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RÉSUMÉ
L’industrie des polymères occupe une large place au niveau mondial. Les polymères sont utilisés dans tous les aspects de la vie quotidienne grâce à leurs propriétés spécifiques concurrençant ainsi les matériaux traditionnels. Cependant ils possèdent une vulnérabilité à l’égard des incendies. L’ajout de composés retardateurs de flamme est donc nécessaire pour renforcer leur comportement au feu. Dans cet article les différentes familles de retardateurs de flamme utilisés dans l’industrie des polymères sont présentées à l’exclusion des phosphorés et halogénés. Leurs mécanismes d’action sont détaillés et des exemples d’application sont donnés. Une partie est consacrée aux retardateurs de flamme biosourcés dont le développement constitue un champ d’investigation en plein essor.
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Marianne COCHEZ : Maître de Conférences Docteur en Chimie des Matériaux de l’université Montpellier 2 - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 Université de Lorraine/CentraleSupélec, Metz, France.
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Christelle VAGNER : Maître de Conférences Docteur en Chimie-Physique de l’université de Lorraine - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 Université de Lorraine/CentraleSupélec et Laboratoire MADIREL UMR 7246, Aix Marseille Université, Marseille, France.
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Henri VAHABI : Maître de Conférences Docteur en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux de l’université Montpellier 2 - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 Université de Lorraine/CentraleSupélec, Metz, France.
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Michel FERRIOL : Professeur des Universités Docteur d’État ès-Sciences, Université Claude Bernard-Lyon I - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 Université de Lorraine/CentraleSupélec, Metz, France.
INTRODUCTION
La production industrielle des polymères de commodité s’est fortement développée dans les années 1960, entraînant, de fait, l’augmentation du risque d’incendies. Pour pallier celui-ci, l’industrie a tout d’abord cherché à diminuer l’inflammabilité des matériaux polymères en y ajoutant des composés retardateurs de flamme. Par la suite, il s’est agi également de diminuer les quantités de fumées produites et leur toxicité, à l’origine de la majorité des décès lors d’un incendie. Les retardateurs de flamme halogénés ont ainsi démontré leur efficacité. Cependant, pour des raisons environnementales (en particulier, la dissémination des retardateurs de flamme dans l’écosystème) et malgré leurs performances remarquables, la plupart des retardateurs de flamme halogénés ont été mis à l’index au niveau européen au début des années 2000 à cause de leur toxicité intrinsèque et du dégagement massif de gaz corrosifs lors de la combustion. Ceci a entraîné la recherche et le développement de nouvelles solutions sans halogènes.
À l’heure actuelle, les questions liées au développement durable et au changement climatique devenant prégnantes, il s’avère aussi nécessaire de développer des matériaux et des systèmes retardateurs de flamme s’inscrivant largement dans une politique de durabilité.
Actuellement, quatre grandes familles dominent le marché des retardateurs de flamme qui représentait, en 2011, 1,9 millions de tonnes pour un montant de 4,8 milliards de dollars. En volume, leurs parts de marché se décomposent approximativement ainsi :
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40 % pour les composés minéraux ;
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30 % pour les composés halogénés (essentiellement bromés) ;
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15 % pour les composés phosphorés organiques et minéraux ;
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15 % pour l’oxyde d’antimoine et autres composés (principalement azotés).
L’objet de cet article est donc de présenter ces différents types de retardateurs de flamme, utilisés ou utilisables dans l’industrie de transformation des polymères ainsi que, de façon prospective, les nouvelles solutions durables envisagées. Les retardateurs de flamme halogénés ont été exclus du champ couvert par cet article, pour les raisons exposées plus haut, en outre ils font l’objet d’un article paru dans les Techniques de l’Ingénieur : [AM3237]. Quant aux retardateurs de flamme phosphorés, ils font également l’objet d’une autre publication des Techniques de l’Ingénieur : [AF6047].
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5. Composés biosourcés : solution en devenir ?
La dernière décennie a vu l’essor des polymères biosourcés obtenus à partir de ressources renouvelables (maïs, blé, canne à sucre…), proposant une alternative crédible aux polymères issus du pétrole. Pour être qualifiés de matériaux « verts », les additifs retardateurs de flamme qui entrent dans leur formulation doivent eux aussi être biosourcés. À l’heure actuelle, il n’existe pas ou peu de solutions commerciales totalement agro-sourcées pour traiter un plastique contre le feu. On peut citer deux exemples de retardateurs de flamme « verts » commercialisés : l’Apyrum (système intumescent constitué de sels naturels de carboxylates) et le Paxymer® adapté aux polyoléfines. Le développement de retardateurs de flamme biosourcés constitue donc un champ d’investigation encore très peu développé, mais actuellement en essor. Parmi les principales stratégies actuellement étudiées, l’utilisation de bio-macromolécules peut représenter un moyen efficace pour conférer des caractéristiques ignifugeantes. La recherche se focalise également sur des composés pouvant être facilement fonctionnalisés chimiquement, notamment par des molécules à base de phosphore et d’azote bien connues pour leur action retardatrice de flamme. Beaucoup d’études ont d’abord été menées pour l’ignifugation des fibres et des tissus cellulosiques, pour les polymères biosourcés, mais ont ensuite été étendues aux thermoplastiques et thermodurcissables issus du pétrole. La figure 16 rassemble les différents types de composés issus de la biomasse (définie comme tout matériau d’origine biologique, à l’exception des matériaux enfouis dans les formations géologiques ou fossilisés) traités dans cet article et ayant fait l’objet de recherches pour l’ignifugation des polymères. Certains sont plus couramment utilisés comme retardateur de flamme (lignine, cellulose…), d’autres de façon plus anecdotique (ADN, etc.). Ces composés peuvent être d’origine végétale, animale ou issus du milieu marin.
Ces molécules sont riches en phosphore et/ou en azote, ont un pouvoir charbonnant, comme beaucoup de retardateurs de flamme issus du pétrole, mais sont plus respectueuses de l’environnement et non toxiques. Elles sont utilisées par voie additive ou réactive pour la synthèse...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MOURITZ (A.P.), GIBSON (A.G.) - Fire properties of polymer composite materials. - Springer, ch.8, p. 237 (2006).
-
(2) - HORNSBY (P.R.) - The application of magnesium hydroxide as a fire retardant and smoke-suppressing additive. - Fire Mater., 18, p. 269-276 (1994).
-
(3) - DASARI (A.), YU (Z.), CAI (G.), MAI (Y.) - Recent developments in the fire retardancy of polymeric materials. - Progr. Polym. Sci., 38, p. 1357-1387 (2013).
-
(4) - NGOHANG (F.), FONTAINE (G.), GAY (L.), BOURBIGOT (S.) - Smoke composition using MLC/FTIR/ELPI : application to flame retarded ethylene vinyl acetate. - Polym. Degrad. Stab., 115, p. 89-109 (2015).
-
(5) - LIU (S.), HUANG (J.), JIANG (Z.), ZHANG (C.), ZHAO (J.), CHEN (J.) - Flame retardance and mechanical properties of a polyamide 6/polyethylene/surface-modified metal hydroxide ternary composite via a master-batch method. - J. Appl. Polym. Sci., 117, p. 3370-3378 (2010).
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