Tests d'ignifugation des matériaux polyoléfiniques
Le caractère ignifuge des matériaux est principalement évalué en termes d’inflammabilité, de propagation de la flamme et de dégagement de chaleur. Généralement, les normes d'évaluation et de test des performances ignifuges sont largement cohérentes pour les différents types de matériaux ignifuges. Lors de la combustion de matériaux polyoléfiniques, en raison de leur tendance à produire des gouttes de fusion, leurs performances de propagation de la flamme deviennent le facteur le plus critique. La propagation de la flamme est généralement testée par des méthodes de combustion horizontales et verticales. Cependant, pour les matériaux polyoléfiniques, la combustion verticale a tendance à être plus intense que la combustion horizontale, produisant davantage de gouttes enflammées. Par conséquent, dans la production et l’application de produits en polyoléfine, les utilisateurs finaux sont également davantage préoccupés par les performances de combustion verticale des polyoléfines ignifuges.
De nombreuses normes internationales et nationales ont été établies pour tester les performances des matériaux ignifuges. Ce chapitre présentera plusieurs méthodes de test en laboratoire simples, pratiques et les plus couramment utilisées pour évaluer le caractère ignifuge des matériaux polyoléfiniques.
I. Test UL-94
Underwriters Laboratories a établi la méthode de test UL-94 pour évaluer l'inflammabilité des pièces en plastique utilisées dans les équipements et les appareils électriques.
UL-94 est une norme de test qui se concentre principalement sur l'inflammabilité et la propagation des flammes des plastiques et a été adoptée comme méthode de test standard par de nombreux pays. Cette méthode de test comprend cinq procédures de test et catégories de notation :
1. Test de combustion horizontale pour les plastiques : indice HB.
2. Test de combustion verticale pour les plastiques : classement V-0, V-1 ou V-2.
3. Test de combustion verticale de 500 W (125 mm) : indice 5 VA ou 5 VB.
4. Test de propagation de la flamme du panneau radiant : test de combustion verticale de matériaux minces, classement VTM-0, VTM-1 ou VTM-2.
5. Test de combustion horizontale d'échantillons de mousse de plastique : classement HBF, HF-1 ou HF-2.
La section suivante se concentre sur le test de combustion verticale du plastique le plus couramment utilisé.
Le test de combustion verticale UL-94 est l'une des méthodes de test d'inflammabilité du plastique développées par Underwriters Laboratories, largement adoptées à l'échelle internationale. Il peut indiquer les caractéristiques d'inflammabilité, d'égouttement et d'auto-extinction des échantillons dans des conditions de test spécifiées. Dimensions standard de l'échantillon : 3,2 mm (ou 2,4 mm, ou 1,6 mm ou 0,8 mm) × 12,7 mm × 127 mm. Chaque ensemble se compose de 5 spécimens. Chaque spécimen est enflammé deux fois, chaque allumage durant 10 secondes. Après avoir retiré la source d'inflammation, les temps de flamme et après la combustion de la flamme sont enregistrés, ainsi que la production éventuelle de gouttes enflammées. Pour obtenir un indice V-0, le temps de combustion enflammée de chaque échantillon après chaque allumage ne doit pas dépasser 10 secondes. Pour V-1 ou V-2, elle ne doit pas dépasser 30 secondes. Pour le deuxième allumage, pour atteindre V-0, le temps de combustion enflammée après éloignement de la flamme ne doit pas dépasser 30 secondes. Pour V-1 ou V-2, elle ne doit pas dépasser 60 secondes. Pour obtenir une cote V-0, la durée totale de combustion des flammes pour les 5 échantillons après 10 allumages ne doit pas dépasser 50 secondes. Pour V-1 ou V-2, elle ne doit pas dépasser 250 secondes. Aucun échantillon ne doit présenter une flamme ou une combustion par flamme jusqu'à la pince de maintien. Pour obtenir un classement V-0 ou V-1, il ne doit y avoir aucune inflammation du coton chirurgical par des particules qui s'égouttent. Sinon, la note est V-2. La note correspondante n'est attribuée que si les cinq exigences répondent aux critères minimaux de ce niveau.
II. Test d'indice limite d'oxygène
La méthode d'indice limite d'oxygène (LOI) est un test couramment utilisé pour évaluer l'inflammabilité des matériaux polyoléfiniques. L'échantillon est monté verticalement dans une colonne de combustion et un mélange d'oxygène et d'azote le traverse vers le haut. Le dessus du spécimen est enflammé. Si l'échantillon ne s'enflamme pas dans les 30 secondes, la concentration en oxygène augmente. Une fois une combustion stable obtenue, la source d’inflammation est retirée et le temps de combustion et la durée de l’échantillon sont observés simultanément. Si la durée de combustion dépasse 3 minutes ou si la longueur de combustion dépasse 5 cm, le test est répété avec un nouvel échantillon à une concentration en oxygène plus faible. En fin de compte, la concentration minimale d'oxygène (exprimée en pourcentage volumique d'oxygène dans le mélange) qui permet simplement une combustion régulière, lorsque l'échantillon s'éteint dans les 3 minutes après le retrait de la source d'inflammation ou que la longueur de combustion ne dépasse pas 5 cm, est déterminée. Cette valeur est l'indice d'oxygène du matériau. Bien que l’environnement de test LOI ne simule pas entièrement les conditions réelles d’incendie, il fournit des valeurs numériques spécifiques. Ceci est plus avantageux pour évaluer les différences de retardateur de flamme entre des échantillons modifiés avec différentes formulations ignifuges basées sur la même résine de base. La méthode Limiting Oxygen Index est une méthode de sélection idéale pour évaluer des échantillons ou des formulations ignifuges.
