Brevet FR2265539A1 — publié le 19751024

La présente invention concerne un assemblage de matériaux, destinéà protéger l1homme, les machines et toute sorte d'objets contre les effets de la transmission de la chaleur à partir de corps chauds, solides, liquides ou gazeux, pouvant être en contact ou non avec l'assemblage. L'invention vise également les articles de protection réalisés à partir de 11 assemblage de matériaux précités, comme par exemple, les combinaisons et les écrans anti-chaleur. Le flux de-chaleur transmis par un corps chaud à travers un matériau isolant jusqu'à une personne ou un objet, peut atteindre des valeurs dangereuses, pour la santé de la personne, pour le bon fonctionnement des machines ou pour la conservation de certains objets. Il en est ainsi, notamment des projections accidentelles de fonte en fusion que l'on rencontre dans la sidérurgie. En effet, les vetements actuellement utilisés pour la protection des travailleurs n'assurent pas un isolement thermique suffisant, ce qui en tralne, dans certains cas, des brasures graves pouvant provoquer la mort. Les moyens de protection, que l'on emploie actuellement, font appel à des matériaux tel que l'amiante ou les tissus en fibre réfractaire. Il est connu de façon générale qu'en augmentant ltépaisseur du matériau de protection, on diminue le flux de chaleur transmis. Cependant une protection efficace requiert une épaisseur telle qu'il devient très difficile ou meme impossible de réaliser des combinaisons anti-chaleur à partir des matériaux précités. Le but de la présente invention est précisément de réaliser un assemblage de matériaux permettant d'assurer une protection effi caee à ltégard de la chaleur et presentant en outre une épaisseur et un poids nettement inférieurs à ceux des réalisations connues les plus efficaces. Suivant l'invention l'assemblage de matériaux pour la protection contre la chaleur qui comprend de façon connue unecou- che externe constituée par un tissu de fibres réfractaires, est caractérisé en ce qulil-comprend en outre au moins deux couches dont la première, adjacente à la couche externe, est constituée par un support poreux imprégné d'une substance non combustible et expansible sous l'effet de la chaleur, et dont la deuxième est constituée par au moins une feuille mince d'un métal léger, bon conducteur de la chaleur. On a constaté que les feuilles de matériau bon conducteur de la chaleur répartissaient3achaleur dans les parties de l'assem- blage les moins exposées à la chaleur. On a- constaté d'autre par /9Ueflux thermique transmis perpendiculairement aux couches de l'assemblage était ainsi réduit de façon considérable. Un tel résultat est notablement renforcé par la présence simultanée d'une couche d'un support enduit par une substance non combustible expansible sous l'effet de la chialeur. Cette couche assure du fait de l'importante augmentation d'épaisseur quelle subit sous l'effet de la chaleur, une diminution considérable de la conductivité thermique globale de l'assemblage conforme à l'invention. L'assemblage de matériauxest de plus léger et souple. Suivant une réalisation préférée de l'invention, l'assem~ blage comprend, entre la deuxième couche et une couche interne en tissu résistant à une température égale ou supérieure à 2500 C environ, une couche non tissée de fibres réfractaires et une couche adjacente à la couche interne, constituée, comme la deuxième couche, par au moins une feuille mince d'un métal léger bon conducteur de la chaleur. Dans cette réalisation l'assemblage comprend six couches superposées qui sont, en partant de la couche e-xposée à la source de chaleur - un tissu de fibres réfractaires ; - une couche de substance expansible sous l'effet de la chaleur - un premier groupe de feuilles de métal léger conducteur ; - une couche non tissée de fibres réfractaire-s - un deuxième groupe de feuilles de métal léger conducteur - un tissu résistant à 2500 C environ. D'une manière avantageuse la substance expansible sous l'effet de la chaleur comprend un produit générateur de gaz et un produit provoquant un durcissement superficiel, agglomérés au moyen d'un liant. D'autres particularités