Vieillissement des matériaux composites verre-polyester en milieu marin : délaminage d'origine osmotique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1992

Aging of unsaturated polyester glass fiber composites in sea water : osmotic delamination

Vieillissement des matériaux composites verre-polyester en milieu marin : délaminage d'origine osmotique

Résumé

Composite materials with polymeric matrix reinforced by mineral fibers and gelcoated (with a coloured resin), are widely used in nautical construction or for various applications like pipes, tanks, spas and body panels of cars. However, glass fiber reinforced polyesters are more or less sensitive to climatic aging (air humidity, ultraviolet light, and immersion in water). In addition, a degradation which finds its origin in an osmotic process, can lead to a delamination of both the gelcoat (circular blisters) and the laminate (quasi ellipsoidal defects) at longer times. The research programme presented here as a thesis, takes into account the influence of various parameters on the osmosis degradation and its propagation through accelerated tests of aging. These parameters are related to the nature of the materials, the manufacturing process (similar to that used in the shipbuilding industry) and the environment to which composites are exposed. Special testing tanks have been constructed to simulate the aging of a structure in sea water, so that the materials are exposed to water only on the gelcoat side. Specific physico-chemical analyses are used to characterize the initial state and the degradation during the aging. Thus, the matrix is shown to be under-polymerized and this can lead to an excessive porosity and a more significant permeability to water of the materials. The different steps of the osmotic phenomenon are established by scanning microscopy and by the identification of the hydrolytic degradation products of the resins. The study of the mechanical properties with time permits us to focus on the anisotropy of the degradation and to show the influence of gelcoat or interlaminar blistering on the structural integrity. Different aspects of the behaviour of the materials are then examined : -a study of concentration profile of water in a multilayered composite, by finite difference methods : a concentration gradient being able to initiate osmotic sites -a study of the initiation times and of the propagation of the defects at temperatures up to 80°C, in order to extrapolate the results to room conditions -a mechanical simulation of the defects to estimate their maximum propagation and the behaviour of the layer under pressure. As a result of these studies the osmotic phenomenon of degradation and its kinetics are better understood. This has enabled solutions to be proposed which should ensure improved resistance of glass polyester composite structures to long term exposure in a marine environment. KEY-WORDS : composite materials, polyester, glass fiber, gelcoat, aging, sea water, osmosis, delamination, mechanical properties, modelling, durability.
Les matériaux composites à matrice polymère et renfort minéral, revêtus de gelcoat (résine pigmentée de protection), sont largement utilisés en construction nautique, ou pour diverses applications courantes comme les canalisations, réservoirs, piscines et carrosseries. Cependant ces matériaux composites verre/polyester résistent de façon inégale au vieillissement climatique (humidité de l'air, rayonnement ultraviolet et immersion en eau de mer). En particulier, un endommagement d'origine osmotique conduisant à un délaminage du revêtement (apparition de cloques circulaires) et du stratifié (défauts de forme quasiellipsoïdale) à plus long terme a été identifié. L'étude qui fait l'objet de ce mémoire de thèse, traite de l'influence de divers paramètres sur l'apparition de ce type de dégradation et de sa propagation grâce à des tests de vieillissement accéléré. Ces paramètres sont relatifs à la nature des matériaux, aux conditions de fabrication des composites et à l'environnement auquel ils sont exposés. La mise en oeuvre est effectuée de façon analogue à celle pratiquée en atelier. Des dispositifs d'essais ont été élaborés pour réaliser une simulation du vieillissement d'une structure en eau de mer, de telle manière que les matériaux soient en immersion unifaciale (côté gelcoat). La caractérisation de l'état initial et le suivi de la dégradation au cours du vieillissement nécessitent le recours à des méthodes d'analyse physico-chimique spécifiques. Ainsi, une sous polymérisation de la matrice polymère, responsable d'une porosité et d'une perméabilité à l'eau plus importante du matériau, a été mise en évidence par analyse thermique et chromatographique. Les différentes étapes du phénomène d'osmose ont été identifiées par microscopie électronique à balayage et par identification des produits de dégradation hydrolytique des résines. D'autre part, l'étude de l'évolution des propriétés mécaniques des matériaux au cours du vieillissement, permet de caractériser l'anisotropie de l'endommagement, et de montrer l'influence de la localisation du cloquage (soit au niveau du gelcoat, ou dans le stratifié) sur l'intégrité du composite. Différentes approches du comportement des matériaux en cours de vieillissement sont alors proposées : -une étude du profil de concentration en eau dans un matériau multicouche par différences finies, le gradient de concentration pouvant en effet initier des sites d'osmose -une approche cinétique pour estimer le temps d'apparition des défauts et leur évolution dans des conditions d'exposition naturelle -une modélisation mécanique du cloquage pour étudier la propagation du phénomène et le comportement du matériau. Le problème d'endommagement d'origine osmotique est ainsi mieux appréhendé et la durabilité des matériaux soumis à ce processus d'endommagement devient prévisible. Cette étude permet ainsi d'élaborer des solutions pour assurer une meilleure résistance des structures construites en composites verre/polyester. MOTS-CLES : matériaux composites, polyester, verre, gelcoat, vieillissement, milieu marin, osmose, délaminage, propriétés mécaniques, modélisation, durabilité.
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  • HAL Id : tel-03536940 , version 1

Citer

Philippe Castaing. Vieillissement des matériaux composites verre-polyester en milieu marin : délaminage d'origine osmotique. Polymères. INPT, 1992. Français. ⟨NNT : 1992INPT0621⟩. ⟨tel-03536940⟩

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