Étude expérimentale à petite et à moyenne échelles du comportement au feu de biomatériaux composites verts

Small and medium scale experimental study of the fire behavior of green composite biomaterials

• Auteur / Autrice : Madiha Rashid
• Direction : Khaled Chetehouna, Nicolas Gascoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 02/03/2022
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Chetehouna, Nicolas Gascoin, Marianne Cochez, Thomas Rogaume, Paul-Antoine Santoni, Philippe Supiot, Abdelhakim Settar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marianne Cochez, Thomas Rogaume
• DOI : 10.70675/7cb0ef60z77c3z4ce7z93aeze1c3247b1dd8

Mots clés

Mots clés libres

Biocomposite vert

Touffetage

Ignifuge

Décomposition thermique

Cône calorimètre

Green biocomposite

Tufting

Fire retardant

Thermal decomposition

Cone calorimeter

Résumé

Les impacts environnementaux négatifs causés par l'utilisation massive de produits dérivés du pétrole ont stimulé la recherche vers la fabrication de matériaux à base de ressources biologiques. Par conséquent, les matériaux traditionnels ont été remplacés par des biocomposites verts (GBC) en raison de leurs mérites environnementaux. Malgré de multiples avantages, l'utilisation commerciale des GBC est toujours impopulaire dans les applications d'ingénierie en raison de la faible stabilité thermique et de la faible résistance au feu. C'est pourquoi, afin de valider les performances au feu de ces matériaux biosourcés, il est nécessaire de certifier leurs performances selon les normes acceptées par les industries lorsqu'elles sont soumises au feu. Pour atteindre cet objectif, le GBC nouvellement développé et ses configurations dérivées, c'est-à-dire le GBC touffeté et le GBC à revêtement ignifuge, sont testés à petite et moyenne échelle pour affiner le choix du matériau à tester à grande échelle, ce qui aiderait à optimiser l'utilisation des ressources. Dans cette démarche de recherche, l'ATG (TGA) a été utilisée pour étudier le comportement de décomposition thermique du GBC et le phénomène de protection thermique des échantillons de GBC avec un revêtement ignifuge à petite échelle (milligramme). Le modèle étendu de Prout−Tompkins (Bna), principalement utilisé dans la cinétique de réaction à l'état solide, a ajusté les données de décomposition thermique sous atmosphère inerte et oxydante avec un coefficient de corrélation élevé de 0,99972, ainsi un triplet cinétique a été obtenu. Les produits de pyrolyse émis sont identifiés à l'aide de Py-GC-MS pour déterminer les limites inférieures d'inflammabilité du GBC. Les mesures de HRR, MLR, SPR, CO et CO2 réalisées à l'aide d'un cône calorimètre ont fourni des informations essentielles sur l'effet du touffetage et du revêtement ignifuge sur les performances du matériau lorsqu'il est soumis à un flux de chaleur élevé. Les observations visuelles des échantillons à petite échelle sous SEM et les analyses d'images des échantillons soumis au cône calorimètre ont aidé à choisir la meilleure formulation ignifuge pour protéger le matériau sous-jacent. L'analyse XPS a été utilisée pour identifier la présence de carbone, d'oxygène, de phosphore, de bore et d'azote dans les échantillons avec un revêtement ignifuge.

Adverse environmental impacts caused by massive use of petroleum-derived products stimulated the research towards making the material of bio-based resources. Therefore, traditional materials were replaced by green biocomposites (GBC) due to their environmental merits. Despite multiple benefits, the commercial use of GBCs is still unpopular in engineering applications due to low thermal stability and poor fire resistance. Therefore, in order to validate the fire performance of these biobased materials it is necessary to certify their performance according to accepted standards by industries when subjected to fire. To serve this purpose, the newly developed GBC, and its other configurations i.e., tufted GBC and fire retardant coated GBC are tested at small and medium scale to narrow down the choice of material to be tested at large scale, which would help in optimising the use of resources. In this research endeavour, TGA was employed to study the thermal decomposition behaviour of GBC and fire protection phenomenon of the fire-retardant coated GBC specimens at small scale (milligrams). Expanded Prout−Tompkins (Bna) model, mostly used in solid-state reaction kinetics, fitted the thermal decomposition data, under inert and oxidative atmosphere, with a high correlation coefficient of 0.99972 and kinetic triplet was obtained. The pyrolysis products emitted are identified using Py-GC-MS to determine the lower flammability limits of GBC. Cone calorimeter measurements of HRR, MLR, SPR, CO and CO2 provided essential insight into the effect of tufting and fire retardant coating on the performance of material under high heat flux. The visual observations of small-scale samples under SEM and image analyses of cone calorimeter samples assisted in choosing the best fire retardant formulation to protect the underlying material. XPS analysis was used to identify the presence of carbon, oxygen, phosphorus, boron, and nitrogen in fire-retardant coated samples.