Fatigue thermomécanique des élastomères polyuréthane : caractérisation expérimentale de l'évolution des microstructures et modélisation des échanges thermiques

= Thermomechanical fatigue of polyurethane elastomers : experimental characterization of microstructure evolutions and modelling of thermal transfers

• Auteur / Autrice : Pascal Pichon
• Direction : Françoise Mechin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères et composites
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes thermiques

Polyuréthanes

Résumé

Deux formulations polyuréthane segmenté, PP et Adilithe VIII, ainsi que leurs segments souples et rigides modèles, ont été synthétisées par coulée basse pression. Dans la formulation PP, les segments rigides (SR) sont répartis en une partie dissoute dans la matrice souple, une partie sous forme de nodules amorphes et le reste sous forme de lamelles elles-mêmes organisées sous forme de sphérolites. Il existe un gradient de morphologie radial dans les cylindres de diamètre 39 mm de la formulation PP, lié à l’exothermie de réaction lors de la mise en oeuvre. La formulation Adilithe VIII ne présente pas de gradient de morphologie, et montre une bonne séparation de phase. La microstructure et les propriétés de la formulation PP ont été suivies pendant plusieurs semaines après la mise en oeuvre et la cuisson. Au cours de cette période de maturation, l’hydrolyse des fonctions NCO libres pour produire des liaisons urée aux bords des nodules amorphes et des lamelles organisées est à l’origine de l’augmentation du module. En traction comme en compression statiques uniaxiales, les deux formulations ont des comportements très différents. PP a un comportement viscoélastique et met en évidence un effet Müllins très clair. Par contre, Adilithe VIII a, au-delà d’une certaine contrainte, un comportement viscoélastoplastique. Ce comportement limite la gamme d’utilisation en contrainte de ce matériau, en statique comme en dynamique. Le caractère viscoélastique des formulations polyuréthane étudiées mène à la dissipation d’une partie du travail mécanique fourni au système lors d’un essai mécanique dynamique. Tout ou partie de ce travail dissipé est converti sous forme de chaleur et conduit à l’autoéchauffement de l’échantillon lors de l'essai. L’essai de fatigue thermomécanique a pour conséquence un micromélange de phases. Au-delà de la Tg des SR, une partie des nodules amorphes se dissout dans la matrice, ce qui a pour conséquence une baisse du module. Après détermination de tous les échanges thermiques entrant en jeu dans le système, nous avons modélisé avec un bon accord avec l’expérience et sans paramètre ajustable les refroidissements dans l’air d’échantillons de différentes dimensions. La prise en compte d’une résistance thermique de contact entre les plots et les mors en acier a permis de modéliser également les refroidissements d’échantillons entre les mors de fatigue. L’utilisation d’un terme source, relié aux propriétés mécaniques du matériau (complaisance de perte), dans le logiciel de calculs par éléments finis permet de simuler l’autoéchauffement sous contrainte des formulations. La non-stabilisation thermique peut également être simulée avec une équation unique.

Two segmented polyurethane formulations, PP and Adilithe VIII and their soft and rigid models segments, have been synthesized by low pressure casting. For PP materials, hard segments (HS) are partly dissolved in the soft matrix. Part of the HS forms amorphous nodules and the rest forms organized lamellas, which are structured in shape of spherulites. A radial gradient of morphology is present in the 39 mm-diameter PP cylindrical specimen, due to the exothermal reaction during processing. Adilithe VIII materials don’t show any gradient of morphology and a good phase separation. The microstructure and properties of the PP formulation were followed for several weeks after casting and curing. During this ageing period, the hydrolysis of free NCO functions, which produce urea linkages at the border of soft matrix with amorphous nodules and organized lamellae, is held responsible for the modulus increase. Tensile and compressive static testing shows that both formulations have very different behaviours. PP has a viscoelastic behaviour and reveals a clear Müllins effect. Adilithe VIII has, beyond a certain stress, a viscoelastoplastic behaviour. This behavior limits the range of use of this material, in both static as dynamic modes. The viscoelastic behaviour of polyurethane formulations leads to a dissipation of the supplied mechanical work during a dynamic mechanical test. Part of this dissipated work is converted into heat and leads to a self-heating of the sample during the test. The consequence of the thermomechanical fatigue test is a phase mixing. Beyond the Tg of the HS, some amorphous nodules dissolves in the soft matrix, which results in a decrease of the modulus. After determination of all types of heat transfers that take place in the system, we modelled with a good agreement, and without any adjustable parameter, experimental coolings of samples of different sizes. The contact between samples and steel grips was modelled by a thermal contact resistance. This enables to model the cooling of samples between the grips. The self-heating of the materials under dynamical loading is then modelled, via a finite element software, by defining a heat source related to the mechanical properties of the material (loss compliance). Thermal non-stabilization can also be simulated, with use of a single equation.