Synthèse : Problématique de la thèse et stratégie adoptée

1.4.1 Bilan

Ce chapitre a permis de présenter le vieillissement des polymères semi-cristallins et plus particulièrement celui du Polyamide 11. Après avoir présenté la structure d‟un semi-cristallin et plus particulièrement celle du PA11, nous avons défini la notion de vieillissement. Dans le cas du PA11, nous sommes en présence d‟un couplage de différents types de vieillissement (physique et chimique).

- Le vieillissement physique qui est dû à la migration des additifs du PA11, à la plastification par l‟eau et au vieillissement thermique.

- Le vieillissement chimique qui se caractérise par des coupures statistiques dans la phase amorphe du matériau. Dans notre cas, le phénomène présent est principalement l‟hydrolyse. Les deux types de vieillissement engendrent des conséquences au niveau de la microstructure du matériau et au niveau de son comportement mécanique. En suivant l‟évolution des tendances de ces grandeurs, le vieillissement physique et le vieillissement chimique peuvent avoir des effets cumulatifs ou opposés (Tableau 1-3). Il est donc difficile d‟isoler l‟impact de chaque mécanisme isolé.

Module d‟Young Déformation à la rupture Contrainte seuil Tg Masses moléculaires Cristallinité Recuit thermique

= =

plastifiés)

= =

Plastification par

l‟eau

= =

Hydrolyse

Oxydation

Tableau 1-3 Bilan : mise en relation des grandeurs mécaniques et physico-chimiques étudiées avec

les différents vieillissements

La littérature décrit bien les mécanismes de diffusion et de réactions chimiques dans les polymères semi-cristallins et notamment dans le PA11. La reprise en eau observée dans la thèse de Chaupart [67] a été étudiée dans d‟autres matériaux mais peu d‟attention a été porté concernant le PA11.

Afin de caractériser la transition ductile fragile du polyamide, la littérature effectue des rapprochements entre propriétés macroscopiques et propriétés microstructurales. Peu d‟attention a été portée sur la modélisation du comportement mécanique avec prise en compte du vieillissement. Mazan [74] remonte aux propriétés élastiques du matériau grâce aux propriétés microstructurales. La modélisation du comportement elastoviscoplastique au cours du vieillissement est donc un réel manque dans la littérature.

Figure 1-53 Organigramme de synthèse

La Figure 1-53 résume les phénomènes présents lors d‟un vieillissement hydrolytique avec les conséquences sur le comportement mécanique macroscopique, en traction uniaxiale. Lors d‟un vieillissement hydrique, la diffusion d‟eau a pour effet un gonflement du matériau ainsi que sa plastification. La plastification par l‟eau est en partie à l‟origine du comportement ductile du polymère. L‟eau réagit également chimiquement avec le polymère par réaction d‟hydrolyse ce qui a pour conséquence sa fragilisation. L‟ensemble de ces phénomènes sont dépendants de la température. La microstructure évolue également avec celle-ci par recristallisation associée à un vieillissement physique.

1.4.2 Stratégie et démarche

L'enjeu de la thèse consiste à développer un module d’endommagement et à l’intégrer dans un modèle de comportement mécanique existant, dans l’objectif de pouvoir décrire la transition ductile-fragile des polyamides au cours du vieillissement en milieu humide.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur deux axes afin de comprendre les différents mécanismes présents lors du vieillissement hydrolytique du PA11.

 Un de nos objectifs est de proposer un modèle numérique par éléments finis permettant de décrire les évolutions physico-chimiques observées lors du vieillissement du PA11. Plus précisément, l‟idée est de proposer un modèle diffuso-réactif couplant les mécanismes d‟hydrolyse et de prise en eau du PA11 au cours du vieillissement. Ce modèle nous permettra de décrire la teneur en eau ainsi que la cinétique de coupures de chaines en tout point du matériau.

 Ensuite, il s‟agira d‟intégrer ces descripteurs physico-chimiques dans le formalisme du modèle mécanique des polymères semi-cristallins développé à IFPEN (modèle Viscopol). Ce modèle est issu d‟une approche phénoménologique tirée de la mécanique des sols. Il permet de rendre compte du comportement élastoviscoplastique des polymères semi-cristallins dans les calculs de structure. La variabilité du comportement mécanique est captée par les paramètres du

modèle. Ceux-ci sont en lien plus ou moins explicites avec l‟état microstructural du matériau. Dans le contexte du vieillissement humide, il s‟agira de faire évoluer ces paramètres mécaniques avec le degré de vieillissement du matériau au travers des descripteurs identifiés précédemment.

Dans le but de caractériser et de comprendre l‟évolution des grandeurs physicochimiques et mécaniques, nous allons proposer de découpler les effets de température et d‟hydrolyse sur du PA11 non plastifié. Le PA11 non plastifié permettra de s‟affranchir des effets sur la microstructure du plastifiant.

La première étape consiste à rechercher une épaisseur d‟éprouvette optimale pour limiter les gradients de vieillissement dans l‟épaisseur. Cela permettra de définir les conditions de vieillissement optimales afin d‟avoir des temps de vieillissement raisonnable mais qui soient suffisamment longs pour observer une évolution de la dégradation du matériau. Pour cela, il est proposé dans ce travail un enrichissement du modèle diffuso-réactif de Chaupart pour prendre en compte la reprise en eau au-delà du mécanisme de diffusion fickien classique.

La seconde étape a pour objectif d‟étudier les conséquences de l‟hydrolyse et de la température sur les propriétés d‟utilisations du PA11. Pour cela nous allons effectuer deux protocoles de vieillissement. Le premier est en température uniquement, à 110°C, dans un milieu inerte. Le second protocole est en température, à 110°C, et avec de l‟eau acidifiée au moyen d‟une pression de CO2 de l‟ordre de 21 bar pour atteindre un pH4. Après avoir fait vieillir les échantillons de PA11, des mesures des propriétés physico-chimiques ainsi que des essais mécaniques sont réalisées. Le travail d‟interprétation des résultats et de mise en relation des grandeurs à différentes échelles constitue l‟étape clé de cette partie. La dernière étape est de modéliser la transition ductile-fragile des polyamides au cours du vieillissement en milieu humide. Pour cela, nous allons intégrer les descripteurs physico-chimiques identifiés précédemment dans un modèle mécanique basé sur une représentation biphasique de la microstructure (VIScoPOL). Ce modèle permet de rendre compte du comportement élastoviscoplastique des polymères semi-cristallins dans les calculs de structure.