Additifs, tests en laboratoire, différences et utilisations commerciales et industrielles des polymères ignifuges (auto-extinguibles)

par Marco Arezio

Les plastiques ignifuges (résistants au feu ou auto-extinguibles) sont des matériaux polymères modifiés pour résister à l'inflammation et ralentir la propagation des flammes.

Cette propriété est particulièrement importante dans de nombreux domaines d'application, tels que l'électronique, la construction et les transports, où la résistance au feu est cruciale pour la sécurité.

L’ajout d’ additifs ignifuges est la méthode la plus courante pour conférer aux plastiques des propriétés ignifuges.

Types d'additifs ignifuges

Les additifs ignifuges sont classés en différentes catégories, en fonction de leur composition chimique et de leur mécanisme d'action :

Additifs halogènes : Il s'agit notamment de composés à base de brome et de chlore. Ils fonctionnent en libérant des halogènes qui interfèrent avec la réaction de combustion en phase gazeuse.

Additifs de phosphore : fonctionnent principalement en phase solide, favorisant la carbonisation et réduisant la quantité de matière inflammable vaporisée.

Hydroxydes métalliques : Comme l'hydroxyde d'aluminium et de magnésium, ces additifs libèrent de l'eau lorsqu'ils chauffent, ce qui permet de refroidir le matériau et de diluer les gaz combustibles.

Additifs intumescents : Formez une mousse de carbone protectrice sur la surface du matériau lorsqu'il est exposé à la chaleur, isolant le matériau sous-jacent de la source de chaleur.

Fonctionnement de l'inhibition de la flamme

L'inhibition de la flamme dans les plastiques agit par différents mécanismes, selon le type d'additif utilisé :

Dilution des gaz combustibles : Certains additifs libèrent des gaz inertes qui diluent les gaz combustibles dans la zone de la flamme, réduisant ainsi la combustion.

Barrière Physique : Les additifs intumescents forment une barrière de carbone qui isole thermiquement le matériau et empêche l'accès à l'oxygène.

Refroidissement : L'eau libérée par les hydroxydes métalliques absorbe la chaleur, abaissant la température de combustion.

Interférence chimique : Les halogènes et autres composés peuvent interférer avec les réactions radicalaires dans la zone de combustion, ralentissant la réaction.

Tests en laboratoire pour cataloguer les plastiques ininflammables

Voyons quels sont les principaux tests pour cataloguer le degré d'inflammabilité et comment ils sont effectués :

Testé UL 94

Le test UL 94, administré par Underwriters Laboratories (UL), est l'une des méthodes les plus reconnues et les plus utilisées pour évaluer les propriétés d'inflammabilité des matériaux polymères utilisés dans les appareils électriques et électroniques.

Ce test classe les matériaux en fonction de leur capacité à éteindre les flammes après avoir été enflammés dans des conditions contrôlées.

Le test est effectué en appliquant une flamme sur un échantillon du matériau pendant une période spécifiée et en observant le comportement du matériau en termes de temps de combustion après retrait de la flamme, d'égouttement du matériau inflammable et de durée de combustion.

Sur la base des résultats, les matériaux sont classés en différentes catégories, telles que V-0, V-1, V-2, HB, 5VB et 5VA :

V-0, V-1, V-2 : Indiquent que le matériau s'éteint automatiquement dans un certain temps après l'inflammation. La distinction entre les classes dépend du temps d'auto-extinction et de la présence de gouttes de particules enflammées.

HB : La classification la plus basse indique une vitesse de combustion horizontale dans une certaine plage.

5VB et 5VA : Ce sont des tests plus sévères qui évaluent la résistance à l'inflammation lorsque l'échantillon est soumis à une charge thermique élevée. 5VA représente une résistance maximale aux flammes sans gouttes de matériau, tandis que

5VB : Permet quelques dripping.

Test limite d’oxygène (LOI)

Le test limite d'oxygène (LOI) mesure le pourcentage minimum d'oxygène dans l'atmosphère nécessaire pour soutenir la combustion d'un matériau polymère.

