Chapitre III Les recettes de glacis : Etude des propriétés physico-chimiques
III.3 Propriétés mécaniques et suivi du séchage
III.3.2 Bibliographie - Généralités sur les propriétés mécaniques
III.3.2.a.1 Définitions :
La notion d’élasticité (décrite pour un solide parfait par la loi de Hooke) ainsi que l’expression de la viscosité ont été présentées précédemment. L’élasticité se manifeste par un retour à l’état géométrique initial lorsqu’on annule le chargement. La viscosité se manifeste par la sensibilité de la réponse à la vitesse de sollicitation. On définit un troisième type de comportement : la plasticité, qui se manifeste par l’apparition de déformations permanentes irréversibles lorsque la charge dépasse un certain seuil (seuil de plasticité) qui évolue généralement avec l’écoulement plastique.
On définit trois modules élastiques :
• Le module de cisaillement G, module de Coulomb, est la constante élastique de proportionnalité entre la déformation et la contrainte de cisaillement.
est très voisin de 0,5, la plupart des matériaux isotropes continus ont un coefficient de Poisson compris entre 0,25 et 0,35 [Charmet, 2003].
Le module de cisaillement G est relié au module d’Young E et au coefficient de Poisson η par
la relation ) 1 ( 2 +η = E
G . On a vu en rhéologie la mesure des deux composantes G’ et G’’ de ce module, respectivement modules de conservation et de perte. Les expériences présentées par la suite permettent l’accès à ces modules, au cours du séchage, pour les différentes préparations.
III.3.2.a.2 L’expérience de traction :
Le test le plus courant est un test contrainte-déformation réalisé à l’aide d’une machine d’essai en traction. Le matériau étant soumis à une contrainte en traction, on suit l’évolution de cette contrainte en fonction de la déformation imposée.
Cette expérience permet de mettre en évidence différents stades dans l’évolution du comportement d’un matériau (Figure 43) : un comportement élastique pour lequel aucune déformation résiduelle ne se maintient après décharge, parfois suivi d’un stade de déformation
plastique parfait (seuil plastique constant) et avec écrouissage (évolution du seuil plastique
avec l’écoulement) caractérisé par une déformation résiduelle après décharge.
Dans bien des cas, le temps intervient, et la courbe de traction est fonction de la vitesse de sollicitation. Un arrêt à contrainte constante s’accompagne d’une déformation dite en fluage ; un arrêt à déformation constante s’accompagne d’une relaxation de la contrainte. Ceci est la manifestation de la viscosité du matériau (dit alors viscoélastique ou viscoélastoplastique). Un dernier stade d’endommagement conduit à la rupture. L’endommagement se manifeste par l’altération progressive des propriétés mécaniques. Selon les matériaux, la rupture peut se produire plus ou moins tôt, notamment en stade élastique ou plastique avant endommagement.
On peut classer les matériaux en deux catégories : les matériaux fragiles qui sont élastiques jusqu’à la rupture (et ont en général de faibles allongements avant de rompre) et les matériaux ductiles (acier, polymères thermoplastiques…), c'est-à-dire ceux qui passent par un stade de déformation plastique avant de rompre. On représente les courbes de traction correspondant à ces deux comportements sur la Figure 43.
Les courbes contrainte-déformation donnent accès essentiellement à :
• la charge de rupture de l’éprouvette, qui permet de calculer sa ténacité,
• l’allongement à la rupture, c’est à dire, l’extensibilité du film, qui constitue une mesure de sa souplesse et de sa flexibilité,
• le module élastique, qui caractérise sa rigidité dans la zone de déformation élastique.
Elasticité Rupture σr σ εr ε Striction Seuil de plasticité Plasticité Elasticité Rupture σr σ εr ε a) b)
Figure 43 : Courbes de traction (contrainte - déformation) pour a) un matériau fragile, b) un matériau ductile.
III.3.2.a.3 Note sur les propriétés mécaniques des polymères
Le comportement mécanique des polymères est caractérisé par une grande diversité apparente : un même polymère, si l’on fait varier ses caractéristiques, peut être fragile, ductile ou élastique…
Le comportement des polymères dépend fortement de la température (ou de la fréquence de sollicitation12) : ils sont le siège de transitions de comportement qui peuvent être associées aux différentes relaxations moléculaires. Ils ne se comportent comme des matériaux élastiques idéaux que sur des échelles de température relativement courtes car ils sont fondamentalement viscoélastiques.
Nous présentons schématiquement sur la Figure 44 les différents comportements observés chez les polymères en fonction de la température ou de la fréquence de sollicitation. Il s’agit
pourra se référer pour plus de précision à [Fontanille et Gnanou, 2002 ; Petitet et Barquins, 2008]. Log ω G’ G’’ Ecoulement visqueux Caoutchouteux Viscoélastique Vitreux
Figure 44 : Evolution schématique des modules viscoélastiques d'un polymère amorphe en fonction de la fréquence ω de sollicitation [Fontanille et Gnanou, 2002]
A l’état vitreux (basses températures ou hautes fréquence), les mouvements moléculaires accessibles au polymère ne peuvent pas amorcer de mouvements coopératifs le long du squelette de la chaîne. Les déformations accessibles sont faibles et les modules élevés. La déformation élastique est contrôlée par le terme enthalpique de son énergie interne (comme pour les métaux).
