WO2001003916A1 - Materiau isolant anti-feu, adapte a l'isolation aeronautique - Google Patents

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WO2001003916A1
WO2001003916A1 PCT/FR2000/002012 FR0002012W WO0103916A1 WO 2001003916 A1 WO2001003916 A1 WO 2001003916A1 FR 0002012 W FR0002012 W FR 0002012W WO 0103916 A1 WO0103916 A1 WO 0103916A1
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fibers
insulation
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Hubert Tavernier
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Saint-Gobain Isover
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Definitions

  • the invention relates to the field of light insulation products and relates more particularly to a thermal and acoustic insulation material, particularly suitable for the insulation of aircraft fuselages, consisting of several plies of thermal insulating materials, as well as 'a manufacturing process and a manufacturing device.
  • fold is used to designate a volume preferably made up of a material of generally uniform average macroscopic composition, in particular on the cm 3 scale, and one dimension of which is notably less than at least one other dimension.
  • Thermal insulation elements are commonly used to insulate aircraft fuselages. These elements are located between the outer skin of the fuselage, generally made of an aluminum-based alloy, and the interior coatings of the aircraft cabin, visible to passengers.
  • insulation elements are usually in the form of panels a few tens of centimeters wide, of the order of one to two meters in height and a few centimeters thick. They are adaptable to the shape of the fuselage against which they can be pressed. Cut-outs can be made in these elements, for example to provide an opening corresponding to a porthole. Several panels can be superimposed in areas where reinforced insulation is required.
  • insulating elements usually consist of a polymer envelope in which an insulating material is inserted.
  • the insulating material used on most aircraft currently in service, consists of a glass fiber mat covered with a metallized polyester sheet (known under the trade name of MYLAR).
  • the glass fiber mat is generally made up of very fine diameter fibers, and of very low density (less than 10 kg / m 3 ). Its standard thickness is 25.4 mm (1 inch).
  • the insulating material comprises a single ply of insulating material that constitutes the glass fiber mat, the metallized polyester sheet playing a role of reflector but not of thermal insulator.
  • the resistance to piercing by a flame of the aluminum skin is well established: it is estimated that it takes between 30 and 60 seconds for this skin to melt.
  • the next layer also shields the fire: the insulation elements usually used are pierced by the flame in one to two minutes.
  • the interior coverings generally made of honeycomb materials, offer a final fire barrier.
  • a draft provisional testing standard has been made public by the FAA under the name "Test method to determine the flammability / burnthrough characteristics of thermal / acoustical insulation materials”. (Test method for determining the flammability and the flame piercing characteristics of thermal and / or acoustic insulating materials), referenced “Draft burnthrough test standard for aircraft insulation”
  • This test makes it possible to evaluate the resistance to piercing by a flame of the insulating material when it is exposed to an open flame of high intensity.
  • This flame is, for example, produced by a kerosene burner set to obtain a fuel flow of 0.378 liters / min (6.0 gal / hr) at 0.71 MPa (100 lb / in 2 ).
  • the sample of insulating material to be tested is placed on a metal frame, 102 mm (4 in) from the outer edge of the burner.
  • the recommended size of this sample is 813 mm (32 in) wide, by 914 mm (36 in) long for insulating materials such as glass fibers.
  • the flame piercing time is defined as the time necessary for the burner flame to penetrate through the test sample, and / or the time necessary for the heat flow to reach 2.27 W / cm 2 (2.0 Btu / ft 2 .sec) on the internal face (rear face in relation to the burner), measured at a distance of 30.5 cm (12 in) from the external surface (directed towards the burner) of the metal frame which supports the insulating material to be tested.
  • material with fire-fighting function a material whose properties are improved compared to the traditional insulating material, that is to say whose flame piercing time is extended.
  • an extension of the piercing time will be chosen by a factor of 4 relative to the duration of resistance to the flame piercing test of an insulating material consisting of a mat of glass fibers of fine diameter covered with a polyester sheet.
  • a satisfactory material must also have qualities of thermal and sound insulation, an absence of corrosion in different atmospheres and resist humidity, do not generate toxic gas or significant smoke during its combustion and / or its fusion.
  • the density, m v , desired is advantageously between 6 and 10 kg / m 3 and it is desired to obtain a thermal conductivity ⁇ (in mW / mK) as low as possible, approaching that of fiber insulating materials glass which stands at 36 mW / mK at 24 ° C.
  • PAN polyacrilonitile fibers
  • Curlon oxidized polyacrilonitile fibers
  • These fibers have a diameter of approximately 8 ⁇ m.
  • the resistance to flame propagation, as defined above, is approximately four times greater than that of the glass fiber mat traditionally used.
  • the sound insulation properties are significantly lower than those of the traditional mattress.
  • uncertainties remain regarding the safety of the gases and fumes generated by the combustion of PAN fibers, especially in an oxidizing atmosphere.
  • Another solution consists in using a protective layer against fire consisting of crystalline oxide fibers, for example the fibers known under the trade name of NEXTEL. These fibers are continuous, with a diameter of approximately 10 to 12 ⁇ m. They can be woven to constitute the protective layer or else be united by a binder to form a veil or a paper of ceramic fibers.
  • This protective layer with a traditional glass fiber mat, on the external surface intended to be closest to the skin of the fuselage, makes it possible to increase by a factor of at least 4, the resistance to flame spread. Details on an insulating material of this type, suitable for aeronautical applications can be obtained from patent application WO 96/21822.
  • thermoplastic polyolefin envelope in which an insulating material is inserted.
  • the latter consists of a fibrous insulator, for example based on glass fibers and a layer resistant to high temperature.
  • This layer consists, according to the examples cited, of aluminoborosilicate fibers (known under the trade name of NEXTEL). The beneficial role of the polyolefin envelope is highlighted.
  • the object of the invention is to improve the performance of the insulators, in particular with regard to the joint optimization of the various properties, very particularly with regard to the density of the insulation material.
  • the aim of improving the performance of the fire-resistant insulation material at an acceptable cost, as well as other aims which will appear later, is achieved by the invention thanks to a multi-ply material with fire-resistant function for insulation.
  • thermal and acoustic comprising at least one ply of fibrous insulation and one (or more) ply (s) with fire-resistant function obtained from fire-resistant mineral fibers arranged so as to constitute a mineral fiber wool and where this (or these) ply (s) with a fire function cooperates with the ply (s) of fibrous insulation to confer the power of thermal insulation of the plywood material.
  • the invention relates in particular to a density lower than that of the product described in WO 96/21822. It also overcomes the disadvantage of significant additional cost that generate the known solutions of low-mass fire insulation material.
  • Called "insulating fibrous" a fiber-based material entangled whose density, m v is low, typically less than 50kg / m 3, preferably lower than 10 kg / m 3 and the thermal conductivity, ⁇ , is low, typically less than 50 mW / mK (for 10 kg / m 3 , measured at 24 ° C), preferably less than 40 mW / mK (for 10 kg / m 3 , at 24 ° C).
  • Glass fibers are, in general, coated with a binder, in particular with a phenolic base.
  • the term "mattress" is commonly used to refer to a ply of fibrous insulation.
  • wool is a fibrous product consisting of tangled nonwoven fibers, devoid of binder and having a low density, in particular less than 80 kg / m 3 , preferably 50 kg / m 3 .
  • fire resistant mineral fibers is amorphous or partially or totally crystallized fibers, capable of withstanding a flame of 1000 ° C without degrading for more than five minutes.
  • This type of fiber can for example be obtained with amorphous materials whose glass transition temperature is higher than
  • a ply of material plays a role of significant thermal insulator, and can cooperate with another to confer the power of thermal insulator of a multi-ply material if its resistance, R (expressed in m 2 .K / mW) is greater than 10 ⁇ 4 preferably 4. 10 " 4 , for ⁇ measured at 24 ° C. and a nominal thickness of 25 mm.
  • mineral fiber wool which comprises at least one ply with fire-resistant function, is made up of long staple fibers, in particular more than half of the fibers of which are more than 10 cm in length, and which become entangled so as to form a self-supporting wool.
  • self-supporting wool a material which can be handled without falling apart in the absence of a binder. Its mechanical strength is notably ensured by a significant entanglement of the fibers between them. The material can thus be subjected to vibratory stresses and keep its This property is particularly advantageous when a fibrous material comprising a binder is subjected to a temperature higher than the combustion and / or vaporization of the binder and retains its integrity and its thermal insulating properties. The fact that a material is self-supporting under the conditions of the flame piercing test, confers a very important additional quality.
  • the insulating material which constitutes at least one ply with fire-fighting function is a wool of amorphous silica fibers.
  • the material which constitutes at least one ply with anti-fire function is a felt of amorphous silica fibers prepared from an amorphous silica wool.
