Essais de traction des polymères

Les polymères représentent certains des matériaux les plus utilisés dans le monde, que l’on trouve dans tout, des mastics souples aux conduites d’eau rigides. La définition la plus élémentaire d’un polymère est une structure moléculaire avec une longue chaîne de sous-unités répétitives, ou monomères. Les polymères peuvent être classés en plusieurs sous-catégories. Deux des plus basiques sont les plastiques de maintien de la forme et les élastomères flexibles.

Les plastiques sont subdivisés en thermoplastiques et thermodurcissables. Les thermoplastiques sont principalement linéaires et présentent très peu de réticulation. Les thermodurcissables ont généralement des structures tridimensionnelles plus compliquées, généralement avec une réticulation étendue.

Les élastomères, également connus sous le nom de caoutchoucs, sont composés de longues chaînes de polymères enroulées et peuvent être étirés au-delà de leur longueur de repos d’origine, mais se contractent pour retrouver leur taille d’origine lorsqu’ils sont libérés.

Dans cette vidéo, nous allons déterminer les courbes de contrainte-déformation de différents matériaux polymères, afin de comprendre comment leurs propriétés mécaniques affectent leurs performances.

L’une des façons les plus élémentaires de caractériser les polymères est l’analyse de la courbe contrainte-déformation. Il s’agit d’appliquer une charge connue sur une éprouvette et d’observer la déformation qui en résulte.

Le comportement contrainte-déformation des polymères dépend en grande partie du type de matériau analysé. L’axe des contraintes représente la quantité de force appliquée au matériau, tandis que la courbe de déformation représente la déformation relative due à cette contrainte. Le dernier point de la courbe représente le point où le matériau s’est finalement rompu, en raison de la force appliquée.

Dans les régions linéaires d’une courbe contrainte-déformation, la pente représente le module de Young de ce matériau. Il s’agit d’une propriété intrinsèque d’un matériau donné. La déformation à l’intérieur de cette région linéaire est connue sous le nom de déformation élastique et est réversible. La déformation au-delà de cette région est connue sous le nom de déformation plastique et est permanente.

Maintenant que vous comprenez les polymères et leurs propriétés, testons différents matériaux polymères à l’aide d’une machine d’essai de traction.

Obtenez des échantillons de traction typiques de l’acrylique, du nylon, du HPDE et des matériaux polymères PVC. À l’aide d’un micromètre, mesurez la largeur et l’épaisseur à plusieurs endroits le long de la tige de chaque échantillon pour déterminer les dimensions moyennes de la section transversale. Enregistrez la largeur et l’épaisseur moyennes mesurées de chaque éprouvette sur la fiche technique.

Réglez la machine d’essai universelle comme indiqué dans la vidéo JoVE concernant les caractéristiques de contrainte-déformation des aciers. Ensuite, placez l’échantillon dans les poignées de la machine d’essai de traction. Assurez-vous qu’au moins 80 % de chaque extrémité est fermement attachée aux poignées, ce qui aidera à éviter le glissement pendant l’opération de chargement. Le papier de verre peut également être utilisé pour améliorer la préhension de l’échantillon.

Fixez solidement l’extensomètre électronique à l’échantillon conformément aux instructions du fabricant. Ensuite, mesurez la longueur de l’éprouvette entre les mâchoires. Cette valeur est la longueur entre repères et sera utilisée pour calculer la déformation. Maintenant, commencez à appliquer la charge de traction sur l’échantillon et observez la lecture en direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Si la charge mesurée n’augmente pas, l’éprouvette glisse entre les mâchoires et doit être refixée. Dans ce cas, arrêtez l’essai et rattachez l’échantillon aux mâchoires.

Continuez à appliquer lentement la charge de traction, en observant la forme du graphique de charge en fonction du déplacement généré par ordinateur tout au long de la charge. Quelque temps avant l’échec de l’échantillon, le logiciel interrompt automatiquement le test. Laissez l’échantillon dans la machine d’essai et retirez l’extensomètre. Reprenez l’application de la charge de traction jusqu’à l’échec. Enregistrez la charge maximale et la charge en cas de défaillance. Retirez l’échantillon cassé de la machine. Observer et documenter l’emplacement et la nature de la fracture. Mesurez la largeur et l’épaisseur de l’éprouvette dans la zone de défaillance et enregistrez les mesures finales.

Répétez ce protocole pour les échantillons restants, en vous assurant de documenter et de caractériser l’emplacement de leurs fractures.

Une fois l’essai terminé, examinons maintenant les résultats de l’essai de traction. Ici, nous voyons la progression de la défaillance dans un échantillon de polyéthylène haute densité. Au cours de l’essai de traction, il y a une quantité importante de rétrécissement de haut en bas de l’échantillon lorsque les chaînes polymères se déroulent, mettant en évidence la ductilité du PEHD. Ce phénomène est encore plus perceptible si le matériau est chargé lentement, ce qui permet à l’échantillon de PEHD de s’étirer jusqu’à plusieurs fois sa longueur initiale.

Le PVC présente une progression de défaillance similaire à celle du PEHD, mais avec un module de Young beaucoup plus élevé et une ductilité plus faible.

L’échantillon de nylon avait un module de Young presque aussi élevé que le PVC, mais était un matériau beaucoup plus ductile, s’allongeant de manière plus similaire à l’échantillon de PEHD.

En revanche, l’échantillon acrylique échoue pratiquement sans aucune déformation non linéaire. La cassure qui en résulte se produit sans allongement visible de l’échantillon.

Ensuite, calculons le module de Young pour les régions linéaires des échantillons. Nous allons échantillonner trois paires de points à travers la région de déformation élastique et calculer la pente de chaque paire. Les moyennes de ces trois pentes seront l’approximatif du module de Young de ce matériau.

Comme on peut le voir, les deux modules de Young les plus élevés correspondent aux matériaux qui ont nécessité plus de force pour se rompre. Dans cet exemple, il s’agit des échantillons de PVC et d’acrylique. Ces matériaux ont également subi peu ou pas de déformation plastique, par rapport au PEHD ou au nylon, ce qui en fait des matériaux relativement cassants. Les échantillons de PEHD et de nylon avaient des modules de Young plus faibles, ce qui signifie qu’il fallait moins de force pour se déformer. Ces échantillons ont subi une striction importante, ce qui en fait les matériaux les plus ductiles échantillonnés.

Examinons maintenant quelques applications courantes de différents polymères. Presque tous les domaines professionnels trouveront des plastiques utilisés, des équipements médicaux aux matériaux de construction à haute résistance.

Dans les applications de génie civil, les polymères sont largement utilisés pour les produits d’étanchéité, les tuyauteries ou les tuyaux, les revêtements, les revêtements et les adhésifs. Les diverses propriétés des polymères en font un candidat potentiel pour presque tous les emplois.

Les élastomères sont un type spécifique de polymère, largement recherché pour ses propriétés uniques. Comme ils ont un grand rapport d’étirement, sont non conducteurs d’électricité et extrêmement imperméables, ils sont utiles dans des applications allant des fils isolants électriques aux gants nitro utilisés dans les laboratoires.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux tests de tension des polymères. Vous devez maintenant comprendre les bases de la science des polymères et connaître le test de laboratoire standard pour déterminer la relation contrainte-déformation pour différents matériaux polymères.

Merci d’avoir regardé !