Développement de méthodologies destinées à améliorer la conception de nouvelles formulations de polymères ignifugés pour le gainage de câble

Development of methodologies to improve the design of new flame retardant polymer formulations for cable sheathing

• Auteur / Autrice : Mathieu Vangrevelynghe
• Direction : Laurent Ferry, Rodolphe Sonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PCH Polymères, composites, hybrides - Polymères Composites et Hybrides / PCH - IMT Mines Alès
• Jury : Président / Présidente : Thomas Rogaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Ferry, Rodolphe Sonnier, Maude Jimenez, Henri Vahabi, Giovanni Camino
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thomas Rogaume, Maude Jimenez

Mots clés

Mots clés libres

Polymères

Ingnifugation

Gainage

Câble

Formulation

Flame retardant

Polymer

Sheathing

Formulation

Cable

Résumé

Les câbles font l'objet d'une réglementation stricte concernant leur réaction au feu. Depuis qu’ils sont concernés par la réglementation des produits de construction, des normes ont été mises en place pour caractériser le comportement au feu des câbles avant leur commercialisation. De précédents travaux menés au sein du laboratoire ont permis de montrer qu'il existait des corrélations entre certains paramètres déterminants du test EN50399 (test vertical de réaction au feu grande échelle sur faisceaux de câbles) et des grandeurs mesurées à petite échelle au cône calorimètre. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodologies permettant d’aider à la conception de nouvelles formulations de gaine de câble. Pour cela, de nombreux câbles de structures différentes, ont été testés au cône calorimètre. Cet essai est sensible à la structure des câbles, et l'intervalle de temps entre les pics de débit calorifique mesurés au cône calorimètre apparait comme une caractéristique descriptive du comportement des câbles à grande échelle. Ces analyses ont permis d’appliquer une méthode de prédiction du test EN50399 à partir des données obtenues à l’essai cône calorimètre sur câble. Pour étudier uniquement l’influence de la matière de gaine sur le comportement au feu, différentes formulations ont été développées et utilisées comme matière de gainage sur une âme de référence. La caractérisation multi échelle de ces formulations a permis de mettre en évidence l’importance de certains paramètres, tels que le temps d’ignition au cône calorimètre ou la résistance du char sur le comportement à grande échelle des câbles. De plus, la reconstruction de la courbe cône calorimètre sur câble par combinaison des courbes gaine et âme permet de déterminer des coefficients qui donnent une évaluation de l’efficacité du système retardateur de flamme. Aussi, une amélioration de la méthode de prédiction a été proposée avec des résultats prometteurs sur la faculté à prédire le bon Euroclasse des câbles. Enfin, une méthode pour quantifier l'effet des retardateurs de flamme en phase condensée a été proposée en utilisant les résultats issus du microcalorimètre de combustion notamment.

Electrical cables are subject to a strict regulation regarding their fire reaction. Since their entry into the Construction Products Regulation (CPR), cables intended for permanent installation in building structure must be evaluated in accordance with several standards. Previous works has highlighted some correlations between the EN 50399 test and the characteristics of cables but also with small-scale fire test like cone calorimetry.The objectives of the thesis were to verify and improve an analytical method developed in order to predict the fire rating in the large-scale cables test from cone calorimeter cables test. This prediction is an important tool in order to improve the development process of new sheath materials for the partner company. The reliability of the method was evaluated with a panel of cables with various structures (diameter, sheath thickness, shielding...) and correlations were established between the cone calorimetry test and the parameters resulting from the large-scale test. Particularly, the sheath's thickness, and the interval time between peaks of heat release rate measured with cone calorimetry appear to be descriptive characteristics of the large-scale behaviors. Based on this assessment, various flame-retardant polymer compounds have been developed and used as sheathing materials on the same reference core in order to only evaluate the influence of the sheath on the fire behavior of the cable. Then, the ability of flame-retardants to retard ignition or to develop a resistant char plays an important role in the large-scale behavior of cables. In addition, the multi scale characterization and the correlations between tests carried out on the compounds alone and in the form of sheath on cable enabled us to improve the prediction analytic model. Moreover, a new method to quantitively assess the condensed phase mode of action of flame retardant has been proposed by combining some parameters from Pyrolysis Combustion Flow Calorimetry.