Les silicones possèdent naturellement d'excellentes propriétés au feu. Ils dégagent peu de chaleur et ne produisent pas de composés toxiques en brulant. Cependant, pour leur utilisation en câblerie de sécurité, il est nécessaire d'améliorer la cohésion des cendres et diminuer l'opacité des fumées produites par leur combustion. Aussi, dans le cadre de ce travail, plusieurs additifs phosphorés ont été incorporés dans une formulation silicone modèle pour générer du charbonnement. Quel que soit le composé phosphoré introduit, le comportement au feu a été dégradé du fait d'une diminution de la stabilité thermique du silicone. De plus, la cohésion des résidus n'a pas été améliorée par ces composés. C'est pourquoi des verres de bas point de ramollissement et des borates ont été testés dans un second temps. Sur l'ensemble de ces nouveaux essais, seul un verre en particulier a permis d'augmenter la cohésion des cendres mais celui-ci a également dégradé le comportement au feu en déstabilisant thermiquement le silicone. L'objectif de la réduction de la quantité de fumées dégagée a été atteint en générant un effet barrière grâce à la dispersion d'un talc de haut facteur de forme. Cet effet barrière a également permis de diminuer le débit calorifique et d'augmenter la quantité de résidus finaux sans cependant augmenter la cohésion des cendres. La combinaison de ce même talc avec le cyanurate de mélamine nous a permis d'obtenir la classification V-0 au test UL-94. L'effet barrière du talc a été conservé mais est légèrement perturbé par le dégagement gazeux de l'additif azoté. Une optimisation de la formulation serait intéressante à mener pour conserver la classification V-0 et un effet barrière optimum. / Silicones exhibit excellent fire properties. They do not release toxic products and release a low rate of heat when they burn. However, to be used as wires for safety devices, they need greater ashes cohesion and they have to release less smoke during combustion. To that end, many phosphorus compounds have been introduced in a model silicone formulation to generate a charring layer. Whatever the phosphorous compound introduced in formulations, the fire behavior was deteriorated and the silicone thermal stability decreased. Moreover, the residue cohesion was not improved by these compounds. Hence, glass frits with low melting points and borates based compounds were tested in a second step. Just one particular glass frit was able to improve the ashes cohesion but the fire behavior was impaired by a decrease of the silicone thermal stability.The objective in term of decrease of smoke release was achieved by the dispersion of a high aspect ratio talc able to generate a barrier effect. This barrier effect also permitted to decrease the total heat release and mass loss. Unfortunately, ashes cohesion was not improved by this talc. In combination with melamine cyanurate, this talc succeeded to reach the V-0 classification according to the UL-94 test. The talc still imparts a barrier effect but it was slightly disturbed by the gaseous release of nitrogen compound. An optimization of the formula could be interesting to preserve the V-0 classification and an optimum barrier effect.

L’origine des incendies domestiques peut être aussi diverse qu’une mauvaise installation électrique, une cigarette mal éteinte, un mauvais entretien d’une cheminée… Ce mémoire traite de l’inflammabilité de différents matériaux de l’habitat face à une source radiative. Plusieurs paramètres tels que la dimension, l’orientation et la nature des matériaux ont été étudiés dans des conditions opératoires similaires. Ces travaux ont conduit au développement d’un nouveau dispositif expérimental permettant de travailler à différentes échelles : le RAPACES (RAdiant PAnel Concentrator Experimental Setup). Les résultats obtenus sur le PMMA ont permis de mettre en évidence que les facteurs géométriques jouent un rôle prépondérant; d’une part sur l’ignition (variation des propriétés thermo-radiatives) et d’autre part sur la dynamique de combustion à travers des phénomènes structuraux (déstabilisation structurelle, affaissement et écoulement du matériau). Cette démarche a également été appliquée à des matériaux plus complexes (contreplaqué, tapisserie, moquette). L’utilisation d’un modèle numérique a permis de valider certaines hypothèses concernant le comportement au feu du PMMA. Enfin, des configurations originales constituées d’assemblages de matériaux ont été testées et ont permis de mettre en évidence les interactions entre combustibles en termes d’ignition et de propagation de flamme. / The origin of home fires can be as diverse as poor wiring, a smoldering cigarette, poor maintenance of a fireplace... This manuscript deals with the flammability of various household materials exposed to a radiative source. Several parameters such as dimension, orientation and nature of materials were investigated in similar operating conditions. These studies led to the development of new experimental device enabling working at different scales: RAPACES (RAdiant PAnel Concentrator Experimental Setup). The results obtained on PMMA showed that geometric factors play a major role (i) on ignition (variation of thermal radiative properties) and (ii) on combustion dynamics through structural phenomena (destabilization, collapsing and polymer melting). This approach was also applied to complex materials (plywood, tapestry, carpet). A numerical model was used to validate some hypothesis regarding the fire behavior of PMMA. Finally, original configurations including material assemblies were performed and clearly evidenced the effect of fuel interactions on ignition and flame propagation.

