Démarche expérimentale et objectifs

Comme évoqué dans la partie 3.3 du chapitre précédent, cette étude se propose d’apporter des éléments de compréhension concernant le devenir et le comportement des nano-objets sur une problématique émergente : l’incinération de nanocomposites. L’objectif général des travaux est d’évaluer les risques potentiels liés à l’incinération de nanocomposites et de comprendre les mécanismes de décomposition thermique et d’émission mis en jeu.

De manière à pouvoir évaluer l’impact environnemental du procédé d’incinération, il paraît pertinent, en effet, de connaître le devenir des nano-objets lors de l’incinération du nanocomposite. Le but est de savoir si le nano-objet est libéré dans l’aérosol de combustion ou s’il reste dans le résidu de combustion (mâchefer) et s’il est transformé.

Par ailleurs, dans le but de comprendre comment le nanocomposite se décompose et comment il émet des aérosols de combustion lors de son incinération, il paraît judicieux d’étudier l’influence de certains paramètres tels que l’oxygénation de l’échantillon, la température dans les chambres de combustion, le taux d’incorporation du nano-objet ou encore la nature du nano-objet incorporé. Ceci permet d’étudier le comportement du nano-objet lors de l’incinération du nanocomposite (polymère/nano-objet) et aussi le comportement qu’induit le nano-objet au sein de la matrice polymère dans laquelle il est incorporé.

La démarche expérimentale permettant de répondre à ces questions consiste à :

 Formuler les nanocomposites à étudier (à matrice, taux et types de nano-objets variés),  Réaliser des essais de dégradation thermique et de réaction au feu,

 Réaliser des essais au four tubulaire modifié,

 Réaliser des essais au cône calorimètre modifié (simulation de trois conditions de combustion),

 Caractériser les fumées (phase gazeuse et particulaire) et les résidus de combustion. Le synoptique en Figure II.1 illustre la méthodologie des travaux expérimentaux réalisés dans les différents laboratoires partenaires de la thèse.

Les nanocomposites de composition chimique et de nanostructure maîtrisées sont testés à l’échelle laboratoire sous trois approches différentes :

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 en étudiant l’influence des conditions opératoires de combustion sur la nature de l’aérosol de combustion et sur le chemin de décomposition thermique, investiguée via deux scénarios au cône calorimètre (un premier scénario en condition « incendie » et un second scénario en condition « sous-oxygénation »),

 enfin, en considérant leur incinération : ils sont incinérés dans un four tubulaire et dans un cône calorimètre qui ont été modifiés de manière à se rapprocher -autant que faire se peut- des conditions d’incinération.

C’est ainsi qu’un schéma décisionnel peut-être proposé pour éclairer sur les risques potentiels liés à l’incinération des nanocomposites et qui servirait d’appui aux décideurs publics et aux exploitants.

Figure II.1 : Synoptique de la démarche et de la méthodologie des travaux de thèse

En outre, ces deux derniers dispositifs expérimentaux ont été comparés de manière à mettre en évidence les divergences et les convergences des deux techniques différentes. Les essais de combustion (au four tubulaire et au cône calorimètre) utilisent des dispositifs expérimentaux différents mais dont le but primordial est de générer un aérosol de combustion (dans des conditions de combustion maîtrisées) et de caractériser cet aérosol à l’aide de plusieurs techniques dédiées au mesurage des gaz et des aérosols de combustion.

Ceci constitue une approche nouvelle et originale dans l’étude de la décomposition thermique et des émissions liées à l’incinération de nanocomposites.

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1.1. Démarche expérimentale

1.1.1. Choix, formulation, mise en œuvre et caractérisation des nanocomposites

Les échantillons ont été fabriqués de manière à maîtriser la composition chimique et la nanostructure du nanocomposite et à concevoir un panel de matériaux à nano-objets et matrices variés. Ils ont été caractérisés sous différents aspects. Leur morphologie a été caractérisée de manière à connaître leur nanostructure et à vérifier l’état de dispersion des nano-objets dans la matrice. Leur composition chimique a été déterminée par analyse élémentaire à la manière des industriels du déchet.

