Caractérisation des propriétés radiatives des vestes de sapeurs-pompiers

Transcription

1 Caractérisation des propriétés radiatives des vestes de sapeurs-pompiers A. Marchand a, A. Collin a, Z. Acem a, A. Kadi a, M. Lepelletier b, Y. Van Waelfelghem b, F. Magnolini c, H. Charette c a : LEMTA, Université de Lorraine, CNRS b : Service Départemental d Incendie et de Secours de Vendée, SDIS 85, La Roche sur Yon c : Service Départemental d Incendie et de Secours de Meurthe et Moselle, SDIS 54, Ludres 23 janvier 24 GDR Niort, 23 et 24 janvier 24

2 Sommaire de l exposé Contexte et enjeux de l étude GDR Niort, 23 et 24 janvier 24

3 Sommaire de l exposé Contexte et enjeux de l étude GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24

4 Contexte et enjeux de l étude Contexte de l étude Retour d expériences de la part des SDIS concernant plusieurs cas de stress thermique (pertes de connaissance et altération du jugement) et de brûlures sans être au contact d une flamme, = Dans quels cas ce phénomène apparaît-il? Compréhension de ce phénomène GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 / 25

5 Contexte et enjeux de l étude Contexte de l étude Retour d expériences de la part des SDIS concernant plusieurs cas de stress thermique (pertes de connaissance et altération du jugement) et de brûlures sans être au contact d une flamme, = Dans quels cas ce phénomène apparaît-il? Compréhension de ce phénomène Mise en place de la COMETIC par la DSC en 29 = Identifier toutes les formes d agressions extérieures que rencontre le sapeur-pompier en intervention (EPI, tactiques d engagement,...), = Proposer de nouveaux matériaux / nouveaux outils pour aider les sapeurs-pompiers dans leurs opérations, Amélioration des équipements actuels GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 / 25

6 Contexte et enjeux de l étude Enjeux et motivations de l étude Améliorer le niveau de protection thermique des tenues de protection (en phase d observation ou d attaque du feu) Veste d intervention en textile GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 2 / 25

7 Contexte et enjeux de l étude Enjeux et motivations de l étude Améliorer le niveau de protection thermique des tenues de protection (en phase d observation ou d attaque du feu) Veste d intervention en textile Ces tenues textiles doivent répondre à la norme NF EN 469 : Propagation de flamme limitée (EN 532), Transmission de chaleur suite à l exposition à la flamme (EN 366 / EN 367), Résistance à la traction (sous flux thermique incident / aux produits chimiques liquides), Imperméabilité à l eau, Perméabilité à la vapeur d eau GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 2 / 25

8 Contexte et enjeux de l étude Enjeux et motivations de l étude Améliorer le niveau de protection thermique des tenues de protection (en phase d observation ou d attaque du feu) Veste d intervention en textile Ces tenues textiles doivent répondre à la norme NF EN 469 : Propagation de flamme limitée (EN 532), Transmission de chaleur suite à l exposition à la flamme (EN 366 / EN 367), Résistance à la traction (sous flux thermique incident / aux produits chimiques liquides), Imperméabilité à l eau, Perméabilité à la vapeur d eau Pas de norme spécifique sur la phase d approche / d attaque du feu GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 2 / 25

9 Contexte et enjeux de l étude Enjeux et motivations de l étude Améliorer le niveau de protection thermique des tenues de protection (en phase d observation ou d attaque du feu) Veste d intervention en textile Ces tenues textiles doivent répondre à la norme NF EN 469 : Propagation de flamme limitée (EN 532), Transmission de chaleur suite à l exposition à la flamme (EN 366 / EN 367), Résistance à la traction (sous flux thermique incident / aux produits chimiques liquides), Imperméabilité à l eau, Perméabilité à la vapeur d eau Pas de norme spécifique sur la phase d approche / d attaque du feu ère étape : mesurer les propriétés radiatives des vestes actuelles GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 2 / 25

10 Sommaire de l exposé Contexte et enjeux de l étude GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24

11 Schéma de principe des mesures Échantillonnage Veste d intervention Échantillons Mesures Absorptivité spectrale [-] Bras Dos Avant Traitement des données Dispositif de mesures Mesures expérimentales GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 3 / 25

