Résines/additifs ignifuges - A345

Résines/additifs ignifuges
Type de document	Article
Identificateur de document	345
Classe pertinente	Matériau
Tags	Matrice Matériau Exlcusion
Pré-requis :	Structure matérielle Structure polymère (matrice) Polymères thermoplastiques Polymères thermodurcissables Matériau

Aperçu

Ce document offre un aperçu des différents types de résines ignifuges et des mécanismes permettant de prévenir ou de ralentir la combustion, la propagation des flammes, l'augmentation de la température, la génération de fumée et l'émission de vapeurs toxiques. De plus, les avantages et les inconvénients sont discutés, accompagnés d'exemples concrets de produits nécessitant différents niveaux de propriétés ignifuges.

Présentation

As pierre composite Les structures deviennent de plus en plus répandues dans les secteurs de l'automobile, des transports terrestres, de l'aérospatiale et d'autres industries commerciales, il est impératif que des méthodologies de protection incendie appropriées soient développées pour ces matériaux. Les produits ignifuges sont l’une des principales méthodes utilisées pour réduire le risque d’incendie lié aux matériaux composites. Ils peuvent être pré-mélangés avec le résine ou un gelcoat, ou appliqué comme revêtement pendant la post-production. Généralement, les normes d'essai utilisées pour évaluer les matériaux ignifuges mesurent des paramètres critiques tels que la durée de combustion, l'augmentation de la température, la densité et la toxicité de la fumée. Différents produits ignifuges ont leurs propres avantages et inconvénients en ce qui concerne ces paramètres d'essai au feu. Leur effet sur les propriétés mécaniques finales de la pièce et sur le procédé de fabrication doit également être pris en compte. Dans toutes les applications, il est important de comprendre les exigences réglementaires et les objectifs du système de protection incendie afin de sélectionner les produits ignifuges appropriés.

Il convient également de noter que le domaine du retardateur de flamme est en constante évolution en termes de produits disponibles/autorisés, de réglementations relatives à l'utilisation des retardateurs de flamme, de contre quoi ils doivent protéger et de la manière dont ils doivent être traités à la fin de leur durée de vie.

Application

Dans cette section, nous explorons les mécanismes permettant d'améliorer la sécurité incendie dans les matériaux composites. Il commence par un examen des additifs pour résines, décrivant trois modes distincts d'action ignifugeante dans les polymères : les ignifugeants en phase gazeuse, endothermiques et à charge minérale. Nous discutons ensuite de l’application des résines phénoliques qui, bien que moins courantes dans l’industrie du transport terrestre, offrent des propriétés remarquables de résistance au feu. Enfin, la section explore le domaine émergent des nanocomposites polymères.

Additifs pour résine

Trois modes généraux d’action ignifuge sont utilisés dans les polymères. Le premier concerne les retardateurs de flamme en phase gazeuse, qui réduisent la chaleur dégagée dans la phase gazeuse en éliminant les radicaux libres réactifs qui entraînent une combustion incomplète. Ce type de retardateur de flamme peut inclure des matières organiques halogénées et des matériaux organophosphorés. Le second concerne les ignifugeants endothermiques, qui fonctionnent dans les phases gazeuse et condensée en libérant des gaz ininflammables, tels que l'eau et le dioxyde de carbone, qui diluent le carburant et refroidissent le polymère. Des exemples de cette classe de retardateurs de flamme comprennent l'hydroxyde d'aluminium, l'hydroxyde de magnésium et certains carbonates minéraux. Les ignifugeants halogénés et phosphorés sont utilisés efficacement depuis longtemps dans l’industrie. Cependant, ces types de retardateurs de flamme génèrent de la fumée et du monoxyde de carbone supplémentaires lors de la combustion. Leur utilisation est également à l'étude en raison de leurs effets environnementaux négatifs potentiels.

Les ignifugeants minéraux, tels que l'hydroxyde d'aluminium, l'hydroxyde de magnésium et le carbonate de calcium, sont efficaces pour réduire le taux de dégagement de chaleur et le dégagement de fumée. Cependant, ils ne sont pas aussi efficaces que les autres ignifuges en termes de poids. La nécessité d’utiliser de grandes quantités de ces types de produits ignifuges peut réduire les propriétés mécaniques de la pièce finale. De plus, des quantités élevées de charges peuvent augmenter la viscosité de la résine. Cela peut entraîner des problèmes de traitement pour les processus de moulage de composites liquides comme RTM et perfusion sous vide.

