Development and characterization of a novel flame retardant EVM-based formulation : investigation and comprehension of the flame retardant mechanisms

par Oriane Cérin-Delaval (Cérin)

Thèse de doctorat en Molécules et Matière condensée

Sous la direction de Serge Bourbigot, Sophie Duquesne et de Gaëlle Fontaine.

Soutenue le 10-12-2010

à Lille 1 .

  • Titre traduit

    Étude des procédés d'ignifugation d'élastomères : application au copolymère éthylène- acetate de vinyle vulcanisé


  • Résumé

    Cette étude s’intéresse aux procédés d’ignifugation d’un élastomère, le copolymère d’éthylène acétate de vinyle (EVM) vulcanisé, et plus particulièrement à l’ajout en masse de retardateurs de flamme commerciaux. L’objectif de ce travail consiste à mettre au point une formulation à base EVM destinée aux domaines de la câblerie et des transports, ignifugée et à haute tenue mécanique, ainsi qu’à comprendre les phénomènes d’ignifugation mis en jeu. L’évaluation de différents types d’additifs, sur le plan mécanique et retard au feu, a permis de dégager une combinaison innovante associant le trihydroxyde d’aluminium (ATH) et le diéthylphosphinate d’aluminium (OP1230). Le mode d’action de l’ATH dans l’EVM, généralement attribué à sa déshydratation endothermique, a été revisité à l’aide d’une approche cinétique de la dégradation du système EVM/ATH. Ces résultats ont été corrélés à l’étude de l’évolution du matériau soumis à des conditions incendie. Il a été montré que l’endothermicité de la réaction n’a qu’un rôle secondaire, l’additif agissant principalement en formant au sein du matériau une structure protectrice d’alumine jouant le rôle de barrière thermique et ralentissant ainsi le transfert de masse lors de la combustion. Pour la formulation complète (EVM/ATH/OP1230), les interactions chimiques entre additifs et polymère et les mécanismes d’action de l’OP1230 et de la combinaison ATH/OP1230 ont été étudiés. L’effet de synergie observé entre les deux additifs est attribué à la formation d’une couche protectrice vitreuse résistante à la surface du matériau pendant la combustion, couplée à la libération d’espèces phosphorées agissant en phase gaz comme inhibiteurs de flamme.


  • Résumé

    This study is dedicated to the formulation of an innovative flame retardant material based on elastomeric vulcanized ethylene-vinyl acetate copolymer (EVM) used in the fields of cable and transportation, and to the comprehension of the flame retardant phenomena. The screening of various additives, evaluated in EVM in terms of mechanical and fire retardant properties, allowed the determination of an innovative combination, made of aluminium trihydroxide (ATH) and aluminium diethyl phosphinate (OP1230). The ATH mode of action, generally assumed to be a cooling effect, was revisited by a kinetic approach of the thermal degradation of the EVM/ATH formulation in oxidative and pyrolytic conditions, associated with the investigation of the evolution of the material in simulated fire conditions. It was found that the cooling effect occurs, but the main protective effect of ATH consists in the formation during combustion of an alumina layer, diminishing the mass and heat transfer and thus the flame feeding. In the complete formulation (EVM/ATH/OP1230), the chemical interactions between ATH, OP1230 and the polymer were investigated, revealing that the synergistic effect provided by the two additives results from the creation during combustion of a resistant glassy layer. Moreover phosphorous species are evolved in the gas phase during combustion, acting as flame inhibitors.


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