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Étude de l'effet du vieillissement sur les propriétés d'un tissu en mélange Kevlar®-PBI utilisé dans le revêtement extérieur des habits de protection contre le feu

Arrieta, Carlos (2011). Étude de l'effet du vieillissement sur les propriétés d'un tissu en mélange Kevlar®-PBI utilisé dans le revêtement extérieur des habits de protection contre le feu. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce projet porte sur l’étude de l’effet de trois facteurs environnementaux, la température, l’humidité et le rayonnement lumineux, sur les propriétés d’un tissu en mélange Kevlar®-PBI couramment utilisé dans la fabrication des habits de protection contre le feu. Des traitements de vieillissement accéléré ont entraîné une perte significative de performance mécanique, mise en évidence par une diminution de la force de rupture d’un minimum de 50% au bout d’un mois d’exposition continue. Des tests de diffraction des rayons X (XRD) menés sur des échantillons du tissu vieillis thermiquement ont reflété une augmentation de la cristallinité du tissu. La disparition de lignes spectrales en spectroscopie Raman indiquait plutôt une perte de cristallinité suite au vieillissement thermique. Afin d’expliquer ces résultats en apparence contradictoires, une hypothèse a été avancée. Cette hypothèse soutient que deux phénomènes simultanés ont lieu suite à l’exposition aux températures élevées : d’une part les cristaux augmentent dans la direction parallèle aux fibres, ce qui est mis en évidence par les tests de diffraction; et d’une autre l’écart entre les lamelles cristallines se creuse, un événement qui entraîne une diminution de la cristallinité et qui est relevé par les analyses Raman. Les résultats des mesures de spectroscopie diélectrique réalisées sur des échantillons vieillis thermiquement ont confirmé le changement de la morphologie du Kevlar® suite au vieillissement thermique. Aucun indice d’une possible modification de la structure chimique du Kevlar® n’a été repéré. Des analyses thermiques différentielles ont révélé, par contre, une diminution de la température de transition vitreuse de l’autre composant du mélange, à savoir le PBI, un fait qui suggère que ce matériau a subi une diminution de sa masse molaire. Des analyses ATR menées sur des échantillons soumis à des traitements de vieillissement par humidité ont permis d’identifier l’hydrolyse de la liaison amide du Kevlar® catalysée par un acide comme étant le mécanisme de dégradation responsable de la perte de performance mécanique suite au vieillissement par humidité. La progression de la réaction d’hydrolyse a été modélisée mathématiquement au moyen de l’évolution de la concentration de groupements acide carboxylique. Dans le cas des traitements de vieillissement photochimique accéléré, le mécanisme de dégradation a été déterminé à l’aide des analyses ATR. Ce mécanisme correspond à une photo-oxydation amorcée par la thermolyse de la liaison amide du Kevlar®. L’accumulation de produits Photo-Fries, un sous-produit de la photo-oxydation, pendant le vieillissement photochimique est soupçonnée d’entraîner un ralentissement de la réaction de photo-oxydation, mis en évidence par la superposition des courbes de force de rupture. Des modèles basés sur la loi d’Arrhenius ont été proposés pour modéliser le vieillissement thermique et hydrolytique, tandis qu’un modèle tenant compte autant du niveau de flux énergétique que de la température a été formulé pour décrire le vieillissement par rayonnement lumineux. Un modèle inspiré de la théorie linéaire d’accumulation d’endommagement de Palmgren-Miner a été proposé pour exprimer l’endommagement global entrainé par l’ensemble des trois facteurs de vieillissement.

Titre traduit

Study of the effects of aging on the properties of a KevlarR®-PBI blend fabric used in the outer shell of a fire-protection garment

Résumé traduit

The aim of this work is to study and model the effect of three aging factors, temperature, humidity and light radiation, on the properties of a fabric made of a blend of Kevlar® and PBI fibers frequently used to manufacture fire-protective garments. Accelarated-aging treatments carried out at carefully chosen conditions for the three factors resulted in a sizeable loss of mechanical performance. The breaking force of both the fabric and the yarns extracted from it decreases to less than 50% after one month of continuous exposure. X-ray diffraction (XRD) tests performed on thermally-aged samples indicated an increase of the crystallinity of the fabric, whereas the disappearance of Raman spectral lines suggested instead a reduction of the crystallinity following thermal aging. To explain these seemingly contradictory results, a hypothesis was introduced, stating that two different processes occurred simultaneously during thermal aging. The first one, an increase of size of the crystallites in the direction of the fibers’ axis, accounted for the increase in crystallinity observed in XRD tests. The second one, an increase in the gap separating lamellar crystallites that causes a non-measurable reduction of the crystallinity of the sample, was highlighted by the Raman analyses. The results of the dielectric spectroscopy analyses carried out on thermally-aged samples confirmed the XRD results showing a significant change in the Kevlar’s morphology during thermal aging. Despite the important decrease of the breaking force that ensued thermal aging, no evidence of a chemical structure modification of Kevlar® was found. On the other hand, differential thermal analyses conducted on thermally aged fabric samples indicated a reduction of the glass transition temperature of the other component of the blend, namely the PBI, a fact that suggests a decrease of molecular weight after thermal aging. Infrared spectroscopy analyses performed on samples exposed to high humidity levels showed the development of a new absorbing band in the spectrum of aged Kevlar® yarns. This band was ascribed to the formation of carboxylic acid groups. Based on these results, the humidity aging mechanism was inferred. This mechanism corresponds to the hydrolysis of the amide bond of Kevlar® catalyzed by an acid. The progress of the hydrolysis reaction was modeled mathematically using the evolution of the concentration of carboxylic acid groups. The mechanism of light radiation aging was also determined from infrared spectroscopy analyses as the absorbing band attributed to the carboxylic acid groups was once again observed. In the case of light radiation, the degradation mechanism corresponds to a photo-oxidation reaction initiated by the photolysis of the amide bond of Kevlar®. The accumulation of Photo-Fries products on the surface of yarns is believed to slow down of the oxidation reaction, as indicated by the overlapping of breaking force vs. aging time curves for the light-radiation aged samples. Expressions based on the Arrhenius law were used to characterize both the thermal and hydrolytic aging, whereas an expression taking into account the irradiance as well as the temperature was used to model the light radiation aging. The global damage produced by the joint action of the three aging factors was modeled after Palmgren-Miner’s linear cumulative damage theory.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention d'un doctorat en génie mécanique" Bibliogr. : f. [165]-174.
Mots-clés libres: Incendies, Services des Uniformes. Textiles et tissus. Kevlar. Thermogravimétrie. Spectroscopie infrarouge. Rayons X Diffraction. Extérieur, Feu, PBI, Propriété, Protection, Revètement Vieillissement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
David, Éric
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Vu-Khanh, Toan
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 20 mai 2011 20:34
Dernière modification: 15 févr. 2017 21:13
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/884

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