12 Composition des vestes Couche # Images MEB (EEIGM - Nancy) Caractéristiques des couches Couche externe : fibres d aramide tissées finement, auto-extinguible, λ =.8W/m/K e =.7 mm GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 4 / 25

13 Composition des vestes Couche # Couche #2 Images MEB (EEIGM - Nancy) Caractéristiques des couches Couche externe : fibres d aramide tissées finement, auto-extinguible, λ =.8W/m/K e =.7 mm 2 Barrière d humidité : empêche la pénétration d eau et de produits chimiques. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 4 / 25

14 Composition des vestes Couche # Couche #2 Couche #3 Couche #4 Images MEB (EEIGM - Nancy) Caractéristiques des couches Couche externe : fibres d aramide tissées finement, auto-extinguible, λ =.8W/m/K e =.7 mm 2 Barrière d humidité : empêche la pénétration d eau et de produits chimiques. 3-4 Couches internes : protection thermique, composées d aramide non tissée, λ =.52 W/m/K e =.95 mm GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 4 / 25

15 Transfert radiatif au travers d une couche q Bilan des flux Couche # i Mécanismes α+τ +ρ = Critères pour une veste idéale : une bonne protection thermique Limiter la transmission : éviter les brûlures directes ; Limiter l absorption : contenir l augmentation de température ; Favoriser la réflexion : renvoyer le flux radiatif incident. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 5 / 25

16 Transfert radiatif au travers d une couche q q Bilan des flux Absorptivité,α = q q Couche # i Mécanismes α+τ +ρ = Critères pour une veste idéale : une bonne protection thermique Limiter la transmission : éviter les brûlures directes ; Limiter l absorption : contenir l augmentation de température ; Favoriser la réflexion : renvoyer le flux radiatif incident. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 5 / 25

17 Transfert radiatif au travers d une couche q q q 2 Bilan des flux Absorptivité,α = q q Transmittivité,τ = q 2 q Couche # i Mécanismes α+τ +ρ = Critères pour une veste idéale : une bonne protection thermique Limiter la transmission : éviter les brûlures directes ; Limiter l absorption : contenir l augmentation de température ; Favoriser la réflexion : renvoyer le flux radiatif incident. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 5 / 25

18 Transfert radiatif au travers d une couche q q q 3 q 2 Bilan des flux Absorptivité,α = q q Transmittivité,τ = q 2 q Réflectivité, ρ = q 3 q Couche # i Mécanismes α+τ +ρ = Critères pour une veste idéale : une bonne protection thermique Limiter la transmission : éviter les brûlures directes ; Limiter l absorption : contenir l augmentation de température ; Favoriser la réflexion : renvoyer le flux radiatif incident. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 5 / 25

19 Spectre utile pour le transfert de chaleur Émittance spectrale du corps noir (rayonnement d une source) : Emittance spectrale [W/m 2 /cm - ] T=5K T=6K Domaines spectraux Infra-rouge, [ cm 25cm ] ; Visible, [ 25cm 25cm ] ; Ultra-violet, [ 25cm 5cm ] ; T source [K] ν max [cm ] Spectre utile [cm ] 6K 2228 ν inf = 44 ν sup = 44 5K 58 ν inf = 36 ν sup = 363 GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 6 / 25

20 Spectre utile pour le transfert de chaleur Émittance spectrale du corps noir (rayonnement d une source) : Emittance spectrale [W/m 2 /cm - ] T=5K T=6K Domaines spectraux Infra-rouge, [ cm 25cm ] ; Visible, [ 25cm 25cm ] ; Ultra-violet, [ 25cm 5cm ] ; T source [K] ν max [cm ] Spectre utile [cm ] 6K 2228 ν inf = 44 ν sup = 44 5K 58 ν inf = 36 ν sup = 363 IR GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 7 / 25

21 Sommaire de l exposé Contexte et enjeux de l étude GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24

22 Homogénéité des propriétés radiatives de la veste Face avant Face arrière Bras GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 8 / 25

