Soutenance mémoire
Étude de la souplesse des gants de protection
Problématique
Les blessures aux mams, aux doigts et aux poignets comptent pour environ 18% de l’ensemble des lésions indemnisées par la CSST avec des déboursés de 138 millions de dollars pour les alUlées 1998-2000 [1]. Dans certains secteurs industriels tels que J’industrie des produits en métal, des produits métal-électriques, des produits métalliques d’ornement, des services à J’extraction minière et des industries du bois, elles peuvent atteindre jusqu’à 29%. Les heurts, coincements, écrasements, coupures et piqûres avec des objets, machines ou déchets-rehuts-débris sont les principales blessures et les agents causaux prépondérants.
Le pon de gants de protection pennet de diminuer le nombre et la gravité des lésions aux mains. Toutefois, en pratique plusieurs facteurs rendent difficile leur utilisation dont leur manque de souplesse découlant du type de matériau utilisé en fabrication. En effet, la rigidité et l’épaisseur des matériaux peuvent exiger un plus gros effort pour effectuer une activité de préhension. De plus. il n’existe pas de matériaux de gants résistant aux agresseurs mécaniques multiples, coupure et piqûre simultanées. Pour se protéger, les travailleurs doivent ainsi souvent enfiler deux gants un par-dessus l’autre, l’un résistant à la coupure et l’autre résistant à la piqûre. Ce type de situation peut mener à une forte résistance, de la part des travailleurs, au port de gants de protection, ce qui a pour conséquence l’augmentation des blessures directes.
L·analyse de la littérature a montré qu’il n’existe pas de moyen actuellement permettant l’évaluation de la souplesse des gants de protection, pour ce fait on se propose d’en développer une et de la faire valider par des tests biomécaniques et des tests psychophysiques de perception. Une deuxième méthode est également mise au point pour l’évaluation de la souplesse des gants portés serrés. D’autre part, on se propose d’étudier l’effet de la vitesse sur le comportement mécanique des matériaux. de protection tels que les élastomères et les textiles.
L’idée consiste à prédire l’évolution de la contrainte de sollicitation en fonction de la déformation lors d’un cycle charge-décharge à plusieurs vitesses et à des grandes déformations.
Dans ce chapitre, nous présentons unc étude bibliographique concernant la souplesse des gants de protection, les matériaux: utilisés dans la fabrication des gants de protection ainsi que l’état de l’art sur leurs lois de comportement. Nous soulignons également l’importance de ce projet, son originalité scientifique en se basant sur l’étude de la littérature, la méthodologie adoptée et les objectifs à atteindre.
Étude de la souplesse des gants de protection
L’étude de la souplesse des gants de protection composés de plusieurs matériaux différents est, à notre connaissance. un sujet peu exploré. La norme ISO 17235 [2] présente une méthode d’essai pour caractériser la souplesse du cuir. Pour sa part, la norme ISO 5979 [31 traite des textiles revêtus de caoutchouc ou de plastique. Dans ce dernier cas, la souplesse est caractérisée par la technique de la boucle plate. Il s’agit ici de former une boucle avec le matériau à tester pour ensuite le soumettre à une pression. L’hypothèse fondamentale de cette méthode est une relation inversement proportionnelle entre la souplesse et la hauteur de la boucle formée précédemment suite à l’application de ladite pression. Finalement, la méthode la plus utilisée dans l’industrie textile est celle développée par Kawabata en 1980 [4]. Dans ce cas, on caractérise la souplesse des tissus par des mesures de la rigidité en flexion uniaxiale du matériau.
Cependant, les sollicitations subies par les gants lorsqu’ils sont utilisés sont de type multidirectionnel et le comportement en souplesse dans ce cas peut ne pas être caractérisé de manière satisfaisante par des tests uniaxiaux. La norme ASTM D 4032 qui caractérise la rigidité des tissus utilise une sonde cylindrique à tête plate pour forcer un carré d’étoffe dans un trou, ce qui correspond à des déformations equi·biaxiales [5]. Cette méthode a été modifiée afin de caractériser la souplesse des gants de protection et est décrite dans les articles 1·2 de cene thèse sous la dénomination« méthode multidirectionnelle»: elle devrait permettre de caractériser la souplesse des gants d’une manière qui corresponde mieux aux types de sollicitations subies lors de leur usage. Les résultats obtenus avec la méthode multidirectionnelle seront comparés aux données issues de mesures utilisant la méthode Kawabata ainsi qu’aux résultats des tests de perception et biomécanique.
De toules les méthodes permettant d’évaluer la souplesse des matériaux textiles. aucune ne considère la complexité des effets produits par l’interface main-gant. Nelson et al. [61 ont comparé l’effet de la variation de l’épaisseur des gants sur la sensibilité tactile des individus. Bien qu’ils aient négligé la fatigue et ses effets sur la performance au travail à long terme, les auteurs ont conclu, lors de cette étude, que l’épaisseur des gants n’influence pas la capacité d’un individu à identifier la taille des objets qu’il touche ni à accomplir sa tâche dans les délais requis.
