Soutenance mémoire
Principes du vieillissement des polymères
Matériaux
Le matériau étudié dans notre travail se compose d’une membrane en PTFE expansée laminée sur un tissu de Nomex III. Ce matériau est commercialisé sous la marque Crosstech® par WL Gore & Associates (Maryland, USA) et nous a été gracieusement fourni par la société Innotex Inc (Québec, Canada). Le PTFE expansé possède une taille de pores assez large pour laisser passer la vapeur d’eau, mais trop petite pour transférer les liquides. Ceci permet aussi le transfert de la chaleur, réduisant ainsi le stress thermique tout en offrant une protection contre les liquides Propriétés fonctionnelles (Perméabilité à la vapeur d’eau, résistance à la déchirure et à la traction) Propriétés chimiques, Physico-chimiques et morphologiques (DSC, DRX, FTIR, MEB et AFM)
Compréhension des mécanismes de dégradation
Cinétiques de l’extérieur. La taille du pore moyen dans la membrane d’e-PTFE est de 1 μm (figure 2.1a) et le diamètre du fil de tissu Nomex® est de 15 μm (figure 2.1b). Une couche de polyuréthane hydrophile a été utilisée pour réduire les effets de la contamination et pour assurer le laminage du e-PTFE et le Nomex® (Horrocks, Anand et al. 2000). Aux fins de comparaison, des tests ont été également effectués sur un tissu 100% Nomex® commercialisé sous la marque Caldura® Silver NP.
Programmes de vieillissement
Vieillissement thermique
Le traitement du vieillissement thermique accéléré a été effectué dans un four à convection électrique (model GICO). Les échantillons ont été placés dans le four pour une durée programmée dans une position suspendue et avec une distance d’au moins 4 cm les uns par rapport aux autres et par rapport aux parois du four. Les températures du programme de vieillissement de 190, 220, 275, 300 et 320°C ont été sélectionnées en tenant compte des températures de service thermique respectivement de 260 et de 200ºC pour l’e-PTFE et le Nomex® (Bourbigot and Flambard 2002) ainsi que des conditions standards en opération de 100- 300ºC lors des opérations de lutte contre le feu (Lawson 1998). Les durées de vieillissement varient de 1 à 1056 heures.
Vieillissement hydrolytique
Afin de reproduire des conditions proches de celles subies par la membrane dans les vêtements de protection contre l’incendie en fonctionnement, la membrane e-PTFE/Nomex® a été placée dans une chambre d’humidité de marque BURNSCO à une atmosphère contrôlée en température et en humidité. Nous avons choisi de faire vieillir les échantillons de e-PTFE/Nomex® à trois températures: 50, 70 et 80°C et, à chaque température, différents taux d’humidité ont été sélectionnés variant entre 60 et 100% d’humidité relative pendant des durées variant de 1 à 600 heures.
Vieillissement photochimique
Le vieillissement par rayonnement lumineux a été effectué dans une enceinte de vieillissement accéléré QUV (modèle Q-LAB). L’enceinte QUV expose les matériaux à la lumière UV à des températures contrôlées. Le QUV simule les effets de la lumière solaire à l’aide de lampes fluorescentes à ultraviolets (UV) et simule également la rosée et la pluie par condensation d’humidité et/ou pulvérisation d’eau.
Les lampes utilisées dans notre étude sont de type UVA-340 (340 nm) qui offrent une meilleure simulation de la lumière du soleil dans la région UV, où surviennent la plupart des dommages des matériaux (voir Figure 2.2).Les échantillons sont positionnés de manière à ce que le côté du Nomex® soit orienté vers la source lumineuse puisque cette orientation correspond à la configuration dans le vêtement de protection contre l’incendie. Plusieurs intensités lumineuses (à une longueur d’onde de 340 nm) ont été sélectionnées et des durées variables de vieillissement ont été appliquées tel que le montre le tableau 2.1.