Le comportement au feu de matériaux polymères peut changer plus ou moins fortement après vieillissement, mettant en péril les biens et les personnes en cas d’incendie. Ces changements dépendent du système considéré (nature du système retardateur de flamme, de la matrice polymère) et des conditions de vieillissement. Or jusqu’à aujourd’hui, les normes exigent l’évaluation de la réaction au feu d’un matériau juste après fabrication et rarement après un vieillissement représentatif des conditions réelles d’utilisation. L’évolution des caractéristiques des polymères ignifugés au cours du temps est actuellement peu connue, et seules quelques études ont eu lieu à ce sujet. Le travail de cette thèse concerne donc l’impact du vieillissement sur les performances au feu de systèmes complexes de polymères ignifugés. L’étude est basée sur les polymères polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et acide polylactique (PLA) ; le système retardateur de flamme est quant à lui constitué de charges phosphorées et de silicates nanométriques. Un protocole de vieillissement et une méthodologie d’étude ont ensuite été mis en place pour déterminer l’influence du vieillissement sur les propriétés de ces matériaux : morphologie, masse molaire des polymères, dégradation des retardateurs de flamme, comportement au feu. Enfin, les caractéristiques des produits émis en phase gaz au cours de la combustion d’échantillons vieillis et non vieillis ont été analysées / The fire behaviour of polymeric materials can be modified after ageing, possibly leading to severe damages. These modifications depend on the chemical nature of the system (polymeric matrix, flame retardant system) and on the ageing conditions. Currently, norms exist, that define fire properties of fresh flame-retarded materials; but only few studies have been performed on aged materials. The aim of this work consists in evaluating the impact of ageing of flame-retarded materials. Firstly, materials have been processed from various formulations. The study focused on poly(methyl methacrylate) (PMMA) and poly(lactic acid) (PLA) polymers; flame-retardant system combining a phosphorus compound and mineral nanoparticles was added. Then an operating procedure has been created to simulate ageing, and a methodology has been developed to assess the characteristics of the composites before and after ageing (viscosity, morphology, fire behaviour). Finally, the combustion aerosols emitted by unaged and aged formulations have been investigated

Les matériaux polymères ont connu un essor considérable dans le milieu du bâtiment depuis de nombreuses années, du fait d'un large panel de propriétés. Ces matériaux sont cependant très sensibles à la température et peuvent être facilement inflammables, permettant le développement d'un incendie. Du fait de la mise en place de normes de plus en plus strictes, relatives à la sécurité vis-à-vis d'un feu, il est nécessaire de mettre au point des systèmes retardateurs de flamme de plus en plus performants.Le premier objectif de la thèse est d'étudier les mécanismes retardateurs de flamme de composites EVA/ATH, et en particulier l'effet barrière. La notion de compacité de la couche de particules a pu être mise en évidence via l'essai de compression oedométrique. La mesure de la résistance à la compression d'une poudre, ou d'un mélange, permet d'estimer l'efficacité de l'effet barrière dans le cas de composites EVA/ATH.Le second objectif s'est concentré sur la caractérisation de nouvelles charges pouvant améliorer le comportement au feu de l'EVA. Dans un premier temps, de la diatomite a été introduite, jouant le rôle d'agent de synergie avec l'ATH. Dans un second