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Influence du Vieillissement Electrique sur la Conductivité Electrique du PolyMethyl Metacrylate M. Moudoud1, O. Lamrous2, M. Megherbi1 1Laboratoire des Technologies Avancées du Génie Electrique (LATAGE) 2Laboratoire de Physique et Chimie Quantique (LPCQ) Université de Tizi-Ouzou BP 17 RP, Algerie Résumé — Bien qu'ils soient de bons isolants électriques, les matériaux polymères soumis à des champs électriques même faibles peuvent présenter une conduction électrique.
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Influence du Vieillissement Electrique sur la Conductivité Electrique du PolyMethyl Metacrylate 1 21M. Moudoud , O. Lamrous , M. Megherbi 1 Laboratoire des Technologies Avancées du Génie Electrique (LATAGE) m_moudoud@yahoo.frmegherbi_mhemed@yahoo.fr2 Laboratoire de Physique et Chimie Quantique(LPCQ) omarlamrous@yahoo.frUniversité de TiziOuzouBP 17 RP, Algerie
RésuméBien qu’ils soient de bons isolants électriques, les matériaux polymères soumis à des champs électriques même faibles peuvent présenter une conduction électrique. Cette propriété est utilisée comme indicateur de vieillissement et dans ce contexte, il est montré que le vieillissement électrique en laboratoire du polymethyl metacrylate (PMMA) entraîne une augmentation de la conductivité qui estd’autant plusimportante que le temps de vieillissement est grand. Ainsi, sera présentée l’analyse desenregistrements des courants de charge obtenus suite à une tension continue de 1000 V appliquée à des échantillons non vieillis et vieillis. Abstract Although they are good electrical insulating, the polymeric materials subjected to even weak electric fields canresent an electric conduction. Thisro ert was used as indicator of a einand in this context we have shown that electric aein ofthe olmeth l metacr late(PMMA) induces an increase in the electrical conductivit whenwe increase the time of aein .Thus, the analsis of the charin currentsof virin and aed samples submitted to a dc voltage of 1000 V is presented.Mots clésVieillissement électrique, conductivité électrique, PMMA.
I.INTRODUCTION Les isolants organiques solides ou polymères présententd’excellentes propriétés isolantes, une grande résistance aux attaques chimiques et de bonnes caractéristiques mécaniques [13]. Ainsi, le génie électrique leur accordede plus en plus d’investigation en matière de vieillissement, facteur conditionnant la fiabilité des systèmes électriques. Dans ce contexte, la compréhension des microprocessus physicochimiques de dégradation sous contraintes électrique et thermique est nécessaire [46].A l’échelle macroscopique,il est
montré que la mesure de la conductivité électrique peut être un bon indicateur du vieillissement. Il est important de signaler que les matériaux isolants soumis à une contrainte thermique ou électrique vieillissent lentement et donc étudier leur vieillissement in situ nécessite plusieurs années [7]. Pour analyser ce comportement au laboratoire, on est amené à accélérer le vieillissement tout en choisissant des paramètres expérimentaux compatibles aux conditions de service auxquelles l’isolant sera exposé[57]. Dans ce cadre, le présent travail traite de l’influence du vieillissement électrique sur la conduction électrique dans le polyméthyl méthacrylate (PMMA). Il consiste en la mesure du courant de conduction dans les échantillons non vieillisd’une part, et dans les échantillons vieillis électriquement d’autre part. Il est aussi question de vérifier la réversibilité des dégradations dues au vieillissement électrique en observant l’évolution des courants de charge en fonction du temps de repos.