Pour compenser une éventuelle variabilité de l’uniformité des lampes UV, nous avons permuté régulièrement la position des échantillons par le déplacement de ceux des extrémités gauche et droite vers une position centrale. Cette opération se faisait deux fois par semaine.
Pour simuler l’effet synergétique entre la température, le rayonnement UV et l’humidité, le modèle QUV utilise un mécanisme de condensation unique de l’humidité. Durant le cycle de condensation, un réservoir d’eau, situé au fond de la chambre d’essai, est chauffé pour produire de la vapeur d’eau qui maintient la chambre à 100% d’humidité relative et à une température élevée (voir Figure 2.3).
Pour étudier l’effet synergétique des trois facteurs, nous avons soumis des échantillons à un programme de vieillissement de cycle (0,68 W/m2 +50°C/100%HR+50°C, 0,68 W/m2 +60°C/100% HR+60°C,…) chaque cycle se composant de deux périodes de 4 heures.
Propriétés mécaniques
Résistance en traction
Les essais de traction ont été réalisés sur des échantillons rectangulaires de 15×10 mm à l’aide d’une machine de traction universelle Alliance 2000 (MTS) équipée d’une cellule de charge de 1000 N et actionnée à une vitesse de 300 mm/min selon la méthode standard de la norme ASTM D5035 (American Society for Testing and Materials 1995). (figure 2.4 et 2.5)Les éprouvettes étaient fixées sur des mâchoires hydrauliques permettant un ajustement de la pression exercée par les pinces sur l’éprouvette. De plus, la surface rugueuse de ces pinces empêchait le glissement des éprouvettes. La distance initiale entre les mâchoires était de 50 mm (voir Figure 2.5) et pour chaque condition quatre répliques ont été réalisées. Le module de prétension a été déterminé à partir de la pente initiale de la courbe de contrainte-déformation.
Pour chaque condition, six répliques ont été réalisées.
Force de déchirure
La force de déchirure a été également évaluée puisqu’il a été rapporté qu’elle est plus sensible au vieillissement que la résistance à la traction (An 1999). Dans notre étude, la force de déchirure a été mesurée selon la méthode trapézoïdale, utilisant un échantillon entaillé et fixé entre les pinces d’une machine d’essai Alliance 2000 selon une méthode semblable à la méthode d’essai de norme d’ASTM D 5587 (American Society for Testing and Materials 1995) mais avec des dimensions légèrement réduites (voir Figure 2.6). Cette méthode permet de déterminer la résistance à la propagation d’un défaut ou d’un endommagement local dans le tissu sous sollicitation mécanique. Un trapèze isocèle a été dessiné sur des échantillons rectangulaires de 50,8 x101,6 mm pour marquer la position des mâchoires et une entaille de 1 cm a été faite dans 50mm son plus petit côté. La mâchoire supérieure se déplaçait à une vitesse de 200 mm/min jusqu’à ce que l’échantillon ait été complètement déchiré. La force de déchirure était déterminée à partir de la valeur maximale de la force. Pour chaque condition cinq répliques ont été mesurées (Figure 2.7).
