Brevet FR2805718A1 — publié le 20010907

BARRIERE ISOLANTE THERMIQUE ANTIFEU, PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE BARRIERE, VETEMENT COMPRENANT AU MOINS UNE TELLE BARRIERE EN TANT QU'ISOLANT INTERNE. L'invention se rapporte au domaine technique des matériaux textiles thermiquement isolants et anti-feu. Par " thermiquement isolants ", on désigne ici des matériaux textiles au travers desquels les densités de flux de chaleur sont faibles, lorsqu'ils sont soumis à un gradient thermique. Par " anti-feu ", on désigne ici des matériaux textiles thermostables, conservant une bonne tenue mécanique jusqu'à des températures telles que celles issues d'une exposition à 400 0C. L'invention concerne notamment, mais non exclusivement, les doublures thermiquement isolantes de vêtement de sécurité anti-feu. De nombreuses activités professionnelles impliquent un risque de brûlure directe par flamme, arc électrique, projection de matière chaude, ou de brûlure indirecte par flash thermique. Parmi ces activités, il faut bien entendu citer celles des pompiers, opérateurs de pyrométallurgie, mais aussi celles des militaires, gendarmes, pilotes d'avions, pilotes de course automobile, et bien d'autres encore dans les domaines de la chimie, de l'industrie sidérurgique, de la verrerie, de l'industrie de l'aluminium, de l'énergie ou du transport par exemple. Les doublures de vêtements employées dans ces différents contextes d'activité doivent présenter, en plus de bonres propriétés de barrière thermique et de résistance à la température, un impact aussi limité que possible sur le confort d'utilisation du vêtement. En effet, un vêtement de sécurité peu confortable risque de ne pas être constamment porté, et la sensation d'inconfort peut entraîner une baisse de vigilance. La présence de la doublure ne doit pas, dans l'idéal, se traduire par un poids ou un volume excessif du vêtement. La présence de la doublure ne doit pas davantage, dans l'idéal, entraver les mouvements de la personne ou l'évaporation de sa transpiration. 2 2805718 Le problème de l'évacuation de la transpiration est d'autant plus aigu que certaines activités professionnelles, telles celles des pompiers lors d'incendies, doivent être menées dans des zones géographiques o le climat est chaud, dans un contexte de stress et d'efforts physiques intenses. Ce problème est encore compliqué par le fait que la transpiration ne s'effectue pas de manière homogène sur toute la surface du corps. Ce problème est d'autant plus sérieux que l'accumulation de transpiration dans le vêtement tend à augmenter sa conductivité thermique, réduisant sa capacité de barrière isolante. Les propriétés de barrière thermique de la doublure ne doivent pas, dans le même temps, supprimer la sensation physique essentielle de chaleur. En particulier, la présence de la doublure isolante anti-feu devra garantir que l'intervalle séparant le seuil de douleur du seuil de dommage irréversible soit toujours supérieur au temps de réaction de la personne portant le vêtement anti-feu. Conventionnellement, les doublures d'isolation thermique anti-feu sont réalisées en matériau fibreux et poreux. L'emploi de matériaux fibreux et poreux pour la constitution de ces doublures est justifié par leurs propriétés de transfert de chaleur. Ce transfert s'effectue par rayonnement, conduction, et convection naturelle. Le rayonnement est le mode de transfert le plus souvent dominant dans les matériaux fibreux, et ce d'autant que le gradient thermique dans lequel ils sont exposés est grand. La densité de flux de conduction dépend, quant à elle, de la porosité globale du matériau fibreux, de la surface volumique de fibres illustrant son état de division, de l'anisotropie de la répartition des fibres. La densité de flux de convection naturelle est en général limitée dans les matériaux fibreux thermiquement isolants. L'isolation obtenue par une nappe de matériau fibreux est en général inversement proportionnelle à la densité de ce matériau, à la densité des fibres le constituant et à la conductibilité thermique de ces constituants. Cette isolation est proportionnelle à l'épaisseur de la nappe. 