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Graphen als Flammschutzmittel in Thermoplast-Kompositen

  • Seit der erstmaligen erfolgreichen Isolierung von Graphen gilt das zweidimensionale Kohlenstoff Nanomaterial mit der Dicke eines Atoms als vielversprechender Füllstoff für multifunktionale Polymerwerkstoffe. Die Multifunktionalität beinhaltet auch die erwartete Flammschutzwirkung von Graphen Nanopartikeln. In der vorliegenden Arbeit wurde Graphen hinsichtlich seiner Flammschutzwirkung und seines Einflusses auf Werkstoffeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit in Polymer Nanokompositen charakterisiert. Durch den Vergleich mit anderen, kommerziell erhältlichen, Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlicher Morphologie (sphärisch, Röhren, dicke Plättchen aus 50 bis 100 Graphen Lagen und dünne Schichten aus 10 Graphen Lagen) wurde die Effektivität von Graphen eingeordnet und Rückschlüsse über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen Partikelmorphologie und Nanokomposit Merkmalen gezogen. Graphen wurde mit halogenfreien Flammschutzmitteln, die Vertreter der unterschiedlichenSeit der erstmaligen erfolgreichen Isolierung von Graphen gilt das zweidimensionale Kohlenstoff Nanomaterial mit der Dicke eines Atoms als vielversprechender Füllstoff für multifunktionale Polymerwerkstoffe. Die Multifunktionalität beinhaltet auch die erwartete Flammschutzwirkung von Graphen Nanopartikeln. In der vorliegenden Arbeit wurde Graphen hinsichtlich seiner Flammschutzwirkung und seines Einflusses auf Werkstoffeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit in Polymer Nanokompositen charakterisiert. Durch den Vergleich mit anderen, kommerziell erhältlichen, Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlicher Morphologie (sphärisch, Röhren, dicke Plättchen aus 50 bis 100 Graphen Lagen und dünne Schichten aus 10 Graphen Lagen) wurde die Effektivität von Graphen eingeordnet und Rückschlüsse über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen Partikelmorphologie und Nanokomposit Merkmalen gezogen. Graphen wurde mit halogenfreien Flammschutzmitteln, die Vertreter der unterschiedlichen Flammschutzmechanismen (chemische und physikalische Wirkungsweise, Gas- und Festphasenaktivität) sind, kombiniert. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von Graphen als Hilfsstoff zur Verbesserung der Flammschutzwirkung der verwendeten halogenfreien Systeme untersucht. Die Untersuchungen umfassten den thermischen Abbau, die Entflammbarkeit und das Verhalten während einer erzwungenen Verbrennung, aber auch Schlüsselexperimente. Die Schlüsselexperimente führten zum tieferen Verständnis der beobachteten Brandeigenschaften durch die Aufklärung von Wirkmechanismen und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Die teilweise selbstkonzipierten und –entwickelten Schlüsselexperimente umfassten das rheologische Verhalten, die Partikelverteilung, die Wärmeabsorption und –leitfähigkeit, die strukturelle Qualität des Brandrückstandes und den Temperaturverlauf innerhalb und an der Rückseite einer brennenden Probe. Der dünne Schichtpartikel Graphen war besser in der Polymermatrix dispergiert als die zu vergleichenden Kohlenstoffmaterialien. Graphen bildete bei vergleichsweise niedrigeren Konzentrationen ein zusammenhängendes Partikelnetzwerk aus, das für die elektrische Leitfähigkeit der Komposite verantwortlich ist und die Viskosität der Polymerschmelze erhöhte. Durch das Zusammenwirken von erhöhter Schmelzviskosität und dem Labyrinth Effekt des Partikelnetzwerkes verschob Graphen den Beginn des Polymerabbaus am deutlichsten zu höheren Temperaturen. In den Entflammbarkeitstests Sauerstoffindex und UL 94 führte die erhöhte Schmelzviskosität aufgrund fehlenden Abfließens und Abtropfens zur vermehrten Bereitstellung von Brennstoff und abhängig vom Matrixpolymer teilweise zu einer Verschlechterung der Einstufung. Die ausschließlich festphasenaktive Flammschutzwirkung von Graphen beruhte auf der Bildung einer Rückstandschicht, die aus den jeweiligen Kohlenstoffpartikeln bestand und als Hitzeschild wirkte. Im Vergleich zu den anderen Kohlenstoffmaterialien hatte die Rückstandsstruktur der Graphen Komposite eindeutig die höchste Qualität und reduzierte die (maximale) Wärmeabgaberate am stärksten. In Kombination mit den halogenfreien Flammschutzsystemen bestimmte das Wirkprinzip der einzelnen Systeme die Verwendbarkeit von Graphen als Hilfsmittel. Ein kommerzielles, intumeszentes Flammschutzmittelsystem reagierte sehr empfindlich auf die durch Graphen erhöhte Viskosität der kondensierten Phase und tolerierte nur sehr geringe Graphenmengen ohne Verschlechterung der Intumeszenz. In einem gasphasenaktiven Flammschutzmittel fügte Graphen durch Rückstandsbildung einen Festphasenmechanismus hinzu und senkte die Brandausbreitung und somit das Brandrisiko noch einmal deutlich. Graphen und ein rückstandsbildendes Metallhydroxid verstärkten sich synergistisch hinsichtlich der Rückstandsqualität und der Entflammbarkeitstests. Mit den erhaltenen Ergebnissen ist eine umfassende Charakterisierung der Struktur-Eigenschafts- Beziehungen zwischen Partikelmorphologie und Kompositeigenschaften und die Einordnung von Graphen in die Reihe der Kohlenstoff-Nanopartikel möglich. Die aufgeklärten Wirkprinzipien von Graphen in Nanokompositen, wie auch in Kombination mit unterschiedlichen Flammschutzsystemen, bilden die Grundlage für eine weitere Optimierung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Nanomaterials Graphen als Flammschutzmittel.zeige mehrzeige weniger
