Caractérisation de l'effet du vieillissement en milieu aqueux sur les propriétés mécaniques de composites à matrice élastomère.

Présents depuis plusieurs années dans le domaine automobile,les matériaux composites à matrice élastomère ont récemment fait leur apparition dans le domaine aquatique, pour des barrages gonflables et d'autres applications innovantes. Ces matériaux composites sont généralement constitués d'une matrice caoutchouc et d'un renfort en fibres synthétiques. L'utilisation des élastomères en milieu aquatique n'est pas nouvelle, des recherches sur ces matériaux ont été réalisées depuis près d'un siècle. Cependant, la question de la durée de vie dans un milieu aquatique d'un composite à matrice élastomère reste à être étudiée. Ce mémoire présente une étude sur le vieillissement des matériaux composites à matrices élastomères menée dans le cadre d'un projet de recherche en collaboration avec Alstom et Hydro-Québec. En effet, le choix de tels matériaux nécessite de connaître leur comportement dans un environnement aqueux pendant plusieurs années. L'objectif de cette étude est donc d'identifier des composites à matrice élastomère potentiellement utilisables sous l'eau pendant de longues périodes. Différentes plaques composites à base de matrices d'éthylène-propylène-diène monomère (EPDM), silicone, EPDM/silicone et polychloroprène (Néoprène), renforcées par un tissu en fibres de verre E, ont été étudiées. La tenue sous l'eau de ces assemblages a été évaluée par le biais d'essais de vieillissements accélérés. Pour ce faire, les plaques composites ont été immergées dans un bain à 85 °C pour des durées variant de 14 à 365 jours. Ces matériaux ont aussi été vieillis pendant 1 an dans l'eau à température ambiante (21 °C) afin de servir de base comparative pour le vieillissement accéléré. Suite au vieillissement à 85 °C, les plaques composites ont été évaluées à travers une série d'essais mécaniques et physiques. L'analyse au microscope électronique à balayage (MEB) a permis d'observer l'état d'adhésion à l'interface fibre-matrice. La mesure du taux d'absorption d'eau a permis de quantifier l'eau absorbée pendant l'immersion. Finalement, l'évolution des propriétés mécaniques en traction a donné lieu à la détermination du module d'élasticité (E) et la contrainte ultime (σu) de chaque matériau. Cette analyse expérimentale a permis d'identifier la qualité de l'interface fibre-matrice comme le facteur prépondérant contrôlant à la fois les propriétés mécaniques et la durabilité du matériau sous l'eau. Aussi, il a été constaté que cette adhésion pouvait être améliorée en utilisant un agent de couplage adéquat. Les composites à matrice silicone avec renforts traités en sont un bon exemple. De plus, au cours du vieillissement accéléré, il a été mis en évidence que l'interface fibre matrice pouvait aussi être un lieu de fortes contraintes en raison du gonflement différentiel.

Abstract

Rubber composites are widely used in several engineering fields, such as automotive, and more recently for inflatable dams and other innovative underwater applications. These rubber materials are composed by an elastomeric matrix while the reinforcing phase is a synthetic fabric. Since these components are expected to operate several years in water environment, their durability must be guaranteed. The use of rubber materials immersed in water is not new, in fact, these materials have been studied for almost one century. However, the knowledge on reinforced rubber composites immersed several years in water is still limited. In this work, investigations on reinforced rubbers were carried out in the framework of a research project in partnership with Alstom and Hydro-Quebec. The objective of this study was to identify rubber composites that could be used under water for long periods. Various rubber composites with ethylene-propylene-diene monomer (EPDM), silicone, EPDM/silicone and polychloroprene (Neoprene) matrices reinforced with E-glass fabric were studied. Thus, these materials were exposed to an accelerated ageing at 85 °C underwater for periods varying from 14 to 365 days. For comparison purposes, they were also immersed and aged one year at room temperature (21 °C). The impact of accelerated aging was estimated through three different characterization methods. Scanning electron microscopy (SEM) was first used to assess the quality of fiber-matrix interface. Then, water absorption tests were performed to quantify the rate of water absorption during immersion. Finally the evolution of the mechanical properties was followed by the determination of Young's modulus (E) and ultimate stress (σu) using a dedicated traction test. This analysis allowed to point out that the quality of the fiber-matrix interface was the main factor influencing the drop of the mechanical properties and their durability. Moreover, it was noticed that this interface could be improved by using appropriate coupling agent as confirmed by the silicone composite with treated fabric. It was also observed that fiber-matrix interface could be a place where high stresses were localized because of differential swelling leading to an important loss of mechanical properties. The results revealed very different behaviors from one composite to another.