Composites thermoplastiques à fibres continues : mise en œuvre et comportement au feu

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1 Composites thermoplastiques à fibres continues : mise en œuvre et comportement au feu Qing LIN, Michel FERRIOL, Marianne COCHEZ Henri VAHABI, Christelle VAGNER Laboratoire MOPS, E.A michel.ferriol@univ-lorraine.fr 44 ème Colloque National du GFP Novembre 2015

2 PLAN DE L EXPOSE Introduction Matériaux et produits Mise au point du procédé de mise en œuvre : comportement au feu avec OP930 Amélioration du comportement au feu combinaisons OP930-ATH combinaisons OP930-ATH-graphite expansé combinaisons OP930-ATH-graphite expansible Conclusion et perspectives 44 ème Colloque National du GFP Novembre

3 INTRODUCTION Réduction de poids dans le domaine des transports: problématique de plus en plus prégnante en raison notamment: de l augmentation à terme du coût de l énergie (énergies fossiles) des problèmes environnementaux liés aux émissions de CO 2 et NOx Utilisation de composites à matrice polymère renforcée par des fibres continues Choix de la matrice: * thermodurcissable * thermoplastique (avantages principaux: recyclabilité, réutilisation, limitation des rebuts, réduction temps de cycle, assemblage par soudage) 44 ème Colloque National du GFP Novembre

4 INTRODUCTION : LE PROJET «RESINES IDEALES» Objectif: développer de nouveaux composites thermoplastiques renforcés à bas coût et facilement disponibles avec: tenue au feu optimale propriétés mécaniques en adéquation avec le domaine d application visé recyclabilité maximale Mise en œuvre Solutions retardatrices de flamme (voie additive) Formulation résine TP et recyclage Synthèse de (co)polymères fonctionnalisés (voie réactive) Projet réalisé avec le soutien financier de la Région Lorraine (Agence de Mobilisation Economique) Propriétés mécaniques 44 ème Colloque National du GFP Novembre

5 MATERIAUX ET PRODUITS Résine thermoplastique: Elium (Arkema), résine à base acrylate Renfort: taffetas fibre de verre Chomarat G-Weave 600 P/A avec ensimage compatible résine acrylique Additifs RF: Exolit Clariant OP 930 (diéthyl-phosphinate d aluminium) Trihydroxyde d aluminium (ATH) Martinal ON 904 Graphite expansé Sigratherm GFG 5 (SGL Carbon Gmbh)) Graphite expansible Grafguard B 44 ème Colloque National du GFP Novembre

6 MATERIAUX ET PRODUITS Caractéristiques dimensionnelles des additifs RF Additif RF OP 930 ATH ON 904 GFG 5 Grafguard B Diamètre particules ( m) 2,5 (médian) 4 (médian) 5 (médian) 250 (moyen) graphite expansé graphite expansible 44 ème Colloque National du GFP Novembre

7 MISE AU POINT DU PROCÉDÉ DE MISE EN ŒUVRE Fabrication de plaques de composites (PPE) : résine Elium chargée OP 930 dimensions: 21x30 cm 8 plis de tissu fibres de verre épaisseur: 4 mm Taux volumique de fibres: 52,9 % Les compositions sont celles de la résine et non du composite Différents procédés de mise en œuvre testés successivement : RTM (Resin Transfer Molding) CVH (Compression Voie Humide) PREPREG-Thermocompression T-CVH 44 ème Colloque National du GFP Novembre

8 RTM Injection de la résine chargée sous pression dans un moule contenant le renfort, puis polymérisation à T ambiante Filtration des particules dispersion de charge non homogène CVH Imprégnation manuelle du renfort couche par couche puis polymérisation à T ambiante et P=0,2 bars (bâche à vide) Évaporation de la résine taux de résine non conforme Prepreg-thermocompression Imprégnation d un pli de renfort, polymérisation, découpage en 8, empilement des plis, thermocompression (T=200 C, P=15 bars) Décompactage des plis sous l effet de la chaleur fortes variations de HRR (test au cône calorimètre) T-CVH Imprégnation et empilement des 8 plis de renfort, polymérisation pendant la thermocompression (T=80 C, P=10 bars) Méthode la plus adaptée! 44 ème Colloque National du GFP Novembre