phénolique

La résine phénolique est le système de résine le moins couramment utilisé dans l’industrie du transport terrestre. La difficulté de transformation, conduisant à des propriétés mécaniques inférieures, est un facteur limitant leur utilisation généralisée. La réaction de durcissement des résines phénoliques libère de la vapeur d'eau et entraîne une augmentation du taux de vides. Cependant, leur résistance élevée à la chaleur et leurs faibles propriétés de fumée et de toxicité pendant la combustion les ont rendus précieux pour les applications où les températures élevées et la résistance au feu sont une préoccupation. . Contrairement à d'autres systèmes de résine, qui peuvent produire de grandes quantités de fumée et de gaz toxiques lors de la combustion, les résines phénoliques produisent jusqu'à 50 % de charbon en volume et très peu de fumée ou de gaz toxiques. Ceci est particulièrement important dans les applications de transports en commun souterrains, où les exigences en matière d'incendie, de fumée et de toxicité sont critiques. . Des exemples d'utilisation de composés phénoliques dans l'industrie du transport terrestre sont les pare-feu des moteurs et la fabrication de systèmes de revêtement de sol en fibre de verre et phénoliques pour les bus et les trains. Les produits phénoliques sont également couramment utilisés dans les applications intérieures des avions en raison de leurs performances FST (feu, fumée, toxicité), mais comme ils sont plus difficiles à traiter et ont tendance à avoir de mauvaises propriétés mécaniques, il existe une tendance à utiliser de nouveaux systèmes époxy ignifuges lorsque cela est possible. .

Nanocomposites polymères

Il s’agit d’un ajout relativement récent aux ignifugeants pour les résines et se compose de polymères remplis de particules nanométriques finement dispersées. Cela produit un retardateur de flamme en phase condensée qui ralentit le taux de perte de masse de la résine grâce au développement d'une barrière de protection incendie riche en nanoparticules. Cela réduit le taux de dégagement de chaleur maximal et la fusion/goutte pendant le feu. Cependant, cela ne diminue pas le dégagement de chaleur total du carburant. L’utilisation de nanocomposites polymères ne suffit pas pour réussir les tests réglementaires, bien qu’ils contribuent à retarder la croissance des flammes. Les nanoargiles sont largement utilisées comme inhibiteurs de flamme dans les applications commerciales, mais leur utilité est limitée par leur compatibilité avec des polymères spécifiques et par le défi d'obtenir un mélange ou une exfoliation complète au sein du polymère. matrice. Les nanotubes de carbone ne sont pas limités aux résines dans lesquelles ils peuvent être utilisés, mais ils sont plus chers et potentiellement dangereux pour la santé humaine et environnementale. Il convient de noter que les options impliquant des additifs peuvent influencer le traitement des matériaux, et des inquiétudes peuvent survenir quant aux renforts en fibres qui filtrent ces additifs hors de la résine, en particulier lors des processus de moulage de composites liquides.

Pratique (études de cas/exemples)

Des exemples de produits de consommation qui nécessitent une résistance élevée au feu sont les ustensiles de cuisine, les cendriers et les composants électroniques. Les autres domaines dans lesquels les résines ignifuges sont généralement utilisées sont les transports, le revêtement des bâtiments, les panneaux intérieurs des bâtiments, la toiture et les équipements exposés à des températures élevées.

Tests d'incendie pour les transports en commun

L'évaluation de l'inflammabilité des composites joue un rôle essentiel dans l'approbation des matériaux, notamment dans le contexte des applications de transport en commun. Afin d'obtenir l'approbation des autorités de transport en commun, les composants des autobus doivent satisfaire aux spécifications énoncées dans Dossier 90-A de la Federal Transit Administration – Pratiques de sécurité incendie recommandées pour la sélection des matériaux des autobus et des fourgonnettes de transport en commun. Le dossier 90-A précise que les panneaux doivent atteindre une autonomie de 15 minutes selon ASTM E119 – Méthodes d'essai standard pour les essais d'incendie dans la construction de bâtiments. ASTM E119 consiste en un échantillon d’essai exposé à une température constante spécifiée pendant une période de temps spécifiée. Il permet de comparer différents matériaux dans les mêmes conditions d'incendie, en mesurant la transmission de chaleur et de gaz chauds à travers l'éprouvette. Il existe également des dispositions pour mesurer la capacité de charge pendant l'exposition à la chaleur. Le test n'évalue pas le risque d'incendie dû à la fumée, aux gaz toxiques ou à d'autres produits de combustion, ni à la flamme propagée sur la surface.

En raison du coût relativement élevé de la norme ASTM E119, il est possible de filtrer les composants en utilisant des méthodes de test moins coûteuses avant de procéder au test final ASTM E119. ASTM E162 fournit une méthode pour comparer l'inflammabilité de la surface des échantillons lorsqu'ils sont exposés à un niveau constant d'énergie thermique rayonnante. Ce test est moins coûteux, en partie parce qu’il peut être réalisé à l’échelle du laboratoire, en utilisant de petits échantillons. Cela fournit une mesure de la vitesse de propagation de la flamme pour un matériau/assemblage représentatif. Comme ASTM E119, aucune conclusion ne peut être tirée concernant la fumée, la toxicité et autres risques d'incendie.

