CONTRIBUTION A L’ETUDE DES CONTRAINTES THERMIQUES DANS LE CAS DES POLYMERES VITREUX ET DE LEURS EFFETS SUR LES PROPRIETES MECANIQUES, THERMIQUES ET PHYSIQUES

Abstract

Dans un premier temps, la technique de la photoélasticimétrie a été utilisée pour étudier les facteurs qui affectent les contraintes résiduelles, en particulier les contraintes thermiques, dans le cas du polymethylméthacrylate (PMMA). Le but était l’étude de l'effet de la température de 2ème trempe dans trois milieux différents, à savoir l’air, l’eau , et l’éthylène glycol, sur la distribution du champ de contraintes thermiques ainsi que les propriétés mécaniques et thermiques associées. Le champ de distribution des contraintes résiduelles a été obtenu en utilisant une caméra CCD. Les trempes ont été réalisées à partir d'une valeur fixe de 120°C à différentes valeurs au-dessous de Tg. Il a été observé que la trempe dans l'eau à 20°C engendre une densité importante de contraintes de traction. Cependant, dans l'éthylène glycol à 110°C, ces contraintes ont tendance à disparaître. Une évaluation approximative de ces contraintes en un point près du centre de l'échantillon a été effectuée. Il a été montré que le profil de distribution des champs de contrainte de traction était beaucoup plus proche d’une forme parabolique. La résistance au choc Izod et la TFC ont été mesurées; ces propriétés sont particulièrement sensibles aux contraintes résiduelles. Dans un deuxième temps, les effets de la trempe libre sur les comportements mécanique et thermique de certains polymères amorphes ont été étudiés. Trois traitements thermiques différents ont été utilisés: une 1ère trempe à partir de l'état fondu jusqu'à différentes températures (cas du PC) , une 2ème trempe à partir de Tg + 15°C (cas du PC, PS, PMMA et PC/TiO2) et finalement un recuit. Dans le cas du PC, les résultats ont montré qu'une amélioration de la résistance au choc et de l'allongement à la rupture peut être obtenue après une 1ère trempe à 0°C. Cependant, une 2ème trempe à 40°C donne de meilleurs résultats et une corrélation entre les propriétés mécaniques et thermiques est observée. L'amélioration de ces propriétés est obtenue au détriment d'autres propriétés comme le module d'élasticité, la densité, la contrainte au seuil d'écoulement et la température de fléchissement sous charge (TFC). Dans le cas du PC, les résultats de l’analyse mécanique dynamique montrent que l'amélioration de la résistance au choc et de l'allongement à la rupture après la 2ème trempe lié à l'existence d'un mode de la relaxation localisé autour de 35°C. Pour les quatre matériaux, le minimum de densité atteint après une 2ème trempe entre Tg + 15°C et 40°C a été associé à la présence de volume libre qui mène à une plus haute mobilité moléculaire. Ceci explique l'augmentation de la résistance au choc Izod et de l'allongement à la rupture, et la diminution du module d'élasticité, de la contrainte au seuil d'écoulement, de la TFC et de la Tg. De plus, l'augmentation de la résistance au choc Izod a été corrélée à une modification du mode de fracture qui passe de fragile (surface de fracture lisse) à ductile (surface de fracture rugueuse). La différence entre la 1ère et la 2ème trempe peut être liée aux temps de relaxation des segments de chaînes macromoléculaires à 40°C. Le procédé de trempe libre est donc un moyen simple mais efficace pour générer des contraintes résiduelles et du volume libre. Ce processus entraîne des changements mécaniques et structuraux importants, qui doivent être pris en considération dans les applications des polymères amorphes.