Contribution à l'étude de l'interaction contraintes-diffusion dans les polymères

par Anne-Lise Durier

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Pierre Gilormini.

Soutenue en 2008

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    The goal of this thesis held at the Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux (LIM) was to study swelling polymers in humid environments, and was then extended to the diffusion of other fluids. Unfree swelling in a solvent (whatever its nature) induces stresses which modify the amount of water at saturation. We study in the present work the case of diffusion in composites loaded with equiaxial fillers (aluminium particles or glass spheres). These fillers, by not absorbing water, disrupt the polymer matrix swelling and induce stresses that have the water mass uptake decrease. The first experimental step of this work consisted in elaborating ideal and well characterised epoxy-amine networks, and determing their diffusion law, swelling and sorption isotherms function of the environmental moisture. Then implement to the composites with different volume fractions. The second modelling part of this work develops a new couplig model between stress and diffusion, via the swelling coefficient and allows us to compute water concentration profiles, stress and strain profiles in a pure resin, and also the mean water concentration and pressure induced by swelling in a composite matrix. It follows that if the polymer matrix has a Henry sorption isotherm, then the composite has a Langmuir one. One has also adapted the model to Langmuir based matrixes. The drawback of the sorption tests in humid environments is, with the considered systemes, tha the swelling coefficients and concentrations even at saturation are low, and thus make difficult to measure the stress impact. In order to solve this problem, we ran further diffusion experiments in heavier organic solvants. But swelling coefficients and concentration get so high that the polymer matrix crosses the glass transition.

  • Titre traduit

    Contribution to the study of the stress-diffusion interaction in polymers


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse menée au Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux (LIM) était l'étude de polymères en ambiance humide avec gonflement, il a été par la suite étendu à la diffusion d'autres fluides. Le gonflement en présence d'un solvant (quelle que soit sa nature), s'il est contrarié, induit des contraintes qui à leur tour influent sur la quantité d'eau qui peut être absorbée. On étudie ici le cas de composites isotropes, renforcés par exemple par des particules équiaxes (d'aluminium ou billes de verre). Ces renforts n'absorbant pas l'eau, ils gênent le gonflement de la matrice polymère et la prise d'eau du composite est alors inférieure à celle de la matrice seule, du fait des contraintes internes induites. La première étape expérimentale de ces travaux a consisté à mettre au point des réseaux epoxy-amine idéaux aux caractéristiques bien contrôlées et à les caractériser, c'est-à-dire à déterminer les lois de diffusion, de gonflement et les isothermes de sorption en fonction de l'humidité de l'environnement. Puis ensuite refaire de même avec des composites de différentes fractions volumiques de renforts. La partie modélisation de ces travaux a développé un modèle original de couplage contraintes-diffusion via le gonflement de la résine, et permet de calculer les profils de concentration en eau, de contraintes et de déformation au cours du temps dans une résine pure ainsi que la pression moyenne induite par gonflement dans la matrice au sein d'un composite. Il en résulte en particulier que si l'isotherme de sorption de la matrice suit une loi de Henry, alors celle du composite suit une loi de Langmuir. Le modèle peut être adapté aussi aux systèmes non-idéaux, nous l'avons fait notamment pour des résines pures suivant une isotherme de sorption de Langmuir. L'inconvénient des essais de sorption en environnement humide est, pour les systèmes considérés, que les coefficients de gonflement et les niveaux de saturation sont faibles, et il est alors difficile de mesurer l'effet des contraintes. Pour pallier ce problème nous avons donc réalisé des expériences de sorption dans des solvants organiques plus lourds. Dans ce cas les coefficients de gonflement sont bien supérieurs, les concentrations à saturation également, à tel point que la matrice des composites franchit la transition vitreuse.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (148 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.

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  • Cote : 2008ENAM0003
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