Systemic approach of the synergism in flame retarded intumescent polyurethanes

par Maryska Muller

Thèse de doctorat en Molécules et Matière Condensée

Sous la direction de Sophie Duquesne et de Serge Bourbigot.

  • Titre traduit

    Approche systémique des effets de synergie dans les procédés d’ignifugation de polyuréthanes intumescents


  • Résumé

    L’objectif de ce travail de thèse est de mettre en évidence et de comprendre le mécanisme de synergie observé au niveau des propriétés retard au feu de polyuréthanes (PUs) intumescents par l’ajout de nanoparticules (NPs). En effet, l’addition de polyphospha te d’ammonium (APP) dans une matrice PU conduit à une amélioration de ses propriétés retard au feu. La substitution d’une petite quantité d’APP par des NPs (MgO, SiO2, octamethyl polyhedral oligomeric silsesquioxanes (OMPOSS) et or) conduit de plus à un phénomène de synergie. Il a été montré que la nature et la quantité de NPs jouent un rôle important sur les propriétés retard au feu et sur le mécanisme de protection. L’étude de la stabilité thermique des différents systèmes a premièrement mis en évidence une stabilisation entre l’APP et les NPs à l’exception de l’OMPOSS. Il a donc été proposé que la synergie intervienne en phase condensée où diverses réactions chimiques, caractérisées par RMN du solide, ont lieu lors de la dégradation des matériaux entrainant la formation d’une barrière protectrice intumescente. Les propriétés de cette barrière, telles que sa conductivité thermique, son expansion et sa morphologie, ont été étudiés dans un second temps à l’aide de techniques spécifiques développées dans le cadre de cette étude (en particulier la tomographie). Ces propriétés ont été reliées à la meilleure protection observée pour le système contenant l’APP et les NPs. La résistance mécanique de barrières intumescentes développées dans différentes conditions a finalement été étudiée mais n’intervient pas dans le mécanisme de synergie.


  • Résumé

    The purpose of this Ph.D work is to present and to understand the synergy observed in the fire performances of intumescent polyurethane (PU) formulations by the addition of nanoparticles (NP). Indeed, it was shown that the addition of ammonium polyphosphate (APP) in PU leads to interesting fire properties that can be enhanced substituting a small amount of APP by NPs (MgO, SiO2, octamethyl polyhedral oligomeric silsesquioxanes (OMPOSS) and gold). The nature and content of the NPs play an important role on the fire retardant properties and mechanisms. First, a thermal stabilization was observed between APP and the different NPs except OMPOSS. The synergy mechanism was thus attributed to a condensed phase action where a range of chemical species, characterized by solid state NMR, are created upon heating the material in different conditions. The char properties, such as thermal conductivity, expansion and morphology, were then characterized using novel techniques (in particular tomography). It was shown that they are linked with the thermal barrier effect of the residual material explaining the good fire properties obtained when combining APP and NPs. The mechanical strength of chars developed in different conditions was also investigated but do not play a significant role on the synergy mechanism.



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