23 Homogénéité des propriétés radiatives de la veste Absorptivité [-] IR Visible Face avant Face arrière Bras UV Réflectivité [-] IR Visible UV Face avant Face arrière Bras Transmittivité [-] IR Visible UV Face avant Face arrière Bras Transmission nulle (cas pour toutes les vestes) ; Propriétés quasi-constantes quelle que soit la position sur la veste (sauf dans la zone de proche IR, 25% d écart maximal) ; Absorptivité spectrale peut diminuer jusqu à 5% dans le proche IR. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 9 / 25

24 Coefficients d absorption moyens Moyenne spectrale - Moyenne de Planck : α νmν (T) dν ν α = Mν (T) dν : ν T [K] α [-],85,83,82,8,78,76,75 ρ [-],5,7,8,2,22,24,25 GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 / 25

25 Coefficients d absorption moyens Moyenne spectrale : α νmν (T) dν ν α = Mν (T) dν : T [K] α [-],85,83,82,8,78,76,75 ρ [-],5,7,8,2,22,24,25 ν Absorptivités supérieures à 75% (donc faibles réflectivités) ; GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 / 25

26 Coefficients d absorption moyens Moyenne spectrale : α νmν (T) dν ν α = Mν (T) dν : T [K] α [-],85,83,82,8,78,76,75 ρ [-],5,7,8,2,22,24,25 ν Absorptivités supérieures à 75% (donc faibles réflectivités) ; Absorptivités moyennes plus faibles que celles couramment utilisées dans la littérature (α = 9%) ; GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 / 25

27 Coefficients d absorption moyens Moyenne spectrale : α νmν (T) dν ν α = Mν (T) dν : T [K] α [-],85,83,82,8,78,76,75 ρ [-],5,7,8,2,22,24,25 ν Absorptivités supérieures à 75% (donc faibles réflectivités) ; Absorptivités moyennes plus faibles que celles couramment utilisées dans la littérature (α = 9%) ; Absorptivité moyenne décroît avec la température (décalage du maximum d émission vers les grands nombres d onde). GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 / 25

28 Analyse des différentes couches de textile GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 2 / 25

29 Propriétés radiatives des différentes couches Absorptivité [-] Veste.2 Couche # Couche #2. Couche #3 Couche # Réflectivité [-] Veste Couche # Couche #2 Couche #3 Couche # GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 3 / 25

30 Propriétés radiatives des différentes couches Absorptivité [-] Veste.2 Couche # Couche #2. Couche #3 Couche # Réflectivité [-] Veste Couche # Couche #2 Couche #3 Couche # Comportements quasi-identiques de toutes les couches < 5 cm ; GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 3 / 25

31 Propriétés radiatives des différentes couches Absorptivité [-] Veste.2 Couche # Couche #2. Couche #3 Couche # Réflectivité [-] Veste Couche # Couche #2 Couche #3 Couche # Comportements quasi-identiques de toutes les couches < 5 cm ; Comportements différents dans le proche IR et visible ; GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 3 / 25

32 Propriétés radiatives des différentes couches Absorptivité [-] Veste.2 Couche # Couche #2. Couche #3 Couche # Réflectivité [-] Veste Couche # Couche #2 Couche #3 Couche # Comportements quasi-identiques de toutes les couches < 5 cm ; Comportements différents dans le proche IR et visible ; Forte réflexion pour la couche imper-respirante (couche #2) ; GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 3 / 25

33 Propriétés radiatives des différentes couches Absorptivité [-] Veste.2 Couche # Couche #2. Couche #3 Couche # Réflectivité [-] Veste Couche # Couche #2 Couche #3 Couche # Comportements quasi-identiques de toutes les couches < 5 cm ; Comportements différents dans le proche IR et visible ; Forte réflexion pour la couche imper-respirante (couche #2) ; Propriétés radiatives globales de la veste fixées par la couche # (car τ ν# = ). GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 3 / 25

34 Comparaison des équipements de protection individuelle (EPI) Veste en textile Veste en cuir Tenue F T-shirt noir GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 4 / 25

