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WO 01/64064 CA 02372970 2001-11-O1 pCT~R01/00633
BARRIERE ISOLANTE THERMIQUE ANTIFEU, PROCEDE DE FABRICATION
D'UNE TELLE BARRIERE, VETEMENT COMPRENANT AU MOINS UNE TELLE
BARRIERE EN TANT QU'ISOLANT INTERNE.
s 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.
1o 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°C.
L'invention concerne notamment, mais non exclusivement, les doublures
thermiquement isolantes de vêtement de sécurité anti-feu.
1s 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,
Zo 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 bonnes propriétés de barrière
Zs 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 entrainer une baisse de
vigilance.
3o La présence de la doublure ne doit pas, dans l'idéal, se traduire par un
poids ou un volume excessif du vêtement.
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WO 01/64064 CA 02372970 2001-11-O1 pCT/FRO1/00633
La présence de la doublure ne doit pas davantage, dans l'idéal, entraver
les mouvements de la personne ou l'évaporation de sa transpiration.
Le problème de l'évacuation de la transpiration est d'autant plus aigu
que certaines activités professionnelles, telles celles des pompiers lors
s d'incendies, doivent être menées dans des zones géographiques où 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
io 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
1s 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.
2o 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
Zs 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.
so La densité de flux de convection naturelle est en général limitée dans les
matériaux fibreux thermiquement isolants.
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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.
s 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
1o matériau de doublure.
Une porosité maximum pour le matériau fibreux et poreux de la
doublure peut être recherchée. En effet, l'air séparant les fibres est un
milieu
parfaitement transparent au rayonnement, de sorte que seules les fibres sont
impliquées dans la diffusion, l'absorption et la ré-émission du rayonnement
Is 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.
2o 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
Zs 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
3o 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,
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notamment sous les climats chauds ou désertiques, une sensation d'inconfort,
l'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
s que les vêtements de sécurité anti-feu sont épais et parfois lourds.
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/nvz ;
1o - 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 ;
1s - 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
Zo 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
3o thermique, celle-ci conservant cependant de bonnes propriétés de protection
au feu et aux flashs thermiques.
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WO 01/64064 CA 02372970 2001-11-O1 pCT/FRO1/00633
A cette fin, l'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.
La taille, la forme et la densité des trous sont telles que la chaleur
naturelle du corps humain peut être plus facilement évacuée, l'effet de
barrière
thermique pour les sources de chaleur externes étant cependant maintenu.
1o Selon diverses réalisations, cette feuille est élaborée à partir d'un
matériau
polymère choisi parmi le groupe comprenant : les polyamides imides, les
polyimides tels que P.84 (P.1.), 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),
la 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.), les mélamines (par exemple Basofil ~), les
phénoliques
Zo (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
2~ 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
3o de viscose « non feu », les fibres de carbone, les fibres de carbone
péroxydé, les
fibres modacryliques.
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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
s 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.
Dans certaines réalisations, ce vêtement présente en outre, de sa face
1o externe vers sa face interne : un tissu à base aramide, une membrane micro
poreuse imper-respirante, ladite barrière thermique thermostable et anti-feu,
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
m 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
en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 est une vue de face d'une partie de barrière thermique
Zo thermostable et anti-feu 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
3o 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.
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Le tableau ci dessous présente quelques propriétés du non tissé -non
perforé- réalisé à partir d'un feutre d'Isomex ~ 5119WSM913, ce feutre
comprenant un mélange de fibres méta-aramides et para-aramides, de denier
1,4/1,7/2,2/6,1 dtex et de longueur comprise entre 38 et 140mm.
