Facteurs intrinsèques et extrinsèques influençant le coefficient de diffusion

Les cinétiques d’absorption d’eau présentées dans la Figure 135 mettent en évidence des comportements légèrement différents suivant la température de vieillissement. Par souci de comparaison, le modèle de la diffusion fickienne a toutefois été utilisé pour déterminer

l’ensemble des coefficients de diffusion D (mm².s-1

) des molécules d'eau dans les composites à toutes les températures.

Comme les masses à saturation à 40 et 60°C sont quasiment identiques, nous avons considéré pour la détermination des coefficients de diffusion que les composites à 30°C auraient atteint les mêmes masses à saturation si le temps de l'expérience était plus long. Les résultats obtenus sont présentés dans le Tableau 26.

Tableau 26 - Evolution du coefficient de diffusion D (x10^-6 mm².s^-1) des composites aux différentes températures d'immersion dans l'eau

Température (°C)

30 40 60 80

PE+18% lin 1,0.10^-1 1,4.10^-1 4,9.10^-1 9,4.10^-1

PE+38% lin 0,9.10^-1 1,3.10^-1 5,2.10^-1 14,3.10^-1

PE+42% lin +A.C 0,9.10^-1 1,1.10^-1 4,4.10^-1 10,7.10^-1

Il apparait à partir de ces résultats que les coefficients de diffusion des molécules d'eau dans les composites sont plus ou moins influencés par les taux de fibres, la présence ou non de l'anhydride maléique et par la température de vieillissement.

Afin de mieux appréhender l'évolution du coefficient de diffusion des composites, la représentation graphique du rapport Mt/Ms en fonction de √t pour les quatre températures de vieillissement a été utilisée. Ainsi, l'influence des paramètres liés au composite (Figure 137) et à la température de vieillissement (Figure 138) a été analysée.

I.1.2.1. Effet du taux de fibres sur le coefficient de diffusion

La Figure 137 présente l'évolution aux quatre températures 30, 40, 60 et 80°C, de la prise de masse normalisée des composites en fonction de la racine carrée du temps de vieillissement. Les résultats obtenus montrent qu’entre 30 et 60°C, il n'y pas ou peu d'effet du taux de fibres sur le coefficient de diffusion des composites avec 18 et 38% en masse de fibre. A 80°C, une légère augmentation du coefficient de diffusion est constatée en fonction du taux de fibres, ce qui renforce une probable évolution des matériaux avec à cette température, déjà mentionnée précédemment. L'influence de la géométrie de l'échantillon sur la trajectoire de l'eau a également été étudiée en comparant plaque et éprouvette d'un même composite. Les résultats obtenus ont montré que la géométrie de l'échantillon n'a pas d'influence sur la prise de masse d'eau au cours du vieillissement.

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(a) (b)

(c) (d)

Figure 137 - Evolution de la prise de masse normalisée en fonction de √temps des composites PE renforcés par 18 et 38% en masse lin et par 42% en masse lin avec A.C. à : (a) 30°C; (b)

40°C; (c) 60°C; (d) 80°C

I.1.2.2. Effet de la qualité de l'interface sur le coefficient de diffusion

En comparant les composites avec 38% en masse de fibres et ceux avec 42% en masse avec agent de couplage, il apparait que l’agent de couplage entraine une légère diminution du coefficient de diffusion (Figure 26), phénomène qui s’accentue avec la température de vieillissement. L’agent de couplage assurerait donc bien sa fonction en améliorant l’adhésion fibre matrice et de ce fait limiterait légèrement la diffusion des molécules d’eau dans la zone interfaciale.

I.1.2.3. Effet de la température de vieillissement sur le coefficient de diffusion

La Figure 3 présente l'évolution des masses par rapport aux masses à saturation des composites aux différentes températures d'immersion. La température de vieillissement augmente le coefficient de diffusion des molécules d'eau dans les trois composites. D’après le Tableau 26, il apparait que l'augmentation de la température de vieillissement de 30 à 80°C s'accompagne d'une augmentation du coefficient de diffusion d’au moins un facteur 10. Il semblerait donc que le phénomène d’absorption d’eau dans tous ces composites soit

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thermiquement activé. La variation du coefficient de diffusion en fonction de la température a été déterminée pour les trois composites en se basant sur la loi d’Arrhenius donnée par l'équation:

D = D₀. exp(−^Ea

RT^{) (36)}

La Figure 139 présente l’évolution de D en fonction de 1/T pour chaque matériau. A partir de ces droites, les énergies d’activation ont été calculées. Ainsi, les énergies d'activation des trois composites sont comprises entre 42 et 51 kJ.mol^-1. Espert et al., (2004) ont déterminé des énergies d'activation du même ordre de grandeur, entre 42 et 43 kJ.mol^-1, lors de vieillissements en immersion dans l’eau à 23, 50, 70°C des composites PP renforcé par 20 et 30% en masse de fibres de coco.

(a) (b)

(c)

Figure 138 - Evolution de la prise de masse normalisée à 30, 40, 60 et 80°C des composites PE renforcés par: (a) 18% en masse lin; (b) 38% en masse lin; (c) 42% en masse lin avec A.C.

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Figure 139 - Détermination de l'énergie d'activation de la sorption d'eau dans les composites Dans cette partie, le comportement en immersion dans l'eau des composites PE renforcés par différents taux massiques de fibres de lin, avec ou sans agent de couplage et à différentes températures de vieillissement a été étudié.

Dans un premier temps, il a été montré que les prises de masses maximales augmentent avec le taux de fibres et qu'elles diminuent légèrement en présence de l'anhydride maléique. De plus, pour les composites, la température de vieillissement à 30, 40 et 60°C ne semble pas avoir d'effet sur la masse à saturation, alors qu'à 80°C, les évolutions de prises de masses laissent supposer une évolution du matériau.

Pour ce qui est du coefficient de diffusion des molécules d'eau, il apparait que celui-ci est peu influencé par le taux de fibres jusqu’à 60°C et qu'il peut être légèrement réduit du fait de la présence de l'anhydride maléique. De plus, la température de vieillissement a un important effet sur le coefficient de diffusion. Ainsi, il a été montré que la diffusion dans ces composites est un phénomène thermiquement activé.

Suite à cette première analyse, la réversibilité ou non des phénomènes d’absorption a été étudiée pour mettre notamment en évidence d’éventuelles évolutions de ces matériaux en présence d’eau. Pour cela, la cinétique de séchage de plaques préalablement vieillies en immersion et en humidité relative, puis la cinétique de réabsorption d'eau pour un deuxième cycle de vieillissement a été étudiée. La même température a été gardée pour le vieillissement et le séchage en étuve.

Cette étude a été réalisée uniquement à 30 et à 80°C. La température à 30°C a été choisie car elle est proche de la température d'application et constitue surtout la température optimale de croissance des micro-organismes. La température de 80°C a également été sélectionnée car elle permet d’augmenter fortement les cinétiques de sorption et d’accélérer d’éventuelles évolutions en essayant de modifier le moins possible les mécanismes associés. Ainsi dans la suite de l’étude, les différents matériaux ont été soumis à des cycles longs de

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