Evolution temporelle des émissions de gaz et de particules

La Figure III.7 montre l’évolution des concentrations en nombre de particules (PNx-y) et la concentration en gaz : la consommation de dioxygène (O2), la production de monoxyde de carbone (CO), de dioxyde de carbone (CO2) et d’oxydes d’azote (NOx) pour le nanocomposite PA6/5HNTs (Figure III.7.a) et la matrice polymère PA6 (Figure III.7.b). On appelle « ZI » la zone d’intérêt dans laquelle plus de 5 % d’O2 est consommé. Cette ZI sert de repère concernant l’avancement de la réaction de combustion. Elle est délimitée par les deux droites verticales oranges. Sur chaque graphe, les moyennes de trois essais sont présentées avec l'écart-type associé. La ZI s’étend de 46 s à 100 s pour le nanocomposite et entre 40 et 105 s pour la matrice PA6. Sur cette période l’oxygène est fortement consommé et la réaction de combustion est donc dans son régime fort.

Ci-après, il est décrit ce qui se produit pendant chacune des phases (avant, pendant, après la ZI) sur la base des observations relatives aux suivis temporels, pour le cas du nanocomposite (Figure III.7.a).

En Figure III.7.a, avant la ZI, de 0 à 46 s, la consommation d'O2 est faible tandis que les gaz sont légèrement produits et les particules sont fortement émises avec une domination de PN100. Une flamme est observée sur cette période.

Pendant la ZI qui s'étend sur une période de 46 s à 99 s, la consommation d'oxygène est maximale. De 46 s à 80 s, les pics de CO2, CO et NOx sont observés et les PNx-y diminuent. De 80 s à 99 s, un second pic de CO commence avec une augmentation des PN100.

Après la ZI, à partir de 99 s jusqu’à la fin (200 s), un épaulement de la concentration de NOx apparaît avec un second pic de CO tandis que les particules sont de moins en moins émises et O2 atteint sa ligne de base du départ.

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a. b.

Figure III.7 : Suivis temporels de concentrations de l’aérosol de combustion lors de l’incinération au four tubulaire a. PA6/5HNTs et b. PA6

Concernant toujours le nanocomposite PA6/5HNTs, sur les premières secondes, l’oxygène est consommé très faiblement. C’est à partir de t = 40 s que sa consommation devient observable avec une nette diminution de sa concentration. Le pic de consommation ( ̴ 5%vol.) se produit vers t = 70 s et correspond à peu près aux pics de la production de CO2 et de NOx et au premier pic de la production de CO. Les NOx quant à eux sont issus de l’oxydation de l’azote contenu dans le polyamide 6 et il ne s’agit pas de NOx thermiques car ils ne proviennent donc pas de l’oxydation du diazote de l’air.

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Les particules PN100 sont prédominantes en début de combustion (avant la ZI), puis elles diminuent au profit des autres PN (de 46 à 70 s) et enfin elles augmentent et prédominent de nouveau. Ainsi, elles sont émises en deux temps. Il y a donc une corrélation avec l’émission en deux temps de CO et de NOx évoquée ci-dessus. Remarquons aussi que le second événement particulaire lié aux PN100 se déroule au même moment que le second pic de CO et l’épaulement des NOx.

Les PN100-1000 et les PN1000-10000 sont émises avec un léger retard par rapport aux PN100. Par exemple, entre 20 et 30 s, alors que les PN100 atteignent leur pic à presque 10⁷ Part./cm³, les

PN100-1000 sont à 10⁵ Part./cm³ et les PN1000-10000 à 10⁴ Part./cm³ environ. La tendance s’inverse

ensuite en début de ZI où les PN100-1000 prédominent pendant un court instant (20 s). Notons, par ailleurs, que les PN100 sont produites avant les gaz CO, CO2 et NOx.

Le pic des PN100-1000 se produit quasiment en même temps que celui des PN1000-10000.

a.

b.

Figure III.8 : Suivis temporels des concentrations lors de l’incinération de PA6/5HNTs au four tubulaire a. Concentration en NOx

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La Figure III.8 montre les comparaisons entre le PA6 vierge et le nanocomposite PA6/5HNTs. Une seconde phase d'émission de particules est clairement notable, ainsi qu'un épaulement de la concentration de NOx et un second pic de CO, mais seulement pour le nanocomposite. La superposition des autres suivis temporels ne montre pas de différence significative.

Ainsi, une nette différence existe entre la matrice vierge et le nanocomposite. Un mécanisme en deux étapes est clairement associé au nanocomposite PA6/HNTs au vu du second pic de CO, de l'épaulement des NOx et de la deuxième phase d’émission de particules.

Par ailleurs, par rapport à la matrice vierge PA6 (Figure III.7.b), quelques différences et similitudes sont constatées. La consommation d’O2 et la production de CO2 sont similaires pour les deux matériaux. La production de CO semble différente : pas de mécanisme en deux temps pour le PA6 (mais un épaulement seulement) alors que le nanocomposite se distingue par son double pic de CO. Pas d’épaulement dans la production des NOx pour le PA6 non plus contrairement au nanocomposite. Enfin, l’émission particulaire est différente : il n’y a pas en effet de second événement particulaire dans le cas du PA6 vierge contrairement au nanocomposite.

Ainsi, il est possible d’affirmer que la présence de HNTs modifie les émissions de la matrice PA6. En effet les HNTs introduisent un mécanisme en deux temps de décomposition thermique se manifestant par un double pic de monoxyde de carbone, un épaulement dans la production de NOx et un événement particulaire supplémentaire.

De manière à pouvoir confirmer le rôle des HNTs dans le mécanisme en deux temps mis en évidence ici, il sera judicieux de comparer les résultats obtenus avec ceux du nanocomposite PA6/1HNTs (voir chapitre suivant).

Il est intéressant de se demander de quelle nature sont les particules comptées, quelle est leur morphologie et si l’on retrouve des HNTs dans l’aérosol de combustion. L’analyse des particules d’aérosol prélevées permet de répondre à ces questions. Par ailleurs, les résidus de combustion sont aussi analysés car ils permettent d’en savoir plus sur la décomposition thermique.