La plupart des études considérant les aspects biomécaniques ont évalué l’effet du pon de gants sur le déploiement de la force maximale de préhension [7]. Selon Mitai et al., le pon d’un gant diminue de 7 à 30% la force maximale de préhension. Une étude récente confirme cette plage de valeurs (5-23%) pour différents types de gants [8]. Cependant, ce type d’évaluation requiert la production de plusieurs contractions maximales, supposant le concours de sujets sains (sans douleur) et motivés, ainsi qu’un nombre limité de contractions musculaires dans une même session de mesure afin de ne pas introduire l’effet confondant de la fatigue musculaire. De plus, une telle procédure d’évaluation des gants ne permet pas de contrôler les différences interindividuelles au niveau de la force maximale. Ceci rend la comparaison des résultats d’études difficile, voire impossible. Pour contourner ces difficultés, une méthode d’évaluation basée sur des mesures d’électromyographie (EMG) de surface a été proposée [9]. Elle consiste à mesurer le niveau d’activité musculaire (muscles fléchisseurs et extenseurs des doigts et du poignet) correspondant à une contraction sous
maximale dont l’intensité (en proportion de la force maximale) est me.’iurée par un dynamomètre. On parvient ainsi à limiter le nombre de contractions maximales et à contrôler les différencesinterindividuelles au niveau de la force maximale. Les résultats obtenus par le biais de cette méthode ont été combiné à ceux obtenus par le test psychophysique de perception afin de valider les résultats de notre méthode mécanique [9].
Revue de la littérature sur les matériaux de protection
Dans cette section, on se propose de présenter une étude bibliographique concernant les matériaux utilisés dans la fabrication des gants de protection tels que les élastomères, les textiles et les composites. Nous proposons également un aperçu sur leurs lois de comportement mécanique tels que rapportées dans la littérature,
Matériaux élastomères
Cette partie introduit les matériaux type caoutchouc. Les applications des élastomères sont en effet multiples dans le milieu de travail tant pour ses propriétés élastiques que pour sa capacité à résister aux agressions multiples (mécaniques ou chimiques). Nous proposons ici un aperçu sur les différents types de ces matériaux. Nous présentons également une revue de la littérature sur leurs lois de comportement mécanique.
Qu’est ce que le caoutchouc?
Le caoutchouc naturel et ses homologues synthétiques, les élastomères, sont fortement répandus dans le domaine de J’industrie. La multiplicité des utilisations des élastomères provient surtout de leur capacité à subir des grandes déformations et leur résistance aux agressions multiples (coupure et/ou piqûre) présentes dans les postes de travail.
La terminologie « élastomère » regroupe des matériaux ayant des compositions chimiques différentes, mais une structure moléculaire et de propriétés mécaniques similaires. Le préfixe « élasto » rappelle les grandes défonnations élastiques possible, tandis que le suffixe « mère » évoque leur nature de polymères, et donc leur constitution macromoléculaire [10, llJ.
La matière première d’un élastomère peut être aussi bien naturelle que synthétique: le caoutchouc naturel est le produit de la coagulation du suc de différentes espèces végétales. principalement de l’hévéa. La fabrication des caoutchoucs synthétiques se fait par polymérisation. Les monomères de départ sont des molécules renfennant au moins une double liaison, ce qui permet un réarrangement des liaisons conduisant à la fonnation d’une longue chaîne macromoléculaire [10, Il]. Cependant, à l’état brut, le caoutchouc n’a pas de possibilité d’emploi pratique. Pour obtenir un produit présentant de meilleures propriétés, le caoutchouc brut doit subir un traitement chimique. Ce traitement, appelé vulcanisation, fut découvert accidentellement par Good Year en 1839 et est encore à la base de l’industrie de fabrication du caoutchouc. Au cours de la vulcanisation, les longues molécules en chaîne du caoutchouc se trouvent chimiquement unies à chaînes adjacentes par formation de liaisons pontales. Cette réticulation (pontage entre les chaînes) est nécessaire car sans elle le comportement serait de type fluide avec un écoulement libre des molécules les unes par rapport aux autres. Après polymérisation, en présence d’un système réticulant, les macromolécules forment un réseau tridimensionnel sans direction privilégiée. La capacité du caoutchouc vulcanisé à subir de forts taux de défonnation est due essentiellement à la nature repliée de ces chaînes: elles peuvent être étirées et s’orienter elles mêmes dans la direction de l’allongement, les liaisons les poussant à revenir à l’état initial quand la contrainte est relâchée [lI].
En pratique, le matériau élastomère est fabriqué en présence de plusieurs additifs. Certains sont nécessaires pour la vulcanisation (soufre, oxyde de zinc … ), d’autres pennettent d’en accélérer le processus. Certains d’autres protègent (antioxygène, … ), ramollissent (huiles, graisses, acides gras, … ), ou encore colorent le vulcanisat (oxyde de zinc, lithopone, … ).
