Différentes approches de prédiction de la durée de vie

 Différentes approches de prédiction de la durée de vie

Méthode arrhénienne 

La démarche courante de prédiction de durée de vie se base sur le modèle Arrhénien d’équivalence temps-température. L’accélération du vieillissement consiste à augmenter les vitesses de réaction liées au vieillissement du matériau en supposant qu’on ne modifie pas les mécanismes de dégradation susceptibles de se produire lors de l’utilisation à long terme du matériau. La méthode d’accélération la plus simple à mettre en œuvre consiste à élever la température d’exposition tout en restant relativement proche des conditions de service [16].

Par une série de sauts conceptuels, les praticiens passent de la loi d’Arrhénius d’un acte chimique élémentaire au modèle Arrhénien de prédiction de la durée de vie, en assimilant :
• Une réaction chimique élémentaire à un processus complexe global,
• Un temps caractéristique d’une réaction chimique élémentaire à une durée de vie,
• Une concentration d’espèce chimique à une propriété d’usage.

Selon Le Huy et Evrard [16], la durée de vie serait définie de façon conventionnelle comme étant le temps tf au bout duquel une propriété d’usage P atteint une valeur critique Pf , appelée critère de fin de vie ou critère de déchéance (Figure I-1). Dans le cas des polyéthylènes, Koerner et al. [17] font la liste des propriétés chimiques, physiques et mécaniques pouvant servir à déterminer un critère de fin de vie. Ces auteurs énoncent notamment l’utilisation de l’allongement à la rupture, de la complaisance, de la densité, du taux de cristallinité, de la masse molaire, du temps d’induction à l’oxydation (TIO), de la quantité d’oxygène absorbée et de l’indice des carbonyles sans toutefois indiquer de valeurs critiques. Une fois le critère choisi et les essais accélérés effectués, la relation entre durée de vie et la température absolue d’exposition est portée sur un diagramme d’Arrhénius communément appelé profil d’endurance thermique .

Hsuan et Li [18] ont appliqué cette méthode aux cas de géomembranes en PEhd exposées entre 55°C et 75°C dans l’air. A l’aide de mesures de temps d’induction à l’oxydation (TIO) et en prenant comme critère de fin de vie une chute de 95% de la valeur du TIO initiale, ces auteurs prédisent des durées de vie comprises entre 122 et 172 ans à 20°C. Jeon et al. [19], en se basant également sur des mesures du TIO, mais sans toutefois préciser les températures de vieillissement ni la valeur du critère de fin de vie, donnent une durée de vie comprise entre 18 et 81 ans à 25°C pour les géomembranes en PEhd. Enfin Hoang et al. [20] ont estimé, en se basant aussi sur des mesures du TIO après immersion dans l’eau entre 20°C et 80°C et en prenant comme critère de fin de vie une diminution de 95% de la valeur initiale du TIO, une durée de vie de l’ordre de 150 ans à 10°C pour des tuyaux en PE100 (PE ayant une capacité de résister à des pressions internes de 10 bars durant 50 ans).

Selon Le Huy et Evrard [16], le vieillissement chimique des polymères serait attribué à un mécanisme complexe résultant de la combinaison de plusieurs processus élémentaires ayant des énergies d’activation différentes. Bien qu’il soit impossible, selon Koerner et al. [17], de savoir si les propriétés mécaniques, physiques ou bien chimiques sont gouvernées par une réaction élémentaire limitante, les praticiens utilisent la loi d’Arrhénius sur une large gamme de températures (55°C<T<150°C) [18] [21].

Toutefois, plusieurs auteurs ont publié des résultats indiquant que les profils d’endurance thermique n’étaient pas toujours linéaires et ainsi que l’énergie d’activation variait avec la température [21], [22], [23], [24], [25]. Ainsi, à titre d’exemple, Kramer et Koppelmann [21] remarquent une discontinuité du profil d’endurance thermique à 150°C dans le cas du PE réticulé. Ces auteurs trouvent une énergie d’activation de 218 kJ/mol et de 144 kJ/mol de part et d’autre de cette température. De même Khelidj et al. [26] remarquent une discontinuité à 80°C au niveau du graphe d’Arrhénius du temps d’induction à l’oxydation et de la vitesse de réaction maximale d’oxydation dans le cas du PE non stabilisé. Ils trouvent que l’énergie d’activation de la vitesse d’oxydation passe de 75 kJ/mol à 138 kJ/mol au dessus de 80°C. Selon Celina et al. [27], cette discontinuité s’expliquerait par un changement de mécanisme de dégradation avec la température. Khelidj et al. [26] confortent cette hypothèse dans le cas du PE en précisant que les radicaux peroxyl diffuseraient préférentiellement hors de la cage ([PHOO°°OOHP]cage) pour des températures supérieures à 80°C, alors qu’ils se recombineraient majoritairement dans cette même cage aux températures inférieures.

Langlois et al. [28] critiquent cette méthode arrhénienne en ajoutant que la dégradation thermique des polymères peut être décrite par une somme d’actes élémentaires, chacun obéissant à une loi d’Arrhénius, alors que la somme de ces actes ne suivrait pas une loi d’Arrhénius.

En conclusion, comme le précise Richaud [29], bien que l’extrapolation arrhénienne soit facile à mettre en œuvre, elle peut conduire à de graves inexactitudes par extrapolation.

Méthode à facteur d’accélération 

Le principe de cette approche peut se résumer de la manière suivante : X heures de vieillissement accéléré (artificiellement) correspondent à FA.X heures d’exposition naturelle (FA étant le facteur d’accélération). [29]

Hamid et Hussan [15] ont étudié des films de PEbd stabilisés par des HALS (Hindered Amine Light Stabilizer) ayant subit, d’une part, une exposition naturelle en Arabie Saoudite et, d’autre part un vieillissement accéléré en enceinte de type Weather-ometer (0,35W/m² à 340nm).

De même, Barois-Oudin et al. [30] ont utilisé cette méthode pour corréler des temps de vieillissement naturel en France à des durées d’exposition en enceinte UV de type SEPAP 12-24. En suivant la dégradation d’un EPDM (vulcanisation par le soufre de diènes de type 5- éthylidène-2-norbornène) par spectroscopie IR, ces auteurs ont observé le développement des mêmes photo-produits après vieillissements naturel à Bandol et Paris et accéléré en SEPAP. En comparant les cinétiques de formation de ces produits, ils concluent que la SEPAP 12-24 accélérerait la vitesse d’oxydation d’un vieillissement naturel à Bandol (France) d’un facteur 10 et d’un vieillissement naturel à Paris (France) d’un facteur supérieur à 20

Cette méthode nécessite d’effectuer des essais de vieillissement naturel pouvant quelquefois durer plusieurs années, voire plusieurs dizaines d’années, afin de valider la représentativité des essais accélérés et, le cas échéant le facteur d’accélération [18]. De plus, les essais accélérés, comme ceux effectués en enceinte UV, sont très variables en termes de températures, de longueurs d’onde, d’intensités d’irradiation et de taux d’humidité relative. Ainsi, il apparaît, que chaque essai de vieillissement accéléré possède son propre facteur d’accélération par rapport à un vieillissement naturel donné. De plus, selon Richaud [29], il semble difficile d’évaluer dans quels cas l’utilisation de cette méthode deviendrait pertinente. Peut-on appliquer, par exemple, le même facteur d’accélération à tous les grades de polyéthylènes et ce quelque soit la nature et la concentration des antioxydants utilisés ?

Modélisation non-empirique

La méthode non-empirique . Elle consiste d’abord à modéliser l’évolution de la composition chimique du matériau à l’échelle moléculaire puis à prédire les conséquences de cette évolution aux échelles supérieures (macromoléculaire puis macroscopique). Ainsi, elle nécessite la connaissance préalable des relations entre ces différentes échelles (par exemple relation entre structure macromoléculaire et fragilisation). Le point de départ est l’établissement d’un schéma mécanistique d’oxydation duquel sera dérivé le schéma cinétique (système d’équations différentielles). Ce mécanisme est établi par analyse spectroscopique d’échantillons prélevés régulièrement pendant leur vieillissement thermique ou photochimique. Les paramètres du schéma cinétique (constantes de vitesse des réactions élémentaires) sont déterminés par la méthode inverse. Cette méthode a été appliquée au polyéthylène par Colin et al. [32]. Une fois ces paramètres connus, le modèle permet de prédire le vieillissement du matériau quelles que soient les conditions de vieillissement. En choisissant un critère de fin de vie pertinent (en général structural), il est alors possible de prédire la durée de vie.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1. DIFFERENTES APPROCHES DE PREDICTION DE LA DUREE DE VIE.
1.1. Méthode arrhénienne
1.2. Méthode à facteur d’accélération
1.3. Modélisation non-empirique
2. VIEILLISSEMENT DES GAINES EN POLYETHYLENE
2.1. Perte physique des antioxydants
2.1.1. Théorie
2.1.2. Perte physique par évaporation
2.1.3. Perte physique par extraction
2.1.4. Comparaison des phénomènes d’extraction et d’évaporation
2.2. Oxydation du polyéthylène
2.2.1. Schéma standard d’oxydation
2.2.2. Vieillissement thermique
2.2.2.1. Mécanisme de thermo-oxydation
2.2.2.1.1. Amorçage par thermolyse des hydroperoxydes
2.2.2.1.2. L’étape de propagation
2.2.2.1.3. L’étape de terminaison
2.2.2.2. Influence de la température sur le temps d’induction et la vitesse maximale d’oxydation.
2.2.2.3. Les différents produits de dégradation
2.2.3. Vieillissement photochimique
2.2.3.1. Schéma d’oxydation : amorçage par photolyse
2.2.3.1.1. Amorçage par photolyse des groupes carbonyles
2.2.3.1.2. Amorçage par photolyse des hydroperoxydes
2.2.3.2. Les différents produits de photo-oxydation
2.2.3.3. Influence de la température sur la cinétique de photo-oxydation.
2.2.3.4. Influence de l’intensité sur la cinétique de photo-oxydation.
2.2.3.5. Influence de la longueur d’onde sur la cinétique de photo-oxydation
2.2.4. Vieillissement naturel
2.3. Stabilisation
2.3.1. Décomposeurs d’hydroperoxydes
2.3.2. Capteurs de radicaux
2.3.3. Noir de carbone
2.4. Vers une modification des propriétés d’usage.
2.4.1. Propriétés mécaniques locales.
2.4.1.1. Conséquences de l’oxydation à l’échelle macromoléculaire
2.4.1.2. Conséquences du vieillissement à l’échelle microstructurale
2.4.1.3. Conséquences du vieillissement à l’échelle macroscopique
2.4.2. Propriétés mécaniques globales
3. BILAN DU CHAPITRE I
CHAPITRE II : MATERIAUX & TECHNIQUES EXPERIMENTALES
1. PRESENTATION DES MATERIAUX ETUDIES
1.1. Films de polyéthylène pur
1.2. Films de polyéthylène stabilisé
1.3. Les gaines industrielles
2. ESSAIS DE VIEILLISSEMENT
2.1. Vieillissement thermique en étuve ventilée
2.1.1. Des films purs
2.1.2. Des films stabilisés