3 2805718 Les éléments qui viennent d'être exposés montrent que la réalisation de doublures isolante anti-feu doit satisfaire à des exigences variées et parfois contradictoires. Trois exemples de telles contradictions peuvent être donnés. Un premier exemple est lié au choix d'une valeur de porosité pour le matériau de doublure. Une porosité maximum pour le matériau fibreux et poreux de la doublure peut être recherchée. En effet, I'air séparant les fibres est un milieu parfaitement transparent au rayonnement, de sorte que seules les fibres sont impliquées 0o dans la diffusion, I'absorption et la ré-émission du rayonnement infrarouge. Mais une porosité maximum peut entraîner une tenue mécanique réduite, en particulier aux lavages et au porter, ou un volume de doublure trop important, gênant les mouvements du porteur du vêtement. Un deuxième exemple est lié au choix d'une épaisseur de matériau de doublure. Une épaisseur importante de doublure conduit certes à un pouvoir isolant élevé, et ce d'autant qu'est réduit le volume de fibre employé par unité de volume de doublure. Mais une épaisseur importante de doublure peut gêner les mouvements du porteur du vêtement. De plus, un pouvoir d'isolation thermique élevé pour la doublure ne doit pas être obtenu au détriment de la sensation physique de douleur, ce seuil de douleur étant variable d'une personne à une autre. Un troisième exemple est plus fondamentalement lié au choix d'une doublure de pouvoir d'isolation thermique élevé. Conventionnellement la mise en place d'une barrière thermique contre les gradients de température allant de l'extérieur du vêtement vers l'intérieur de celui ci, conduit ipso facto à la création d'une barrière thermique contre les gradients de température allant de l'intérieur du vêtement vers l'extérieur de celui ci. Ceci peut entraîner, notamment sous les climats chauds ou désertiques, une sensation d'inconfort, I'évacuation de la transpiration et de la chaleur corporelle étant empêchée par la présence de la doublure. L'évacuation de chaleur et de transpiration est d'autant plus nécessaire que les vêtements de sécurité anti-feu sont épais et parfois lourds. 4 2805718 Conventionnellement, les vêtements de sécurité anti-feu comprennent en effet, de leur face externe vers leur face interne: - un tissu externe, le plus souvent à base aramide, la plupart du temps d'une masse surfacique de 200 à 250g/m2; s - une membrane micro poreuse imper respirante, de type polyuréthane phosphoré ou PTFE, assemblée sur un substrat, le plus souvent en fibres aramides, ou assemblée sur une autre couche; - une barrière thermique isolante, le plus souvent formée par un non tissé de fibres aramides; - une doublure de propreté, le plus souvent en 100% aramide ou 50% aramide 50% viscose FR, protégeant la barrière thermique. Diverses réalisations de barrières thermiquement isolantes et anti-feu ont été proposées dans l'art antérieur. Conventionnellement, ces barrières thermiques mettent en oeuvre des non tissés, des tissus ou tricots thermiquement stables et ininflammables par la nature des fibres employées. Les barrières thermiques connues dans l'art antérieur ne répondent qu'imparfaitement à la demande de leurs utilisateurs, en particulier pour ce qui est de leurs capacité d'échange thermique de leur face interne vers leur face externe. L'invention a pour but de proposer une barrière thermiquement isolante thermostable, anti-feu permettant une évacuation accrue de la chaleur et de la transpiration corporelle, de sorte à maintenir une impression de deuxième peau pour la personne utilisant un vêtement pourvu d'une telle barrière thermique, celle-ci conservant cependant de bonnes propriétés de protection au feu et aux flashs thermiques. A cette fin, I'invention se rapporte, selon un premier aspect, à une barrière thermique thermostable et anti-feu, notamment pour vêtement de sécurité, comprenant une face avant destinée à venir en regard d'une source de chaleur ou de rayonnement extérieur, et une face arrière opposée à la face avant, cette feuille comprenant une pluralité de trous débouchant chacun sur la face avant et la face arrière de ladite feuille. 2805718 La taille, la forme et la densité des trous sont telles que la chaleur naturelle du corps humain peut être plus facilement évacuée, I'effet de barrière thermique pour les sources de chaleur externes étant cependant maintenu. Selon diverses réalisations, cette feuille est élaborée à partir d'un matériau s polymère choisi parmi le groupe comprenant: les polyamides imides, les polyimides tels que P.84 (P.l.), les aramides, para aramides, les polyacrylates, les copolyimides aromatiques, les polyacrylonitriles, les polyester-ether-cétone, les polybenzimidazol, les polytétrafluoréthylène (P.T.F.E.), les polysulfones (P.S.O), les polyethersulfones (P.E.S.), les ployphénylsulfones et polysulfures 1o de phénylènes (P.P.S.), les mélange d'aramide et de