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Effet du vieillissement sur les propriétés de la membrane humidifuge en E-PTFE/NOMEX utilisée dans les vêtements de protection contre les incendies

El Aidani, Rachid (2012). Effet du vieillissement sur les propriétés de la membrane humidifuge en E-PTFE/NOMEX utilisée dans les vêtements de protection contre les incendies. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La membrane humidifuge utilisée dans la confection des vêtements de protection contre les incendies joue un rôle très important dans la protection lors de l’utilisation en service. Cette membrane est généralement constituée d’une couche de polytétrafluoroéthylène expansé (e-PTFE) laminé sur un tissu en Nomex®. Notre étude s’est intéressée aux effets individuels et combinés de la température, rayonnement UV et l’humidité sur les performances de cette membrane. En effet, les propriétés de ce matériau peuvent évoluer dans le temps en fonction des conditions d’utilisation en service. Des vieillissements thermiques ont été réalisés à cinq températures (190, 220, 275, 300 et 320°C). Quatre intensités lumineuses (0,35, 0,68, 1 et 1,35 W/m2) à trois températures (50, 70 et 80°C) ont été utilisées pour le vieillissement photochimique accéléré et trois taux d’humidité relative ont été choisis (60, 80 et 100%) pour le vieillissement hydrolytique. Les propriétés mesurées incluent la résistance à la traction, la force de déchirure et la perméabilité à la vapeur d'eau. Des analyses physico-chimiques et morphologiques complémentaires ont également été effectuées.

Des réductions importantes des propriétés mécaniques de la membrane suite au vieillissement thermique, photochimique, hydrolytique et alterné ont été observées. Elles peuvent être attribuées entre autres à une dégradation des fibres de Nomex®. L'effet du vieillissement thermique accéléré sur les propriétés mécaniques de la membrane peut être décrit par la loi d'Arrhenius. D’autres modèles ont été élaborés pour prédire la durée de vie du vieillissement photochimique et l’effet synergétique de ces agents de vieillissement. En ce qui concerne la perméabilité à la vapeur d’eau, deux mécanismes concurrents ont été observés. D’une part, une fermeture des micropores de la membrane a été observée suite au vieillissement dans les températures les plus basses, impliquant une diminution de la perméabilité. D’autre part, des fissures dans la membrane apparaissent pour les plus hautes températures de vieillissement et/ou pour des temps d’exposition suffisamment longs. Les fissures produisent une très forte augmentation de la perméabilité, bien au-delà de la valeur observée sur la membrane neuve.

Les mesures par spectroscopie infrarouge (FTIR), diffraction aux rayons X (DRX), calorimétrie différentielle à balayage (DSC), microscopie électronique à balayage (MEB) et par microscopie à force atomique (AFM) mettent en évidence des modifications de la structure physicochimique au niveau des deux composants de la membrane suite aux traitements de vieillissement. Ces résultats permettent une meilleure compréhension des phénomènes se produisant lors du vieillissement de ce laminé microporeux à haute performance. Ils donnent également des outils pour contribuer à améliorer la sécurité des vêtements de protection contre l’incendie.

Un modèle mathématique permet de prédire la durée de vie de la membrane e-PTFE/Nomex® lors de son vieillissement en service a été utilisé à partir des données expérimentales collectées lors de cette étude, et en prenant le temps de vie correspondant à une diminution de 50% de la force de déchirure initiale. Il tient compte des effets synergétiques du vieillissement thermique, photochimique et hydrolytique.

Titre traduit

Effect of aging on the properties of E-PTFE/NOMEX® moisture barrier membrane used in fire protective clothing

Résumé traduit

The moisture barrier membrane used in the manufacturing of fire protective clothing has an important protective role during use in service. This membrane usually consists of a coating of expanded polytetrafluoroethylene (e-PTFE) laminated to a Nomex® fabric. This study has examined the effects of thermal, photochemical and hydrolytic aging on the performance of this membrane. The properties of this material may evolve over time depending on the conditions of use in service. Thermal aging were conducted at five temperatures: 190, 220, 275, 300 and 320°C. Four UV intensities (0,35, 0,68, 1,35 and 1 W/m2) and three temperatures (50, 70 and 80°C) were used for the accelerated photochemical aging and three moisture levels were selected (60, 80 and 95 %) for the hydrolytic aging. The measured properties include tensile strength, tear strength and water vapor permeability. Complementary physico-chemical and morphological analysis were also performed.

Significant reductions in the mechanical properties of the membrane after thermal, photochemical, hydrolytic, and alternated aging have been observed. They can be attributed among others to a degradation of the Nomex® fibers. The effect of thermal aging on the mechanical properties of the membrane can be described by an Arrhenius law. Other models have been developed to predict the service lifetime for the photochemical aging and the synergistic effect of these aging agents. Concerning the water vapour permeability, two competitive mechanisms have been observed. On the one hand a closure of the micropores in the e-PTFE membrane was observed at the lowest aging temperatures, leading to a decrease in the permeability. On the other hand, cracks appeared in the membrane for the highest aging temperatures and/or for sufficiently long exposure times. These cracks produce a dramatic increase in the permeability, far beyond the value observed in the new material.

Measurements by infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM) and by atomic force microscopy (AFM) revealed changes in the physicochemical structure of both components of the membrane after aging treatments. These results allow a better understanding of the phenomena occurring during aging of high-performance microporous laminates. They also provide tools to help improve the safety of fire protective clothing.

From the experimental data obtained during this study and using a lifetime criterion corresponding to a decrease of 50% of the initial tearing force, a mathematical model has been used to predict the lifetime of the e-PTFE / Nomex® membrane during its aging in service. These models take into account the effects of thermal, photochemical and hydrolytic aging, as well as it’s synergistic effects.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [168]-177.
Mots-clés libres: Polytétrafluoréthylène. Vêtements de protection. Vieillissement, Membrane humidifuge, Perméabilité à la vapeur d’eau, Propriétés mécaniques, Durée de vie
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Vu-Khanh, Toan
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 09 juill. 2012 18:27
Dernière modification: 13 août 2014 00:17
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1017

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