Fumée
La composition de la fumée dépend de la nature du combustible en feu et des conditions de combustion. Les feux à haute disponibilité d’oxygène brûlent à une température élevée et avec une petite quantité de fumée produite; les particules sont principalement composées de cendres, ou avec de grandes différences de température, d’aérosol condensé d’eau. La température élevée conduit également à la production d’oxydes d’azote. La teneur en soufre donne du dioxyde de soufre ou, en cas de combustion incomplète, du sulfure d’hydrogène. Le carbone et l’hydrogène sont presque complètement oxydés en dioxyde de carbone et en eau. Les incendies qui brûlent avec un manque d’oxygène produisent une palette beaucoup plus large de composés, dont beaucoup sont toxiques. L’oxydation partielle du carbone produit du monoxyde de carbone, tandis que les matériaux contenant de l’azote peuvent produire du cyanure d’hydrogène, de l’ammoniac et des oxydes d’azote. L’hydrogène gazeux peut être produit à la place de l’eau. Les teneurs en halogènes tels que le chlore (par exemple dans le chlorure de polyvinyle ou les retardateurs de flamme bromés) peuvent entraîner la production de chlorure d’hydrogène, de phosgène, de dioxine et de chlorométhane, de bromométhane et d’autres halogénocarbures. Le fluorure d’hydrogène peut être formé à partir de fluorocarbures, qu’il s’agisse de fluoropolymères soumis au feu ou d’agents anti-incendie aux halocarbures. Les oxydes de phosphore et d’antimoine et leurs produits de réaction peuvent être formés à partir de certains additifs ignifuges, ce qui augmente la toxicité et la corrosivité des fumées. La pyrolyse des biphényles polychlorés (PCB), par exemple à partir de la combustion d’huile de transformateur plus ancienne, et dans une moindre mesure également d’autres matériaux contenant du chlore, peut produire de la 2,3,7,8-tétrachlorodibenzodioxine, un cancérogène puissant, et d’autres dibenzodioxines polychlorées. Pyrolyse de polymères fluorés, p.ex. le téflon, en présence d’oxygène, donne du fluorure de carbonyle (qui s’hydrolyse facilement en HF et en CO2); d’autres composés peuvent également se former, par exemple le tétrafluorure de carbone, l’hexafluoropropylène et le perfluoroisobutène hautement toxique (PFIB).
La pyrolyse de la matière brûlante, en particulier la combustion incomplète ou la combustion lente sans apport suffisant en oxygène, entraîne également la production d’une grande quantité d’hydrocarbures, à la fois aliphatiques (méthane, éthane, éthylène, acétylène) et aromatiques (benzène et ses dérivés, hydrocarbures aromatiques polycycliques; par exemple le benzopyrène, étudié comme cancérogène, ou rétene), terpènes. Il en résulte également l’émission d’une gamme de composés organiques volatils oxygénés plus petits (méthanol, acide acétique, hydroxyacétone, acétate de méthyle et formiate d’éthyle) qui se forment sous forme de produits de combustion ainsi que d’espèces organiques oxygénées moins volatiles telles que les phénoliques, les furanes et les furanones. Des composés hétérocycliques peuvent également être présents. Les hydrocarbures plus lourds peuvent se condenser sous forme de goudron; la fumée ayant une teneur importante en goudron est jaune à brune. La combustion de combustibles solides peut entraîner l’émission de plusieurs centaines à des milliers de composés organiques à faible volatilité dans la phase aérosol. La présence de tels dépôts de fumée, de suie et / ou d’huile brune lors d’un incendie indique une situation dangereuse possible, car l’atmosphère peut être saturée de produits de pyrolyse combustibles dont la concentration est supérieure à la limite supérieure d’inflammabilité, et un irruption soudaine d’air peut provoquer un éclair ou un retour de courant.
La présence de soufre peut entraîner la formation, par exemple, de sulfure d’hydrogène, de sulfure de carbonyle, de dioxyde de soufre, de disulfure de carbone et de thiols; les thiols en particulier ont tendance à s’adsorber sur les surfaces et à produire une odeur persistante même longtemps après l’incendie. L’oxydation partielle des hydrocarbures libérés donne une large palette d’autres composés: aldéhydes (par exemple formaldéhyde, acroléine et furfural), cétones, alcools (souvent aromatiques, par exemple phénol, gaïacol, syringol, catéchol et crésols), acides carboxyliques (acide formique, acide acétique, etc.).