polybenzimidazole, les mélanges de polyacrylonitrile et de polyamide stabilisées thermiquement, les polytrifluorochloréthylènes (P.T.F.C.E.), les copolymères tétrafluoréthène- perfluoroprène (F.E.P.), les mélamines (par exemple Basofil ), les phénoliques (par exemple Kynol ). Dans certaines réalisations, la barrière thermique est élaborée à partir de fibres des matières polymères mentionnées ci dessus, ou de mélanges de fibres d'au moins deux de ces matières polymères. Dans des modes particuliers de réalisation, cette barrière thermique est en matériau composite pourvue d'une matrice réalisée à partir d'une matière polymère choisie parmi celles mentionnées ci dessus et d'un renfort de fibres courtes ou longues, tissées ou non tissées. Selon diverses variantes de réalisations ces fibres de renfort sont choisies parmi le groupe comprenant les fibres métalliques, les fibres de verre, les fibres de viscose " non feu ", les fibres-de carbone, les fibres de carbone péroxydé, les fibres modacryliques. Selon une réalisation économique, cette barrière thermique est élaborée en composite à renfort de fibres aramides recyclées. L'invention se rapporte, selon un deuxième aspect, à un procédé de fabrication d'une feuille telle que présentée ci-dessus, ce procédé comprenant une étape d'aiguilletage. L'invention se rapporte, selon un troisième aspect, à un vêtement de protection anti-feu, comprenant au moins une barrière thermique thermostable anti-feu telle que présentée ci dessus. 6 2805718 Dans certaines réalisations, ce vêtement présente en outre, de sa face externe vers sa face interne: un tissu à base aramide, une membrane micro poreuse imper respirante, ladite barrière thermique thermostable et antifeu, une doublure de propreté. La membrane semi-perméable est par exemple élaborée à partir d'une feuille de polyuréthane phosphoré ou PTFE, assemblée sur un substrat en fibres aramides. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisations, description qui va être effectuée l0 en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'une partie de barrière thermique thermostable et antifeu selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe d'un vêtement anti-feu comprenant une barrière thermique telle que représentée en figure 1. On se rapporte tout d'abord à la figure 1, illustrant un exemple de réalisation de l'invention. Dans cet exemple de réalisation, un non tissé aiguilleté 1, isolant thermique et anti-feu pour isolation de vêtement de sécurité est pourvu de perforations 2, 3. Ce non tissé aiguilleté est élaboré à partir de mélanges de fibres aramides telles que fibres Nomex , Isomex ou Kevlar de la société Dupont de Nemours, ou fibres Kermel de la société Rhône Poulenc, fibres Teijin Conex ou Technora ) de la société Teijin Ltd, Twaron de la société Akzo, Apyeil de la société Unitika, HMA de la société Hoechst. Le tableau ci dessous présente quelques propriétés du non tissé -non perforé- réalisé à partir d'un feutre d'lsomex 5119WSM913, ce feutre comprenant un mélange de fibres méta-aramides et para-aramides, de denier 1,411,7/2,2/6,1 dtex et de longueur comprises entre 38 et 140mm. 7 2805718 Caractéristiques Normes d'essai Valeurs Tolérance s Masse surfacique ISO9073-1 155 g/m2 ±8 % Epaisseur sous charge de 0.5kPa ISO 9073-2 2.5 mm +0.50 Résistance à la rupture en traction ISO 9073-3 Sens largeur 290 N > 200 Sens longueur 290 N >200 Allongement à la rupture en traction ISO 9073-3 Sens largeur 80 % comprise entre 100 et 200g/m2 est convenable. Les fibres aramides utilisées peuvent être issues d'un recyclage, par exemple de chutes. Les perforations réalisées dans la feuille de non tissé aiguilleté sont, dans la réalisation représentée, des trous circulaires 2, 3, de deux diamètres différents. Sur la figure 1, les directions D1 et D2 sont définies, pour faciliter la compréhension de la description, comme les directions longitudinales et transversales. 