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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 ;
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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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Composés biosourcés : solution en devenir ?
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4. Intumescence et synergie
4.1 Les systèmes intumescents
Parmi la grande variété de retardateurs de flamme exempts d’halogène, les systèmes intumescents représente une méthode de protection au feu très intéressante. Ce concept apparu dans les années 1970 était, à la base, utilisé dans des revêtements de type peintures mais a été très vite appliqué aux polymères.
Une formulation intumescente est définie comme telle lorsque, chauffée au-delà d’une température critique, elle commence à gonfler et à charbonner, donnant lieu – à la surface du matériau – à la formation d’une couche charbonnée expansée alvéolaire de faible conductivité thermique. Cette couche alvéolaire protège le matériau du flux de chaleur externe. Elle empêche également la diffusion de l’oxygène provenant de l’air vers le polymère et le transport des gaz combustibles vers la flamme. Enfin elle réduit ou supprime l’éventuelle chute de gouttes due à la dégradation du polymère, éliminant ainsi une source de propagation supplémentaire de la flamme.
Les retardateurs de flamme intumescents (IFR) associent en général trois composés :
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une source d’acide ou de précurseur d’acide (par exemple APP) qui déclenche la déshydratation de l’agent carboné ;
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une source de carbone susceptible de charbonner comme des sucres ou des polymères charbonnants (PA6, PC…) ;
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un agent gonflant (urée, mélamine…), qui sous l’effet de la chaleur, génère des gaz non combustibles (par exemple NH3, H2O…) et permet l’expansion du système.
Les propriétés isolantes du revêtement intumescent dépendent de plusieurs facteurs . En effet, l’environnement extérieur et la pression interne exercée par les produits de décomposition peuvent conduire à la formation de fissures et à leur propagation dans la structure intumescente, diminuant...
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Intumescence et synergie
BIBLIOGRAPHIE
-
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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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(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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