Retardateurs de flamme pour PVC : Types et tendances

Le PVC (chlorure de polyvinyle), le deuxième plastique à usage général le plus produit au monde, est largement utilisé dans les matériaux de construction (tels que les tuyaux, les profilés et les dalles de plafond), l'électronique (tels que l'isolation des câbles), les intérieurs automobiles (tels que les substrats de tissus de sièges) et les articles de la vie quotidienne (tels que les imperméables et les jouets) en raison de son faible coût, de sa forte résistance à la corrosion et de ses excellentes propriétés de traitement.

Cependant, la structure chimique du PVC le rend inflammable. Sous l'effet de températures élevées ou de flammes nues, le PVC se décompose rapidement, libérant de grandes quantités de chaleur et produisant des gaz toxiques et dangereux tels que le chlorure d'hydrogène (HCl) et le monoxyde de carbone (CO). Ces gaz non seulement accélèrent la propagation du feu, mais causent également de graves dommages aux voies respiratoires humaines et peuvent même entraîner la mort par suffocation.

Selon les statistiques sur les incendies, dans les incendies impliquant des plastiques, le taux de victimes causées par les produits en PVC est significativement plus élevé que celui des autres plastiques. Par conséquent, améliorer la performance de sécurité incendie du PVC en ajoutant des retardateurs de flamme est devenu un facteur clé pour garantir son application en toute sécurité.

La fonction fondamentale des retardateurs de flamme est de ralentir ou d'empêcher la combustion du PVC par trois mécanismes : inhiber la réaction en chaîne de combustion, abaisser la température de combustion et isoler l'oxygène du matériau combustible.

Les retardateurs de flamme actuels pour le PVC peuvent être clairement divisés en deux catégories : les retardateurs de flamme halogénés et les retardateurs de flamme sans halogène, en fonction de l'élément retardateur de flamme. Ces deux types présentent des différences distinctes en termes de performance, de respect de l'environnement et de scénarios d'application.

Les retardateurs de flamme halogénés (contenant principalement du chlore et du brome) ont été le premier type de retardateur de flamme utilisé dans le PVC. Leur principal avantage réside dans leur "haute efficacité et faible ajout" : une dose de seulement 10 % à 20 % suffit pour obtenir un produit en PVC avec une classification UL94 V-0 (la classification la plus élevée dans le test de combustion verticale) ou le niveau de retardance au feu spécifié dans la norme GB/T 2408-2021.

Des exemples typiques incluent le paraffine chlorée (CP), l'éther décabromodiphénylique (DecaBDE) et

le tétrabromobisphénol A (TBBPA). La paraffine chlorée, en raison de sa bonne compatibilité avec le PVC, est souvent utilisée comme retardateur de flamme secondaire en combinaison avec le retardateur de flamme principal, améliorant simultanément la résistance au feu et les propriétés plastifiantes du PVC.

L'éther décabromodiphénylique, avec sa teneur élevée en brome de 83 %, offre une résistance au feu extrêmement élevée et a été largement utilisé dans l'isolation des câbles en PVC dans les secteurs de l'électronique et des appareils électriques.

Cependant, le défaut fatal des retardateurs de flamme halogénés réside dans la nature hautement dangereuse de leurs produits de combustion. Lorsque les produits en PVC sont exposés au feu, les retardateurs de flamme halogénés réagissent avec le chlorure d'hydrogène produit par la décomposition du PVC pour produire des polluants organiques persistants tels que les dioxines (puissants cancérogènes) et les dibenzofuranes polybromés. Ces substances non seulement polluent l'environnement, mais peuvent également nuire à la santé humaine par voie respiratoire ou par contact cutané.

Avec l'introduction de réglementations environnementales telles que la directive RoHS de l'UE et les "Mesures pour le contrôle et la gestion de la pollution des produits d'information électronique" en Chine, l'application des retardateurs de flamme halogénés a été strictement limitée. Actuellement, ils ne sont utilisés qu'en quantités limitées dans des secteurs industriels spécialisés où la résistance au feu est extrêmement exigeante et où aucune alternative n'est disponible, comme les tuyaux en PVC pour l'exploitation minière souterraine.

Les retardateurs de flamme sans halogène, en raison de leurs propriétés respectueuses de l'environnement et de leur faible toxicité, sont devenus la direction principale du développement dans l'industrie des retardateurs de flamme pour le PVC. Ces retardateurs de flamme ne contiennent pas d'éléments halogénés tels que le chlore et le brome. Ils produisent une faible densité de fumée et des émissions minimales de gaz toxiques lors de la combustion, et la plupart respectent les exigences environnementales du règlement REACH de l'UE.

Ils sont particulièrement adaptés à une utilisation dans des lieux très fréquentés (tels que les centres commerciaux, les hôpitaux et les métros) et dans des zones où les exigences environnementales sont strictes (tels que les jouets pour enfants et les consommables médicaux). Les retardateurs de flamme sans halogène se répartissent principalement en trois catégories : les retardateurs de flamme inorganiques, les retardateurs de flamme organophosphorés et les retardateurs de flamme à base d'azote.

Les retardateurs de flamme inorganiques sont les plus largement utilisés dans les produits en PVC en raison de leur faible coût et de leur grande sécurité. Les retardateurs de flamme inorganiques représentatifs sont l'hydroxyde d'aluminium (ATH) et l'hydroxyde de magnésium (MDH). Ce sont tous deux des retardateurs de flamme endothermiques, et leur mécanisme de retardance au feu est très représentatif : lorsque les produits en PVC sont exposés à des températures élevées, l'hydroxyde d'aluminium se décompose à 200-300°C, libérant de l'eau de cristallisation et absorbant une grande quantité de chaleur (environ 1,97 kJ par gramme de décomposition d'ATH).

