Spectroscopie par rayons X à dispersion d’énergie (EDS)

Spectroscopie par rayons X à dispersion d’énergie (EDS)

D’UN TISSU EN MÉLANGE KEVLAR-PBI UTILISÉ DANS LE REVETEMENT EXTERIEUR DES HABITS DE PROTECTION CONTRE LE FEU Carlos ARRIETA RÉSUMÉ

Ce projet porte sur l’étude de l’effet de trois facteurs environnementaux ÉTUDE DE L’EFFET DU VIEILLISSEMENT SUR LES PROPRIETÉS, la température, l’humidité et le rayonnement lumineux, sur les propriétés d’un tissu en mélange Kevlar®-PBI couramment utilisé dans la fabrication des habits de protection contre le feu. Des traitements de vieillissement accéléré ont entraîné une perte significative de performance mécanique, mise en évidence par une diminution de la force de rupture d’un minimum de 50% au bout d’un mois d’exposition continue. Des tests de diffraction des rayons X (XRD) menés sur des échantillons du tissu vieillis thermiquement ont reflété une augmentation de la cristallinité du tissu. La disparition de lignes spectrales en spectroscopie Raman indiquait plutôt une perte de cristallinité suite au vieillissement thermique. Afin d’expliquer ces résultats en apparence contradictoires, une hypothèse a été avancée. Cette hypothèse soutient que deux phénomènes simultanés ont lieu suite à l’exposition aux températures élevées : d’une part les cristaux augmentent dans la direction parallèle aux fibres, ce qui est mis en évidence par les tests de diffraction; et d’une autre l’écart entre les lamelles cristallines se creuse, un événement qui entraîne une diminution de la cristallinité et qui est relevé par les analyses Raman. Les résultats des mesures de spectroscopie diélectrique réalisées sur des échantillons vieillis thermiquement ont confirmé le changement de la morphologie du Kevlar® suite au vieillissement thermique. Aucun indice d’une possible modification de la structure chimique du Kevlar® n’a été repéré. Des analyses thermiques différentielles ont révélé, par contre, une diminution de la température de transition vitreuse de l’autre composant du mélange, à savoir le PBI, un fait qui suggère que ce matériau a subi une diminution de sa masse molaire. Des analyses ATR menées sur des échantillons soumis à des traitements de vieillissement par humidité ont permis d’identifier l’hydrolyse de la liaison amide du Kevlar® catalysée par un acide comme étant le mécanisme de dégradation responsable de la perte de performance mécanique suite au vieillissement par humidité. La progression de la réaction d’hydrolyse a été modélisée mathématiquement au moyen de l’évolution de la concentration de groupements acide carboxylique. Dans le cas des traitements de vieillissement photochimique accéléré, le mécanisme de dégradation a été déterminé à l’aide des analyses ATR. Ce mécanisme correspond à une photo-oxydation amorcée par la thermolyse de la liaison amide du Kevlar®. L’accumulation de produits Photo-Fries, un sous-produit de la photo-oxydation, pendant le vieillissement photochimique est soupçonnée d’entraîner un ralentissement de la réaction de photo-oxydation, mis en évidence par la superposition des courbes de force de rupture. Des modèles basés sur la loi d’Arrhenius ont été proposés pour modéliser le vieillissement thermique et hydrolytique, tandis qu’un modèle tenant compte autant du niveau de flux énergétique que de la température a été formulé pour décrire le vieillissement par rayonnement lumineux. Un modèle inspiré de la théorie linéaire d’accumulation d’endommagement de Palmgren-Miner a été proposé pour exprimer l’endommagement global entrainé par l’ensemble des trois facteurs de vieillissement.

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Table des matières

INTRODUCTION
0.1 Motivation du projet de recherche
0.2 Définition de vieillissement
0.3 Objectifs
0.4 Problématique
0.5 Structure de cette thèse
CHAPITRE 1 MÉTHODOLOGIE ET MATÉRIAUX
1.1 Méthodologie
1.1.1 Stratégie d’étude du vieillissement
1.1.2 Prédiction de la durée de vie
1.2 Matériaux
1.3 Programme de vieillissement et variable réponse
1.4 Plan d’expériences et choix de niveaux pour les essais de vieillissement
1.5 Caractérisation des matériaux
1.5.1 Propriétés mécaniques
1.5.2 Spectroscopies Infrarouge et Raman
1.5.3 Analyses thermogravimétrique et thermique différentielle
1.5.4 Diffraction des rayons X
1.5.5 Spectroscopie Diélectrique
1.5.6 Viscosimétrie rotationnelle
1.5.7 Spectroscopie par rayons X à dispersion d’énergie (EDS)
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1 Types de vieillissement et leurs effets sur les propriétés des polymères
2.1.1 Vieillissement chimique
2.1.1.1 Réactions primaires de coupure de chaîne
2.1.1.2 Réactions chimiques secondaires
2.1.1.3 Processus de dégradation catalysés par des métaux
2.1.1.4 Réticulation et ramification des polymères
2.1.1.5 Ozonolyse
2.1.1.6 Dégradation mécanique
2.1.1.7 Dégradation par radiation ionisante
2.1.1.8 Effet du vieillissement chimique sur les propriétés des polymères
2.1.2 Vieillissement physique
2.1.2.1 Conséquences du vieillissement physique sur les propriétés des
polymères
2.2 Travaux sur le vieillissement des vêtements de pompier et leurs conditions
d’utilisation
2.2.1 Travaux sur les conditions rencontrées en service
2.2.2 Travaux sur la performance des habits de combat d’incendie
2.3 Travaux sur les propriétés, le vieillissement, la dégradation et la rupture des fibres
polymères de haute performance
2.3.1 Travaux sur la stabilité thermique et la décomposition a haute température
des fibres de haute performance
2.3.2 Travaux sur le vieillissement thermique de fibres, thermo-oxydation et perte
de cristallinité et son effet sur les propriétés mécaniques
2.3.3 Travaux sur l’influence de l’humidité dans le vieillissement
2.3.4 Travaux sur le vieillissement entrainé par le rayonnement lumineux
2.3.5 Défaillance mécanique de fibres polymères et le rôle de la rupture de chaînes
macromoléculaires
2.4 Détermination de temps de vie résiduel : théorie de l’accumulation d’endommagement
de Palmgren-Miner
CHAPITRE 3 THERMAL AGING OF A BLEND OF HIGH PERFORMANCE
FIBERS
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.2.1 Thermal aging
3.2.2 Thermal aging models
3.3 Experimental
3.3.1 Materials
3.3.2 Accelerated aging tests
3.3.3 Mechanical Tests
3.3.4 FTIR analyses
3.4 Results
3.4.1 The predetermined thermal life approach
3.4.2 Time-Temperature Superposition (TTS) approach
3.4.3 FTIR Analyses
3.5 Discussion
3.6 Conclusions
CHAPITRE 4 X-RAY DIFFRACTION, RAMAN AND DIFFERENTIAL THERMAL
ANALYSES OF THE THERMAL AGING OF A KEVLAR®-PBI
BLEND FABRIC
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Experimental and materials
4.3.1 Materials 4.3.2 Accelerated thermal aging treatments
4.3.3 X-ray diffraction tests
4.3.4 Raman Analyses
4.3.5 Glass transition temperature (Tg) measurement
4.4 Results
4.4.1 X-ray diffraction analyses and crystallinity calculations
4.4.2 Raman analyses
4.4.3 Glass transition temperature measurement
4.5 Discussion
4.6 Conclusions
CHAPITRE 5 HYDROLYTIC AND PHOTOCHEMICAL AGING STUDIES OF A
KEVLAR®-PBI BLEND
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Materials and experimental
5.3.1 Materials
5.3.2 Humidity aging treatments
5.3.3 Light radiation aging treatments
5.3.4 Breaking force tests
5.3.5 Attenuated Total Reflection (ATR) FTIR analyses
5.3.6 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analyses
5.4 Results
5.4.1 Photochemical aging
5.4.2 Hydrolytic aging
5.4.2.1 Mechanical testing
5.4.2.2 Physico-chemical Characterization
5.4.2.3 Mathematical modeling of humidity aging
5.5 Discussion
5.6 Conclusions
CHAPITRE 6 SPECTROSCOPIE DIÉLECTRIQUE ET MESURES DE VISCOSITÉ
DES ÉCHANTILLONS VIEILLIS THERMIQUEMENT
6.1 Analyses de spectroscopie diélectrique
6.2 Essais de viscosimétrie rotationnelle
CHAPITRE 7 MODÉLISATION GLOBALE DU VIEILLISSEMENT
7.1 Modélisation de l’effet de la température sur la force de rupture en tension
7.2 Modélisation de l’effet de l’humidité sur la force de rupture en tension
7.3 Modélisation des effets du vieillissement photochimique sur la force de rupture
7.4 Modélisation des effets combinés de la température, l’humidité et le rayonnement
lumineux sur la force de rupture du tissu Kevlar®-PBI
7.5 Illustration de l’application du modèle de prédiction
CONCLUSION
CONTRIBUTION ORIGINALE DE CETTE THÈSE
PERSPECTIVES ET RECOMMENDATIONS
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES