CHAPITRE III - Etude de l’incinération et de la décomposition thermique du nanocomposite PA6/5HNTs
2. Influence des conditions de combustion sur la nature des fumées de combustion
2.1. Influence de la température
2.1.1. Evolution temporelle des émissions de gaz et de particules
Les suivis temporels des concentrations en gaz et en particules sont présentés ci-dessous (Figure III. 28) pour les conditions « incendie » et « incinération ». Rappelons que dans le cas des essais en condition « incendie », la température avoisine les 700 °C (correspondant à un flux thermique de 50 kW/m²) contre une température avoisinant les 850 °C pour les essais en condition « incinération » (correspondant à un flux thermique de 75 kW/m²), avec 21 % d’O2
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a. b.
Figure III. 28 : Evolution des concentrations durant la combustion de PA6/5HNTs au cône calorimètre a. Condition « Incendie » et b. Condition « Incinération »
Un retard d’environ 50 s est observé pour le cas des essais en condition « incendie » relativement à l’incinération, dans la consommation en O2 et la production en CO et CO2. L’inflammation est elle aussi décalée (la flamme apparaît à t=115 s pour le cas incendie contre 25 s pour le cas incinération). Les vitesses de réaction ne sont alors pas identiques. Cela est tout à fait cohérent avec les conditions de température dans lesquelles les deux combustions sont réalisées. Une température faible implique une vitesse de réaction faible. Par ailleurs, en terme de quantités de particules, la condition « incinération » semble produire des quantités moins importantes de particules car comme il peut être observé, les valeurs de concentrations atteintes pour les particules sont nettement plus élevées dans le cas incendie (>109 Part/.cm3 pour les PN50 par exemple, contre 5. 108 Part/.cm3 pour le cas incinération). Soulignons que la teneur en CO2 peut être indicatrice de la qualité de combustion. En effet, ici en condition « incendie » la concentration en CO2 est inférieure à 1 %vol alors que pour la condition « incinération », les 3 %vol sont presque atteints, soit trois fois plus. Quand la
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température est plus importante, il paraît logique de considérer que la réaction de combustion est plus complète. Quant au CO qui peut aussi être indicateur de la qualité de combustion, il confirme cette tendance de meilleure combustion pour le cas de l’incinération vu que les concentrations de CO sont plus faibles en condition « incinération ».
a. b.
Figure III.29 : Evolution des concentrations durant la combustion – Condition « Incendie » au cône calorimètre a.PA6/5HNTs et b.PA6
Précisons que pour la matrice vierge PA6, le comportement est similaire au cas du nanocomposite (voir Figure III.29). En effet, pour les deux cas les gaz sont produits et consommés de manière assez similaire avec une flamme n’apparaissant qu’après 100 s. Une symétrie entre les courbes d’O2 et de CO2 est là aussi constatée. Le CO lui est émis en deux temps : un pic suivi d’épaulements (deux épaulements pour le nanocomposite et un seul pour
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la matrice vierge). Les particules ont un comportement assez similaire aussi. Les PN50
dominent largement (avec des concentrations élevées dépassant les 109 Part/.cm3) pendant toute la phase d’avant ignition puis les valeurs varient fortement pendant l’inflammation avec deux minimums et un maximum marqués et de fortes oscillations en fin de combustion. Les
PN50-100 et les PN100-500 sont formées en quantité moindre (<108 Part/.cm3) de manière assez
stationnaire avant et pendant la flamme puis diminuent après extinction de la flamme. Enfin, les PN500-1000 sont les moins nombreuses et apparaissent en deux temps : un premier pic vers t = 50 s (<105 Part/.cm3) suivi d’un second (<106 Part/.cm3) plus important à l’apparition de la flamme.
Ainsi, la présence des HNTs ne semble pas provoquer un comportement spécifique de la matrice pendant sa décomposition thermique en condition « incendie ».
2.1.2. Analyses des résidus et des particules de l’aérosol de combustion
Les résidus de combustion du nanocomposite PA6/5HNTs en condition « incendie » sont constitués de HNTs* uniquement comme pour le cas « incinération » (aucun résidu charbonné n’est retrouvé). Pour le cas de la matrice vierge PA6, aucun résidu n’est retrouvé à la fin de l’essai.
Les observations en microscopie électronique de l’aérosol de combustion recueilli sur grille MET et sur substrat d’impaction révèlent que l’aérosol provenant de la condition « incendie » se distingue de l’aérosol « incinération ». En effet, l’aérosol issu de la condition « incendie » est constitué en partie de condensats (hydrocarbures formant une phase huileuse) qui se présentent sous forme de tache ou encore d’enrobage (Figure III. 30). On peut alors parler de suies grasses. Par opposition, l’aérosol issu de la condition « incinération » sera qualifié de sec car il n’est constitué que de particules de suies sèches (la partie huileuse n’a pas été observée).
Selon la littérature, cette huile de pyrolyse est appelée goudron (voir chapitre 1). Elle proviendrait de la fragmentation incomplète des espèces libérées lors de la dépolymérisation de la matrice par manque d’énergie nécessaire à la rupture des liaisons, et serait due aux conditions de basse température. Les goudrons sont ainsi le signe d’une combustion incomplète. Certains auteurs [Chi13, Cha10] ont observé les aérosols issus de combustion incomplète et ils constatent notamment des particules de suies enrobées par une phase goudronneuse. Par ailleurs, notons que des HNTs sont observés parmi les particules de suies enrobées (Figure III. 30.b.).
Une analyse HPLC qualitative a permis une identification des composés majoritaires retrouvés dans ces goudrons. Elle révèle qu’ils sont constitués d’Ɛ-caprolactame et de naphtalène.
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a. b.
Figure III. 30 : Images de l’aérosol de combustion en condition « incendie » a. MEB – Condensats de goudron enrobant des particules de suies
b. MEB – HNTs* parmi des condensats de goudron
Les distributions granulométriques en masse (Figure III. 31) sont polydispersées et mettent en évidence une classe modale centrée sur 781 nm pour la condition « incendie » alors que pour la condition « incinération », la classe modale est centrée sur 323 nm et l’écart-type géométrique de la distribution est beaucoup plus grand dans le cas « incendie ». Ainsi, il y a un décalage vers les plus grands diamètres quand la température est diminuée pour le PA6/5HNTs.
a. b.
Figure III. 31 : Distribution granulométrique différentielle des particules de l’aérosol de combustion de PA6/5HNTs a. Incendie et b. Incinération
Figure III. 32 : Fraction cumulée de la distribution granulométrique des particules de l’aérosol de combustion – PA6/5HNTs
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La distribution en masse cumulée ci-dessus (Figure III. 32) montre que la courbe en condition « incinération » se trouve au dessus de celle du condition « incendie » pour la gamme de taille de particules comprises entre 60 et 300 nm. Cela signifie que l’ « incendie » produit moins de particules de diamètre 60<D<300 nm que l’ « incinération » (en masse).
Quant à l’aérosol de combustion du PA6 en condition « incendie », les observations en microscopie électronique montrent qu’il est de même constitué de goudrons. Les distributions granulométriques en masse (voir annexe B) sont polydispersées et montrent que la classe modale est centrée sur 498 nm pour la condition « incendie » alors que pour la condition « incinération », la classe modale est centrée sur 1,27 µm. Ainsi, il y a un décalage vers les plus petits diamètres quand la température est diminuée, pour le PA6.