Mesure de la perméabilité à la vapeur d’eau
Nous avons utilisé un MOCON PERMATRAN Model 101K pour mesurer la perméabilité à la vapeur d’eau de nos échantillons. C’est un système de mesure relative de vitesse de transmission de la vapeur d’eau WVTR. La cellule est divisée en deux compartiments séparés par la membrane à tester. L’un des compartiments contient l’atmosphère humide obtenue grâce à un balayage d’azote humide (40% ≤ HR ≤ 90%) et l’autre compartiment est balayé par de l’azote préalablement séché. (voir Figure 2.8).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Principes du vieillissement des polymères
1.1.1 Vieillissement physique
1.1.2 Vieillissement chimique
1.2 Mécanismes de vieillissement des polymères
1.2.1 Vieillissement thermique des polymères
1.2.2 Vieillissement photochimique des polymères
1.2.3 Vieillissement hydrolytique des polymères
1.2.3a Vieillissement physique des polymères par absorption d’eau
1.2.3b Vieillissement chimique des polymères en présence d’eau : l’hydrolyse
1.3 Méthodes de prédiction de la durée de vie
1.3.1 Méthode « Arrhenienne »
1.3.2 Superposition temps-température
1.3.3 Méthode à facteur d’accélération
1.4 Structure et composition des habits de protection contre les incendies
1.5 Vieillissement des vêtements de pompiers
1.5.1 Vieillissement en service
1.5.2 Vieillissement environnemental
1.6 Données sur le vieillissement du Nomex® et du e-PTFE
1.6.1 Le Nomex®
1.6.2 Le polytétrafluoroéthylène expansée (e-PTFE)
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 MATÉRIAUX ET TECHNIQUES EXPÉRIMENTALES
2.1 Introduction
2.2 Matériaux
2.3 Programmes de vieillissement
2.3.1 Vieillissement thermique
2.3.2 Vieillissement hydrolytique
2.3.3 Vieillissement photochimique
2.4 Propriétés mécaniques
2.4.1 Résistance en traction
2.4.2 Force de déchirure
2.5 Mesure de la perméabilité à la vapeur d’eau
2.6 Diffraction des rayons X (DRX)
2.7 Microscope électronique à balayage (MEB)
2.8 Microscopie à force atomique (AFM)
2.9 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
2.10 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
CHAPITRE 3 EFFET DU VIEILLISSEMENT THERMIQUE SUR LA MEMBRANE E- PTFE/NOMEX
3.1 Introduction
3.2 Effet de vieillissement thermique sur la perméabilité à la vapeur d’eau
3.3 Effet du vieillissement thermique sur les propriétés mécaniques
3.3.1 Résistance à la traction
3.3.2 Résistance à la déchirure
3.4 Analyse des propriétés physico-chimiques et morphologique
3.4.1 Analyse de la composition chimique par FTIR
3.4.2 Analyse de la cristallinité
3.4.3 Analyse de la morphologie par MEB et AFM
3.4.3a Analyse par MEB
3.4.3b Analyse par AFM
3.5 Étude de la cinétique du vieillissement
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 EFFET DU VIEILLISSEMENT PHOTOCHIMIQUE SUR LES PROPRIÉTÉS DE LA MEMBRANE E-PTFE/NOMEX
4.1 Introduction
4.2 Effet du vieillissement photochimique sur la perméabilité à la vapeur d’eau
4.3 Effet du vieillissement photochimique sur les propriétés mécaniques
4.3.1 Force de déchirure
4.3.2 Force de traction
4.4 Évolution des propriétés physico-chimiques au cours du vieillissement
4.4.1 Analyse de la structure chimique par FTIR
4.4.2 Analyse de la cristallinité
4.5 Analyse de la morphologie par MEB et par AFM
4.5.1 Analyse par MEB
4.5.2 Analyse par AFM
4.6 Étude de la cinétique du vieillissement photochimique
4.7 Conclusion
CHAPITRE 5 VIEILLISSEMENT HYDROLYTIQUE DE LA MEMBRANE EPTFE/NOMEX®
5.1 Introduction
5.2 Effet du vieillissement sur la perméabilité à la vapeur d’eau
5.3 Effet du vieillissement sur les propriétés mécaniques
5.3.1 Force de déchirure
5.4 Évolution des propriétés physico-chimiques et morphologiques
5.4.1 Analyse de la composition chimique par FTIR
5.4.2 Analyse de la cristallinité par DRX
5.4.3 Analyse de la morphologie par MEB
5.5 Conclusion
CHAPITRE 6 EFFET SYNERGÉTIQUE DU VIEILLISSEMENT
6.1 Introduction
6.2 Force de déchirure
6.3 Évolution de l’état de surface
6.4 Étude de la cinétique du vieillissement combinés de la température, du rayonnement lumineux et de l’humidité sur la force de déchirure de la membrane e-PTFE/Nomex®
6.5 Conclusion
CONCLUSION
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES .
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