Structural Approaches of Polyethylene Environmental Stress-Crack Resistance

Approches structurales de la fissuration sous contrainte du polyéthylène en milieu tensio-actif

¹ Groupe d'étude de métallurgie physique et de physique des matériaux, Institut national des sciences appliquées de Lyon, bâtiment Blaise Pascal, 20, avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne - France, email: julien.cazenave@insa-lyon.fr, bruno.sixou@insa-lyon.fr
² Laboratoire structure et propriétés de l'état solide, bâtiment C6, Université de Lille 1, 59655 Villeneuve d'Ascq - France, email: roland.seguela@univ-lille1.fr

Abstract

Structural Approaches of Polyethylene Environmental Stress-Crack Resistance This work was aimed at understanding and predicting of the long-term mechanical behavior of polyethylene in relation to molecular architecture. An insight into the semi-crystalline microstructure and the chain topology consisting of intercrystalline tie chains and loose folding loops was the main objective of the study. A two-stage crystallization segregation was used for separating the chain species which can easily crystallize by regular folding from those which cannot. The natural draw ratio that develops beyond the yield point proved to be a highly sensitive parameter for probing the chain topology via the crystalline lamella fragmentation and chain unfolding under tensile drawing. Small-angle X-ray scattering provided semi-quantitative evaluation of the stacking disorder of the lamellar microstructure. The data from the three approaches provided correlations with chain architecture in very good agreement with the stress crack resistance dependency. These correlations were discussed in terms of crystallization kinetics and molecular topology. A practical issue of the work is to provide relevant tools for predicting stress cracking resistance.

Résumé

Ce travail est une contribution à la compréhension et la prédiction du comportement à long terme du polyéthylène en relation avec l'architecture moléculaire. L'exploration de la microstructure semi-cristalline et de la topologie moléculaire constituée de chaînes liantes intercristallines et de boucles de repliement constitue l'objectif majeur du travail. Une cristallisation fractionnée en deux étapes a été utilisée pour la séparation des espèces pouvant facilement cristalliser par repliement régulier de celles qui ne peuvent pas. Le taux de déformation naturel qui se développe au-delà du seuil d'écoulement plastique en traction uni-axiale s'est avéré très sensible à la topologie moléculaire par le biais de la fragmentation lamellaire et du dépliement de chaîne. La diffusion des rayons X aux petits angles a fourni de précieux renseignements semi-quantitatifs sur la régularité d'empilement de la microstructure lamellaire. Les données issues des trois approches révèlent des corrélations avec l'architecture moléculaire en bonne concordance avec l'évolution de la résistance à la fissuration sous contrainte. Ces corrélations sont discutées en termes de cinétique de cristallisation et de topologie moléculaire. Un résultat pratique de ce travail est l'accès à des outils prédictifs fiables pour la résistance à la fissuration sous contrainte.