Analyse mécanique dynamique du polyamide sous l'influence de l'humidité

Problématique / Besoin :

Le polyamide est un matériau très polyvalent. Il peut être transformé en fibres qui sont utilisées dans le textile ainsi que pour les cordes, les fils chirurgicaux et les cordes à pincer d'instruments. De plus, les pièces de machines qui doivent être résistantes à l'abrasion (par exemple les carters, les paliers lisses, les roues dentées ou les rouleaux) sont souvent en polyamide. En raison de sa résistance aux hautes températures, aux lubrifiants et au solvant, le polyamide peut également être utilisé pour réaliser des collecteurs d'admission, des conduites de carburant, des carters de moteur et des carters d'huile de véhicules automobiles. Les mesures sont effectuées à l'aide d'un rhéomètre MCR équipé d'un dispositif de température de convection.

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction 

Le polyamide est un matériau très polyvalent. Il peut être transformé en fibres utilisées dans l'industrie textile ainsi que pour les cordes, les fils chirurgicaux et les cordes d'instruments pincés. De plus, les pièces de machines qui doivent être résistantes à l'abrasion sont souvent en polyamide. En raison de sa résistance aux températures élevées, au lubrifiants et aux solvants, le polyamide peut également être utilisé pour réaliser des collecteurs d'admission, des conduites de carburant, des carters de moteur et des carters d'huile de véhicules automobiles. Il est bien connu que l'eau peut pénétrer dans les polymères en général, et le polyamide en particulier, à travers la phase amorphe. Dans le polyamide, tant l'eau liquide que la vapeur d'eau peuvent être absorbées de l'environnement dans une proportion approchant 9% en poids. L'eau affaiblit les liaisons hydrogène entre les groupes amide voisins et lève l'encombrement stérique des chaines polymères, ce qui diminue la rigidité mais augmente la flexibilité. Par conséquent, la phase amorphe est plastifiée, la température de transition vitreuse est abaissée et les propriétés mécaniques et électriques sont altérées. A température ambiante, même une augmentation de quelques dixièmes de pour cent d'humidité relative peut entrainer une baisse significative du module par rapport à sa valeur pour le polyamide sec. En général, l'augmentation de la teneur en eau a un effet similaire à une augmentation de la température ou de l'échelle de temps d'essai. Par conséquent, lorsqu'on travaille avec du polyamide, il est important d'évaluer avec précision l'influence de l'humidité relative sur ses propriétés mécaniques et thermiques. Cette influence peut être déterminée de manière simple, précise et fiable à l'aide d'un rhéomètre Anton Paar équipé de l'option humidité. 

2. Configuration expérimentale 

CTD 180 avec option humidité

Les mesures sont réalisées à l'aide d'un rhéomètre MCR équipé d'un dispositif de température de convection. Un générateur d'humidité modulaire externe contrôle l'humidié de l'air circulant dans la chambre CTD 180. Avec cette configuration, les mesures peuvent être effectuées sous une humidité relative définie allant de 5 à 95% et une température allant de 5 à 120 °C. Il permet des mesures pratiquement sans gradient de température des propriétés des matériaux selon diverses normes internationales. 

A l'aide du logiciel du rhéomètre, il est possible de prérégler une himidité relative constante ou de programmer une variation temporelle de l'humidité relative. De plus, des rampes de température à humidité relative constante et des rampes d'humidité à températre constante sont possibles. 

Luminaire rectangulaire solide (SRF) 

En analyse mécanique dynamique (DMA) en torsion, les propriétés physiques et thermiques d'un échantillon sont mesurées en fonction de la température, de la fréquence de torsion ou de l'amplitude de torsion. Dans ce rapport, le luminaire rectangulaire solide est utilisé. Ce système de mesure permet la déformation oscillatoire en torsion d'une éprouvette rectangulaire. L'amplitude est maintenue faible pour éviter de détruire ou d'altérer la structure du matériau, ce qui signifie que la déformation est maintenue dans la plage viscoélastique linéaire (LVE). 

Préparation des échantillons

Des éprouvettes rectangulaires de dimensions environ 45/10/0,54 mm (longueur/largeur/épaisseur) sont soigneusement découpées dans un film de polyamide 6.6 (Nylon) à l'aide de ciseaux. Tous les échantillons sont coupés dans la même direction pour éliminer l'influence possible de l'orientation du matériau, par exemple en raison du traitement. Les échantillons sont ensuite équilibrés dans une pièce climatisée à une humidité relative constante d'environ 55% et une température de 23 °C avant la mesure. 

