Behavior of rigid polyurethane foams in case of fire : Systematic approaches

Une prise de conscience commune des facteurs environnementaux et plus particulièrement du réchauffement climatique rend urgent un meilleur contrôle de la consommation d'énergie. Une solution consiste à réduire les pertes d'énergie dans les bâtiments en utilisant de nouveaux matériaux d'isolation thermique efficaces tels que les mousses polyuréthanes. Ces mousses sont des matériaux très performants et compétitifs au regard des autres solutions existantes. Cependant, elles sont extrêmement inflammables en raison de leur nature organique. Les chercheurs et industrielles ajoutent alors des molécules appelées retardateurs de flamme (RFs) dans leur composition afin d’éviter le départ d’un incendie ou encore de diminuer l’intensité de la combustion lorsqu’un feu se déclare. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse dont l’objectif est d’étudier de manière systématique des mousses polyuréthanes (PUR) et polyisocyanurates (PIR). Le but est de proposer une démarche scientifique permettant un développement plus rapide et plus efficace de nouvelles formulations. Cette étude systématique a également été couplée à une étude multi-échelle du comportement au feu des mousses puisqu’un test à l’échelle du laboratoire a été développé: « le mini-SBI ». Les RFs étudiés dans ces travaux sont les RFs organiques phosphorés qui sont actuellement mis en avant afin de remplacer certains RFs halogénés qui pourraient être dangereux pour l’environnement et la santé. Les mécanismes de décomposition des mousses vierges et ignifugées ont été élucidés. Ainsi, dans le cas des RFs phosphorés, nous avons pu démontrer que leur mode d’action variait en fonction du degré d’oxydation du phosphore ainsi qu’en fonction de leur point de décomposition. De plus, l’efficacité des RFs varie également en fonction de la mousse utilisée (PUR ou PIR). Ces résultats pourront être mis à profit dans le développement de nouvelles formulations.A common awareness of environmental factors and more particularly of global warming makes it urgent to better control energy consumption. One solution is to reduce energy loss in building using new and efficient thermal insulation materials such as polymeric foams. Polyurethane (PUR) and polyisocyanurate (PIR) foams are very effective and competitive materials due to their low cost. However, these materials are extremely flammable due to their organic nature. Researchers and manufacturers add molecules called flame retardants (FRs) to their composition in order to prevent the outbreak of a fire or reduce the intensity of combustion when a fire breaks out. The objective of this PhD work is to study by systematic approaches the fire behavior of PUR and PIR foams. The aim is to propose a scientific approach allowing a quicker and more efficient development of new formulations. This systematic study was also coupled with a multi-scale study of the fire behavior of the foams, as a laboratory-scale fire test was developed (M-SBI), which allowed a quick and efficient examination of the formulations. The FRs studied in this work are phosphorus organic FRs which are currently promoted to replace some halogenated FRs which could be dangerous for the environment and health. The mechanisms of degradation of virgin and flame retarded foams were elucidated using various analytical tools. Thus, in the case of phosphorus FRs, we were able to demonstrate that their mode of action varied according to the phosphorus oxidation degree as well as according to their point of decomposition. Moreover, the efficiency of the FRs also varies according to the foam used (PUR or PIR). All these results can thus advantageously be exploited to propose future efficient flame retardants for specific systems to reduce the combustion intensity of the foams