Fragilisation mécanique du polyamide 11 en condition d'hydrolyse : mécanisme et modélisation

par Sofiane Maïza (Maiza)

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Jean-Claude Grandidier et de Sylvie Castagnet.

Le président du jury était Christophe Fond.

Le jury était composé de Nadège Brusselle, Gilles Robert, Xavier Lefebvre.

Les rapporteurs étaient Bruno Fayolle, Laurent Stainier.


  • Résumé

    Le polyamide 11 (PA11) est soumis à des conditions particulières d’utilisation (contraintes mécaniques, température élevée en présence d’eau) au cours desquelles ses caractéristiques mécaniques et physico-chimiques peuvent être altérées. Notamment l’hydrolyse peut générer une fragilisation du matériau par coupure des chaines macromoléculaires. On peut trouver dans la littérature des rapprochements entre propriétés macroscopiques et propriétés microstructurales afin de caractériser la transition ductile-fragile du polyamide. Mais peu d’attention a été portée jusqu’à présent sur la modélisation du comportement mécanique évoluant avec le vieillissement en lien avec la diffusion d’eau dans le matériau.L’objectif de ce travail de thèse est donc de pouvoir prédire la transition ductile-fragile des polyamides, du PA11 en particulier, au cours d’un vieillissement en température et en milieu aqueux acide.La première partie du travail de thèse a porté sur la compréhension de la dégradation mécanique du PA11 en fonction d’un vieillissement hydrique et thermique (à pH4 et à 110°C) en s’appuyant sur une campagne expérimentale afin de relier l’évolution du comportement mécanique macroscopique à celle de descripteurs physico-chimiques. Tout d’abord, des essais de vieillissement en milieu acide et en température ont été effectués pour évaluer la dégradation aux temps longs du PA11. Puis, pour décorréler les effets de l’hydrolyse des effets de recuit, des essais de vieillissement thermique uniquement, en milieu neutre, ont été réalisés. Des essais de traction à la rupture, et des essais de fluage ont ensuite été menés dans le but de mesurer d’éventuelles modifications des propriétés mécaniques au cours du vieillissement. Différentes caractérisations physico-chimiques (DSC, GPC, FTIR, viscosimétrie) ont permis de relier des changements morphologiques à différentes échelles du matériau à l’évolution de ces grandeurs mécaniques macroscopiques. Dans un second temps, une modélisation de la transition ductile-fragile du PA11 au cours du vieillissement a été mise en place. L’évolution de descripteurs physico-chimiques a été intégrée dans le formalisme d’un modèle mécanique développé à IFPEN pour rendre compte du comportement biphasique des polymères semi-cristallins. Le modèle permet de décrire l’impact du vieillissement sur le comportement mécanique du PA11, en particulier l’initiation ainsi que la propagation d’une striction le cas échéant. Enfin, une modélisation de la rupture du PA11 par fragilisation est proposée.

  • Titre traduit

    Hydrolysis-Included Mechanical Embrittlement of Polyamides : Mechanisms and Modelling


  • Résumé

    The prediction of the long-term behaviour of polyamides (PAs) is a major challenge for the structural design of various technological equipment in the field of energy and transport. PAs are very ductile when new, but they are sensitive to hydrolysis.Structure-properties relationships of PAs during ageing in water have been somewhat studied in literature. But little attention has been paid so far to the modeling of the mechanical behavior evolving with ageing in relation to the diffusion of water in the material.This work aims to be able to predict the ductile-brittle transition of polyamides, PA11 in particular, during ageing in temperature and acidic aqueous medium.The first part of the work focused on understanding the mechanical degradation of PA11 as a function of hydric and thermal ageing (at pH4 and at 110 ° C), based on an experimental campaign in order to link the evolution of the macroscopic mechanical behavior to that of physicochemical descriptors. First, acid and temperature ageing tests were performed to evaluate the long-term degradation of PA11. Then, in order to decorrelate the effects of the hydrolysis of the annealing effects, tests of thermal ageing only, in neutral environment, were carried out. Tensile tests at break and creep tests were then performed in order to measure possible changes in the mechanical properties during ageing. Different physicochemical characterizations (DSC, GPC, FTIR, viscosimetry) made it possible to link morphological changes at different scales of the material to the evolution of these macroscopic mechanical quantities.Secondly, a modeling of the ductile-brittle transition of PA11 during ageing was put in place. The evolution of physicochemical descriptors has been integrated into the formalism of a mechanical model developed at IFPEN to account for the biphasic behavior of semi-crystalline polymers. The model makes it possible to describe the impact of ageing on the mechanical behavior of PA11, in particular the initiation as well as the propagation of a neck if necessary. Finally, a model of the rupture of PA11 by embrittlement is proposed.


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