Vieillissement marin et thermique des élastomères

Ce chapitre présente les résultats relatifs aux essais de vieillissement accéléré.Nous présentons tout d’abord les problématiques scientifiques associées à l’étude du vieillissement des matériaux et les différentes approches d’étude, chacune étant classiquement associée à une échelle de caractérisation spécifique. Nous rappelons par la suite les outils les plus courants permettant d’exploiter les résultats prove- nant de campagnes de vieillissement accéléré pour prédire le comportement dans les conditions réelles d’utilisation et insistons notamment sur les dangers de ces méthodes d’extrapolation. Dans la seconde partie de ce chapitre, nous nous focalisons sur le vieillissement des deux matériaux de l’étude : un vieillissement marin pour le polychloroprène et un vieillissement thermique pour le caoutchouc naturel. Des protocoles de vieillissement accéléré représentatifs des conditions en service des pièces industrielles visées sont mis en place et servent de support pour l’évaluation des effets du vieillissement sur les propriétés physico-chimiques et mécaniques. Les effets des deux vieillissements sont caractérisés à toutes les échelles grâce, notamment, à des spectres obtenus par spectroscopie infrarouge, des mesures de micro-dureté, des essais de traction et de fatigue. Nous montrons en particulier le rôle clé de la micro-dureté (au sens scalaire) quant à l’établissement de la passerelle mécanismes de dégradation – comportement mécanique. Nous appliquons ensuite la méthode d’Arrhénius pour extrapoler l’évolution des propriétés aux conditions d’usage et proposons enfin une confrontation entre les résultats provenants de cette extrapolation et les résultats issus de structures vieillies en service. Cette confrontation nous permet notamment d’illustrer les limites des méthodes classiques d’extrapolation.

Un problème multi-échelle en temps et en espace

On appelle vieillissement toute évolution au cours du temps des propriétés relatives aux fonctionnalités de l’objet considéré résultant d’une modification de la microstructure ou de la composition du matériau constitutif sous l’effet de son instabilité propre, de l’interaction avec l’environnement, de sollicitations mécaniques ou de la combinaison de plusieurs de ces causes (Verdu, 1990). Le vieillissement des élastomères, et d’une manière générale des polymères, peut être classé en deux catégories : le vieillissement physique et le vieillissement chimique. Dans le premier cas, il n’y a pas d’altération de la structure chimique des macromolécules, seules la configuration spatiale et/ou la composition du matériau sont affectées. Dans le deuxième cas, il y a modification de la structure chimique des macromolécules. Le tableau 2.1 synthétise les différentes familles de processus de dégradation rencontrées.Le vieillissement des matériaux dans leurs conditions réelles d’utilisation est caractérisé par des cinétiques de dégradation lentes. Le recours à des essais accélérés est donc une nécessité pour évaluer et quantifier le vieillissement en laboratoire. Le choix de l’essai accéléré est une étape cruciale qui conditionne la qualité et la pertinence de l’ensemble des résultats de l’étude. Cet essai d’altération accéléré doit être le plus représentatif possible des conditions d’utilisation réelles et doit respecter les principaux critères suivants :

L’accélération du vieillissement repose toujours sur l’exposition du matériau à des conditions rendues plus sévères que les conditions de fonctionnement. Le facteur d’accélération le plus souvent utilisé est la température, bien que d’autres facteurs soient utilisés suivant l’application visée (humidité, UV, etc.). La validation des deux derniers points ne peut se faire que par une analyse préalable des mécanismes de dégradation réels. Ceci nécessite d’avoir des structures vieillies en service, ce qui est rarement le cas dans la pratique. Dans notre étude, nous avons la chance de disposer de tels échantillons : il s’agit d’un pipeline offshore dans le cas du vieillissement marin et d’une biellette de reprise de couple dans le cas du vieillissement thermique.Sur la base des essais accélérés, il s’agit ensuite de suivre l’évolution d’indicateurs jugés représentatifs du vieillissement et des propriétés d’usage. Le choix de cet indicateur est un problème en soit puisqu’il doit être idéalement représentatif à la fois des propriétés d’usage du matériau et des mécanismes de dégradation. Or, ces indicateurs n’officient pas aux mêmes échelles. Aussi, dans la pratique, plusieurs indicateurs représentatifs de l’échelle qui leur est associée sont généralement suivis. La démarche consiste ensuite, par l’intermédiaire de transition d’échelle, à corréler les différentes grandeurs entre elles pour remonter depuis l’échelle des mécanismes de dégradation jusqu’aux propriétés exploitables en bureau d’études. La figure 2.1 propose une représentation schématique de cette démarche.