8 2805718 Les termes longitudinaux et transversaux sont employés afin de commodité et ne présagent pas du sens d'utilisation de la feuille. Dans la réalisation représentée, un premier type de trou 2 est de diamètre de l'ordre de trois millimètres et un deuxième type de trous 3 est de diamètre de l'ordre de 2 millimètres. Les trous 2, de plus grand diamètre, sont disposés suivant un motif à maille rectangulaire. Les trous 3, de plus petit diamètre, sont disposés suivant le même motif à maille rectangulaire, les deux motifs étant décalés d'un demi-côté de maille. De sorte que les trous de petits diamètres sont disposés suivant des lignes longitudinales équidistantes, d'écartement identique à celles sur lesquelles sont disposés les trous de grand diamètre. De même, les trous de grand diamètre sont disposés suivant des lignes transversales équidistantes, d'écartement identique à celles sur lesquelles sont disposés les trous de petits diamètres. Lorsque, vus selon deux directions obliques D3, D4 par rapport aux directions D1, D2, les trous 2,3 sont alignés. Les quatre trous les plus proches voisins de chaque trou de petit diamètre 3 sont des trous de grand diamètre 3, disposés suivant la maille de leur réseau. De même, les quatre trous les plus proches voisins de chaque trou de grand diamètre 2 sont des trous de petit diamètre 3, disposés suivant la maille de leur réseau. Le densité de trous est de l'ordre de deux à trois trous par centimètre carré. La perforation permet une réduction de poids de la feuille de l'ordre de 20 à 30%. D'autres formes de trous peuvent être envisagées, comme d'autres types de motifs de trous. La barrière thermique peut également comporter plus de deux types de trous. Dans certains modes de réalisation, la densité de perforation n'est pas homogène. 9 2805718 Ainsi, lorsque la barrière thermique 1 est mise en place comme isolant de vêtement anti-feu, une plus forte densité de trous peut être prévue pour les zones du corps qui sont peu exposées a priori aux risques de brûlure directe ou indirecte. De même, si la barrière thermique 1 est employée comme isolant de cagoule de protection anti-feu, les perforations pourront être plus nombreuses au droit des oreilles du porteur de la cagoule. Dans la réalisation représentée, les perforations sont disposées suivant un motif simple et régulier. Ce type de réalisation présente entre autre l'avantage de faciliter la modélisation mécanique et thermique du comrportement de la barrière thermique thermostable isolante anti-feu. Bien entendu, des motifs irréguliers peuvent être envisagés, en fonction des besoins. La barrière thermique thermostable isolante anti-feu en non tissé aiguilleté est souple, d'une épaisseur par exemple de l'ordre de un à cinq millimètres. On se rapporte maintenant à la figure 2. Sur la figure 2 est représenté schématiquement en coupe transversale une structure de vêtement de protection, comprenant au moins une barrière thermique 1 en tant qu'isolant interne. Sur cette figure 2, afin de clarté, les différentes couches du vêtement sont écartées les unes des autres. Les épaisseurs relatives des différentes couches ne sont pas respectées, l'épaisseur de la doublure étant exagérée, afin de clarté. Ce vêtement de sécurité anti-feu comprend de sa face externe vers leur face interne: - un tissu externe 4; - une membrane micro poreuse 5; ladite barrière thermique thermostable anti-feu; - une doublure de propreté interne 6. La valeur de la résistance évaporative des vêtements du type ci-dessus, pourvus d'une doublure conventionnelle varie en général entre 22 et 30 bar. m2/WV. 2805718 De telles valeurs sont obtenues par exemple lorsqu'un non tissé aiguilleté de fibres Isomex D de 1 OOg/m2 est employé. L'emploi de fibres type Nomex permet d'abaisser cette valeur de résistance évaporative à moins de 22 bar.m2NV. La réalisation de perforations sur un non tissé aiguilleté en Isomex permet d'améliorer la valeur de résistance évaporative de 10 à 30%. Dans certains modes de réalisations, le tissu externe 4 est sensiblement imperméable. Cette propriété est notamment importante pour certaines interventions 0o des pompiers, ou lorsque l'atmosphère d'intervention est potentiellement nocive ou toxique. Dans certains modes de réalisation, ce tissu externe est pourvu de bandes phosphorescents et/ou fluorescents. La membrane micro poreuse 5 est, par exemple, en Gore-tex , ou de type polyuréthane phosphoré, assemblée sur un substrat en fibres aramides. En fonction des températures d'exposition prévues, divers types de fibres peuvent être employées pour la réalisation d'une barrière thermique non tissée 1. Pour des températures d'exposition élevées, peuvent être employées des fibres de type: - polyamides imides, polyimides (P.l.); aramides tels que Kermel E), Teijin Conex , Kevlar , Twaron , Tecnora ; - para aramides, méta aramides; - polyacrylate tel qu'lnidex ; copolyimide aromatique; - polyacrylonitrile; - polyester-éther-cétone; polybenzimidazole, par exemple fibres PBI de la société Celanise Corp.; - polytétrafluoréthylène (P.T.F.E.) - modacryliques, - polyphénylsulfone, - polysulfure de phénylène (P.P.S). Des mélanges de fibres du type ci-dessus peuvent également être employés, tels que notamment: - mélange d'aramide et de polybenzimidazole, mélanges de polyacrylonitrile et de polyamide stabilisées thermiquement. Le cas échéant, les fibres ci-dessus mentionnées, en particulier polyaramides, peuvent être mélangées à des fibres de verre, de carbone ou de silice. Lorsque des températures d'exposition plus faibles sont prévues, peuvent 1o être employées des fibres de type: polytrifluorochloréthylène (P.T.F.C.E.); - copolymère tétrafluoréthèneperfluoroprène (F.E.P.); - polysulfone (P.S.O); - polyéthersulfone (P.E.S.). 