  • the term “felts” is used to mean a material consisting of tangled nonwoven fibers obtained from a wool of fibers which has been impregnated with an organic and / or mineral binder and which has a low density, in particular less than or equal to 50 kg. / m 3 , preferably less than or equal to 20 kg / m 3 .
  • the amorphous silica fibers which constitute the wool or the felt of amorphous silica fibers have a diameter of less than 10 ⁇ m and make it possible to obtain wools or felts whose density is less than 80 kg / m 3 , preferably 50 kg / m 3 and in particular less than 20 kg / m 3 for felts, with a thermal conductivity, ⁇ , measured at 24 ° C, less than 60 mW / mK
  • amorphous silica fibers overcomes the toxic risks generally associated with the use of mineral fibers.
  • the diameter of the silica fibers can be greater than 5 ⁇ m which does not make them inhalable.
  • their diameter is less than 5 ⁇ m, they are very inhalable because they generally have a very long length compared to the size of their diameter.
  • amorphous silica fibers are fully biosoluble.
  • At least one ply of fibrous insulation with which the ply with fire-fighting function cooperates, consists of glass fibers with an average diameter of less than 2 ⁇ m, preferably less than 1 ⁇ m , and which make it possible to obtain a fibrous insulator with a density less than 20 kg / m 3 , preferably less than 10 kg / m 3 with a thermal conductivity, ⁇ , measured at 24 ° C, less than 50 mW / mK, notably less than 40 mW / mK
  • the composition of the glass fibers of at least one ply of fibrous insulation comprises at least 4% by mass of boron oxide, B2O3.
  • This addition of BO 3 reduces the thermal conductivity of the ply of fibrous insulation compared to a ply made of glass fibers of the same relative composition devoid of B 2 O 3 .
  • the thermal resistance, R, of each of the plies (referred to a thickness of 25 mm) of the ply material divided by the density m v of the ply considered
  • all the plies with anti-fire function in silica felt represents between 5 and 30% of the mass of the plywood material.
  • At least one ply with fire-resistant function is obtained from a mineral fiber wool compressed and / or impregnated with a binder and has a thickness recovery of at least a factor equal to 5 preferably greater than or equal to 10 after relaxation of the compression and / or consumption and / or evaporation of the binder.
  • the invention also relates to an insulation element consisting of a polymer envelope in which the multilayer material described above is inserted.
  • This envelope may consist in particular of polyester (for example PET) and / or else of polyvinyl fluoride (PVDF), and / or of polyamide known in particular under the name KAPTON.
  • This envelope is thin (preferably less than 100 ⁇ m and generally 10 to 40 ⁇ m) and has the function of containing the multiply insulating material.
  • the invention also relates to the insulation elements constituted by the multilayer material and the polymer envelope which contains it, for thermal and acoustic insulation applications of aircraft fuselage, in particular the insulation elements cut and sealed by the polymer envelope, adapted to the location of the fuselage for which they are intended.
  • the insulation elements are preferably oriented so that at least one fire-resistant ply is placed closer to the fuselage than at least one ply of fibrous insulation.
  • the invention also relates to a method of manufacturing the material which comprises the following steps:
  • the assembly allowing the partial entanglement of the fibers of the two plies can be obtained by laminating the two plies or by sewing the plies. These two joining methods lead to a relatively limited fiber overlap. Needle tage techniques are possible but lead to a significant densification of the material. These techniques are preferred to assemble by co-impregnation of at least part of the plies or by flocking fibers from one of the plies onto another. Co-impregnation consists in using the step of manufacturing the ply with fire-resistant function consisting of the felt of fire-resistant mineral fibers from the wool of these fibers to assemble a ply at the same time fibrous insulation.
  • This co-impregnation can, for example, be obtained using a binder based on polyvinyl alcohol (PVA).
  • PVA polyvinyl alcohol
  • Other binders can be used, such as binders based on phenolic resins and / or binders based on ceramic or ceramizable material. This produces a co-impregnation of a ply of fibrous insulation and a ply with fire function using a binder, so that a ply with fire function is obtained in the form of a felt. mineral wool.
  • Flocking consists in taking advantage of the effects of an electric field to, for example, make a fiber wool on a substrate.
  • the substrate can advantageously consist of a ply of fibrous material coated with a binder, not polymerized (for example glass fibers).
  • Fibers of another nature for example, amorphous silica fibers
  • the substrate can advantageously run continuously or semi-continuously under the distribution system.
  • the fibers from the distribution system are charged and acceleration is given to them by the action of the electric field. They then get stuck in the substrate.
  • a ply of fibers, arranged so as to constitute a wool, can thus be obtained.
  • the thickness of this wool can, for example, be chosen by controlling the running speed of the substrate.
  • Polymerization means are then used so as to consolidate the substrate and the wool deposited on the substrate.
  • the step of forming the fire-resistant ply is simultaneous with the assembly step, at least one ply with fire-resistant function being obtained by flocking fire-resistant fibers. on at least one other fold.
  • the invention also relates to a device for manufacturing multi-ply fire-resistant material which comprises at least one or more distribution means (s) which deliver at least one layer of fibrous material intended to constitute at least one ply of fibrous insulation and to minus a layer of fire-resistant mineral fibers, arranged so as to constitute a mineral fiber wool and intended to constitute at least one ply with fire-fighting function; means for guiding the sheets; an impregnation tank containing a liquid consisting of a binder and possibly a solvent, into which the sheets are introduced; means for compressing the sheets partially or entirely impregnated with the liquid; means able to partially or completely evaporate the solvent and / or partially or completely polymerize the binder which permeates the sheets; reception of co-impregnated sheets.
  • distribution means which deliver at least one layer of fibrous material intended to constitute at least one ply of fibrous insulation and to minus a layer of fire-resistant mineral fibers, arranged so as to constitute a mineral fiber wool and intended to constitute at least one
  • Figure 1 shows a section of an insulation element comprising the plywood material according to the invention.
  • the insulation element 5 is composed of a thin casing 4 which surrounds the ply material 1.
  • the ply material 1 consists of two plies: a ply of fibrous insulating material 3 covered with '' a ply with fire protection function 2.
  • Figure 2 shows an overview of a configuration of the elements used for fire resistance tests, following the recommendations of the draft test standard established by the FAA and mentioned above.
  • Figure 2.1 shows a view of the rear face (not exposed to the flame) of the stainless steel metal frame 21 on which the sample is fixed during tests.
  • This frame is made up of metallic elements arranged horizontally 23 and of I-shaped metallic elements 22 arranged perpendicular to the previous ones.
  • a flow meter 25 is located behind the central metallic element 24.
  • Figure 2.2 shows a diagram of the test configuration, presented in a section (which corresponds to section AA of the frame, as shown in Figure 2.1).
  • a sample 26 is placed on the stainless steel frame 21.
  • the sample is placed on the rear face of the frame, inclined towards a burner. It abuts on the metal elements arranged horizontally 23, and it covers the perpendicular metal elements 22 in an extra thickness 27.
  • the usual configuration consists of placing two samples (each measuring 813 mm x 914 mm) side by side and having a partial overlap of one on the other on a metal crosspiece 24 in the center of the frame 21.
  • a burner consisting of a torch 28 generates a flame 29 under the kerosene flow conditions provided for by the draft standard of the FAA.
  • the burnthrough time by the flame is noted, as well as the maximum heat flux reached, as measured by the flux meter 26.
  • FIG. 3 presents a diagram of the various elements which constitute the prepreg device adapted to the manufacture of the multilayer material according to the invention.
  • the system essentially consists of:
  • - Distribution medium (s) 301 which delivers (s) at least one layer of fibrous material 3 and at least one layer 302 of fire-resistant mineral fibers 2 may (may) advantageously consist of at least one dispensing mandrel around which has been previously wound at least one ply of fibrous material.
  • - Guiding means at least one layer of fibrous material 302, for example based on glass fibers, and at least one layer of material consisting of fire-resistant fibers 303, for example based on silica fibers, are unwound and guided by guide means 304 which may be formed including rollers. These rollers can advantageously be arranged in such a way that the sheets of fibrous materials are superimposed and establish contact with each other.
  • guide means 304 which may be formed including rollers. These rollers can advantageously be arranged in such a way that the sheets of fibrous materials are superimposed and establish contact with each other.
  • An impregnation tank the sheets are then guided and introduced into a tank 305 at least over the thickness of the lower ply to be assembled. This tank comprises a liquid which can consist at least of a binder and for certain binders, a binder and a solvent.
  • the compression means 306 which make it possible to apply a compressive stress on the folds. This favors the overlapping of the fibers between two plies of fibrous material in contact, and a good distribution of the binder in the submerged plies.
  • the compression means 306 may in particular consist of rollers arranged above and possibly below the sheets to be assembled.
