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

Overview & Synopsis

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.