Comment le retardateur de flamme PAPP améliore la résistance au feu du polyéthylène (PE)
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Le polyéthylène (PE) continue d'être l'un des polymères les plus populaires dans les industries mondiales. Caractérisé par une haute résistance chimique, une excellente aptitude à la transformation et un faible coût, le PE est largement utilisé dans diverses industries, notamment l'emballage, la tuyauterie, le câblage et le gainage de fils, et autres. Mais il existe un inconvénient du polyéthylène : il est hautement inflammable. En cas de surchauffe ou de contact direct avec le feu, le PE non modifié brûle très rapidement.
Pour rendre le polyéthylène applicable à certaines industries critiques, il est nécessaire de le modifier avec un retardateur de flamme efficace. Parmi les nouveaux matériaux, le pyrophosphate de pipérazine (PAPP) attire une attention considérable de la part des fabricants de polyoléfines en raison de sa capacité à augmenter la résistance au feu du PE sans utiliser de composés halogénés. L'analyse des principes d'action des modifications du PE avec le retardateur de flamme PAPP, de leurs avantages et du choix des mélanges appropriés peut aider à sélectionner le bon matériau.
Pourquoi le polyéthylène a-t-il besoin d'une modification ignifuge ?
Les défis d'inflammabilité des matériaux en polyéthylène
Le PE est composé uniquement de chaînes hydrocarbonées. Sur le plan chimique, en raison de la nature du matériau, il devient similaire à un combustible solide en termes de réaction à une flamme nue, car une fois enflammé, les longues chaînes se décomposent en hydrocarbures inflammables qui continuent à alimenter le feu.
Il existe trois dangers majeurs associés à l'utilisation de polyéthylène non modifié dans des conditions d'incendie :
- Propagation rapide du feu : Le feu se propage rapidement sur la surface en quelques secondes.
- Égouttement : Pendant le processus de combustion, le polyéthylène s'égoutte sous forme de gouttelettes liquides qui déclenchent un autre incendie ailleurs dans l'installation.
- Production de chaleur : le PE brûle en libérant de grandes quantités de chaleur, ce qui augmente la difficulté à éteindre le feu.
Il est d'une importance capitale pour les formulateurs travaillant avec le système d'additifs ignifuges de contrôler l'effet d'égouttage ainsi que de réduire la vitesse de combustion en surface.
Applications où la résistance au feu du PE est importante
En raison de cela, le PE de qualité standard ne convient pas aux applications soumises à des normes strictes de construction ou électriques. L'ajout d'ignifuges au PE est nécessaire dans les domaines clés suivants :
- Gaines de câbles et fils : Les câbles utilisés dans les lignes électriques, les câbles de télécommunication et les fils de commande doivent avoir des gaines auto-extinguibles pour empêcher la propagation des flammes le long des chemins de câbles.
- Emballage et stockage industriels : Les grands fûts ou films de protection dans le transport de produits chimiques ou électroniques doivent pouvoir résister à l'inflammation.
- Plastiques de construction : les films ou feuilles pour la construction qui sont installés à proximité d'une source de chaleur doivent respecter les réglementations incendie.
- Enceintes électriques et composants internes : les appareils modernes doivent avoir des enceintes qui ne peuvent pas brûler en cas de court-circuit à l'intérieur de l'appareil.
- Composants automobiles et de transport : les films pour recouvrir les câbles et les composants dans l'automobile et d'autres formes de transport doivent être additionnés de retardateurs de flamme.
La plupart de ces applications nécessitent que le produit final satisfasse à diverses normes de résistance au feu, comme laTest de combustion verticale UL-94 (V-0 ou V-1) ou test LOI.
Comment le retardateur de flamme PAPP améliore-t-il la résistance au feu du PE ?
Formation d'une couche de charbon protectrice pendant la combustion
Le PAPP agit principalement comme un retardateur de flamme intumescent (IFR). Les intumescents fonctionnent par expansion et création d'une barrière physique à la surface du polymère lors de l'exposition à la chaleur. La présence de phosphore et d'azote dans le PAPP rend ce processus unique en deux étapes.
Lors de l'introduction de chaleur dans un mélange de PE avec du PAPP, le composant phosphoré se décompose en acide polyphosphorique. L'acide provoque la déshydratation du polymère pour créer un charbon carboné épais. Le composant azoté, quant à lui, libère des gaz non combustibles comme l'azote gazeux et la vapeur d'eau. Ces gaz font gonfler le charbon mou pour former une barrière protectrice.
La barrière protectrice offre trois avantages majeurs :
- Isolation thermique : protège le cœur interne de la résine PE non brûlée de la chaleur externe.
- Barrière à l'oxygène : agit comme une barrière physique pour protéger la zone de combustion de l'oxygène atmosphérique.
- Barrière aux gaz combustibles : empêche l'échappement des gaz combustibles volatils produits par la décomposition thermique du matériau sous la surface.
En conséquence, le polymère de base reste protégé sous une coque protectrice expansée, coupant le cycle de combustion avant qu'il ne se propage.
Réduction de la propagation des flammes et amélioration des performances de sécurité incendie
Grâce à l'utilisation de caractéristiques de carbonisation rapide, les composés de polyéthylène ignifuges PAPP montrent des avancées significatives dans les indicateurs clés des tests de résistance au feu :
- Taux de dégagement de chaleur réduit (HRR) : cela signifie que plus la valeur maximale de dégagement de chaleur est faible, moins il est probable que d'autres objets prennent feu.
- Prévention des gouttes fondues : la formation de charbon stabilise la structure du PE fondu et empêche les gouttes brûlantes de tomber et d'enflammer d'autres matériaux.
- Indice limite d'oxygène (LOI) plus élevé : Le LOI est le pourcentage le plus faible d'oxygène dans un mélange oxygène-azote auquel une combustion soutenue avec flamme est possible. Le PE typique a un LOI faible d'environ 17 % à 18 %. Cela le rend facile à enflammer même dans une atmosphère normale (21 % d'oxygène). L'ajout d'un système ignifugeant à base de PAPP peut augmenter le LOI du PE à plus de 28 % à 30 %.
Maintenir les avantages des solutions ignifugeantes sans halogène
Traditionnellement, de nombreuses formulations de PE contenaient des additifs à base d'halogènes, notamment la combinaison de décabromodiphényléthane et de trioxyde d'antimoine. Bien qu'ils soient assez efficaces, les ignifugeants halogénés présentent plusieurs limitations pour leur application. Premièrement, la combustion de matériaux contenant de tels additifs entraîne la création d'une fumée noire dense et l'émission de gaz halogénure d'hydrogène corrosif.
Le PAPP est une alternative plus moderne et sans halogène. La combustion du PE avec ajout de PAPP entraîne une réduction significative des émissions de fumée et l'absence de gaz halogènes corrosifs. Le PAPP est un choix privilégié pour les produits destinés à être utilisés dans des espaces clos, comme les métros, les centres de serveurs informatiques et autres installations publiques, où les réglementations LSZH doivent être respectées.
Caractéristique | Additifs halogénés traditionnels | Ignifugeant PAPP |
Teneur en halogènes | Contient du brome ou du chlore | Sans halogène |
Mécanisme de feu | Piégeage des radicaux libres en phase gazeuse | Carbonisation intumescente en phase condensée |
Densité de fumée | Génération de fumée élevée | Faible émission de fumée |
Dégagement de gaz corrosifs | Élevé (vapeurs acides) | Très faible |
Mécanisme cible dans le PE | Inhibition de la flamme | Formation de charbon solide et anti-égouttage |
Comment choisir le bon système ignifuge PAPP pour le PE ?
