• Langue : Anglais
• Discipline : Chimie des matériaux
• Identifiant : 2020LILUR017
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 22/10/2020

Résumé en langue originale

L’utilisation intensive de matériaux polymères, hautement inflammables, nécessite le développement de solutions efficaces afin de protéger les hommes et les infrastructures des incendies. Les revêtements fins notamment permettent de réguler les transferts de masse et de chaleur à l’origine du processus de combustion, directement à l’interface entre le matériau et la flamme. En outre, la concentration des retardateurs de flamme à la surface du matériau limite l’utilisation de matière, avec un impact minimum sur les propriétés fonctionnelles du substrat. Le but de cette thèse est de concevoir des revêtements fins innovants, adaptés à plusieurs types de substrats, grâce à une compréhension approfondie du mécanisme de protection de systèmes connus pour être efficaces. Les revêtements en « couche par couche » sont vus comme une solution particulièrement efficace pour diminuer l’inflammabilité des polymères, et sont particulièrement adaptés aux matériaux poreux. Malgré de nombreuses études, leur mécanisme d’action demeure incertain. Des revêtements « couche par couche », constitués soit de chitosan et de vermiculite, soit de polyethylenimine et de nitrure de bore hexagonal, ont été déposés sur des mousses en polyuréthane. Une analyse détaillée de ces matériaux, avant et après avoir été soumis à différents scénario feu, a permis de rassembler les éléments nécessaires à la compréhension de leur mécanisme d’action. Les résultats de cette analyse ont été appliqués au développement de nouveaux concepts. En premier lieu, des revêtements composites à haut taux de charge composés d’hydrogel alginate/argile ont été appliqués en une seule étape sur des tissus en polyamide 66. La réticulation de la matrice a amélioré la stabilité thermique et l’effet barrière physique du revêtement, ce qui a permis de classer les échantillons V-0 au test UL94. Ensuite, un autre type de barrière physique constituée d’une bicouche métal/diélectrique a été déposé sur des plaques de polyamide 6. L’action de ce revêtement repose sur la réflexion du rayonnement infrarouge, ce qui réduit l’absorption de chaleur par le substrat et augmente considérablement le temps d’ignition du polymère sous une contrainte thermique radiative. Ce concept s’est montré très efficace en combinaison avec des retardateurs de flamme (RF) dans la masse. Les deux approches ont un effet complémentaire. Le revêtement agit en premier en limitant l’absorption de chaleur et en retardant l’action des RF. Lorsqu’il perd son intégrité, les charges prennent le relais sans que leur efficacité ne soit diminuée, et réduisent le pic de débit calorifique et la quantité de chaleur dégagée totale du polyamide 6 grâce à l’action de mécanismes physiques et chimiques.

Résumé traduit

The extensive use of highly flammable polymeric materials requires the development of innovative fire protective solutions to lower the threat on human lives and infrastructures integrity. Thin coatings especially act on the mass and heat transfer responsible for the combustion process directly at the interface between the substrate and the flame. They also have the advantage of concentrating the fire retardant system on one place, therefore using the smallest amount of material as possible, and with minimal impact on the bulk properties of the material. The aim of this Ph.D is to design innovative thin coatings adapted to various substrates, based on an in-depth understanding of the mechanism of action of effective systems. Layer-by-layer coatings are seen as a very efficient solution to lower the flammability of polymers and are particularly adapted to porous substrates. Though extensively studied, their mechanism of action remains unclear. Layer-by-layer coatings, composed either of chitosan and vermiculite or of polyethyleneimine and hexagonal boron nitride, were deposited on flexible polyurethane foam. Extensive analysis of the material before and after being exposed to various thermal constraints allowed to gather more insights on their mechanism of action. This knowledge was applied to develop new concepts. On the first hand, high-filler content composite coatings based on alginate/clay hydrogels were applied in a one pot process on polyamide 66 fabrics. The cross-linked network improved the thermal stability and physical barrier effect of the coating, and the approach was proven to be efficient as the samples were rated V-0 at UL94 test. On the other hand, another kind of thin physical barrier deposited by PVD and composed of protected metal was deposited on polyamide 6 plate. Relying on the reflection of infrared rays, this type of coating reduced the heat absorption by the substrate, and considerably increased the time to ignition in a radiative fire scenario. This concept was proven particularly efficient when combined with thermally triggered bulk fire retardant (FR) fillers. It was found that both approaches have a complementary effect. The coating acts first by reducing the heat absorption, delaying the activation of the FR systems. Once it fails, the fillers take over unhindered, allowing to reduce the peak of Heat Release Rate and Total Heat Release of polyamide 6 thanks to physical and chemical mechanisms.