Techniques de mesure de la diffusion d'humidité

Techniques de mesure de la diffusion d’humidité

Il existe plusieurs méthodes pour estimer la quantité d’humidité absorbée par les matériaux composites. La plus utilisée est la méthode gravimétrique, qui consiste à la prise de masse de l’échantillon avant et après vieillissement , répétée dans des intervalles de temps jusqu’à la saturation du matériau. Cette méthode présente des erreurs de mesure provoquées par le séchage des surfaces de l’échantillon après chaque pesée et nécessite d’extraire l’échantillon du milieu de vieillissement.
Stamm et Seborg ont démontré que l’eau absorbée dans les matériaux cellulosiques cause des contractions volumétriques. Des mesures de densité apparente du bois et de cellulose contenant diverses quantités d’eau absorbées sont faites dans le benzène.
Une autre technique est basée sur la mesure de densité ou du gonflement, elle peut nous renseigner sur le mécanisme d’absorption d’eau dans les composites à matrice polymère.
Les mesures de densité des polymères peuvent être effectuées à l’aide d’un pycnomètre, d’une colonne à gradient de densité ou par flottaison. Le gonflement peut être déterminé par mesures dimensionnelles dans les trois dimensions, ou par la mesure de la contrainte de défonnation dans le plan d’un film immergé dans l’eau. Deux hypothèses expliquent le mécanisme d’absorption d’eau dans les polymères à partir des mesures de densité ou de gonflement

Modèle de diffusion non Fickienne

Dans la littérature on retrouve quatre types de diffusion non Fickienne , en plus d’autres modes de diffusion qui seront discutés ci-dessous.
• (0) : courbe d’absorption Fickienne;
• (1) : courbe pseudo Fickienne, l’équilibre n’est jamais atteint;
• (2) : représente une cinétique du type Langmuir;
• (3) : accélération rapide d’absorption suivie d’endommagement au sein du matériau;
• (4) : présente une perte de poids du matériau après une certaine durée de vieillissement;
présence d’endommagement physique, chimique ou hydrolyse du matériau.
Toutefois, la loi de Fick ne peut être généralisée, car certains cas de diffusion ne répondent pas à cette loi. Parmi les modèles non Fickien prenant en compte de la viscosité du polymère, des micro fissures et la forme de lessivage, on retrouve le modèle de Langmuir.

Influence d’humidité sur le comportement mécanique des CFN

L’action d’un environnement humide sur la corrosion des métaux est connue depuis très longtemps, mais on a toujours moins compris son effet sur les matériaux polymères.
Plusieurs travaux ont été réalisés dans le but d’ expliquer l’effet d’un environnement humide sur les propriétés mécaniques des composites. H. Dhakal et al. ont étudié l’effet d’absorption d’eau en immersion sur les propriétés mécaniques du composite polyester non saturé renforcé par des couches de fibres de chanvre. Des tests d’absorption dans un bain d’eau déminéralisée à 25 °C et 100 °C pour des durées différentes d’immersion ont été réalisés sur des échantillons UPE-chanvre. Les propriétés de traction et de flexion des échantillons vieillis ont été comparées à celle des échantillons non vieillis. L’influence de la fraction volumique des fibres sur la prise d’humidité a été étudiée. Les résultats ont montré que plus la fraction volumique des fibres de chanvre ajoutées augmente plus la masse absorbée à la saturation augmente et plus le coefficient de diffusion augmente. La cinétique de diffusion est classifiée de nature Fickienne.
Récemment, Asim Shahzad , présente une étude ayant pour but l’évaluation de l’effet du vieillissement en immersion dans l’eau distillée sur les propriétés mécaniques d’un composite stratifié polyester /fibres de chanvre. L’auteur confirme que le matériau perd ses propriétés mécaniques immédiatement après que l’ eau soit diffusée dans le matériau.
Le module de Young chute de 60 % et la contrainte maximale diminue de 35 % après 3700 heures d’immersion. La perte des performances mécaniques du composite est expliquée par la plastification de la matrice et la chute de rigidité des fibres suite aux tests d’immersion. D’autres travaux ayant pour but d’étudier l’ effet du vieillissement en immersion du polypropylène renforcé par des fibres de chanvre et de verre. On constate une chute de 56.5 % pour la contrainte maximale et 35.2 % en terme de module de Young