temps, de la colémanite et des fondants broyés ont été introduits afin d’améliorer la cohésion de la couche barrière et du résidu de combustion par vitrification. La colémanite s’est révélée être un retardateur de flamme efficace, du fait de la libération d’eau de façon endothermique, et d’une vitrification à haute température. Dispersés dans la masse, les fondants perturbent la formation de la couche barrière du fait de la coagulation des particules. En tant que couche supérieure d’un système coeur-peau, le fondant vitrifie lors du refroidissement de l’échantillon, assurant la cohésion du résidu, ainsi qu’un rôle de suppresseur de fumées.Finalement, le dernier objectif de la thèse est de traiter des ATH, afin d’améliorer les propriétés mécaniques et retardatrices de flamme de l’EVA. Des molécules de greffage ont été réalisées à partir de MAPC1. La présence d’un copolymère p(MMA-co-MAPC1(OH)2) à la surface des particules homogénéise la dispersion de l’ATH dans la matrice EVA, améliorant les propriétés d’allongement à la rupture du composite. Un homopolymère p(MAPC1(OH)2) permet également d’améliorer la dispersion et l’allongement à la rupture. De plus, les groupements phosphorés présents le long de la chaîne semblent capables d’agir en phase condensée en tant que promoteur de charbonnement, ainsi qu’en phase gazeuse par le biais de radicaux réactifs. / Polymeric materials are booming for many years in the building industry, due to a wide range of properties. However, those materials are particularly heat sensitive and may be easily flammable, contributing to the development of a fire. Because of the implementation of more strict standards related to fire safety, the elaboration of more and more efficient fire retardant systems is necessary.The first goal of this thesis is to study the fire retardant mechanisms of EVA/ATH composites, and particularly the barrier effect. The role of the packing fraction of the particles layer was assessed used the oedometric compression test. The measurement of the resistance to compression of a powder, or a combination, can be used to estimate the efficiency of the barrier effect for EVA/ATH composites.The second goal has focused on the characterization of new fillers in order to improve the fire behavior of the EVA copolymer. Firstly, diatomite was introduced as a synergistic agent with ATH. In a second time, ground colemanite and glass frits were introduced in order to improve the cohesion of the barrier layer and the residue of combustion by vitrification. Colemanite seems to be an efficient fire retardant, because of the endothermic reaction associated with the release of structural water, and a vitrification at high temperature. When the glass frits are introduced in EVA/ATH composites, the formation of the barrier layer is disrupted because of the coagulation of particles. As an upper layer in a skin-core structure, the glass frit vitrifies during the cooling of the sample, improving the cohesion of the residue and acting as a smoke suppressor.Finally, the last goal of this thesis was to functionalize ATH, to improve mechanical and fire retardant properties of EVA. Surface treatment molecules were synthetized, based on a phosphonated monomer, the MAPC1. The presence of a p(MMA-co-MAPC1(OH)2) copolymer at the surface of particles improves the filler dispersion in the matrix, enhancing the elongation at break. The grafting using a p(MAPC1(OH)2) homopolymer also improves the filler dispersion and the elongation at break. Moreover, the phosphorus based functions along the molecular chain, seem to act in condensed phase as a char promoter, and in gaseous phase by means of reactive radicals.

