Peintures intumescentes auto-stratifiantes – STIC

Un état de l’art sur les revêtements auto-stratifiants, une étude de la compatibilité des résines via l’approche de Hansen et la définition des facteurs les plus influents vis-à-vis de la formation du film de peinture, de l’auto-stratification et des propriétés d’adhésion, a mené ces travaux jusqu’à un choix précis des éléments composant le système : les résines, solvants, agent de réticulation et pigments.

Plusieurs difficultés ont été rencontrées au cours de ce projet, dont certaines ont trouvé des solutions.
- La première consistait à trouver une méthode adéquate pour appliquer les peintures sur les substrats étudiés. Après avoir testé plusieurs méthodes, remis en fonctionnement plusieurs appareils dont un banc de pulvérisation, l’achat d’un pistolet sous pression a finalement été l’option retenue pour son côté pratique mais également car elle favorise le processus d’auto-stratification via une évaporation préférentielle des solvants comparativement à d’autres méthodes d’application conventionnelles.
- La deuxième difficulté concerne les analyses microscopiques des revêtements sur acier. En effet, il est très difficile de couper l’acier pour observer sa tranche sans abîmer le revêtement. Le laboratoire va bientôt être équipé d’un polisseur ionique qui permettra de polir l’échantillon sur la tranche, sans abîmer le revêtement.
- Le dernier verrou à lever concerne l’obtention d’un système de classe I sur acier. Pour cela, des modifications d’énergie de surface de l’acier vont être effectuées (par plasma, ou phosphatation) de façon à influer sur le processus de stratification

Les travaux réalisés au cours de ces 18 mois ont permis de répondre à la majorité des objectifs fixés par le plan de travail initialement prévu. Des revêtements auto-stratifiants ont été développés sur PC, qui répondent au cahier des charges du projet. De plus, un revêtement auto-stratifiant comprenant un agent retardateur de flamme a démontré des propriétés très intéressantes et est en cours d’étude.
En résumé:

(i) Un revêtement auto-stratifiant de classe I, appliqué sur Polycarbonate, et composé d’une résine époxyde et d’une résine silicone a été développé, système qui n’a jusqu’à présent jamais été mentionné dans la littérature ; un article est en cours de rédaction sur ce sujet. Un autre système auto-stratifiant de classe I de type fluoropolymère/époxyde, moins innovant mais parfaitement caractérisé, a également été obtenu.

(ii) Contrairement à ce qui a pu être précédemment démontré dans la littérature, les pigments/charges ne restent pas nécessairement dans la phase dans laquelle ils ont été initialement dispersés, mais migrent vers la phase avec laquelle ils ont le plus d’affinité. Cela est le cas avec le système époxy/silicone/oxyde de fer étudié dans ce projet ; un article est en cours de rédaction sur ce sujet.

(iii) Un résultat très intéressant pour la suite de l’étude a été obtenu : l’incorporation d’un pigment (l’oxyde de fer) montre des effets anti-feu extrêmement prometteurs à la fois dans les revêtements auto-stratifiants epoxy/fluoropolymère et époxy/silicone développés. L’oxyde de fer et un autre additif possédant des propriétés retardatrices de flamme n’ont par ailleurs pas révélé d’effet négatif sur le processus d’auto-stratification, contrairement aux données de la littérature, qui indiquent que la plupart des additifs communément utilisés dans une peinture ont un effet néfaste sur l’auto-stratification. Deux articles sont en cours de rédaction sur ce sujet.

Les prochains travaux seront principalement axés sur l’étude du vieillissement et des propriétés feu du système époxy/silicone sur PC. D'autres agents retardateurs de flamme ou des combinaisons de ces agents seront étudiées. Il faudra également élucider les mécanismes retard au feu des formulations les plus efficaces.
Le système époxy/silicone est celui qui répond le mieux aux exigences du projet, et est le plus novateur. En effet, des revêtements de cette nature n’ont encore jamais été développés dans le domaine des revêtements auto-stratifiants. Une étude de vieillissement de ce système,sera réalisée, sans et avec les agents retardateurs de flammes qui auront présenté les résultats les plus prometteurs.
Le développement d’un revêtement auto-stratifiant sur acier demeure cependant un des principaux objectifs à ce jour: un verrou à lever concerne l’obtention d’un système de classe I sur acier. Pour cela, des modifications d’énergie de surface de l’acier vont être effectuées (par plasma, ou phosphatation) de façon à influer sur le processus de stratification.