Description du matériau et des éprouvettes de l’essai

Généralement, les essais de traction permettent de déterminer qualitativement si un matériau est fragile ou ductile, rigide ou souple. Ils permettent aussi de quantifier certaines propriétés mécaniques telles que le module d’élasticité, la résistance maximale ou la contrainte et l’allongement à la rupture en traction. Dans ce rapport, nous présentons des essais de traction simples, des essais de charge-décharge et des essais de traction cyclique. Ces essais ont été menés dans le but d’étudier le comportement d’éprouvettes en composite thermoplastique constitué d’une matrice en polypropylène de source hydrocarbure, matrice thermoplastique (polypropylène), renforcée par une fraction volumique de 30 % de fibres courtes de source végétale provenant du chanvre.
Le polypropylène présente dans un certain nombre de cas des propriétés mécaniques de qualité supérieure comparativement au polyéthylène. Il est léger, plus résistant, plus rigide, il montre une meilleure résistance au fluage, présente moins d’usures et moins glissants. Cependant, il est plus fragile que le polyéthylène, surtout à de faibles températures.

Effet de l’humidité sur les propriétés mécaniques du composite

En plus d’être recyclables et écologiques, les composites à fibres naturelles (CFN) présentent des propriétés mécaniques susceptibles de répondre aux exigences industrielles et donc de concurrencer des matériaux non dégradables dans plusieurs domaines d’application. Cependant, un des obstacles majeurs au développement de l’utilisation des CFN est l’effet de l’environnement, en particulier l’humidité et la chaleur qui peuvent entraîner la dégradation des pièces et les rendre impropres à l’usage. De plus, l’hétérogénéité des matériaux composites rend l’étude des processus de vieillissement et d’endommagement plus complexes, notamment dans le cas des composites injectés constitués d’une matrice thermoplastique renforcée par des fibres végétales. Le comportement hydrophile des renforts s’oppose à l’hydrophobie de la matrice, engendrant ainsi des mécanismes d’absorption différents. Le phénomène de diffusion de l’eau est dépendant de la nature des fibres, des porosités dans le matériau et de la qualité d’adhésion fibre/matrice. De plus, on va étudier l’influence du vieillissement hygrothermique sur l’évolution de ses propriétés mécaniques. Cette partie regroupe les résultats expérimentaux, et fait l’objet de comparaison entre les propriétés mécaniques des éprouvettes saines (non vieillies) et les éprouvettes vieillies à plusieurs niveaux de prise d’eau et à différentes températures. Nous quantifions donc les propriétés initiales de notre matériau et par la suite on mesure l’effet de l’humidité sur ces propriétés mécaniques. Les résultats des essais de traction simples et des essais de traction avec charge-décharge peuvent nous fournir des informations sur l’effet de l’humidité et la température sur l’évolution des propriétés mécaniques du composite à matrice thermoplastique (polypropylène), renforcé à 30 % par des fibres de chanvre (fibres courtes).

Cinétique de diffusion d’eau en immersion

Dans un environnement humide, un composite à renforts naturels a tendance à absorber de l’ eau à cause de la nature hydrophile des renforts. La présence de cette eau dans le composite présente des effets indésirables sur les propriétés mécaniques du matériau. Ainsi, il est important d’étudier le phénomène de diffusion de l’eau afin d’estimer les dégradations que l’eau absorbée peut provoquer et réduire sa diffusion. Un premier objectif serait de quantifier le pourcentage de prise de masse en fonction du temps de vieillissement. Les résultats recueillis de la littérature montrent que la diffusion de l’eau dans le matériau est caractérisée par une pente linéaire exprimée par un coefficient de diffusion (D). Cette prise de masse converge de plus en plus vers un plateau de saturation pour atteindre une prise de masse de saturation qui dépend du pourcentage d’humidité de l’environnement . Le temps nécessaire pour atteindre ce plateau de saturation est fonction de la température de l’environnement et cela indépendamment du pourcentage d’humidité de ce dernier. La cinétique du processus de diffusion d’humidité dans un composite dépend de plusieurs variables (la nature du renfort, la nature de la matrice, la nature de l’interface fibre-matrice, la présence de porosités … ). La cinétique de diffusion ne peut être classifiée de Fickienne si la partie initiale (partie supérieure ou égale à 60% de la prise de masse à la saturation) de la courbe d’absorption et désorption n’est pas linéaire en fonction de la racine carrée du temps. De plus, après cette partie linéaire les courbes d’absorption doivent converger vers une asymptote représentant la prise de masse à la saturation .