de l'invention résulteront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, on a représenté deux réalisations de l'assemblage de matériaux conformes à l'invention. La figure 1 est une vue schématique avec coupe transversale d'une première réalisation de l'assemblage conforme à ltin- invention. La figure 2 est une vue analogue à la précédente, d'une seconde réalisation de l'assemblage. En se reportant à la figure- 1, on voit un assemblage de matériaux dans lequel on distingue en allant du haut vers le bas, ctest-à-dire en partant de la face de l'assemblage qui est destinée à être disposée en regard de la source de chaleur. 10) Une couche dite "externe" 11 qui est constituée par un tissu de fibres réfractaires résistant par exemple à une température égale ou supérieure à 13000 C (température de la fonte en fusion). Ces fibres sont par exemple, des fibres céramiques d'alumine et/ou de silice mélangées avec des fibres de verre et/ou des fils de métal inoxydable. Un tissu de ce genre est commercialisé sous le nom de "KERLANE" par la Société Générale des Produits Réfractaires. 20) Une couche, dite "première couche intermédiaire" 12 -qui est constituée par un support poreux imprégné d'une substancel2a non combustible et expansible sous l'effet de la chaleur. Le support poreux peut être par exemple, un tissu de fibres en polyamide aromatique, du genre de celui commercialisé sous le nom de ',NOMEX" par Ia Société Bu Pont de Nemours.La substance expansible sous l'effet de la chaleur comprend elle-meme trois constituants a) un produit générateur de gaz par exempl-e, le phosphate d'ammo nîum qui, sous llinfluence de de l'élévation de température, dégage de l'ammoniac gazeux b) un produit provoquant un durcissement superficiel de la couche une résine de mélamine formaldéhyde qui empêche l'ammoniac dégagé de se répandre à l'extérieur de la couche c) un liant qui est une résine polyvinylique donnant à l'ensemble la cohésion voulue. A froid cette substance expansible se présente sous la forme d'un enduit ignifuge qui imprègne le tissu en polyamide aromatique ; un enduit de ce genre est commercialisé sous le nom de "SCHAUMSCHUTZ" par la "Chemische Fabrik WEILAG". 30) Une couche dite "Deuxième couche intermédiaire" 13 constituée par au moins une feuille mince d'un métal léger, bon conducteur de la chaleur. Cette couche a pour effet de répartir le flux de chialeur émanant de la source dans une direction transversale à celle de sa propogation initiale, vers les zones de l'assem- blage qui ne sont pas exposées directement à ce flux. En contrepartie, le flux de chaleur transmis au-delà de cette couche dans une direction perpendiculaire à l'assemblage est notablement diminué, ce qui correspond au résultat cherché. À titre d'exemple la couche 13 peut comprendre 3 feuilles d'aluminium de 0,02 mm d'épaisseur chacune. On pourrait utiliser d'autres métaux : par exemple le cuivre, qui est meilleur conducteur de la chaleur que l'aluminium, mais qui est beaucoup plus lourd. 40) Une couche dite "interne" 14 constituée par un tissu résistant à une température au moins égale à 2500 C environ. Ce tissu peut être avantageusement obtenu avec des fibres de polyamides aromatiques, comme celui utilisé en tant que support pour confectionner la couche 12. L'invention est utilisée avantageusement chaque fois que l'on a besoin de se prémunir contre un flux thermique issu de sources de chaleur localisées ou réparties inégalement dans une section perpendiculaire à la direction principale de propagation du flux. Une de ses principales applications est la réalisation d'une combinaison de protection contre les projections de métaux en fusion. Ainsi grace à-l'invention un travailleur peut, tout en conservant une liberté de mouvement suffisante en raison de la de la limitation du poids/combinaison, etre protégé pendant le temps nécessaire pour qui puisse être secouru ou qu'il puisse se relever s'il a été renversé par la masse de métal projetée et aster la combinaison. L'efficacité de l'invention a pu Aetre démontrée grâce à des expériences précises, dans lesquelles on a comparé les températures atteintes, au bout d'intervalles de temps