Modélisation du vieillissement des PIV

Modélisation du vieillissement des PIV et prévision de la durée de vie

Vieillissement et durée de vie

La conductivité thermique du matériau de cœur à pression atmosphérique est environ cinq fois plus élevée que lorsqu’il est sec et sous vide, juste après fabrication. La conservation du vide initial et d’une faible humidité est donc primordiale pour assurer aux PIV une durée de vie compatible avec leur application comme isolation thermique dans les bâtiments [10, 13–15, 122, 123]. Sur la question du vieillissement des PIV, deux notions différentes doivent être considérées [10, 99, 124]. La première est le vieillissement normal, il consiste en une dégradation lente, continue et irréversible de la performance. La seconde, qui peut être appelée dégradation fatale, consiste en une diminution rapide et anormale de la performance du panneau, qui survient de manière prématurée en raison d’une dégradation inattendue du PIV. La durée de vie est un autre concept, c’est la durée entre la fabrication d’un panneau et le moment où un critère de fin de vie est atteint [10, 99, 124]. Deux définitions différentes de ce critère de fin de vie sont utilisés dans la littérature, la première étant la plus répandue [55] : Définition 1 La conductivité thermique apparente du panneau devient supérieure à une valeur critique λcr i t,1 après une certaine durée d’utilisation ∆t : λapp(t0 +∆t) = λcr i t,1 (4.1) Définition 2 La valeur moyenne de la conductivité thermique apparente du panneau sur toute sa durée d’utilisation devient supérieure à une valeur critique λcr i t,2 après une certaine durée d’utilisation ∆t : 1 ∆t Z t0+∆t t0 λapp(t)dt = λcr i t,2 La valeur critique λcr i t est un choix arbitraire, qui peut être fixé à 8 ou 11mW/(m·K) avec la définition 1 par exemple [13]. La conductivité thermique apparente dans les équations ci-dessus peut être calculée en considérant uniquement la conductivité thermique du matériau de cœur, ou bien la conductivité thermique totale incluant le pont thermique de l’enveloppe [55]. Cela ne fait que décaler les valeurs, puisque la valeur de la conductivité de pont thermique ne varie quasiment pas, même lorsque la conductivité thermique du matériau de cœur augmente. Les deux critères ci-dessus sont équivalents lorsque deux conditions sont réunies : d’une part l’évolution de conductivité thermique est une fonction linéaire du temps, d’autre part les valeurs critiques sont telles que λcr i t,1 − λapp(t0) = 2(λcr i t,2 − λapp(t0)). Par exemple, si la conductivité (incluant le pont thermique) après la fabrication est de 5mW/(m·K), et que l’augmentation de la conductivité thermique dans le temps est linéaire, une valeur critique de 11mW/(m·K) avec la définition 1 est équivalente à une valeur critique de 8mW/(m·K) avec la définition 2. En revanche, pour une évolution non linéaire, les deux critères ne sont pas équivalents. La courbe λapp = f (t) peut être concave ou convexe, et la valeur moyenne sur une durée déterminée, correspondant à l’intégrale sous la courbe, peut être notoirement différente de la valeur calculée en supposant une évolution linéaire. En particulier, comme l’illustre la figure 4.1, la comparaison de la performance de plusieurs panneaux sur une période donnée peut donner un classement différent selon que l’on considère la valeur maximale ou la valeur moyenne de la conductivité thermique.La moyenne de la conductivité thermique a du sens lorsque l’on s’intéresse aux consommations d’énergies réelles du bâtiment. C’est bien l’intégrale de la conductivité (c’est-à-dire la valeur moyenne multipliée par la durée), qui permet de calculer la consommation totale (ou moyenne) sur une durée déterminée. D’un point de vue énergétique, la définition 2 doit donc être privilégiée, puisque c’est elle qui permet de comparer les efficacités réelles des isolants sur une durée déterminée. Une autre remarque importante ici concerne la relation entre durabilité et performance. La performance est la moyenne de la conductivité thermique apparente sur la durée d’utilisation. La conductivité étant une fonction croissante du temps, la performance dépend de la durée d’utilisation considérée. Plus courte sera la durée de vie considérée, meilleure sera la performance, mais en augmentant la durée de vie, à comportement de PIV identique, la performance décroît. Pour un comportement de type amorti (allure convexe, λ1(t) sur la figure 4.1), l’augmentation de la durée considérée affecte peu la performance moyenne. En revanche pour un comportement de type exponentiel (allure concave, λ3(t) sur la figure 4.1), l’augmentation de la durée considérée a un très fort impact sur la performance moyenne, puisque la conductivité thermique augmente très rapidement en fin de vie. Réciproquement, la durée de vie d’un PIV dépend de la performance attendue. À évolution constante, plus le critère de fin de vie sera exigeant, plus courte sera la durée de vie. On ne peut donc parler d’une durée de vie intrinsèque ou d’une performance intrinsèque : chacune des valeurs est liée à la détermination de l’autre valeur.