III. Méthode de test du calorimètre à cône
La méthode de test du calorimètre à cône (CONE) permet d'obtenir de nombreux paramètres de performance de combustion grâce à la combustion à petite échelle d'échantillons de matériaux. Il fournit une valeur de référence significative pour l’étude des mécanismes ignifuges des polyoléfines ignifuges modifiées. Son principe est basé sur la consommation d'oxygène, c'est-à-dire que la chaleur dégagée lors de la combustion du matériau est toujours proportionnelle à la quantité d'oxygène consommée lors du processus de combustion. L'instrument s'appelle un calorimètre à cône, du nom de la forme du radiateur conique. Il s'agit d'un appareil de nouvelle génération permettant de déterminer les performances de combustion des matériaux polymères, basé sur le principe de mesure des changements de consommation d'oxygène dans le système de combustion avant et après les tests. Divers paramètres de combustion de matériaux combustibles dans les incendies peuvent être obtenus à partir du CONE, notamment le taux de dégagement de chaleur (HRR), la chaleur totale dégagée (THR), la chaleur effective de combustion (EHC), les paramètres de fumée et de toxicité et le taux de perte de masse (MLR), entre autres. Les modifications de ces paramètres peuvent simuler l’impact de différents matériaux sur l’environnement et les individus piégés dans des incendies réels.
Le taux de dégagement de chaleur fait référence au taux de chaleur dégagée par unité de surface de l'échantillon, mesuré en kW/m². Le CONE fournit le changement dynamique du HRR au fil du temps pendant le processus de combustion des matériaux polymères. La valeur maximale du HRR est le taux de dégagement de chaleur maximal (PHRR).
Le HRR est l’un des paramètres de comportement en combustion les plus importants. Son ampleur reflète l'intensité de la combustion du matériau. Un HRR ou PHRR plus élevé indique une plus grande capacité du feu à rayonner de la chaleur vers l'environnement. D’une part, cela peut causer des brûlures plus importantes aux personnes piégées. D'autre part, le dégagement de chaleur intense et rapide est renvoyé à la surface du matériau polyoléfinique, accélérant le taux de décomposition thermique de la résine de base, générant ainsi des petites molécules gazeuses plus volatiles. Ces gaz peuvent provoquer un empoisonnement ou une suffocation des personnes piégées, et leur inflammabilité accélère la propagation des flammes. Par conséquent, la réduction du HRR et du PHRR des matériaux polyoléfiniques sera la méthode la plus efficace pour réduire les risques liés aux matériaux lors d'incendies réels.
La chaleur totale dégagée est la chaleur totale dégagée par unité de surface de matériau du début à la fin de la combustion, mesurée en MJ/m². Pour la chaleur efficace de combustion de la partie volatile, un THR plus élevé indique que le matériau polyoléfinique libère plus de chaleur pendant le processus de combustion global, ce qui signifie un plus grand risque d'incendie du matériau polyoléfinique. Si le HRR reflète les caractéristiques d'embrasement et de propagation de l'échantillon d'essai, alors le THR reflète la persistance de l'échantillon d'essai pendant la combustion.
La chaleur effective de combustion fait référence au rapport entre la chaleur dégagée mesurée et la perte de masse à un moment donné, c'est-à-dire la chaleur unitaire libérée lorsque les petites molécules de gaz volatiles produites lors de la décomposition thermique brûlent, mesurée en MJ/kg. Pendant la combustion, lorsque la valeur EHC de l'échantillon d'essai se stabilise, cela suggère que le matériau modifié utilise probablement un retardateur de flamme en phase condensée, empêchant la libération et l'échappement de petites molécules de gaz inflammables et réduisant leur degré de combustion dans la flamme.
Les calorimètres à cône sont généralement équipés d'appareils de mesure des fumées. Ils peuvent tester des paramètres tels que la zone d'extinction spécifique (SEA, m²/kg, la zone d'extinction de la fumée libérée par unité de masse d'échantillon pendant la combustion), la production totale de fumée (TSP, m³/m², le volume de fumée libérée par unité de surface de matériau), le taux de production de fumée (SPR, m²/s, la zone d'extinction de la fumée produite par unité de temps pendant la combustion) et les concentrations de gaz toxiques et nocifs comme le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone. Les paramètres de fumée et de toxicité ne sont pas nécessairement liés aux valeurs HRR. Cependant, le dégagement massif de fumée lors d'incendies réels constitue un facteur crucial affectant la fuite du personnel et les efforts de sauvetage des pompiers. Ils constituent donc un autre aspect important pour évaluer le danger des matériaux lors d’incendies réels.
Le taux de perte de masse est le taux de changement de masse d'un matériau polymère pendant la combustion, mesuré en g/s. Il reflète le taux de décomposition thermique, la volatilisation et le degré de combustion du polymère sous une certaine intensité de combustion. Une valeur inférieure indique une production moindre de gaz volatils à petites molécules dus à la combustion et à la chaleur radiante d'un incendie, réduisant ainsi les dommages potentiels causés par le matériau.
Le test de calorimétrie conique pour les résines polyoléfines est effectué conformément à la norme GB/T 16172-2007, en utilisant des échantillons de dimensions 100 mm × 100 mm × 10 mm.
IV. Conclusion
Les tests d'ignifugation des polyoléfines sont une compétition rigoureuse « basée sur les données » : de la combustion verticale UL-94 à l'indice limite d'oxygène, en passant par les courbes de dégagement de chaleur et de fumée du calorimètre à cône, chaque étape quantifie le véritable indice de sécurité du matériau. La sélection de la bonne méthode de test et la compréhension des mécanismes de combustion derrière les données sont essentielles pour trouver l'équilibre optimal entre efficacité et coût pour les formulations sans halogène, transformant véritablement les polyoléfines « inflammables » en barrières de sécurité « ignifuges ».
