Brevet FR2960972A1 — publié le 20111209

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de test de vieillissement simultané en immersion et en perméabilité d'au moins un matériau polymère, le dispositif et le procédé permettant d'effectuer des 10 mesures dans des conditions proches de l'utilisation de ces matériaux. De préférence, les matériaux testés sont ceux utilisés dans les circuits carburants des engins à moteurs. Les matériaux polymères tels que les thermoplastiques, les élastomères 15 et les matériaux composites sont largement utilisés dans la vie quotidienne et notamment dans le domaine des circuits carburants des véhicules automobiles. Ces circuits comprennent le réservoir, la rampe d'injection, les raccords, les joints d'étanchéité et les canalisations. Dans ces circuits, ces matériaux sont en contact en externe avec l'air et en interne avec un fluide liquide ou gazeux. Ces 20 matériaux sont soumis à des contraintes physiques et chimiques qui avec le temps altèrent leurs propriétés physico-chimiques et/ou mécaniques: diminution de la contrainte à la rupture, fissuration, évolution de la rigidité, changement du comportement mécanique, etc. La conception d'un produit en matériau polymère doit donc prendre en compte les effets du vieillissement de 25 la matière soumise à ces contraintes. Il est donc important que les études de vieillissements de ces pièces s'effectuent dans des conditions proches de celles où elles sont utilisées. Actuellement, on sait que pour étudier le vieillissement des matériaux 30 polymère, il existe deux principaux types de tests: les bancs d'essais pour canalisations et les essais en immersion. Les bancs d'essai pour canalisations permettent d'obtenir des données relatives au vieillissement de matériaux polymère en conditions réelles d'utilisation, c'est à dire avec du carburant en circulation. Le polymère est à la fois en contact avec un liquide, sur sa face interne, et en contact avec de l'air sur sa partie externe. Ces bancs sont plutôt bien adaptés aux matériaux multicouches. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle est très coûteuse, car elle nécessite un équipement et des laboratoires dédiés et souvent de grandes dimensions. Un autre inconvénient est que peu d'essais peuvent être réalisés simultanément, et qu'il est difficile de réaliser des tests à haute température. Enfin, ces tests s'effectuent toujours sur la 10 même structure, une canalisation, et sont liés à la géométrie de la canalisation. On connaît aussi les essais en immersion pour étudier le vieillissement des matériaux polymères. Ces essais sont faciles à mettre en oeuvre et 15 permettent de caractériser l'évolution des propriétés mécaniques des matériaux polymères. Plusieurs échantillons d'un matériau peuvent être immergés en même temps dans la même cellule et être testés dans les mêmes conditions opératoires. Les deux faces du matériau sont en contact avec un fluide. Cependant, cette méthode ne permet pas d'étudier le vieillissement d'un 20 matériau dans des conditions réelles d'utilisation, notamment lorsque ce matériau a une face en contact avec de l'air et une face en contact avec un fluide. Cette méthode n'est pas adaptée pour l'étude du vieillissement des matériaux multicouches, ni adaptée à l'étude du vieillissement des pièces réelles. 25 Pour pallier à ces inconvénients, la présente invention a pour objet un dispositif et un procédé qui permettent d'étudier simultanément le vieillissement d'un matériau polymère dans des conditions où une des ses faces est en contact avec un premier fluide, par exemple un fluide gazeux et l'autre 30 avec un second fluide, par exemple un fluide liquide tel un hydrocarbure, et dans des conditions où il est totalement immergé dans l'un des fluides. L'invention permet de comparer les résultats obtenus sur le même polymère avec le même fluide dans des conditions de températures et de pressions qui sont rigoureusement identiques. Ainsi, la présente invention concerne une cellule de test de vieillissement de matériaux comportant: - au moins une chambre comportant une ouverture obturée par une membrane en matériau à tester, des moyens d'entrée et de sortie d'au moins un fluide de test dans ladite chambre. Lesdits moyens d'entrée et de sortie peuvent être disposés à une distance déterminée de la membrane de façon à être situés au choix :au-dessus ou au-dessous du niveau du fluide de testa La face externe de la membrane peut être recouverte par une plaque 15 perforée ou une grille. La chambre peut comporter des moyens supports d'échantillon disposés entre la membrane et les moyens d'entrée et de sortie du fluide. La chambre peut comporter des moyens de contrôle de la pression interne à ladite chambre. 