  • rollers can constitute this guide means. They can also advantageously play a role of wiping off the excess liquid which the co-impregnated sheets have caused.
  • Means 308 which are able to partially or completely evaporate the solvent and / or to partially or completely polymerize the binder retained by the co-impregnated layers, and are arranged on the course of the layers.
  • These means can, for example, consist of infrared ramps and / or ovens through which the sheets pass and / or microwave heating devices.
  • the multilayer material according to the invention is generally ready to be packaged in a station. reception 309. It can, for example, be wound on a mandrel or cut flat to form insulating elements 5 after having been introduced into an envelope 4.
  • the fold (s) which constitute (s) the examples (Exl to Ex8) have been encapsulated in a PET film to constitute encapsulated elements.
  • the tests took place in an enclosed but ventilated room.
  • the examples consist of two encapsulated elements, each with a dimension of 813 mm x 914 mm.
  • the two encapsulated elements overlap on the central metal element 23 of the frame. Clips are used to fix the encapsulated elements on the frame.
  • the interval between two successive tests is at least 30 minutes so that the frame cools after the test.
  • the examples all consist of at least one ply of fibrous insulator 3 based on insulating glass fibers linked by a phenolic binder produced by the company ISOVER.
  • the density of this fold is 9.6 kg / m 3 .
  • the thickness of this ply is 50 mm (for examples Exl, Ex2, Ex5, Ex6, Ex8) or 40 mm (for example Ex7) or 25 mm (for example Ex4 which includes two folds d fibrous insulation of the same thickness).
  • the surface masses are approximately 480 g / m 2 , respectively,
  • the comparative example, Exl includes only one ply of fibrous insulation. It corresponds to the material usually used to isolate aircraft fuselages at the date of the invention.
  • a drilling time of 15 s is measured and a flux of 4 W / cm 2 is quickly reached.
  • the folds are mentioned in the order going from the rear face to the front face, facing the flame:
  • the comparative example, Ex2 comprises a ply of fibrous insulation and a ply of silica fibers arranged in a veil.
  • a drilling time of Ex2 of 103 s is measured and a maximum flux of 3.5 W / cm 2 is reached quickly.
  • Ex3 comprises a ply of fibrous insulation and a ply of silica felt.
  • the silica fibers used to obtain this silica felt measure approximately 9 ⁇ m in diameter and have a length such that more than half of them measure more than 10 cm in length.
  • This felt is obtained from a self-supporting wool where the fibers become entangled.
  • the felt used was manufactured by the company QUARTZ and SILICE.
  • the silica fiber felt used to prepare Ex3 is 6 mm thick and has a basis weight of 80 g / m 2 .
  • Ex3 resists for more than 4 min without the flame piercing it, and that the heat flux does not exceed 0.7 W / cm 2 .
  • Ex4 consists of three plies: two fibrous insulating plies of glass fibers, each having a thickness of 25 mm, enclose a ply of silica felt having the same characteristics as that which Ex3 includes .
  • the material resists for more than 4 min and the heat flux does not exceed 1.1 W / cm 2 .
  • the example according to the invention, Ex5 has two folds identical to those of Ex2, but arranged opposite to the flame.
  • the material resists for more than 4 min, but the heat flow reaches 3.6 W / cm 2 .
  • Ex6 has the same succession of folds as Ex2, but with a fold of silica felt 4 mm thick, therefore thinner than that of Ex2.
  • the material resists for more than 4 min and the heat flux does not exceed 0.86 W / cm 2 .
  • the example according to the invention, Ex7 consists of a ply of fibrous insulation and a ply of silica wool.
  • This silica wool is self-supporting and made up of silica fibers which measure approximately 2 ⁇ m in diameter and more than half of which measures more than 10 cm in length.
  • This wool was manufactured by the company QUARTZ and SILICE.
  • the thickness of the fibrous insulation ply is 40 mm and that of the silica wool ply is 10 mm.
  • the example, Ex7 resists for more than 4 min and the heat flux remains below 0.2 W / cm 2 .
  • the comparative example, Ex8, consists of a ply of fibrous insulation and a paper of ceramic fibers of the CARBORANDUM brand, whose surface mass is 230 g / m 2 .
  • the material resists for more than 4 min and the heat flux does not exceed 0.5 W / cm 2 .
  • the examples according to the invention comprise from 10 to 15% by weight of silica res, for those comprising a ply with fire-resistant function in silica felt (Ex3 to Ex6) and approximately 20% by weight of silica fibers for that comprising a ply with fire-resistant function in silica wool (Ex7).
  • Table 1 shows the main compositions and characteristics of the examples tested, as well as the results of flame piercing time and the maximum heat flow measured for each example.
  • a material consisting of a ply with a fire-resistant function in a veil of fire-resistant mineral fibers does not withstand the piercing test long enough, while all the materials tested (Ex3 to Ex7) including a ply with anti-fire function -fire made of wool or a felt of mineral fibers resistant to fire withstand more than 4 minutes the flame piercing test.
  • the material consisting of a fold with fire-resistant function made of ceramic fiber paper (Ex8) leads to a good drilling time result but also has a significant overweight (total surface mass of more than 700 g / m 2 ) and to a crippling deterioration of the fold with anti-fire function after tests.
  • the solutions proposed by the invention are particularly advantageous both from the point of view of thermal properties and by the fact that it is possible to obtain fire-resistant materials for thermal insulation of low areal mass and / or density while obtaining high resistance to piercing by flame and poor transfer of heat flow.
  • Table 2 summarizes the data and results corresponding to the different folds.
  • the user can advantageously choose materials where the fire-resistant ply acts as a thermal insulator and cooperates with the ply of fibrous insulator.
  • the role of thermal insulation of a ply is all the higher, for a comparable thickness, the higher the R / m v ratio. It can be seen that the examples according to the invention (Ex3 to Ex7) make it possible to obtain ratios R / m v of the fire-resistant ply, with a nominal thickness of 25 mm, greater than 10 ′ 5 , which is advantageously greater than that obtained for the examples corresponding to alternative solutions (Ex2 and Ex8).
  • the quantity of fire-resistant mineral fibers necessary to obtain good flame resistance is significantly lower in the case of the materials according to the invention compared to alternative solutions: drilling times and maximum heat fluxes are obtained.
  • same order with 4 to 6 mm of silica fiber felt (Ex3 and Ex6) or 10 to 15% of the weight of the ply material, or else with 10 mm of silica fiber wool (Ex7) or 20% of the weight of the material plywood, only with 1 mm of ceramic fiber paper which contributes about a third of the weight of the plywood material (Ex8).
  • This recovery in thickness can reach a factor of the order of 10.
  • a recovery in thickness of the same order can be observed when the ply with fire-resistant function consists of a wool of compressed silica fiber. This effect is particularly advantageous for fuselage insulation applications, because once the aluminum wall has been pierced and when the temperature of the multilayer insulating material increases, it is able to thicken and gain volume, giving the material an additional retarding effect on the propagation of the flame and also makes it possible to delay the propagation of the heat flow towards the interior of the cabin.
  • the invention is not limited to these particular types of embodiment and must be interpreted in a nonlimiting manner and encompassing any type of multilayer material for thermal and acoustic insulation, comprising at least one ply of fibrous insulation and at least one ply with function fire-resistant, composed of a felt of fire-resistant mineral fibers, where these two plies cooperate to give the power of thermal insulation of the plywood material.
  • Table 2 thermal properties of the plies, related to the nominal thickness of 25 mm

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Abstract

La présente invention concerne un matériau multiplis à fonction anti-feu (1) pour isolation thermique et acoustique comportant au moins un pli d'isolant fibreux (3) et au moins un pli à fonction anti-feu (2) et dont un (ou des) pli(s) à fonction anti-feu (2) est (sont) obtenu(s) à partir de fibres minérales résistantes au feu disposées de manière à constituer une laine de fibres minérales et ce (ou ces) pli(s) à fonction anti-feu (2) coopère(nt) avec le (ou les) pli(s) d'isolant fibreux (3) pour conférer le pouvoir d'isolant thermique du matériau multiplis (1). L'invention concerne également un procédé et un dispositif de fabrication de ce matériau. Ce matériau multiplis permet de fabriquer des éléments d'isolation qui résistant au feu, notamment des éléments d'isolation de fuselage d'avion.

Description

MATERIAU ISOLANT ANTI-FEU, ADAPTE A L'ISOLATION
AERONAUTIQUE
L'invention se rapporte au domaine des produits légers pour l'isolation et concerne plus particulièrement un matériau d'isolation thermique et acoustique, particulièrement adapté pour l'isolation des fuselages d'avion, constitué de plusieurs plis de matériaux isolants thermiques, ainsi qu'un procédé de fabrication et un dispositif de fabrication.
