Dans les domaines industriels modernes, polypropylène renforcé de fibres de verre (PP/GF) , avec sa faible densité, son excellente résistance à la chaleur et au fluage et son rapport qualité-prix élevé, est devenu une « étoile montante » dans des industries telles que fabrication électronique, aérospatiale et automobile Ce matériau est souvent utilisé pour produire composants légers et à parois minces en tant que substitut à l'acier et aux plastiques techniques conventionnels .

Cependant, le polypropylène lui-même est un matériau inflammable, avec un indice limite d'oxygène (ILO) d'environ 17,0 % seulement. Lors de sa combustion, il génère d'importantes gouttes enflammées et dégage une chaleur importante. Bien que l'ajout de fibre de verre (GF) atténue quelque peu le phénomène de gouttelettes, l'effet mèche du GF prolonge la durée de combustion et augmente le dégagement de chaleur. Par conséquent, dans les applications critiques pour la sécurité, un traitement ignifuge du PP/GF est indispensable.

Il convient de noter que le système ignifuge brome-antimoine, autrefois largement utilisé, a été restreint par la réglementation nationale et internationale en raison des fumées toxiques dégagées lors de la combustion. Par exemple, le décabromodiphényléther et d'autres ignifugeants bromés ont déjà été interdits.

Les systèmes ignifuges intumescents phosphore-azote sans halogène, alternativement, suscitent un intérêt croissant dans le secteur des polyoléfines, grâce à leur respect de l'environnement et à leurs avantages économiques. Le pyrophosphate de pipérazine (PAPP), par exemple, contient des éléments phosphore et azote, ainsi que de nombreux groupes hydroxyles, ce qui lui permet d'agir simultanément comme « source d'acide » et « source de carbone » dans un système ignifuge intumescent. Dans cette étude, le PAPP a été combiné avec du polyphosphate de mélamine (MPP) pour former un ignifuge intumescent à base de PAPP. Sous une charge constante de retardateur de flamme, l'influence de la teneur en fibres de verre sur les performances des composites PP/GF a été systématiquement étudiée.

Comment le contenu sans gluten influence-t-il les performances des matériaux ?

1. Amélioration significative de la résistance au feu (GF < 30 %)
L'augmentation de la teneur en fibres de verre (GF) améliore les performances ignifuges des composites PP/GF. D'une part, une teneur en GF plus élevée implique une proportion plus faible de matrice PP, ce qui réduit la génération de fragments inflammables lors de la décomposition thermique. Parallèlement, la GF diminue l'indice de fluidité, atténuant ainsi les problèmes d'égouttement sur les échantillons minces et permettant au matériau de passer plus facilement les essais de combustion verticale. D'autre part, la couche de carbone formée par l'ignifugeant grâce au mécanisme de « carbonisation en phase solide » peut recouvrir étroitement la surface de l'échantillon sans être perturbée par les résidus de GF à haute température, isolant ainsi la chaleur et l'oxygène et réduisant le dégagement de composés volatils combustibles.

2. Modifications de la stabilité thermique
L'incorporation de GF dans les matériaux polymères permet d'optimiser efficacement de multiples propriétés physiques. D'une part, le GF améliore significativement la stabilité dimensionnelle du composite, le rendant moins sujet à la déformation dans des conditions environnementales variables. D'autre part, la température de déformation à chaud (HDT) du matériau est sensiblement augmentée, améliorant ainsi considérablement sa résistance aux températures élevées. L'incorporation de GF modifie la stabilité thermique du matériau. Bien qu'elle abaisse la température initiale de décomposition thermique des composites PP/GF ignifuges, elle améliore significativement leur stabilité à haute température. Les données expérimentales montrent que lorsque la teneur en GF atteint 25 %, l'échantillon n° 4 atteint un taux de résidus de charbon de 39,4 % à 700 °C. Cela indique qu'à des températures élevées, le dégagement de gaz combustibles est fortement réduit, tandis que davantage de carbures solides non combustibles se forment. Dans l'air, en raison de la dégradation thermo-oxydative, la température initiale de décomposition est inférieure à celle sous atmosphère d'azote. Cependant, à des températures élevées, les résidus de charbon des échantillons avec des teneurs en GF variables restent plus élevés que ceux des échantillons sans GF, ce qui peut être attribué à la stabilité inhérente à haute température du GF, car il est moins sujet à la décomposition.

3. Double effet sur les performances de combustion
Sous l'effet d'un rayonnement thermique externe, le retardateur de flamme FR-1420 forme une couche de charbon isolante à la surface de l'échantillon par carbonisation intumescente. Les résultats expérimentaux montrent que pour l'échantillon n° 1 sans GF, la couche de charbon s'est étendue jusqu'à une épaisseur d'environ 2,5 cm, tandis que pour l'échantillon n° 2 avec 15 % de GF, elle a augmenté jusqu'à environ 6,2 cm. Cependant, lorsque la teneur en GF a été encore augmentée, l'épaisseur de la couche de charbon a diminué jusqu'à environ 5,0 cm (échantillon n° 4). Ce phénomène peut s'expliquer par la grande stabilité thermique du GF : il peut servir de « squelette de charbon » favorisant son expansion, mais un excès de résidus de GF à haute température freine sa croissance.

Il est à noter que l'incorporation de GF n'a pas affecté les principaux paramètres de combustion du matériau, tels que le taux de dégagement de chaleur maximal (PHRR), ce qui indique que les performances globales en matière de sécurité incendie sont restées satisfaisantes. De plus, grâce à la nature inerte du GF et à la proportion réduite de matrice PP, le dégagement de substances volatiles inflammables pendant la combustion a été réduit, tandis qu'une plus grande quantité de résidus solides non combustibles a été retenue à des températures élevées. Comme le montre la courbe masse-temps, les échantillons contenant du GF présentaient une masse résiduelle plus élevée à haute température, avec un dégagement de chaleur et une production de fumée plus faibles. Les indices de sécurité incendie tels que l'indice de taux de croissance du feu (FIGRA) et le taux moyen maximal de dégagement de chaleur (MAHRE) n'ont montré aucune variation significative.

Conclusions

Le retardateur de flamme sans halogène FR-1420 présente une efficacité ignifuge remarquable dans les composites PP/GF. À charge ignifuge égale, une teneur en GF plus élevée améliore l'ignifugation.

Alors que le GF diminue la température de décomposition thermique initiale, il améliore la stabilité thermique à haute température.

Dans les tests de calorimétrie conique, le GF agit comme un « squelette de charbon », augmentant l'épaisseur d'expansion du charbon tout en réduisant le dégagement de chaleur total (THR) et la production totale de fumée (TSP), améliorant ainsi considérablement les performances de sécurité incendie des composites PP/GF.