Introduction
Les retardateurs de flamme (RF) sont utilisés depuis des décennies pour réduire, voire éliminer, les risques d'incendie dans les composants en plastique destinés à des applications telles que l'électronique ou l'automobile. Au début, les retardateurs de flamme halogénés étaient la norme, mais de plus en plus d'options non halogénées sont apparues sur le marché. Cette évolution est en partie due aux risques supplémentaires liés à l'inhalation de fumées toxiques lors de la combustion des matériaux ignifuges halogénés, mais aussi à l'évolution de la réglementation et des préférences des consommateurs en matière de développement durable. L'initiative la plus importante à l'heure actuelle est le Green Deal de l'UE, qui créera de nombreuses opportunités et, potentiellement, des obligations de transition vers des matériaux ignifuges sans halogène. Cela sera encore plus probable lorsque la révision anticipée de la directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances) aura lieu.
Il existe une variété de solutions différentes et de nombreux polymères FR disponibles sur le marché. L'un d'entre eux est le graphite expansible, que la plupart associent uniquement à une conductivité thermique et électrique accrue. Cependant, ses propriétés uniques peuvent également être utilisées pour améliorer la sécurité incendie. Pour ce faire, large paillettes de graphite naturel sont traitées avec des acides et des agents oxydants. En raison des liaisons relativement faibles (forces de Van der Waals) entre les couches par rapport à celles à l'intérieur d'une couche, la distance qui en résulte entre les couches permet aux sels expansibles de former une couche intermédiaire - un processus appelé intercalation. Sous l'effet de la chaleur, ces sels se dilatent et séparent les différentes couches de graphite, ce qui entraîne une augmentation considérable du volume. Le graphite expansible combine ainsi deux modes de sécurité incendie. D'une part, l'inflammabilité du composant est réduite et, d'autre part, le graphite expansible forme une couche intumescente protectrice en cas d'incendie. Ils appartiennent donc à la classe des produits ignifuges formant une barrière.
Selon le type de polymère, l'expansion du volume se produit à des températures différentes, ce qui limite le groupe de polymères pour lesquels il peut être utilisé. Les polyéthylènes (PE), utilisés pour le gainage des fils et des câbles, sont l'un des polymères typiques dans lesquels les matériaux composites sont mélangés. Dans cette application d'extrusion, la viscosité de la matière fondue doit être bien contrôlée pour obtenir des épaisseurs homogènes.
* Les revêtements intumescents gonflent lorsqu'ils sont exposés à la chaleur et forment une mousse isolante qui protège le substrat. Par des réactions endothermiques, un effet de refroidissement peut en outre être obtenu.
Par conséquent, la quantité de retardateur de flamme est cruciale, car elle affecte non seulement les niveaux d'inflammabilité réalisables, mais aussi l'aptitude à la transformation.
Pour mettre en évidence l'effet de différentes quantités de graphite expansible en tant que retardateur de flamme sur le comportement au feu du PE, des échantillons des différents composés ont été moulés par injection dans des plaques de 100 x 100 x 4 mm3 et testés dans le TCC 918 (voir figure 1). L'instrument permet de déterminer le dégagement de chaleur, la perte de masse ainsi que la densité et la composition du gaz de fumée.
Comment la mesure est-elle effectuée ?
Avant de commencer les essais, le système d'analyse des gaz (Siemens Oxymat/Ultramat) a été étalonné avec des gaz d'étalonnage et le facteur C a été vérifié en utilisant le brûleur à méthane avec un dégagement de chaleur défini. L'analyseur de gaz utilisé était équipé d'une option O2 et d'une optionCO2. Après le chauffage du cône, l'obturateur a été fermé et le porte-échantillon horizontal avec l'échantillon a été monté sur la plaque de base. Ensuite, le système a automatiquement retiré l'obturateur pour le début de la mesure. Les gaz évaporés ont été allumés par le système d'allumage automatique. Les conditions de mesure sont résumées dans le tableau 1.
Quel est le lien entre le dégagement de chaleur, la densité des fumées et la perte de masse ?
Le premier effet observé est le dégagement de chaleur (voir figure 2). Alors que le dégagement de chaleur commence entre 2 et 3 minutes après le début du test pour tous les échantillons, on peut voir que pour le PE sans retardateur de flamme (ligne bleue), le dégagement de chaleur augmente et atteint un maximum aux alentours de 5 minutes. En comparaison, les deux échantillons avec graphite expansible présentent un dégagement de chaleur beaucoup plus faible et l'effet est encore plus fort avec une quantité plus élevée de graphite expansible (ligne verte). Cela met en évidence les propriétés de barrière du graphite une fois que la couche intumescente s'est formée.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Codeur d'échantillons | Horizontal | |
| Flux de chaleur | 50 kW/m² | |
| Débit nominal du conduit | 24.0 l/s | |
Une autre analyse importante est le développement de la fumée au cours d'un incendie. Ce phénomène est mesuré par la détection d'un changement de transmission, la diminution de la transmission étant corrélée à l'augmentation de la densité de la fumée. La figure 3 compare les mesures des trois échantillons. Dans tous les cas, la transmission commence à diminuer après environ 2 minutes de test. On peut constater que dans le cas du PE pur, la transmission chute d'environ 30 %. Dans les deux échantillons avec FR, la baisse est nettement moins importante ; la perte de transmission n'est que de 20 % avec 10 % en poids de graphite expansible et de 10 % avec la quantité plus élevée de 20 % en poids de graphite expansible.
La combustion de l'échantillon et le dégagement de chaleur qui en résulte s'accompagnent d'une réduction du poids des échantillons. Les résultats mesurés - voir figure 4 - sont également en bon accord avec le dégagement de chaleur et la transmission mesurés. La perte de masse la plus élevée est observée pour l'échantillon de PE pur, suivi de l'échantillon contenant 10 % en poids de graphite expansible. La perte de masse la plus faible est mesurée pour l'échantillon contenant la plus grande quantité de FR : 20 % en poids de graphite expansible.
Alors que le début de la perte de masse peut être détecté après environ deux minutes, le changement de poids devient d'abord très évident lorsque la baisse significative de la transmission et l'augmentation du transfert de chaleur sont observées.
Quels sont les autres effets des retardateurs de flamme ?
Alors que les quantités plus élevées de FR ont un effet décroissant sur le dégagement de chaleur, la perte de masse et l'augmentation de la propriété de transmission, le changement de viscosité doit être étudié et son effet sur le comportement de transformation évalué. Comme la plupart des additifs (à l'exception des améliorateurs d'écoulement), les RF augmentent la viscosité de la matière fondue dans une large gamme de taux de cisaillement (voir figure 5). Ce phénomène ne peut être compensé que dans une certaine mesure par l'augmentation de la température d'extrusion. L'effet d'une quantité donnée de FR peut être étudié dans un rhéomètre capillaire en fonction du taux de cisaillement.
Conclusion
La comparaison visuelle des différents échantillons après le test montre que le PE non traité présente beaucoup plus de fissures et de trous, ce qui constitue une voie de diffusion de l'oxygène. On constate également que le transfert de chaleur et de masse est limité, même si le graphite expansible continue d'augmenter. On peut donc conclure que l'ignifugation du graphite expansible résulte davantage d'une action physique que d'une action chimique.
L'étude montre que le graphite expansible est un retardateur de flamme approprié pour le PE et que, dans la gamme des niveaux de teneur en FR étudiés ici, il est possible d'accroître l'effet en utilisant des quantités plus élevées de FR.