Elle est réalisée dans un appareil spécial où l'échantillon est placé dans une colonne de verre et exposé à un mélange contrôlé d'azote et d'oxygène, augmentant progressivement la concentration en oxygène jusqu'à ce que le matériau continue à brûler pendant un temps prédéterminé après l'allumage.

La valeur LOI est une mesure directe de l'inflammabilité du matériau : plus la valeur LOI est élevée, plus l'inflammabilité du matériau est faible.

Les matériaux avec des valeurs LOI supérieures à 21 % (le pourcentage d'oxygène dans l'air) sont considérés comme plus résistants au feu. Ce test est particulièrement utile pour comparer la résistance au feu de différents matériaux sous une seule métrique standardisée.

Test d'inflammabilité calorimétrique à cône

Les tests d'inflammabilité par calorimétrie à cône sont une méthode avancée qui fournit des données détaillées sur la réponse d'un matériau à l'exposition à la chaleur.

Au cours du test, un échantillon du matériau est exposé à un flux radiant croissant en présence d'une source d'inflammation, simulant les effets d'un incendie précoce.

Le calorimètre à cône mesure le taux de dégagement de chaleur, la production de fumée et la perte de masse de l'échantillon au fil du temps, fournissant ainsi un profil complet de sa réactivité au feu.

Ces données aident à comprendre comment le matériau contribuera à la croissance et à la propagation du feu, permettant ainsi aux ingénieurs de concevoir des matériaux et des produits offrant des performances améliorées en matière de sécurité incendie.

Ce test est particulièrement utile pour évaluer les matériaux destinés à l'ingénierie de la construction et des transports.

Faire d'un ignifuge un polymère recyclé

Le processus de fabrication d'un ignifugeant polymère recyclé, qu'il soit post-consommation ou post-industriel, nécessite une attention particulière dans la sélection des additifs compatibles avec le type de polymère et dans le maintien des propriétés mécaniques du matériau recyclé. Le processus comprend :

Analyse matière : Identification de la composition du polymère recyclé pour choisir les additifs les plus adaptés.

Incorporation d'additifs : Les additifs peuvent être mélangés mécaniquement au polymère pendant le processus d'extrusion ou peuvent être appliqués comme revêtements de surface.

Maintien des caractéristiques après recyclage mécanique

Le recyclage mécanique peut affecter les propriétés ignifuges des polymères en raison de la dégradation thermique ou mécanique du polymère et des additifs au cours du processus de recyclage.

La stabilité des propriétés ignifuges d’un polymère recyclé dépend :

- La stabilité thermique des additifs ignifuges.

- La compatibilité des additifs avec le procédé de recyclage.

- La capacité à redistribuer uniformément les additifs dans le polymère lors du recyclage.

Pour conserver les caractéristiques ignifuges, il peut être nécessaire d’ajouter des additifs ou des stabilisants supplémentaires pendant le processus de recyclage.

L'évaluation des propriétés du matériau recyclé par le biais de tests en laboratoire est cruciale pour garantir que le matériau recyclé répond aux exigences de sécurité et de performance.

Utilisation de polymères auto-extinguibles pour la production d'articles à usage industriel et civil

Les polymères ignifuges sont utilisés dans un large éventail d'applications, notamment dans la construction , où la résistance au feu est cruciale pour la sécurité des bâtiments.

Ces matériaux sont conçus pour réduire la vitesse de combustion, limiter la propagation des flammes et contribuer à prévenir les incendies.

Dans la construction, les polymères ignifuges trouvent des applications dans de nombreux produits, notamment l'isolation thermique, les revêtements, les câbles électriques et les composants structurels.

Polymères ignifuges utilisés dans la construction

Polystyrène Expansé (EPS) et Polystyrène Extrudé (XPS) : Ils sont largement utilisés comme isolants thermiques pour les revêtements extérieurs et pour l'isolation des sols, des toitures et des murs. Ils peuvent être traités avec des additifs ignifuges pour réduire l'inflammabilité.