Mécanismes de vieillissement 

Le critère de fin de vie peut être atteint rapidement en raison d’une dégradation fatale du panneau (perforation ou déchirure de l’enveloppe, délamination au niveau de la soudure…), ou lentement par un processus de vieillissement normal au fil du temps. Ce chapitre se concentre sur le vieillissement normal au cours de la vie du PIV, qui consiste en une diminution lente et continue de la performance thermique du fait de l’augmentation de la pression et l’humidité à l’intérieur du PIV. Le but est d’estimer l’évolution de la pression, de l’humidité et de la conductivité thermique, afin de connaître la performance moyenne d’un PIV sur une durée de vie fixée (performance qui sera inférieure à la performance juste après fabrication), ou bien d’avoir une estimation de la durée qui peut s’écouler avant d’atteindre un critère de fin de vie défini, c’est-à-dire de la durée de vie du panneau à performance fixée.La durée de vie est une valeur aléatoire, qui peut être décrite par la « courbe en U » sur la figure 4.2 (bathtub curve en anglais [10, 99]). Cette courbe peut se séparer en trois parties. La probabilité de dégradation fatale est élevée juste après la fabrication, cette période de mortalité infantile étant principalement due à des défauts dans les matériaux, des erreurs dans la production et les dommages mécaniques pendant le transport et l’installation. Vient ensuite une longue période avec une probabilité de défaillance faible, correspondant à la durée de vie moyenne des panneaux. À la fin de cette zone, le taux de défaillance augmente jusqu’à un pic très marqué. C’est la période pendant laquelle la plupart des panneaux ont leur fin de vie, la probabilité de survie au delà de ce pic est nulle.En parallèle avec le processus de vieillissement lié à la perméation des gaz à travers l’enveloppe, plusieurs faits doivent être pris en compte pour estimer une durée de vie réaliste   : 1. Le dégazage initial du matériau de cœur ou de l’enveloppe barrière aux gaz peut conduire à un décalage du niveau initial de pression ou d’humidité par rapport au niveau de fabrication. 2. Des produits dessicants (qui piègent la vapeur d’eau) et des pièges à gaz (getters en anglais, qui absorbent les autres gaz) peuvent être ajoutés au matériau de cœur, afin de décaler dans le temps le début de l’augmentation de pression et d’humidité. Dans le cas de la silice pyrogénée, l’augmentation de conductivité thermique commence à une pression d’environ 20 mbar, et ce matériau est particulièrement hydrophile, dessicants et getters ne sont donc presque jamais ajoutés aux PIV contenant ce matériau de cœur. 3. L’augmentation non linéaire de la perméation de l’air à forte température ou humidité, observée expérimentalement, peut fortement accélérer l’augmentation de la pression par rapport au calcul fait à débit constant. 4. La perméation gazeuse à travers les enveloppes barrières aux gaz est beaucoup plus rapide pour la vapeur d’eau que pour les autres gaz atmosphériques. La différence exprimée dans les mêmes unités peut être de 3 ordres de grandeur pour les membranes multicouches contenant des films polymères métallisés. La vapeur d’eau est responsable d’une augmentation de pression supplémentaire non négligeable et d’une augmentation du taux d’humidité dans le matériau de cœur, qui participeront conjointement à l’augmentation de la conductivité thermique apparente. 5. Les tranches, coins, et zones de soudure de l’enveloppe (qui peuvent être sur la tranche du PIV ou non) présentent en moyenne une densité de défauts plus élevée que la partie courante, ce sont des zones de faiblesse pour l’étanchéité à l’air et à la vapeur d’eau. Des débits de gaz supplémentaires localisés sur ces régions participent donc également à l’augmentation de la pression totale et de l’humidité. 6. Les propriétés de barrière aux gaz de l’enveloppe risquent de ne pas rester identiques pendant toute la durée de vie du panneau, puisqu’une dégradation des polymères, une corrosion des couches métalliques ou un phénomène de délamination peuvent se produire pendant toute la durée de vie du PIV. Une enveloppe dégradée verra ses propriétés barrières diminuer de façon irréversible, de sorte que les augmentations de pression et d’humidité seront accélérées. Une approche de modélisation précise incluant tous ces phénomènes est nécessaire pour estimer de manière fiable la durée de vie d’un PIV.