On nomme " pli " un volume constitué de préférence d'une matière de composition macroscopique moyenne globalement uniforme, notamment à l'échelle du cm3, et dont une dimension est notablement inférieure à au moins une autre dimension.
Des éléments d'isolation thermique sont couramment utilisés pour isoler les fuselages d'avion. Ces éléments sont situés entre la peau extérieure du fuselage, généralement en alliage à base d'aluminium et les revêtements intérieurs de la cabine de l'avion, visibles des passagers.
Ces éléments d'isolation se présentent usuellement sous la forme de panneaux de quelques dizaines de centimètres de large, de l'ordre de un à deux mètres de hauteur et de quelques centimètres d'épaisseur. Ils sont adaptables à la forme du fuselage contre lequel ils peuvent être plaqués. Des découpes peuvent être faites dans ces éléments, par exemple pour ménager une ouverture correspondant à un hublot. Plusieurs panneaux peuvent être superposés dans des zones où une isolation renforcée est nécessaire.
Ces éléments d'isolation sont constitués le plus souvent d'une enveloppe en polymère dans laquelle est inséré un matériau isolant. Le matériau isolant, utilisé sur la plupart des avions actuellement en service, est constitué d'un matelas de fibres de verre recouvert d'une feuille de polyester (connu sous le nom commercial de MYLAR) métallisé. Le matelas de fibres de verre est généralement constitué de fibres de diamètre très fin, et de très faible masse volumique (moins de 10 kg/ m3). Son épaisseur standard est de 25,4 mm (1 inch). Dans ce cas, le matériau isolant comprend un seul pli de matériau isolant que constitue le matelas de fibres de verre, la feuille de polyester métallisé jouant un rôle de réflecteur mais pas d'isolant thermique.
Ces éléments d'isolation assurent des fonctions d'isolation thermique et phonique et doivent pouvoir résister à une flamme pendant un temps donné.
En effet, dans la plupart des accidents d'avion suivis d'un feu, l'intérieur de l'avion peut s'enflammer à cause du carburant brûlant à l'extérieur de l'avion. C'est la raison pour laquelle la capacité du fuselage à jouer un rôle de barrière au feu est très importante pour permettre aux survivants de quitter l'avion. La qualité de cette barrière au feu est liée à la pénétration de la flamme à travers les trois couches successives décrites ci-dessus, à savoir la peau en aluminium, l'isolant et les revêtements intérieurs de la cabine.
La résistance au perçage par une flamme de la peau en aluminium est bien établie : on estime qu'il faut entre 30 et 60 secondes pour que cette peau fonde. La couche suivante fait également écran au feu : les éléments d'isolation usuellement employés sont percés par la flamme en une à deux minutes. Enfin, les revêtements intérieurs, généralement composés de matériaux en nid d'abeille, offrent une dernière barrière au feu.
Cependant, la résistance totale du fuselage à la propagation d'une flamme s'avère insuffisante au regard de l'exigence croissante de sécurité. En effet, suite à des accidents récents, il a été établi que la résistance au feu des éléments d'isolation des parois d'avion devait être très significativement augmentée. L'Administration Fédérale de l'Aviation Américaine (FAA) recommande depuis septembre 1998 des améliorations signifiées à tous les constructeurs en ce sens. Il a été établi que l'action doit porter prioritairement sur le remplacement des matériaux isolants actuels par des matériaux capables de résister à la pénétration d'une flamme au moins deux fois plus longtemps.
Un projet de norme d'essais provisoire a été rendu public par la FAA sous le nom de " Test method to détermine the flammability / burnthrough characteristics of thermal/ acoustical insulation materials ". (Méthode de test pour déterminer l'inflammabilité et les caractéristiques au perçage par une flamme de matériaux isolants thermiques et/ ou acoustiques), référencé " Draft burnthrough test standard for aircraft insulation "
Ce test permet d'évaluer la résistance au perçage par une flamme du matériau isolant quand il est exposé à une flamme ouverte de forte intensité. Cette flamme est, par exemple, produite par un brûleur à kérosène réglé afin d'obtenir un flux de carburant de 0,378 litres/mn (6.0 gal/hr) à 0,71 MPa (100 lb/in2). L'échantillon de matériau isolant à tester est placé sur un bâti métallique, à 102 mm (4 in) du bord externe du brûleur. La taille recommandée de cet échantillon est de 813 mm (32 in) de large, par 914 mm (36 in) de longueur pour des matériaux isolants du type des fibres de verre. Le temps de perçage à la flamme est défini comme le temps nécessaire pour que la flamme du brûleur pénètre à travers l'échantillon à tester, et/ ou le temps nécessaire pour que le flux de chaleur atteigne 2,27 W/cm2 (2.0 Btu/ft2.sec) sur la face interne (face arrière par rapport au brûleur), mesuré à une distance de 30,5 cm ( 12 in) à partir de la surface externe (dirigée vers le brûleur) du bâti métallique qui supporte le matériau isolant à tester.
On nommera par la suite " matériau à fonction anti-feu ", un matériau dont les propriétés sont améliorées par rapport au matériau isolant traditionnel, c'est à dire dont le temps de perçage à la flamme est allongé. De préférence, on choisira un allongement du temps de perçage d'un facteur 4 par rapport à la durée de résistance au test de perçage à la flamme d'un matériau isolant constitué d'un matelas de fibres de verre de diamètre fin recouvert d'une feuille de polyester.
Un matériau satisfaisant doit également présenter des qualités d'isolant thermique et phonique, une absence de corrosion dans différentes atmosphères et résister à l'humidité, ne pas générer de gaz toxique ni de fumée importante lors de sa combustion et/ ou de sa fusion.
La masse volumique, mv, souhaitée, se situe avantageusement entre 6 et 10 kg/ m3 et l'on souhaite obtenir une conductivité thermique λ (en mW/m.K) aussi faible que possible, se rapprochant de celle des matériaux isolants à fibres de verre qui s'établit à 36 mW/m.K à 24° C.
Plusieurs produits isolants sont actuellement développés afin de répondre à ces nouvelles exigences. Plusieurs solutions ont été recensées et présentées dans un article de synthèse : " full scale text évaluation of aircraft fuel fire : burnthrough résistance improvements " (SAMPE Journal, Vol. 33, N° 4, July/August 1997, P. 32 à 38).
Une des solutions envisagées consiste à utiliser un matelas de fibres de polyacrilonitile (PAN) oxydé connues sous le nom commercial de CURLON. Ces fibres ont un diamètre d'environ 8 μm. La résistance à la propagation d'une flamme, telle que définie ci-dessus, est environ quatre fois supérieure à celle du matelas de fibres de verre utilisé traditionnellement. Cependant, les propriétés d'isolation phonique sont nettement inférieures à celles du matelas traditionnel. En outre, des incertitudes demeurent quant à l'innocuité des gaz et fumées générés par la combustion des fibres de PAN, surtout en atmosphère oxydante.
Une autre solution consiste à utiliser une couche protectrice contre le feu constituée de fibres d'oxyde cristallines, par exemple les fibres connues sous le nom commercial de NEXTEL. Ces fibres sont continues, d'un diamètre d'environ 10 à 12 μm. Elles peuvent être tissées pour constituer la couche protectrice ou bien être réunies par un liant pour former un voile ou un papier de fibres céramiques. L'association de cette couche protectrice avec un matelas traditionnel de fibres de verre, sur la surface externe destinée à être la plus proche de la peau du fuselage, permet d'augmenter d'un facteur d'au moins 4, la résistance à la propagation de la flamme. Des précisions sur un matériau isolant de ce type, adapté aux applications aéronautiques peuvent être obtenues de la demande de brevet WO 96/21822. Ce document décrit un panneau d'isolation comportant une enveloppe thermoplastique de polyoléfine dans laquelle est inséré un matériau isolant. Ce dernier est constitué d'un isolant fibreux, par exemple à base de fibres de verre et d'une couche résistante à haute température. Cette couche est constituée, d'après les exemples cités, de fibres d'aluminoborosilicate (connues sous le nom commercial de NEXTEL). Le rôle bénéfique de l'enveloppe en polyoléfine est mis en évidence.
Ces solutions permettent au matériau d'isolation thermique de résister à la propagation d'une flamme pendant un temps satisfaisant au regard des nouvelles exigences.
Toutefois, face aux exigences toujours croissantes des milieux intéressés, il apparaît souhaitable d'améliorer encore ces matériaux.
A cet égard, l'invention a pour but d'améliorer les performances des isolants, notamment au regard de l'optimisation conjointe des différentes propriétés, tout particulièrement au regard de la masse volumique du matériau d'isolation. Le but d'amélioration des performances du matériau d'isolation anti- feu à un coût acceptable, ainsi que d'autres buts qui apparaîtront par la suite, est atteint par l'invention grâce à un matériau multiplis à fonction anti-feu pour isolation thermique et acoustique comportant au moins un pli d'isolant fibreux et un (ou des) pli(s) à fonction anti-feu obtenu(s) à partir de fibres minérales résistantes au feu disposées de manière à constituer une laine de fibres minérales et où ce (ou ces) pli(s) à fonction anti-feu coopère(nt) avec le (ou les) pli(s) d'isolant fibreux pour conférer le pouvoir d'isolant thermique du matériau multiplis.
