Brevet FR2274580A1 — publié le 19760109

La présente invention a pour objet un matériau isolant thermiquement et pare-feu, ainsi que le procédé de fabrication de celui-ci. On connaît l'intér8t des résines organiques cellulaires ou mousses, notamment dans les industries du bâtiment, en raison de leur haut pouvoir isolant ainsi que en raison de leur légèreté et maniabilité ainsi que de leur facilité d'usinage et leur présentation esthétique, de telles résines cellulaires étant notamment cnnstituées par les résines phénoliques expansées, le polyuréthane expansé, de type rigide, semi-rigide ou souple, et le polystyrène expansé. Ooematériatxprésentatcependant de graves inconvénients étant donné qutilsrésistetseulement à des temiératures ne dépassant pas 80 à 1800C suivant le cas, par exemple environ 1800C pour les résines phénoliques. De plus, même à la température normale, iZsprésentetun manque de stabilité au cours du temps, lequel est dû à une absorption plus ou moins forte d'humidité atmosphérique dans les pores de la résine, étant donné qu'une partie des pores de celle-ci est constituée de cellules ouvertes, cette eau d'absorption s'ajoutant à l'eau éventuellement restée dans le matériau en fin de fabrication; il en résulte une diminution du pouvoir isolant du matériau et des déformations indésirables au cours du temps. Le matériau de la présente invention permet de remédier à ces deux inconvénients fondamentaux par le fait qu'il empêche ou retarde l'absorption d'humidité par la substance cellulaire qui forme l'un des constituants dudit matériau et par le fait que la résistance de ce matériau n'est pas compromise par la transformation qu'il subit éventuellement à des températures de l'ordre de 80 à 180oC et au-delà. Be matériau isolant thermiquement et pare-feu selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il est constitué d'une partie ou d'une pluralité de parties en une substance cellulaire choisie parmi les résines organiques cellulaires, notamment le polyuréthane expansé, le polystyrène expansé et les résines phénoliques expansées, à l'état souple et/ou rigide, et le carbone poreux, ladite partie ou lesdites parties étant enrobées et/ou revetues d'un produit réfractaire minéral Mué de rm mécaniqne an suscep-te d' aocir oete res' parsége et/ou durcissement. Dans le cas où la substance cellulaire précitée est constituée par du carbone poreux, on obtient un pouvoir isolant supérieur à celui du matériau obtenu en utilisant une résine organique expansée ou à celui des matériaux déjà connus. tans tous les modes de réalisation de la présente invention, c'est-à-dire quelle que soit la nature de la substance cellulaire précitée, l'association de cette substance avec le produit réfractaire minéral doué de résistance mécanique permet d'obtenir un matériau ayant une tenue mécanique appropriée à la température ambiante; de plus, cette tenue mécanique n'est pas modifiée par la transformation, s'effectuant à une température généralement de l'ordre de 80 à 180oC de la résine organique cellulaire par carbonisation thermique.En effet, lorsque le matériau comprend comme substance cellulaire une telle résine, celle-ci se trouve transformée en carbone poreux et la teriue mécanique du matériau n'est sensiblement pas modifiée grâce à la présence, dans la structure dudit matériau, du produit réfractaire minéral doué de résistance mécanique, tandis que le pouvoir isolant du matériau se trouve plutot amélioré.Ainsi, dans ce cas, la résistance mécanique du matériau de l'invention n'est sensiblement pas modifié par la transformation précitée, lors d'une élévation anormale de la température, par exemple par suite d'un incendie ou d'un début d'un incendie, et il peut tenir jusqu'à des températures beaucoup plus élevées, par exemple de l'ordre de 1000 à 1400oc, en raison de la nature de ses constituants, c est-à-dire le produit réfractaire minéral et le carbone poreux, doué de propriétés réfractaires, nouvellement formées.Par contre, dans le cas où le matériau selon l'invention comporte déjà, en tant que substance cellulaire associée au produit réfractaire minéral,du carboneporeux, il ne se produit aucune transformation dans un intervalle de-température allant de 80 à 1800C, la nature du matériau n'est pas modifiée jusqu'à des températures très élevées, et, par cnnséquent, ses propriétés de tenue mécanique et de haut pouvoir isolant thermiquement sont conservées jusqu a des températures pouvant atteindre 1300-1 4009C. Te produit réfractaire minéral utilisé, doué de résistance mécanique, est constitué par tout produit en soi connu présentant ces qualités, mais,selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, il est constitué par un produit réfractaire minéral compact ou de faible porosité choisi parmi ceux décrits dans la demande de brevet français NO 73-06374, déposée le 22 Février 1973, au nom d'un des présents