Développement, caractérisation physico-chimique et dégradation thermique de nouveaux matériaux d'origine biologique.

Development, Physico-chemical characterisation and Thermal Degradation of new bio-based materials.

• Auteur / Autrice : Asih Melati
• Direction : Khaled Chetehouna, Mounir Sahli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• 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 : Président / Présidente : Philippe Supiot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Chetehouna, Philippe Supiot, Éric Guillaume, Laurent Ferry, Abdelhakim Settar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Guillaume, Laurent Ferry

Mots clés

Mots clés libres

Physico-Chimique

Dégradation thermique

Matériaux d'origine biologique

Cinetique

Cone calorimetre

Tga

Physico-Chemical

Thermal degradation

Bio-Based materials

Kinetics

Cone calorimetre

Tga

Résumé

Les conséquences néfastes pour l'environnement et les limitations de l'empreinte carbone résultant de l'utilisation extensive de produits à base de métal et de pétrole ont stimulé les efforts de développement de matériaux dérivés de ressources biosourcées. Par conséquent, les biocomposites verts (GBC) ont remplacé les matériaux traditionnels en raison de leurs caractéristiques environnementales durables. Cependant, malgré leurs nombreux avantages, les GBC ne sont pas largement adoptés dans les applications techniques en raison de leur stabilité thermique limitée et de leur résistance au feu inadéquate. Par conséquent, pour évaluer la résistance au feu de ces matériaux biosourcés, il est impératif de les soumettre à des essais industriels normalisés et à des protocoles de certification. Pour répondre à cette exigence, le GBC nouvellement développé, ainsi que ses configurations alternatives telles que la variation de la fibre (feuille de bananier et bambou), l'application de GBC ignifugé et l'ajout de poudre de remplissage SiC. Les caractérisations thermiques font l'objet d'essais à petite et moyenne échelle. L'objectif de ce travail est d'affiner la sélection des matériaux et l'ajout de charges qui feront ensuite l'objet d'essais à grande échelle, ce qui permettra d'optimiser l'utilisation des ressources. Dans le cadre de cette recherche, une analyse thermogravimétrique (TGA) a été réalisée pour étudier le comportement de décomposition thermique du GBC et un essai au colorimètre à cône pour examiner les propriétés de résistance au feu des différentes fibres, du GBC revêtu d'un retardateur de feu intumescent (IFR) et de l'ajout d'une charge de SiC sur le GBC. Les données de décomposition thermique sont ajustées en utilisant le modèle sans modèle (Friedman, Kissinger Akahira Sunose (KAS), Ozawa - Flynn - Wall (OFW) et le modèle basé sur Expanded Prout-Tompkins (Bna). Un coefficient de corrélation élevé de 0,999987 a été atteint et des paramètres cinétiques ont été obtenus. L'utilisation d'un calorimètre à cône a permis de mesurer le HRR, le MLR, le SPR, le TSP, la production de CO2 et de CO. Ces mesures ont joué un rôle important dans la compréhension de l'impact de l'IFR et de l'ajout de charges sur les performances du matériau à des niveaux élevés de flux de chaleur. La conclusion de ce travail est que la combinaison appropriée de l'IFR et de l'ajout de charges SiC améliore la stabilité thermique et la performance au feu du GBC en montrant la valeur de réduction de HRR, TSP, SEA et SPR. En outre, pour mieux comprendre le mécanisme ignifuge et l'incorporation de la charge SiC, une analyse de la microstructure a été effectuée en utilisant l'analyse SEM-EDX et FTIR pour détecter la présence de carbone, d'oxygène, de phosphore, de bore et d'azote dans les échantillons enduits d'ignifugeant.

The detrimental environmental and carbon footprint limitations resulting from the extensive utilization of metal and petroleum-based products have spurred efforts to develop materials derived from bio-based resources. Therefore, green bio composite (GBC) have replaced traditional materials due to their sustainable environmental attributes. However, despite their numerous advantages, GBCs are not widely adopted in engineering applications due to their limited thermal stability and inadequate fire resistance. Consequently, in order to assess the fire performance of these biobased materials, it becomes imperative to subject them to standardized industry testing and certification protocols. To address this requirement, the newly developed GBC, along with its alternative configurations such as the variation of the fibre (banana leaf and bamboo), the application of fire-retardant coated GBC and the addition of SiC filler powder. The thermal characterizations undergo small and medium-scale testing. The aim of this work is to narrow down the selection of materials and the filler addition that will subsequently undergo large-scale testing, thereby optimizing resource utilization. In this research endeavour, thermogravimetric analysis (TGA) has been performed to investigate the thermal decomposition behaviour of GBC and the cone colorimeter test to examine the fire performance properties of the variation of different fibre, the intumescent fire-retardant (IFR) coated GBC and the addition of SiC filler to the GBC. The thermal decomposition data is fitted using the model-free Friedman, Kissinger Akahira Sunose (KAS), Ozawa – Flynn – Wall (OFW) and model based Expanded Prout-Tompkins (Bna). Remarkably, a high corelation coefficient of 0.999987 is achieved, and kinetic parameters are obtained. The utilization of a cone calorimeter allowed for the measurement of HRR, MLR, SPR, TSP, CO2 and CO production. This measurement played a significant role in understanding the impact of IFR and filler addition on the material’s performance under high levels of heat flux. The conclusion of this work, the suitable combination of IFR and SiC filler addition enhances the thermal stability and fire performance of the GBC by showing the reducing value of HRR, TSP, SEA and SPR. In addition, to better understand the fire-retardant mechanism and SiC filler incorporation, microstructure analysis has been conducted using SEM-EDX and FTIR analysis to detect the presence of carbon, oxygen, phosphorus, boron, and nitrogen in the fire-retardant coated samples.