régulièrement échelonnés, sur la face interne de plusieurs assemblages différents dont la face externe était en contact avec une m8me source de chaleur. Dans toutes les expériences relatées ci-dessous cette source était constituée par une masse de 300g de fonte en fusion à la tem pérature de 13000 C, et un capteur de température était disposé sur la face de l'assemblage opposée à celle qui est au contact de la source. On a pris soin de ne faire varier qu'un paramètre à la fois pour évaluer le ralle de chacun d'eux séparément avant de déterminer leur effet global EXPERIENCE A Le premier assemblage étudié ÀI était constitué par 5 2 couches superposées dont la nature et la masse en grammes au m étaient les suivantes ; en commençant par la face en contact avec la source de chaleur 2 Masse (g/m ) - Couche nô I . Tissu de fibres réfractaires : 370 - Couche n 2 . Fibres réfractaires disposées en matelas entre deux feuilles de coton ignifugé : 1.750 - Couche n 3 . Trois feuilles d'aluminium de 0,02 mm d'épaisseur : 138 - Couche n 4 . Identique à la couche n 2 : 1.750 - Couche n 5 .Deux feuilles de coton ignifugé : 250 Masse Masse totale (g/m2) ) 4.258 Le deuxième assemblage étudié A2 ne différait de A1 que 2 par l'absence de la couche n0 3, la masse au m2 étant ramenée à 4.t20g. On a enregistré les résultats suivants, le temps étant compté à partir du moment où la fonte liquide est versée sur l'assemblage TABLEAU A TEMPS O 5 10 20 30 40 50 60 EN en SECONDES TEMPERA- A.1 20 #20 420 22 23 25 31 33 TURE EN C A.2 22 29 36 44 50 56 64 77 AUGMENTA- A.1 O #0 #0 2 3 5 11 13 TION DE IL & LA TEMPERA TURE EN C A. 2 0 7 14 22 28 34 42 55 Ainsi la supression de la couche n 3 a entraîné au bout d'une minute une augmentation de température plus de 4 fois supé 2 rieure à celle constatée précédemment alors que la masse au m était sensiblement la même. L'efficacité des feuilles d'aluminium intercalées dans l'assemblage est par conséquent importante. EXPERIENCE B L'assemblage B1 était constitué par 3 couches superposées: Masse (g/m2) - Couche n 1 . Tissu de fibres réfractaires : 370 - Couche n 2 . Substance expansible sous effet de la chaleur : 480 - Couche n 3 . Trois feuilles de fibres d'amiante tissées : 2.250 Masse totale (g/m2) : 3.100 L'assemblage B2 ne différait de l'assemblage B1 que par l'absence de la couche N 2, la masse au m2 étant ramenée à 2.620g. Les résultats enregistrés ont été les suivants TEMPS TABLEAU A 0 5 10 20 30 40 50 60 EN SECONDES TEMPERA- B.1 18 21,5 37 56 64 81 78 89 TURE EN C B.2 21 61 87 121 201 - - AUGMENTA- B.1 0 3,5 19 38 46 53 60 71 TION DE LA TEMPERA TURE EN C B.2 0 40 66 100 180 - - Ainsi la suppression de la couche n 2 a entraîné, au bout de 30 secondes seulement, une augmentation de température environ 4 fois supérieure à celle constatée précédemment alors que 2 le gain de masse au m était seulement d'environ 15%. L'efficacité de la substance expansible est ainsi parfaitement mise en évidenca Dans une réalisation avantageuse de l'invention, illustrée par la figure 2, l'assemblage 2 se compose de six couches superposées dont quatre 11, 12, 13 et 14 sont identiques à celles qui constituent ltassemblage 1 décrit jusqu'ici.Cet assemblage se distingue du précédent en ce qu'entre la couche 13 et la couche 14 on dispose : 10) Une couche 15 constituée par des fibres réfractaires, analogues à celles qui constituent la couche Il, et de préférence des fibres céramiques d'alumine et/ou de silice ; mais ces fibres ne sont pas tissées, elles forment simplement une nappe. 20) Une couche 16 constituée comme la couche 13 par au moins une feuille mince d'un métal léger et bon conducteur de la chaleur. De préférence cette couche 16 est constituée,-de meme que la couche 13, par trois feuilles d'aluminium de 0,02 mm d'épaisseur chacune. L'assemblage 2 est généralement un peu plus lourd que l'assemblage 1 pour une surface donnée ; mais, comme on le verra d'après les résultats d'expériences comparatives, il offre une protection sensiblement accrue contre les sources de chaleur intense. Il convient de l'employer lorsque l'assemblage 1 ne procure pas une protection suffisante, en raison notamment du temps pendant