La prise de conscience sociétale vis-à-vis des problèmes environnementaux augmente et conduit à une forte demande en matériaux issus de ressources renouvelables, comme les biocomposites. La sensibilité thermique et le comportement au feu restreint leur utilisation pour certaines applications comme le bâtiment. La réglementation en matière de sécurité incendie est très importante et nécessite donc de trouver des solutions adaptées pour améliorer le comportement au feu de ces matériaux. Dans ce contexte, nous avons dans un premier temps étudié la dégradation thermique et le comportement au feu des fibres naturelles seules et particulièrement l'impact de ses composants sur le comportement au feu. Ensuite, nous avons étudié la réactivité de quatre fonctions (amine, acide carboxylique, alcoxysilane et acide phosphonique) sur la fibre de lin et ses composants (cellulose, hemicellulose, lignine). La caractérisation des greffages a été réalisée de manière originale par des techniques de dégradation thermique.Ensuite, nous nous sommes intéressés à la dégradation thermique et au comportement au feu de biocomposites. Nous avons étudié le comportement au feu de biocomposite à base de PBS et de fibres naturelles en faisant varier différents paramètres comme le taux de fibres, la nature des fibres et l'influence d'un retardateur de flamme phosphoné. Deux stratégies d'ignifugation ont été testées : l'ajout en masse dans la matrice et le greffage sur les fibres naturelles de retardateur de flamme. Pour aller plus loin dans les stratégies d'ignifugation par greffage de retardateur de flamme, nous avons comparé l'influence du greffage d'une molécule et d'une macromolécule sur le comportement au feu du lin et du biocomposite PBS/lin. / The environmental awareness in the society is increasing and leads to a strong demand in material from renewable resources, such as biocomposites. The thermal sensitivity and the flammability restrict their use for certain applications such as building. The fire safety regulation is of prime importance and requires adaptive solutions to be found to improve the fire behavior of these materials.In this context, we have studied the thermal degradation and the fire behavior of natural fibers and particularly the effect of its components on the fire behavior. Then, we studied the reactivity of four moieties (amine, carboxylic acid, alkoxisilane and phosphonic acid) on the natural fibers. The grafting characterization was carried out with original techniques based on thermal degradation.Then, we are interested on the thermal degradation and the fire behaviour of biocomposites. We studied the fire behaviour of biocomposite based on PBS and natural fibers varying different parameters such as the amount of fibers, the type of natural fibers and the influence of a phosphonated fire retardant. Two fireproofing strategies have been tested: the addition in polymer matrix and the grafting on natural fibers of fire retardant. To go further in the fireproofing strategy by fire retardant grafting, we have compared the influence of the molecule or macromolecule grafting on the fire behaviour of flax and PBS/flax biocomposite.

L'amélioration de la sécurité incendie au sein de l'habitat est un des principaux objectifs de la recherche actuelle. En effet, chaque année, un grand nombre de feux sont déclarés, générant la perte de nombreuses vies humaines, de fortes pertes financières, l'endommagement des structures et la pollution de l'environnement. Face à cette problématique, on remarque qu'un grand nombre de pays d'Europe possèdent une législation très pauvre vis-à-vis de la protection incendie dans l'habitat. Historiquement, les bâtiments ont été dessinés suivant des obligations prescriptives. La tendance de l'ingénierie de la sécurité incendie (Fire Safety Engineering, FSE selon le sigle Anglais) a changé amplement pendant la dernière décennie : des groupes de recherche dans le domaine de l'incendie ont mis au point les principes du design fondé sur la performance (Performance Building Design, PBD en Anglais). Le PBD a permis une approche de la sécurité incendie fondée sur la prédiction du comportement d'un incendie dans des scénarios donnés, en utilisant des outils numériques d'ingénierie. L'approche PBD de FSE est une méthodologie qui a été initialement développée pour les établissements recevant du public, toutefois peu à peu cette approche commence à être utilisée dans tout type d'habitat. La prédiction du comportement d'un incendie nécessite le calcul du débit calorifique (Heat Release Rate, HRR en Anglais) qui est la grandeur physique utilisée pour la mesure de la puissance d'un feu. En ingénierie, le HRR est indispensable à l'estimation de la sévérité du sinistre et des possibles endommagements causés dans un scénario donné. Sa détermination dépend des combustibles présents lors de l'incendie ainsi que de l'environnement du sinistre. La prédiction du HRR est réalisée à l'aide des codes de simulation numérique de l'incendie. Ceux-ci sont un assemblage de plusieurs sous modèles dont chacun calcule un ensemble des phénomènes présents dans la combustion p. ex. la pyrolyse, le rayonnement, la turbulence, etc. 8 La capacité à prédire correctement le HRR est limitée par les calculs très simplifiés du processus de décomposition thermique des solides. La décomposition est notamment dépendante des processus diffusifs et chimiques mis en jeu dans la zone comprise entre le solide et la flamme, lesquels