demandeurs, et ayant pour titre "Nouveau produit réfractaire pouvant présenter une densité faible à élevée"; un tel produit réfractaire minéral peut avoir, dans le cadre de la présente invention,une densité qui est généralement de l'ordre de 0,9 à 1,8 et de préférence de 1,1 à 1,4, la résistance mécanique de ce produit pouvant être éventuellement renforcée par des charges adéquates et/ou des éléments structuraux appropriés formant armature, telle que par exemple des fibres de verre, des fibres minérales (fibres de roche) ou des fils métalliques formant notamment un feutrage, une résille, une ou plusieurs nappes de fils ou fibres parallèles, ou bien un réseau régulier ou irrégulier, formant tissu tissé ou non, treillage, feuille feutrée, mât, etc. Selon un mode de réalisation de l'invention, le matériau précité se présente sous la forme d'un produit stratifié, notamment d'un panneau plan ou d'un élément curviligne par exemple cylindrique ou demi-cylindrique, possédant une âme en ladite substance cellulaire et, sur au moins l'une des faces de cette âme, une pellicule formant revêtement externe, ladite pellicule étant constituée par le produit réfractaire minéral précité, ce dernier étant de préférence armé au moyen par exemple d'un mât de fibres de verre ou de fibres minérales, par exemple de fibres d'amiante, ou d'un treillage métallique. L'épaisseur de tel panneau peut être de tordre de quelques millimètres à plusieurs dizaines de centimètres, de préférence elle est de l'ordre de quelques millimètres à environ 5 cm, l'épaisseur de l'amie précitée étant alors d'environ 4 mm à 5 cm tandis que celle de la pellicule est de l'ordre de 2 à 4 mm. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le matériau se présente sous la forme d'un élément non stratifié comprenant une pluralité de fragments, particules, flocons, billes, nodules ou analogues de la substance cellulaire precitee qui sont repartis au d'un substrat en le produit réfractaire minéral précité, doué de résistance mécanique. La forme géométrique d'un tel élément peut être également celle d'un panneau plan ou courbe ou toute autre forme régulière ou non, éventuellement complexe, étant donné que le procédé de fabrication d'un tel matériau ne limite aucunement le type de forme à obtenir, pas plus d'ailleurs que les dimensions de 1' élément correspondant. Ce matériau peut aussi se présenter sous la forme d'un mélange pateux contenant les fragments ou analogues précités répartis au sein du produit réfractaire précité, ce mélange étant notamment destiné à être appliqué sur un substrat approprié, par exemple par projection, et à être séché et/ou durci sur celui-ci. Be procédé de fabrication du matériau précité, lorsqu'il se présente sous la forme d'un produit stratifié, est caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer,par exemple par projection au pistolet, au moins une couche du produit réfractaire minéral précité, à l'état pâteux, sur au moins une face d'une âme en la substance cellulaire précitée et à sécher et/ou durcir ensuite ce produit par séchage à l'air, à la température ambiante, ou par séchage artificiel, éventuellement par traitement thermique à une température modérée, pouvant atteindre par exemple au plus environ 600C, par exemple par chauffage infra-rouge. Conformément à la présente invention, pour fabriquer l'élément à structure non stratifiée décrit plus haut, on mélange les fragments, particules, flocons, billes, nodules ou analogues de la substance cellulaire précitée avec le produit réfractaire minéral précité, alors que ce dernier est à l'état pâteux, on moule et/ou on coule la masse ainsi obtenue, à la suite de quoi on sèche et/ou durcit le substrat formé par ledit produit réfractaire minéral, par séchage à l'air à température ambiante ou par séchage artificiel comme indiqué plus haut; les dimensions des particules ou analogues mises en oeuvre sont généralement de l'ordre de un dixième de millimètre à quelques millimètres; cependant, ces dimensions peuvent être beaucoup plus importantes dans le cas ou l'on fabrique des pièces monobloc de grandes dimensions, en le matériau de l'invention. Be produit réfractaire minéral précité est de préférence obtenu par mélange d'une substance minérale naturelle à base de chaux, de magnésie, de silice et/ou d'alumine avec une solution aqueuse d'au moins un silicate alcalin, notamment de sodium ou potassium, par incorporation de ladite substance dans ladite solution ou par imprégnation, la masse ainsi obtemecontemut entre depréférence un agent dissolvant et/ou un agent minéralisateur dont le rôle est de faciliter l'obtention du.produit réfractaire précité à partir deslideux réactants susmentionnés; on rappellera que la substance minérale naturelle précitée peut être choisie, comme indiqué dans la demande de brevet précédemment mentionnée, parmi les argiles réfractaires, le sable siliceux, les