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Theses Year : 2020

Fatigue cracking of thermoplastic elastomers

Fissuration en fatigue des élastomères thermoplastiques

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Abstract

Soft thermoplastic polyurethane elastomers (TPU) are a class of block copolymers characterised by a low linear modulus (<10MPa), reversible elasticity and excellent abrasion resistance already used in several rubber‐like applications such as soles, wheels, flexible cables, etc. Yet, their fatigue behaviour under cyclic loading has not been fully investigated so far, leaving several open questions about how predicting long‐term durability of TPUs for a safe design. In this work we proposed a reproducible experimental protocol to assess and compare the resistance to crack propagation in cyclic conditions of TPU, with that of classical filled rubbers by using a fracture mechanics approach. Furthermore, we characterized the mechanical response under cyclic loading at large and small strain of three commercial TPUs with similar linear moduli and rheology but different large strain behaviours: extended softening, strain hardening and strain hardening enhanced by SIC. Irrespectively of their composition, all TPUs presented an unconventional strain induced stiffening in step‐cyclic experiment. Using DIC and X‐Ray in situ experiments we showed that, the strain gradient at the crack tip generates a spatial re‐organization of the TPU microstructure consistent with a volume locally stiffer than the bulk. This heterogeneity in the deformability reduces the strain intensification at the crack tip explaining the high fatigue resistance in TPU. The local stiffening was ultimately associated to the fragmentation of original hard domains in smaller but more numerous units increasing the degree of physical crosslinking.
Les élastomères thermoplastiques de polyuréthane (TPU) sont une classe de copolymères à blocs caractérisés par une élasticité réversible et une excellente résistance à l'abrasion. Ils sont déjà utilisés dans un certain nombre d’applications de type caoutchouc telles que semelles, roues, câbles flexibles, etc. Pourtant, le comportement en fatigue du TPU sous chargement cyclique n'a pas été étudié en détail, et plusieurs questions restent ouvertes sur la meilleure façon de prédire la durabilité à long terme des TPU. En l'absence de procédure établie pour évaluer la résistance à la fatigue dans les TPU, nous avons proposé une méthode basée sur la propagation de fissure qui permet des comparer la résistance a fatigue des TPU avec les élastomères vulcanisés. On a caractérisé les propriétés mécaniques en petites et grandes déformations de trois TPU avec modules linéaires similaires mais des comportements différents en grandes déformations : adoucissement, rhéodurcissement et cristallisation sous contrainte. Contrairement aux élastomères vulcanisés, tous ces TPU se rigidifient avec la déformation. La diffusion des rayons X a été utilisée pour caractériser les changements de structure à des échelles microscopique induits au fond de fissure pendant le chargement cyclique. La remarquable résistance à la fatigue cyclique du TPU a été expliquée comme une conséquence de la modification de la structure locale des TPU qui génère un durcissement en fond de fissure empêchant le transfert des contraintes pendant le chargement cyclique. On a enfin proposé que ce rhéodurcissement vient de la fragmentation des domaines rigides en domaines plus petits mais plus nombreux qui agissent comme des points de réticulation physiques additionnels.
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  • HAL Id : tel-03149063 , version 1

Cite

Giorgia Scetta. Fatigue cracking of thermoplastic elastomers. Polymers. Université Paris sciences et lettres, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPSLS022⟩. ⟨tel-03149063⟩
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