Diffuso-Kinetics and Diffuso-Mechanics of Carbon Dioxide / Polyvinylidene Fluoride System under Explosive Gas Decompression: Identification of Key Diffuso-Elastic Couplings by Numerical and Experimental Confrontation

Cinétique de diffusion et comportement diffuso-mécanique du système dioxide de carbone / polyfluorure de vinylidène sous décompression explosive de gaz : identification des couplages diffuso-élastiques majeurs par confrontation numérique et expérimentale

¹ Institut Pprime UPR 3346 / CNRS - ISAE-ENSMA, 1 Av. Clément Ader, 86961 Futuroscope – France
² IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison – France
e-mail: severine.boyer@ensma.fr

^* Corresponding author

Abstract

The work aims at identifying the key diffuso-elastic couplings which characterize a numerical tool developed to simulate the irreversible ‘Explosive Decompression Failure’ (XDF) in semi-crystalline polymer. The model proposes to predict the evolution of the gas concentration and of the stress field in the polymer during the gas desorption [DOI: 10.1016/j.compositesa.2005.05.021]. Main difficulty is to couple thermal, mechanical and diffusive effects that occur simultaneously during the gas desorption. The couplings are splitting into two families:

• indirect coupling (i.e., phenomenology) that is state variables (gas concentration, temperature, and pressure) dependent.

• direct coupling, (i.e., diffuso-elastic coupling) as polymer volume changes because of gas diffusion;

The numerical prediction of the diffusion kinetics and of the volume strain (swelling) of PVF₂ (polyvinylidene fluoride) under CO₂ (carbon dioxide) environment is concerned. The prediction is carried out by studying selected combinations of couplings for a broad range of CO₂ pressures. The modeling relevance is evaluated by a comparison with experimental transport parameters analytically identify from solubility tests.

A pertinent result of the present study is to have demonstrated the non-uniqueness of the coefficients of diffusion (D) and solubility (S_g) between the diffuso-elastic coupling (direct coupling) and indirect coupling. Main conclusion is that it is necessary to consider concomitantly the two types of couplings, the indirect and the direct couplings.

Résumé

Cette étude a pour objectif d’identifier les couplages diffuso-élastiques majeurs qui entrent en jeu dans une modélisation des mécanismes irréversibles « d’Endommagement par Décompression Explosive de gaz » (EDE) des matériaux polymères semi-cristallins. Le modèle prédit l’évolution de la concentration en gaz et les champs de contraintes dans le matériau au cours de la désorption de gaz [DOI: 10.1016/j.compositesa.2005.05.021]. La difficulté principale est de coupler les effets thermiques, les champs de contraintes et la diffusion du gaz qui se produisent simultanément au cours de la désorption. Les couplages sont classés selon deux familles :

• couplage indirect (phénoménologie) qui dépend des variables d’état (concentration en gaz, température et pression) ;

• couplage direct (ou couplage diffuso-élastique) pour lequel le volume du polymère évolue du fait de la diffusion du gaz.

La prédiction numérique des cinétiques de diffusion et des contraintes volumiques (gonflement) du PVF₂ (polyfluorure de vinylidène) sous environnement de CO₂ (dioxyde de carbone) est étudiée à travers une combinaison des couplages dans une large gamme de pressions en CO₂. La pertinence du modèle est évaluée par confrontation avec les paramètres de transport qui ont été évalués selon la procédure ‘analytique conventionnelle’ à partir des mesures expérimentales de solubilités.

Le résultat pertinent est d’avoir démontré la non-équivalence des coefficients de diffusion (D) et de solubilité (S _g ) entre le couplage diffuso-élastique (couplage direct) et le couplage indirect. Une bonne modélisation du comportement diffuso-élastique du polymère nécessite la considération concomitante des deux familles de couplages, direct et indirect.