Risques de dégradation prématurée pour l’enveloppe des PIV 

La dégradation prématurée d’une enveloppe barrière aux gaz constituée d’une membrane multicouche de films polymères métallisés pourrait être due à différents facteurs [10, 14, 99] : – Une température élevée. En particulier, une enveloppe barrière qui contient du polyéthylène ne doit pas être exposée régulièrement à des températures supérieures à T = 60 °C, et seules de courtes périodes d’exposition à T = 80 °C sont acceptables, autrement le polyéthylène perdrait ses propriétés initiales.

Une humidité relative élevée

Cela peut induire l’oxydation des couches d’aluminium et l’hydrolyse des couches adhésives de polyuréthane, en particulier lorsque la sollicitation en humidité est combinée avec une température élevée. – Un pH élevé. L’eau dans l’environnement direct doit avoir des valeurs de pH inférieures à 8,5 pour éviter une oxydation prématurée de l’aluminium. Si ces conditions sont évitées, la dégradation de la membrane barrière aux gaz et du matériau de cœur n’est pas censée se produire, cependant une lente diminution de la performance thermique sera observée, en raison de la perméation aux gaz atmosphériques à travers l’enveloppe. La pression et l’humidité augmentent à une vitesse faible mais non négligeable, et la conductivité apparente totale augmente simultanément, provoquant un vieillissement plus ou moins important au cours du temps. 

Modélisation de la perméation gazeuse à travers l’enveloppe barrière aux gaz 

 Taux de perméation à travers l’enveloppe barrière aux gaz 

La plupart des laboratoires travaillant sur les membranes barrières aux gaz des PIV utilisent le modèle de sorption-diffusion pour la perméation de la vapeur d’eau et de l’air sec. C’est en effet un modèle très pratique pour l’identification des propriétés et pour la modélisation des transferts de masse. Les hypothèses couramment utilisées sont répertoriées ci-dessous : 1. La phase gazeuse interne et la phase gazeuse externe sont des mélanges binaires et idéaux de vapeur d’eau et d’air sec, considérés comme des mélanges de gaz parfaits. 2. Pour chacun de ces gaz, le taux de perméation total GT Rtot (ou débit massique) est la somme d’une contribution surfacique de la partie courante GT Rsur f sommée sur toute l’aire A des parties planes et d’une contribution linéique de la tranche GT Rl in sommée sur tout le périmètre de longueur P : GT Rtot = A ·GT Rsur f +P ·GT Rl in (4.3) 3. Le débit massique depuis l’extérieur vers l’intérieur du PIV suit le modèle linéaire de sorption-diffusion. Le débit de gaz est donc proportionnel à l’écart de pression partielle. On définit ∆pg = pout −pins, positif si la pression externe est supérieure, et GT R comme le flux pénétrant à l’intérieur du panneau. Les relations entre débits et écarts de pression s’écrit alors : GT Rsur f = Πsur f ∆pg (4.4) GT Rl in = Πl in∆pg (4.5) 4. La perméance surfacique Πsur f et la perméance linéique Πl in dépendent de la température.