12 2805718 REVENDICATIONS 1. Barrière d'isolation thermique thermostable et anti-feu, notamment pour vêtement de sécurité, comprenant une face avant destinée à venir en regard d'une source de chaleur ou de rayonnement extérieur, et une face arrière J opposée à la face avant, CARACTERISEE en ce qu'elle comprend une pluralité de trous (2,3) débouchant chacune sur la face avant et la face arrière de ladite feuille. 2. Barrière d'isolation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la densité de trous est de l'ordre de deux par centimètre carré. 3. Barrière d'isolation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les trous sont circulaires. 4. Barrière d'isolation selon la revendication 3, caractérisée en ce que Js les trous sont de deux types,chaque type de trous ayant un diamètre différent de celui de l'autre type de trous. 5. Barrière d'isolation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un premier type de trous (2) est de diamètre de l'ordre de trois millimètres. 6. Barrière d'isolation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce qu'un deuxième type de trous (3) est de diamètre de l'ordre de deux millimètres. 7. Barrière d'isolation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les deux types de trous (2, 3) sont chacun disposés suivant un motif à maille rectangulaire. 8. Barrière d'isolation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les deux motifs rectangulaires sont identiques et décalés. 9. Barrière d'isolation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les deux motifs sont décalés d'un demi-côté de la maille. 10. Barrière d'isolation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que son épaisseur est de l'ordre de un à cinq millimètres. 11. Barrière d'isolation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle est élaborée à partir d'un matériau choisi parmi le groupe comprenant: les polyamides imides, les polyimides (P.l.), les aramides, para aramides, méta aramides, les polyacrylates, les copolyimides aromatiques, les polyacrylonitriles, les polyester-ethercétone, les polybenzimidazol, les polytétrafluoréthylène (P.T.F.E.), les polysulfones (P.S.O), les polyethersulfones (P.E.S.), les ployphénylsulfones et polysulfures de phénylènes (P.P.S.), les mélange d'aramide et de polybenzimidazole, les mélanges de polyacrylonitrile et de polyamide stabilisées thermiquement, les polytrifluorochloréthylènes (P.T.F.C.E.), les copolymères tétrafluoréthène-perfluoroprène (F.E.P.). 12. Barrière d'isolation selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle est élaborée en un matériau comprenant en outre des fibres choisies parmi le groupe comprenant les fibres métalliques, les fibres de verre, les fibres de viscose " non feu ", les fibres de carbone, les fibres de carbone péroxydé, 1o les fibres de silice, les fibres modacryliques. 13. Barrière d'isolation selon l'une quelconque des revendications I à 12, caractérisée en ce qu'elle se présente sous la forme d'un non tissé. 14. Barrière d'isolation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle est élaborée en fibres aramides recyclées. 15. Procédé de fabrication d'une barrière d'isolation telle que présentée dans la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'aiguilletage. 16. Vêtement de protection anti-feu, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une barrière thermique isolante (1) telle que présentée dans l'une quelconque des revendications 1 à 13, en tant qu'isolant interne. 17. Vêtement selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend: - un tissu externe à base aramide (3); - une membrane micro poreuse imper respirante (4); - ladite barrière thermique isolante (5); - une doublure de propreté interne (6). 18. Vêtement selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que la membrane micro poreuse (4) est élaborée à partir d'une feuille de polyuréthane phosphoré, assemblée sur un substrat en fibres aramides.