  • Since the first successful isolation of graphene, the two dimensional, one atom thick carbon nanomaterial is considered as promising filler for multifunctional plastic materials. This includes an expected flame retardancy effect in graphene nanocomposites caused by the nanoparticle. In this study, the flame retardancy effect of graphene was characterized as well as its influence on polymer nanocomposite properties like electrical conductivity. By comparing with other carbon nanomaterials of varying morphology (spherical, tubular, platelets of 50 to 100 single graphene layers and layers of ten single graphene layers), the efficiency of graphene was ranked and the structure-property-relationship between particle morphology and material property was revealed. Graphene was investigated as adjuvant for three halogen-free flame retardants representing different flame retardancy mechanisms (chemical and physical action, gas and condensed phase activity). The materials were investigatedSince the first successful isolation of graphene, the two dimensional, one atom thick carbon nanomaterial is considered as promising filler for multifunctional plastic materials. This includes an expected flame retardancy effect in graphene nanocomposites caused by the nanoparticle. In this study, the flame retardancy effect of graphene was characterized as well as its influence on polymer nanocomposite properties like electrical conductivity. By comparing with other carbon nanomaterials of varying morphology (spherical, tubular, platelets of 50 to 100 single graphene layers and layers of ten single graphene layers), the efficiency of graphene was ranked and the structure-property-relationship between particle morphology and material property was revealed. Graphene was investigated as adjuvant for three halogen-free flame retardants representing different flame retardancy mechanisms (chemical and physical action, gas and condensed phase activity). The materials were investigated according to its pyrolysis behavior, reaction to small flame and burning behavior under forced flaming conditions. Additionally, partly self designed key experiments were performed like the investigation of the rheological behavior, particle dispersion, heat absorption, thermal conductivity, structural quality of residue and temperature development inside and on the backside of a burning sample. Due to the key experiments, a deeper understanding of the nanoparticles’ modes of action was obtained and the structure-property-relationships were explained. The thinly layered graphene particles showed the best particle dispersion within the group of carbon materials. An interconnected particle network of graphene was established throughout the polymer matrix at comparatively low concentrations. By overcoming the percolation threshold, electrical conductivity occurred for the nanocomposites. The particle network caused an increase in melt viscosity that hindered the diffusion of the pyrolysis gases and delayed the release. The shift of mass loss onset to higher temperatures was intensified by the labyrinth effect of the nanoparticle network. The increased viscosity provided the flame zones of oxygen index and UL 94 test with additional fuel as flowing and dripping off of the polymer melt stopped and the material was kept in the pyrolysis zone. The flame retardancy mechanism of graphene took place exclusively in the condensed phase by the formation of a residual protection layer consisting of the nanoparticles and heat shielding. Compared to the other carbon materials, the highest quality of residue structure was observed in case of the graphene nanocomposites. Consequently, graphene was the most effective flame retardant in changing the burning behavior and reducing the (peak) heat release rate the increase of condensed phase viscosity due to graphene. Only very low amounts of graphene were tolerated without inhibiting the intumescence. In an exclusively gas phase active flame retardancy system, graphene was able to add condensed phase activity by residue formation and so to reduce flame spread and fire risk. By strongly enhancing the residual structure, synergistic effects occurred between graphene and a residue forming metal hydroxide in terms of reaction to small flame. The obtained results allow characterizing the structure-property-relationship between particle morphology and composite properties comprehensively. By comparing with commercially used carbon materials, graphene was ranked according to its flame retardant and filler efficiency. Understanding of the nanoparticles’ modes of action - in nanocomposites as well as in combination with different flame retardants – gives an hint how to further optimize the use of the two dimensional carbon nanomaterial graphene as polymer filler.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Bettina Dittrich
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (118)
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2014
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Freie Universität Berlin, Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie
Gutachter*innen:Bernhard SchartelORCiD, Rainer Haag
Datum der Abschlussprüfung:30.04.2014
Verlag:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:118
Erste Seite:1
Letzte Seite:137
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Freie Schlagwörter:Flammschutz; Graphen; Kohlenstoffpartikel; Nanokomposite; halogenfrei
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-406
ISSN:1613-4249
ISBN:978-3-9816380-6-6
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoAllgemeines Deutsches Urheberrecht
Datum der Freischaltung:23.01.2015
Referierte Publikation:Nein
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