Les résines silicones utilisées sur les satellites en tant que revêtements de contrôle thermique sont soumises en orbite géostationnaire à un environnement agressif caractérisé par le vide, les rayonnements UV solaires et les particules chargées, électrons et protons. Cet environnement engendre une dégradation des propriétés optiques et mécaniques, diminuant la durée de vie du satellite. Afin de formuler des résines plus performantes, une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation est nécessaire. Dans ce contexte, le but de cette thèse consiste d'une part à étudier les effets de l'environnement spatial géostationnaire sur la structure chimique de résines silicones et d'autre part, à étudier l'évolution des propriétés physiques, l'objectif final étant de relier les modifications chimiques responsables de la dégradation des propriétés d'intérêts technologiques.
Après un rappel général sur l'environnement spatial géostationnaire et les silicones, un état de l'art sur les dégradations de silicones soumis aux radiations UV ou ionisantes (électrons et protons) est présenté.
Des huiles PDMS et résines silicones ont été préparées puis exposées aux rayonnements UV solaires. Une forte dégradation des propriétés optiques a été mesurée par spectroscopie UV-Vis-PIR et a été relié à la présence d'impuretés absorbantes présentes initialement dans les huiles ou résines. Par ailleurs, si les huiles PDMS présentent une bonne résistance aux rayonnements, les huiles fonctionnalisées et les résines sont plus fragiles. Dans le cas de PDMS terminaisons vinyles, la scission des liaisons Si-vinyle en bout de chaînes a été démontrée par RMN 1H, menant à la formation de radicaux qui par recombinaison conduisent ensuite à l'augmentation des masses macromoléculaires. Dans le cas des résines, une augmentation de la densité du réseau macromoléculaire a été démontrée par tests de gonflement.
Dans le chapitre suivant les effets des particules électrons ou protons sur les résines ont été étudiés. Sous flux d'électrons, une augmentation significative du module élastique a été mesurée par AMD résultant de la réticulation des chaines. Des analyses en RMN du solide 29Si ont notamment démontré que le mécanisme principal de réticulation est la formation de nouveaux motifs T. Les flux de protons peu pénétrant quant à eux génèrent principalement une dégradation de la surface avec l'apparition d'un grand nombre de fissures dues à la formation d'une couche de type silice mise en évidence par spectroscopie IR par ATR et photoélectronique X. De plus, une forte dégradation des propriétés optiques a été mesurée.
Dans une dernière partie, les effets cumulés des particules ont tout d'abord été étudiés. La dégradation des propriétés optiques est identique à celle mesurée lors de l'irradiation par flux de protons seuls. Par ailleurs, les modifications chimiques en surface sont principalement causées par les protons, mais certaines modifications résultent d'un phénomène de synergie entre les deux types de particules. Enfin, les effets des particules et rayonnements UV ont été examinés afin de simuler au mieux l'environnement spatial géostationnaire. Une forte dégradation des propriétés optiques a été observée sous l'effet des protons et UV essentiellement, ainsi qu'une dégradation de la surface due aux protons. |
Silicone rubbers are used on spacecraft such as thermal-control coatings. On geostationary orbit, they are exposed to high vacuum, UV radiations and charged particles such as electrons and protons. This aggressive environment causes thermo-optical and mechanical properties degradations and reduces the spacecraft life-time. In order to formulate more performing rubbers, it is necessary to determine chemical phenomena responsible for thermo-optical properties degradations. In this context, the aim of this PhD work is first to study geostationary environment effects on the chemical structure of silicone rubbers, then to evaluate physical properties modifications. The final goal is to connect chemical modifications to technological properties damages.
After a general presentation of the geostationary environment and silicones, a review of different studies focusing on silicone degradations under UV or ionising radiations was carried out.
Then, silicone oils and rubbers were prepared and the effects of solar UV radiations were investigated. Optical properties degradations were evidenced by UV-Vis-NIR spectroscopy, and linked to impurities present in pristine oils or rubbers. Then, whereas PDMS oils show good resistance to UV, functionalized PDMS oils and rubbers show degradation. For instance, scission of Si-Vi bonds of vinyl-terminated PDMS oils was shown by 1H NMR, leading to radicals formation, followed by bond formation between adjacent chains evidenced by gel permeation chromatography. In the case of rubbers, crosslinking was revealed by swelling tests.
Then, the particles effects such as electrons and protons were investigated. Electrons flux generates a drastic increase of the elastic modulus as indicated by dynamic mechanical analysis measurements. New T crosslinked units were mainly formed as shown by 29Si solid-state NMR. Protons flux causes mainly surface degradations with the formation of many cracks, resulting from new silica-type coat formation as indicated by ATR-FTIR and XPS spectroscopy. In addition, high optical properties degradation was measured.
Finally, in the last part, the cumulative effects of particles, then particles and UV radiations were examined in order to approach geostationary environment conditions. For both cases, no synergistic effects were observed, and degradations are additives. |