Essais sur poudres sèches

3.1 Épiradiateur et DRX

Afin de prévoir les effets des fondants dans le cas de composites EVA/ATH, des essais ont été effectués sur des mélanges de poudres. Des mélanges ATH (SH15)/Fondant ont donc été réalisés, puis testés de plusieurs façons. Le comportement macroscopique du mélange a été observé lors d’un chauffage utilisant l’épiradiateur, et le comportement microscopique des mélanges a pu être étudié au MEB, par le biais d’une platine chauffante. Le dispositif utilisant l’épiradiateur est représenté sur la Figure E-14. Pour cet essai, seuls le FUI11 et la colémanite ont été testés, les mélanges FUI9 et FUI10, ainsi que le FUI3 conduisant à des situations difficilement analysables à l’échelle macroscopique. La teinte jaune prise par le FUI11 lors de son refroidissement, du fait de la présence de bismuth, facilite la visualisation de la charge dans la couche de poudres.

Figure E-14: Épiradiateur instrumenté

Position [°2Theta] (Copper (Cu))

10 20 30 40 50 60 70 Counts 0 5000 10000 15000 FUI 10 1000

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Soumis à l’irradiation de l’épiradiateur (irradiance estimée à 37 kW/m²), les particules de FUI11 seules se ramollissent, coagulent et forment une structure vitreuse. Le refroidissement entraîne la fissuration de l’échantillon, probablement du fait de contraintes apportées à la structure vitreuse par l’apparition de zones cristallines (Figure E-15).

Figure E-15: Chauffage à l'épiradiateur du FUI11 seul

Dans le cas d’un mélange 50/50 de FUI11/ATH, le chauffage ne conduit pas à des modifications importantes de la forme de l’échantillon. Après refroidissement, des tâches jaunes sont visibles au sein de la couche de poudre. Elles mettent en évidence la présence d’une coagulation du FUI11 (Figure E-16). Les particules de fondant semblent s’être préférentiellement liées entre-elles, ne créant pas d’interactions avec l’ATH déshydratée, et ne jouant pas le rôle de ciment attendu. Le même comportement a été observé dans le cas d’un mélange 50/50 de FUI3/ATH.

Figure E-16: Aspect d'un mélange 50/50 de FUI11/ATH après chauffage

L’analyse DRX des poudres obtenues après chauffage montre bien l’absence d’interaction entre l’ATH et les fondants. L’analyse du mélange 50/50 de FUI3/ATH chauffé précédemment (Figure E-17), laisse apparaitre les mêmes raies que dans le cas du FUI3 chauffé à 1000 °C. Ces dernières correspondent à de la willémite et du quartz cristallins. Une forme de courbe caractéristique d’une phase amorphe est également visible, correspondant à l’alumine obtenue après dégradation thermique de l’ATH. L’analyse des mélanges 50/50 de FUI11/ATH et FUI10/ATH conduit à la même observation. Les diffractogrammes laissent apparaitre les mêmes raies que dans le cas des poudres seules chauffées à 1000 °C, ainsi qu’une phase amorphe correspondant à l’alumine.

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Figure E-17: Diffractogramme DRX du mélange 50/50 de FUI3/ATH après chauffage à l’épiradiateur

Dans le cas de la colémanite, le chauffage de l’échantillon seul conduit à une expansion de la couche de poudre, du fait de la libération d’eau lors de la décomposition thermique. Au bout d’un certain temps de chauffage, la structure se fige, du fait du frittage à chaud de la colémanite. Lors du refroidissement, l’échantillon conserve cette structure cohésive (Figure E-18).

Figure E-18: Chauffage à l'épiradiateur de la colémanite seule

Dans un mélange 50/50 de colémanite/ATH, le comportement lors du chauffage est similaire à celui de la colémanite seule. Cependant, lors de l’observation de l’échantillon après refroidissement, plusieurs agrégats blancs sont dispersés dans la couche durcie de colémanite (Figure E-19). Ceci laisse à supposer que la colémanite forme une couche cohésive indépendamment de la présence d’ATH, qui ne participe donc pas à l’élaboration de la couche.

