Etude expérimentale et numérique de la décomposition thermique des matériaux à trois échelles : application à une mousse polyéther polyuréthane utilisée dans les meubles rembourrés

par Lucas Bustamante Valencia

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Patrick Rousseaux et de Thomas Rogaume.

Soutenue en 2009

à Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aéronautique .

mots clés

• Gaz de combustion
• Pyrolyse
• Incendies
• Simulation par ordinateur
• Essais de comportement au feu

Résumé

Le comportement au feu d'une mousse polyether polyuréthane a été étudié à trois échelles : échelle matière, petite échelle et échelle produit. Une méthodologie a été définie à petite échelle (échelle matière) pour la détermination du mécanisme de décomposition des matériaux. Cette méthode est fondée sur l'analyse de la vitesse de perte de masse (phase solide) et le dégagement de gaz (phase gazeuse) obtenus avec une analyse thermogravimètrique (ATG) couplé avec un analyseur de gaz IRTF. L'utilisation d’un modèle et des algorithmes génétiques ont permis de calculer les paramètres cinétiques du processus de décomposition. Ceci a permis de prédire avec justesse la courbe de vitesse de perte de masse. Des mesures de débit calorifique et dégagement gazeux ont été effectuées à l'aide du cône calorimètre couplé avec des analyseurs de gaz (petite échelle). Les donnée d'entrée pour la simulation numérique du comportement au feu du matériau sont issues des résultats experimentaux et des données du modèle. Cette étude a montré que certaines améliorations doivent être apportées aux modèles de pyrolyse des codes de simulation incendie. Des mesures de débit calorifique, vitesse de perte de masse et dégagement gazeux ont été réalisées pendant la combustion d'un meuble rembourré simplifié (échelle produit). Il a été mis en évidence que le mécanisme de décomposition de la mousse reste inchangé indépendamment de l'échelle analysée.

Titre traduit

= Experimental and numerical investigation of the thermal decomposition of materials at three scales : application to polyether polyurethane foam used in upholstered furniture

Résumé

The fire behaviour of polyether polyurethane foam has been studied at three scales : matter scale, small scale and product scale. A general method to determine the thermal decomposition mechanism of materials was defined at the matter scale. This method is based on the analysis of the mass-loss rate (solid phase) and gas release (gas phase) obtained in thermogravimetric analysis (TGA) coupled to FTIR gas analysis. Using a model and genetic algorithms were calculated the kinetic parameters of the decomposition process which allowed an accurate prediction of the mass-loss rate. Measurements of heat release rate and gas release were carried out in cone calorimeter coupled to gas analysers (small scale). This data as well as the results from the model were used as input data at the numerical simulation of fire behaviour. This study highlighted that some improvements need to be carried out to the pyrolysis models of fire simulation codes. Measurements of heat release rate, mass-loss rate and gas release were also performed during the fire of a simplified piece of upholstered furniture (product scale). It was pointing out that the decomposition mechanism of the foam remains unchanged independently of the scale analysed.