Propriétés feu: suivi de gaz et analyse des résidus

Les tests au feu sont obtenus avec un microcalorimètre de combustion et un cône calorimètre (couplé à un spectromètre Infrarouge). Les majeurs produits de dégradation sont déterminés par analyse thermogravimétrique couplée chromatographie gaz et spectrométrie de masse ainsi que par ATG couplée à un spectromètre IR.

II.3.1. Analyses thermogravimétriques couplées à un spectromètre Infrarouge (ATG/IR)

Les expériences ont été effectuées au Service Central d’Analyse (S.C.A.) du C.N.R.S. Afin d'identifier les produits de décomposition, un analyseur thermogravimétrique Q50 de TA Instruments a été couplé à un spectromètre Nicolet Nexus. Les températures de la ligne de transfert et la cellule de gaz ont été maintenues à 240°C. Le spectromètre infrarouge a été utilisé avec une résolution optique de 4cm^-1. Les expériences ont été réalisées sous azote et sous air avec un débit de gaz de 90 mL/min. Les échantillons (environ 10 mg) ont été chauffés dans des nacelles ouvertes en alumine, de 30°C à environ 700°C avec une vitesse de chauffe de 5°C/min. L’attribution des composants est basée sur l’identification des pics caractéristiques et par la soustraction des produits connus (comme l'eau, ...), les profils d'évolution ont également été tracés en fonction du temps ou de la température.

II.3.2. Thermogravimétrie couplée chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse (ATG/CG/SM)

Les mesures ont été effectuées sur un appareil TA-SDT Q600 couplé avec un système de chromatographie gazeuse 6890N-GC avec un détecteur de masse 5973N-MS d’Agilent Instruments. Une interface de stockage de gaz IST16 mise au point par SRA Instruments a été

58 reliée à la balance thermogravimétrique et le réseau de la CG à travers deux lignes de transfert chauffées à 240°C qui nous permettent de récupérer et d'isoler des fractions de gaz de l'analyse thermique Figure 19. Ces fractions sont transportés jusqu’au chromatographe grâce au passage d’un gaz vecteur, puis ensuite injectées dans le système CG-SM. La colonne de la CG est de type HP-5MS (20 m x 0,18 mm x 0,18 um). Les mesures ont été menées sous hélium ou sous air avec une montée en température de 5°C/min de l’ambiante jusqu’ à 800°C. Le four de la CG a été maintenu à 60°C, puis chauffé jusqu'à 280°C avec une vitesse de chauffe 40°C/min. L'injecteur de la CG et la température du détecteur ont été maintenus à 280°C. Les spectres de masse ont été obtenus en fonction du temps d'élution avec une gamme de masse de 10 à 700 uma. L’attribution des pics est réalisée grâce aux temps de rétention et à l’analyse des fragments de masse.

Figure 19. Couplage ATG/IST16/CG en mode stockage à gauche et injection à droite. II.3.3. Microcalorimètre de combustion (PCFC)

Les mesures ont été effectuées sur un microcalorimètre FFA de marque Fire Testing Technology (FTT). Le principe de microcalorimétrie est présenté sur la Figure 20.

Quelques milligrammes (2-4 mg) de l’échantillon sont placés dans un creuset, puis pyrolysés dans un four balayé sous un flux d’azote et une rampe en température de 1°C/s. Les produits de dégradation sont ensuite collectés dans une deuxième chambre maintenue à 900°C en présence d’oxygène (mélange N2/O2 80/20). Dans cette chambre et à cette température, la combustion complète des gaz de pyrolyse aura lieu. Le flux de gaz en sortie passe sur un

59 milieu filtrant (ex : driérite) qui permet d’absorber l’eau avant d’être dirigé vers des analyseurs où aura lieu la mesure de consommation d’oxygène. Cette dernière permet de remonter à la valeur de débit calorifique ou Heat Release Rate (HRR en W/g) en se basant sur le principe d’Huggett [3], selon lequel pour les composés organiques, la chaleur de combustion est proportionnelle à la quantité d’oxygène nécessaire à la combustion soit 13,1KJ/g d’oxygène consommé. Cette technique nous permet également de déterminer la capacité de débit calorifique soit le débit calorifique maximum divisé par la vitesse de chauffe, qui est une propriété intrinsèque du matériau, appelée Heat Release Capacity (HRC). Le résultat obtenu est sous forme d’une courbe des valeurs HRR en fonction de la température. L’aire sous la courbe représente la chaleur totale dégagée ou Total Heat Release (THR en J.g^-1.k^-1). Le pic maximum de cette courbe correspond au pic de flux calorifique ou Peak of Heat Release Rate (pHRR). Dans le cas où la décomposition du produit est complexe, autrement dit, si nous observons plusieurs pics HRR, nous nous intéresserons à la somme des HRC de tous les pics déconvolués (∑HRC).

Figure 20. Schéma du principe d'un microcalorimètre de combustion. II.3.4. Cône calorimètre couplé à un spectromètre Infrarouge

L’appareil utilisé est de marque Fire Testing Technology. Les expériences ont été réalisées sur des plaques de dimensions 100x100x4mm³, sous un flux de chaleur de 50kW/m² qui correspond au flux de chaleur d’un feu entièrement développé. Le principe d’un cône calorimètre est présenté sur la figure ci-dessous. L’échantillon est soumis à un flux de chaleur radiatif émis par un cône tronqué construit par un enroulement d’une résistance électrique. Un igniteur (étincelle initiée par des électrodes) assure l’inflammation du matériau. Les gaz de combustion ainsi que les fumées sont aspirés dans une cheminée où l’analyse est effectuée. A l’issue du test, de nombreuses informations sont collectées. Nous présentons les grandeurs les

60 plus importantes dans le Tableau 7. La masse de l’échantillon est également mesurée en continu avec une thermo-balance, ainsi que l’opacité des fumées (opacimètre Laser). Le dosage du CO et CO2 est assuré par absorption IR. De ce fait, le cône calorimètre est le dispositif le plus approprié pour simuler le scénario d’un incendie.

Figure 21. Schéma du principe d'un cône calorimètre.

Le cône calorimètre a été également couplé à un analyseur Antaris IGS avec un détecteur MCT (recommandé pour sa haute performance) de Thermo Scientific Company. La résolution optique pour la mesure des gaz a été fixée à 0,5 cm-1 pour éviter les problèmes d'interférence potentiellement causés par les bandes d'absorption de l'eau à des résolutions inférieures. Le spectromètre infrarouge et la ligne de transfert sont chauffés à 160°C pour minimiser la condensation des effluents de hauts points d'ébullition.

61 Tableau 7. Grandeurs principales d'un test au cône calorimètre.

Grandeurs et abréviations Traduction Unité

Time To Ignition (TTI) Temps d’ignition s

Time to Flame Out (TTF) Temps d’extinction s

Total Heat Release (THR) Chaleur totale dégagée MJ.m-2

Total Heat Evolved (THE) Chaleur totale dégagée en phase gaz MJ.m-2.g-1

Peak of Heat Release Rate (pHRR) Pic de flux calorifique KW.m-2

Résidue Taux de résidu %