Exposition de la problématique

Lors de la combustion d’un polymère solide, le déroulement typique est la fonte de la surface du polymère suivi de sa dégradation thermique. Cependant les gaz obtenus, inflammables, ne sont pas de « simples » longues molécules de polymères mais le résultat de la décomposition thermique de ceux-ci.

Figure 1: Résumé du déroulement de la dégradation + décomposition des polymères Remarque : L’ASTM¹ définit la dégradation thermique comme « Un processus où l’action de la chaleur ou d’une température élevée sur un matériau, un produit, un assemblage entraîne une perte des propriétés physiques, mécaniques ou électriques ». Cependant au cours de la combustion du polymère, se déroule aussi un phénomène de décomposition thermique qui est, toujours selon l’ASTM, « un ensemble de changements importants des espèces chimiques sous l’effet de la chaleur.

Les gaz émis, soumis au flux d’énergie thermique vont s’enflammer, si deux conditions sont réunies :

 Le mélange Combustible/Oxygène est dans les bonnes proportions, i.e. entre la limite supérieure et la limite inférieure d’inflammabilité (concentrations minimales et maximales de gaz combustible dans l’air pour que le mélange combustible/air s’enflamme).

 L’énergie thermique apportée est supérieure à l’Energie d’activation (EA) de la réaction de combustion.

Si l’énergie fournie par la flamme est suffisante, la dégradation et la décomposition thermique se poursuivent. La flamme qui apparaît au moment de l’inflammation est une

1 ASTM : American Society for Testing and Material, société de normalisation fondée en 1898 et dont certaines normes sont reprises dans les réglementations gouvernementales

flamme de diffusion. En effet, l’échantillon se dégrade et les gaz de pyrolyse se mélangent à l’air ambiant. Si les quantités de gaz de pyrolyse sont suffisantes, le mélange formé avec l’oxygène porté à haute température s’enflamme.

La flamme de diffusion génère des gaz imbrûlés, même dans les conditions de bonne ventilation (débit d’arrivée d’air suffisant pour oxyder totalement les combustibles gazeux). Ceci est d’autant plus vrai quand la combustion se déroule en atmosphère sous-oxygénée (où le matériau peut tout de même s’enflammer). En effet, pour caractériser la capacité du mélange à s’enflammer dans l’air, a été développé l’Indice d’Oxygène Limite (IOL). Il définit le taux de dioxygène minimum qui doit être présent dans une atmosphère O2/N2 pour que la réaction de combustion ait lieu. Si l’IOL est supérieur à 0,21, la proportion volumique d’O2 dans l’air, alors le polymère est dit « auto-extinguible ». Sinon, d’après Lucquin [2], il est dit « inflammable ».

L’existence même de cette proportion minimale d’oxygène montre que la combustion d’un solide et donc des gaz de pyrolyse peut avoir lieu en mélange riche ou pauvre. Par conséquent, les gaz chauds issus de la combustion incomplète en atmosphère confinée peuvent s’enflammer s’ils rencontrent à nouveau de l’oxygène. C’est le phénomène d’accident thermique détaillé dans l’introduction de ce rapport de thèse.

Dans ce contexte, différents travaux de recherche ont été menés. Leurs enjeux ont été de déterminer pour un combustible gazeux donné :

 Pour une température donnée, quelles sont sa concentration minimale (LII) et maximale (LSI) pour que celui-ci s’enflamme ?

 Pour un mélange donné, à quelle température, appelée température d’auto-inflammation, celui-ci s’enflamme sans apport extérieur d’énergie ?

La réponse à ces questions permet de définir le domaine d’inflammabilité, schématisé dans la figure 2 ci-dessous, d’un gaz.

Figure 2: Représentation schématique du domaine d’inflammabilité

Les accidents thermiques (dont fait partie le backdraft) sont à l’origine de nombreux phénomènes destructeurs. Il est donc particulièrement important de comprendre quelles sont les conditions pour que ce backdraft se produise. Ce phénomène a été étudié de façon approfondie notamment par un grand nombre d’auteurs dont Flesichmann, Mc Grattan, Chen et al. [3-5].

Le mélange produit lors de la circulation entre l’air extérieur et les gaz de pyrolyse produits lors du feu en atmosphère confinée s’enflamme spontanément passé un certain délai qui correspond au temps de mélange et au temps chimique. Ainsi, Chen et al. [5] ont montré que le backdraft se produisait quand la fraction volumique de combustible atteignait :

√ (Eq.1) LII: Limite d’inflammabilité du gaz (% volumique)

: Volume de l’enceinte (m³)

: ^{Temps (s) s’écoulant entre l’ouverture de l’enceinte et l’inflammation (de l’ordre de} quelques secondes).

: Aire (m2) de l’ouverture par laquelle entre l’air extérieur et sortent les gaz de pyrolyse

: Hauteur de l’ouverture (m) : Température des gaz chauds (K)

Du modèle et des essais de Chen et al. [5], il ressort que pour des hydrocarbures, le backdraft se produit lorsque . Néanmoins, cette formule nécessite la connaissance de la configuration géométrique exacte dans laquelle se déroule cette situation (volume occupé par le mélange gazeux à l’origine de l’auto-inflammation, dimensions des ouvertures, etc), ainsi que la connaissance du délai d’inflammation a priori via . Or, ce qui est recherché dans ce travail de thèse est une prévision a priori d’un backdraft, avant la réalisation d’essais. Si la nature des imbrûlés sera étudiée dans la partie suivante, afin de pouvoir créer un outil permettant de prédire ce type d’accident thermique, il importe de savoir de quelle façon ces gaz s’enflamment. Certains paramètres existent mais sont déterminés empiriquement et ne sont donc pas nécessairement applicables sans modification à tous les cas de figure (températures d’auto-inflammation, limites d’inflammabilité). Par conséquent, il importe d’étudier en premier lieu le phénomène d’auto-inflammation. Dans ce chapitre, il a été déterminé sur quelles hypothèses physiques reposent les deux grands modèles d’auto-inflammation (Semenov et Franz-Kamenetskii) et dans quelle mesure ils peuvent être adaptés à ce travail de thèse. De cette étude sera retiré un modèle permettant de simuler l’auto-inflammation d’un mélange gazeux de composition connue.