Chargement de l'échantillon

L'échantillon préparé est d'abord inséré dans la pince supérieure, qui peut être retirée de l'instrument. La pince est ensuite fixée dans le raccord rapide de l'échantillon est positionné dans la pince inférieure. Ensuite, l'échantillon est soigneusement fixé en serrant les vis SRF à l'aide d'une clé dynamométrique, au couple de 0,6 Nm. La chambre CTD 180 est alors fermée et la température de démarrage est réglée. Veuillez noter que lorsque la température de l'échantillon diminue, la contraction de l'échantillon qui en résulte peut entrainer des forces de traction élevées. Ces forces de traction peuvent être compensées en appliquant un réglage approprié de la force normale, c'est-à-dire en ajustant en continu l'écart de sorte que la force normale soit maintenue à une valeur constante de quelques dixièmes de Newton (en tension). Un profil de contrôle d'écart spécial pour la géométrie SRF est disponible avec les versions logicielles les plus récentes (RheoCompass v.1.8 ou supérieur). 

Méthodes de mesure

Préréglages

Tous les tests sont effectués à une fréquence de 1 Hz et une amplitude de déformation de 0,01%. Cette valeur d'amplitude a été préalablement déterminée à l'aide d'un test de balayage d'amplitude (non représenté) et est bien inférieure à la limite viscoélastique linéaire du matériau. La dilatation de l'échantillon due à l'altération de la température et à l'absorption d'eau est compensée en continu pendant la mesure en ajustant l'écart, de sorte que la force normale soit maintenue à une valeur constante de 0,25 N (c'est-à-dire une légère précontrainte axiale de l'échantillon). L'alimentation en air sec a une humidité relative résiduelle d'environ 5%. Comme le générateur n'est pas capable de sécher l'air, cela représente une humidité relative inférieure pouvant être dans la chambre. 

Tests de palier d'humidité

Dans les tests par paliers d'humidité, l'humidité relative (HR) augmente d'abord de 5 à 10%, puis jusqu'à 50% par incréments de 10%. Chaque étape dure 60 minutes et la mesure est effectuée à une température constante de 50°C. 

Tests de rampe d'humidité

Dans les tests de rampe d'humidité, l'humidité relative augmente d'abord de 5 à 70 % à raison de 1% par minute, suivi d'un temps de maintien de 60 min à 70% de HR constante et, efin, un pas décroissant de 70 à 5% de HR à un taux de 1% par minute. La température est maintenue à 50 °C tout au long de l'expérience. 

3. Résultats et discussion 

Plastification du polyamide en réponse à l'absorption d'eau mise en évidence par l'étape d'humidité et tests de rampe

Les résultats montre un test par palier d'humidité à une température constante de 50°C. L'humidité a été maintenue constante pendant 60 minutes, puis augmentée à plusieurs reprises de 10% jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur de 50%. Comme les échantillons ont été équilibrés aux conditions ambiantes dans une pièce climatisée, une tendance à la hausse du module a pu être observée à des HR de 5% et de 10%, probablement en raison d'un séchage du matériau. A l'inverse, chacune des étapes suivantes (HR = 20%, 30%, 40% et 50%) a déclenché une réduction rapide et significative du module complexe. A la température sélectionnée, le module complexe, c'st-à-dire du matériau) pouvait chuter jusqu'à 25% lorsque l'humidité relative augmentait de 10%. 

Comme déjà mentionné, la valeur de consigne de l'humidité a été augmentée de 5% à 70% à un taux de 1% par minute, puis maintenue à 70% pendant 60 minutes et redescendues à 5% à un taux de 1% par minute. Le test a également été réalisé à une température constante de 50°C. Tout d'abord, un léger séchage du matériau peut être observé, matérialisé par une courte augmentation du module complexe. Inversement, lorsque HR dépasse 10%, le module commence à chuter de façon continue. En raison de l'influence de l'humidité, le module chute d'environ 50%, atteignant son point le plus bas environ 130 minutes après le début de l'expérience. Puis dès que l'humidité relative diminue, le module recommence instantanément à augmenter. 

4. Conclusion

Nous avons montré que la reprise d'eau provoquée par l'air ambiant humide a un impact majeur sur les propriétés thermomécaniques du polyamide. Le module de cisaillement complexe diminue fortement lorsque l'humidité de l'air ambiant augmente, indiquant une plastification du matériau. De plus, la température de transition vitreuse dépend fortement de l'humidité de l'environnement de mesure. Même une variation relativement faible de l'humidité, dans ces cas de 5% à 15%, a entrainé une baisse significative de la température de transition vitreuse d'environ 10°C. Cela souligne à quel point il est crucial de prendre en compte l'humidité lors du travail du polyamide. En utilisant l'option d'humidité d'Anton Paar, ces effets peuvent être facilement caractérisés et quantifiés.