1. Considérez la compatibilité entre les matériaux PAPP et PE
Étant donné que le PAPP est un additif à base de sel inorganique-organique, la capacité de dispersion a un grand effet sur l'efficacité globale du système. Les additifs polaires ont très peu d'affinité avec les résines non polaires telles que le polyéthylène. Dans les cas où il y a une agrégation des particules de PAPP lors du compoundage, le produit final aura de mauvaises propriétés physiques et également de mauvaises caractéristiques de résistance au feu.
Il est important que l'équipe de compoundage prenne en compte les paramètres de processus suivants :
- Distribution granulométrique : La distribution granulométrique fine du PAPP permet une répartition uniforme des charges dans la matrice de PE sans affecter la résistance à la traction.
- Modification de surface : La modification de surface des particules de PAPP à l'aide d'agents de modification de surface à base de silane et d'acides gras réduit la tension interfaciale, assurant ainsi une bonne dispersion dans les résines non polaires.
- Stabilité thermique : La température de compoundage du polyéthylène est généralement de 160 à 220 °C. La qualité de PAPP choisie doit être thermiquement stable au-dessus de la température de traitement afin d'éviter une décomposition prématurée.
2. Combinaison du PAPP avec d'autres retardateurs de flamme pour de meilleures performances
La plupart des retardateurs de flamme à composant unique n'offrent pas des performances efficaces en termes de toutes les propriétés cibles requises. La combinaison du PAPP avec un synergiste permet d'obtenir des indices UL-94 élevés avec une faible teneur en additifs.
- PAPP + Cyanurate de mélamine (MCA) : La combinaison de PAPP et de MCA est une bonne source d'azote et de phosphore. Le MCA a une décomposition endothermique, ce qui signifie qu'il absorbe la chaleur et libère des gaz inertes d'azote. En même temps, le PAPP forme une couche de charbon en surface. Dans des expériences menées sur du LLDPE, il a été constaté que cette combinaison d'additifs diminue le pic de taux de dégagement de chaleur mieux que le PAPP seul.
- PAPP + Synergistes qui augmentent la formation de charbon : En combinant le PAPP avec des polyols formant du charbon (pentaérythritol) ou des résines modifiées, on peut former du charbon plus rapidement et obtenir une couche de protection plus dense lors de l'inflammation.
- PAPP + Nanorenforts : L'argile organomodifiée ou la nanosilice peut renforcer la structure du charbon formé pour éviter qu'il ne se fissure.
Il est généralement plus facile d'utiliser un système retardateur de flamme multicomposant préformulé à base de PE plutôt que de le créer en mélangeant des matières premières.
3. Évaluer les exigences de traitement avant la production en série
Cependant, passer des tests en laboratoire à l'extrusion ou au moulage par injection réels nécessite une préparation adéquate, car chaque qualité de polyéthylène possède des caractéristiques uniques selon sa structure moléculaire spécifique :
- Polyéthylène haute densité (PEHD) : le polymère linéaire rigide rend difficile le gonflement uniforme des systèmes intumescents ; par conséquent, la teneur en PAPP doit être légèrement plus élevée, ou bien d'autres composants doivent être ajoutés.
- Polyéthylène basse densité (PEBD) et PEBDL : La structure moléculaire ramifiée fond plus rapidement ; par conséquent, des agents anti-goutte et des caractéristiques de combustion rapide sont nécessaires pour réussir le test UL-94 V-0.
Avant de mettre en place la production, il est nécessaire de réaliser des tests d'indice de fluidité à chaud (MFR), d'évaluer la rétention de l'impact mécanique et de s'assurer que les températures de traitement restent inférieures à la température de décomposition du système d'additifs.
Conclusion
Le polyéthylène est une substance cruciale utilisée dans les industries aujourd'hui ; cependant, en raison de son inflammabilité innée, un traitement spécial de protection contre le feu doit être effectué. L'utilisation de PAPP offre un moyen fiable et sans halogène d'atteindre une résistance accrue au feu grâce à la formation d'une barrière carbonisée dure et protectrice, ce qui aide à réduire le dégagement de chaleur et inhibe la propagation des flammes.
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