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RÉSUMÉ
Les matériaux polymères sont massivement utilisés dans de nombreux secteurs d’activité. Cependant, ils brûlent facilement car ils sont porteurs d’une charge combustible importante. Il est donc nécessaire d’améliorer leur comportement au feu par ajout de composés ignifugeants appelés retardateurs de flamme, le but étant de neutraliser ou de retarder la combustion, et de réduire l’émission de fumées. Après avoir rappelé les méthodes principales de synthèse des polymères, une grande partie de cet article est consacrée à la combustion des polymères dans laquelle sont détaillés les différents processus mis en jeu. Enfin les stratégies d’ignifugation de ces matériaux ainsi que les mécanismes d’action des retardateurs de flamme sont présentés.
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Polymeric materials are used massively in many branches of industry. However, they burn easily because they carry a large combustible load. It is thus necessary to improve their fire behavior by adding fire-retarding compounds called flame retardants, the aim being to neutralize or delay combustion, and reduce smoke emission. After recalling the principal methods of synthesis of polymers, most of this article is devoted to the combustion of the polymers, in which the various processes concerned are detailed. Lastly the strategies for fire retardancy of these materials and the mechanisms of action of flame retardants are presented.
Auteur(s)
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Christelle VAGNER : Maître de conférences, Docteur en Chimie-Physique - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 - Université de Lorraine/CentraleSupélec - Laboratoire MADIREL UMR 7246, Aix Marseille Université, Marseille, France
-
Marianne COCHEZ : Maître de conférences, Docteur en Chimie des Matériaux - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 - Université de Lorraine/CentraleSupélec, Metz, France
-
Henri VAHABI : Maître de conférences, Docteur en Chimie et Physico-Chime des Matériaux - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 - Université de Lorraine/CentraleSupélec, Metz, France
-
Michel FERRIOL : Professeur des Universités, Docteur d’État ès-Sciences - Laboratoire Matériaux Optiques Photonique et Systèmes EA 4423 - Université de Lorraine/CentraleSupélec, Metz, France
INTRODUCTION
Les matériaux polymères ont envahi notre vie quotidienne, mais ils sont également de plus en plus utilisés pour des applications de haute technicité (industrie automobile, aéronautique, articles de sport notamment). Possédant une forte charge en carbone et hydrogène, ce sont des matériaux particulièrement combustibles. Outre les atteintes directes aux biens, à la santé et à la vie des personnes, les incendies peuvent avoir des répercussions non négligeables en termes de développement durable (destruction totale ou partielle d’infrastructures) et d’environnement (production et dissémination de composés toxiques et/ou corrosifs : monoxyde de carbone, dioxines, cyanure d’hydrogène, composés aromatiques polycycliques…).
Cet article a pour but de présenter aux ingénieurs et techniciens ayant des connaissances de base en chimie, les différents processus et mécanismes liés à la décomposition thermique et à la combustion des polymères ainsi que les principales solutions développées afin de leur procurer une résistance au feu accrue et permettre, en cas d’incendie, une meilleure protection des biens et des personnes. La grande diversité des matériaux polymères utilisés (copolymères, présence d’additifs ou renforts…) en ce qui concerne leur composition ou leur forme (fibres, mousses, films, massifs…) ne permet pas le développement de solutions universelles et nécessite une adaptation et une mise au point particulière à chaque cas de figure. C’est pour cela qu’il est nécessaire de bien appréhender tous les aspects chimiques de la question et, notamment, de la synthèse de ces matériaux qui leur confère de si remarquables combinaisons de propriétés.
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KEYWORDS
polymers | flame retardants | ignifugation | thermal decomposition
DOI (Digital Object Identifier)
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Ignifugation des polymères
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2. Combustion des polymères
Les polymères étant constitués essentiellement de carbone et d’hydrogène, ils sont fortement combustibles. Leur combustion fait appel à des processus complexes liés à la nature et à la composition du matériau, mais aussi à son environnement. Nous nous intéressons plus particulièrement dans cet article aux processus chimiques conduisant à la formation de gaz combustibles, mais aussi aux aspects physiques (écoulement, charbonnement) pouvant nettement modifier les caractéristiques de décomposition et de combustion du matériau.
2.1 Quelques éléments sur la combustion
La combustion recouvre l’ensemble des réactions chimiques qui se produisent au cours de l’oxydation complète ou partielle d’un combustible (tels que les composés hydrocarbonés et oxygénés) par un comburant (généralement l’air ou l’oxygène). Lors de ce processus des molécules complexes sont décomposées en molécules plus petites. Ce sont des réactions d’oxydoréduction globalement et généralement fortement exothermiques :
-
le corps oxydé, qui perd un ou plusieurs électrons, est le combustible ;
-
le corps réduit, qui gagne un ou plusieurs électrons, est le comburant.
En pratique, le combustible peut être un gaz, un liquide ou un solide dans lesquels se trouvent les éléments qui sont oxydés au cours de la réaction et, éventuellement, d’autres éléments ne participant pas directement à cette réaction. Ces derniers éléments se retrouvent dans les fumées et/ou les cendres qui contiennent respectivement les produits gazeux et des produits solides et parfois liquides de la combustion.
D’une manière générale, lors d’une combustion complète, le combustible réagit avec le comburant jusqu’à la formation des produits les plus oxydés ne pouvant plus réagir avec le comburant. Les composés hydrocarbonés forment alors du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau (H2O) selon l’équation de réaction :
Lorsque la quantité de comburant est insuffisante, la combustion devient incomplète...
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Combustion des polymères
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MERCIER (J.P.), MARECHAL (E.) - Chimie des Polymères : synthèses, réactions, dégradations. - Traité des Matériaux, 13, Presses Polytechniques et Universitaires Romanes (1996).
-
(2) - HALARY (J.L.), LAUPRETRE (F.) - De la macromolécule au matériau polymère. - Belin (2006).
-
(3) - FONTANILLE (M.), GNANOU (M.) - Chimie et physico-chimie des polymères. - Dunod 2e édition (2010).
-
(4) - LYON (R.), QUINTIERE (J.) - Criteria for piloted ignition of combustible solids. - Combust. flame, 151, p. 551-559 (2007).
-
(5) - LYON (R.E.), JANSSENS (M.L.) - Polymer flammability - (2005).
-
(6) - Groupe Lyonnais de Chimie Macromoléculaire - Les hauts polymères thermostables....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Groupe Rockwool
Site d’études de marché
Flame retardants-online
http://www.flameretardants-online.com
Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants
INRS Institut national de recherche et de sécurité pour la prévention des accidents du travail et des maladies professionnelles
Flame retardancy of polymers
HAUT DE PAGE
Congrès FRPM (Fire Retardancy and Protection of Materials) a lieu tous les deux ans en Europe.
Congrès MoDeSt (Modification, Degradation and Stabilization on Polymers) a lieu tous les deux ans en Europe.
[ http://www.modest-society.org/]
Congrès Eurofillers a lieu tous les deux ans en Europe.
Congrès BCC (Conference on Recent Advances in Flame Retardancy...
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