Cela réduit la température de surface du PVC et inhibe sa décomposition thermique. Simultanément, la vapeur d'eau libérée dilue la concentration de gaz combustibles dans l'air, agissant comme un "extincteur physique". Finalement, le produit de décomposition, l'oxyde d'aluminium, forme un revêtement inorganique dense sur la surface du PVC, isolant l'oxygène des combustibles et empêchant la propagation ultérieure des flammes.

Dans les applications pratiques, l'hydroxyde d'aluminium peut être ajouté aux matériaux de câbles ignifuges en PVC à des niveaux allant jusqu'à 60%-70%, permettant aux câbles de passer le "test de combustion groupée" spécifié dans la norme GB/T 19666-2019, "Fils et câbles électriques ou câbles optiques ignifuges et résistants au feu". Cela garantit que les câbles peuvent maintenir l'alimentation électrique pendant une certaine période en cas d'incendie, offrant un temps précieux pour l'évacuation.

Comparé à l'hydroxyde d'aluminium, l'hydroxyde de magnésium a une température de décomposition plus élevée (340-490°C), ce qui le rend plus adapté aux produits rigides en PVC nécessitant des températures de traitement plus élevées (tels que les tuyaux d'évacuation en PVC-U). Cependant, sa résistance au feu est légèrement inférieure, et il est généralement combiné avec des retardateurs de flamme à base de phosphore pour améliorer son efficacité.

Les retardateurs de flamme à base d'organophosphorés (tels que les esters de phosphate et le polyphosphate d'ammonium (APP)) sont classés comme "retardateurs de flamme chimiques". Lors de la combustion, ils génèrent des substances visqueuses telles que l'acide phosphorique et l'acide polyphosphorique, formant une "couche de charbon" sur la surface du PVC, qui empêche à la fois le transfert de chaleur et réduit la libération de gaz combustibles.

Ce type de retardateur de flamme a une compatibilité supérieure avec le PVC par rapport aux retardateurs de flamme inorganiques. Son ajout a un impact minimal sur les propriétés mécaniques des produits en PVC (telles que la résistance à la traction et la ténacité).

Par conséquent, il est souvent utilisé dans PVC des produits souples ayant des exigences élevées en matière de processabilité et d'apparence, tels que les tubulures médicales en PVC pour perfusion et les joints en PVC pour automobiles. Par exemple, l'ajout de 15%-25% d'un retardateur de flamme à base d'ester de phosphate aux tubulures médicales en PVC pour perfusion permet non seulement d'atteindre une résistance au feu de niveau V-1, mais garantit également la transparence et la flexibilité des tubulures, répondant ainsi aux exigences médicales.

Les retardateurs de flamme à base d'azote (tels que le cyanurate de mélamine (MCA)) diluent les gaz combustibles en libérant des gaz inertes (tels que l'ammoniac et l'azote). La résine de mélamine formée lors de leur décomposition favorise également la formation de charbon. Ils forment souvent un "système synergique phosphore-azote" avec des retardateurs de flamme à base de phosphore, renforçant encore la résistance au feu. Ce système synergique est largement utilisé dans les câbles électroniques en PVC et peut réduire la quantité totale de retardateur de flamme de 10%-15%, minimisant l'impact sur la fluidité de traitement du PVC et réduisant les coûts de production.

Avec l'amélioration continue des normes de sécurité incendie, les exigences en matière de résistance au feu des produits en PVC deviennent de plus en plus strictes. Par exemple, le "Code pour la conception de la protection contre l'incendie des bâtiments" de la Chine (GB 50016-2014) stipule clairement que les matériaux de décoration de plafond et de mur en PVC utilisés dans les bâtiments doivent répondre à la classe B1 (ignifuge) et avoir un indice de densité de fumée (SDR) ne dépassant pas 75.

La norme EN 13501-1 de l'UE établit des exigences de classification plus détaillées pour les performances de combustion et la toxicité de la fumée des revêtements de sol en PVC, des papiers peints et d'autres produits. La mise en œuvre de ces normes a encore favorisé la popularisation des retardateurs de flamme sans halogène dans l'industrie du PVC et a également forcé l'innovation dans la technologie des retardateurs de flamme vers une "haute efficacité, faibles additifs et multifonctionnalité".

Actuellement, l'innovation dans la technologie des retardateurs de flamme pour le PVC se concentre sur deux grands domaines : la "synergie de retardance au feu" et la "retardance au feu par nanocomposites". La synergie de retardance au feu combine deux ou plusieurs retardateurs de flamme (tels que ATH + APP, ou phosphore + azote), tirant parti des effets synergiques de leurs différents mécanismes de retardance au feu pour améliorer la résistance au feu tout en réduisant la quantité totale. Par exemple, l'ajout de 40% d'ATH et de 10% d'APP aux tuyaux en PVC permet d'obtenir une résistance au feu comparable à celle d'un ajout de 60% d'ATH pur, tout en augmentant également la résistance aux chocs du tuyau de plus de 20%.

La retardance au feu par nanocomposites consiste à disperser des retardateurs de flamme à l'échelle nanométrique (tels que l'hydroxyde de magnésium nanométrique et la nanomontmorillonite) dans une matrice de PVC. En tirant parti de la grande surface spécifique et des interactions interfaciales des nanoparticules, elle permet d'obtenir une résistance au feu très efficace avec des doses extrêmement faibles (2%-5%), tout en améliorant considérablement la résistance thermique et les propriétés mécaniques du PVC.

Cette technologie résout non seulement le problème des retardateurs de flamme inorganiques traditionnels, où un ajout élevé entraîne une diminution des performances du produit, mais réduit également davantage les émissions de fumée en cas d'incendie, ce qui en fait une direction clé pour le développement futur de la résistance au feu du PVC.

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