ne sont pas modélisés de façon rigoureuse. Par le passé, plusieurs études expérimentales ont permis de mesurer le HRR d'un certain nombre de produits, cependant, ils ne contribuent pas à la compréhension de la physique du processus de décomposition de la matrice solide, donnée pourtant essentielle car source des espèces volatiles et du débit massique du combustible. En effet, un grand nombre de simulations trouvées dans la littérature font une approche empirique de la production de fuel ou considèrent une seule étape de décomposition. C'est dans ce contexte que prend place la présente étude qui vise à caractériser la cinétique de décomposition de combustibles solides et de formation des espèces volatiles : les changements survenus dans la phase solide sont pris en compte ensemble avec ceux de la phase gazeuse (dégagement d'espèces). La détermination du mécanisme de décomposition est une tâche fondamentale de l'analyse thermique. Le mécanisme doit considérer la succession des transformations de la matière pendant la gazéification des solides. Cette succession inclus les échantillons vierges ainsi que ceux qui ont déjà souffert des attaques thermiques (sous produits des étapes de décomposition). Le mécanisme de décomposition constitue une des principales données d'entrée de la grande majorité de modèles de décomposition thermique. Cette recherche tient compte de la décomposition thermique d'une mousse polyéther polyuréthane (PPUF) à trois échelles différentes. Chaque échelle caractérise le comportement au feu d'une masse différente de mousse et est concentrée sur l'étude de phénomènes particuliers : · L'échelle matière permet l'analyse du comportement d'échantillons avec des masses proches d'un milligramme. À l'échelle matière, les effets de transfert de chaleur et des espèces sont minimisés et l'effet de l'augmentation de la température du solide peut être étudié précisément. L'échantillon est considéré comme une particule de masse et de dimension négligeables, de sorte que sa température soit homogène. · La petite échelle permet l'analyse des échantillons avec des masses proches de dix grammes. À l'échelle matière des gradients de transfert de chaleur et d'espèces existent. L'échantillon est irradié seulement par une des surfaces, produisant ainsi 9 le déplacement du front de décomposition. La combustion de matériaux polymériques est complexe et concerne souvent des processus simultanés tels que la pyrolyse, la décomposition oxydative et le processus de combustion avec présence de flamme. · L'échelle produit concerne des échantillons avec des masses proches d'un kilogramme. À cette échelle, la géométrie et le positionnement d'un produit ont un rôle fondamental dans la croissance du feu. La ventilation (la disponibilité d'oxygène et la turbulence) affecte également le processus de combustion. L'échelle produit montre le comportement au feu d'une mousse dans des conditions d'utilisation proches de celles de la réalité. Les résultats obtenus dans cette recherche vérifient que le mécanisme de décomposition reste inchangé indépendamment de l'échelle. Dans la littérature, ces trois échelles n'ont jamais été considérées ensemble. Généralement, chaque échelle est considérée indépendamment et les chercheurs restent concentrés sur les phénomènes observés à l'échelle étudiée. De plus, les résultats de l'échelle matière sont souvent extrapolés à l'échelle produit. Toutefois, les phénomènes supplémentaires qui apparaissent entre une échelle et l'autre ne sont pas pris en compte, engendrant une grande incertitude dans la prédiction des résultats. Cette recherche propose une contribution vis-à-vis de l'intégration verticale des résultats obtenus dans les trois échelles. L'intégration verticale signifie explorer la possibilité d'identifier quelles propriétés de la matière doivent être mesurées et fournies en tant que données d'entrée des codes de simulation incendie afin de pouvoir prédire la décomposition thermique des solides. Ces travaux constituent un pas dans une vision globale de la science des matériaux qui permettrait une prédiction très juste du comportement au feu des solides à diverses échelles tout en utilisant principalement des mesures menées à l'échelle matière et la petite échelle. La cinétique de la décomposition a été étudié à la petite échelle grâce à des analyses thermogravimétriques (TGA). Cette technique a permis de mettre en évidence le nombre d'étapes, les espèces qui entrent en réaction et de détailler le mécanisme de réaction. En outre, des algorithmes génétiques ont été utilisés pour calculer les paramètres cinétiques optimum qui permettent de prédire le changement de la masse d'un échantillon en fonction de la température. Selon la démarche à échelle croissante décrite ci-dessus, les propriétés thermiques ainsi que les paramètres cinétiques de la 10 décomposition du PPUF ont été utilisés comme données d'entrée dans un code de simulation incendie. Les simulations ont été réalisées avec le code de calcul le plus amplement utilisé dans le monde, Fire Dynamics Simulator (FDS V 5.3). Les simulations tentent de prédire le comportement du PPUF en cône calorimètre (petite échelle). Un faible calage entre les courbes de changement de la masse expérimentales et numériques a été observé. Une grande incertitude vis-à-vis de la façon d'introduire les données d'entrée a été identifiée ainsi que de leur interprétation. Des possibles voies d'amélioration des modèles de pyrolyse ont été proposées.

Cette thèse, réalisée en partenariat avec deux industriels, a pour objectif de mettre au point une voie de valorisation matière des résines phénoplastes (bakélite) issues de gisement de déchets plastiques. En effet, ce type de résine (thermodurcissable) n’est pour l’instant pas valorisé en fin de vie et finit en enfouissement. Pour répondre aux attentes législatives (directive DEEE, mais aussi VHU dans l’automobile), qui imposent un quota de recyclage (réutilisation et valorisation matière) et de valorisation énergétique minimum pour les déchets en fin de vie, il parait important de développer des procédés de régénération de ces plastiques ainsi que de trouver des domaines d’application pour leur utilisation en tant que matière première secondaire.Enedis, dans le cadre du déploiement de ces nouveaux compteurs électriques, collecte les anciens compteurs et équipements installés et cherche une solution de recyclage adaptée. Une partie de ce gisement important de déchets est constituée de plastiques de tous types en mélange, et en particulier de bakélite. Le travail de cette thèse s’est concentré sur le traitement et la régénération de ce gisement.Dans un premier temps, un schéma de démantèlement et de tri de ce gisement varié a été mis en place. Il est basé sur une étude des matières présentes dans le gisement, en particulier plastiques. La présence d’additifs est également évaluée, en particulier celle de substances contrôlées comme les retardateurs de flamme halogénés, le cadmium, etc. L’objectif était d’optimiser le procédé de séparation des matières en vue d’obtenir des gisements de matières régénérées de pureté suffisante pour le réemploi, tout en limitant la présence d’additifs contrôlés pour respecter les concentrations maximales légales.Pour valoriser les résines phénoplastes issues de ce gisement, la voie envisagée consiste à réutiliser cette matière sous forme de charges incorporées au sein de matrices thermoplastiques (éventuellement régénérées). Pour ce faire, une étude de la transformation de la bakélite par broyage pour obtenir un produit de granulométrie très fine (micronisation) a été réalisée. La distribution granulométrique, la morphologie et son état physico-chimique de surface ont été évaluées en fonction des paramètres du procédé. Après incorporation à différents taux de charge dans des matrices thermoplastiques, les propriétés mécaniques en quasi-statique et dynamique des composites ont été évaluées. La fonctionnalisation des charges/matrices et l’incorporation d’agents compatibilisants ont permis d’améliorer la cohésion des interfaces. Une modélisation par homogénéisation a été réalisée pour rendre compte de l’influence des différentes variables sur la tenue mécanique des composites.Le comportement au feu des composites formulés a également été étudié. Du fait de la stabilité thermique élevée de la bakélite et du taux de char important formé lors de sa combustion, il est envisagé d’utiliser les charges phénoplastes comme donneur de carbone dans la formulation d’un système retardateur de flamme intumescent. Des additifs appropriés, comme une source d’acide et un agent gonflant, seront évalués pour la formulation du système. / The main goal of this PhD project, born from a partnership between EMA, APR2 and Enedis, was to develop a material recycling solution for phenolic molding compound (PMC, or Bakelite). Indeed, these types of thermoset material are hardly valorized and end up in landfill, mostly because of the lack of technically and economically viable solutions for recycling.Phenolic molding compound material are present in large amount in End of Life (EOL) electrical meter waste stream. Therefore, Enedis committed to find a valorisation scheme for these materials. This PhD work is aimed to develop a recycling process for PMC issued from this waste stream.Firstly, a dismantlement and sorting scheme was designed. It is based on the study of the waste stream material composition – in particular the plastic stream. The presence of regulated substances (such as halogenated flame retardant, etc.) in plastic formulations was assessed. The objective was to optimize the separation process to recover materials with a high degree of purity.The proposed recycling solution consists in using the PMC as a functional filler in a thermoplastic matrix. To do so, a comminution scheme was developed to reduce the size of the PMC part. The particle size distribution, morphology and surface chemistry of the obtained products were characterized. Quasi-static and dynamic mechanical properties of composite materials incorporating micronized PMC were determined. Various coupling schemes were studied in order to increase the adhesion between filler and matrix. The mechanical behaviour of the composite materials was also modelized using finite element methods.The fire behaviour of the composite material incorporating PMC filler was also studied. Because of the high thermal stability and high char yield of phenolic molding compound, its potential use as a carbon donor in intumescent flame retardant formulations was finally assessed.

La demande actuelle du marché du transport en matériaux composites à matrice polymère est en augmentation importante afin de remplacer les pièces aujourd’hui fabriquées en alliages métalliques par des matériaux plus légers et performants. Actuellement couramment utilisés, les composites thermodurcissables présentent l’inconvénient de ne pas être recyclables. Aussi, un des objectifs du projet « Résines idéales » durant lequel cette thèse a été réalisée est de mettre au point de nouveaux composites à matrice thermoplastique, doués de propriétés équivalentes. Parmi celles-ci, le comportement au feu est un enjeu essentiel pour leur développement et l’objectif de cette thèse est de développer de nouveaux systèmes retardateurs de flamme pour des matériaux composites thermoplastiques à fibres continues. Dans un premier temps, un screening des retardateurs de flamme phosphorés potentiellement efficaces a été effectué. L’étude de l’influence du renfort taffetas sur la stabilité thermique et le comportement au feu a également été réalisée (cône calorimètre, IOL, UL94). Ensuite, afin d’améliorer le comportement au feu, et en particulier, de satisfaire aux normes feu aéronautiques (les plus exigeantes), nous avons étudié des mélanges binaires et ternaires de retardateurs de flamme constitués du RF phosphoré sélectionné et d’autres charges : alumine, hydroxyde d’aluminium (ATH), graphite expansé, et 9,10-dihydro-9-oxy-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO). Dans chaque cas, la stabilité thermique et le comportement au feu ont été caractérisés et discutés / The present demand of polymer-matrix composite materials in the transport market is significantly increasing, to replace the work-pieces actually manufactured in metal alloys, the polymer-matrix composite being lighter and more performant. Thermoset composites are currently and widely used however this kind of composites presents a severe drawback due to their non- recyclable character. One of the objectives of the “Résines idéales” project and of this thesis is to develop new composites made from thermoplastic matrix, endowed with similar properties. Among them, the fire behavior is a major challenge and the aim of this work is to develop new flame retardant systems for thermoplastics composites reinforced with continuous fibers. Firstly, we have performed a screening of potentially effective phosphorus flame retardants. Also, we have studied the influence of the reinforcement taffetas on the thermal stability and fire behavior. For that, various tests have been performed such as cone calorimeter, LOI and UL-94. Then, to improve the fire behavior and particularly to satisfy the aeronautical fire standards (the most challenging), we have studied binary and ternary mixtures of flame retardants constituted by the selected phosphorus flame retardant and other additives: alumina, aluminum hydroxide (ATH), expanded graphite and 9,10-dihydro-9-oxy-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO). In each case, the thermal stability and fire behavior have been characterized and discussed

Dans un contexte de lutte contre la dégradation de notre environnement, les lois et règlementations issues du Grenelle de l'environnement, obligent de trouver des solutions permettant de répondre à des normes tout en remplaçant des composés nocifs. Dans ce souci de respect de l'environnement, certains changements doivent s'opérer dans le domaine de la sécurité contre les incendies, puisqu'actuellement, les systèmes retardateurs de flammes contiennent des composés halogénés. Pour répondre à cette problématique, l'approche choisie a été d'introduire, des composés phosphorés et/ou azotés préalablement greffés ou imprégnés sur de la silice dans différentes matrices polymères. Les composites ont alors été réalisés à l'aide du procédé d'extrusion en introduisant, au sein d'un polypropylène ou d'un polybutylène téréphtalate, un faible taux de charges modifiées ou non, à savoir 10% en masse. Les études morphologique, rhéologique, thermogravimétrique mais également du comportement au feu des composites ont été réalisées et des relations entre toutes ces propriétés ont pu être établies. Dans le cas du polypropylène, l'ajout de silice non traitée a globalement entrainé un meilleur comportement au feu que l'ajout de silices modifiées, ce qui a été