Analyses des résidus et des particules de l’aérosol de combustion

Les résidus ont été récupérés en fin de combustion et les particules de combustion ont été prélevées durant la combustion. Les résultats des analyses off-line sont présentés ci-dessous. Pour les résidus, une poudre blanche au fond du porte-échantillon est observée (Figure III. 18) et elle correspond à des HNTs* (pseudo-HNTs de structure minérale modifiée), comme dans le cas du four tubulaire.

Figure III. 18 : Résidus de combustion de PA6/5HNTs – Incinération au cône calorimètre

Une masse de 105 mg (+/- 5 mg) de matière est récupérée au fond du porte-échantillon (Figure III. 18). Cependant la masse exacte de résidus de HNTs* est difficile à évaluer car il se peut qu’une quantité non-évaluable de matière soit perdue dans le cône calorimètre au moment de récupérer le résidu. Cependant, il est possible d’évaluer la quantité approximative de HNTs* soit perdue dans le cône calorimètre, soit présente dans l’aérosol de combustion. Cette limite de quantification est rediscutée dans la partie 1.4.3 et le détail du calcul y est présenté. On devrait donc retrouver une quantité (difficilement évaluable avec exactitude) dans l’aérosol de combustion, comme nous allons le constater ci-après. Pour l’aérosol de combustion, de même que pour le cas du four tubulaire, les analyses microscopiques (MEB et MET couplées à la micro-analyse X) montrent que des HNTs* sont retrouvés parmi de la suie.

a. b.

Figure III.19 : HNTs* agrégés émis lors de l’incinération de PA6/5HNTs au cône calorimètre a. Image MET de l’aérosol de combustion

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La Figure III.19.a correspond à un prélèvement MPS réalisé pendant la flamme. On y distingue bien des HNTs* agrégés entourés de suies (confirmé par de la micro-analyse X). Sur la Figure III.19.b, des HNTs* sont observés parmi des particules de suies recueillies sur un substrat d’impaction du DLPI. Par ailleurs, les résultats relatifs au DLPI renseignent sur la fraction massique des particules par classe de taille, comme présenté ci-après.

La distribution granulométrique en masse des aérosols d’incinération (Figure III.20) montre une distribution polydispersée (écart-types géométriques étant supérieurs à 1,2) pour les deux échantillons, avec un écart-type géométrique de 1,57 pour le PA6 et de 1,73 pour le PA6/5HNTs.

Dans le cas du PA6, la masse prédominante est relative au canal n°8 avec un diamètre aérodynamique modal de 1,27 µm et un diamètre médian de 0,83 µm.

a. b.

Figure III.20 : Distribution granulométrique différentielle des particules de l’aérosol de combustion Condition « incinération » au cône calorimètre

a. PA6/5HNTs et b. PA6

Dans le cas du PA6/5HNTs, la masse prédominante est relative au canal n°5 avec un diamètre aérodynamique modal de 323 nm et un diamètre médian de 820 nm.

Les masses recueillies sur les trois derniers plateaux (D>2 µm) sont nulles. Ceci s’explique aisément étant donné que le diluteur en amont du DLPI introduit une coupure aux alentours de 2 µm.

Pour le cas du nanocomposite, 50 % (en masse cumulée) de la population a une taille inférieure à 300 nm contre 450 nm pour le cas de la matrice PA6.

La courbe du nanocomposite PA6/5HNTs se trouve au dessus de celle du polymère vierge jusqu’à une taille de 700 nm, taille à laquelle la tendance s’inverse. Ainsi, le nanocomposite émet plus de particules de taille < 700 nm que la matrice vierge (en termes de masse).

141 Figure III.21 : Fraction massique cumulée des particules de l’aérosol de combustion

Incinération au cône calorimètre

Il est intéressant aussi, pour des tailles de particules données (100 nm, 500 nm et 1000 nm), de comparer les valeurs de masses cumulées (%) (Tableau III.1), comme certains auteurs le font pour mettre en avant la toxicité potentielle des particules de suies vis-à-vis de leur capacité à s’introduire dans le système pulmonaire (alvéoles, bronchioles) [Rho11, Mot12]. L’incinération du nanocomposite PA6/5HNTs semble émettre plus de particules <100 nm. Les autres valeurs relevées ne semblent pas différer (aux incertitudes près). Ces conclusions sont proches de celles trouvées dans la littérature [Rho11, Mot12] qui ne mettent pas en avant une influence particulière de l’ajout de nano-objets. Quant au facteur d’émission qui correspond à la masse de particules émises (particules de diamètre < 2 µm recueillies sur les substrats d’impaction du DLPI et pesées) par masse d’échantillon brûlé, la valeur du facteur d’émission du PA6 est supérieure à celle du PA6/5HNTs (nous reviendrons sur la représentativité de ce calcul dans la partie 1.4.3).

Tableau III.1 : Aérosol de combustion - Masse cumulée en fonction des tailles et facteur d’émission

Matériau % Masse cumulée <100 nm % Masse cumulée <500 nm % Masse cumulée <1000 nm Facteur d’émission (mg/g) PA6 13 +/-1 60 +/-3 90 +/-5 54,9 +/-7 PA6/5HNT s 23 +/-2 65 +/-2 85 +/-5 32,1 +/-3

1.3.3. Synthèse des résultats

Pour résumer, quand le nanocomposite PA6/5HNTs est testé à l’échelle laboratoire dans un cône calorimètre suivant des conditions « incinération », nous observons :

 Un comportement spécifique des HNTs : deux événements particulaires successifs (PN50 et PN50-100) se produisent en présence de HNTs,

 Une diminution des PN1000 relativement à la matrice vierge,

 Des HNTs* agrégés dans l’aérosol de combustion et dans les résidus de combustion dont la nanostructure n’est pas modifiée,

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 Les distributions granulométriques massiques polydispersées avec un diamètre modal de 323 nm pour le nanocomposite contre 1270 nm pour la matrice vierge.

Concernant le comportement des HNTs, le second événement particulaire des PN100 (c'est-à-dire les PN50 et PN50-100) est clairement lié à la présence des HNTs qui conduit à une décomposition différente de la matrice polymère. Le nanocomposite PA6/5HNTs émet globalement moins de particules PN1000 que la matrice vierge PA6.

Concernant le devenir des HNTs, de même qu’en 1.2.3, les HNTs* (HNTs dont la structure minérale a évolué) se répartissent entre l’aérosol de combustion et les résidus de combustion avec une nanostructure qui n’a pas évolué.

Les résultats des essais d’incinération au four tubulaire et au cône calorimètre mis en parallèle avec les études de dégradation thermique et de réaction au feu peuvent maintenant être interprétés ci-après.