II.MATERIAUX ET MONTAGE EXPERIMENTAL Les échantillons utilisés sont découpés d’une plaque commerciale. La forme des échantillons est circulaire de 85 mm de diamètre et 2,8 mm d’épaisseur. LePMMA est un polymère thermoplastique amorphe et homogène comprenant un groupe ester (COOCH3) et un groupe méthyl (CH3) comme le montre le figure 1. La présence du groupement ester le rend très polaire et son dipôle est la chaîne latérale flexible [3, 8]. Le montage expérimental utilisé pour la mesure du courant de charge comprend un électromètre Keithley 15 3 6517 (10A) 20.10et une chambre test Keithley
8009 comme le montre la figure2. L’ensemble estCet accroissement est d’autant plus important que le relié à un PC pour le contrôle et l’acquisition destemps de vieillissement est grand. données. La source est continue et peut varier de 0 àLa figure 5 montre la variation du courant de 1000 Volts. Les électrodes sont en acier inoxydablecharge en fonction du temps de repos pour différents ayant le profil de Rogowski.temps de vieillissement.  Lesrésultats illustrés par la figure 5 montrent que les échantillons reprennent partiellement leurs H CH3 caractéristiques diélectriques au bout de 24 à 48 heures de repos dans un environnement sec.C C Le vieillissement électrique a entraîné la dégradation des surfaces des polymères. Cette H CO CH visuellement consiste en ladégradation constatée formation d’une couche d’humidité et d’une couronne blanchâtre comme le montre les photographies de la figure 6. L’intensité et l’épaisseur de la couronne blanchâtre ainsi que la quantité de l’humidité observée sur la surface sont d’autant plus importantes que le Fig.1. Structure du PPMAtemps de vieillissement est important. Ce changement  decouleur est évoqué par plusieurs chercheurs [911].  Cephénomène de changement de couleur qui est la Le vieillissement électrique des échantillons estpremière manifestation de la dégradation est attribué à obtenu en les plaçant en sandwich entre deuxl’oxydation en éliminant des groupes fonctionnels le électrodes planes portées à une tension alternative delong de la chaîne [11]. 10 kVeffdifférentes périodes allant de 1 à 8 pendant heures. Juste à la fin du vieillissement électrique on mesure le courant de charge puis on place l’échantillon dans un dessiccateur. Dans le but de vérifier la réversibilité des effets du vieillissement électrique, l’échantillon est retiré toutesles 24 heures durant plusieurs jours pour subir une charge de 1000 V durant 1000 s.
Electrode HT
Echantillon Electrode de garde Electrode ardée Electromètre PC Keithley
Fig.2. Dispositif expérimental
III.RESULTATSLa figure 3 montre l’évolution temporelle des courants de charge pour différents temps de vieillissement, la figure 4 montre leurs variations en fonction du temps de vieillissement. La phase transitoire du courant de charge correspondant au courant d’absorption s’achève au bout de 900 s environ et laisse place à la phase stable correspondant au courant de conduction. On constate que le vieillissement électrique entraîne un accroissement de la conductivité électrique.
Fig. 3. Courant de conduction en fonction du temps pour différents temps de vieillissement
Fig. 4. Courant de conduction en fonction du temps de vieillissement
c.PMMA vieilli durant 4 h Figure 6. Photographies de la surface des échantillons vierge et vieillis sous 10 kVeff Fig. 5. Courant de conduction en fonction du temps de reposIV.DISCUSSIONpour différents temps de vieillissement A.Raisons probables de l’augmentationde la conductivité  Lesrésultats ont montré que la conductivité électrique du polymère étudié (PMMA) est accrue par le vieillissement électrique et cet accroissement est d’autant plus important que le temps de vieillissement est important. Les raisons probables de cet accroissement sont multiples et les principales sont : 1) Changementsstructurels et morphologiques  Leséchantillons vieillis peuvent subir des déformations aussi bien structurelles que morphologiques favorisant ainsi le transport des porteurs de charges. Ces changements sont dus à la rupture de certaines bandes et à la formation d’autres. a.PMMA vierge En général, les réactions chimiques qui ont eu lieu entraînent la formation de groupements polaires qui jouent un rôle important dans le transport de charges. Les dégradations de la surface (changement de couleur, rugosité, cratères …) constituent de nouveaux sites potentiels de piégeage [12]. Le vieillissement entraîne aussi un changement dans la distribution et l’énergie des pièges existants [13]. Parconséquent, ces nouveaux sites de piégeage et ces changements dans les pièges existants favorisent l’accumulation de charge d’espace. Cette accumulation de charge joue certainement un rôle important dans le transport de charges et par conséquent dans l’élévation de la conductivité électrique des polymères après un vieillissement électrique. Le rôle que joue la charge d’espace sur la conductivité est très complexe reste à b. PMMA vieilli durant 1 h présent non totalement élucidé. Plusieurs travaux de recherches sont consacrés à ce sujet [1416]. En effet, la charge d’espace est soupçonnée d’être responsable de l’apparition des défauts dans les polymères isolants et dans l’accélération de leurs vieillissements [17]. La charge d’espace est générée par l’injection àpartir des électrodes et par la dissociation des molécules des