L'invention vise en particulier une masse volumique inférieure à celle du produit décrit dans WO 96/21822. Elle obvie également à l'inconvénient de surcoût important que génèrent les solutions connues de matériau d'isolation anti-feu à faible masse. On nomme " isolant fibreux " un matériau à base de fibres enchevêtrées dont la masse volumique, mv, est faible, typiquement inférieure à 50kg/ m3, de préférence inférieure à 10kg/ m3, et dont la conductivité thermique, λ, est faible, typiquement inférieure à 50 mW/m.K (pour 10 kg/m3, mesuré à 24°C), de préférence inférieure à 40 mW/m.K (pour 10 kg/ m3, à 24°C). Les fibres de verre sont, en général, revêtues d'un liant, notamment à base phénolique. Le terme " matelas " est communément utilisé pour désigner un pli d'isolant fibreux.
On appelle, dans la description, " laine " un produit fibreux constitué de fibres enchevêtrées non tissées, dépourvu de liant et présentant une masse volumique faible, notamment inférieure à 80 kg/m3, de préférence à 50 kg/m3.
Dans le cas de laine de fibres fabriquées en chauffant et en étirant des matières de composition identique à celle des fibres, on peut obtenir un enchevêtrement des fibres dû au procédé de fibrage lui-même.
On nomme " fibres minérales résistant au feu " des fibres amorphes ou cristallisées partiellement ou totalement, capables de résister à une flamme de 1000°C sans se dégrader pendant plus de cinq minutes.
Ce type de fibre peut par exemple être obtenu avec des matériaux amorphes dont la température de transition vitreuse est supérieure à
1000°C ; il peut également être obtenu avec des matériaux amorphes à température de transition vitreuse inférieure, mais qui présentent des réarrangements structuraux permettant de faire cristalliser au moins partiellement la fibre au cours de la montée en température correspondant à l'exposition à la flamme du matériau fibreux isolant constitué de ces fibres. On peut citer par exemple le cas des fibres dont la composition se rapproche des basaltes ou qui cristallisent dans une phase de wollastonite. Les matériaux cristallisés dont la température de fusion est supérieure à 1000°C permettent également d'obtenir des fibres satisfaisantes. Le pouvoir isolant d'un matériau se caractérise par la résistance thermique, R, obtenue par le ratio de l'épaisseur du matériau, e, et de la conductivité thermique, λ : R = e/λ. A titre indicatif, on considère qu'un pli de matériau joue un rôle d'isolant thermique significatif, et peut coopérer avec un autre pour conférer le pouvoir d'isolant thermique d'un matériau multiplis si sa résistance, R (exprimé en m2.K/mW) est supérieur à 10~4 de préférence à 4. 10"4, pour λ mesuré à 24°C et une épaisseur nominale de 25 mm. Selon une réalisation préférée de l'invention la laine de fibres minérales que comprend au moins un pli à fonction anti-feu, est constituée de fibres longues discontinues, notamment dont plus de la moitié des fibres mesure plus de 10 cm de longueur, et qui s'enchevêtrent de manière à former une laine autoporteuse. On entend par " laine autoporteuse " un matériau qui peut être manipulé sans se désagréger en absence de liant. Sa tenue mécanique est notamment assurée par un enchevêtrement important des fibres entre elles. Le matériau peut être ainsi soumis à des sollicitations vibratoires et conserver son intégrité. Cette propriété est notamment intéressante quand un matériau fibreux comprenant un liant est soumis à une température supérieure à la combustion et/ ou vaporisation du liant et conserve son intégrité et ses propriétés d'isolant thermique. Le fait pour un matériau d'être autoporteur dans les conditions du test de perçage à la flamme, confère une qualité supplémentaire très importante.
Selon une réalisation de l'invention, le matériau isolant qui constitue au moins un pli à fonction anti-feu est une laine de fibres de silice amorphe.
Selon une variante avantageuse de l'invention, le matériau qui constitue au moins un pli à fonction anti-feu, est un feutre de fibres de silice amorphe préparé à partir d'une laine de silice amorphe. On nomme " feutres ", un matériau constitué de fibres enchevêtrées non tissées obtenu à partir d'une laine de fibres qui a été imprégnée d'un liant organique et/ ou minéral et présentant une masse volumique faible, notamment inférieure ou égale à 50 kg/ m3, de préférence inférieure ou égale à 20 kg/m3.
Selon une réalisation préférée de l'invention les fibres de silice amorphe qui constituent la laine ou le feutre de fibres de silice amorphe ont un diamètre inférieur à 10 μm et permettent d'obtenir des laines ou des feutres dont la masse volumique est inférieure à 80 kg/ m3, de préférence à 50 kg/ m3 et notamment inférieure à 20 kg/ m3 pour les feutres, avec une conductivité thermique, λ, mesurée à 24°C, inférieure à 60 mW/m.K.
On note que l'utilisation de fibres de silice amorphe permet de s'affranchir des risques toxiques généralement liés à l'utilisation de fibres minérales. En effet, le diamètre des fibres de silice peut être supérieur à 5 μm ce qui ne les rend pas inhalables. En outre si leur diamètre est inférieur à 5 μm, elles sont très peu inhalables car elles présentent généralement une très grande longueur comparée à la taille de leur diamètre. De plus, il a été démontré que les fibres de silice amorphe sont entièrement biosolubles.
Selon une variante de l'invention, au moins un pli d'isolant fibreux, avec lequel coopère le pli à fonction anti-feu, est constitué de fibres de verre d'un diamètre moyen inférieur à 2 μm, de préférence inférieur à 1 μm, et qui permettent d'obtenir un isolant fibreux de masse volumique inférieure à 20 kg/m3, de préférence inférieure à 10 kg/m3 avec une conductivité thermique, λ, mesurée à 24°C, inférieure à 50 mW/m.K, notamment inférieure à 40 mW/m.K.
Selon une réalisation préférée de l'invention, la composition des fibres de verre d'au moins un pli d'isolant fibreux comprend au moins 4 % en masse d'oxyde de bore, B2O3. Cet ajout de B O3 permet de diminuer la conductivité thermique du pli d'isolant fibreux comparé à un pli constitué de fibres de verre de même composition relative dépourvu de B2O3.
Selon une variante avantageuse de l'invention, la résistance thermique, R, de chacun des plis (rapporté à une épaisseur de 25 mm) du matériau multiplis divisée par la masse volumique mv du pli considéré
(soit : R/mv, R exprimé en m2.K/mW et mv en kg/m3, en considérant λ mesuré à 24°C) est supérieur à lO'5, notamment supérieur à 5. 10"5 pour le pli d'isolant fibreux et/ ou notamment supérieur à 10~5 pour le pli à fonction anti-feu. Selon une réalisation de l'invention l'ensemble des plis à fonction anti-feu en feutre de silice représente entre 5 et 30 % de la masse du matériau multiplis.
Selon une réalisation préférée de l'invention, au moins un pli à fonction anti-feu est obtenu à partir d'une laine de fibres minérales comprimée et/ou imprégnée par un liant et présente une reprise d'épaisseur d'un facteur au moins égal à 5 de préférence supérieur ou égal à 10 après relâchement de la compression et/ ou consumation et/ ou évaporation du liant.
On nomme reprise d'épaisseur, le ratio entre l'épaisseur d'un pli, notamment de laine minérale, après relâchement d'une compression et/ ou élimination d'un liant qui maintient la laine comprimée, et l'épaisseur initiale du pli, maintenu comprimé par une force de compression, par exemple une enveloppe dans laquelle la laine peut être tassée, et/ ou par un liant. L'invention concerne également un élément d'isolation constitué d'une enveloppe en polymère dans laquelle est inséré le matériau multiplis décrit ci-dessus. Cette enveloppe peut être constituée notamment de polyester (par exemple du PET) et/ ou bien de fluorure de polyvinyle (PVDF), et/ ou de polyamide connu notamment sous le nom KAPTON. Cette enveloppe est mince (de préférence inférieure à 100 μm et généralement 10 à 40 μm) et a pour fonction de contenir le matériau multiplis isolant. L'invention concerne également les éléments d'isolation constitués par le matériau multiplis et l'enveloppe en polymère qui le contient, pour des applications d'isolation thermique et acoustique de fuselage d'avion, notamment les éléments d'isolation découpés et scellés par l'enveloppe de polymère, adaptés à l'emplacement du fuselage auxquels ils sont destinés.
