Introduction au mécanisme ignifuge des composants plastiques isolants des bornes

L'effet ignifuge des pièces en plastique n'est pas ponctuel, mais intervient à différentes étapes de la combustion (chauffage, décomposition, inflammation, propagation) par des mécanismes physiques et chimiques. Les principaux mécanismes peuvent être classés comme suit :
1. Mécanisme ignifuge en phase gazeuse (piégeage des radicaux libres)
Il s'agit là de l'un des mécanismes les plus importants et les plus efficaces.
Principe : Lorsque les retardateurs de flamme se décomposent sous l'effet de la chaleur, ils peuvent libérer des substances actives (telles que des radicaux halogènes X·), qui vont « piéger » les radicaux H· et HO· (groupe hydroxyle) qui maintiennent la réaction en chaîne de la flamme dans la réaction de combustion, de sorte que leur concentration chute brutalement, afin d'interrompre efficacement la réaction chimique de combustion.

Retardateurs de flamme typiques :
Retardateurs de flamme halogènes (brome, chlore) : haute efficacité, mais importante fumée lors de la combustion, peuvent produire des gaz toxiques et corrosifs (dioxines, etc.), actuellement limités dans certains domaines soumis à des exigences élevées en matière de protection de l’environnement.
Retardateurs de flamme sans halogène (tels que les retardateurs de flamme intumescents à base d'azote, de phosphore et d'azote) : des gaz non combustibles tels que l'ammoniac, l'azote et la vapeur d'eau sont produits par décomposition, diluant les concentrations d'oxygène et de gaz combustibles, tout en piégeant les radicaux libres.

2. Mécanisme ignifuge en phase condensée (formation d'une couche de carbone)
Principe : Les retardateurs de flamme favorisent la déshydratation et la carbonisation des polymères à la surface de la flamme, formant ainsi une couche de carbone dense et poreuse. Cette couche de carbone remplit plusieurs fonctions :
Isolation : Bloque le transfert de chaleur extérieure vers le polymère interne.
Barrière anti-oxygène : empêche la fuite des produits de décomposition combustibles internes et empêche également l'oxygène extérieur de pénétrer.
Couche barrière : Protège le matériau sous-jacent des gouttelettes de matière fondue.
Retardateurs de flamme typiques :
Les retardateurs de flamme phosphorés, tels que les esters de phosphate, le phosphore rouge, l'acide phosphorique et l'acide polymétaphosphique, se forment sous l'effet de la chaleur, ce qui favorise la déshydratation des polymères oxygénés (tels que le PC et le PET) en carbone.
Système ignifuge intumescent (IFR) : Composé d’une source d’acide, d’une source de carbone et d’une source de gaz, il mousse et se dilate sous l’effet de la chaleur, formant une couche de carbone poreuse des dizaines de fois plus épaisse que la couche initiale. Ce système offre une excellente isolation thermique et une protection contre l’oxygène et représente la technologie de référence des retardateurs de flamme haut de gamme sans halogène.

3. Mécanisme de refroidissement (refroidissement endothermique)
Principe : Certains retardateurs de flamme absorbent beaucoup de chaleur (forte absorption de chaleur) lors de leur décomposition, réduisant ainsi la température de la surface du matériau et retardant le processus de décomposition thermique des polymères.
Retardateurs de flamme typiques :
Hydroxydes métalliques : Les plus couramment utilisés sont l’hydroxyde d’aluminium (ATH) et l’hydroxyde de magnésium (MH). Ils absorbent une grande quantité de chaleur lors de leur décomposition et libèrent de la vapeur d’eau, diluant ainsi les gaz combustibles et l’oxygène. Il s’agit de la méthode ignifuge la plus respectueuse de l’environnement et sans fumée, mais elle nécessite un ajout important (généralement > 50 %), ce qui peut affecter les propriétés mécaniques et la fluidité de mise en œuvre du matériau.

4. Effets des gouttelettes et de la dilution
Effet de gouttelettes : Certains matériaux (comme le PA6/PA66 non ignifuge) fondent et s’égouttent rapidement sous l’effet de la chaleur, emportant la chaleur et protégeant ainsi le matériau situé au-dessus. Cependant, ce phénomène est incontrôlable et dangereux car les gouttelettes fondues peuvent propager des flammes et enflammer d’autres composants. Un bon système ignifuge doit empêcher la formation de gouttelettes, ou les rendre incombustibles (une quantité limitée de gouttelettes est tolérée pour la classe V-2, et strictement limitée pour la classe V-0).
Effet de dilution : La décomposition des retardateurs de flamme produit des gaz non combustibles (tels que la vapeur d'eau, le CO₂, le N₂, le NH₃, etc.), diluant la concentration de gaz combustibles et d'oxygène autour du matériau.