Etude de la dégradation thermique de polymères soudables

Le vieillissement chimique

      Le vieillissement chimique pouvant avoir différentes origines. Il entraîne dans tous les cas une coupure des macromolécules.
– la chaleur (dégradation thermique) : les molécules d’un polymère sont constituées de liaisons chimiques qui chacune possède une énergie donnée. Si la température est suffisante, une liaison peut être détruite entraînant la rupture des chaînes moléculaires : la matière est peu à peu dégradée.
– la lumière (photo-dégradation) : Un rayon lumineux est porteur d’énergie, celle-ci dépendant de la longueur d’onde associée. Si elle est suffisamment élevée, elle peut être à l’origine de la dégradation du polymère. Le rayonnement UV qui possède de faibles longueurs d’onde et donc une énergie élevée est particulièrement néfaste.
– l’oxygène (oxydation) : lorsque les liaisons se rompent sous une action mécanique, thermique, photochimique, des radicaux libres très réactifs se créent. Par combinaison avec l’oxygène, ces radicaux conduisent à la formation de péroxydes et d’hydropéroxydes. Les hydropéroxydes sont des produits instables se décomposant sous l’effet des UV ou de la chaleur et qui vont ensuite provoquer la scission des chaînes du polymère.

Les caractéristiques thermiques du PE

      Le PE a un coefficient de dilatation linéaire d’environ 130 à 200 µm/m C°. Cette valeur, dix fois supérieure au coefficient de dilatation de l’acier, nécessite que l’on prenne certaines précautions à la mise en œuvre. Indépendamment de la dilatation linéaire l’augmentation de la température accélère le vieillissement du PE, car en diminuant ses propriétés mécaniques, elle favorise les mécanismes de fissuration.

Avantages de l’électrofusion

      Chaque assemblage réalisé apporte un point fort à la canalisation. L’opération d’électrofusion demande un outillage léger et peu encombrant, donc mobile et parfaitement adaptable aux conditions du chantier. Ce procédé permet d’intervenir rapidement sur les lignes de gaz ou d’eau déjà mises en œuvre ou en service. Le réseau est homogène et il n’y a pas d’autre matériau que le PE en contact avec le fluide véhiculé, donc pas de discontinuité des avantages physiques ou chimiques. Par rapport au système de soudage par fusion bout à bout, l’électrofusion présente un certain nombre d’avantages. La surface sur laquelle s’étend la soudure est de 2 à 9 fois supérieure (en fonction du diamètre) et le raccord électrosoudable, une fois installé, constitue une véritable «coquille» qui enveloppe les éléments jointés et améliore leurs caractéristiques mécaniques. Contrairement au système de jonction bout à bout qui permet de souder des tubes ayant la même classe de pression (même épaisseur), l’électrosoudure permet d’unir des tubes d’épaisseurs différentes, réalisés indifféremment en PE 80 et PE 100. L’expérience des utilisateurs confirme que la bonne réussite d’une jonction par électrofusion dépend du respect des procédures et de l’emploi de dispositifs d’alignement et de positionnement. Les paramètres réglant la soudure par électrofusion sont le temps, la température et la pression de contact entre les surfaces à souder. La température de soudage est un paramètre fixe (autour de 220- 230°C) déterminé par les caractéristiques du polyéthylène : température de fusion et conductivité thermique. Le temps de soudage est un paramètre variable déterminé, d’une part, par l’étendue des surfaces à souder (donc en fonction du volume de matière à fondre) et d’autre part, par les caractéristiques de construction de la spire métallique (longueur, section et matériau). Contrairement à ce qui arrive dans la fusion bout à bout, la pression de soudage n’est pas déterminée par l’opérateur à travers la machine à souder, mais par le propre phénomène d’électrofusion. Le polyéthylène en fusion augmente de volume ; cette expansion est cependant limitée par les zones froides du raccord qui entourent la zone chauffante. Les zones froides constituent de véritables «digues» qui empêchent la matière en fusion de déborder hors de la zone de soudure, d’entrer à l’intérieur du tube ou de sortir hors du raccord. L’expansion thermique du polyéthylène, qui se traduit par une augmentation du diamètre du tube, crée la pression de contact nécessaire à la soudure et favorise une homogénéisation parfaite des matériaux des éléments à jointer.

L’oxydation surfacique du polymère

      Ce phénomène de thermo-oxydation s’accompagne généralement d’un changement de couleur en surface du polymère [31]. Il s’explique par la diffusion de l’oxygène de l’air au sein du polymère suivi par des réactions d’oxydation qui conduisent à la formation d’une couche oxydée en surface (Thin Oxidized Layer, TOL) [32, 33,34]. Après [35] L’effet de l’oxydation du polyéthylène est un effet exothermique apparaît à la température 490°C attribué à l’oxydation du polyacétylène obtenu par processus de réticulation de l’éthylène recueilli de la dépolymérisation à une température T=310°C, avec une perte de masse de 14% suivi d’un deuxième effet à T=400°C (perte de masse 46%). Les travaux de Verdu, permettent d’estimer l’épaisseur de la TOL en considérant les vitesses respectives de diffusion de l’oxygène au sein du polymère et de consommation de cet oxygène par des réactions d’oxydation. Cette épaisseur est généralement une fonction décroissante de la température, mais l’observation inverse peut être réalisée si l’énergie d’activation des réactions d’oxydation est inférieure à l’énergie d’activation de diffusion [36]. Il est évident que ce processus d’oxydation n’a pas lieu lors de vieillissement sous atmosphère inerte sur lesquels nous reviendrons.