lequel l'exposition à la chaleur est susceptible de se prolonger. De même que pour l'assemblage 1, des expériences comparatives ont été effectuées afin-de pouvoir chiffrer l'efficacité respective des différentes couches qui constituent l'assemblage 2. Les conditions de ces expériences étaient tout à fait semblables à celles décrites plus haut à propos de l'assemblage 1 ; seuls les points de différences seront signalés dans ce qui suit. EXPERIENCE C Dans cette troisième expérience on a pris comme élément de comparaison un assemblage Cl de six couches superposées, dont deux sont constituées chacune par des feuilles d'aluminium et sont séparées par une nappe de fibres réfractaires. En commençant par la face en contact avec la source de chaleur, on a successivement - Couche nO 1 . Tissu de fibres réfractaires : MaSs376g/m ) - Couche nO 2 . Tissu recouvert d'une substance expansible sous l'effet de la chaleur -: 720 - Couche n 3 . Trois feuilles d'aluminium de 0,02 mm d'épaisseur : 138 - Couche n 4 . Nappe de fibres réfractaires non tissées : 500 - Couche n 5 . Identique à la couche n 3 : 138 - Couche n 6 . Tissu résistant au moins à 2500 C : 220 Masse totale (g/m2) : 2.086 Il peut sembler surprenant à première vue que cet assemblage Cl soit plus léger au m2 que l'assemblage Àl qui a une couche de moins ; cela tient à ce que, dans ce dernier, il y a deux couches de fibres réfractaires disposées en matelas entre deux feuilles de coton ignifugé qui pèsent chacune 1.750 g/m2 et qui n'ont pas d'équivalent dans C1.Mais cette circonstance n'a aucune influence sur la validité des expériences relatées ici, qui ont pour but de comparer entre eux des assemblages différant par la présence ou par l'absence de couches constituées par des feuilles d'aluminium ou par une substance expansible sous l'effet de la chaleur ; la constitution des autres couches est, en principe, indifférente pourvu quelle ne varie pas au cours d'une même expérience. Pour l'expérience C on a comparé à l'assemblage C1 trois autres assemblages qui en dérivent comme suit - C2 : pas de couche n 2 ; masse au m2 : 1.366 g - C3 : pas de couches n 3 et 5 ; masse au m2 : 1.810 g - C4 : pas de couches n 2,3 et 5 ; masse au m2 : 1.090g Les résultats enregistrés ont été les suivants TEMPS TABLEAU C 0 5 10 20 30 40 50 60 EN SECONDES TEMPERA- C1 23 Y23 23 26,5 34 45 62 80 TURE EN C C2 16 19 49 138 195 225 245 249 C3 19 36 48 63 93 143 196 239 C4 17 74 232 465 536 567 565 568 AUGMENTA- C1 0 #0 #0 3,5 11 22 39 57 TION DE LA C2 en @T@ @@ 0 3 33 122 179 209 225 233 RE EN C @@ @ @ @@ 122 @@@ 209 223 2@@ C3 0 17 29 44 74 124 177 220 C4 O 57 215 448 519 540 548 551 Cet ensemble de résultats peut être résumé de la manière suivante 10) Au bout de 30 secondes, l'augmentation de température du côté de l'assemblage non exposé à la source de chaleur est à peine sensible avec l'assemblage C1 ; il est à peu près 7 fois plus important avec l'assemblage C3 et 16 fois plus important avec l'assemblage C2. 20) Entre 30 et 60 secondes l'augmentation se poursuit d'une façon peu sensible pour C2, sensiblement plus forte pour C3 et plus forte encore, en valeur relative, pour C1. 30) Àu bout de 60 secondes, l'augmentation de température est sensiblement la meme pour C2 et pour C3. 40) Dans tous les cas, mais davantage au bout de 30 secondes qu'au bout de 60 secondes, l'augmentation de température constatée avec C4 est plus grande que la somme des augmentations constatées avec C2 et C3 ; on peut en déduire, ce qui est particulièrement remarquable, que l'action favorable de la substance expansible sous l'effet de la chaleur et celle des feuilles d'aluminium se potentialisent mutuellement. On vérifie encore, ce qui pouvait être considéré comme à peu près évident a priori, que vers la fin de ltexpérience les différences de comportement entre les divers types d'assemblages tendent à s'atténuer, l'invention ayant notamment pour but de ralentir la transmission de la chaleur pendant la période suivant immédiatement la mise en présence l'un de l'autre de la source de chaleur et de ltassemblage protecteur. Les conclusions générales qu'onpeut tirer des expériences A, B et C sont les suivantes 10) L'introduction séparée dans l'assemblage protecteur, soit de feuilles minces d'un métal léger bon conducteur de la chaleur, soit d'une substance non combustible et expansible sous l'effet de la chaleur&num; augmente considérablement l'efficacité dudit assemblage pendant la période critique qui suit immédiatement la mise en présence l'un de l'autre de la source de chaleur et de l'assemblage. Cette efficacité est augmentée sans que l'assemblage s'en trouve notablement alourdi. 