Etude du comportement du polyéthylène haute densité sous irradiation ultraviolette ou sollicitation mécanique par spectroscopie de fluorescence

par Ludovic Douminge

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Jacky Bernard.

Soutenue le 28-05-2010

à La Rochelle , dans le cadre de Sciences pour l'Environnement Gay-Lussac .

Le président du jury était Jean-Yves Cavaillé.

Le jury était composé de Jacky Bernard, Jean-Yves Cavaillé, Sylvie Castagnet, Michel Orrit, Bruno Bousquet, Xavier Feaugas, Stéphanie Mallarino, Sandrine Thérias.

Les rapporteurs étaient Sylvie Castagnet, Michel Orrit.


  • Résumé

    De par leur diversité et leur large gamme d’applications, les polymères se sont imposés dans notre environnement. Dans le cas d’applications techniques ces matériaux peuvent être exposés à des environnements agressifs conduisant à une altération de leurs propriétés. Les effets de cette dégradation sont reliés à la notion de durée de vie, c'est-à-dire au temps nécessaire pour qu’une propriété atteigne un seuil en dessous duquel le matériau devient inutilisable. Le suivi du vieillissement des matériaux polymères présente donc des enjeux importants. La spectroscopie de fluorescence est une technique qui permet d’apporter certaines réponses à ce problème. Dans le cadre de cette étude, l’accent a été porté sur l’utilisation de la spectroscopie de fluorescence pour l’étude des phénomènes intervenant lors de l’irradiation UV ou de la sollicitation mécanique d’un polymère. Dans le cas du polyéthylène haute densité, l’absence de signal fluorescent intrinsèque impose l’ajout d’un colorant. Ce colorant donnant une réponse en fluorescence dépendant de son microenvironnement, toutes modifications des chaînes du polymère engendrent un déplacement du pic de fluorescence de la sonde. Ce travail peut être séparé en deux grandes parties indépendantes, d’un coté l’influence du vieillissement UV sur la réponse fluorescente et de l’autre l’influence d’une sollicitation mécanique. Dans la première partie, l’utilisation de techniques complémentaires telles que l’IRTF ou l’AED a permis de corréler les différents résultats avec les mécanismes de vieillissement connus du polyéthylène. Les résultats obtenus dans cette partie montrent la grande sensibilité de la spectroscopie de fluorescence aux réarrangements microstructuraux intervenant dans le matériau. Dans la seconde partie, la dépendance entre la contrainte appliquée au matériau et la longueur d’onde de fluorescence a permis a partir de modèles simples d’évaluer les contraintes internes qui se développent au cours d’une sollicitation cyclique.

  • Titre traduit

    Study of high density polyethylene under UV irradiation or mechanical stress by fluorescence spectroscopy


  • Résumé

    Due to their diversity and their wide range of applications, polymers have emerged in our environment. For technical applications, these materials can be exposed to aggressive environment leading to an alteration of their properties. The effects of this degradation are linked to the concept of life duration, corresponding to the time required for a property to reach a threshold below which the material becomes unusable. Monitoring the ageing of polymer materials constitute a major challenge. Fluorescence spectroscopy is a technique able to provide accurate information concerning this issue. In this study, emphasis was placed on the use of fluorescence spectroscopy to study the phenomena involved in either the UV radiation or mechanical stresses of a polymer. In the case of high density polyethylene, the lack of intrinsic fluorescent signal leads to the use of a dye. This dye gives a fluorescent response depending on its microenvironment. All modifications in the macromolecular chain generate a shift of the fluorescent peak. This work can be dissociated in two major parts, on one hand the influence of UV aging on the fluorescent response and in another hand the influence of mechanical stresses. In the first part, complementary analyses like FTIR or DSC are used to correlate fluorescent results with known photo degradation mechanisms. The results show the great sensibility of the technique to the microstructural rearrangement in the polymer. In the second part, the dependence between the stress and the fluorescence emission gives opportunity to evaluate internal stresses in the material during cyclic solicitations.


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