsistance 75 C
pH 11 : Importante chute de rsistance ds 55 C
Pas de mesure possible pour des temps de vieillisse ment suprieurs 6 mois 75 C
Chute dautant plus grande que la temprature et le temps de vieillissement sont importants
VIEILLISSEMENT ACCLR EN LABORATOIRE
1 10 1000
20
40
60
80
100
Rs
ista
nce
mc
aniq
ue n
orm
alis
e
pH 11 - 45C pH 11 - 55C pH 11 - 65C pH 11 - 75C
Temps de vieillissement (jours)1 10 100
0
20
40
60
80
100
Rs
ista
nce
mc
aniq
ue n
orm
alis
e
pH 9 - 45C pH 9 - 55C pH 9 - 65C pH 9 - 75C
Temps de viellissement (jours)
PROPRIETES FONCTIONNELLES
Diminution de Mn
Diminution du diamtre Formation de microcavits
Rs
ista
nce
rsi
duel
le (
%)
Rs
ista
nce
rsi
duel
le (
%)
VIEILLISSEMENT ACCLR EN LABORATOIRE
EVOLUTION DU DIAMETRE
PET non vieilliPET non vieilli PET vieilli pH11 75PET vieilli pH11 75 C 45j C 45j PET vieilli pH11 75PET vieilli pH11 75 C 90j C 90j
PET vieilli pH11 75PET vieilli pH11 75 C 181j C 181j PET vieilli pH11 75PET vieilli pH11 75 C 1 an C 1 an PET vieilli pH11 75PET vieilli pH11 75 C 1C 11/2 1/2 an an
VIEILLISSEMENT ACCLR EN LABORATOIRE
QUANTITQUANTIT DE MATIDE MATIRE DRE DGRADGRADEE
VIEILLISSEMENT ACCLR EN LABORATOIRE
1 10 1000
20
40
60
80
100
Mod
ule
sca
nt n
orm
alis
(2
-4%
)
pH 11 - 45C pH 11 - 55C pH 11 - 65C pH 11 - 75C
Temps de vieillissement (jours)
Model
Equation
Reduced Chi-Sqr
Adj. R-Square
K
Model
Equation
Reduced Chi-Sqr
Adj. R-Square
H
Model
Equation
Reduced Chi-Sqr
Adj. R-Square
B
1 10 1000
20
40
60
80
100
Mod
ule
sca
nt n
orm
alis
(2
-4%
)
pH 9 - 45C pH 9 - 55C pH 9 - 65C pH 9 - 75C
Temps de vieillissement (jours)
pH 9 & pH 11 : Importante chute de raideur. Chute d autant plus grande que la temprature et le temps de vieillissement sont importants
Diminution de Mn et formation de microcavits
Diminution du diamtre
Rai
deur
rs
idue
lle (
2-4%
)
Rai
deur
rs
idue
lle (
2-4%
)
VIEILLISSEMENT ACCLR EN LABORATOIRE
DURABILIT : Quel(s) modle(s) utilis(s) pour prdi re la dure de vie?
o Equation dArrhenius : loi physique portant sur la constante de vitesse d un mcanisme lmentaire
Validit de ce modle de prdiction : Vieillissement rgi par un mcanisme de dgradation lmentaire Pas de transition (tg, tf )entre les tempratures de vieillissement acclr en laboratoire et la temprature dutilisation : viter les change ment de rgime cintiqueLintervalle de temprature entre la temprature de vieillissement acclr la plus faible et la tempr ature dutilisation ne doit tre trop important
Dans notre cas : Un mcanisme trs majoritaire : HYDROLYSE
- Fonction ester (PET)
- Fonction amides (aramides)
Transitions suprieures la temprature de vieillis sement la plus leve
- PET : Tg 80C Tf 250C- Aramides : Pas de Tg Tf >300C
Temprature de vieillissement en laboratoire la plu s faible relativement proche de la temprature dutilisation
VIEILLISSEMENT ACCLR EN LABORATOIRE
DURABILIT : EXTRAPOLATION ARRHNIENNE
ln k -11220(1/T)+28
R 0.99
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-20,0028 0,0029 0,0030 0,0031 0,0032
1/T (Kelvin)