Oxidation induced embrittlement in polypropylene - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2001

Oxidation induced embrittlement in polypropylene

Fragilisation du polypropylène induite par oxydation

Bruno Fayolle
  • Fonction : Auteur

Résumé

The thermooxidative ageing of polypropylene (PP) films, in the 70-140°C temperature range, has been studied by common (FTIR spectrophotometry, tensile testing) and less common (molecular mass measurements, Essential Work of Fracture) methods. It appears that the polymer, initially very ductile, adopts a brittle behaviour in tensile test, whereas oxidation remains undetectable by FTIR measurements. This embrittlement, corresponding to a localization of the plastic deformation, appears to be linked to a random chain scission process: ductile-brittle transition occurs when the weight average molecular weight reaches a critical value M'C=200 kg/mol. This value is consistent with the available data on virgin samples of different molecular weight. This result is difficult to reconcile with the theories, frequently found in the literature : according to them, embrittlement would be due to the formation of defects induced by heterogeneous oxidation at small scale. On the contrary, a detailed analysis suggests that oxidation is rather homogeneous in the amorphous phase and affects the interlamellar connectivity whose crucial role in plastic deformation process is well known. Taking in account this result, a kinetic model is proposed. It predicts structural changes, especially the molecular weight evolution and the thickness distribution of oxidation products through a diffusion-reaction coupling. This model allowed us to give lifetime predictions using embrittlement at M=M'C as endlife criterion. The comparison with experimental results (shape of kinetic curves, lifetime values, thickness profile of degradation products) demonstrates the good predictive value of the model. It is noteworthy that this model is not build from empirical parameter.
Nous avons étudié le vieillissement thermooxydant de films de polypropylène isotactique (iPP) dans l'intervalle de température 70-150°C par des méthodes classiques (spectrométrie IR, essai de traction) et moins courantes (mesure de masse molaire), voire relativement nouvelles (travail essentiel de rupture EWF). Il apparaît que le polymère, initialement fortement ductile, adopte un comportement fragile (en traction) alors que le phénomène d'oxydation est encore indétectable par IR. Cette fragilisation, correspondant à une localisation de la déformation plastique, apparaît comme une conséquence d'un processus de coupure de chaîne de type aléatoire : la transition ductile-fragile se manifeste lorsque la masse molaire en poids atteint une valeur critique M'C=200 kg/mol, ce qui est compatible avec les données disponibles sur des échantillons vierges de masse molaire variable. Ce résultat est donc difficile à concilier avec les théories, courantes dans la littérature, selon lesquelles la fragilisation serait attribuable à la formation de défauts induits par oxydation hétérogène à petite échelle. L'analyse approfondie des résultats suggère au contraire que l'oxydation est homogène (dans la phase amorphe) et affecte la connectivité interlamellaire dont on connaît le rôle crucial dans le processus de déformation plastique. Partant de ce constat, nous avons élaboré un modèle cinétique rendant compte de l'évolution de la structure, en particulier de la masse molaire, dans lequel un couplage réaction-diffusion permet de prédire la distribution des produits d'oxydation à tout instant. Nous avons utilisé ce modèle pour prédire la durée de vie, le critère de fin de vie étant la fragilisation, soit M=M'C. La confrontation avec l'expérience (allure des courbes cinétiques, valeur des durées de vie, profil de distribution des produits d'oxydation dans l'épaisseur) démontre les capacités prédictives du modèle dont la caractéristique principale est qu'il ne comporte pas de paramètre empirique.
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Dates et versions

pastel-00004023 , version 1 (15-07-2008)

Identifiants

  • HAL Id : pastel-00004023 , version 1

Citer

Bruno Fayolle. Oxidation induced embrittlement in polypropylene. Engineering Sciences [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 2001. English. ⟨NNT : 2001ENAM0016⟩. ⟨pastel-00004023⟩

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