Ultra-thin metallic coating for fire protection
Résumé
Infrared radiation during a fire is known to be the main contributor to heat transfer. Therefore, coatings that can reflect infrared rays are promising for passive fire protection of materials, as they would theoretically be able to completely hinder radiative heat transfers to the substrate. This approach could be effectively used to delay the degradation and burning of polymers by limiting the heat transfers with the environment. Metals are relevant candidates since they are near perfect reflectors in the infrared range of the electromagnetic spectrum. However, they corrode and lose their properties once put under high temperatures. Moreover, coating a metallic layer on a thermally sensitive and isolating substrate is not straight-forward. Pulsed DC magnetron sputtering of pure metallic targets allows to deposit metals on substrates while maintaining their temperature relatively low. It also enables the deposition of a dielectric layer, which could effectively protect the metal without impacting its infrared reflection property. This technique was used to coat polypropylene and polyamide 6 (PA6) plates with a thin aluminum/alumina bilayer. The performance of these systems was evaluated using cone calorimetry (external heat flux of 50kW/m²) with a thermocouple to monitor the temperature at the back of the sample. With thicknesses less than 1 µm, impressive results were obtained. Time to ignition has been considerably improved, and the increase in temperature at the backside of the sample was significantly slowed down. For example, in the case of PA6, ignition was delayed to more than an hour (80s for the uncoated polymer) and the temperature at the back of the sample was kept under 320°C for the same amount of time (whereas it was reached under 5 min for the bare material). Additionally, a synergistic effect was targeted by combining the infrared coating designed with bulk fire retardant systems.
Il est connu que le rayonnement infrarouge durant un incendie contribue majoritairement aux transferts de chaleur. C'est pourquoi des revêtements pouvant réfléchir les rayons infrarouge sont prometteur pour la protection passive contre le feu des matériaux, puisqu'ils seraient théoriquement capable d'empêcher complètement le transfert de chaleur radiatif au substrat. Cette approche pourrait être utilisée pour retarder la dégradation et l'embrasement des polymères en limitant les transferts de chaleur avec l'environnement. Les métaux sont des candidats pertinents puisqu'ils sont des réflecteurs presque parfait dans la gamme des longueurs d'onde infrarouge du spectre électromagnétique. Cependant, ils se corrodent et perdent leurs propriétés optiques s'ils sont soumis à des hautes températures. De plus, déposer une couche métallique sur un substrat sensible thermiquement et isolant n'est pas simple. La pulvérisation cathodique magnétron pulsée de cibles métalliques pures permets de déposer des métaux sur des substrats tout en maintenant leur température relativement basse. Elle permet aussi de déposer une couche de diélectrique qui pourrait protéger le métal sans impacter ses propriétés de réflexion des infrarouges. Cette technique a été utilisée pour revêtir des plaques de polypropylene (PP) et de polyamide 6 (PA6) avec une fine couche de Aluminium/alumina. La performance de ces systèmes a été évaluée par un cône calorimètre à perte de masse (flux de chaleur externe de 50 kW/m²) avec un thermocouple pour mesurer l'évolution de la température au dos de l'échantillon. Avec des épaisseur inférieure à 1µm, es résultats impressionnants ont été obtenus. Le temps d'ignition a été considérablement amélioré, et la montée en température en face arrière de l'échantillon a été quantitativement ralentie. Par exmple, dans le cas du PA6, l'ignition a été retardée de plus d'une heure (80s pour le polymère seul), et la température au dos de l'échantillon a été maintenue en dessous de 320°C pour le même temps (5min pour le polymère seul). De plus, un effet de synergie a été visé en combinant les revêtements infrarouge avec des mécanismes de retard au feu en masse.