Vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde-amine/verre pour l'isolation

295 Pages·2011·6.35 MB·French

N° d’ordre 2005-ISAL-0087
Année 2005

Thèse

Vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde-amine/verre
pour l’isolation thermique sous hautes pressions :
Mécanismes de dégradation et simulation de la prise en eau.

Présentée devant l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Pour obtenir Le grade de docteur

Spécialité Matériaux polymères

École doctorale École Doctorale Matériaux de Lyon

Par Nelly GIMENEZ, née FOUQUE
Ingénieur Génie Mécanique Conception de l’I.N.S.A. de Lyon

Soutenance le 22 novembre 2005 devant la Commission d’examen

Jury :
Mme. V. Sauvant-Moynot Ingénieur de Recherche – Docteur Co-Directeur de thèse
(Institut Français du Pétrole)
Et MM. J. Verdu Professeur (ENSAM) Rapporteur
A. Chateauminois Chargé de Recherche (CNRS-ESPCI) Rapporteur
G. Seytre Directeur de Recherche (CNRS-UCBLyon 1) Examinateur
E. Maire Chargé de Recherche (CNRS-INSA de Lyon) Examinateur
H. Sautereau Professeur (INSA de Lyon) Co-Directeur de thèse
D. Kranbuehl Professeur (William and Mary) Invité

2005
SIGLE ECOLE DOCTORALE
NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE DE LYON
M. Denis SINOU

Université Claude Bernard Lyon 1

Lab Synthèse Asymétrique UMR UCB/CNRS 5622
Bât 308
Responsable : M. Denis SINOU 2ème étage
43 bd du 11 novembre 1918
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected]
ECONOMIE, ESPACE ET MODELISATION M. Alain BONNAFOUS
E2MC DES COMPORTEMENTS Université Lyon 2
14 avenue Berthelot
MRASH M. Alain BONNAFOUS
Responsable : M. Alain BONNAFOUS Laboratoire d’Economie des Transports
69363 LYON Cedex 07
Tél : [phone]
[email protected]
ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, M. Daniel BARBIER
E.E.A. AUTOMATIQUE INSA DE LYON
Laboratoire Physique de la Matière
Bâtiment Blaise Pascal
M. Daniel BARBIER 69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
[email protected]
EVOLUTION, ECOSYSTEME, M. Jean-Pierre FLANDROIS
E2M2 MICROBIOLOGIE, MODELISATION UMR 5558 Biométrie et Biologie Evolutive
http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2 Equipe Dynamique des Populations Bactériennes
Faculté de Médecine Lyon-Sud Laboratoire de Bactériologie
M. Jean-Pierre FLANDROIS BP 1269600 OULLINS
Tél : [phone] Fax [phone]
[email protected]
INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR M. Lionel BRUNIE
EDIIS LA SOCIETE INSA DE LYON
http://www.insa-lyon.fr/ediis EDIIS
Bâtiment Blaise Pascal
M. Lionel BRUNIE 69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
[email protected]
INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE M. Alain Jean COZZONE
EDISS http://www.ibcp.fr/ediss IBCP (UCBL1)
7 passage du Vercors
69367 LYON Cedex 07
M. Alain Jean COZZONE
Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected]
MATERIAUX DE LYON M. Jacques JOSEPH
EDML http://www.ec-lyon.fr/sites/edml Ecole Centrale de Lyon
Bât F7 Lab. Sciences et Techniques des Matériaux et des Surfaces
M. Jacques JOSEPH 36 Avenue Guy de Collongue BP 163
69131 ECULLY Cedex
Tél : [phone] Fax [phone]
[email protected]
MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE
M. Franck WAGNER
Math IF FONDAMENTALE
Université Claude Bernard Lyon1
http://www.ens-lyon.fr/MathIS
Institut Girard Desargues

UMR 5028 MATHEMATIQUES
M. Franck WAGNER Bâtiment Doyen Jean Braconnier
Bureau 101 Bis, 1er étage
69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : [phone] Fax : [phone]
[email protected]
MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE M. François SIDOROFF
MEGA CIVIL, ACOUSTIQUE Ecole Centrale de Lyon
http://www.lmfa.ec-lyon.fr/autres/MEGA/index.html Lab. Tribologie et Dynamique des Systèmes Bât G8
36 avenue Guy de Collongue
M. François SIDOROFF BP 163
69131 ECULLY Cedex
Tél :[phone] Fax: [phone]
[email protected]

3
Le vieillissement et la durabilité de mousses syntactiques pour l'isolation thermique grande profondeur

4
Remerciements

M
es pensées se tournent aujourd’hui vers les origines de cette thèse, et vers le Professeur Henry
Sautereau qui m’a fait confiance dès la première minute et a soutenu cette étude à chaque instant avec
son enthousiasme et sa sagesse scientifique. Après cinq années à l’INSA, dont trois en mécanique, il
était temps que je fasse ce pourquoi je voulais être ingénieur : l’étude de matériaux composites. Cette
thèse a été initiée par Valérie Sauvant-Moynot de l’Institut Français du Pétrole de Lyon. Merci à elle
d’avoir fait bénéficier cette étude de toute son énergie, jusqu’à la « dernière minute » et même après...
La thèse a été financée par l’IFP, à l’aide d’une bourse CIFRE (Association Nationale de la Recherche
Technique).