3 publications et une review destinés à des journaux internationaux à comité de lecture sont en cours ou fin de rédaction.
Un article de vulgarisation sur le projet a été publié dans le journal International Innovation:
Research media : « Fire fighters », International Innovation, www.internationalinnovation.com/fire-fighters/

Trois conférences internationales ont été données sur le sujet depuis le début du projet

1. Communication orale: COSI 2016 « Epoxy-Silicone self-stratifying coatings », 27 juin-1er juillet 2016, Pays-Bas

2. Communication orale: EUROCOAT 2016 : « Self-stratifying coatings »22-24 mars 2016, Paris, France

3. Communication orale : ISPAC 2016 “Solutions against weathering of intumescent fire resistant coatings”, 12-15 juin 2016, Singapour

Deux séminaires ont également permis de présenter le projet:

1. Journée des doctorants 2015 et 2016, Ecole doctorale ED SMRE, Université de Lille 1

2. Colloque Franco-Allemand avec l’institut fédéral pour la recherche et les essais de matériaux (BAM : Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung), 13-16 mars 2016, Allemagne

Enfin la doctorante sur le projet (Agnès Beaugendre) a postulé en avril 2016 à la bourse L’Oréal-UNESCO pour promouvoir les Femmes et la Science.

L’ignifugation d’un matériau peut s’effectuer, soit en ajoutant un retardateur de flamme dans le matériau (traitement dit « en masse »), ce qui fragilise le matériau et accélère son vieillissement, soit en appliquant un revêtement ignifuge à sa surface. Les revêtements ignifuges représentent une niche particulièrement rentable de l’industrie des peintures en général. Compte tenu des réglementations anti-feu de plus en plus sévères et de l’utilisation croissante de plastiques, composites et matériaux en acier, ce marché est en constante expansion. Cependant pour obtenir un revêtement à la fois adhérent au substrat, anti-feu et durable, trois revêtements différents possédant ces différentes propriétés doivent être successivement appliqués. L’application de ces trois couches peut s’avérer longue et complexe compte tenus des différentes formulations et temps de séchage, ce qui entraîne (i) une utilisation excessive d’énergie, (ii) une perte de temps et (iii) et l’augmentation de la pollution environnementale. Il serait donc très intéressant, tant du point de vue rentabilité que du point de vue écologique, de parvenir à réduire au minimum ce nombre d’applications, tout en conservant une efficacité équivalente voire supérieure aux systèmes existants. L’approche des peintures « auto-stratifiantes » permet la formation, en une seule application d’une formulation complexe, de multi-couches ou de structures à gradient de phase directement sur acier ou sur plastique, présentant à la fois une bonne adhésion sur le substrat et des propriétés barrière en surface. Ces peintures sont actuellement essentiellement en développement dans le secteur automobile, cette approche n’ayant pour le moment jamais été abordée dans le domaine des revêtements ignifugeants, quel que soit le substrat envisagé. L’objectif du projet STIC est donc de développer des formulations modèles auto-stratifiantes possédant simultanément des propriétés adhésives à un substrat donné, des propriétés ignifugeantes intumescentes (qui gonflent sous l’effet de la chaleur) et des propriétés barrière (aux UV, à l’eau,..) en surface, ceci afin de stimuler, d’un point de vue écologique, le développement des industries spécialistes en retard au feu. Comme aucune publication ni brevet n’a été identifié dans ce domaine précis, cela ouvre grand la porte à un saut technologique important.
Deux substrats très différents seront sélectionnés : un substrat plastique, le polycarbonate, difficile à ignifuger (en masse comme en surface) et un substrat métallique en acier, qui sans protection perd ses propriétés mécaniques à partir de 500°C. Le premier objectif sera d’obtenir des peintures modèles auto-stratifiante de type I (stratification parfaite donnant lieu à deux couches distinctes) ou de type II (stratification caractérisée par un gradient homogène de concentration dans le revêtement) en utilisant deux ou trois résines selon les résultats obtenus. Une de ces peintures développées devra être de faible épaisseur (<150µm), adhérer au polycarbonate (adhésion d’au moins 4B sur une échelle de 5) et présenter des propriétés barrière aux UV et à l’humidité. La seconde, plus épaisse (1-2 mm) devra adhérer directement sur de l’acier (force d’au moins 1,5 MPa au test d’arrachement) et présenter des propriétés barrière aux UV, à l’eau et à l’eau salée. Le second objectif sera ensuite d’incorporer dans ces formulations modèle des agents retardateurs de flamme (agents intumescents) afin d’obtenir un effet retardateur de flamme sur polycarbonate (classement V0 à l’UL94 et LOI de 30 au minimum) et un effet barrière au feu sur acier similaire à celui d’une peinture commerciale (en trois couches), tout en conservant le système auto stratifié, et donc l’adhésion aux substrats et les propriétés barrière de surface. Les mécanismes de fonctionnement de ces nouveaux revêtements ignifugeants seront finalement étudiés.