Effet du raffinement du maillage

       Le raffinement du maillage est défini par l’utilisateur qui peut ainsi optimiser entre le nombre d’éléments triangulaires et la description la plus fidèle possible de la structure réelle matériau. Il faut garder ici à l’esprit qu’il est toujours nécessaire de trouver un compromis entre le temps de calcul, la taille des données à gérer et la précision des résultats souhaitée. D’une façon générale, quand la taille des cellules du maillage tend vers 0 on tend vers une solution exacte ; plus le maillage est fin, meilleure est la solution. Cependant, le temps de calcul doit être raisonnable. Nous souhaitons donc tester le «maillage-dépendance» du modèle, c’est à dire déterminer le maillage le plus grossier possible sans qu’il n’y ait d’influence sur les résultats. Le principe consiste donc à se concentrer sur l’évolution de la température d’un point, à faire évoluer le maillage vers un maillage de moins en moins fin, et ce tant que la solution reste identique à la solution initiale. Cependant, nous nous doutons que la finesse nécessaire dépendra des échanges thermiques imposés à la plaque. Ainsi, dans une zone de fort gradient thermique, un maillage très fin est nécessaire. En revanche, dans une zone où le gradient thermique est moins important, il n’est pas utile d’avoir un maillage si fin et la discrétisation avec un tel maillage conduirait même à accroître le temps de calcul de façon injustifiée. Ainsi, pour notre modélisation, nous envisageons de mailler la zone du tube proche du miroir chauffant (sur les cinq premiers millimètres à partir du contact tube/miroir) avec une finesse plus importante que l’autre partie en raison que cette partie du tube subit la majorité des phénomènes thermiques.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction aux polymères
1.1. Généralité sur les polymères
1.1.1. Structure physique
1.1.2. Propriétés physiques
1.1.2.1. L’état cristallin et amorphe
1.1.2.2 Changement d’état des polymères
1.1.3. Propriétés mécaniques
1.1.3.1. Facteurs influent
1.1.4. Le vieillissement des matériaux polymères
1.1.4.1. Le vieillissement physique
1.1.4.2. Le vieillissement chimique
1.2. Le Polyéthylène
1.2.1. Définition d’un polyéthylène
1.2.2. Les caractéristiques thermiques du PE
1.3. Les critères de choix pour l’emploi du polyéthylène dans les réseaux de distribution gaz
1.3.1. Les concepts matériels
1.3.1.1. Structure fondamentale de la résine
1.3.1.2. Fabrication des tubes et raccords
1.3.1.3. Caractéristique mécanique des tubes et raccords
1.3.2. Les concepts «mise en œuvre»
1.4. Conclusion
Chapitre 2 : Soudage des thermoplastiques
2.1. Éléments de base sur le soudage
2.1.1. Éléments de physique (Phénomènes d’interface)
2.1.2. Caractérisation d’une soudure
2.2. Paramètres de soudage
2.2.1. Définitions
2.2.2. Optimisation des paramètres
2.3. Procédés de soudage
2.3.1. Techniques de soudage
2.3.2 Procédé de soudage par transfert thermique
2.3.2.1. Le procédé de soudage par électrofusion
2.3.2.2. Soudage bout à bout (Soudure par plaque ou lames chauffantes)
2.4. Conclusion
Chapitre 3 : Dégradation thermique
3.1. Identification des phénomènes
3.1.1. L’analyse thermogravimétrie
3.1.2. Calorimétrie différentielle à balayage
3.1.2.1. Description de la technique
3.1.2.2. Température de fusion, enthalpie de fusion et taux de cristallinité
3.1.2.3. Principe du Calorimètre Différentiel
3.2. Effets et mécanismes de la dégradation thermique
3.2.1. Effets de la dégradation thermique
3.3. La dégradation thermique du polyéthylène haute densité
3.4. Conclusion
Chapitre 4 : Modélisation du phénomène thermique du procédé de soudage bout à bout
4.1. Les mécanismes de chauffage du tube
4.1.1. Les transferts thermiques
4.2. Ecriture du bilan
4.3. Difficultés de la modélisation réelle
4.4. Les hypothèses
4.5. Les conditions aux limites
4.6. Etude des paramètres thermiques
4.6.1. Propriétés thermo-physiques de matériaux à changement de phase
4.7. La source de chaleur
4.7.1. Cinétique de fusion
4.7.1.1. Implémentation de la cinétique de fusion dans le modèle
4.7.2. Cinétique de dégradation
4.7.2.1. Implémentation de la cinétique de dégradation dans le modèle
4.8. Conclusion
Chapitre 5 : simulation numérique
5.1. Difficultés de la simulation numérique
5.2. Discrétisation
5.2.1. Discrétisation spatiale par la méthode des éléments finis
5.2.2. Discrétisation temporelle
5.3. Le choc thermique
5.4. Environnement de simulation
5.4.1. Procédure de résolution d’un problème avec CASTEM
5.5. Géométrie et types de conditions aux limites utilisés pour la simulation
5.5.1. La géométrie
5.5.2. Effet du raffinement du maillage
5.5.3. Les conditions aux limites thermiques de simulation spécificités des phases d’égalisation et de chauffage
5.6. Détermination les paramètres des conditions aux limites
5.6.1. Les paramètres des conditions aux limites en maillage raffiné
5.6.2. Calcul le taux de changement de phase par simulation
5.7. Résultats thermiques
5.7.1. Evolution de la température
5.8. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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