Effets du vieillissement Ultraviolet sur le comportement mécanique des polymères semi-cristallins en chargement cyclique et monotone : expérimentation et modélisation

Effects of Ultraviolet ageing on the mechanical behavior of semi-crystalline polymers under cyclic and monotonous loadings : experimentation and modelling

• Auteur / Autrice : Hamza Lamnii
• Direction : Moussa Naït Abdelaziz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Mécanique de Lille - Joseph Boussinesq
• DOI : 10.70675/4416c27ezb9e5z45e5z95a5zc184301317ba

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photodégradation

Polymères cristallins

Propriétés mécaniques

Effets du rayonnement ultraviolet

Polyéthylène

Viscoplasticité

Polymères -- Détérioration

Mots clés libres

Polymères -- Fatigue

Résumé

Les polymères sont utilisés sous différentes conditions climatiques et peuvent être soumis à plusieurs types de vieillissement. En particulier, l'exposition aux ultraviolets (UV) modifie la structure chimique du matériau, et conduit à la dégradation de leurs propriétés mécaniques. Le vieillissement par radiations UV est le résultat d'un processus compétitif de scission de chaînes et de post-réticulation. Bien qu'il y ait une littérature abondante sur les processus physico-chimiques induits par les UV sur les polymères, un nombre limité d'études se sont focalisées sur les conséquences induites sur leurs propriétés mécaniques, ce nombre étant encore plus restreint quant à leur durée de vie en fatigue. Ce travail s'intéresse à l'étude des effets des rayons UV sur les propriétés mécaniques des polymères semi-cristallins et en particulier sur les propriétés en fatigue. Le matériau choisi pour cette étude est le polyéthylène basse densité (PEBD). Les éprouvettes ont été exposées à différents taux d'irradiation UV puis leur durée de vie a été mesurée via des essais de fatigue cyclique. Ces derniers ont été réalisés à amplitude de contrainte maximale constante. Les résultats montrent une diminution importante de la durée de vie avec l'augmentation de la dose absorbée. Par le biais du principe d'équivalence temps-température, un facteur de glissement a été introduit permettant la construction de courbes maîtresses intégrant à la fois les effets de la dose absorbée et celles de la fréquence de sollicitation en fatigue. D'autre part, un modèle élasto-plastique a été développé pour décrire le comportement en fatigue du polyéthylène à l'aide de deux composantes d’écrouissage : l'une cinématique, la deuxième étant la résistance entropique définie à partir du modèle hyperélastique macromoléculaire à huit chaînes. Un couplage avec un modèle d'endommagement élastique a ensuite été effectué dans un cadre thermodynamique tel que proposé par Lemaitre et Chaboche pour la fatigue à grand nombre de cycles dans le but de décrire le processus jusqu'à la rupture. Les résultats obtenus indiquent que le modèle développé permet de reproduire de manière satisfaisante le comportement en fatigue observé expérimentalement jusqu'à la rupture que ce soit pour la fatigue endurance ou la fatigue oligocyclique.

The polymers are used under different climatic conditions and can be subjected to several types of aging. In particular, exposure to ultraviolet (UV) modifies the chemical structure of the material, and leads to the degradation of their mechanical properties. UV radiation aging is the result of a competitive process of chain scission and post-crosslinking. Although there is abundant literature on the physico-chemical processes induced by UV on polymers, a limited number of studies have focused on the consequences induced on their mechanical properties, this number being even more limited when considering their fatigue life. This work focuses on the effects of UV radiation on the mechanical properties of semi-crystalline polymers and in particular on fatigue properties. The material chosen for this study is low density polyethylene (LDPE). The test pieces were exposed to different levels of UV irradiation and their lifetime was measured via cyclic fatigue tests. These tests were achieved at constant maximum stress amplitude. The results show a significant decrease in the lifespan with the increase of the absorbed dose. Through the principle of time-temperature equivalence, a slip factor has been introduced allowing the construction of master curves integrating both the effects of the absorbed dose and those of the fatigue loading frequency. On the other hand, an elastoplastic model has been developed to describe the fatigue behavior of polyethylene using two work hardening components: the first one is the kinematic hardening, the second being the entropic resistance defined from the macromolecular hyperelastic model, the so-called eight chain model. The model was then completed by integrating elastic damage using a thermodynamic framework as proposed by Lemaitre and Chaboche for fatigue in order to describe the process up to failure. The obtained results indicate that the developed model is able to capture in a satisfactory manner the fatigue behavior observed experimentally up to fracture, whether for high cycle fatigue or low cycle fatigue.