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE ET PROBLÉMATIQUE
Introduction générale
Problématique
CHAPITRE l RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE ET OBJECTIFS
1.1 Introduction
1.2 Techniques de mesure de la diffusion d’humidité
1.2.1 Diffusion de l’eau à volume constatant
1.2.2 Diffusion de l’eau avec gonflement
1.3 Cinétique d’absorption
1.4 Théorie de la diffusion
1.4.1 Deuxième Loi de Fick et modèle de diffusion Fickienne
1.4.2 Exemple de plaque plane en immersion
1.4.3 Modèle de diffusion non Fickienne
1.4.4 Le modèle de Langmuir
1.4.5 Le modèle à diffusivité variable dans le temps
1.4.6 Modèle de diffusion pour le cas de l’immersion
1.5 Modélisation par analogie du transfert thermique – massique
1.6 Paramètres influant sur le processus de diffusion
1.6.1 Taux d’humidité relative
1.6.2 La température
1.7 Influence d’humidité sur le comportement mécanique des cfn
1.8 Objectifs
CHAPITRE II MATÉRIAU, PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL ET EFFET DU RENFORCEMENT EN FIBRES
II.1 Introduction
II.2 Description du matériau et des éprouvettes de l’essai
II.3 Dispositif expérimental
II.4 Résultats expérimentaux
II.4.1 Polypropylène seul
II.4.2 Composite polypropylène/Chanvre
II.4.2.1 Protocole expérimental
II.4.2.2 Essai de traction simple
II.4.2.3 Essai de charge-décharge
II.4.2.4 Endommagement pendant la charge et la décharge
II.4.2.5 Essai de traction cyclique
II.5 Conclusion
CHAPITRE III ÉTUDE DE L’EFFET DE LA TEMPÉRATURE ET DE L’HUMIDITÉ
III.1 Introduction
III.2 Effet de l’humidité sur les propriétés mécaniques du composite
III.3 Essais de traction simple
III.4 Effet de l’humidité et la température sur les propriétés mécaniques
III.5 Essais de traction charge-décharge
III.6 Conclusion
CHAPITRE IV CINÉTIQUE DE DIFFUSION ET MOUILLABILITÉ
IV.1 Introduction
IV.2 Cinétique de diffusion d’eau en immersion
IV.3 Test de mouillabilité
IV.4 Prise d’humidité en immersion
IV.5 Effet de la température sur la prise de masse
IV.6 Conclusion
CHAPITRE V ÉTUDE PAR ÉLÉMENTS FINIS ET SIMULATION NUMÉRIQUE
V.1 Introduction
V.2 Diffusion d’humidité et analogie thermique
V.3 Modélisation par éléments finis
V.3.1 Étude de cas sur COSMOSIM
V.3.1.1 Conditions initiales et aux limites
V.3.1.2 Maillage et résultats
V.3.2 Calcul de la prise de masse sur Visual Basic
V.3.3 Simulation de la solution analytique de l’équation fick
V.3.3.1 Comparaison des deux modèles analytique et éléments finis (COSMOSIM – Visual Basic)
V.4 Conclusion
CHAPITRE VI ÉLABORATION D’UN NOUVEAU MODÈLE DE DIFFUSION À DIFFUSIVITÉ VARIABLE DANS LE TEMPS
VI.1 Nouveau modèle non Fickien
VI.2 Modélisation par éléments finis
VI.3 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES
Conclusion générale
Perspectives
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES