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RÉSUMÉ
Les propriétés fonctionnelles des matériaux composites, telles que la légèreté, la résistance mécanique et chimique, la liberté des formes et l’excellente tenue au choc, leur ont ouvert des marchés importants, en particulier dans l’aéronautique et la marine. Pour autant, leur tenue au feu pose souci, ils brûlent, et en émettant en plus des fumées toxiques. Cet article expose les différentes pistes pouvant conduire à une amélioration du comportement au feu des composites. La contribution de la résine et l’influence de l’interface renfort/matrice sur le développement d’un incendie ne font aucun doute. Les additifs ignifuges, eux, semblent pouvoir résoudre en partie l’inflammabilité des composites.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Serge BOURBIGOT : Professeur à l’École nationale supérieure de chimie de Lille (ENSCL)
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René DELOBEL : Professeur à l’École nationale supérieure de chimie de Lille (ENSCL) Directeur du centre de recherche et d’étude sur les procédés d’ignifugation des matériaux (CREPIM)
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Sophie DUQUESNE : Maître de conférences à l’École nationale supérieure de chimie de Lille (ENSCL)
INTRODUCTION
Les matériaux composites sont largement utilisés comme pièces structurales. Ils apportent à leurs utilisateurs de nombreux avantages fonctionnels : légèreté, résistance mécanique et chimique, maintenance réduite, liberté des formes, excellente tenue au choc. Ces avantages leur ont ouvert des marchés importants, en particulier dans l’aéronautique et la marine.
Cependant, ces matériaux présentent souvent une vulnérabilité à l’égard des incendies ; ils brûlent facilement en émettant des fumées toxiques. Ce comportement est généralement lié à la nature organique de la matrice polymère qui les compose.
L’objectif de ce dossier est de présenter les différentes approches pouvant être suivies pour améliorer le comportement au feu des composites. Après un bref rappel sur les phénomènes de combustion, nous présenterons l’influence du type de résine sur le comportement au feu des composites. Nous nous intéresserons également à l’influence de l’interface renfort/matrice sur le développement d’un incendie. Nous montrerons ensuite comment les additifs ignifuges résolvent en partie le problème de l’inflammabilité des composites. Enfin, nous terminerons cet exposé par une présentation de l’aspect normalisation en fonction du domaine d’application visé.
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Amélioration du comportement au feu des compositesArticle inclus dans l'offre
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1. Principes caractéristiques du comportement au feu
1.1 Principe de la combustion
Le processus de combustion des matériaux polymères [1] est un processus complexe, comportant de nombreuses étapes dont certaines sont encore inexplorées (figure 1). Elles ne peuvent pas être décrites de manière quantitative mais peuvent l’être de manière qualitative. On distingue principalement quatre étapes qui sont respectivement l’échauffement, la décomposition, l’inflammation et la propagation.
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Échauffement
L’application d’une source extérieure de chaleur, comme un rayonnement ou une flamme par exemple, a pour première conséquence l’échauffement ou l’augmentation de température du matériau polymère. Dans cette phase initiale, les thermoplastiques vont se ramollir ou fondre, ce qui n’est pas le cas des polymères thermodurcissables, qui ont une structure moléculaire réticulée tridimensionnelle. L’évolution de température au sein du matériau sera plus ou moins rapide selon l’intensité de la source de chaleur et, également, selon les propriétés du matériau, en particulier sa conductivité thermique, sa chaleur latente de fusion et d’évaporation et sa capacité thermique.
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Dégradation
À partir d’une température critique, par ailleurs liée à l’enthalpie de formation du polymère, les liaisons les plus fragiles thermiquement se brisent. La dégradation va conduire à la formation de radicaux qui réagissent pour former des molécules organiques de masse moléculaire basse, généralement inflammables. La composition des produits de dégradation va dépendre de la nature chimique du polymère et de la composition en oxygène du milieu.
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Inflammation
L’étape d’inflammation d’un matériau polymère dépend de nombreuses variables telles que la concentration en oxygène de l’air, la température ou encore les propriétés physiques et chimiques du polymère. Lorsque la vitesse de dégagement des produits volatils atteint une valeur suffisante pour que le mélange produits gazeux – air soit inflammable, il y a alors apparition d’une flamme. La combustion sera maintenue tant qu’il y aura suffisamment d’énergie transférée à la surface et dans la masse du polymère pour entretenir sa décomposition...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - VOVELLE (C.), DELFAU (J.-L.) - Combustion des plastiques . - Base documentaire « Plastiques et Composites » (1947).
-
(2) - SAINRAT (A.), CHESNE (C.) - Essais normalisés de réaction au feu . - Base documentaire « Plastiques et Composites » (2005).
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(3) - CHEVALIER (M.) - Phénoplastes et phénols-formols PF AM 3 435. - Base documentaire « Plastiques et Composites » (1991).
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(4) - BERGERAT (A.), KRAWCZAK (P.) - Liaison renfort-matrice . - Base documentaire « Plastiques et Composites » (2006).
-
(5) - BROSSAS (J.) - Retardateurs de flamme . - Base documentaire « Plastiques et Composites » (1999).
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...
DABROWSKI (F.) - Optimisation et compréhension des procédés d’ignifugation des polymères techniques. - Université des Sciences et Technologies de Lille (2001).
ROSE (N.) - Étude de la dégradation thermique et du comportement au feu de résines époxydes utilisées dans l’aéronautique. - Université des Sciences et Technologies de Lille (1995).
ELKHATIB (W.) - Ignifugation des polyuréthanes par des phosphonates réactifs. - INSA Mont- Saint-Aignau (2002).
HAUT DE PAGE
CREPIM Centre de recherche et d’études sur les procédés d’ignifugation des matériaux http://www.crepim.fr
EBFRIP European brominated flame retardant industry panel http://www.ebfrip.org
CEFIC-EFRA European Chemical Industry Counal – European Flame Retardants Association http://www.cefic-efra.com
NIST-Fire National Institute of Standards and...
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