Proposition d’un modèle cinétique pour la dégradation thermique de la matrice PEEK

Proposal of a kinetic model for the thermal degradation of PEEK matrix

¹ Arts et Métiers ParisTech, Laboratoire PIMM (UMR CNRS 8006), 151 boulevard de l’Hôpital, 75013 Paris, France
emilie.courvoisier@ensam.eu
² Safran Composites, 33 avenue de la gare, 91760 Itteville, France

Reçu : 30 Novembre 2015
Accepté : 26 Février 2016

Résumé

La dégradation thermique du poly(éther éther cétone) (PEEK) a été étudiée dans l’air à l’état solide (caoutchoutique) typiquement entre 523 et 593 K, i.e. dans un domaine de températures encore inexploré. Les modifications de la structure du PEEK ont été suivies aux échelles moléculaire et macromoléculaire par deux techniques d’analyse complémentaires. La spectrophotométrie IR en mode transmission a permis de détecter quatre produits de dégradation : les phénols, l’acide benzoïque, le benzoate de phényle et la fluorénone. L’analyse calorimétrique a mis clairement en évidence que la réticulation prédomine largement sur les coupures de chaines. Un schéma mécanistique d’oxydation de la matrice PEEK a été proposé sur cette base de résultats, mais aussi sur la base de l’ensemble des résultats expérimentaux rapportés dans la littérature à l’état fondu. Un modèle cinétique a été dérivé de ce schéma et sa validité a été vérifiée avec succès à partir des évolutions des concentrations des produits de dégradation et de la température de transition vitreuse dans l’air à 523 K. Les valeurs correspondantes des paramètres du modèle ont été discutées.

Abstract

The thermal degradation of poly(ether ether ketone) (PEEK) has been studied in air at solid (rubbery) state typically from 523 to 593 K, i.e. in a never explored temperature interval. The modifications of the PEEK structure have been monitored at both molecular and macromolecular scales with two complementary analytical techniques. IR spectrophotometry in a transmission mode has allowed detecting four degradation products: phenols, benzoic acid, phenyl benzoate and fluorenone. Calorimetric analysis has clearly put in evidence that crosslinking is largely predominant over chain scissions. An oxidation mechanistic scheme of the PEEK matrix has been proposed on this basis of results, but also on the basis of all the experimental results reported in the literature at molten state. A kinetic model has been derived from this scheme and its validity has been successfully checked from the changes in the concentrations of degradation products and the glass transition temperature in air at 523 K. The corresponding values of the model parameters have been discussed.