Thèse
Auteur :
Poulard Fabienne

Date de soutenance :
01 septembre 1998

Directeur(s) de thèse :
Shanahan Martin



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Adhésion du polyamide 11: mécanismes et vieillissement hygrothermal


Résumé : L'utilisation de canalisations en matière plastique pour la réalisation et la rénovation de réseaux de distribution constitue l'une des avancées importantes de l'industrie gazière de ces trente dernières années. La jonction des canalisations thermoplastiques se fait selon le principe d'adhésion par diffusion de chaînes macromoléculaires de part et d'autre de l'interface. Le polyéthylène est le polymère thermoplastique couramment employé par la plupart des compagnies car ses caractéristiques techniques ont permis la mise au point d'installations sûres et économiquement compétitives. Son inconvénient majeur est la difficulté de l'assembler sans fusion de la zone concernée (électro-soudage), technique qui nécessite des installations sur chantier assez lourdes. Aussi Gaz de France a jugé important d'évaluer précisément l'intérêt technique et économique d'une technologie concurrente, fondée sur des tubes en polyamide 11 assemblés par collage. Les réseaux enterrés doivent avoir une durée de vie minimale de 50 ans mais, sous l'influence de l'humidité et de la température, une dégradation des jonctions peut entraîner un problème de fiabilité des installations.
L'objectif de l'étude est d'évaluer la durée de vie à long terme d'assemblages en polyamide 11, collés par le biais d'une colle-solvant, sous l'effet de l'eau et la température. Une première partie expérimentale permet, par un essai de pelage, d'identifier les principaux paramètres qui agissent sur la formation de l'interphase collée et d'étudier leur influence sur les caractéristiques physiques et la résistance mécanique d'un joint collé. Elle met en évidence l'effet de la mise en solution du polymère PA11 par la colle et permet de caractériser la formation de la zone collée (progression du solvant de part et d'autre de l'interface initiale, évolution de la résistance mécanique, corrélation entre mécanismes et faciès de rupture) selon les paramètres d'élaboration (temps de pré-séchage, durée et température de séchage, quantité de colle). Le travail réalisé permet de proposer des recommandations pour le protocole d'élaboration du joint et d'analyser les différentes contributions énergétiques qui interviennent lors de la rupture ainsi que les phénomènes de fragilisation.
Une seconde partie étudie l'influence d'un vieillissement hygrothermique sur la dégradation de joints collés (températures de 20 à 90°C). Outre les éprouvettes en PA11, deux types d§assemblages sont utilisés, en particulier des éprouvettes "tube/manchon" qui modélisent la jonction d'une canalisation gazière réelle. Trois domaines de température ont été mis en évidence, aussi bien sur le matériau PA11 que pour les joints. Ils influent sur l'évolution des propriétés en termes de cinétique d'absorption d'eau, de diminution des caractéristiques mécaniques du PA11 et de résistance du joint collé. A long terme et à température d'exposition élevée, on observe la destruction totale des liaisons au niveau du joint. Il apparaît un rôle de protection joué par la partie massique en PA11 de part et d'autre de la zone interfaciale. Une modélisation a été développée afin d'extrapoler le comportement de ses assemblages collés tube/manchon à long terme et pour des températures d'exposition plus basses.Introduction générale
Chapitre I: Bibliographie
INTRODUCTION
I. UN POLYAMIDE PARTICULIER: LE PA11 - 3
I.1. Synthèse du PA11 et applications - 3
I.2. Structures cristalline et amorphe du PA11 - 5
I.2.1. Morphologie - 5
I.2.2. Polymorphisme de la structure cristalline - 6
I.2.3. Phase amorphe - 8
I.3. Propriétés générales du PA11 - 9
I.3.1. Propriétés physiques - 9
I.3.2. Relaxations a, b, g - 10
I.3.3. Résistance à l'environnement - 11
I.3.4. Propriétés électriques et mécaniques - 13
II. ADHESION - DIFFUSION DES CHAINES POLYMERES - 14
II.1. Les polymères et leurs solutions - 15
II.1.1. Propriétés d'une chaîne macromoléculaire seule - 15
II.1.2. Chaîne en présence de solvant - 16
II.2. Dynamique des polymères - 18
II.1.1. Mouvement des polymères en solution diluée - 18
II.1.2. Notions de concentration critique et d'enchevêtrement - 19
II.1.3. Diffusion de chaînes dans les systèmes enchevêtrés.-20
II.3. Interdiffusion à une interface symétrique polymère-polymère - 22
II.3.1. Modèle de reptation et de chaînes mineures - 22
II.3.2. Dynamique des chaînes à l'interface - 24
II.4. Mécanique - 27
II.4.1. Energie de rupture et paramètres moléculaires - 27
II.4.2. Modèles micromécaniques - 29
III. TEST DE PELAGE - 33
III.1. Analyses du test de pelage - 34
