Permeability, Diffusion and Solubility of Gases in Polyethylene, Polyamide 11 and Poly (Vinylidene Fluoride)

Perméabilité, diffusion et solubilité des gaz dans le polyéthylène, le polyamide 11 et le polyfluorure de vinylidène

Institut Français du Pétrole

Corresponding author: bruno. flaconneche@ifp. fr

Abstract

The gases transport coefficients, permeability, diffusion and solubility, are determined by the time lag method on a specific permeation cell. Three semicrystalline polymers, polyethylene (PE), polyamide 11 (PA11) and poly(vinylidene fluoride) (PVF2), are studied in the presence of helium (He), argon (Ar), nitrogen (N2), methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) for temperatures ranging from 40 to 80°C in the case of PE, and from 70 to 130°C for both other materials. The applied pressures are, in the majority of tests, of 10 MPa for He, Ar, N2 and CH4, and of 4 MPa for CO2, except in some particular cases where the influence of pressure was studied. In the case of PE, the influence of the volume fraction of the amorphous phase, ranging from 0. 21 to 0. 70, the influence of temperature and the influence of the nature of the gas on the transport processes are investigated. Also, the independence of these phenomena related to pressure and sample thickness, between 0. 5 and 6 mm, is shown. For PA11, after determining the influence of temperature and of the nature of the gas used, the effect of the plasticizer incorporation in this polymer was studied. Regarding PVF2, apart the classic parameters that are temperature and the kind of gas used, we compare the coefficients of transport of CH4 and CO2 in PVF2 made up by extrusion or by compression moulding. For each polymer, it is shown that permeability, diffusion and solubility depend on temperature following Arrhenius' laws. It also seems that diffusion is directly related to the gases molecule size and that the solubility coefficient can be linked to the epsilon/K gases parameter. The comparison of the results obtained with the available data in the literature seems satisfactory.

Résumé

Les coefficients de transport de gaz, c'est-à-dire la perméabilité, la diffusion et la solubilité, sont déterminés par la méthode du temps retard sur une cellule de perméabilité spécifique. Trois polymères semi-cristallins, le polyéthylène (PE), le polyamide 11 (PA11) et le polyfluorure de vinylidène (PVDF) sont étudiés en présence d'hélium (He), d'argon (Ar), d'azote (N2), de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2) pour des températures de 40 à 80°C dans le cas du PE et de 70 à 130°C pour les deux autres matériaux. Les pressions appliquées sont dans la majorité des tests de 10 MPa pour He, Ar, N2 et CH4 et de 4 MPa pour le CO2, sauf dans quelques cas particuliers où nous avons regardé l'influence de la pression. Dans le cas du PE, l'influence de la fraction volumique de phase amorphe, comprise entre 0,21 et 0,70, de la température et de la nature du gaz sur les processus de transport de gaz est étudiée. L'indépendance de ces phénomènes vis-à-vis de la pression et de l'épaisseur de l'échantillon, comprise entre 0,5 et 6 mm, est également démontrée. En ce qui concerne le PA11, après avoir déterminé l'influence de la température et de la nature du gaz, nous regardons l'effet de l'incorporation de molécules plastifiantes dans cette matrice polymère. Au niveau du PVDF, mis à part les paramètres classiques que sont la température et le type de gaz utilisé, une comparaison des coefficients de transport du CH4 et du CO2 dans du PVDF mis en Suvre par extrusion et par moulage en compression est effectuée. Pour chaque polymère étudié, la dépendance de la perméabilité, de la diffusion et de la solubilité peut s'exprimer à partir de lois d'Arrhenius. Il semble également que la diffusion soit liée de façon très étroite à la taille des molécules et que la solubilité puisse être reliée au paramètre epsilon/K des gaz. La comparaison des résultats obtenus avec les données disponibles dans la littérature apparaît satisfaisante. Mots-clés : perméabilité, diffusion, solubilité, gaz, PE, PA11, PVDF.