Développement et résistance au feu de revêtement intumescent à base de silicone : protection de l'acier en cas d'incendie

Development and resistance to fire of intumescent silicone based coating : fire protection of steel in simulated fire

• Auteur / Autrice : Bastien Gardelle
• Direction : Serge Bourbigot, Sophie Duquesne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 29/10/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse thermique

Transfert de chaleur

Graphite

Propriétés thermiques

Silicones

Intumescence (chimie)

Effets des hautes températures

Essais de comportement au feu

Acier

Mots clés libres

Silicones RTV

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est de développer des revêtements intumescents à base de résines de silicone pour la protection de l'acier en cas d’incendie. Les revêtements intumescents ont pour fonction d'assurer l'intégrité des structures en acier exposées au feu, ce métal perdant une grande partie de ses propriétés mécaniques au-dessus de 550°C. Les revêtements intumescents classiquement utilisés sont formulés à partir de résines organiques ce qui conduit à certaines limitations. Dans ce travail, des revêtements intumescents hybrides organiques-inorganiques à base de résines de silicone ont donc été développés. Dans un premier temps, il est montré que les résines silicones de types RTV (room temperature vulcanized) présentent les meilleures propriétés de barrière thermique. Par la suite, du graphite expansible a été incorporé en tant qu’agent gonflant à la résine silicone, pour permettre l'expansion du revêtement à haute température. Grâce à des interactions spécifiques entre le silicone et le graphite expansé, le revêtement obtenu présente d'excellentes propriétés de protection thermique. Ces résultats ont été attribués à ses propriétés de gonflement, à sa faible conductivité thermique à haute température et à la bonne cohésion du char développé. Des charges minérales supplémentaires ont ensuite été incorporées dans la formulation afin d'augmenter les propriétés mécaniques du char. Enfin, les paramètres essentiels régissant les propriétés de barrières thermiques des revêtements siliconés ont été mises en évidence. En jouant sur ces paramètres, il est possible de formuler des revêtements performants pour la protection de l'acier au cours d'un incendie.

The purpose of this Ph.D work is to develop intumescent coatings for the protection of steel against fire. The aim of this coating is to ensure the integrity of steel structure exposed to fire since steel loses more than 50% of its load capacity above 550°C. Intumescent coatings expand in case of fire leading to the formation of an insulative barrier limiting the heat transfer from the heat source to the substrate. Most of these coatings are organic based and thus exhibit some limitations. Thus, in this work, hybrid organic-inorganic coatings based on silicone resins were developed. In a first step, it is shown that room temperature vulcanized silicone rubber is the silicone matrix exhibiting the best insulative properties in fire scenarios. Expandable graphite is then used as blowing agent to make the silicone swell when exposed to fire. Due to several interactions between silicone and expandable graphite at high temperature, the coating exhibits excellent fire performance. This performance was attributed to the swelling properties, the low thermal conductivity at high temperature and the good cohesion of the developed char. Additional fillers such as calcium carbonate and organoclay are incorporated in the formulation to increase the mechanical properties of the char. Finally, the critical parameters governing the insulative properties of intumescent silicone coatings have been determined. Moreover, it was pointed out that it is possible to develop silicone coatings exhibiting better fire performance than commercial intumescent paint for the protection of steel against fire in both hydrocarbon and cellulosic fire scenarios.