20) L'introduction simultanée du métal léger et de la substance expansible procure une efficacité supérieure à ce que permettait de prévoir le cumul des résultats apportés par les deux matériaux précités considérés isolément. L'invention vise également les articles réalisés à partir de l'assemblage de matériaux conforme à l'invention. Ces articles peuvent par exemple, entre des combinaisons ou des tabliers de protection contre les projections de substances à haute température tels que des métaux ou des verres en fusion et contre les incendies. De telles combinaisons ou tabliers peuvent être confectionnés en découpant les matériaux constituant l'assemblage et en fixant les pièces découpées les unes aux autres au moyen de fils , non conducteurs rivets,agrafes et analogues#de la chaleur. Ces combinaisons et ces tabliers permettent à l'utilisateur de travailler sans gène excessive, grâce à la légèreté et à la souplesse de l'assemblage de matériaux conformes à l'invention. Ltassemblage de matériaux conforme à l'invention peut encore servir à la réalisation d'écrans de protection, légers à manipuler. REVENDICATIONS 1. Assemblage de matériaux pour la protection contre la chaleur, comprenant une couche externe constituée par un tissu résistant à une température élevée, et au moins deux autres couches, dont la première, adjacente à la couche externe est constituée par un support poreux imprégné d'une substance non combustible et expansible sous l'effet de la chaleur, et dont la deuxième est constituée par au moins une feuille de métal, caractérisé en ce qutil comprend en outre, une couche interne en tissu résistant à la température, en ce que le support poreux est constitué par un ensemble de fibres tissées, et en ce que la-feuille métallique est une feuille mince en métal léger, et bon conducteur de la chaleur. 2. Assembl-age de matériaux conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le support poreux est un tissu résistant à une température au moins égale à 2500 C. -3. Assemblage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le métal léger et bon conducteur de la chaleur est de l'aluminium. 4. Assemblage de matériaux conforme à la revendication 2, caractérise en ce que le tissu résistant à une température d'au moins 2500 C est constitué par des fibres polyamides aromatiques. 5. Assemblage de matériaux conforme à la revendication i, caractérisé en ce que la substance non combustible et expansible sous l'effet de la chaleur, qui imprègne le support poreux de la première couche, comprend un produit générateur de gaz et un produit provoquant un durcissement superficiel, ees deux produits étant agglomérés au moyen d'un liant. 6. Assemblage de matériaux conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le produit générateur de gaz est du phosphate d'ammonium, le produit provoquant un durcissement superficiel est une résine de mélamine formaldéhyde et le liant est une résine polyvinylique. 7. Assemblage conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche externe est un tissu de fibres réfractaires. 8. Assemblage conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche interne est un tissu résistant à une température au moins égale à 2500 C, constitué par des fibres polyamides aromatiques. 9. Assemblage conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche intermédiaire de fibres réfractaires non tissées. 10. Articles de protection tels que des écrans pare-feu, des combinaisons ou des tabliers de protection contre les projections dé substance à haute température, caractérisés en ce qu'ils sont réalisés à partir de l'assemblage de matériaux conforme à l?une quelconque des revendications 1 à 9.