expliqué par des différences morphologiques et rhéologiques. Pour le polybutylène téréphatalate, les meilleures propriétés ont été observées lors de l'ajout de silices modifiées par les différents composés phosphorés. Grâce à ces résultats des liens étroits entre type de composé ignifugeant, viscoélasticité, formation d'une couche barrière protectrice et amélioration du comportement au feu ont été mis en évidence / In order to protect our environment, toxic compounds have to be replaced to meet the new regulations as well as industrial standards. Therefore, to be environmental friendly, some solutions have to be found in terms of fire safety, since halogenated compounds are still used in fire retardant systems. The way studied to solve this problem was to add silica fillers modified by phosphorous or nitrogen agents into two polymer matrices (polypropylene and polybutylene terephthalate). Two different techniques were used to modify the silica surface: the first by grafting and the second by impregnation. Only 10% by weight of untreated or modified fillers was introduced into the polymers thanks to extrusion process. Morphology studies, rheological and fire behaviors as well as thermogravimetric analyses were performed on composites and relationship between those properties have been established. In the case of polypropylene, the untreated fillers induce the most significant reduction of peak of Heat Release Rate while the surface modification by phosphorous agents does not lead to the expected effect on the fire behavior of PP composite. The origin of this phenomenon was deeply studied and was related to the difference of morphology and rheological behavior between the several PP composites. Concerning polybutylene terephthalate, the best fire performances were obtained for composites containing phosphorous modified silica. Given these results, relationships between the type of flame-retardant compound, the viscoelasticity, the formation of a fire protective layer and the improvement of fire behavior has been identified

L'objectif principal de ce travail concerne le développement de nouveaux matériaux polymères techniques ou composites anti-feu, éco-compatibles, tout en incorporant un faible taux de charges dans le but de conserver les performances physiques et mécaniques des matériaux élaborés, pour des applications axées sur la fabrication de fils ignifuges. L'étude est basée sur la génération in situ de charges inorganiques fonctionnalisées en matrice polymère fondu au cours du procédé d'extrusion par des réactions d'hydrolyse-condensation des précurseurs alcoxysilanes. Les caractérisations morphologiques et chimiques ont mis en évidence la formation de ces composites. La compréhension des mécanismes d'ignifugation mis en jeu a mis en évidence une nette modification du comportement au feu du matériau avec l'ajout de charges silicophosphorées ce qui prouve l'intérêt de disperser les fonctions ignifugeantes par cette approche originale. Une ouverture sur les systèmes azotés a été également mise en évidence. Les performances feu évaluées à l'aide d'un microcalorimètre à combustion et d'un calorimètre à cône ont également permis de comparer des composés phosphorés introduits par la voie additive avec la charge silicophosphorée générée in situ / The main objective of this work is the development of new fire retardant, eco-friendly, engineering composites, with the incorporation of a low load of fillers in order to maintain the physical and mechanical properties. The study is based on the in situ generation of functionalized inorganic fillers in the polymer matrix during the melt extrusion process by hydrolysis-condensation reactions of alkoxysilane precursors. Morphological and chemical characterization revealed the formation of these composites. Fire tests data showed a significant modification in the fire behaviour of the materials with the addition of the silico-phosphorylated fillers, which proves the interest of dispersing the fire retardant functions by this novel approach. An opening on nitrogen systems was also highlighted. The fire performance evaluated using a microcalorimeter and a combustion cone calorimeter was also used to compare phosphorus compounds introduced by the additive approach and the silico-phosphorylated filler generated in situ the molten copolymer