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Essentiel : connaître l’environnement de service avant de formuler des produits plastiques ignifuges

Voici un article technique de notre collaborateur Dr. Prithu Mukhopadhyay.



Les polymères et plastiques sont intrinsèquement inflammables lorsqu'il y a suffisamment d'oxygène et de chaleur, plus particulièrement ceux à haute teneur en carbone. C'est pourquoi les dangers et risques d'incendie doivent être nécessairement pris en compte lors de la formulation chimique d’un article thermoplastique, thermodurcissable ou composite.


La compréhension du risque d’incendie est essentielle. C'est le potentiel des plastiques à s'enflammer ou à contribuer à la croissance du feu dans un environnement particulier. Les additifs qui retardent l’allumage ou possèdent la capacité de ralentir la croissance du feu lorsqu’un article est enflammé sont communément désignés retardateurs de flammes (RF).


La plupart des produits en plastique doivent être ignifuges pour se conformer aux réglementations. En effet, les produits en plastique remplacent les matériaux traditionnels souvent ininflammables dans la plupart des secteurs, notamment la médecine, l'habillement, les communications, l'énergie, les transports et la construction. Lorsque bien formulés dans les produits en plastique, les additifs RFs diminuent les risques d'incendie, réduisant ainsi les dommages matériels et les décès.


La sélection d'additifs RFs pour répondre aux normes et réglementations n'est pas tâche facile. Les propriétés mécaniques et/ou autres propriétés requises des polymères ou des articles peuvent être affectées en fonction du type de RF utilisé. En d'autres termes un RF parfait ou une combinaison synergétique d'additifs RFs pour un système polymère doit démontrer diverses qualités. D'une manière générale un système RF satisfaisant doit : 1) être ajouté en petites quantités; 2) être peu coûteux; 3) être facile à mélanger avec des polymères; et 4) ne pas présenter d'effet néfaste sur les conditions d’opération, la productivité ou encore corroder les surfaces métalliques des équipements de moulage ou d'extrusion. De plus, les travailleurs ne doivent pas être exposés à des vapeurs nocives et à des substances volatiles pendant la fabrication des pièces ou encore les consommateurs pendant l'utilisation des articles fabriqués.


La première utilisation commerciale des RFs a été pour les tentes de l'armée. Il s'agissait d’ajouter des hydrocarbures halogénés et de cires aux polymères pour retarder efficacement le feu. La recherche de nouveaux RFs s’est intensifiée au fur et à mesure que l'utilisation des plastiques s'est développée. Au début des années 1970, par exemple, le plastique ne représentait qu'une dizaine de kilos du poids des voitures. Dans les années 1990, ce chiffre est passé à environ 100 kilos. De même, la mousse de polyuréthane est de plus en plus utilisée dans les intérieurs automobiles, la literie, les meubles, les emballages, l'isolation, etc. L'utilisation de polymères a aussi considérablement augmenté dans toutes les composantes électriques et électroniques. De plus, les compagnies d’assurances ont fait pression sur les législateurs pour faire adopter des réglementations plus strictes relativement aux risques d’incendie, lesquelles varient en fonction de l'application spécifique de l’utilisation des articles en plastique. Conséquemment, la consommation de RFs a augmenté de façon importante.


Mais comment fonctionnent les additifs RFs? En réponse, ces additifs opèrent en phase condensée (c'est-à-dire en phase solide) ou en phase gazeuse. Dans la phase condensée, les additifs RFs éliminent l'énergie thermique ou forment une couche carbonisée qui agit alors telle une barrière contre le transfert de chaleur et de masse. C'est ce qu'on appelle un système intumescent. Un système intumescent typique comprend une source d'acide, un composé carbonisant et un composé dégageant un gaz. Également, les RFs peuvent agir comme revêtements isolants grâce à l’ajout de RFs en silicone, communément employés avec les polyoléfines. Aussi, le trihydrate d'alumine (THA) et l'hydroxyde de magnésium (HM) fonctionnent également dans la phase condensée. Cependant, ceux-ci ne forment pas de couche carbonisée ou d’une couche de revêtement. Ils agissent comme un dissipateur de chaleur tout en diluant le carburant, à savoir le plastique. À l'échelle mondiale, les hydroxydes inorganiques (THA et HM, ou HI) représentent plus de 50 % du marché total des ignifuges en raison de leur coût relatif inférieur, de leur faible toxicité et de leur moindre corrosivité. Avec les HI, un facteur important à prendre en compte est leur température de décomposition. Le THA se décompose à 2300C alors que le HM se décompose à 3400C, libérant ainsi de la vapeur d'eau pour refroidir la chaleur et agissant ainsi comme dissipateur thermique. Si une formulation de plastique nécessite une température de traitement plus élevée, le HM serait préféré au THA. La taille des particules des RF à base d’HI est un autre facteur à tenir compte parce que cela a également une incidence considérable dans le comportement du système combustible.


Un phénomène différent se produit en phase gazeuse. Les fragments de polymère réagissent avec l'oxygène dans une réaction en chaîne pour former des radicaux libres. Lorsque ces radicaux réagissent avec les halogènes ou le phosphore, des espèces moins énergétiques se forment, interrompant ainsi la réaction en chaîne. C’est également le cas lorsque des matériaux halogénés sont mélangés avec des oxydes métalliques, par exemple lorsque le PVC ou le PE chloré réagissent avec de l'oxyde d'antimoine, lequel piège et transforme l'acide dégagé par la dégradation des polymères chlorés en molécules plus stables. L’effet ignifuge est le résultat de la formation d'espèces renfermant de l'antimoine volatile telles que le trihalogénure d'antimoine et l'oxyhalogénure d'antimoine.


Pour augmenter l'ignifugation et répondre aux exigences (UL-94) des produits en plastique, d'autres facteurs doivent aussi être pris en compte. Ceux-ci incluent la présence d'autres additifs (y compris les plastifiants, les auxiliaires de traitement, les antioxydants) dans les formulations, le comportement d'écoulement et de viscosité de la recette et ses conditions d’opérations. L'utilisation de synergistes joue également un rôle essentiel.


Le développement d'une formulation nécessite du temps et implique des dépenses pour effectuer les tests pertinents pour l'application. Ces activités augmentent le coût des formulations du point de vue du fabricant. Par conséquent, les essais à petite échelle ou à échelle de laboratoire sont plus appropriés que ceux à grande échelle. Les tests d'indice d'oxygène limité (IOL) et UL-94 sont principalement effectués. L’IOL peut être utilisé pour classer et comparer différents matériaux en fonction de leur inflammabilité tandis que le test UL-94 classifie les articles selon leur réussite ou échec dans un environnement donné. Plus la OIL est élevée, meilleure est la résistance au feu pour une épaisseur donnée. Malheureusement, il n'existe aucune corrélation directe entre les méthodes OIL et UL-94.


Il est impératif de comprendre les exigences ignifuges dans l’environnement de service et la chimie des retardateurs de flammes pour formuler des recettes adaptées à l’application de façon la plus efficace. Il existe plusieurs additifs qui peuvent être utilisés seuls ou en combinaisons pour obtenir les effets ignifuges désirés. Les composés d’antimoine, halogénés et phosphorés sont communément employés. L’efficacité, le coût et les effets secondaires sur les propriétés physiques et chimiques des mélanges et des articles doivent être considérés y compris leur nocivité. Les tests d’indice d'oxygène limité (IOL) et UL-94 servent à caractériser le comportement de combustion. Ce secteur continue de croitre au fur et à mesure que le plastique remplace d’autres matériaux et que la science évolue.


Prithu Mukhopadhyay, Ph.D.

[Dr. Mukhopadhyay est rédacteur en chef du Journal of Vinyl and Additive Technology de la Society of Plastics Engineers (SPE) publiée par Wiley. Il œuvre dans le domaine des plastiques depuis plus de 35 ans. En tant qu'ancien scientifique principal chez IPEX, il a dirigé le développement de produits de tuyauterie hautement technologiques et a siégé sur plusieurs comités d'élaboration de normes, notamment ceux de l’ASTM, la CSA, UL et NSF International. Le Dr Mukhopadhyay est passionné par les nouvelles technologies des plastiques et a présidé le comité des nouvelles technologies de la Society of Plastics Engineers.]


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