III.1.1. Analyse en contraintes - 34
III.1.2. Analyse en énergie - 36
III.1.3. Bilan global - 39
III.2. Relation pelage / viscoélasticité - 40
III.3. Rupture saccadée ou stick-slip - 42
IV. VIEILLISSEMENT - 44
IV.1. Définition - 44
IV.2. Cinétique de diffusion d'une petite molécule dans un polymère- 44
IV.2.1. Diffusion fickienne - 44
IV.2.2. Diffusions non fickiennes - 46
IV.3. Vieillissement par absorption de solvant - 47
IV.3.1. Interactions solvant/polymère - 47
IV.3.2. Conséquences physiques - 48
IV.3.3. Conséquences chimiques - 50
IV.4. Conséquences d§un vieillissement en milieu humide sur les polyamides - 52
IV.4.1.Diffusion de l§eau dans les PA - 52
IV.4.2. Influence du vieillissement sur les propriétés - 55
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
Chapitre II: Matériaux, Techniques et Caractérisations
INTRODUCTION
I. LES MATERIAUX: LE PA11 ET LA COLLE-SOLVANT- 63
I.1. Les éprouvettes en PA11 - 63
I.2. La colle-solvant - 64
II. TECHNIQUES EXPERIMENTALES - 65
II.1. Tests mécaniques - 65
II.1.1. Montage de pelage - 65
II.1.2. Essai de traction - 67
II.2. Caractérisations physico-chimiques - 68
II.2.1. Analyse par calorimétrie différentielle (DSC) - 68
II.2.2. Analyse viscoélasticimétrique (DMTA) - 70
II.2.3. Gravimétrie - 71
II.2.4. Densimétrie - 71
II.2.5. Conditions de vieillissement et de séchage - 72
II.2.6. Mouillage - 72
III. CARACTERISATION DES MATERIAUX ET DES EPROUVETTES COLLEES - 75
III.1. Les éprouvettes en PA11 - 75
III.1.1. Films - 75
III.1.2. Tubes - 78
III.1.3. Manchons - 79
III.1.4. Haltères - 80
III.2. Colle-solvant - 81
III.2.1. Analyse des constituants de la colle-solvant - 81
III.2.2. Calcul des paramètres de solubilité - 84
III.2.3. Calcul des paramètres moléculaires - 85
III.3. Les éprouvette collées - 88
III.3.1. Conservation des matériaux - 88
III.3.2. Eprouvettes de pelage - 88
III.3.3. Protocole des assemblages tube/manchon - 90
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
Chapitre III: Structure du joint et mécanismes d'adhésion
INTRODUCTION
I. DIFFUSION DE LA COLLE-SOLVANT DANS LE JOINT - 97
I.1. Absorption et diffusion de la colle-solvant dans le PA11 - 97
I.1.1. Absorption de la colle-solvant - 97
I.1.2. Evaporation et diffusion de la colle-solvant - 98
I.2. Influence de la colle-solvant sur le PA11 - 100
I.2.1. Conséquences sur la structure du PA11 - 100
I.2.2. Influence sur les propriétés mécaniques - 103
I.2.3. Observation de la microstructure - 105
I.3. Suivi du solvant dans le joint collé - 107
I.3.1. Evaporation au cours du séchage - 107
I.3.2. Diffusion du solvant dans une éprouvette collée - 107
II. INFLUENCE DE DIVERS PARAMETRES SUR LA RESISTANCE DES JOINTS - 114
II.1. Durée de pré-séchage - 114
II.2. Durée et température de séchage - 117
II.2.1. Etude des premières heures de séchage à 20°C - 117
II.2.2. Séchage à différentes températures et durées longues - 120
II.3. Quantité de colle - 125
II.3.1. Energie de pelage - 125
II.3.2. Stick-slip - 126
II.3.3. Observations des faciès de rupture - 130
II.4.Discussion - 133
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
Chapitre IV: Vieillissement
INTRODUCTION
I. VIEILLISSEMENT DU POLYAMIDE 11 - 141
I.1. Cinétique d'absorption d'eau - 141
I.1.1. Films en PA11 - 141
I.1.2. Tubes et manchons - 144
I.1.3. Eprouvettes haltères - 148
I.2. Evolution des propriétés physiques - 149
I.2.1. Relaxations a et b lors d'un vieillissement à 20°C - 149
I.2.2. Température de transition vitreuse à différentes températures de vieillissement - 149
I.2.3. Evolution des domaines cristallins - 151
I.2.4. Observations visuelles - 152
I.3. Evolution des propriétés mécaniques - 154
I.4. Conclusion de l'étude sur le vieillissement du PA11 - 156
II. ETUDE DU VIEILLISSEMENT DU JOINT COLLE - 158
II.1. Vieillissement de la jonction collée film/film - 158
II.1.1. Variation de masse sous l'effet de l'eau et de la température - 158
II.1.2. Vieillissement et pelage - 160
II.1.3. Observation des conséquences du vieillissement - 163
II.2. Vieillissement de l'assemblage tube/manchon - 165
II.2.1. Variation de la masse sous l'effet de l'eau et la température - 165
II.2.2. Evolution de la résistance des joints - 167
II.2.3. Observation des conséquences du vieillissement - 172
II.3. Rupture dans le joint au cours du vieillissement - 174
II.3.1. Comparaison entre assemblages collés film/film et tube/manchon - 177
II.3.2. Etude de la dégradation des joints collés - 179
II.4. Conclusion de l'étude sur le vieillissement du joint collé - 183
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
Conclusion générale
Annexes
1. Calcul des composantes de l'énergie de surface du PA11
2. Calcul du coefficientcorrectif
3. Influence du séchage sur l'absorption

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