9 Tests au cône calorimètre CVH TTI les plus importants THR les plus faibles évaporation résine CVH Prepregthermoco mpression T-CVH Taux de charge OP930 (pcr) phrr (kw.m -2 ) THR (MJ.m -2 ) TTI (s) ème Colloque National du GFP Novembre

10 Tests au cône calorimètre Prepreg-th. succession inflammations et extinctions partielles décompactage progressif des plis lié à une mauvaise interpénétration des chaînes macromoléculaires libération brutale des gaz combustibles lors de la séparation des plis CVH Prepregthermoco mpression T-CVH Taux de charge OP930 (pcr) phrr (kw.m -2 ) THR (MJ.m -2 ) TTI (s) ème Colloque National du GFP Novembre

11 Tests au cône calorimètre T-CVH allure courbe HRR conforme procédé validé CVH Prepregthermoco mpression T-CVH Taux de charge OP930 (pcr) phrr (kw.m -2 ) THR (MJ.m -2 ) TTI (s) ème Colloque National du GFP Novembre

12 AMELIORATION DU COMPORTEMENT AU FEU Combinaisons OP930-ATH L ATH modifie le schéma de dégradation des phosphinates au profit d une action plus marquée en phase gazeuse [1] Dans le cas du PMMA, il a été montré une action favorable de l ATH sur la vitesse de combustion linéaire et sur le temps de combustion [2] Substitution d une partie de OP930 par ATH intéressante économiquement Taux de charge (pcr) OP930 ATH ON904 IOL (±0,5) (%) UL V V NC NC V V V NC NC [1] S. Duquesne et coll., Thermochim. Acta, 551, (2013) [2] A. Bundersek et coll., Polym. Composite, DOI /pc (2014) Diminution de 13% pour phrr et de 26% pour THR Formulation retenue par PPE 44 ème Colloque National du GFP Novembre

13 AMELIORATION DU COMPORTEMENT AU FEU Combinaisons OP930-ATH-graphite expansé Ajout du graphite expansé : TTI, phrr et THR jusqu à environ 5-7 pcr TTI, phrr et THR au delà 44 ème Colloque National du GFP Novembre

14 AMELIORATION DU COMPORTEMENT AU FEU Combinaisons OP930-ATH-graphite expansé Effet du graphite expansé : jusqu à 5-7 pcr : augmentation de l absorption calorifique en surface augmentation rapide de la température de surface dégradation et inflammation accélérées [1, 2] au delà de 5-7 pcr: augmentation de la diffusivité et conductivité thermique diminution de la température de surface inflammation retardée [1, 2] Résidus cône calorimètre [1] A. Laachachi et coll., Polym. Degrad. Stab., 117, (2015) [2] T. Kashiwagi et coll., Polymer, 45, (2004) 44ème Colloque National du GFP Novembre

15 AMELIORATION DU COMPORTEMENT AU FEU Combinaisons OP930-ATH-graphite expansible OP930-ATH-graphite (pcr) IOL (%) ± 0,5 UL-94 0 / 0 / V0 20 / 20 / 0 45 V1 20 / 20 / 10 61,5 V0 Résidus cône calorimètre 44 ème Colloque National du GFP Novembre

16 AMELIORATION DU COMPORTEMENT AU FEU Combinaisons OP930-ATH-graphite (20/20/10 pcr) Thermocouple Echantillon Température face opposée ( C) graphite expansé T= T= o 0 C graphite expansible 3 cm Temps (s) IOL, UL94 et mesure de température effet positif du graphite expansible 44 ème Colloque National du GFP Novembre

17 CONCLUSION ET PERSPECTIVES Combinaison OP930-ATH-graphite expansible (20/20/10) prometteuse en termes de comportement au feu Poursuite des travaux : Comportement au cône calorimètre Optimisation de la formulation OP930-ATH-graphite expansible (plan d expériences) Optimisation de la dispersion des particules de graphite : 44 ème Colloque National du GFP Novembre

18 Merci pour votre attention! 44 ème Colloque National du GFP Novembre