Matériau intumescent

Le concept d’intumescence a été dans un premier temps appliqué à des revêtements de type peinture avant d’être très vite élargi aux matrices polymères.

Les systèmes intumescents classiques sont des matériaux qui, sous l’effet d’un flux thermique, forment à leur surface un « char » dont la structure alvéolaire lui confère une faible conductivité thermique, ce qui limite les transferts de chaleur. Cette barrière protectrice diminue également la vitesse de diffusion des gaz issus de la pyrolyse du polymère vers la zone de combustion ainsi que la vitesse de décomposition du matériau. Sur le plan chimique, le polymère ou ses produits de décomposition réagissent avec certains composants du matériau[4]^,[5].

Outre la matrice polymère, les formulations d’intumescents classiques comportent en général les ingrédients suivants[4]^,[5] :

• Un acide (acide borique, acide phosphorique, acide sulfurique) ou une source d'acide organique (phosphates d’urée, phosphates de mélamine) ou inorganique (borates d’ammonium, phosphate d’ammonium, phosphate de diammonium, polyphosphate d’ammonium, sulfate d’ammonium).
• Un composé source de carbone, généralement un polyalcool susceptible de se déshydrater tel que le pentaérythritol, un sucre simple (arabinose, maltose) ou un polysaccharide (cellulose, amidon).
• Un agent gonflant générant des gaz non combustibles sous l’effet de la chaleur tel que la mélamine (NH₃, H₂O, CO₂), la guanidine (NH₃, H₂O, CO₂) ou l’urée (NH₃, H₂O, CO₂).

En général, une formulation intumescente comporte un composé appartenant à chacune des trois classes précédentes, néanmoins certains composés peuvent remplir plusieurs fonctions. Par exemple, le polyphosphate d’ammonium peut à la fois jouer le rôle de source d’acide (libération d’acide phosphorique à des températures comprises entre 150°C et 250°C) et d’agent gonflant (libération d’ammoniac). En outre, l’association des trois ingrédients ne conduit pas nécessairement à un phénomène d’intumescence, dans la mesure où il est nécessaire que les processus physico-chimiques conduisant à la formation du char se déroulent dans une séquence appropriée tandis que la température augmente.

Sous l’effet de la chaleur, des réactions d'estérification ont lieu entre les acides ou leurs précurseurs et les polyalcools. Ces réactions entrainent une libération d’eau et la formation de structures polycycliques qui se décomposent par la suite pour former des doubles liaisons. Les agents gonflants se décomposent également pour libérer des gaz non combustibles. Le polymère forme à la surface une peau empêchant les gaz de s’échapper. Enfin, des réactions de Diels-Alder génèrent des structures aromatiques par condensation de chaines polymères dotées de doubles liaisons, ce qui conduit à la formation du char par rigidification de la mousse formée à la surface du matériau. La couche en expansion protège le substrat d’une décomposition sous-jacente sous l’effet de la chaleur et son épaisseur peut être 50 à 100 fois supérieure à celle de la couche originale[3].

Les systèmes intumescents à base de composés minéraux expansibles sont des matériaux comportant dans leur formulation un composé minéral dont la structure est constituée de feuillets, tels que le graphite ou un silicate alcalin, et une source de gaz non combustibles, telle qu’un agent d’intercalation pour le graphite expansible ou de l’eau pour les silicates alcalins.

Les systèmes intumescents à base de graphite expansible comportent entre les feuillets de graphites des agents d’intercalation. Sous l’effet de la chaleur, ces molécules se décomposent en générant des gaz, ce qui écarte les feuillets les uns des autres et entraine l’expansion des particules de graphite jusqu’à 300 fois leur volume initial. L’acide sulfurique est un exemple d’agent d’intercalation couramment utilisé. Sa décomposition et une réaction redox avec le carbone aboutit à la formation d’eau, de dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre gazeux responsables de l’expansion. Exposé à une flamme, le graphite expansible produit une couche de graphite expansé isolante à la surface du matériau, ce qui le protège de la chaleur et empêche la diffusion de produits de décomposition gazeux et combustibles du polymère susceptibles d’alimenter la flamme[5].

Les systèmes intumescents à base de silicates alcalins se composent d’un silicate soluble de métal alcalin tel que le silicate de sodium et d’eau sous forme libre ou liée par des liaisons hydrogène à des groupes silanol situés à la surface des feuillets de silicate. Cette eau est libérée à des températures inférieures à 130°C ou même à température ambiante. A plus haute température (entre 130°C et 200°C), l’eau liée aux cations en solution est libérée sous forme gazeuse, ce qui participe à l’expansion du système. Par la suite (entre 200°C et 500°C), les feuillets de silicate de sodium se déshydratent et réticulent avant de fondre à environ 900°C pour former un verre de silicate de sodium. Ce type de système intumescent est utilisable pour la production de verres ignifugées dont la structure se composent d’une alternance de feuillets de verre et de feuillets de silicate alcalin hydraté[6].

Les principaux tests de réaction au feu sont l'essai UL 94, la mesure de l'indice limite d'oxygène et la mesure du débit calorifique.

L'essai UL 94 est une méthode de mesure de l'inflammabilité d'un matériau développée par Underwriters Laboratories (UL) et faisant l'objet de la norme NF EN 60695-11-10[8]. Ce test permet d'établir un classement qualitatif des matériaux en fonction de leur inflammabilité.

Contrairement à l'essai UL 94, la mesure de l'indice limite d'oxygène (LOI pour Limiting Oxygen Index) est un test quantitatif permettant d'évaluer l'inflammabilité d'un matériau. Cet indice est la concentration minimale de dioxygène (O₂) dans un mélange de dioxygène et de diazote (N₂) permettant d'entretenir la combustion d'un échantillon pendant une durée spécifiée, ou jusqu'à ce qu'une quantité déterminée de matière soit consumée. La mesure du LOI est normalisée en tant que ISO 4589-1 et ISO 4589-2[9].

La mesure du débit calorifique (quantité de chaleur produite par la combustion d'une unité de masse d'un combustible par unité de temps) d'un matériau est effectuée à l'aide d'un calorimètre à cône. Cet essai décrit dans la norme ISO 5660-1[9] est le plus souvent utilisé pour étudier le comportement au feu des polymères.

Les précisions relatives à la résistance au feu des matériaux de construction ignifugés sont régies par des normes techniques qui sont compilées et publiées par des organismes spécialisés, nationaux ou internationaux, tels que BSI British Standards, l’institut allemand de normalisation (DIN), ASTM International ou l’Organisation internationale de normalisation (ISO).

Les revêtements intumescents pour les constructions en acier doivent satisfaire les exigences de tests de résistance au feu standardisés. Les plus importants de ces tests sont cités ci-dessous :

• Union européenne : EN 13381-8

• Royaume-Uni : BS 476
• Etats-Unis : ASTM E119, UL 1709
• Russie : VNIIPO
• Chili : NCh 1974
• Chine : GB 14907/CNS 11728
• Corée du Sud : KS F2257 1,6,7
• Taiwan : CNS 11728