E
t la liste est longue de ceux qui ont contribué à la réussite de cette thèse :
Pendant deux tiers de mon temps, c’est le Laboratoire des Matériaux Macromoléculaires (LMM UMR
CNRS 5627) qui m’a accueillie, au sein de l’INSA de Lyon. Merci à Jean-François Gérard, directeur
du laboratoire, et à toute l’équipe du LMM qui m’a donné goût à la Recherche, dès mes premiers pas
au sein du laboratoire, notamment à Alain André Roche qui a suivi avec attention et conviction mon
DEA.
Pendant le troisième tiers de mon temps, j’ai fait partie du Département Matériaux de l’IFP au sein de
la Division Chimie et Physico-Chimie appliquées. Merci à Jacques Jarrin et à Bernard Dewimille qui
sont aussi aux origines de la thématique de cette thèse et à Joseph Martin qui a chapeauté le projet
avec confiance. Merci à Serge, pour avoir partagé son bureau et sa bonne humeur avec moi, à Sylvie,
Jacky et Gilbert, sans qui cette thèse manquerait de souffle et à toute l’équipe de R0731S. Gardez le
cap sereinement malgré le vent qui forcit.

R
emerciements à Jacques Verdu et Antoine Chateauminois qui me font l’honneur de rapporter sur
mes travaux de thèse. Et remerciements à Eric Maire qui a suivi de plus près mes travaux et grâce à
qui toute l’étude par tomographie au sein de l’ESRF a été possible. La grande toile des réseaux entre le
LMM, le GEMPPM et l’IFP s’est encore densifiée. J’exprime aussi toute ma gratitude aux deux autres
examinateurs, Gérard Seytre, et David Kranbuehl pour leurs remarques et critiques.

C
omment ne pas finir cette longue liste par des remerciements tous particuliers aussi à mes co-
bureaux (Maëlenn avant tout, et Stéphane, Lionel, Yann, Nicolas..) et aux co-bureaux de mon
supporter numéro 1, même si ce n’était pas « gagné » (Frédéric et Boris). A Isabelle qui fait tourner la
« maison », à Hervé sans qui rien ne fonctionnerait maintenant que Gaby et Nathalie sont parties.. Et
merci enfin à :

I
sabelle qui a ensoleillé ces deux dernières années de thèse, et à Jérôme qui offre les meilleurs cafés
qui soient.

5
Le vieillissement et la durabilité de mousses syntactiques pour l'isolation thermique grande profondeur

6
Thèse N. Gimenez

Table des matières

7
Le vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde/amine/verre.
8
Thèse N. Gimenez
PARTIE A – Cadre de l’étude
1 POSITIONNEMENT DE L’ETUDE : VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE DES MOUSSES
SYNTACTIQUES ET DU VERRE...................................................................................................................24
1.1 LE CONTEXTE INDUSTRIEL..................................................................................................................24
1.1.1 L’industrie pétrolière et les exploitations offshore........................................................................24
1.1.2 Les gisements sous-marins............................................................................................................24
1.1.3 Les conduites.................................................................................................................................25
1.1.4 L’utilisation des mousses syntactiques..........................................................................................25
1.2 VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE DES MOUSSES SYNTACTIQUES : BIBLIOGRAPHIE.......................28
1.2.1 Vieillissement hygrothermique des polymères époxyde-amine.....................................................28
1.2.2 Vieillissement hygrothermique des mousses syntactiques.............................................................48
1.2.3 Conclusion sur le vieillissement hydrolytique du polymère époxyde/amine et des mousses
syntactiques.................................................................................................................................................55
1.3 VIEILLISSEMENT DU VERRE : BIBLIOGRAPHIE ET ETUDE PRELIMINAIRE.............................................56
1.3.1 Caractérisation des microsphères à l’état initial..........................................................................56
1.3.2 Mode de vieillissement du verre : bibliographie...........................................................................60
1.3.3 Suivi du vieillissement du verre : essais réalisés...........................................................................66
1.3.4 Conclusion sur le vieillissement des microsphères.......................................................................71
1.4 LES MECANISMES POSSIBLES D’ENTREE D’EAU DANS LES MOUSSES SYNTACTIQUES ET CONCLUSION
SUR LA SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE................................................................................................................72
1.4.1 Entrée de l’eau et plastification de la matrice..............................................................................72
1.4.2 Hydratation des interfaces et du verre..........................................................................................73
1.4.3 Remplissage des microsphères......................................................................................................74
1.4.4 Conclusions sur la synthèse bibliographique................................................................................75
2 MATERIAUX............................................................................................................................................76
2.1 CONSTITUANTS...................................................................................................................................76
2.1.1 Matrice..........................................................................................................................................76
2.1.2 Microsphères.................................................................................................................................77
2.2 MISE EN ŒUVRE..................................................................................................................................82
2.2.1 Procédé de fabrication..................................................................................................................82
2.2.2 Récapitulatif des matériaux étudiés..............................................................................................83
3 MORPHOLOGIE/CARACTERISATION INITIALE DES MATERIAUX MODELES..................84
3.1 ASPECT DES MOUSSES / TOMOGRAPHIE 3D-RX..................................................................................84
3.2 TAUX DE VERRE..................................................................................................................................85
3.3 HOMOGÉNÉITÉ / SÉGRÉGATION / DÉCANTATION.................................................................................87
3.3.1 Décantation du prépolymère.........................................................................................................87
3.3.2 Ségrégation des sphères................................................................................................................88
3.4 PROPRIETES MECANIQUES INITIALES..................................................................................................90
3.4.1 Influence de la fraction volumique de sphère................................................................................90
3.4.2 Modèles portant sur les caractéristiques initiales.........................................................................92
3.5 PROPRIETES THERMIQUES INITIALES.................................................................................................102
3.5.1 La conductivité thermique...........................................................................................................102
3.5.2 Cas des mousses syntactiques.....................................................................................................103
3.5.3 Influence de la fraction volumique de sphères............................................................................104
3.5.4 Conductivité thermique réelle des sphères..................................................................................105
9
Le vieillissement hydrolytique de mousses syntactiques époxyde/amine/verre.
PARTIE B – Méthodologie et application sur une composition
« industrielle » et le polymère