pyroxènes, l'olivine, la cyanite, la serpentine, l'andiLousite, le talc, le carbonate de calcium, les laitiers d'aluminium, la giobertite et le corindon, tandis que l'agent dissolvant est notamment lourée ou le carbonate d'ammonium; l'eau de la solution de silicate alcalin peut également jouer, à un degré suffisant, ce r81e d'agent dissolvant. our la préparation du matériau dans lequel la substance cellulaire est constituée par du carbone poreux, on procède, conformément à un mode de réalisation de la présente invention, de la manière suivante : on prépare, en utilisant comme substance cellulaire une résine expansée du type précité un matériau conforme à la présente invention dans les conditions indiquées plus haut et on procède ensuite d'une manière contrôlée, à la transformation précitée, c'es+ à-dire à la carbonisation de la résine organique cellulaire pour former du carbone poreux; cette transformation est réalisée par un chauffage contrôlé à une température de l'ordre d'au moins 1500C et d'au plus quelques centaines de degré fonction de la nature de la résine organique expansée particulière utilisée, mais généralement comprise entre 2000C et 300 C, par exemple de l'ordre de 2500Cpour une résine phénolique, ce traitement étant effectué de préférence pendant des durées de l'ordre de lomn à 1heure. Ce traitement thermique peut être effectué sur des matériaux déjà séchéset/ou durci par séchage naturel ou artificiel, mais il est de préférence effectué immédiatement après conformation du matériau résine expansée (à l'état divisé ou non)-produit réfractaire minéral à l'état pâteux. Ce traitement thermique peut être avantageusement effectué dans des moules fermés de façon à éviter toute déformation, du matériau lors de la transformation précitée, ou bien, si certaines modifications se produisent pour limiter ces déformations de telle sorte que la forme finalement obtenue après traitement thermique, correspondant à la forme du moule, soit la forme exacte désirée; bien entendu, des moyens sont prévus, conformément à la présente invention, pour l'échappement des gaz tels que la vapeur d'eau et le gaz carbonique résultant du processus de carbonisation; en outre, conformément à la présente invention, le traitement thermique précité peut avoir pour rôle subsidiaire de provoquer une expansion contrôlée, non nuisible à la tenue mécanique du matériau de l'invention, du produit réfractaire minéral précité, cette expansion pouvant être dûe au gaz résultant de la carbonisation et/ou à des agents d'expansion que l'on a pris soin d'introduire dans le produit réfractaire minéral en début de fabrication. Bien entendu, les panneaux précités, dont la substance cellulaire est constituée par du carbone poreux, peuvent également être obtenus par transformation du matériau à base de résine expansée, par exemple par suite d'un incendie dans un bâtiment où un tel matériau a été utilisé comme élément de construction. D'autres caractéristiquesde la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. EXEMPLE 1 Préparation d'un panneau pare-feu isolant thermiquement, à base de résine organique expansée. On applique sur chacune des faces d'une âe constituée par une plaque en résine phénolique expansée, d'une épaisseur de 5 à 6 mm, une pellicule d'une épaisseur d'environ 2 mm, en un produit réfractaire minéral. Cette pellicule est obtenue par application d'une première couche dudit produit réfractaire minéral, à l'état pâteux, la composition pâteuse utilisée étant constituée par des poids substantiellement égaux de silicate de sodium et/ou de potassium d'une part,et de carbonate de sous forme de craie pulvérisée, et d'un minéralisateur(phosphate tricalcique), d'autre mat etperme proportion appropriée d'eau; après application de cette première couche, on presse contre celle-ci, sur chacune des faces de la plaque précitée, un mat de fibres de verre ou d'amiante et on applique une seconde couche de la composition pâteuse précitée. On laisse sécher à l'air, pendantplusieurs jours, les panneaux obtenus, de manière à sécher et durcir la pellicule précitée. Le panneau ainsi obtenu présente une excellente résistance mécanique ainsi qu'un pouvoir isolant élevé; lorsque, utilisé comme matériau de construction, il se trouve soumis accidentel lementàdes températures dépassant 200 C, l'åme en résine phénolique se transforme en carbone poreux, à réfractairité très élevée, et les panneaux conservent leur tenue mécanique dans des conditions telles qu'ils peuvengsupporter des températures pouvant aller jusqu'à 1400 C. EXEMPLE 2 Préparation de panneaux à base de carbone poreux. On procède comme dans l'exemple précédent, mais, après l'étape de séchage, on se sert des panneaux comme parties constitutives de four, travaillant à des températures supérieures à 2000C et pouvant aller jusqu'à 14000C; dans ces conditions, lors de la première mise en