29/10/2013 - Soutenance de thèse de Mouna BEN HASSINE

Mouna BEN HASSINE soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

 

Modélisation du vieillissement thermique et mécanique des protections externes en EPDM de jonctions rétractables à froid

 

Le Mardi 29 octobre 2013 à 10h30
Amphi ESQUILLAN
Arts et Métiers ParisTech 151 Boulevard de l'Hôpital
75013 Paris

 

 

Jury de thèse :

M. François-Xavier PERRIN, Professeur, MAPIEM, Université du Sud Toulon-Var, Rapporteur
M. Raphael ESTEVEZ, Professeur, SIMAP, Université INP-Grenoble, Rapporteur
M. Lucien LAIARINANDRASANA, Maître de Recherche, HDR, Centre des matériaux, Mines ParisTech, Examinateur
Mme Florence BRUNO, Ingénieur de recherche, Responsable du pôle matériaux&procédés, LRCCP, Examinateur
M. Xavier COLIN, Professeur, PIMM, ENSAM Paris, Examinateur
M. Moussa NAIT-ABDELAZIZ, Professeur, LML, Université Lille 1, Examinateur
M. Fahmi ZAIRI, Maître de conférences, HDR, LML, Université Lille 1, Examinateur
M. Christophe TOURCHER, Ingénieur de recherche, LME, EDF R&D, Examinateur
M. Gregory MARQUE, Ingénieur de recherche, MMC, EDF R&D, Invité

 

Résumé : L’objectif de cette thèse est l’étude des conséquences de la thermo-oxydation sur la structure chimique et le comportement mécanique d’un Ethylène Propylène Diène Monomère (EPDM). Afin de déterminer les modifications à différentes échelles structurales, quatre formulations modèles sont étudiées : la gomme pure, les matrices vulcanisées stabilisée et non stabilisée et l’élastomère industriel. L’ensemble des échantillons est vieilli entre 70 et 200°C dans l’air ou sous vide puis caractérisé par divers outils analytiques. La thermogravimétrie donne accès aux variations de masse résultant de l’incorporation de l’oxygène et l’émission de composés volatils. L’analyse infrarouge permet de suivre les évolutions des espèces chimiques. Les essais de gonflement, de chromatographie et de spectrométrie mécanique permettent de calculer les nombres de coupures de chaînes et d’actes de réticulation à chaque instant. Sur la base de ces résultats, un modèle cinétique général de thermo-oxydation de la matrice EPDM est proposé et en partie validé. Les conséquences du vieillissement thermique sur le comportement mécanique de l’élastomère industriel sont mises en évidence par des essais de traction uniaxiale et de multi-relaxations à température ambiante. L’impact du vieillissement thermique sur les propriétés ultimes et, les réponses à l’équilibre et hors équilibre est examiné. Un critère prédictif de rupture basé sur la mécanique de la rupture est proposé. Enfin, le couplage vieillissement thermique-contrainte mécanique est étudié par des essais de relaxation de contraintes continues entre 130 et 170°C dans l’air. Les modifications de la microstructure pendant le vieillissement thermique sont intégrées dans les équations constitutives du modèle mécanique macroscopique afin de proposer un outil de prédiction du comportement à long terme de l’élastomère industriel. La simulation numérique montre une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux.

Mots clés : Elastomère EPDM, thermo-oxydation, modifications moléculaires et macromoléculaires, mécanique de la rupture, réponse viscoélastique aux grandes déformations, couplage chimie-mécanique.

 

Modelling of thermal and mechanical ageings of the external protection of a cold shrinkable junction made of EPDM rubber

Abstract: The aim of this work is to study the consequences of the thermal oxidation on the chemical structure and mechanical behavior of an Ethylene-Propylene-Diene Monomer (EPDM). In order to determine the structural changes at different scales, four model formulations have been considered: free additive gum, stabilized and unstabilized vulcanized matrix and industrial rubber. All samples were aged between 70 and 200°C in air or vacuum and characterized by several analytical tools. Thermogravimetry gives access to weight variations due to oxygen grafting and volatile compounds release. Infrared analysis is used to follow chemical species evolutions. Swelling tests, chromatographic and mechanical spectrometry tests allow calculating the number of chain scission and cross-linking events at any time. Based on these results, a general kinetic model is proposed and partially validated for EPDM matrix thermal oxidation. The consequences of thermal ageing on the mechanical behavior of the industrial rubber are pointed out by monotonic tensile and multi-step stress relaxation tests at room temperature. The impact of thermal ageing on ultimate properties and, equilibrium and non-equilibrium response are examined. A predictive failure criterion based on fracture mechanics approach is proposed. Finally, the coupling between thermal ageing and mechanical stress is studied by continuous stress relaxation tests between 130 and 170°C in air. The microstructural modifications during thermal ageing are introduced into the constitutive equations of the macroscopic mechanical model in order to propose a predictive tool of the long time behavior of the industrial rubber. The numerical simulation is in good agreement with experimental results.

Keywords: EPDM rubber, thermal oxidation, molecular and macromolecular changes, large strain viscoelastic response, fracture mechanics, chemo-mechanical coupling.