Impact de la distribution des antioxydants sur la stabilisation des isolants PE de câbles électriques de centrale nucléaire

Impact of antioxidants distribution on PE insulation stabilisation for nuclear power plants electrical cables

• Auteur / Autrice : Anne Xu
• Direction : Xavier Colin, Sébastien Roland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 26/03/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antioxydants

Polyéthylène

Mots clés libres

Polyéthylène réticulé

Antioxydants

Séparation de phase

Stabilisation

Vieillissement oxydant

Crosslinked polyethylene

Antioxidants

Phase separation

Stabilisation

Oxidative ageing

Résumé

Le polyéthylène basse densité réticulé (XLPE) est communément utilisé pour l’isolation des câbles électriques de centrale nucléaire. Cependant, comme tout polymère hydrocarboné, le XLPE est sensible à l’oxydation, qui est la cause principale de la dégradation du polymère. Aussi, afin de protéger les polymères de l’oxydation, des antioxydants (AO) sont systématiquement ajoutés dans leur formulation. Cependant, en raison de leur différence de polarité, les AO présentent généralement une faible solubilité dans les matrices polyéthylène (PE), ce qui peut aisément induire une séparation de phase des AO. Or dans ce cas, le devenir des AO en excès reste à étudier. L’objectif de cette thèse a donc été d’élucider la distribution des AO au sein d’une matrice PE en fonction de leur concentration incorporée ; et d’étudier l’impact d’une telle distribution sur la stabilisation du polymère. Pour ce faire, deux types d’AO couramment utilisés dans l’industrie ont été étudiés : un phénol encombré et un thiodipropionate. Une méthodologie expérimentale a été développée, permettant la détection, l’identification et la quantification des différentes phases d’AO présentes dans le polymère. A l’aide de cette méthodologie, une séparation de phase a été observée pour une concentration en AO d’environ 0,9 wt%, au-delà de laquelle les AO excédentaires s’exsudent et recristallisent à la surface du matériau. A travers l’étude du vieillissement thermique sous air d’échantillons modèles stabilisés avec, ou non, un excédent d’AO, les mécanismes de consommation chimique et de perte physique des différentes phases d’AO ont été investigués ; et le rôle des AO initialement en excès (cristaux) sur la stabilisation du polymère au cours de son vieillissement oxydant a été étudié. La poursuite de l’étude sur un matériau industriel (câble électrique) a ensuite permis d’évaluer les conséquences de la séparation de phase des AO dans le polymère sur les propriétés diélectriques du matériau.

Crosslinked low density polyethylene (XLPE) is commonly used for electrical cables insulation in nuclear power plants. However, as any hydrocarbon polymer, XLPE is sensitive to oxidation, which is the main cause of the polymer degradation. In order to protect polymers against oxidation, antioxidants (AO) are systematically added in their formulation. However, due to their difference in polarity, AO generally show a low solubility in polyethylene (PE) matrix, which can easily lead to a phase separation of AO. In such case, the behaviour of the excessive AO is yet to be studied. The objective of this thesis was, hence, to elucidate the AO distribution in a PE matrix, according to the incorporated concentration; and to study the impact of such distribution on the polymer stabilisation. To do so, two types of AO commonly used in industry were studied: a hindered phenol and a thiodipropionate. An experimental methodology was established, enabling the detection, identification and quantification of the different AO phase present in the polymer. Using this methodology, a phase separation was observed for an AO concentration of about 0.9 wt%, above which the excessive AO are exuded and recrystallized onto the material surface. Through the thermal ageing study in air of model samples stabilised with an excess, or not, of AO, the chemical consumption and physical loss mechanisms of the different AO phase were investigated; and the role of initially in excess AO on the stabilisation of the polymer during its oxidative ageing was studied. The continuation of the study on an industrial material (electrical cable) then allowed to evaluate the consequences of the AO phase separation in the polymer on the material dielectric properties.