Les particules visibles dans ces fumées sont le plus souvent composées de carbone (suie). D’autres particules peuvent être composées de gouttes de goudron condensé ou de particules solides de cendres. La présence de métaux dans le combustible donne des particules d’oxydes métalliques. Des particules de sels inorganiques peuvent également se former, p.ex. sulfate d’ammonium, nitrate d’ammonium ou chlorure de sodium. Les sels inorganiques présents à la surface des particules de suie peuvent les rendre hydrophiles. De nombreux composés organiques, typiquement les hydrocarbures aromatiques, peuvent également être adsorbés à la surface des particules solides. Des oxydes métalliques peuvent être présents lors de la combustion de combustibles contenant des métaux, par exemple des combustibles solides pour fusées contenant de l’aluminium. Les projectiles d’uranium appauvri après avoir touché la cible s’enflamment, produisant des particules d’oxydes d’uranium. Des particules magnétiques, des sphérules d’oxyde ferrique ferreux de type magnétite, sont présentes dans la fumée de charbon; leur augmentation des dépôts après 1860 marque le début de la Révolution industrielle. (Des nanoparticules d’oxyde de fer magnétique peuvent également être produites dans la fumée des météorites qui brûlent dans l’atmosphère.) La rémanence magnétique, enregistrée dans les particules d’oxyde de fer, indique la force du champ magnétique terrestre lorsqu’elles ont été refroidies au-delà de leur température de Curie; cela peut être utilisé pour distinguer les particules magnétiques d’origine terrestre et météorique. Les cendres volantes sont composées principalement de silice et d’oxyde de calcium. Les cénosphères sont présentes dans la fumée des combustibles hydrocarbonés liquides. Des particules métalliques minuscules produites par abrasion peuvent être présentes dans les fumées du moteur. Des particules de silice amorphe sont présentes dans les fumées des silicones brûlantes; une faible proportion de particules de nitrure de silicium peut se former dans les incendies avec un manque d’oxygène. Les particules de silice ont une taille d’environ 10 nm, agglomérées à des agrégats de 70 à 100 nm et agglomérées en chaînes. Des particules radioactives peuvent être présentes en raison de traces d’uranium, de thorium ou d’autres radionucléides dans le combustible; des particules chaudes peuvent être présentes en cas d’incendie lors d’accidents nucléaires (par exemple, catastrophe de Tchernobyl) ou de guerre nucléaire.
Les particules de fumée, comme les autres aérosols, sont classées en trois modes en fonction de la taille des particules:
- mode noyaux, avec un rayon moyen géométrique compris entre 2,5 et 20 nm, se formant probablement par condensation de fragments de carbone.
- mode d’accumulation, compris entre 75 et 250 nm et formé par coagulation de particules en mode noyaux
- mode grossier, avec des particules dans la gamme des micromètres
La majeure partie du matériau de fumée est principalement constituée de particules grossières. Ceux-ci subissent des précipitations sèches rapides, et les dommages causés par la fumée dans des zones plus éloignées à l’extérieur de la pièce où l’incendie se produit sont donc principalement causés par les particules plus petites.
L’aérosol de particules au-delà de la taille visible est un indicateur précoce des matériaux au stade de pré-allumage d’un incendie.
La combustion d’un combustible riche en hydrogène produit de l’eau; il en résulte une fumée contenant des gouttelettes de vapeur d’eau. En l’absence d’autres sources de couleur (oxydes d’azote, particules…), cette fumée est blanche et ressemble à un nuage.
Les émissions de fumée peuvent contenir des oligo-éléments caractéristiques. Le vanadium est présent dans les émissions des centrales électriques au mazout et des raffineries; les centrales pétrolières émettent également du nickel. La combustion du charbon produit des émissions contenant de l’aluminium, de l’arsenic, du chrome, du cobalt, du cuivre, du fer, du mercure, du sélénium et de l’uranium.
