Nouvelles avancées en modélisation cinétique de la thermo-oxydation des matrices époxy-diamine

Further progress in the kinetic modelling of the thermal oxidation of epoxy-diamine matrices

¹ ARTS ET METIERS ParisTech, Laboratoire PIMM (UMR CNRS 8006), 151 boulevard de l’Hôpital, 75013 Paris, France
xavier.colin@ensam.eu
² AIRBUS GROUP INNOVATIONS, 12 rue Pasteur, 92152 Suresnes Cedex, France

Reçu : 30 Novembre 2015
Accepté : 17 Février 2016

Résumé

Le modèle cinétique mis au point pour décrire la thermo-oxydation de plusieurs substrats polyméthyléniques linéaires, dans des études antérieures menées au laboratoire PIMM, a été généralisé avec succès aux matrices époxy-diamine (EPO-DA) dans le cadre du projet de recherche « COMPosites Tièdes et INNovants » financé par le Fonds Unique Interministériel (FUI COMPTINN). Il est dérivé d’une réaction en chaîne radicalaire amorcée par décomposition des hydroperoxydes qui se propage par l’intermédiaire des liaisons C-H situées en α des hétéroatomes (O et N). De plus, il couple la diffusion d’oxygène et sa consommation chimique dans une équation bilan, donnant ainsi accès aux profils des évènements chimiques dans l’épaisseur des échantillons ainsi qu’à leur évolution au cours du temps. Les différents paramètres de ce modèle ont été identifiés avant de vérifier son pouvoir prédictif. D’une part, les propriétés de transport d’oxygène ont été compilées de la littérature ou déterminées par perméation d’oxygène au laboratoire. D’autre part, les constantes de vitesse et les rendements des actes chimiques élémentaires ont été déterminés par méthode inverse à partir d’essais de thermo-oxydation menés entre 0,21 et 20 bars d’oxygène et entre 120 et 200 ^◦C sur des films minces de matrice TACTIX. Au final, le modèle prédit fidèlement les valeurs des critères de vieillissement rapportées dans la littérature pour les matrices EPO-DA ou mesurées dans le cadre de ce projet de recherche, comme la vitesse maximale d’oxydation, la pression d’oxygène critique ou l’épaisseur de la couche oxydée.

Abstract

The kinetic model established for describing the thermal oxidation of linear polymethylenic substrates, in previous studies conducted in the laboratory PIMM, has been successfully generalized to epoxy-diamine (EPO-DA) matrices in the framework of the research project “COMPosites Tièdes et INNovants” financially supported by the Fonds Unique Interministériel (FUI COMPTINN). It is derived from a radical chain reaction initiated by hydroperoxide decomposition which propagates via C-H bonds located in α of heteroatoms (N and O). Moreover, it couples oxygen diffusion and chemical consumption into a balance equation, giving thus access to the profiles of chemical events throughout the sample thickness and their changes versus time. The different parameters of this model have been identified before checking its predictive value. On the one hand, oxygen transport properties have been compiled from the literature or determined by oxygen permeametry in our laboratory. On the other, the rate constants and yields of the elementary chemical events have been determined by using the model as an inverse approach from thermal oxidation experiments made between 0.21 and 20 bars of oxygen and between 120 and 200 ^◦C on thin films of TACTIX matrix. Finally, the model predicts accurately the values of ageing criteria reported in the literature for EPO-DA matrices or measured in the framework of this research project, such as the maximal oxidation rate, the critical oxygen pressure or the thickness of oxidized layer.