Étude de l'effet du vieillissement sur les propriétés d'un tissu en mélange Kevlar®-PBI utilisé dans le revêtement extérieur des habits de protection contre le feu

• Main Author: Arrieta, Carlos
• Format: Others
• Published: École de technologie supérieure 2011
• Online Access: http://espace.etsmtl.ca/884/1/ARRIETA_Carlos.pdf; http://espace.etsmtl.ca/884/2/ARRIETA_Carlos%2Dweb.pdf

Ce projet porte sur l’étude de l’effet de trois facteurs environnementaux, la température, l’humidité et le rayonnement lumineux, sur les propriétés d’un tissu en mélange Kevlar®-PBI couramment utilisé dans la fabrication des habits de protection contre le feu. Des traitements de vieillissement accéléré ont entraîné une perte significative de performance mécanique, mise en évidence par une diminution de la force de rupture d’un minimum de 50% au bout d’un mois d’exposition continue. Des tests de diffraction des rayons X (XRD) menés sur des échantillons du tissu vieillis thermiquement ont reflété une augmentation de la cristallinité du tissu. La disparition de lignes spectrales en spectroscopie Raman indiquait plutôt une perte de cristallinité suite au vieillissement thermique. Afin d’expliquer ces résultats en apparence contradictoires, une hypothèse a été avancée. Cette hypothèse soutient que deux phénomènes simultanés ont lieu suite à l’exposition aux températures élevées : d’une part les cristaux augmentent dans la direction parallèle aux fibres, ce qui est mis en évidence par les tests de diffraction; et d’une autre l’écart entre les lamelles cristallines se creuse, un événement qui entraîne une diminution de la cristallinité et qui est relevé par les analyses Raman. Les résultats des mesures de spectroscopie diélectrique réalisées sur des échantillons vieillis thermiquement ont confirmé le changement de la morphologie du Kevlar® suite au vieillissement thermique. Aucun indice d’une possible modification de la structure chimique du Kevlar® n’a été repéré. Des analyses thermiques différentielles ont révélé, par contre, une diminution de la température de transition vitreuse de l’autre composant du mélange, à savoir le PBI, un fait qui suggère que ce matériau a subi une diminution de sa masse molaire. Des analyses ATR menées sur des échantillons soumis à des traitements de vieillissement par humidité ont permis d’identifier l’hydrolyse de la liaison amide du Kevlar® catalysée par un acide comme étant le mécanisme de dégradation responsable de la perte de performance mécanique suite au vieillissement par humidité. La progression de la réaction d’hydrolyse a été modélisée mathématiquement au moyen de l’évolution de la concentration de groupements acide carboxylique. Dans le cas des traitements de vieillissement photochimique accéléré, le mécanisme de dégradation a été déterminé à l’aide des analyses ATR. Ce mécanisme correspond à une photo-oxydation amorcée par la thermolyse de la liaison amide du Kevlar®. L’accumulation de produits Photo-Fries, un sous-produit de la photo-oxydation, pendant le vieillissement photochimique est soupçonnée d’entraîner un ralentissement de la réaction de photo-oxydation, mis en évidence par la superposition des courbes de force de rupture. Des modèles basés sur la loi d’Arrhenius ont été proposés pour modéliser le vieillissement thermique et hydrolytique, tandis qu’un modèle tenant compte autant du niveau de flux énergétique que de la température a été formulé pour décrire le vieillissement par rayonnement lumineux. Un modèle inspiré de la théorie linéaire d’accumulation d’endommagement de Palmgren-Miner a été proposé pour exprimer l’endommagement global entrainé par l’ensemble des trois facteurs de vieillissement.