La transition vitreuse délimite le passage de l’état vitreux à l’état caoutchouteux en passant par un état viscoélastique. Elle se traduit par une diminution brutale du module G ; le module de perte G’’ atteint sa valeur la plus haute, alors que le module de conservation G’ diminue fortement (d’un facteur 1000).
Le plateau caoutchouteux, pour lequel la chaîne balaie spontanément ses conformations possibles mais sans désenchevêtrement des chaînes à grande échelle, prend fin lors de l’écoulement du polymère, c'est-à-dire lorsqu’il entre dans son état fluide.
La tangente de l’angle de déphasage (δ), appelé facteur de perte, correspond au rapport du module de perte sur celui de conservation : ce facteur est souvent utilisé pour évaluer la perte d’énergie par rapport à celle restituée. Une valeur nulle ou faible de ce facteur est le fait d’un comportement purement élastique alors qu’une valeur élevée traduit une réponse non élastique marquée.
III.3.2.b Propriétés des films de peintures
Les propriétés des films de peinture sont liées à leur structure : dans les films d’huiles siccatives par exemple, l’oxydation et la polymérisation au cours du séchage conduisent à la formation d’un réseau tridimensionnel dans lequel les ponts transversaux sont séparés par de longues chaînes capables de se plier au repos et de s’étirer sous l’effet de la traction. L’élasticité et la plasticité sont considérablement améliorées si les mailles du réseau sont suffisamment larges pour permettre ‘au jeu de la libre rotation’ de s’exercer sur les segments de chaîne compris entre deux ponts transversaux [Champetier, 1962]
Dans le domaine des peintures et vernis commerciaux - et il en est de même dans le cas de la peinture artistique - le matériau ‘idéal’ formerait un film à la fois dur et tenace d’une part, souple et flexible d’autre part. Ce matériau serait donc caractérisé par une charge à la rupture, un module de rigidité et une extensibilité élevés. Ces propriétés permettent une bonne résistance à l’abrasion, aux chocs, aux déformations de grande amplitude… Cependant rares sont les matériaux qui possèdent toutes ces qualités et les conservent au cours de leur vieillissement. D’après [Champetier, 1962] un vernis durci par cuisson, contenant une résine glycérophtalique ou époxyde combinées à 35-45 % d’acides gras d’huiles non siccatives ou peu siccatives présenterait ces qualités. En pratique un film dur est bien souvent cassant (charge de rupture élevée mais faible allongement à la rupture), et les films plastiques, très flexibles sont mous.
Différentes études ont été menées sur des peintures commerciales le plus souvent mais aussi à des fins de conservation dans le domaine des peintures artistiques, afin d’en déterminer les propriétés mécaniques (la rigidité, la dureté, la résistance, la charge et l’allongement à la rupture).
Les études réalisées sur des peintures montrent des variations importantes d’un pigment à l’autre (Figure 45 et Figure 46) : le module d’Young passe ainsi de 5 MPa dans le cas d’une peinture à la terre d’ombre, à 300 MPa pour une peinture au blanc de plomb et 1670 MPa pour une peinture à l’oxyde de zinc [Mecklenburg, 2007]. Les valeurs élevées de la résistance
Déformation 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 C on tr ai nt e (M Pa ) 3 1 2 5 4 0
Figure 45 : Courbes de traction de peinture à base de six pigments différents et d'huile de lin pressée à froid. Les comportements vont de très peu rigide et flexible (ocre jaune et terre d’ombre) à très cassant (oxyde de zinc). Les essais sont réalisés à 23°C, et à une humidité relative
de 48 % [Mecklenburg, 2007]. Déformation C on tr ai nt e (M P a) 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 1 0 2 3 4
Figure 46 : Courbes de traction de peinture à base d’ocre jaune ou de terre d’ombre et d'huile de lin pressée à froid au bout de 1 et 12 ans. Les essais sont réalisés à 23°C, et à une humidité relative de 48 %. Pour ces deux peintures (contrairement au blanc de plomb par exemple) la
charge et l’allongement à la rupture diminuent avec le temps. [Mecklenburg, 2007]
Déformation C on tr ai nt e (M Pa ) 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 1 0 0,5 2 1,5 2,5
Figure 47 : Courbes de traction de peinture à base de terre d’ombre brulée avec ou sans manganèse et d'huile de lin pressée à froid. Les essais sont réalisés à 23°C, et à une humidité
Les films de peinture à base d’ocre et de terres deviennent moins rigides avec le temps, contrairement aux autres peintures (Figure 46). Il est intéressant de noter l’influence du manganèse présentée dans ce même article : dans le cas d’une terre d’ombre sans manganèse, la peinture devient moins rigide avec le temps alors que sa rigidité augmente dans le cas d’une terre d’ombre contenant 12 % de manganèse (Figure 47). Cependant une peinture à base de terre d’ombre contenant une proportion importante de manganèse devient très cassante avec le temps, présentant un allongement à la rupture très faible. Des indications qui semblent contradictoires ont été trouvées dans une autre étude [Champetier, 1962] : l’utilisation de manganèse comme siccatif améliorerait à la fois la résistance à la traction et l’extensibilité de la peinture. Ces conclusions semblent donc à prendre avec précaution.