Elaboration, Comportement et Durée de vie en Fatigue du Caoutchouc Naturel chargé de Silice

par Amine Bennani

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Sabine Cantournet.

Soutenue en 2006

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Les élastomères sont renforcés grâce à l'incorporation de charges telles que les noirs de carbone ou encore la silice. Ce qui leur confère de meilleures propriétés (résistance à la rupture, abrasion, rigidité…). Actuellement, les charges renforçantes les plus souvent utilisées sont les noirs de carbone. La substitution de cette charge classique par la silice constitue un challenge dans l'industrie pneumatique. En effet, il est admis que la silice diminue la résistance au roulement des pneus, de matrice synthétique, tout en conservant une bonne adhérence. La particularité de cette étude est d’analyser l’influence du renfort par la silice sur le comportement mécanique en endurance du caoutchouc naturel. Son principal objectif est de comprendre l’influence de la morphologie de la silice (surface développée en interaction avec le caoutchouc, dispersibilité, activité chimique) sur le comportement mécanique et plus spécialement sur la durée de vie en fatigue du caoutchouc naturel ainsi chargé. L’élaboration de deux matériaux permettant d’établir l’influence de la morphologie de la silice constitue une première étape déterminante du travail. Elle se base sur l’incorporation de deux nuances de silice précipitée dans une matrice de caoutchouc naturel pouvant présenter des propriétés rhéologiques similaires. Les essais de caractérisation mécanique (monotones et cycliques) selon différents types de sollicitation (traction, compression, relaxation, traction cyclique, torsion) ainsi que des essais de traction in situ au MEB permettent d’identifier les mécanismes de déformation, de renfort et d’endommagement présents. L’interprétation des résultats de cette campagne expérimentale est basée sur une caractérisation microstructurale approfondie de l’état de dispersion de la silice ainsi que celui de la cristallisation de la matrice en caoutchouc naturel. Les résultats des essais de fatigue ainsi que les observations microscopiques des mécanismes de propagation des fissures en fatigue permettent d’établir un critère de durée de vie prenant en compte les modes de sollicitation (traction, compression, et torsion). Celui-ci est capable de prévoir la durée de vie ainsi que le lieu d’amorçage des fissures. Il s’avère que, selon le mode de sollicitation appliqué, les propriétés de dispersion de la silice sont plus ou moins importantes dans le renforcement et l’endurance du caoutchouc naturel chargé de silice. Ce travail fait donc appel à la physico-chimie, à la mécanique et aux observations microstructurales, en allant de l’élaboration des matériaux jusqu’à la modélisation mécanique du comportement et de la durée de vie.

  • Titre traduit

    Formulation, Mechanical Behavior and Fatigue lifetime of Silica filled Natural Rubber


  • Résumé

    Natural rubber has long been reinforced by stiff fillers such as carbon black in order to improve mechanical properties (breaking strength, abrasion, rigidity…). The introduction of silica particles to the library of potential fillers offers new possibilities to further tailor the properties of Natural rubber via blending. Introduce silica instead of carbon black is a challenge in pneumatic industry. Synthetic-based elastomers filled with silica particles decrease in rolling friction of the tires while also retaining a good adherence. The goal of this study is to explore the influence of silica particles one the mechanical behavior, stiffness, strength, hysterisis, fatigue lifetime, of natural rubber. The main purpose is to understand the influence of the morphology of silica (Interaction surfaces between filler with rubber, dispersion with random distribution, chemical activity) on the mechanical behavior and on the fatigue lifetime. Also, Two blends with two different morphology of silica were produced. The both blends were made to obtain similar rheology properties. Experiments investigations were performed to identify the mechanical behavior such as (tension, compression, torsion ,cyclic loading, relaxation tests) and mechanisms of deformation and damage were estimated from uniaxial elongation in combination with in situ SEM micrographs tests. The micro-structure of the blends were studied through SEM observations and uniaxial elongation in combination with in situ X-ray. Theses studies indicate respectively a good dispersion of the filler and a crystallization of soft-segment induced by elongation. Fatigue experimental results with fractographic observations allow to built a new model of lifetime prediction. This model is able to predict the location and orientation of cracks as well as the fatigue lifetime. The life time experiments and numerical tests study shows how the two different silica particles reinforced natural rubber , when subjected to various mechanical loading conditions (uniaxial, hydrostatic, monotonic, cyclic).

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Informations

  • Détails : 1 vol. (275 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 126 réf.

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