Essais au feu pour les avions

Pour les aéronefs, titre 14 du Code of Federal Règlements (14 CFR) Partie 23, article 853 et Partie 25, article 853 aborde divers aspects liés à la protection incendie. Ces réglementations concernent les caractéristiques d'inflammabilité des matériaux utilisés respectivement dans les compartiments passagers et équipage des avions normaux et en transit. Règlement de l'aviation canadien [VOITURE 525.853] décrit des normes et exigences similaires pour les matériaux utilisés dans les intérieurs d'avions afin de minimiser les risque d'incendie et assurer la sécurité des passagers et de l'équipage. Ils établissent des normes pour les matériaux utilisés dans les composants intérieurs tels que les coussins de siège, les tissus d'ameublement, les tapis, les coffres à bagages et d'autres composants afin de garantir qu'ils répondent à des tests d'inflammabilité spécifiques, minimisant ainsi leur contribution à la propagation ou à l'intensité du feu. Les normes décrivent les procédures d'essai et les critères d'évaluation de l'inflammabilité des matériaux. Les matériaux utilisés dans les intérieurs des avions doivent être approuvés par la Federal Aviation Administration (FAA) et l'approbation implique généralement la soumission de rapports d'essai démontrant la conformité aux exigences d'inflammabilité.

Les circulaires consultatives (AC) publiées par la Federal Aviation Administration (FAA) et les lignes directrices similaires émises par Transports Canada ou toute autre autorité de réglementation compétente fournissent des conseils et des informations sur divers aspects des réglementations, procédures et pratiques de l'aviation. AC23-2A fournit des conseils sur les procédures de test d'inflammabilité et les exigences relatives aux matériaux utilisés dans la construction aéronautique, en se concentrant particulièrement sur les composants intérieurs. L'AC détaille les procédures et les méthodes d'essai pour évaluer les caractéristiques d'inflammabilité des matériaux utilisés dans les intérieurs d'avions. Cela peut inclure des tests tels que le test de flamme verticale, le test d'émission de fumée et le test de dégagement de chaleur. Il fournit également des conseils sur la manière dont les matériaux sont classés en fonction de leurs caractéristiques d'inflammabilité et sur l'impact de la classification des matériaux sur leur utilisation dans différentes zones de l'intérieur des avions. L'AC spécifie la documentation et les données requises pour démontrer la conformité aux exigences en matière de tests d'inflammabilité. Cela comprend les rapports de test, les spécifications des matériaux et toute autre documentation pertinente.

Le Manuel d'essai d'incendie de la FAA est une autre ressource sur les procédures standardisées pour effectuer des essais au feu sur les matériaux utilisés dans la construction aéronautique. Les aspects des tests tels que l'équipement et l'instrumentation de test, la préparation des échantillons, l'analyse des données et les exigences en matière de documentation sont abordés dans ce manuel.

Conclusion et informations complémentaires

Il existe une variété d’options pour les polymères ignifuges, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients. Avec l'utilisation croissante de polymères et de composites, et à mesure que les préoccupations en matière de protection de l'environnement et de santé humaine deviennent plus importantes, une sélection rigoureuse des produits ignifuges est nécessaire pour équilibrer les besoins réglementaires, les coûts et les performances à long terme du produit sur le marché. Plusieurs méthodes d'essai sont disponibles pour déterminer le degré d'ignifugation d'une résine, et le choix de la méthode d'essai doit être basé sur les besoins réglementaires, l'application finale et le coût des essais.

Références

À propos	Aide

Matériaux d'ingénierie (conçus pour avoir des propriétés spécifiques) fabriqués à partir de deux ou plusieurs matériaux constitutifs ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes. Les constituants restent séparés et distincts au niveau macroscopique au sein de la structure finie.

Pour les composites à matrice polymère (PMC), la résine fait référence à la matrice ; la phase matérielle continue qui lie le renfort ensemble, maintient la forme et transfère la charge. Les résines sont divisées en deux groupes principaux : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

Dans le traitement des composites, la viscosité est un indicateur de la facilité avec laquelle la matrice de résine se mélangera avec le renfort et de la façon dont elle restera en place pendant le traitement. Plus la viscosité est faible, plus la résine s'écoule facilement. La viscosité de la résine varie considérablement selon les chimies et les formulations.

Par définition scientifique, la viscosité est une mesure de la résistance d'un matériau à la déformation. Pour les liquides, c'est en réponse à des contraintes de cisaillement imposées.

Le moulage par transfert de résine (RTM) consiste à charger une préforme dans un outil assorti en deux pièces (ou plus), à le fermer et à injecter de la résine sous pression (~ 15-100 psi, ou ~ 1-7 bar).

Bien adapté aux pièces de petite à moyenne taille, limité aux grandes tailles en raison des charges de pression d'injection et du coût de l'outil.

La phase continue du matériau qui lie le renfort ensemble, maintient sa forme, transfère la charge, protège le renfort de l'environnement et des dommages, et fournit le support composite en compression.

Caractéristiques souhaitables :

• Résistance à l'humidité/aux produits chimiques
• Faible densité
• Processabilité

En ce qui concerne la fabrication, le risque est la combinaison de la probabilité et des conséquences de résultats de fabrication indésirables. Le risque de fabrication peut entraîner des problèmes techniques, des retards de programme/calendrier et des dépassements de coûts.