Polyéthylène expansé (EPE) : Utilisé pour l'isolation thermique et l'amortissement des chocs, l'EPE peut être modifié pour améliorer la résistance au feu, ce qui le rend adapté aux applications de construction.

Polymères intumescents : Ces matériaux se dilatent lorsqu'ils sont exposés à la chaleur, formant une barrière de carbone qui protège le matériau sous-jacent des flammes. Ils sont utilisés dans les peintures, les mastics et les revêtements de câbles électriques.

Chlorure de polyvinyle (PVC) ignifuge : Le PVC est utilisé dans diverses applications de construction, notamment les revêtements de câbles et de tuyaux. Le PVC peut être rendu ignifuge grâce à l’ajout d’additifs spécifiques.

Polymères phénoliques : Ces matériaux sont connus pour leurs excellentes propriétés de résistance au feu et sont utilisés dans les mousses isolantes et les composites.

Applications des articles auto-extinguibles dans la construction

Isolation thermique : Les matériaux isolants ignifuges sont essentiels pour empêcher la propagation du feu à travers les cavités murales et autres espaces isolés des bâtiments.

Revêtements et peintures : assurent une protection passive contre l'incendie des structures, des poutres et des colonnes, contribuant ainsi à maintenir l'intégrité structurelle en cas d'incendie.

Câbles et canalisations électriques : L'utilisation de matériaux ignifuges dans ces composants réduit les risques d'incendies électriques et limite la propagation du feu.

Différences dans la résistance au feu des isolants pour revêtements thermiques

La résistance au feu des isolants thermiques peut varier considérablement en fonction du matériau, de la densité et de la présence d'additifs ignifuges. Voici quelques différences clés :

Résistance thermique : Certains isolants, comme ceux à base de fibres minérales (laine de roche, laine de verre), offrent de meilleures performances de résistance au feu que les isolants organiques (EPS, XPS) en raison de leur caractère incombustible.

Émission de fumées et de gaz toxiques : Les matières organiques ont tendance à produire des fumées denses et des gaz toxiques lorsqu'elles sont brûlées, tandis que les matières inorganiques sont plus performantes dans cet aspect.

Classement de réaction au feu : Les matériaux isolants sont classés selon les normes européennes (par exemple, Euroclasses A1, A2, B, C, etc.) qui indiquent leur réactivité au feu. Les matériaux classés A1 sont incombustibles, tandis que ceux des classes B, C, etc. ont des niveaux d'inflammabilité croissants.

Application et épaisseur : La résistance au feu d'un isolant peut également dépendre de l'application spécifique et de l'épaisseur du matériau.

Plus l'épaisseur est grande, meilleure est la résistance au feu, mais cela dépend aussi de la composition du matériau et de la présence d'additifs ignifuges.

Par exemple, un isolant plus épais peut offrir une durée de résistance au feu plus longue, car il met plus de temps à être complètement compromis par les flammes.

Cependant, ce n'est pas seulement l'épaisseur qui détermine l'efficacité ; la qualité du matériau et sa capacité à résister à la propagation du feu sont également cruciales.

Dans les matériaux isolants, les additifs ignifuges peuvent agir en synergie avec l’épaisseur pour améliorer la résistance au feu.

Les matériaux de densité plus élevée ou traités avec des additifs chimiques spécifiques peuvent présenter des performances supérieures même avec des épaisseurs plus faibles.

Par conséquent, choisir le bon matériau d’isolation pour une application spécifique nécessite un examen attentif non seulement des propriétés physiques telles que l’épaisseur, mais également de la composition chimique et de la capacité à résister au feu.

Dans le secteur de la construction, la législation en vigueur précise souvent des exigences minimales en matière de résistance au feu des isolants, en tenant compte à la fois de l'épaisseur et de la composition du matériau.

Ces normes garantissent que les matériaux utilisés dans les bâtiments offrent un niveau de protection adéquat en cas d'incendie, contribuant ainsi à la sécurité des occupants et à la préservation de la structure elle-même.