Les éléments d'isolations sont orientés, de préférence, de manière à ce que au moins un pli anti-feu soit disposé plus près du fuselage qu'au moins un pli d'isolant fibreux.
L'invention concerne également un procédé de fabrication du matériau qui comprend les étapes suivantes :
- disposer au moins un pli d'isolant fibreux et des fibres minérales résistantes au feu de manière à permettre leur assemblage ;
- former au moins un pli à fonction anti-feu à partir de fibres minérales résistantes au feu, disposées de manière à constituer une laine de fibres minérales ;
- assembler au moins un pli à fonction anti-feu avec au moins un pli d'isolant fibreux de manière à ce que au moins une partie des fibres d'au moins un pli d'isolant fibreux s'enchevêtre avec des fibres d'au moins un pli à fonction anti-feu dans au moins une partie de l'interface de ces plis.
L'assemblage permettant l'enchevêtrement partiel des fibres des deux plis peut être obtenu par contrecollage des deux plis ou par couture des plis. Ces deux méthodes d'assemblage conduisent à un chevauchement de fibre relativement limité. Des techniques d'aiguille tage sont envisageables mais conduisent à une densification importante du matériau. On préfère à ces techniques un assemblage par coimprégnation d'au moins une partie des plis ou par flocage de fibres de l'un des plis sur un autre. La coimprégnation consiste à utiliser l'étape de fabrication du pli à fonction anti-feu constitué du feutre de fibres minérales résistant au feu à partir de la laine de ces fibres pour assembler en même temps un pli d'isolant fibreux. Cette coimprégnation peut, par exemple, être obtenue en utilisant un liant à base d'alcool polyvinyle (PVA). D'autres liants peuvent être utilisés, comme les liants à base de résines phénoliques et/ ou les liants à base de matériau céramique ou céramisable. On réalise ainsi la coimprégnation d'un pli d'isolant fibreux et d'un pli à fonction anti-feu au moyen d'un liant, de sorte qu'un pli à fonction anti-feu est obtenu sous forme d'un feutre de laine minérale.
Le flocage consiste à mettre à profit les effets d'un champ électrique pour, par exemple, fabriquer une laine de fibres sur un substrat. Dans ce cas le substrat peut avantageusement être constitué d'un pli de matériau fibreux revêtu d'un liant, non polymérisé (par exemple de fibres de verre). Des fibres d'une autre nature (par exemple, des fibres de silice amorphe) peuvent être placées dans un système de distribution percé de trous. Un champ électrique est appliqué entre le système de distribution et le substrat. Le substrat peut avantageusement défiler en continu ou de manière semi-continue sous le système de distribution. Les fibres, issues du système de distribution, sont chargées et une accélération leur est conférée par l'action du champ électrique. Elles viennent alors se ficher dans le substrat. Un pli de fibres, disposées de manière à constituer une laine, peut être ainsi obtenu. L'épaisseur de cette laine peut, par exemple, être choisie en contrôlant la vitesse de défilement du substrat. Des moyens de polymérisation sont ensuite utilisés de manière à consolider le substrat et la laine déposée sur le substrat. Pour obtenir le matériau multiplis selon l'invention, l'étape de formation du pli à fonction anti-feu est simultanée avec l'étape d'assemblage, au moins un pli à fonction anti-feu étant obtenu par flocage de fibres résistantes au feu sur au moins un autre pli.
L'invention concerne également un dispositif pour fabriquer le matériau multiplis résistant au feu qui comprend au moins un ou plusieurs moyen(s) de distribution qui délivrent au moins une nappe de matériaux fibreux destinée à constituer au moins un pli d'isolant fibreux et au moins une nappe de fibres minérales résistantes au feu, disposées de manière à constituer une laine de fibres minérales et destinées à constituer au moins un pli à fonction anti-feu ; des moyens de guidage des nappes ; une cuve d'imprégnation contenant un liquide constitué d'un liant et possiblement d'un solvant, dans laquelle sont introduites les nappes ; des moyens de compression des nappes imprégnées partiellement ou en totalité par le liquide ; des moyens aptes à évaporer partiellement ou en totalité le solvant et/ ou polymériser partiellement ou en totalité le liant qui imprègne les nappes ; une réception des nappes coimprégnées. D'autres détails et caractéristiques avantageux de l'invention ressortiront ci-après, de la description d'exemples de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées.
On précise d'abord que, par souci de clarté, les figures ne respectent pas rigoureusement les proportions entre les différents éléments représentés.
La figure 1 représente une coupe d'un élément d'isolation comprenant le matériau multiplis selon l'invention.
Selon cette représentation, l'élément d'isolation 5 est composé d'une enveloppe 4 de faible épaisseur qui entoure le matériau multiplis 1. Dans cette représentation le matériau multiplis 1 est constitué de deux plis : un pli de matériau isolant fibreux 3 recouvert d'un pli à fonction anti-feu 2.
Ces deux plis présentent une interface commune 6. Le nombre de plis et leur nature n'est pas limitative.
La figure 2 représente un aperçu d'une configuration des éléments utilisés pour les essais de résistance au feu, suivant les recommandations du projet de norme d'essais établi par la FAA et mentionné plus haut.
La figure 2.1 représente une vue de la face arrière (non exposée face à la flamme) du bâti métallique en acier inoxydable 21 sur lequel est fixé l'échantillon pendant essais. Ce bâti est composé d'éléments métalliques disposés à l'horizontale 23 et d'éléments métalliques en forme de I 22 disposés perpendiculairement aux précédents. Un fluxmètre 25 est situé derrière l'élément métallique central 24. La figure 2.2 représente un schéma de la configuration d'essai, présentée suivant une coupe (qui correspond à la coupe A-A du bâti, tel que représenté en figure 2.1).
Un échantillon 26 est placé sur le bâti en acier inoxydable 21. L'échantillon est disposé sur la face arrière du bâti, incliné en direction d'un brûleur. Il vient buter sur les éléments métalliques disposés à l'horizontale 23, et il recouvre les éléments métalliques perpendiculaires 22 en une sur-épaisseur 27. La configuration usuelle consiste à disposer deux échantillons (chacun mesurant 813 mm x 914 mm) côte à côte et présentant un recouvrement partiel de l'un sur l'autre sur une traverse métallique 24 au centre du bâti 21. Un brûleur constitué d'un chalumeau 28 génère une flamme 29 dans les conditions de flux de kérosène prévues par le projet de norme de la FAA.
Afin de comparer différents matériaux entre eux, on relève le temps de perçage (burnthrough time) par la flamme, ainsi que le flux de chaleur maximum atteint, tel que mesuré par le fluxmètre 26.
La figure 3 présente un schéma des différents éléments qui constituent le dispositif de préimprégnation adapté à la fabrication du matériau multiplis selon l'invention. Le dispositif est constitué essentiellement de :
- Moyen(s) de distribution 301 , qui délivre(nt) au moins une nappe de matériau fibreux 3 et au moins une nappe 302 de fibres minérales résistantes au feu 2 peut (peuvent) être avantageusement constitué(s) d'au moins un mandrin distributeur autour duquel a été préalablement enroulée au moins une nappe de matériau fibreux.
- Moyens de guidage : au moins une nappe de matériau fibreux 302, par exemple à base de fibres de verre, et au moins une nappe de matériau constitué de fibres résistantes au feu 303, par exemple à base de fibres de silice, sont déroulées et guidées par des moyens de guidage 304 qui peuvent être constitués notamment de rouleaux. Ces rouleaux peuvent être disposés avantageusement de manière telle que les nappes de matériaux fibreux se superposent et établissent un contact entre elles. - Une cuve d'imprégnation : les nappes sont ensuite guidées et introduites dans une cuve 305 au moins sur l'épaisseur du pli inférieur à assembler. Cette cuve comprend un liquide qui peut être constitué au moins d'un liant et pour certains liants, d'un liant et d'un solvant.
- Moyens de compression 306 qui permettent d'appliquer une contrainte de compression sur les plis. On favorise ainsi le chevauchement des fibres entre deux plis de matériau fibreux en contact, et une bonne répartition du liant dans les plis immergés. Le moyen de compression 306 peut notamment être constitué de rouleaux disposés au-dessus et éventuellement en dessous des nappes à assembler.
- Moyens de guidage en aval de la cuve : les nappes coimprégnées sont guidées hors de la cuve par un moyen de guidage 307. Des rouleaux peuvent constituer ce moyen de guidage. Ils peuvent également avantageusement jouer un rôle d'essorage du surplus de liquide qu'auraient entraîné les nappes coimprégnées.
- Moyens 308, qui sont aptes à évaporer partiellement ou totalement le solvant et/ ou à polymériser partiellement ou en totalité le liant retenu par les nappes coimprégnées, et sont disposés sur le parcours des nappes. Ces moyens peuvent, par exemple, être constitués de rampes à Infrarouge et/ ou de fours que traversent les nappes et/ ou de dispositifs de chauffage par micro-ondes.