Parmi les nanocomposites formulés, on retrouve d’une part les nanocomposites historiques qui contiennent des nanomatériaux dits historiques car utilisés et développés voilà maintenant très longtemps comme la silice ; et d’autre part les nanocomposites émergents incorporant des nano-objets développés à l’échelle industrielle depuis les années 90 au plus tôt. Dans la suite de ce chapitre, nous décrirons plus précisément le choix qui s’est porté sur ces matériaux. La matrice vierge, quand c’est possible a été mise en œuvre de la même manière que les nanocomposites dans le but de pouvoir identifier l’effet de l’ajout de nano-objets dans une matrice polymère sur les mécanismes d’émission et de dégradation. La matrice vierge est alors le témoin.

1.1.2. Etudes expérimentales de la combustion

Au travers des trois études : étude de la dégradation thermique/réaction au feu, étude de la décomposition thermique et étude de l’incinération, il est possible d’investiguer des phénomènes par échelle croissante de représentativité des conditions d’incinération.

De manière à mieux comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l’incinération, une attention particulière a été portée aux conditions de combustion de type incinération tant au cône calorimètre qu’au four tubulaire, qui ont pour l’occasion été modifiés et pour lesquels une ligne de mesure des aérosols et des gaz de combustion a été développée.

Des conditions de combustion différentes des conditions incinération ont également été investiguées afin d’étudier la décomposition thermique au cône calorimètre en scénarii de type incendie et de type sous-oxygénation.

Par ailleurs, la réaction au feu des nanocomposites est investiguée par étude de leur dégradation thermique pour confirmer ce qui est attendu théoriquement vis-à-vis du comportement au feu de ces matériaux et pour apporter des informations quant aux phénomènes constatés durant les études de décomposition thermique et d’incinération.

1.1.3. Etude de l’influence de différents paramètres sur la nature des fumées émises et sur les mécanismes de décomposition thermique et d’émission

Dans le but de mieux comprendre les mécanismes d’émissions liées à la décomposition de nanocomposites, il est pertinent d’étudier l’influence de différents paramètres.

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D’une part, l’influence de conditions opératoires sur la nature des émissions de combustion est investiguée. Pour ce faire, deux conditions opératoires sont mises à l’étude : le taux d’oxygène (oxygénation) et le flux thermique (température). Les scénarios « incendie » et « sous-ventilation » donneront des éclairages quant aux influences des deux paramètres « flux thermique » et « taux d’oxygène » respectivement.

D’autre part, l’influence du type de nano-objet et du taux d’incorporation des nano-objets est étudiée. Plusieurs types de nano-objets (carboné, oxyde, minéral naturel, minéral organo-modifié) sont testés et leur taux d’incorporation varie entre 1 et 10% suivant les nano-objets.

1.2. Les objectifs des travaux de thèse

Les questionnements scientifiques, auxquels cette étude souhaite apporter des réponses, peuvent être formulés comme suit.

Lors de l’incinération du nanocomposite (constitué d'une matrice polymère et de nano-objets dispersés) :

 Quel est le devenir des nano-objets du nanocomposite ? Les retrouve-t-on dans l’aérosol de combustion ? Les retrouve-t-on dans le résidu solide de combustion ? Conservent-t-il leur nanostructure initiale ?

 La présence de nano-objets modifie-t-elle la phase particulaire de l’aérosol de combustion (nature, nombre, structure des particules) ?

 La présence de nano-objets modifie-t-elle la phase gazeuse de l’aérosol de combustion (nature et concentration des gaz) ?

 La présence de nano-objets modifie-t-elle les mécanismes de formation de l’aérosol de combustion ?

 Quelles sont les précautions à prendre vis-à-vis du risque lié aux nanomatériaux lors du traitement des effluents (mâchefers er fumées) issus de l’incinération des nanocomposites ?

Les études menées visent particulièrement l’objectif n°1 qui est de connaître le devenir et le comportement du nano-objet, puis l’objectif n°2 qui consiste à proposer des mécanismes de décomposition et d’émission et enfin de proposer aux décideurs publics et aux exploitants un arbre de décision qui constitue l’objectif n°3.