Position [°2Theta] (Copper (Cu))

10 20 30 40 50 60 Counts 0 1000 2000 LDT3 60

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Figure E-19: Aspect d'un mélange 50/50 de colémanite/ATH après chauffage

L’analyse DRX du mélange 50/50 de colémanite/ATH conduit à la même conclusion que dans le cas des autres mélanges. En effet, le diffractogramme présente des raies correspondant à celles identifiées dans le cas de la colémanite seule à 800 °C (parasibirskite et borate de calcium), mais également une phase amorphe que l’on peut assimiler à l’alumine (Figure E-20).

Figure E-20: Diffractogramme DRX du mélange 50/50 de colémanite/ATH après chauffage à l’épiradiateur 3.2 MEB et platine chauffante

Afin de confirmer les observations effectuées sur les poudres sèches, le MEB a été utilisé, équipé d’une platine chauffante pouvant atteindre des températures proches de 1000 °C. Les mélanges 50/50 de FUI3/ATH, FUI11/ATH et FUI10/ATH ont été analysés. Le chauffage a été effectué entre 20 et 900 °C, avec une montée en température de 10 °C/min. La montée en température doit être stoppée afin de procéder à des observations MEB. Le grossissement utilisé est x2000.

Dans le cas de l’échantillon contenant le FUI3 (Tramollissement=450-500 °C), aucun changement n’est

observé entre 20 et 400 °C. Au-delà de 400 °C, les contours de certaines particules s’arrondissement, jusqu’à définir deux populations distinctes aux alentours de 550 °C. La première population correspond aux particules arrondies (fondant ramolli) et la seconde population correspond aux particules d’ATH/Alumine, n’ayant pas subi de changement morphologique depuis le depuis le début du chauffage. Vers 600 °C, des agglomérats de billes de fondants se forment par coagulation.

Position [°2Theta] (Copper (Cu))

10 20 30 40 50 60 Counts 0 500 1000 1500 ^{colemanite1-5}

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Celle-ci se poursuit jusqu’à ce que le fondant forme un milieu continu dans lequel sont dispersés les agglomérats d’alumine. Il y a donc une séparation des constituants du mélange au cours du chauffage, et il ne semble pas y avoir de réaction particulière entre le FUI3 et l’ATH. Les principaux clichés MEB sont regroupés sur la Figure E-21.

Figure E-21: Clichés MEB/platine chauffante sur le mélange 50/50 de FUI3/ATH (grossissement x2000 – échelle 20,0 µm)

Dans le cas du mélange 50/50 de FUI11/ATH, les mêmes observations ont été effectuées. Les particules de fondant commencent à se ramollir vers 350-400 °C et s’arrondissent avant de coaguler. Une séparation du fondant coagulé et de l’alumine est observée à plus haute température. Les principaux clichés sont présentés sur la Figure E-22.

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Pour ce qui est du mélange FUI10/ATH, le comportement observé au MEB diffère de celui des autres fondants. Du fait de la libération d’eau de la colémanite présente, les particules s’agencent de façon à faire apparaître des cavités vers 300-350 °C. Au-delà de 400 °C, les particules de FUI3 du mélange s’arrondissent et commencent à coaguler. Vers 700-750 °C, la structure d’éponge observée se fige et laisse apparaitre des particules d’environ 2 µm, dissociées de l’ensemble. La prise de la colémanite ne semble pas réagir avec l’alumine, les deux populations de particules restant séparées. Les principaux clichés sont représentés dans la Figure E-23.

Figure E-23: Clichés MEB/platine chauffante sur le mélange 50/50 de FUI10/ATH (grossissement x2000 – échelle 20,0 µm)

Les expérimentions effectuées sur les poudres sèches laissent à penser que le ramollissement des fondants ne permet pas d’assurer un rôle de ciment par rapport à l’ATH, la coagulation étant favorisée. La présence de colémanite permet de créer un réseau cohésif à haute température (700-750 °C). Cependant, l’ATH/Alumine ne semble pas participer au réseau de borate de calcium formé par la colémanite. Pour la suite des essais, le comportement au feu de composites contenant les fondants fournis par Emaux Soyer sera évalué. La cohésion du résidu pourrait être apportée par la colémanite lors de la montée en température, des tests seront donc effectués sur l’utilisation de cette charge en tant que potentiel agent de synergie.