Des traces de vanadium dans les produits de combustion à haute température forment des gouttelettes de vanadates fondus. Ceux-ci attaquent les couches de passivation des métaux et provoquent une corrosion à haute température, ce qui est une préoccupation en particulier pour les moteurs à combustion interne. Le sulfate fondu et les particules de plomb ont également un tel effet.
Certains composants de la fumée sont caractéristiques de la source de combustion. Le gaïacol et ses dérivés sont des produits de la pyrolyse de la lignine et sont caractéristiques de la fumée de bois; d’autres marqueurs sont le syringol et ses dérivés, et d’autres méthoxy phénols. Le retène, produit de la pyrolyse des conifères, est un indicateur des incendies de forêt. Le lévoglucosane est un produit de pyrolyse de la cellulose. Les fumées de feuillus et de résineux diffèrent par le rapport gaïacols / syringols. Les marqueurs pour les gaz d’échappement des véhicules comprennent les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les hopanes, les stéranes et des nitroarènes spécifiques (par exemple, le 1-nitropyrène). Le rapport des hopanes et des stéranes au carbone élémentaire peut être utilisé pour distinguer les émissions des moteurs à essence des moteurs diesel.
De nombreux composés peuvent être associés aux particules ; que ce soit en étant adsorbés sur leurs surfaces, ou en étant dissous dans des gouttelettes liquides. Le chlorure d’hydrogène est bien absorbé dans les particules de suie.
Les particules inertes peuvent être perturbées et entraînées dans la fumée. Les particules d’amiante sont particulièrement préoccupantes.
Les particules chaudes déposées de retombées radioactives et de radio-isotopes bioaccumulés peuvent être réintroduites dans l’atmosphère par les feux de forêt et les feux de forêt; c’est une préoccupation, par exemple, dans la zone d’aliénation contenant des contaminants de la catastrophe de Tchernobyl.
Les polymères sont une source importante de fumée. Les groupes latéraux aromatiques, par exemple dans le polystyrène, améliorent la génération de fumée. Les groupes aromatiques intégrés dans le squelette polymère produisent moins de fumée, probablement en raison d’une carbonisation importante. Les polymères aliphatiques ont tendance à générer le moins de fumée et sont non autoextinguibles. Cependant, la présence d’additifs peut augmenter considérablement la formation de fumée. Les retardateurs de flamme à base de phosphore et d’halogène diminuent la production de fumée. Un degré plus élevé de réticulation entre les chaînes polymères a également un tel effet.
Particules de combustion visibles et invisibles
L’œil nu détecte des tailles de particules supérieures à 7 µm (micromètres). Les particules visibles émises par un incendie sont appelées fumée. Les particules invisibles sont généralement appelées gaz ou fumées. Ceci est mieux illustré lorsque vous faites griller du pain dans un grille-pain. À mesure que le pain se réchauffe, les produits de combustion augmentent en taille. Les fumées initialement produites sont invisibles mais deviennent visibles si le pain grillé est brûlé.
Un détecteur de fumée de type chambre d’ionisation est techniquement un produit de détecteur de combustion, pas un détecteur de fumée. Les détecteurs de fumée de type chambre d’ionisation détectent des particules de combustion invisibles à l’œil nu. Ceci explique pourquoi ils peuvent fréquemment donner une fausse alerte à cause des fumées émises par les éléments chauffants chauds au rouge d’un grille-pain, avant la présence de fumée visible, mais ils peuvent ne pas s’activer au stade précoce et à basse température d’un incendie.
La fumée d’un feu de maison typique contient des centaines de produits chimiques et de fumées différents. En conséquence, les dommages causés par la fumée peuvent souvent dépasser ceux causés par la chaleur réelle du feu. En plus des dommages physiques causés par la fumée d’un incendie – qui se manifeste sous la forme de taches – se trouve le problème souvent encore plus difficile à éliminer d’une odeur de fumée. Tout comme il existe des entrepreneurs spécialisés dans la reconstruction / réparation de maisons endommagées par le feu et la fumée, les entreprises de restauration de tissus se spécialisent dans la restauration de tissus endommagés par un incendie.
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