20 Une seconde chambre peut recouvrir ladite face externe de la membrane. Ladite seconde chambre peut comporter des moyens d'entrée et de sortie d'un fluide. La présente invention concerne en outre un procédé de test de 25 vieillissement en immersion et en perméabilité d'au moins un matériau mettant en oeuvre la cellule selon l'invention, dans lequel on effectue les étapes suivantes: - on découpe une membrane dans une plaque dudit matériau, on fixe la membrane sur l'ouverture de la chambre, 30 - on introduit le fluide d'essai, 10 on place la cellule dans une enceinte thermostatée pendant une durée de vieillissement. Le procédé peut comprendre une étape dans laquelle on peut contrôler la nature du ciel gazeux du liquide de test dans la chambre. Le procédé peut comprendre une étape dans laquelle on peut injecter dans la chambre un gaz inerte. Le procédé peut comprendre une étape dans laquelle on peut injecter dans la seconde chambre un gaz inerte. Le procédé peut comprendre une étape dans laquelle on peut placer 10 dans la chambre des éprouvettes en matériau à tester. Avantageusement, lesdites éprouvettes peuvent être - en immersion dans le fluide de test, ou dans le ciel gazeux du fluide de test. Par ailleurs, on peut effectuer des essais sur des éprouvettes découpées 15 dans le matériau de la membrane après la durée de vieillissement. En outre, on peut effectuer des essais sur les éprouvettes disposées à l'intérieur de la chambre, après vieillissement. Le dispositif selon l'invention permet de cumuler les avantages des tests 20 sur bancs de canalisation et des tests en immersion. Il permet de réaliser simultanément des tests de vieillissement en immersion et en perméabilité dans des conditions parfaitement identiques. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé avec n'importe quel type de matériau en polymères ou n'importe quelles structures à base de polymères par exemple des matériaux 25 thermoplastiques, des élastomères, des matériaux composites, des matériaux multicouches, des matériaux avec des revêtements. Le dispositif et le procédé selon l'invention peut s'appliquer au domaine de l'étude des matériaux polymère utilisés dans l'industrie pétrolière, l'industrie automobile ou encore l'industrie aéronautique. 30 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails caractéristiques et avantages de celle-ci, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures ci-après annexés, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique du dispositif selon l'invention, 5 - la figure 2 est une vue schématique d'une variante du dispositif selon l'invention, la figure 3 est une vue schématique du dispositif mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention, la figure 4 est une vue schématique du dispositif mis en oeuvre dans une variante du procédé selon l'invention, - la figure 5 est une représentation schématique des éprouvettes qui peuvent être prélevées dans l'échantillon à la fin du test de vieillissement. Les figures 1 et 2 illustrent le dispositif selon l'invention et les figures 3 et 4 illustrent le dispositif mis en oeuvre selon le procédé de l'invention. Les éléments identiques dans les figures sont désignés par les mêmes numéros de références. Par "vieillissement en immersion" on entend au sens de la présente 20 invention, le vieillissement d'un matériau dans lequel les faces du matériaux sont en contact avec un liquide, ou sont en contact avec un gaz. Par "vieillissement en perméabilité", on entend au sens de la présente invention le vieillissement d'un matériau dont une des faces est en contact avec le fluide d'essai et l'autre face est en contact avec un gaz (par exemple 25 l'air ambiant). En référence à la figure 1, la cellule de test de vieillissement de matériaux comprend une chambre de test (10) apte à recevoir un fluide d'essai ou de test (34) et comprenant une ouverture. Le corps de la chambre est en général cylindrique et l'échantillon (12), sous forme d'une membrane, est placé 30 de façon à obturer l'ouverture de la chambre. L'échantillon est maintenu en place par un anneau (14), de type bride serrée sur une collerette de la chambre (10) par des boulons ou des vis (16). La chambre est remplie avec un volume de fluide d'essai (34) inférieur au volume de la chambre. L'espace (36) entre la phase liquide du fluide d'essai et le fond de la chambre peut comprendre une phase gazeuse ou ciel gazeux comprenant les vapeurs du fluide d'essai et 5 éventuellement de l'air ou un gaz inerte. L'échantillon a donc une face (30) en contact avec la phase liquide du fluide d'essai et une face externe (32) qui est en contact avec de l'air ambiant. L'échantillon est constituée du matériau dont on souhaite mesurer la perméabilité et le vieillissement dans le temps. Le matériau peut être 10 n'importe quel type de matériaux en polymère ou n'importe quelle structure à base de polymères: par exemple des matériaux thermoplastiques, des élastomères, des matériaux composites, des matériaux multicouches, des matériaux avec des revêtements. L'épaisseur de l'échantillon est comprise entre 0,5 et 5 mm. La taille de