Pour faciliter le mélange de ces ingrédients au caoutchouc brut, on peut ajouter une huile de mise en œuvre. La majorité des caoutchoucs utilisés pour les applications mécaniques contiennent des charges pour améliorer l’élasticité du produit final sans augmenter sa résistance (ce sont des produits à base de carbonate de calcium ou de sulfate de baryum) ou améliorer la résistance du produit final (noir de carbone, oxyde de zinc, carbonate de magnésium ou différentes argiles) [IIJ.
Exemples d’élastomères utilisés dans les gants de protection
La majorité des gants de protection qu’on retrouve sur le marché sont fabriqués en caoutchouc naturel ou en néoprène ou en nitrile ou en butyle. Pour cette raison, nous allons présenter dans cette partie uniquement ces quatre élastomères. Polychloroprène Le polycWoroprène est généralement connu sous son nom commercial Néoprène. Il se distingue par une bonne résistance aux huiles. C’est le premier élastomère synthétique, ou caoutchouc qui a eu un succès commercial. Il a été inventé par Arnold Collins, pendant qu’il travaillait avec l’homme qui a inventé le nylon, Wallace Carrothers, Il se caractérise par une densité aux alentours de 1240 kg/ml et une température de transition vitreuse Tg avoisinant _50°e, Il est fabriqué à partir du monomère chloroprène (Figure 1,1),
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Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Problématique
1,2 Étude de la souplesse des gants de protection
1.3 Revue de la littérature sur les matériaux de protection
1.3.1 Matériaux élastomères
1.3.1.1. Qu’est ce que le caoutchouc?
1.3.1.2. Exemples d’élastomères utilisés dans les gants de protection
1.3. 1.3 Revue de la littérature sur le comportement mécanique des m’llériaux élastomères
1.3.1.4 Propriétés élastiques des élastomères
1.3.2 Matériaux textiles
1.3.2.1. Lestissus
1.3.2.2. Les tricots
1.3.2.3 Les fibres textiles dans les gants de protection
1.3.2.4 Revue de la littérature sur la modélisation du comportement mécanique des matériaux textile
1.3.3 Composites de protection
1.4 Importance de l’étude et méthodologie adoptée
1.4.1 Importance de l’étude
1.4.2 Présentation de l’étude
CHAPITRE 2 ARTICLE 1 ; CHARACTERISATION OF PROTECTIVE GLOVES STIFFNESS; DEVELOPMENT OF A MULTUDIRECTIONAL TEST METHOD
Réswné
Abstract
2. 1 Introduction
2.2 Materials and Methods
2.2.1 The KESF uniaxial bending approach
2.2.2 The psychophysical evaluation test
2.3 Results and Discussion
2.3.1 The KESF uniaxial bending approach
2.3.2 The free-deforming multidirectional test method
2.3.3 Comparison of the results of the mechanical methods with a psychophysical evaluation test
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 ARTICLE 2: EVALUATION OF THE FLEXIBILITY OF PROTECTIVE GLOVES
Réswné
Abstract.
3. 1 Introduction
3.2 Experimental
3.2. 1 The free-defonning technique
3.2.2 The fixed technique
3.2.3 Materials and methodology
3.3 Theoretical description of the fixed technique
3.4 Results and discussion
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 ARTICLE 3: PREDICTION OF STRESS-STRAIN BEHAVIOUR AND ENERGY DISSIPATION OF ELASTOMERS PROTECTIVE MA TERIALS
Réswné
Abstract
4.1 Introduction
4.2 Experimental
4.3 Theoretical description
4.3.1 Representation of the equilibriurn state
4.3.2 Representation of the deviation from the equilibrium state
4.4 Determination methods for the model constants
4.4.1 Determination of the constants relative to the equilibrium state contribution
4.4.2 Determination of the constants relative to the deviation from the equilibrium state
4.4.2.1 Determination of the spring R2 constants
4.4.2.2 Determination of the damper viscosity
4.5 Results and discussion
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 ARTICLE 4: PREDICTION OF STRESS-STRAIN BEHAVIOUR AND ENERGY DISSIPATION OF TEXTILE PROTECTIVE MATERIALS AT LARGE DEFORMATIONS
Résumé
Abstract
5. 1 Introduction
5.2 Experimental method
5.3 Theoretical model
5.3.1 Representation of the equilibrium state
5.3.2 Representation of the deviation from the equilibriurn state
5.4 Results and discussions
5.5 Conclusion
CHAPITRE 6 CONCLUSIONS ET TRA VAUX FUTIJRS
ANNEXE 1 ELASTICITY OF RUBBERS
ANNEXE Il COMPLÉMENT À L’ARTICLE 3
ANNEXE III COMPLÉMENT À L’ARTICLE 4
LISTE DES RÉFÉRENCES BlBLIOGRAPHIQUES
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