impuretés présentes dans le polymère tel que les anti oxydants, catalyseurs, résidus de réactions etc… [17]. Les réactions chimiques entraînant la rupture de bandes et la formation d’autres peuvent être dues à l’oxydation accélérée par le champ électrique et à l’injection à partir des électrodes. En effet, les charges injectées peuvent agir comme espèces agressives vis àvis de la structure moléculaire et peuvent entraîner les réactions d’oxydation de certains groupements et la rupture de chaînes [17, 18].  Lephénomène de piégeage joue aussi un rôle dans les réactions chimiques. En effet, un électron (ou trou) piégé développe une énergie de l’ordre de 2 à 5 eV selon le niveau énergétique du piège. Cette énergie est transmise selon deux processus : directement à la région au voisinage du piège provoquant ainsi la rupture de la bande CC ou CH ; à un autre électron (hot électron) qui à son tour transmettra son énergie après piégeage [19, 20].  Ceprocessus de piégeage et de transmission d’énergie se poursuit en provoquant des réactions chimiques. Ces réactions on lieu suivant le schéma ci contre [19] : Accélération . . AB +A +B +e(cold) . . A +B +e (piégé)+ énergie transmise
2)Effet de la charge d’espace résiduelleComme nous l’avons signalé précédemment, une charge d’espace se forme durant le vieillissement électrique sous champ alternatif. Une partie de cette charge d’espace persiste dans l’échantillon après la mise hors champ de l’échantillon pendant environ 2 heures [17]. Comme l’échantillon est placé dans l’enceinte d’essai juste à la fin du vieillissement pour les tests, la conductivité électriquedu polymère est alors influencée par cette charge d’espace résiduelle.3) Effetsélectromécaniques Parmi les effets induits par le champ électrique appliqué à un polymère isolant jouant un rôle dans le processus de dégradation on cite l’effet électromécanique. Cet effet est mis en évidence par plusieurs chercheurs [21, 22]. En effet, c’est à travers l’effet électromécanique que le champ électrique initie la dégradation de la structure [22]. L’effet électromécanique est entraîné par les forces électromécaniques, induites par le champ, qui agissent sur la structure en exerçant une pression.Cette pression est à l’origine de la déformation mécanique du matériau. Les forces électromécaniques déforment les liaisons physiques et/ou chimiques par étirement,
distorsion ou changement de distance entre chaînes [21]. Cesdéformations favorisent le transport de charges etpar conséquent, contribuent à l’élévation de la conductivité électrique. 4)Effet de l’eau sur la conductivitéLes molécules d’eau ont un grand effet sur les caractéristiques des polymères [2325]. En effet, la présence d’eau dans le polymère favorise les réactions chimiques entraînant la dégradation du polymère et contribuant à la mobilité des porteurs de charges. La présence de molécules d’eau sur la surface du polymère serait l’une des raisons de l’accroissement de la conductivité électrique des polymères par l’effet du vieillissement. Les molécules d’eau peuvent être adsorbées, absorbées ou déposées sur la surface. Les molécules d’eau sont liées au polymère par des liaisons hydrogène. Les molécules sont liées à deux sites hydrophiles par l’intermédiaire de leurs deux hydrogènes formant ainsi des ponts. Ces ponts se forment et se détruisent en permanence. Selon J. Verdu [24], l’absorption de l’eau est un effet physique réversible. Par contre, la réaction des molécules d’eau avec le polymère est un effet chimique irréversible. La réaction de l’eau avec le polymère peut avoir lieu suivant le schéma cidessous : H O + X  YX OHHY où le groupement XY peut être latéral [24]. Les molécules d’eau peuvent aussi se dissocier par + elles mêmes en formant les ions hydronium (H3O ) et hydroxyle (OH ) qui sont des porteurs de charges [23]. B.Raisons probables du recouvrement partiel des caractéristiques isolantes Les principales raisons du recouvrement partiel des caractéristiques isolantes du PMMA sont l’évaporation de l’eau ouson absorption par le silicagelaprès un certain temps de repos etla disparition de la charge d’espace résiduelle.
V.CONCLUSION Lecourant de polarisation ou de charge décroît rapidement juste après l’application de la tension puis continue de décroître lentement jusqu’à la stabilisation. La phase transitoire correspondant au courant d’absorption s’achève au bout de 900 s environ et laisse place à la phase stable correspondant au courant de conduction.  Levieillissement électrique entraîne un accroissement de la conductivité électrique. Cet
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