l'échantillon est adaptée à la taille de 15 l'ouverture de la cellule du dispositif selon l'invention. Le fluide d'essai peut être tout type de fluide dont la pression (tension de vapeur) développée à la température à laquelle s'effectue le test de vieillissement est inférieure à 10 bars (1 bar= 0,1 MPa). Le fluide d'essai peut être choisi dans le groupe formé par l'essence, le gazole, le kérosène, les biodiesels, les essences éthanolées, les biokérosènes, les solvants purs et les huiles, ou leurs mélanges. Les joints d'étanchéités, non représentés sur les figures, utilisés pour éviter les fuites présentent un coefficient de déformation et un taux de déformation qui leur permettent de s'adapter à des matériaux polymère plus ou moins rigides et d'assurer une bonne étanchéité du dispositif, quelque soit la composition du fluide d'essai. Le dispositif selon la figure 1 comprend également au moins des moyens d'entrée et de sortie (22) de la chambre de test de façon à pouvoir faire circuler un fluide d'essai . Ces moyens ont plusieurs fonctions - d'introduire dans la chambre un volume de fluide d'essai, de faire le vide dans la chambre avant l'injection d'un volume de fluide d'essai. Ainsi, on peut avoir au dessus de la phase liquide dudit fluide, une phase vapeur ne contenant que les constituants gazeux provenant de l'évaporation du fluide pendant le déroulement du test, 5 d'effectuer un "inertage" en remplaçant l'air contenu dans la chambre lors du remplissage par le fluide d'essai, par un gaz inerte, tel que l'azote ou un gaz rare ou un mélange de ces deux composés. Cet inertage est indispensable si l'on souhaite éviter l'oxydation du fluide d'essai durant le test, 10 d'effectuer un renouvellement ou une circulation du fluide d'essai pendant la durée du test, d'effectuer des prélèvements périodiques dans la phase gazeuse et/ou dans la phase liquide, de renouveler la phase gazeuse au dessus de la phase liquide du fluide 15 d'essai, en introduisant par exemple régulièrement des composés gazeux qui ont pu être consommés par la réaction entre le fluide d'essai, l'échantillon et/ou les éprouvettes. Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre un moyen de protection (24) de l'échantillon. Ce moyen peut être une plaque perforée, ou un 20 matériau fritté ou une grille. Il permet de protéger l'échantillon et si besoin de le soutenir tout en laissant le contact avec l'air et favorisant son renouvellement. Le dispositif selon l'invention peut comprendre un moyen de contrôle (18) de la pression interne de ladite chambre. Ce moyen peut être une soupape, 25 un obturateur, ou une valve, et permet de purger du gaz si la pression résultant de l'équilibre thermodynamique entre la phase liquide du fluide à tester et la phase vapeur augmente de manière incontrôlée dans la chambre (10). Dans une variante de l'invention représentée par la figure 2, le dispositif 30 selon l'invention peut comprendre une deuxième chambre (26) apte à contenir un fluide, de préférence au moins un gaz ou un mélange gazeux. Cette chambre comprend une ouverture qui est en contact avec la face (32) opposée de la face de l'échantillon (30) en contact avec le fluide d'essai. Les deux chambres ont des moyens de fixation qui coopèrent directement entre eux. Cette variante du dispositif permet notamment de tester la perméabilité de l'échantillon en présence d'un gaz autre que de l'air, et même en présence d'un liquide. La deuxième chambre peut comprendre au moins des moyens d'entrée et de sortie d'un fluide (28). Ces moyens ont plusieurs fonctions: d'effectuer un inertage en remplaçant l'air contenu dans la deuxième chambre par un gaz inerte tel que l'azote ou un gaz rare. Cet inertage 10 permet de tester l'échantillon sans que la face opposée (32) à la face en contact avec la phase liquide du fluide d'essai (30) soit en contact avec l'oxygène de l'air et ne s'oxyde, - de prélever périodiquement du gaz pour analyser sa composition. Ce gaz est alimenté par la perméation de certains composés du fluide d'essai à 15 travers l'échantillon. Ces analyses permettent une étude précise des phénomènes de perméabilité de l'échantillon, - d'effectuer des purges après les prélèvements, d'effectuer un balayage avec un gaz vecteur inerte tel que l'azote ou un gaz rare et donc d'analyser en continu les gaz ayant traversé 20 l'échantillon, tout en maintenant un niveau de concentration de ces gaz proche de zéro. Les moyens d'entrée et de sortie connectés à la première chambre et/ou à la seconde chambre sont des moyens bien connus de l'homme du métier. Le dispositif selon l'invention et ses variantes peuvent comprendre des 25 moyens de contrôle de la température, tels qu'une sonde thermique et des moyens d'analyse en continu de la perméabilité, tels qu'un capteur de pression différentielle par exemple. Le dispositif de l'invention est construit dans des matériaux qui résistent à la température et à la pression