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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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 ;
-
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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Composés azotés
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1. Composés minéraux micrométriques
Afin de réduire l’inflammabilité du matériau polymère, on y ajoute souvent des charges inorganiques en raison de leur faible coût, de leur facilité d’emploi (ajout par voie additive) et de leur bonne résistance au feu, voire incombustibilité. On distingue les charges inertes et les charges actives à partir de leur mode d’action .
Les charges inertes diminuent l’inflammabilité et la quantité de fumées produites essentiellement par dilution de la fraction massique du polymère combustible dans le mélange. Néanmoins, pour être efficaces, les taux de charge de ces composés atteignent ou dépassent 50-60 %. Parallèlement, ces charges absorbent une partie de la chaleur permettant ainsi de diminuer la vitesse de combustion de la matrice polymère. Plus la capacité calorifique de la charge est supérieure à celle du polymère, plus l’effet puits de chaleur sera important. La silice, le carbonate de calcium et le noir de carbone sont des charges inertes opérant essentiellement par des mécanismes de dilution de la matière combustible et de puits de chaleur. Selon leurs caractéristiques morphologiques, certains composés permettent également de former à la surface du polymère une couche isolante à la fois vis-à-vis de la chaleur et des gaz combustibles résultant de la dégradation du polymère.
Les charges actives sont plus efficaces que les charges inertes. En plus d’agir par effet de dilution et de puits de chaleur, elles agissent en phase condensée par décomposition endothermique permettant d’absorber une partie importante de la chaleur de combustion, d’abaisser la température du polymère et donc, de ralentir sa décomposition. La décomposition thermique de ce type de charges génère également...
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Composés minéraux micrométriques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MOURITZ (A.P.), GIBSON (A.G.) - Fire properties of polymer composite materials. - Springer, ch.8, p. 237 (2006).
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(2) - HORNSBY (P.R.) - The application of magnesium hydroxide as a fire retardant and smoke-suppressing additive. - Fire Mater., 18, p. 269-276 (1994).
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(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).
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(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).
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(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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