35 Comparaison des équipements de protection individuelle (EPI) Veste textile T-Shirt noir Veste cuir Veste F Absorptivité [-] Réflectivité [-] Veste textile T-Shirt noir. Veste cuir Veste F T [K] α Veste textile [-],85,83,82,8,78,76,75 α Veste en cuir [-],95,95,95,95,95,95,94 α Veste F [-],92,9,9,9,9,89,89 GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 5 / 25

36 Comparaison des équipements de protection individuelle (EPI) Veste textile T-Shirt noir Veste cuir Veste F Absorptivité [-] Réflectivité [-] Veste textile T-Shirt noir. Veste cuir Veste F Veste en cuir et veste F se comportent comme un corps gris ; Parmi les EPI, l absorptivité est plus faible pour la veste en textile ; Cependant, l absorption est plus faible et la réflexion plus élevée pour le T-shirt noir... mais... GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 6 / 25

37 Comparaison des équipements de protection individuelle (EPI) Transmittivité [-] IR Visible UV Veste textile T-Shirt noir Veste cuir Veste F Transmission non nulle pour le T-shirt... qui peut atteindreτ=7% à 3K; + non respect des normes mécaniques et de tenue au feu. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 7 / 25

38 Effets de la couleur du textile GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 8 / 25

39 Effets de la couleur du textile Veste bleue Veste orange Veste gold Absorptivité [-] Veste bleue Veste orange Veste gold Réflectivité [-] T [K] α Veste bleue [-],85,83,82,8,78,76,75 α Veste orange [-],8,79,77,75,72,7,68 α Veste gold [-],87,84,82,8,77,74,72 GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 9 / 25

40 Effets de la couleur du textile Veste bleue Veste orange Veste gold Absorptivité [-] Veste bleue Veste orange Veste gold Réflectivité [-] Une absorptivité pouvant atteindre 5% en proche IR (veste gold) ; Comparées à celles de la veste bleue, les absorptivités sont plus faibles pour la veste orange (gain de 4 à 5%) ; La veste gold est plus intéressante que la veste bleue, si la température de la source est plus grande que K. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 2 / 25

41 Effets du mode de teinture sur les propriétés radiatives GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24 2 / 25

42 Effets du mode de teinture sur les propriétés radiatives Teinture en surface Teinture en masse Absorptivité [-] Teinture en surface Teinture en masse Réflectivité [-] T [K] α Veste (t. surface) [-],85,83,82,8,78,76,75 α Veste (t. masse) [-],9,9,9,9,9,9,89 GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier / 25

43 Effets du mode de teinture sur les propriétés radiatives Teinture en surface Teinture en masse Absorptivité [-] Teinture en surface Teinture en masse Réflectivité [-] La veste teinte en masse peut être considérée comme un corps gris (α =, 9) ; La veste teinte en surface est plus efficace en terme de transfert thermique que celle teinte en masse car elle présente une absorptivité plus faible. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier / 25

44 Sommaire de l exposé Contexte et enjeux de l étude GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier 24

45 Observations apportées par cette étude Propriétés radiatives homogènes sur toute la veste ; Propriétés radiatives de vestes fixées par la couche extérieure ; Coefficients moyens d absorptivité élevés : 75-95% ; Influence faible de la couleur ; Influence modérée du mode de teinture; Ces EPI peuvent/doivent être améliorés. Poursuite de ce travail Mise en place d un modèle de transfert de chaleur au sein des vestes : identification des paramètres influents ; Quantification des contraintes thermiques subies par les SP en opérations (collaboration SDIS 85 / Institut Pprime) ; Recherche d une collaboration avec un industriel et une équipe de recherche travaillant sur le textile ; Amélioration du niveau de protection des EPI. GDR Feux Niort, 23 et 24 janvier / 25

46 Caractérisation des propriétés radiatives des vestes de sapeurs-pompiers A. Marchand a, A. Collin a, Z. Acem a, A. Kadi a, M. Lepelletier b, Y. Van Waelfelghem b, F. Magnolini c, H. Charette c a : LEMTA, Université de Lorraine, CNRS b : Service Départemental d Incendie et de Secours de Vendée, SDIS 85, La Roche sur Yon c : Service Départemental d Incendie et de Secours de Meurthe et Moselle, SDIS 54, Ludres 23 janvier 24 GDR Niort, 23 et 24 janvier 24