Polypropylène expansé ignifugé pour des applications dans les véhicules électriques : conception et mécanisme d’action

Flame retardant expanded polypropylene for applications in electric vehicles : design and mechanism of action

• Auteur / Autrice : Melvin Dilger
• Direction : Maude Jimenez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Duquesne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Olivier Bussière, Séverine Bellayer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Baljinder K. Kandola, Laurent Ferry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Véhicules électriques

Mousses plastiques

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Ignifugeants

Essais de comportement au feu

Polypropylène

Mots clés libres

Polypropylene expansé

Test feu vertical UL 94

Flame retardancy

Expanded polypropylene

UL-94 vertical

Surface functionalization

Flame retardant coating

Electrical vehicles

Résumé

Aujourd'hui, le secteur des transports est en pleine mutation avec la transition des véhicules thermiques vers les véhicules électriques. Par conséquent, les matériaux largement utilisés dans les véhicules, tels que le PPE, doivent également évoluer en raison d'exigences plus strictes en matière de propriétés ignifuges.Dans cette thèse, trois approches ont été envisagées pour améliorer les propriétés ignifuges du PPE et atteindre une classification V0 lors du test vertical UL-94, selon les trois différentes étapes de fabrication du PPE. Ces étapes sont : (1) le mélange du polypropylène (PP) avec divers additifs par un processus d'extrusion, (2) l'expansion du PP formulé, et (3) le moulage des billes de PPE dans la forme désirée. Avant d'étudier les différentes approches d'ignifugation de l'EPP, le test feu vertical UL-94 a été instrumenté afin d'en obtenir plus d'informations et de mieux comprendre les propriétés feux des différents matériaux. Les différentes approches envisagées ont été les suivantes : (1) l'incorporation de retardateurs de flamme (RF) et d'agents de synergie dans la matrice de PP avant l'expansion, il s'agit de l'approche la plus courante. Dans cette approche, la comparaison entre différent RF ayant des modes d'action différents (RF intumescent, générateur de radicaux libres, etc.) a été plus particulièrement étudiées. Une optimisation de la combinaison des RF et une étude de l'influence du mode de fabrication (étape d'expansion) ont été nécessaire. En effet, en raison de la grande quantité nécessaire et de leur potentiel rôle d'agents de nucléation, les RF peuvent perturber l'expansion du PP. Le mécanisme d'action des RF choisis a été étudié avant et après l'étape d'expansion. Il s'avère que l'étape d'expansion est une étape très complexe pour la conservation des propriétés feu qui a induit l'étude d'approches alternatives pour la validation de concept différents. L'alternative (2) concerne l'application d'un revêtement ignifuge sur les billes de PPE (avant le moulage) et la (3), l'application d'un revêtement ignifuge sur la pièce finale moulée (barreaux de PPE). Cependant, ces approches présentent également certains inconvénients. En effet, le PPE présente de faibles propriétés adhésions car il ne possède pas de groupes fonctionnels. Ainsi, une optimisation par traitement plasma est nécessaire pour augmenter l'adhésion du PPE. Plusieurs revêtements ignifuges ont été appliqués en surface et le moulage des billes de PPE revêtues a été étudiée. Les propriétés ignifuges des billes de PPE moulées revêtues et des barreaux de PPE revêtues ont été étudiées en utilisant le test vertical UL-94.

Today the sector of transport is changing with the transition from thermal vehicles to electrical vehicles. Thus, the materials widely used in vehicles as EPP also have to change due to higher requirements in terms of fire properties.In this thesis, three approaches were considered to increase the fire properties of EPP and reach a V0 rating at UL-94 vertical test, according to the three steps of manufacturing EPP. In fact, to manufacture EPP, three steps are necessary: (1) the polypropylene (PP) is melt blended with various additives via an extrusion process, (2) the blended PP is expanded, i.e. an expansion gas is introduced into it to form EPP beads and (3) the EPP beads are then molded into the desired shape. Before investigating the different approaches, the UL-94 vertical test was instrumented in order to obtain more information and have a better understanding in terms of fire properties. The different approaches considered were: (1) incorporating flame retardants and synergists into the PP matrix before expansion, this is the most common approach. This approach was deeply investigated with a comparison between several FRs with different modes of action (intumescent FR, free radical generator, etc), an optimization of the most efficient FRs combination and a study of the influence of industrial manufacturing, especially the expansion step. Indeed, the FRs can disrupt the foaming processability (expansion step), due to the high amount of FRs needed and the fact that FRs can play the role of nucleating agents. Moreover, the mechanism of action of the chosen FRs was studied before and after the expansion step. To counter the complexity of the expansion step in the approach (1), alternative approaches were studied in order to validate others concept. The alternative (2), applying a flame-retardant coating on the EPP beads (before molding) and (3) applying a flame-retardant coating to the molded final piece (EPP bars). However, these approaches have also some drawbacks. Indeed, the EPP has poor adhesion properties because it has no functional groups. Thus, an optimization of a plasma treatment was needed in order to increase the adhesion of EPP. Several flame retardant coatings were applied on the surface and the moldability of the coated EPP beads was studied. Finally, the fire properties at UL-94 vertical test of the molded coated EPP beads and coated EPP bars were studied.