Effets de l’eau sur les constituants des composites

2.4.3.1 La matrice

Les matrices polymères largement utilisées dans la fabrication des matériaux composites sont généralement très sensibles à l’humidité. En effet, l’humidité absorbée entraine des modifications chimiques et dimensionnelles sous forme de plastification de la matrice et provoque le gonflement du matériau.

Lorsque les molécules d’eau entrent en contact avec les chaines moléculaires du polymère, un phénomène de plastification peut se produire. Ce phénomène peut causer le bris des liaisons de Van Der Waals. Ceci permet aux chaines moléculaires du polymère de se mouvoir plus facilement. La cohésion mécanique du réseau macromoléculaire de la matrice est alors partiellement détruite tandis que la mobilité moléculaire est augmentée.

Les phénomènes de plastification de la matrice se traduisent par une baisse plus ou moins sensible de la température de transition vitreuse et des propriétés thermomécaniques du matériau [59], comme le montre la figure 2.12.

Généralement, plus la quantité d'eau absorbée par le matériau est importante, plus la température de transition vitreuse diminue. Parallèlement à la diminution du Tg, une chute des propriétés mécaniques, gouvernées par la matrice (cisaillement, compression, etc.) peut être constatée. Théoriquement, la plastification par l'eau demeure réversible et les propriétés initiales du matériau sont restaurées après dessèchement du matériau.

Figure 2.12: Variation de la Tg en fonction du taux d’humidité [59]

2.4.3.1.2 Gonflement

Plusieurs chercheurs [46, 60, 61] ont décrit une augmentation du volume de l’échantillon en fonction de l’augmentation de masse d’eau absorbée. Ce phénomène est dû à la pénétration de l'humidité dans le composite qui provoque, le plus souvent, le développement des contraintes internes. Le changement de volume peut être considéré comme gonflement si le gain en volume rapporté au volume à sec dépasse 3%. Il faut donc effectuer des mesures de masse volumiques à

l'état gonflé. Sar et al. [60], et Gueribiz et al. [61] ont proposé des modèles de diffusion fondés sur la théorie des volumes libres pour estimer le taux du gonflement hydrique. Contrairement à la plastification, l'hydrolyse et la rupture par gonflements différentiels sont irréversibles.

2.4.3.2 Les fibres

Les fibres non organiques, tel que les fibres de verre ou de carbone, sont généralement moins influencées par l’humidité que la matrice en polymère. Cependant, les fibres de verre de type E peuvent absorber une quantité d’eau d’environ 0,1%, dans des conditions normalisées à 20°C et à 65% d'humidité relative. Cette quantité d’humidité absorbée peut augmenter si le vieillissement est réalisé en immersion et les fibres sont en contact direct avec l'eau. De plus, la résistance des fibres peut être affectée par l’humidité. Par exemple, la figure 2.13 illustre la variation de la résistance des fibres de verre E et S immergées dans l'eau distillée pendant 100 jours. Cette figure montre que l’effet de l’eau sur les fibres nues est considérable. En effet, on remarque une perte de résistance d’environ 35% pour le verre E et 25% pour le verre S [62].

Figure 2.13: Effets de l’humidité sur la propriété des fibres de verre S et de verre E [62] Les fibres de verre sont sujettes à l'attaque par l’humidité. Les effets chimiques sur les fibres de verre peuvent être démontrés avec les équations suivantes, qui présentent une séquence de réactions conduisant au clivage des liaisons silicium-oxygène et à leur conversion en hydroxysilane [63] :

Si−ONa + H2O → Si−OH + NaOH Si−O−Si + OH- _{→ Si−OH + Si-O}- Si−O- _{+ H}

La réaction globale, qui est autocatalytique en raison de l'augmentation progressive du niveau de pH, entraîne une dégradation et une formation de défauts à la surface des fibres de verre et une réduction significative de la résistance du composite renforcé par des fibres de verre [63].

2.4.3.3 Dégradation de l'interface fibre/matrice

L'interface est définie comme la région non homogène située entre la matrice et les fibres. L'adhérence entre la fibre et la matrice doit être bonne pour que le composite polymère possède des propriétés avantageuses. Lors de l'exposition à l'humidité, la dégradation la plus forte se situe au niveau de l’interface fibre / matrice. Yu et al. [64] ont démontré que l'humidité cause une détérioration de l’interface fibre/matrice. Cette dégradation est plus prononcée pour un vieillissement à température élevée. Les dommages induits par vieillissement sont irréversibles. Ces résultats ont été confirmés par Mouritz [65].

Pour les fibres de verre, les mécanismes qui mènent à une baisse de la qualité d’adhésion sont principalement l’évacuation irréversible des oligomères à bas poids moléculaire, la relaxation des contraintes résiduelles de compression et l’hydrolyse des liaisons à base de silanes.

Pour que le composite conserve ses propriétés lors de l'exposition à l'humidité, l'interface doit résister à la dégradation due à l’absorption d'humidité. Pour diminuer la dégradation, les fibres peuvent être traitées avec des agents de couplage pour améliorer leur adhérence avec la matrice polymère. Dans les composites renforcés de fibres de verre, les agents de couplage réagissent chimiquement avec les fibres de verre, à travers les groupes hydroxyle du silicium et également avec la résine à travers un groupe fonctionnel organique qui est compatible avec la chimie de la résine.

À la fin de cette partie, on peut conclure que l’absorption de l’humidité est principalement influencée par les particularités du milieu ainsi que les caractéristiques des composants du matériau composite. Au cours du vieillissement, des dégradations physico-chimiques se produisent dans le matériau composite. Ces dégradations peuvent induire des processus réversibles, comme par exemple la plastification de la résine ou des processus irréversibles comme la microfissuration de la matrice ou la décohésion de l’interface fibre/matrice. À long terme, ces mécanismes provoquent une modification des propriétés mécaniques et physiques du composite. Les différents types d’endommagements physiques dus au vieillissement hygrothermique sur les matériaux composites sont résumés sur la figure 2.14.

Figure 2.14: Schéma récapitulatif de l’endommagement physique dû au vieillissement hygrothermique sur les matériaux composites [35]