Développement d’un incendie

La Figure A-15 illustre de façon macroscopique l’évolution d’un feu. Un incendie commence par un départ de feu provoqué par une source de chaleur. La première phase correspond à l’échauffement du matériau par la source de chaleur. Les premières flammes vont d’abord apparaître et se propager à la surface du matériau embrasé. Le feu se propage ensuite à l’environnement proche et la température des lieux augmente rapidement : c’est la phase dite « feu en développement ». La température ambiante peut alors atteindre une valeur critique supérieure à la température d’auto-inflammation de tous les matériaux combustibles présents qui vont s’enflammer : c’est l’embrasement généralisé éclair ou flashover. Le feu complètement développé se poursuit jusqu’à l’épuisement soit du combustible soit de l’oxygène (en milieu confiné). La décroissance du feu s’amorce alors. Et l’incendie finit par s’épuiser et s’éteindre de lui-même.

Figure A-15 : Les principales phases du développement d’un feu [27].

2.1.1. Combustion des polymères

Avant d’étudier l’ignifugation du polymère, il faut tout d’abord comprendre sa combustion. La combustion est définie comme un processus physico-chimique complexe d’oxydation accompagné d’un dégagement de chaleur, de lumière, de fumées et de gaz. Le comportement au feu du polymère n’est pas décrit comme une unique propriété du matériau mais combine de nombreux paramètres tels que la décomposition thermique, l’ignition, la propagation de la flamme, la chaleur dégagée, le temps d’extinction, la nature et la quantité de fumées [28].

De manière générale, la combustion nécessite la présence d’une source d’énergie et de deux autres éléments : un combustible (matière inflammable) et un comburant (oxydant). Le comburant est généralement le dioxygène de l’air. L’association de ces trois éléments essentiels constitue le « triangle du feu ». Ce processus complexe fait intervenir plusieurs réactions ainsi que des étapes de transport que ce soit à l’état liquide ou à l’état gazeux [29].

La Figure A-16 illustre le processus général de combustion d’un polymère soumis à une source de chaleur externe.

Figure A-16 : Schéma du procédé de combustion d’un polymère.

Le polymère est susceptible de s’enflammer au voisinage d’une source de chaleur au contact de l’air. L’échauffement provoque la dégradation thermique du matériau ; les liaisons les plus faibles du polymère se cassent et produisent des radicaux qui réagissent pour former des molécules inflammables. En présence de l’oxygène de l’air, et lorsque la température est suffisamment élevée, l’inflammation se produit. Cette réaction fortement exothermique dégage alors de la chaleur qui entretient la dégradation du polymère et l’alimentation de la flamme au gaz combustibles. C’est donc un processus auto-entretenu.

La Figure A-17 illustre le comportement au feu des matières polymères, mettant en avant l’équilibre des flux énergétiques et la formation d’un résidu charbonné dans le cas des polymères à carbonisation élevée [30]. La combustion de la couche carbonée se caractérise par une incandescence.

Figure A-17 : Attaque de la surface par une source de chaleur externe et équilibre des flux thermiques [30].

2.1.2. L’ignition

L’ignition d’un polymère dépend de nombreux paramètres tels que la concentration en oxygène, la température et les caractéristiques physico-chimiques du polymère. La réaction entre les gaz combustibles et l’oxygène est normalement exothermique, et si il y a suffisamment d’énergie dans le milieu, la réaction pyrolytique endothermique a lieu et entraîne la propagation de la flamme [31]. L’apport d’énergie est provoqué soit par l’exothermicité de la réaction d’oxydo-réduction du polymère, soit par une source de chaleur comme une flamme, une particule incandescente, une gouttelette de liquide enflammée, l’inflammation est alors dite provoquée [32].

2.1.3. La propagation de la flamme

La réaction de combustion exothermique renforce la pyrolyse du polymère (thermal feedback ou rétroaction thermique) et entretient la flamme de manière croissante. La réaction de branchement dans laquelle les radicaux très énergétiques H• et OH• sont formés, est particulièrement importante. Ces radicaux confèrent une grande vélocité au front de flamme et se multiplient par réactions en cascade.

2.1.4. La fumée

La fumée résulte d’une combustion incomplète du mélange de composés solides et liquides, aliphatiques et aromatiques, issus de la pyrolyse. Les suies sont des composés lourds formés à partir d’espèces aromatiques comportant seulement quelques cycles et constituées principalement de carbone et d’hydrogène [33]. Les réactions de croissance, schématisées sur la Figure A-18, réalisées en phase gazeuse, contribuent ainsi à la production des particules de suie. Dans le cas des polymères, les composés aliphatiques sont réduits en fragments radicalaires et en l’absence d’oxygène, ils forment des polyènes conjugués ou des systèmes aromatiques [29]. Les polyènes conjugués peuvent alors se convertir en structure aromatique par cyclisation.

Les produits de combustion des polymères sont très variés et leur toxicité dépend de la composition chimique du polymère. Le monoxyde de carbone, résultant d’une combustion incomplète, est mortellement dangereux. Sa formation est privilégiée si la température est relativement peu élevée, souvent dans l’étape de l’ignition ou de l’extinction, ou si l’apport en oxygène est réduit [34]. Il réagit avec les radicaux hydroxyles selon la réaction suivante :

CO + OH• → CO2 + H•

Les radicaux OH• très énergétiques sont produits majoritairement selon la réaction suivante : H• + H2O → H2 + OH•

Figure A-18 : Formation de la suie à partir d’hydrocarbure léger [33].

2.1.5. Les résidus charbonnés

La combustion des polymères impliquant des réactions de réarrangement et de réticulation conduit à la formation d’un résidu charbonné. Cette phase solide modifie à la fois les transferts thermiques entre la source de chaleur et le matériau non dégradé mais également les transferts gazeux. Les taux de charbonnement intrinsèques de quelques polymères courants mesurés par Lyon et Walters [35] à l’aide d’un test calorimétrique de combustion pyrolytique sont indiqués dans le Tableau A-6. Certains polymères ne donnent aucun charbonnement après combustion comme le PE, PMMA, tandis que d’autres polymères comme le PET est partiellement converti en structure charbonnée.

Tableau A-6 : Capacité calorifique, pouvoir calorifique et taux de résidus de polymères courants déterminés par calorimétrie de combustion [35].

Polymère ^{Chaleur massique}

(J/g.K) Pouvoir calorifique (kJ/g) Taux de charbonnement (%) LDPE 1676 41,6 0 PP 1571 41,4 0 PS 927 38,8 0 ABS 669 36,6 0 PCL 526 24,4 0 PBT 474 20,3 1,5 PMMA 376-514 23,2 0 PC 359 16,3 21,7 PET 332 15,3 5,1 PVAc 313 19,2 1,2 PEEK 155 12,4 46,5 PVC 138 11,3 15,3 PI 13 2,9 52