Nouveaux multi-matériaux de protection contre le feu

Design of new fire protective multi-materials

• Auteur / Autrice : Laura Geoffroy
• Direction : Serge Bourbigot, Maude Jimenez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• 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

Stratifiés

Intumescence (chimie)

Composites -- Délaminage

Impression 3D

Ignifugation

Design

Essais de comportement au feu

Matériaux sandwichs

Mots clés libres

Fabrication additive

Résumé

Le feu peut causer de graves dégâts matériels et humains. Par conséquent, il est important de mettre au point de nouvelles protections contre le feu. Pour concevoir de nouveaux systèmes toujours plus efficaces, une approche scientifique innovante a été envisagée au sein de cette thèse. Elle consiste à combiner différents concepts et matériaux, tout en jouant sur leur design plutôt que leur formulation pour atteindre de meilleures propriétés de protection thermique. Ainsi, deux nouveaux multi-matériaux de protection contre le feu ont été élaborés, visant dans un cas à limiter la réaction au feu, et dans l’autre cas à augmenter la résistance au feu d’un substrat. Dans une première partie, la fabrication additive s’est révélée être un procédé de choix pour concevoir le matériau ayant une faible réaction au feu. Un design à structure sandwich original inspiré du vivant (nid d’abeille) a été conçu, imprimé en 3D, et optimisé par la combinaison de nombreux concepts (système inhibiteur d’oxygène, barrière physique, revêtement basse émissivité). Grâce à cette association de design et concepts, le multi-matériau, exposé à un flux de chaleur radiatif externe de 50 kW/m2 basé sur la norme ISO 13927 du cône calorimètre, a montré une très faible réaction au feu avec notamment une rapide extinction de flamme et un faible dégagement de chaleur total (inférieur à 10 kW/m2), témoignant de son excellente efficacité. Dans une seconde partie, un système faisant office de barrière thermique a été développé afin de protéger un substrat face à une exposition au feu de 116 kW/m2 (test « burn-through » représentatif du standard aéronautique ISO2685). Cette barrière, combinant les phénomènes d’intumescence et de délamination au sein d’un même design, a permis de réduire considérablement la propagation de la chaleur au sein du système. Le substrat a ainsi été protégé, avec une température en face arrière restant inférieure à 250°C après plus de 15 minutes d’exposition au feu. L’efficacité de ce système optimisé a ensuite été validée sur d’autres substrats. Cette étude prouve que la modification du design de divers matériaux constitue une voie prometteuse pour améliorer la performance des systèmes de protection contre le feu.

Fire can cause severe material damage as well as human casualties. The development of new fire protective systems is thus of prime importance. In order to conceive new and more efficient systems, an innovative scientific approach has been considered within this PhD work. It consists in combining various concepts and materials while changing their design rather than their chemistry to achieve superior fire protection. In this way, two novel fireproofing multi-materials were developed and aimed on the one hand to limit the reaction to fire, and on the other hand to increase the fire resistance of a substrate. In the first part, additive manufacturing was selected as a process of choice for designing a material with a low reaction to fire. An original bio-inspired sandwich design (honeycomb-like structure) was elaborated, 3D printed and optimized by the combination of numerous concepts (oxygen inhibitor system, physical barrier, low emissivity coating). Thanks to this association of design and concepts, the multi-material exposed to an external radiant heat flux of 50 kW/m2 based on the ISO 13927 standard of the mass loss cone calorimeter has shown a very low reaction to fire with a fast flame extinguishment and an extremely low total rate of heat release rate (less than 10 kW/m2) evidencing its outstanding efficiency. In a second part, a system acting as a fire barrier was developed to protect a substrate against a fire exposure of 116 kW/m2 (burn-through fire testing mimicking the aeronautical standard ISO2685). Intumescence and delamination phenomena were combined within the same design to elaborate this barrier. This new and optimized assembly dramatically reduces heat propagation and protects the substrate, its backside temperature remaining below 250°C after more than 15 minutes of fire exposure. The effectiveness of this fire barrier was finally tested on other substrates to extend its use. This study proves that modifying the design of various materials can be a promising way to design new and very effective fire protective systems.