Caractristiques Normes d'essaiValeurs Tolrance
s
Masse surfacique ISO-9073-1 155 g/m2+-8
Epaisseur sous charge de ISO 9073-2 2.5 mm +-0.50
0.5kPa
Rsistance la rupture en ISO 9073-3
traction
Sens largeur 290 N >200
Sens longueur 290 N >200
Allongement la rupture en ISO 9073-3
traction 80 % <100
Sens largeur 55% <80
Senslongueur
D'autres fibres synthétiques thermostables peuvent être employées, telles
que
- fibres de mélamine, par exemple Basofil 0 ;
1o - fibres polyamides aromatiques, par exemple P84 0 de la société
l_enzing ;
- fibres phénoliques, par exemple Kynol ~ de la société Nippon Kynol ou
Philene ~ de la société Saint Gobain ;
- fibres pan préox, par exemple Panox~ de la société RK Carbon Ltd, ou
is Sigrafil ~ de la société Sigri ;
- fibres polyacrylate, par exemple Inidex ~ de la société Courtaulds ;
-fibres de polybenzimidazole, par exemple PBI ~ de la société Hoechst
Celanese.
Pour la plupart des utilisations, une masse surfacique du feutre non tissé
2o comprise entre 100 et 200g/m~ est convenable.
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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
s 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.
Les termes longitudinaux et transversaux sont employés afin de
io 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
1s 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
Zo disposés les trous de petit 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
Zs 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
3o de leur réseau.
La densité de trous est de l'ordre de deux à trois trous par centimètre
carré.
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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.
Ainsi, lorsque la barrière thermique 1 est mise en place comme isolant de
io 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
is 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 comportement de la barrière
2o 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
Zs millimètres.
On se rapporte maintenant à la figure 2.
Sur la figure 2 est représentée schématiquement en coupe transversale
une structure de vêtement de protection, comprenant au moins une barrière
thermique 1 en tant qu'isolant interne.
3o Sur cette figure 2, afin de clarté, les différentes couches du vêtement
sont écartées les unes des autres.
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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
s - 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,
1o pourvus d'une doublure conventionnelle varie en général entre 22 et 30
bar.mz/W.
De telles valeurs sont obtenues par exemple lorsqu'un non tissé aiguilleté
de fibres Isomex ~ de 100g/mz est employé.
L'emploi de fibres type Nomex ~ permet d'abaisser cette valeur de
Is résistance évaporative à moins de 22 bar.mz/W.
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.
2o Cette propriété est notamment importante pour certaines interventions
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
phosphorescentes etlou fluorescentes.
2s 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 employés pour la réalisation d'une barrière thermique non tissée
1.
3o Pour des températures d'exposition élevées, peuvent être employées des
fibres de type
- polyamides imides, polyimides (P.1.) ;
WO 01/64064 CA 02372970 2001-11-O1 PCT/FRO1/00633
- aramides tels que Kermel ~, Teijin Conex O, Kevlar ~, Twaron 0,
Tecnora ~ ;
- para aramides, méta aramides ;
- polyacrylate tel qu'Inidex ~ ;
s - copolyimide aromatique ;
- polyacrylonitrile ;
- polyester-éther-cétone ;
- polybenzimidazole, par exemple fibres PBI ~ de la société Celanise
Corp. ;
1o - polytétrafluoréthylène (P.T.F.E.)
- modacryliques,
- polyphénylsulfone,
- polysulfure de phénylène (P.P.S).
Des mélanges de fibres du type ci-dessus peuvent également être
1~ 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
Zo polyaramides, peuvent être mélangées à des fibres de verre, de carbone ou
de
silice.
Lorsque des températures d'exposition plus faibles sont prévues, peuvent
être employées des fibres de type
- polytrifluorochloréthylène (P.T.F.C.E.) ;
- copolymère tétrafluoréthène-perfluoroprène (F.E.P.) ;
- polysulfone (P.S.O) ;
- polyéthersulfone (P.E.S.).
Lorsqu'une résistance mécanique et une résistance au lavage sont
souhaitées plus particulièrement pour le feutre non tissé aiguilleté perforé,
3o celui-ci peut être cousu, à l'aide de lignes de coutures non rectilignes
mais par
exemple sinueuses, sur une membrane anti-feu.
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