Après l'étape que permettent ces moyens 308, le matériau multiplis selon l'invention est généralement prêt à être conditionné dans un poste de réception 309. Il peut, par exemple, être enroulé sur un mandrin ou découpé à plat pour former des éléments d'isolation 5 après avoir été introduit dans une enveloppe 4.
Les exemples suivants mettent en évidence certains avantages obtenus grâce à l'invention.
Huit exemples (référencés Exl à Ex8), constitués d'au moins un pli d'isolant fibreux 3, ont été testés dans les conditions prévues par le projet d'essais de la FAA.
Le (ou les) pli(s) qui constitue(nt) les exemples (Exl à Ex8) ont été encapsulés dans un film de PET pour constituer des éléments encapsulés. Les tests se sont déroulés dans un local clos, mais ventilé. Les exemples sont constitués de deux éléments encapsulés, chacun d'une dimension de 813 mm x 914 mm. Les deux éléments encapsulés se chevauchent sur l'élément métallique central 23 du bâti. Des pinces permettent de fixer les éléments encapsulés sur le bâti.
L'intervalle entre deux tests successifs est d'au moins 30 minutes de manière à ce que le bâti refroidisse après l'essai.
Les exemples sont tous constitués d'au moins un pli d'isolant fibreux 3 à base de fibres de verre d'isolation liées par un liant phénolique produites par la société ISOVER. La masse volumique de ce pli est de 9,6 kg/m3. L'épaisseur de ce pli est de 50 mm (pour les exemples Exl , Ex2, Ex5, Ex6, Ex8) ou de 40 mm (pour l'exemple Ex7) ou de 25 mm (pour l'exemple Ex4 qui comprend deux plis d'isolant fibreux de la même épaisseur). Les masses surfaciques sont respectivement d'environ 480 g/m2,
384 g/m2, 240 g/m2.
• L'exemple comparatif, Exl, comprend seulement un pli d'isolant fibreux. Il correspond au matériau usuellement utilisé pour isoler les fuselages d'avion à la date de l'invention.
On mesure un temps de perçage de 15 s et un flux de 4 W/cm2 est rapidement atteint. Pour les exemples suivants, les plis sont mentionnés dans l'ordre allant de la face arrière vers la face avant, orientée face à la flamme :
• L'exemple comparatif, Ex2, comprend un pli d'isolant fibreux et un pli de fibres de silice disposées en voile. On appelle " voile " un matériau fin (dans ce cas, de moins de
1 mm d'épaisseur) où les fibres sont superposées, notamment par une méthode papetière. On obtient un matériau dont les fibres ne s'enchevêtrent pas de manière significative et généralement plus dense qu'une laine constituée à partir des mêmes fibres.
On mesure un temps de perçage d'Ex2 de 103 s et un flux maximum de 3,5 W/cm2 est atteint rapidement.
• L'exemple selon l'invention, Ex3, comprend un pli d'isolant fibreux et un pli de feutre de silice. Les fibres de silice utilisées pour obtenir ce feutre de silice mesurent environ 9 μm de diamètre et ont une longueur telle que plus de la moitié d'entre elles mesure plus de 10 cm de longueur. Ce feutre est obtenu à partir d'une laine autoporteuse où les fibres s'enchevêtrent. Le feutre utilisé a été fabriqué par la société QUARTZ et SILICE.
Le feutre de fibres de silice utilisé pour préparer Ex3 mesure 6 mm d'épaisseur et a une masse surfacique de 80 g/ m2. Lors du test, on constate que Ex3 résiste plus de 4 min sans que la flamme ne le perce, et que le flux de chaleur ne dépasse pas 0,7 W/cm2.
• L'exemple selon l'invention, Ex4, est constitué de trois plis : deux plis isolants fibreux de fibres de verre, chacun ayant une épaisseur de 25 mm, enserrent un pli de feutre de silice ayant les mêmes caractéristiques que celui que comprend Ex3.
Le matériau résiste plus de 4 min et le flux de chaleur ne dépasse pas 1 , 1 W/cm2. • L'exemple selon l'invention, Ex5, présente deux plis identiques à ceux de Ex2, mais disposés de manière opposée par rapport à la flamme.
Le matériau résiste plus de 4 min, mais le flux de chaleur atteint 3,6 W/cm2.
• L'exemple selon l'invention, Ex6, présente la même succession de plis que Ex2, mais avec un pli de feutre de silice de 4 mm d'épaisseur, donc moins épais que celui de Ex2. Le matériau résiste plus de 4 min et le flux de chaleur ne dépasse pas 0, 86 W/cm2.
• L'exemple selon l'invention, Ex7, est constitué d'un pli d'isolant fibreux et d'un pli de laine de silice. Cette laine de silice est autoporteuse et constituée de fibres de silice qui mesurent environ 2 μm de diamètre et dont plus de la moitié mesure plus de 10 cm de longueur. Cette laine a été fabriquée par la société QUARTZ et SILICE. L'épaisseur du pli d'isolant fibreux est de 40 mm et celle du pli de laine de silice est de 10 mm. L'exemple, Ex7, résiste plus de 4 min et le flux de chaleur reste inférieur à 0,2 W/cm2.
• L'exemple comparatif, Ex8, est constitué d'un pli d'isolant fibreux et d'un papier de fibres céramiques de marque CARBORANDUM, dont la masse surfacique est de 230 g/ m2. Le matériau résiste plus de 4 min et le flux de chaleur ne dépasse pas 0,5 W/cm2.
Cependant, on constate que le papier de fibres céramique est cassé par endroits et que des vibrations conduiraient à sa désagrégation. Les exemples selon l'invention comprennent de 10 à 15% en poids res de silice, pour ceux comprenant un pli à fonction anti-feu en feutre de silice (Ex3 à Ex6) et environ 20% en poids de fibres de silice pour celui comprenant un pli à fonction anti-feu en laine de silice (Ex7).
Le tableau 1 reporte les compositions et caractéristiques principales des exemples testés, ainsi que les résultats de temps de perçage à la flamme et le flux de chaleur maximal mesuré pour chaque exemple.
On constate que le matériau (Exl) constitué uniquement de fibres de verre résiste très peu de temps au test de perçage par la flamme.
Un matériau constitué d'un pli à fonction anti-feu en voile de fibres minérales résistantes au feu (Ex2) ne résiste pas suffisamment longtemps au test de perçage, alors que tous les matériaux testés (Ex3 à Ex7) comprenant un pli à fonction anti-feu constitué d'une laine ou d'un feutre de fibres minérales résistantes au feu résistent plus de 4 minutes au test de perçage par la flamme.
Afin de limiter le flux de chaleur maximal, on préfère orienter le matériau multiplis de manière à ce qu'au moins une couche du pli à fonction anti-feu soit plus proche de la flamme qu'au moins une couche du pli d'isolant fibreux (cas des essais avec Ex2 à Ex4 et Ex6 et Ex7, à la différence de Ex5).
Le matériau constitué d'un pli à fonction anti-feu en papier de fibres céramiques (Ex8) conduit à un bon résultat de temps de perçage mais également présente un surpoids important (masse surfacique totale de plus de 700 g/ m2) et à une dégradation rédhibitoire du pli à fonction anti-feu après essais.
On note que les autres solutions connues utilisant d'autres fibres céramiques que celles de Ex8 et densifiées par voie papetière conduisent à des masses surfaciques au moins égales à 200 g/ m2 et généralement plus de 500 g/m2.
Les solutions proposées par l'invention sont particulièrement avantageuses à la fois du point de vue des propriétés thermiques et par le fait qu'il est possible d'obtenir des matériaux anti-feu pour isolation thermique de faible masse surfacique et/ ou volumique tout en obtenant une résistance au perçage par la flamme élevée et un faible transfert du flux de chaleur.
On peut illustrer ces propriétés en considérant le ratio R/mv pour les différents plis des différents exemples testés où R est la résistance thermique et mv la masse volumique. Pour ce calcul, on rapporte l'épaisseur des différents plis à une épaisseur nominale de 25 mm.
Le tableau 2 récapitule les données et résultats correspondant aux différents plis.
L'utilisateur peut choisir avantageusement des matériaux où le pli anti-feu joue un rôle d'isolant thermique et coopère avec le pli d'isolant fibreux. Le rôle d'isolant thermique d'un pli est d'autant plus élevé, pour une épaisseur comparable, que le ratio R/mv est élevé. On constate que les exemples selon l'invention (Ex3 à Ex7) permettent d'obtenir des ratio R/mv du pli anti-feu, d'épaisseur nominale de 25 mm, supérieurs à 10'5, qui est avantageusement supérieur à celui obtenu pour les exemples correspondant à des solutions alternatives (Ex2 et Ex8).
