Comment mesurer la résistance de gants à la coupure et à la perforation

Comment mesurer la résistance de gants à la coupure et à la perforation

L’IRSST compte une expertise de longue date en recherche et développement de méthodes de mesure de la résistance des gants de protection aux agresseurs mécaniques. Cette fois, une équipe de recherche s’est intéressée à la résistance des gants à la coupure et à la perforation simultanée.

Chantal Gauvin, ingénieure et professionnelle scientifique de l’IRSST, fait partie du comité F 23 de l’ASTM International sur les vêtements et équipements de protection individuelle. « Les recherches précédentes menées à l’IRSST ont porté sur les phénomènes de coupure, de perforation et, plus récemment, de piqûre par des aiguilles médicales. Nous n’avons toutefois pas établi de corrélation entre ces différents types d’agressions. Les matériaux se comportent différemment selon chaque sollicitation mécanique. Par exemple, un matériau peut être résistant à la perforation et opposer peu de résistance à la coupure. »

Une méthode novatrice

Site Web sélection de gantsPersonne n’avait encore évalué l’action combinée de la perforation-coupure. Pensons seulement aux couteaux pointus et à tous les types de pointes coupantes, aux échardes de métal, aux éclats de verre ou aux pièces mal ébavurées. Cette première étude sur des agresseurs mécaniques simultanés répond à un besoin des fabricants de gants de protection, qui sont très intéressés à disposer d’une méthode permettant d’évaluer la résistance de leurs produits à la perforation-coupure simultanée.

« En fait, explique Chantal Gauvin, nous avions comme objectif de trouver une propriété qui soit intrinsèque au matériau, c’est-à-dire liée à sa composition ou à sa structure interne. C’est plus utile pour comparer les matériaux entre eux. Nous voulions aussi concevoir une méthode pour quantifier cette propriété. »

Une étude complexe

Le rapport de recherche présente les essais mécaniques réalisés sur différents types d’élastomères, qui simulent l’action simultanée de la perforation et de la coupure. Les chercheurs ont étudié l’effet de divers paramètres sur la résistance des matériaux : la géométrie de la pointe de la lame, l’angle d’attaque, la vitesse de déplacement et la lubrification des lames, l’épaisseur du matériau, la préextension de l’échantillon et l’emploi d’un support simulant la main, en plus d’essais exploratoires sur quelques gants. Les chercheurs ont mesuré la force requise pour faire pénétrer une lame pointue dans un matériau, pour la retirer ensuite et la réinsérer exactement à la même profondeur, en mesurant de nouveau la force nécessaire.

La méthode repose sur l’hypothèse que la force enregistrée durant la réinsertion de la lame dans la fissure représente la friction pure entre la lame et le matériau. En soustrayant l’énergie de friction de l’énergie totale exercée pour la pénétration, on obtient l’énergie de rupture. Celle-ci correspond au travail de rupture dissipé uniquement par le processus de perforation-coupure, sans friction. Les résultats expérimentaux ont aussi été analysés en fonction de la surface de rupture (le triangle vert présenté dans la figure). Les chercheurs l’ont mesurée par microscopie optique pour calculer l’énergie de rupture par unité de surface du matériau.

Résistance des gants de protection

Des résultats probants

Cette recherche a démontré que l’énergie de rupture par unité de surface demeure indépendante de la géométrie de la lame et des autres paramètres étudiés. Elle offre, en conséquence, une caractérisation objective et intrinsèque de la résistance du matériau à la perforation-coupure par une lame pointue. La méthode expérimentale de caractérisation basée sur la réinsertion de la lame, conçue par l’équipe scientifique, s’est donc avérée adéquate.

Attention aux lubrifiants !

L’énergie de friction par unité de surface, quant à elle, varie toutefois en fonction des conditions du milieu et de la présence de matières lubrifiantes. Les résultats de l’étude montrent que la lubrification des lames pointues n’influe pas sur l’énergie de rupture par unité de surface du matériau, mais y réduit l’énergie de friction d’environ 50 %. Chantal Gauvin explique : « Notre hypothèse, qui s’est confirmée, était que la friction entre le matériau et la lame joue un grand rôle dans la résistance mesurée. Par exemple, dans un milieu où les travailleurs manipulent avec leurs gants des pièces recouvertes d’un lubrifiant, celui-ci se retrouve forcément sur les gants. Si les pièces manipulées sont coupantes ou pointues, elles ont alors plus de facilité à pénétrer dans le gant qu’en l’absence de lubrifiant. Le lubrifiant réduit la friction. »

« Dans une application éventuelle, poursuit l’ingénieure, si notre méthode était développée puis normalisée, le travailleur qui doit manipuler des pièces très lubrifiées aurait ainsi avantage à utiliser un gant qui présente une plus grande propriété intrinsèque de résistance à l’agresseur qu’est la pointe coupante. » C’est-à-dire que le choix des gants se fait sur la base d’une propriété qui ne dépend pas de son épaisseur, ni de l’environnement, ni des paramètres de sollicitation de la pointe coupante. Deux gants peuvent présenter la même force de pénétration maximale (méthode traditionnelle de caractérisation), mais avoir des valeurs d’énergie de rupture par unité de surface différentes. Le gant qui a une valeur de l’énergie plus élevée est un meilleur choix pour un environnement où l’on trouve des lubrifiants (en considérant, a priori, que les deux gants sont enduits d’un polymère qui demeure « inerte » au contact de lubrifiants).

Vers une méthode simplifiée

De l’avis des chercheurs, il est assez laborieux de réaliser des pénétrations à différentes profondeurs dans l’épaisseur relativement faible de gants de protection, pour mesurer ensuite la surface de pénétration à l’aide d’un microscope. S’il s’agit d’échantillons très minces, il est particulièrement difficile de déterminer avec précision les énergies de rupture et de friction séparément, car elles sont très faibles. Voilà pourquoi l’étude propose également une méthode simplifiée.

« Dans ce cas, explique Chantal Gauvin, on pratique une perforation dans toute l’épaisseur du matériau. Les méthodes actuelles utilisent la force maximale pour caractériser la résistance à la pénétration. Mais, dans le cas des lames pointues, il est essentiel de calculer l’énergie totale par unité de surface de rupture en utilisant un essai qui mesure la force correspondant au moment où la pointe de la lame touche la face inférieure de la membrane de protection. On l’appelle la force de pénétration complète. Elle s’avère beaucoup plus faible que la force maximale de pénétration. »

« Pour la méthode simplifiée, nous faisons une seule perforation-coupure, note Chantal Gauvin. Elle ne donne pas l’énergie de friction que nous voulions connaître, mais l’énergie totale. Cela nous enlève bien sûr de l’information sur l’apport de la friction. Mais il reste un avantage à cette méthode. Plutôt que de mesurer seulement la force maximale de perforation, comme c’est le cas des méthodes en usage actuellement, la nôtre donne une valeur indépendante de la géométrie de la lame, soit l’énergie totale par unité de surface de rupture. Peu importe l’angle de perforation ou la forme du couteau, de l’écharde de métal, etc., on obtiendra toujours, pour un même matériau de protection, la même valeur pour cette énergie totale. »

Pour la suite

Pour cette première étape, l’étude a surtout évalué des matériaux homogènes utilisés dans la fabrication des gants de protection. Dans une étape subséquente, indique Chantal Gauvin, il faudra tester la méthode avec des matériaux hétérogènes.

« De manière générale, plus le gant est épais, plus il est rigide et présente une grande résistance mécanique. Mais un gant trop rigide ou trop épais nuit à la dextérité. Les manufacturiers doivent donc optimiser ces aspects, signale Mme Gauvin. Habituellement, ce qui protège beaucoup de la coupure, dans un gant de protection, c’est le tricot luimême, lorsqu’il est constitué de fibres de haute performance. Si le gant est enduit de polymère, sa résistance à la coupure va augmenter parce que la friction augmente entre la lame et le matériau. Mais quand on parle de perforation, c’est surtout le polymère qui va résister. Donc, pour les pointes coupantes, il faut les deux, car il y a perforation et coupure.

La méthode est difficile à réaliser sur le plan expérimental et les manufacturiers ont besoin de quelque chose de plus simple. À ce moment-ci, nos résultats sont plutôt utiles aux chercheurs. »

Pour en savoir plus

TRIKI, Ennouri, Phuong NGUYEN-TRI, Meriam AZAIEZ, Toan VU-KHANH, Chantal GAUVIN. Résistance des matériaux de protection aux agresseurs mécaniques multiples – Coupure et perforation simultanées, Rapport 903, 81 pages.

 Au sujet du mode d’agression

« Prenons l’exemple d’une sonde à bout arrondi (non aiguisé) qui perfore un matériau élastomère. Celui-ci s’étire sous l’extrémité de la sonde. La perforation se produit au moment où le taux de déformation du matériau atteint sa valeur limite de rupture. Ce moment correspond aussi à la force maximale enregistrée durant l’essai. Avec une lame pointue, cette force maximale n’est jamais atteinte parce que la lame coupe, en plus de perforer, créant une fissure qui se propage dans l’élastomère. Voilà pourquoi, dans notre méthode, nous arrêtons à la perforation dite ‘complète’, soit au moment où la pointe de la lame touche la face inférieure du matériau. » – Chantal Gauvin

Les travaux se poursuivent

Le premier auteur de cette recherche, Ennouri Triki, était associé de recherche à l’École de technologie supérieure au moment de sa réalisation. En août 2016, il a entrepris des études postdoctorales à l’Université McGill, avec le professeur François Barthelat, en collaboration avec Chantal Gauvin de l’Institut. Il a obtenu une bourse de l’IRSST pour ses travaux sur l’étude de la résistance des matériaux de protection hétérogènes aux agresseurs mécaniques multiples : coupure et perforation simultanées.