température desdits fours, la transformation précitée s'effectue et la résine phénolique se transforme en carbone poreux, d'une manière évidemment irréversible, dans des conditions telles que, pendantl'usage nornal de tels fours, le matériau constitutif desdits panneaux a un comportement fonction de la structure particulière carbone poreux-produit réfractaire minéral acçuLsey notamment un haut pouvoir isolant, une bonne tenue mécanique et une réfractatité élevée. EXEMPLE 9 Préparation d'un panneau à base de carbone poreux. On procède comme dans l'exemple 1, mais avant d'effectuer l'étape de séchage précitée, on introduit le panneau, revêtu sur ses deux faces, dans un moule métallique formé d'au moins deux éléments, dont le volume interne correspond exactement aux dimensions, à l'étant de finition, du panneau que l'on veut obtenir, la paroi des éléments de moule étant munie de petits orifices qui la traversent; on porte ces moules à une température d'environ 2500C, pendant une demi-heure; on observe un dégagment de gaz et/ou vapeur résultant de la carbonisation de la résine phénolique ainsi que de la perte d'eau par la composition pâteuse précitée; lors du démoulage du panneau, après refroidissement, celui-ci peut être utilisé comme matériau de construction dans le bâtiment ou dans les fours industriels, sans subir de déformation sensible jusqu'à des températures pouvant atteindre plusieurs centaines de degrés, la tenue mécanique de ce panneau restant satisfaisantejusqu'à des températures de l'ordre de 1300 à 14000C. EXEMPTE 4 Préparation d'un panneau non-stratifié à base de résine phénolique On malaxe des particules de dimensions allant de quelques dixièmesde millimètres à quelques mlllimètres, résultant de la division mécanique de blocs de résine phénolique expansée, avec la composition pâteuse donnée dans la revendication 1, le rapport voinoqie résine phénolique/composition pâteuse étant par exemple compris entre 1/4 et4/1,mais de préférence entre 1/1 et 2/1. La masse obtenue est coulée , sur une épaisseur d'environ 5 cm, dans un moule plan ne possédant pas de couvercle; on fait sécher et durcir cett-e masse par chauffage infra-rouge, à une température de l'ordre d'environ 450C, pendant environ 1 heure pour obtenir le sécha!, et le durcissement de la masse, à la suite de quoi on démoule celle-ci Selon une variante d'exécution, on verse la masse précitée en plusieurs lits successifs dans le moule en effectuant, après chaque versement, un séchage partiel et en interposant un treillage métallique entre les lits successifs. Bes panneaux obtenus peuvent être utilisés dans les memes conditions que dans les exemples 1 à 3. EWENPIE 5 Préparation d'un panneau non-stratifié à base de carbone poreux On traite le panneau obtenu dans l'exemple 4, dans des moules du type de l'exemple 3, à une température de l'ordre d'environ 3000C pendant 15 minutes pour effectuer la transformation des particules de résine phénolique expansée en carbone poreux. Bes panneaux ainsi obtenus peuvent être ensuite utilisés comme matériau de construction dans le bâtiment et ou dans les fours; ils ne subissent aucune déformation sensible jusqu'à des températures atteignant plusieurs centainesde degrés, contrairement aux panneaux connus à base de résinjphénolique; de plus, ils conservent leur pouvoir isolant et leur tenue mécanique jusqu'à des températures pouvant atteindre 1300 à 14000C. EXEMPLE 6 On procède comme dans les exemples précédents, mais on remplace la résine phénolique expansée par une résine de polyuréthane rigide ou souple. EXEMPI] 7 On procède comme dans les exemples précédents, mais on utilise comme résine organique, du polystyrène expansée. EXEMPLE 8 On procède comme dans les exemples précédents, mais on remplace le carbonate de calcium (craie) par une substance minérale choisie parmi les matériaux suivants sable siliceux (apport de silice); pyroxènes (apport de silice, de chaux, de magnésie); olivine( apport de silice,de magnésie); cyanite ou disthène (apport de silice et d'alumine); andalousite (apport de silice, d'alumine); talc ou stéatite (apport de silice, de magnésie); giobertite (apport de magnésie, de chaux); serpentine (apport de silice, de magnésie); corindon (apport d'alumine); laitier d'aluminium (apport d'alumine); argiles réfractaires diverses, etc. Be produit réfractaire minéral mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention peut également comporter une petite proportion d'une charge isolante telle que de la perlite expansée ou de la vermiculite exfoliée de granulométrie appropriée. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant8es équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1. Matériau isolant thermiquement et pare-feu, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une partie ou d'une pluralité de parties en une substance cellulaire choisie parmi le carbone poreux et les résines organiques cellulaires telles que les résines phénoliques expansées, le polyuréthane expansé et le polystyrène expansé, ladite partie ou lesdites parties étant enrobées et/ou revêtues d'un produit réfractaire minéral doué de résistance mécanique ou susceptible d'acquérir une telle résistance par séchage et/ou durcissement. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se présente sous larme d'un produit stratifié, notamment d'un panneau plan ou d'un élément curviligne, possédant une âme en ladite substance cellulaire et une pellicule externe de revêtement sur au moins une des faces externes de ladite âme, ou de préférence sur les deux, ladite pellicule externe étant constituée par le produit réfractaire minéral précité. 3. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de fragments, particules, flocons, billes, nodules ou analogues de la substance cellulaire précitée, répartis dans un substrat constitué par ledit produit réfractaire minéral, ce matériau se présentant notamment sous la forme d'un mélange pâteux ou d'un élément fini doué de résistance mécanique. 4. Matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite pellicule externe est armée, pour accroître la résistance mécanique dudit matériau, par exemple au moyen de fils métalliques ou de fibres de verre ou de roche. 5. Matériau selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'ame précitée est de l'ordre de 4 mm à 5 cm et celle de la pellicule précitée de 11 ordre de 2 à 4 mm. 6. Matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit produit réfractaire minéral est obtenu, de manière en souconnui à partir d'un mélange d'une substance minérale naturelle à base de chaux, de magnésie, de silice et/ou d'alumine, avec une solution aqueuse d'au moins un silicate alcalin, notamment de sodium ou de potassium, ledit mélange contenant éventuellement un agent dissolvant et/ou un agent minéralisateur. 7. Procédé de fabrication du matériau selon l'une des revendications 2 et 4 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer au moins une couche du produit réfractaire minéral précité, à l'état pâteux, sur au moins une face d'une âme en la substance cellulaire précitée, et à durcir ce produit par séchage naturel ou par séchage artificiel à une température modérée, au plus égale à environ 500C. 8. Procédé selon l'ensemble des revendications 4 et 7, caractérisé en ce qu'on applique, après avoir placé une première couche dudit produit réfractaire minéral, une feuille d'un mat de fibres de verre ou un treillage métallique, en le pressant sur ladite première couche, à la suite de quoi on applique sur cette feuille ou ce treillage une seconde couche dudit produit réfractaire minéral. 9. Procédé de fabrication de l'élément fini de la revendication 3, caractérisé en ce qu'on mélange les fragments, particules, flocons, billes, nodules ou analogues de la substance cellulaire précitée avec le produit réfractaire minéral précité, alors qu'il est à l'état pâteux, on moule et/ou coule la masse ainsi obtenue, à la suite de quoi on durcit le substrat dudit produit réfractaire minéral par séchage naturel ou par séchage artificiel à une température modérée, au plus égale à environ 50 C. 10. Procédé de fabrication du mélange pâteux de la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger les fragments, particules, flocons, billes, nodules ou analogues de la substance cellulaire précitée avec le produit réfractaire minéral précité, alors qu'il est à l'état pâteux. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les fragments ou analogues de la substance cellulaire précitée ont des dimensions de l'ordre de 1/10 de mm à 10 mm. 12. Procédé selon la revendication 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que les fragments ou analogues précités sont obtenus par division mécanique de blocs de la résine organique expansée précitée. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce qu'on utilise, comme substance cellulaire, la résine organique expansée précitée et en ce que, après son enrobage et/ou son revêtement avec le produit réfractaire minéral précité, de préférence avant séchage de celui-ci, on effectue la carbonisation de ladite résine organique expansée par traitement thermique à une température au moins égale à environ 150C et de préférence comprise entre 200 et 3000'C; pendant une durée de l'ordre de par exemple 10 minutes à 1 heure. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le traitement thermique assurant la carbonisation précitée est effectué dans un moule dont le volume intérieur correspond à la forme et aux dimensions définitives du matériau à base de carbone poreux, ce moule étant pourvu de moyens d'évacuation des gaz résultant de la carbonisation précitée et, éventuellement, du séchage du produit réfractaire minéral précité. 15. Matériaux obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 14.