Durability of polychloroprene rubber for marine application

par Pierre Yves Le Gac

Thèse de doctorat en Mécanique-Matériaux

Sous la direction de Bruno Fayolle et de Peter Davies.

Soutenue le 20-11-2014

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) (laboratoire) et de Procedes et Ingenierie en Mécanique et Matériaux [Paris] (laboratoire) .

Le président du jury était Costantino Creton.

Le jury était composé de Bruno Fayolle, Peter Davies, Matthiew Celina, Jacques Verdu.

Les rapporteurs étaient Pieter R GIJSMAN, Toan Vu-khanh.

  • Titre traduit

    Durabilité du polychloroprène pour application marine


  • Résumé

    La prédiction de la durée de vie des polymères en milieu marin est devenue, ces dernières années, indispensable afin de limiter les coûts de maintenance des structures utilisées en mer. Le polychloroprène est un élastomère très employé en milieu marin en raison de ses propriétés intrinsèques proches de celles du caoutchouc naturel, avec une durabilité supérieure. Ce travail de thèse a pour objectif de caractériser, comprendre et prédire l'évolution des propriétés mécaniques (module et rupture) au cours du vieillissement et plus particulièrement de l'oxydation, l'un des mécanismes de dégradation majeurs pour ce type de matériaux. Cette prédiction est basée sur l'utilisation d'une description mécanistique de l'oxydation couplée à l'utilisation de relations structure/propriétés issues de la théorie caoutchoutique. Dans un premier temps, un modèle cinétique d'oxydation a été mis en place sur le polychloroprène cru et les constantes associées déterminées par méthode inverse. L'effet de la vulcanisation est, par la suite, intégré au modèle cinétique permettant ainsi une prédiction du module au cours de l'oxydation, ce type de dégradation conduisant à une forte augmentation du module dans le CR en raison de la présence de doubles liaisons dans le matériau. Afin de proposer une prédiction basée sur les propriétés à rupture, l'influence de l'oxydation sur l'énergie de propagation de fissure en mode I (GIC) a été étudiée en détail avec notamment une comparaison entre différents types d'élastomère. Cette étude a permis de mettre en évidence une chute importante de GIC en raison d'une inhibition de la cristallisation induite au cours de l'oxydation. La dernière partie de ce travail est dédiée à la diffusion de l'eau dans le polychloroprène et plus particulièrement les mécanismes de formation d'agrégat d'eau dans le matériau qui se traduit par une forte absorption et donc une perte de propriétés mécaniques à la rupture.


  • Résumé

    The prediction of the lifetime of polymers in a marine environment is becoming increasingly important in order to limit maintenance costs for structures at sea. Polychloroprene is an elastomer which is widely used in marine structures due to its properties which are similar to natural rubber but with improved durability. The aim of the work described in this thesis is to characterize, understand and predict the evolution of mechanical properties (modulus and rupture) during aging, and in particular during oxidation, one of the main degradation mechanisms in this type of material. The prediction is based on the use of a mechanistic description of oxidation coupled with the use of theoretical structure/property relationships. First a kinetic model of oxidation has been set up for raw polychloroprene, and the associated rate constants have been found by an inverse method. The effect of vulcanization was then included in the model, enabling modulus to be predicted during oxidation. As a result of the presence of double bonds oxidation causes a significant increase in modulus of CR. Then, in order to predict fracture properties, the influence of oxidation on the mode I crack propagation energy (GIc) has been studied in detail, with a comparison between different types of elastomer. This study has revealed a strong drop in GIc due to inhibition of induced crystallization during oxidation. In the last part of the document the diffusion of water in polychloroprene has been examined, and the mechanisms of cluster formation have been described: These lead to large water absorption and a loss of mechanical properties.


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