4 TECHNIQUES SPECIFIQUES UTILISEES LORS DU SUIVI DU VIEILLISSEMENT..............119
4.1 TOMOGRAPHIE 3D-RX.....................................................................................................................119
4.2 GRAVIMETRIE ET ANALYSE THERMO-GRAVIMETRIQUE...................................................................122
4.2.1 Gravimétrie par pesée et mesure.................................................................................................122
4.2.2 Gravimétrie par ATG..................................................................................................................122
4.2.3 Gonflement..................................................................................................................................124
4.3 ANALYSE THERMIQUE DIFFERENTIELLE............................................................................................126
4.3.1 Analyse des thermogrammes.......................................................................................................126
4.3.2 Comparaison ATD et ATG..........................................................................................................128
4.4 DIELECTROMETRIE...........................................................................................................................129
4.4.1 Théorie........................................................................................................................................129
4.4.2 Protocole opératoire de mesure..................................................................................................130
4.4.3 Protocole de traitement des données...........................................................................................130
4.4.4 Conductivité ionique de la mousse MS1-55%.............................................................................132
4.4.5 Capacité de MS1-55%.................................................................................................................135
4.5 COMPRESSION UNIAXIALE................................................................................................................138
4.5.1 Elasticité et plasticité..................................................................................................................138
4.5.2 Suivi du vieillissement par comparasion à une simulation mousse alvéolaire............................140
4.6 CONDUCTIVITE THERMIQUE..............................................................................................................142
4.6.1 Résultats bruts.............................................................................................................................142
4.6.2 Comparaison gain massique et conductivité thermique..............................................................144
4.7 CONCLUSION SUR LA METHODOLOGIE ET LE VIEILLISSEMENT DE MS1-55% EN EAU PERMUTEE, A
100°C, SANS PRESSION ADDITIONNELLE.........................................................................................................146
5 VIEILLISSEMENT DU POLYMERE EN MILIEU AQUEUX.........................................................147
5.1 ETUDE GRAVIMETRIQUE SUIVANT LES CONDITIONS DE VIEILLISSEMENT..........................................147
5.1.1 Influence de la pression à 20°C sur la gravimétrie.....................................................................147
5.1.2 Influence de la nature de l’eau sur la gravimétrie......................................................................149
5.1.3 Influence de la pression à 100°C................................................................................................150
5.1.4 Diffusion de Fick.........................................................................................................................151
5.2 CONSEQUENCES DE L’ABSORPTION D’EAU SUR LES PROPRIETES PHYSIQUES.....................................155
5.2.1 Caractéristiques physiques du polymère après différents vieillissements...................................155
5.2.2 Influence de la température.........................................................................................................158
5.2.3 Influence de la nature de l’eau (teneur en ions)..........................................................................158
5.2.4 Influence de la pression...............................................................................................................159
5.2.5 Dégradation par vieillissement osmotique..................................................................................161
5.3 CONCLUSION SUR LE VIEILLISSEMENT DU POLYMERE.......................................................................168

1 0