résultant de l'équilibre thermodynamique qui se crée entre la phase liquide du fluide à 30 tester et la phase vapeur à l'intérieur de la cellule. L'invention concerne aussi un procédé d'un test de vieillissement en immersion et en perméabilité d'au moins un matériau dans lequel on met en oeuvre le dispositif décrit ci-dessus ou une des ces variantes. On découpe des éprouvettes (40) et l'échantillon (12) dans le matériau 5 dont on souhaite mesurer le vieillissement en immersion et en perméabilité. Ces éprouvettes (40) peuvent être des haltères de traction, des parallélépipèdes de DMTA (Dynamic Mechanical Thermal Analysis ou analyse thermomécanique dynamique) ou des rectangles de gonflement. Les éprouvettes sont placées dans la chambre (10). On ferme le dispositif selon 10 l'invention en plaçant et en fixant l'échantillon (12) dans son support (14 et 16). Puis, on injecte dans la chambre (10) via les moyens d'entrée et de sortie (22) le fluide d'essai (34). Optionnellement, on place le moyen de protection (24) sur la face de l'échantillon qui est en contact avec l'air (32). On détermine la durée et la température à laquelle s'effectue le test de vieillissement en ixnnïersion et- en perméabilité. Le dispositif est ensuite placé dans une enceinte thermostatée. On effectue des analyses pour étudier la perméabilité et le vieillissement du matériau. La figure 3 représente une variante du procédé selon l'invention, dans 20 laquelle les éprouvettes (40) sont immergées dans la phase liquide du fluide d'essai. Les éprouvettes sont posées sur des supports (non représentés) permettant de maintenir les éprouvettes immergées dans la phase liquide du fluide d'essai, sans contact avec l'échantillon (12). La figure 4 illustre une autre variante du procédé selon l'invention, dans 25 laquelle les éprouvettes (40) sont immergées dans une phase gazeuse contenant des vapeurs du fluide d'essai. Les éprouvettes (40) sont placées sur un support (20), par exemple une grille. Le niveau de la phase liquide du fluide test se trouve en dessous du moyen de support. Dans une autre mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est 30 possible de combiner les deux variantes décrites ci-dessus. Ainsi, on peut ainsi avoir simultanément des éprouvettes (40) dans la phase liquide du fluide d'essai (34), des éprouvettes (40) dans une phase gazeuse contenant des vapeurs du fluide d'essai (36) et un échantillon (12) en contact avec la phase liquide du fluide sur une des ces faces seulement et dans lequel on prélève à la fin du test des éprouvettes. Le dispositif et le procédé et leurs variantes 5 permettent donc de réaliser un test de vieillissement en perméabilité et en immersion qui reproduit des conditions d'utilisation d'une pièce du circuit carburant. En effet, le réservoir d'un carburant a une partie d'une de ses parois au contact de la phase liquide du carburant et le reste au contact de la phase vapeur du carburant, l'autre face étant en contact avec de l'air ambiant_ 10 Dans une variante du procédé selon l'invention, on renouvelle la phase gazeuse au dessus de la phase liquide du fluide d'essai en injectant de l'air par exemple, ou tout composé gazeux qui aurait été consommé par la réaction entre le fluide d'essai et l'échantillon et/ou les éprouvettes. Par exemple, on peut réinjecter régulièrement de l'oxygène. 15 Dans une variante du procédé selon l'invention, on injecte un gaz inerte dans la chambre (10) avant l'injection du fluide d'essai. De manière préférée, le procédé selon l'invention s'effectue à une température comprise entre 40°C et 200°C, de préférence entre 40°C et 150°C. La pression à l'intérieur de la chambre est comprise entre 1 et 11 bars, de 20 préférence entre 1 et 10 bar. Les analyses d'étude de perméabilité peuvent être des pesées à intervalle de temps réguliers du dispositif de l'invention, ou des mesures de pressions différentielles. Ces analyses peuvent aussi comprendre des prélèvements à intervalle de temps réguliers de la phase liquide du fluide et/ou 25 des prélèvements de la phase gazeuse dans la chambre et/ou la seconde chambre. Les compositions de ces prélèvements sont analysées par chromatographie. On peut aussi mesurer l'acidité; la teneur en antioxydants de ces prélèvements. Ces analyses s'effectuent avec des moyens bien connus de l'homme du métier, tels que des chromatographes ou des appareils de type 30 PetroOxy®. Lorsque que la durée du vieillissement est atteinte, on récupère les éprouvettes (40) placées dans la chambre (10) et l'échantillon (12). On prélève dans l'échantillon à tester des éprouvettes comme illustré à la figure 5. Les éprouvettes prélevées (42) peuvent être de formes identiques ou différentes des éprouvettes qui ont été testées en immersion (40). Puis, on effectue des analyses de résistance mécanique ou dynamiques sur les éprouvettes qui ont été en immersion et sur les éprouvettes prélevées dans l'échantillon.