En outre, la quantité de fibres minérales résistantes au feu nécessaire pour obtenir une bonne tenue à la flamme est notablement inférieure dans le cas des matériaux selon l'invention comparés aux solutions alternatives : on obtient des temps de perçage et des flux de chaleur maxima du même ordre avec 4 à 6 mm de feutre de fibres de silice (Ex3 et Ex6) soit 10 à 15% du poids du matériau multiplis, ou bien avec 10 mm de laine de fibres de silice (Ex7) soit 20% du poids du matériau multiplis, qu'avec 1 mm de papier de fibres céramiques qui contribue pour environ un tiers du poids du matériau multiplis (Ex8).
Un effet surprenant a été constaté au cours des essais avec les exemples de matériau multiplis selon l'invention. On peut constater que ce matériau soumis à une flamme a un comportement très avantageux car son épaisseur peut augmenter quand sa température s'élève : on peut faire l'hypothèse que dans le cas d'un feutre, en un premier temps le liant du pli à fonction anti-feu se consume ou s'évapore et qu'ensuite les fibres du feutre se réorganisent. Elles reprennent une structure proche de celle de la laine de fibres minérales à partir de laquelle le feutre a été obtenu.
Cette reprise d'épaisseur peut atteindre un facteur de l'ordre de 10. Une reprise d'épaisseur du même ordre peut être observée quand le pli à fonction anti-feu est constitué d'une laine de fibre de silice comprimée. Cet effet est particulièrement intéressant pour les applications d'isolation de fuselage, car une fois la paroi d'aluminium percée et quand la température du matériau isolant multiplis augmente, celui-ci est capable de s'épaissir et de prendre du volume, conférant au matériau un effet retardateur supplémentaire de la propagation de la flamme et permet également de retarder la propagation du flux de chaleur vers l'intérieur de la cabine.
L'invention ne se limite pas à ces types particuliers de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative et englobant tout type de matériau multiplis pour isolation thermique et acoustique, comportant au moins un pli d'isolant fibreux et au moins un pli à fonction anti-feu, composé d'un feutre de fibres minérales résistantes au feu, où ces deux plis coopèrent pour conférer le pouvoir d'isolant thermique du matériau multiplis.
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Tableau 1
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Tableau 2 : propriétés thermiques des plis, rapportés à l'épaisseur nominale de 25 mm

Claims

REVENDICATIONS
1. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) pour isolation thermique et acoustique comportant au moins un pli d'isolant fibreux (3) et au moins un pli à fonction anti-feu (2) caractérisé en ce que un (ou des) pli(s) à fonction anti-feu (2) est (sont) obtenu(s) à partir de fibres minérales résistantes au feu disposées de manière à constituer une laine de fibres minérales et en ce que ce (ou ces) pli(s) à fonction anti-feu (2) coopère(nt) avec le (ou les) pli(s) d'isolants fibreux (3) pour conférer le pouvoir d'isolant thermique du matériau multiplis (1).
2. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la laine de fibres minérales que comprend au moins un pli à fonction anti-feu est constituée de fibres longues discontinues, notamment dont plus de la moitié des fibres mesure plus de 10 cm de longueur, et qui s'enchevêtrent de manière à former une laine autoporteuse.
3. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que au moins un pli à fonction anti-feu (2) est une laine de fibres de silice amorphe.
4. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que au moins un pli à fonction anti-feu (2) est un feutre de fibres de silice amorphe préparé à partir d'une laine de fibres de silice amorphe.
5. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que les fibres de silice qui constituent la laine ou le feutre de silice ont un diamètre inférieur à 10 μm et en ce que la laine ou le feutre obtenu à partir de ces fibres a une masse volumique inférieure à 80 kg/ m3, de préférence inférieure à 50 kg/ m3 et une conductivité thermique λ, mesurée à 24°C, inférieure à 60 mW/m.K.
6. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu' au moins un pli d'isolant fibreux (3) avec lequel coopère au moins un pli à fonction anti-feu (2), est constitué de fibres de verre de diamètre moyen inférieur à 2 μm, de préférence inférieur à 1 μm, et en ce que le pli d'isolant fibreux (3) obtenu avec ces fibres a une masse volumique inférieure à 20 kg/ m3, de préférence inférieure à 10 kg/ m3 et une conductivité thermique, λ, mesurée à 24°C, inférieure à 50 mW/m.K, notamment inférieure à 40 mW/m.K.
7. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres qui constituent au moins un pli d'isolant fibreux (3), sont des fibres de verre dont la composition comprend au moins 4 % d'oxyde de bore (B2O3) en masse.
8. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ratio R/m est supérieur à 10 6 pour chacun des plis (chaque pli étant rapporté à une épaisseur de 25 mm) qui constituent le matériau multiplis à fonction anti- feu et de préférence supérieur à 5.10 5 pour au moins le pli d'isolant fibreux (3) et/ ou de préférence supérieur à 10 5 pour au moins un pli à fonction anti-feu (2), où R est la résistance thermique du pli considéré (exprimée en m .K/mW, avec λ mesuré à 24°C) pour une épaisseur de 25 mm et mv la masse volumique (exprimée en kg/ m3) du matériau qui constitue le pli considéré.
9. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ensemble des plis à fonction anti-feu (2) représente entre 5 et 30 % de la masse du matériau multiplis à fonction anti-feu (1).
10. Matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins un pli à fonction anti-feu (2) est obtenu à partir d'une laine de fibres minérales comprimée et/ ou imprégnée par un liant et en ce que ce pli présente une reprise d'épaisseur d'un facteur au moins égal à 5, de préférence supérieur ou égal à 10 après relâchement de la compression et/ ou consumation et/ ou évaporation du liant.
11. Elément d'isolation (5) constitué au moins partiellement par le matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon l'une quelque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément d'isolation (5) comprend une enveloppe (4) en polymère dans laquelle se trouve le matériau multiplis à fonction anti-feu (1).
12. Application à l'isolation thermique et acoustique de fuselage d'avion des éléments d'isolation (5) selon la revendication 1 1 et/ ou du matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, notamment à l'aide d'éléments d'isolation découpés et scellés par l'enveloppe de polymère, adaptés à l'emplacement du fuselage auquel ils sont destinés et orientés de manière à ce qu'au moins un pli à fonction anti-feu (2) soit disposé plus près du fuselage qu'au moins un pli d'isolant fibreux (3).
13. Procédé de fabrication du matériau multiplis à fonction anti-feu ( 1) dont les caractéristiques apparaissent dans l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- disposer au moins un pli d'isolant fibreux (3) et des fibres minérales résistantes au feu de manière à permettre leur assemblage ;
- former au moins un pli à fonction anti-feu (2) à partir de fibres minérales résistantes au feu, disposées de manière à constituer une laine de fibres minérales ;
- assembler au moins un pli à fonction anti-feu (2) avec au moins un pli d'isolant fibreux (3) de manière à ce que au moins une partie des fibres d'au moins un pli d'isolant fibreux (3) s'enchevêtre avec des fibres d'au moins un pli à fonction anti-feu (2) dans au moins une partie de l'interface
(6) de ces plis.
14. Procédé de fabrication du matériau multiplis à fonction anti-feu
(1) selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'on réalise la coimprégnation d'un pli d'isolant fibreux (2) et d'un pli à fonction anti-feu (2) au moyen d'un liant, de sorte qu'un pli à fonction anti-feu (2) est obtenu sous forme d'un feutre de laine minérale.
15. Procédé de fabrication du matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon la revendication 13 caractérisé en ce que l'étape de formation du pli à fonction anti-feu (2) est simultanée avec l'étape d'assemblage, au moins un pli à fonction anti-feu (2) étant obtenu par flocage de fibres résistantes au feu sur au moins un autre pli.
16. Dispositif pour la fabrication du matériau multiplis à fonction anti-feu (1) selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il comprend : - un ou plusieurs moyen(s) de distribution (301) qui délivrent au moins une nappe (302) de matériaux fibreux destinée à constituer au moins un pli d'isolant fibreux (3) et au moins une nappe (303) de fibres minérales résistantes au feu, disposées de manière à constituer une laine de fibres minérales et destinées à constituer au moins un pli à fonction anti-feu ;
- une cuve (305) contenant un liquide constitué d'un liant et possiblement d'un solvant ;
- des moyens de guidage (304, 307) d'au moins une nappe à travers la cuve ;
- des moyens de compression (306) des nappes l'une sur l'autre, situés en aval de l'entrée dans la cuve ;
- des moyens (308) qui sont aptes à évaporer partiellement ou totalement le solvant et/ ou à polymériser partiellement ou en totalité le liant retenu par les nappes coimprégnées.
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