2.2. Vieillissement en enceinte UV
2.3. Vieillissement naturel
3. TECHNIQUES EXPERIMENTALES
3.1. A l’échelle moléculaire
3.1.1. Spectroscopie et microscopie infrarouge
3.1.2. Spectroscopie infrarouge avec dérivation des hydroperoxydes et des acides carboxyliques par traitements chimiques
3.1.3. Spectroscopie Ultra-violet
3.1.4. Temps d’induction à l’oxydation
3.2. A l’échelle macromoléculaire
3.2.1. Chromatographie d’Exclusion Stérique
3.2.2. Rhéologie à l’état fondu
3.3. Echelle microstructurale
3.3.1. Calorimétrie Différentielle à Balayage
3.3.2. Diffraction des Rayon X aux Grands Angles
3.3.3. Diffraction des Rayon X aux Petits Angles
3.4. A l’échelle macroscopique : Caractérisation Mécanique
CHAPITRE III : MECANISMES DE PERTE DES ANTIOXYDANTS DANS LES POLYETHYLENES SOUMIS A DES VIEILLISSEMENTS ACCELERES
1. METHODOLOGIE POUR LA DETERMINATION DE LA CONCENTRATION EN ANTIOXYDANTS
1.1. Par spectroscopie infrarouge
1.2. Méthodologie basée sur la spectroscopie ultra-violet
1.3. Méthode basée sur la mesure du temps d’induction à l’oxydation (TIO) en DSC
1.4. Bilan des différentes méthodes
2. PERTES DES ANTIOXYDANTS AU COURS DU VIEILLISSEMENT THERMIQUE
2.1. Cas du vieillissement dans l’air
2.1.1. Suivi par spectroscopie infrarouge
2.1.2. Suivi par spectroscopie ultraviolet
2.1.3. Caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage
2.1.4. Comparaison des résultats obtenus par les différentes techniques de caractérisation
2.2. Cas du vieillissement thermique dans l’eau
2.2.1. Suivi par spectroscopie infrarouge
2.2.2. Suivi par spectroscopie UV
2.2.3. Comparaison des résultats obtenus par les différentes techniques de caractérisation
2.2.4. Comparaison des pertes induites par les vieillissements thermiques dans l’air et dans l’eau
2.3. Cas du vieillissement photochimique du polyéthylène stabilisé
2.3.1. Suivi par spectroscopie IR
2.3.2. Suivi par spectroscopie UV
2.3.3. Caractérisation par calorimétrie différentielle à balayage
3. BILAN DU CHAPITRE III
CHAPITRE IV : VIEILLISSEMENT THERMIQUE DU POLYETHYLENE PUR
1. EFFETS DE LA THERMO-OXYDATION A L’ECHELLE MOLECULAIRE
1.1. Caractéristiques générales de la cinétique de thermo-oxydation
1.2. Identification des produits formés au cours de la thermo-oxydation
1.2.1. Identification sélective par dérivation chimique
1.2.1.1. Traitement à l’ammoniac NH3
1.2.1.2. Traitement au dioxyde de soufre SO2
1.3. Quantification des produits de thermo-oxydation
1.4. Influence de la température sur la cinétique d’oxydation
1.5. Raffinement du modèle cinétique de thermo-oxydation du PE pur
1.5.1. Rappel du modèle actuel
1.5.2. Propositions d’amélioration
2. EFFETS DE LA THERMO-OXYDATION A L’ECHELLE MACROMOLECULAIRE
2.1. Evolution de la masse moléculaire moyenne en poids induite par les coupures de chaînes
2.2. Origine des coupures de chaînes
3. EFFET DU VIEILLISSEMENT THERMIQUE A L’ECHELLE MICROSTRUCTURALE
3.1. Evolution du taux de cristallinité
3.2. Origines des modifications microstructurales
3.3. Evolution de la structure cristalline
3.4. Influence de la température
4. EFFET DU VIEILLISSEMENT THERMIQUE SUR LES PROPRIETES MECANIQUES A L’ECHELLE MACROSCOPIQUE
4.1. Allure des courbes contrainte/déformation
4.2. Origine de la fragilisation
5. BILAN DU CHAPITRE IV
CONCLUSION GENERALE

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