Etude de l'influence des paramètres d'injection-cuisson sur le comportement mécanique de pièces moulées par injection en élastomère via une analyse physico-chimique de l'état du réseau

Study of the influence of injection-curing process parameters on the mechanical behaviour of elastomer injection moulded parts via a physico-chemical analysis of the network state

• Auteur / Autrice : Marjorie Le Gal
• Direction : Yann Marco, Nadine Allanic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 18/03/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Vibracoustic
• Jury : Président / Présidente : Bruno Fayolle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Morgane Broudin, Vincent Le Saux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Chazeau, Edith Peuvrel-Disdier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Élastomères

Propriétés thermomécaniques

Caoutchouc

Mots clés libres

Réseau soufre

Procédé d’injection-cuisson

Histoire thermomécanique

Fatigue des élastomères

Injection moulding process

Thermomechanical history

Microstructure

Sulphur network

Fatigue life

Résumé

La conception des pièces en caoutchouc vis-à-vis de la tenue à la fatigue est d'une importance capitale pour les systèmes antivibratoires. L’injection et la vulcanisation de la matière dans un moule est le procédé classique de mise en oeuvre de ces pièces. Les caractéristiques du réseau ainsi obtenu dépendent de la formulation mais aussi des paramètres du procédé : temps, température de vulcanisation, pression, etc. Le lien entre le réseau vulcanisé et les propriétés en fatigue a déjà été mis en évidence mais reste peu compris et documenté. Cette étude fournit une analyse des liens entre les paramètres du procédé, l'histoire thermomécanique subie par le matériau, les densités et les types de réticulation du réseau vulcanisé, et les propriétés de fatigue et de propagation des fissures. Premièrement, deux moules spécifiques ont été conçus et instrumentés pour obtenir des éprouvettes de fatigue et de propagation. Ensuite, de nombreuses campagnes de moulage ont été organisées pour obtenir ces pièces. Des essais de gonflement séquentiels ont permis d'accéder à l'influence des paramètres du procédé sur la densité et sur les types de réticulations. Ensuite, des essais de traction cyclique sans renforcement sur des éprouvettes axisymétriques entaillés et des cisaillement pur fournissent les évolutions de raideur, de durée de vie en fatigue (selon un critère d'initiation) et de vitesse de propagation cyclique des fissures en fonction des paramètres du procédé. Enfin, les liens entre le réseau soufré et les propriétés mécaniques sont mis en évidence et discutés.

Fatigue design of rubber components is of paramount importance for anti-vibration systems. Injection then curing in a mold is the classic way to manufacture these parts. The features of the obtained network are not only dependent on the initial recipe but also on the process parameters: curing time and temperature, pressure, injection speed, etc. The link between the vulcanized network and the fatigue properties has been highlighted but remains not well understood and documented. This study provides an analysis of the relationships between the process parameters, the thermomechanical history experienced by the material, the crosslink types and densities of the vulcanized network, and the fatigue and crack propagation properties. First, two specific molds have been designed and instrumented to obtain fatigue and propagation samples under very well mastered curing conditions. Second, numerous molding campaigns have been organized to obtained samples. Sequential swelling tests provide access to the influence of the process parameters on the crosslink density and on the different types of sulfur crosslinks. Then, cyclic tension tests on axisymmetric notched samples and on pure shear samples provide the evolutions of stiffness, fatigue lifetime (using an initiation criterion) and cyclic crack propagation rate with the process parameters. Finally, the links between the sulfur network and the mecanical properties are highlighted and discussed.