Les mousses de polyimide à base d'isocyanates (PIF) suscitent un intérêt considérable dans diverses applications industrielles grâce à leurs propriétés avantageuses, notamment leur stabilité thermique, leur résistance mécanique et leur légèreté. Cependant, leur inflammabilité constitue un frein à leur utilisation à plus grande échelle. Cet article explore l'intégration du phosphate de tri(1-chloro-2-propyle) (TCPP) liquide et de particules d'hydrotalcite (LDH) de taille micrométrique comme retardateurs de flamme dans les PIF à base d'isocyanates. L'étude met en lumière les effets de différents dosages et proportions de mélange de ces additifs sur la résistance au feu et l'intégrité structurelle des mousses. Les résultats soulignent le potentiel de la combinaison du TCPP et des LDH pour obtenir une résistance au feu accrue et une structure cellulaire améliorée.
Les mousses de polyimide, notamment celles à base d'isocyanate, sont largement utilisées dans des secteurs aussi variés que l'aérospatiale et l'automobile en raison de leur stabilité thermique et de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles. Cependant, leur inflammabilité intrinsèque constitue un inconvénient majeur qui limite leur utilisation dans les environnements sensibles au feu. Par conséquent, l'incorporation de retardateurs de flamme est essentielle pour améliorer leur résistance au feu.
Ces dernières années, divers retardateurs de flamme ont été étudiés afin d'améliorer la résistance au feu des matériaux polymères. Parmi eux, les composés liquides à base de phosphore, tels que le TCPP, ont démontré une efficacité significative. Le TCPP est reconnu pour sa capacité à perturber la combustion par des mécanismes d'action à la fois physiques et chimiques. Cependant, son utilisation à forte concentration peut nuire à l'intégrité structurelle de la mousse en raison de sa volatilité lors du durcissement.
À l'inverse, les LDH, composés inorganiques constitués d'hydroxydes métalliques, se sont révélés prometteurs comme retardateurs de flamme. Leur structure lamellaire unique permet l'intercalation de divers anions, ce qui peut améliorer leur stabilité thermique et leurs propriétés ignifuges lorsqu'ils sont incorporés dans des matrices polymères. Cet article vise à étudier les effets synergiques de la combinaison de TCPP et de LDH dans les PIF à base d'isocyanates, en se concentrant sur la résistance au feu et les propriétés structurales des mousses obtenues.
Des mousses isolantes polymères (PIF) à base d'isocyanates ont été synthétisées en une seule étape, incorporant différents dosages de particules de TCPP et de LDH. Les mousses ont été classées selon les formulations suivantes :
Contrôle (sans additifs)
Formulations à base de TCPP uniquement (dosages variables)
Formulations à base de LDH uniquement (dosages variables)
Formulations combinées de TCPP et de LDH (divers rapports de mélange)
La préparation a consisté en un mélange homogène des composants, suivi d'un durcissement dans des conditions contrôlées. Les mousses obtenues ont été soumises à divers tests analytiques afin d'évaluer leurs propriétés.
Indice limite d'oxygène (LOI) : ce test a été réalisé pour évaluer la concentration minimale d'oxygène nécessaire à la combustion. Des valeurs de LOI plus élevées indiquent une meilleure résistance à la flamme.
Test au calorimètre à cône (CCT) : Le CCT a été utilisé pour évaluer les caractéristiques de dégagement de chaleur des mousses, fournissant des informations sur leur comportement au feu.
Microscopie électronique à balayage (MEB) : La MEB a été utilisée pour observer l'intégrité macro- et microstructurale des mousses, permettant un examen détaillé de la morphologie cellulaire.
Analyse de stabilité thermique : Une analyse thermogravimétrique (ATG) a été réalisée pour évaluer la stabilité thermique des mousses dans des conditions variables.
La résistance au feu des PIF à base d'isocyanates a été significativement influencée par l'incorporation de TCPP et de LDH. Les valeurs de LOI ont démontré que les formulations contenant du TCPP présentaient une meilleure résistance au feu que celles contenant uniquement des LDH. Plus précisément, une augmentation de 29,4 % du LOI a été observée avec l'incorporation de 10 % de TCPP.
Les résultats des tests au calorimètre à cône ont confirmé ces observations, révélant une diminution de 36,1 % du taux de dégagement de chaleur maximal (PHRR) avec l'ajout de 10 % de TCPP. Cette réduction est cruciale, car elle indique un ralentissement du dégagement de chaleur, améliorant ainsi la sécurité du matériau en cas d'incendie.
Bien que le TCPP ait démontré une efficacité ignifuge supérieure, sa concentration excessive a eu des effets néfastes sur la structure de la mousse. Les images MEB ont révélé qu'au-delà de 10 % de TCPP, d'importantes fissures apparaissaient dans la structure macrocellulaire et des ouvertures microcellulaires étaient observées. Ces dommages structurels ont été attribués à la volatilisation rapide du TCPP durant la phase de post-durcissement, entraînant une contraction cellulaire.
En revanche, l'incorporation de LDH a démontré sa capacité à renforcer l'intégrité structurale des mousses. Lorsque le TCPP était utilisé en combinaison avec les LDH à raison de 10 % chacun, les mousses obtenues présentaient des structures macro- et microcellulaires améliorées. La dispersion des LDH au sein des mousses a contribué à renforcer les fenêtres et le squelette cellulaires, réduisant ainsi la contraction des cellules.
L'association de TCPP et de LDH s'est avérée synergique, améliorant à la fois la résistance au feu et l'intégrité structurelle. La présence de LDH a atténué les effets néfastes du TCPP sur la structure cellulaire, permettant ainsi une matrice de mousse plus stable. La formulation optimisée, composée de 10 % de TCPP et de 10 % de LDH, a non seulement amélioré la résistance au feu, mais a également préservé la structure cellulaire, comparativement aux mousses traitées au TCPP seul.
Ces résultats soulignent l'importance d'un équilibre optimal des additifs ignifuges dans les systèmes polymères afin d'obtenir une résistance au feu optimale sans compromettre l'intégrité structurelle. L'efficacité du TCPP comme ignifugeant est bien établie ; cependant, sa forte volatilité pose des difficultés pour le maintien des propriétés souhaitées des PIF. L'introduction de LDH permet de surmonter ces difficultés en renforçant la structure de la mousse tout en lui conférant une résistance au feu supplémentaire.
La réduction observée du PHRR et l'augmentation de l'indice limite d'oxygène (LOI) soulignent le potentiel de l'utilisation conjointe de retardateurs de flamme liquides et solides. Cette approche améliore non seulement la sécurité incendie, mais garantit également la préservation des propriétés mécaniques essentielles, un point crucial pour les applications pratiques des retardateurs de flamme à protection partielle (PIF) dans divers secteurs industriels.
En conclusion, cette étude démontre que l'association de TCPP liquide et de LDH micrométriques améliore significativement la résistance au feu et l'intégrité structurelle des mousses de polyimide à base d'isocyanates. L'effet synergique de ces retardateurs de flamme permet la formulation de mousses de polyimide à base d'isocyanates (PIF) de haute qualité, conformes aux normes de sécurité et performantes. Les recherches futures devront explorer la stabilité à long terme et l'impact environnemental de ces systèmes retardateurs de flamme afin de garantir leur utilisation durable dans diverses applications.
