Moisture-Matrix Interactions in Polymer Based Composite Materials Interactions humidité-matrice dans les matériaux composites à matrice organique

Abstract

Fiber reinforced polymeric composites are currently based both on thermoset polymers like epoxy or polyester resins and on advanced thermoplastic materials like polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI) and polysulfone (PSU). Sensitivity of polymer matrices to the presence of moisture and solvents and to thermally induced stresses is of primary importance in determining the durability of polymer based composite structures. In fact, moisture and solvents can greatly affect not only mechanical properties of the matrix per se, but also its adhesion properties to the reinforcing fibers. The mechanisms through which sorbed moisture and solvents can act are reviewed in this paper. These mechanisms include interaction with specific groups and penetrant induced plasticization and are deeply examined in the case of epoxy, polyester and PEEK resins. La dégradation des propriétés mécaniques des polymères servant de matrice pour composites, et des composites eux-mêmes, est associée à la plastification et à l'endommagement micromécanique de la matrice, induits par les effets combinés de la température, des contraintes mécaniques et de l'humidité. Cet article décrit le phénomène de sorption à l'équilibre de l'eau, ainsi que la cinétique de diffusion des matrices époxydes, polyesters et PEEK. Dans le cas des matrices époxydes non renforcées, différents mécanismes sont à l'origine de la plastification induite par l'humidité. La baisse de température de transition vitreuse qui en résulte dépend de la quantité d'amines secondaires résiduelles, du degré de réticulation (quantité de durcisseur) et du niveau d'interaction entre les molécules d'eau et les chaînes époxydes. La présence marquée d'un hysteresis sur les cycles de sorption-désorption est due à un endommagement progressif du polymère, attribué à une microstructure non homogène, à savoir, caractérisée par des différences locales de densité de réticulation. La formation de paquetsde molécules d'eau joue un rôle déterminant dans cet endommagement. Une sorption d'eau à l'équilibre nettement plus faible est reportée pour le thermoplastique PEEK. Le phénomène de plastification induite par l'eau est par conséquent négligeable. Il a été trouvé que la relaxation du polymère modifie légèrement la sorption à l'équilibre de l'eau, à la fois pour le PEEK et pour les époxydes. Dans le cas des composites basés sur ces matrices, l'humidité influence non seulement les caractéristiques de la matrice, mais aussi celles des fibres et des interfaces fibre-matrice. En fait, la décohésion fibres/matrice entraîne la création de micro-réservoirsremplis d'eau, ce qui entraîne des niveaux apparents de sorption plus élevés. L'effet de synergie de la température, des contraintes mécaniques et de l'humidité est particulièrement critique pour les composites exposés aux conditions réelles de service. De plus, les défauts générés lors de la fabrication de ces matériaux sont d'une grande importance sur la durabilité des composites. À l'origine de ces défauts sont, par exemple, une cuisson incomplète et non homogène de la matrice ou les différences de température de cuisson dans la pièce, conduisant à des contraintes résiduelles interlaminaires. Généralement, les composites à base de PEEK sont plus résistants que les composites à base d'époxyde, du fait d'une affinité moins forte pour l'eau, ainsi qu'à une meilleure résistance mécanique et une rigidité plus élevée à haute température. Le comportement d'un système à base de résine polyester a également été examiné. Dans le cas de la résine pure et des composites à base de cette résine, les effets induits par la plastification sont couplés à la désorption de composés de bas poids moléculaire, eux-mêmes résultant d'une cuisson incomplète. Les conséquences de ce phénomène de désorption, lors d'un vieillissement thermique, sont un module élastique plus élevé et un allongement à la rupture plus faible. La plastification due à l'eau absorbée n'a en fait qu'un effet limité, et à des températures proches de la Tg de la résine polyester pure.