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To ensure fire safety, polymers are filled with flame retardants and smoke suppressants. To meet the highest requirements, it is essential to understand the decomposition of those polymeric materials. This study reveals interactions between polymer, smoke suppressants, and flame retardants, and discusses their impact on the materials’ flame retardancy, smoke emission, smoke toxicity, and particle emission in conventional loadings to provide deeper general understanding. Low melting oxide glass, melem, spherical silica, sepiolite, melamine polyphosphate, and boehmite in an aluminum diethylphosphinate flame-retarded polyamide 6.6 were investigated. All smoke suppressants improve the protective layer and act as an adjuvant. Silica and melem performed best under forced flaming conditions. Spherical silica reduces the peak of heat release rate by 39% and the total heat evolved by 14%, whereas 10 wt% melem lowers the total smoke production by 41%. Melem alters the mode of action of aluminum diethylphosphinate from gas to more condensed phase activity. This change reduces flame inhibition and hence smoke toxicity, but further improves the protective layer due to charring reactions in the decomposition mechanism. In addition, the sizes of the smoke particles decrease because of the prolonged time in the pyrolytic zone. This study highlights that interactions between polymer, flame retardants, and smoke suppressants can significantly determine the smoking and burning behavior.
Meta-analysis of heat release and smoke gas emission during thermal runaway of lithium-ion batteries
(2023)
Herein a meta-analysis of 76 experimental research papers from 2000 to 2021 is given about possible effects on the thermal runaway of lithium-ion battery cells. Data on the hazards of gas emissions and released heat are related to each other and differentiated by cell properties such as, cell geometry, cathode type or state of charge. Quantitative information on the total heat release in the range of 2.0–112.0 kJ Wh−1, the peak heat release rate in the range of 0.006–2.8 kW Wh−1and the smoke gas emission were extracted, normalized in terms of cell energy (Wh), combined in a data library and compared graphically. The total amount of gas emitted (3–48 mmol Wh−1) as well as the released amount of carbon monoxide (1–161 mg Wh−1) and hydrogen fluoride (2–197 mg Wh−1) were investigated as a function of the state of charge and cell geometry. The analysis reveals that the measured values are significantly influenced by the types of calorimeters and smoke gas analyzers used as well as by the type of thermal runaway trigger. This meta-analysis can serve as an important basis for any risk assessment of lithium-ion batteries.
As most of polymeric materials are inherently flammable, flame retardants (FR) are commonly used to reduce their fire risks. Nevertheless, these flame retardant materials are often detrimental to smoke parameters like specific optical density or smoke toxicity. The influence of several smoke suppressants (SP)-zinc stannate, zinc phosphate, titanium oxide and hydrotalcite-were investigated with respect to flame retardancy, smoke emission, particle emission and smoke toxicity in a diethyl aluminum phosphinate (AlPi) flame retardant polyamide 6.6 (PA6.6). It was shown that the interaction between SP, FR and polymer is crucial for smoke and fire properties and can change the mode of action of the FR as well the decomposition mechanism of the polymer. Small amounts of SP show less effect on forced flaming behavior and the optical density, but they can influence flammability and the particle size distribution of the soot particles. The flame retardancy was significantly enhanced by 5 wt.-% zinc stannate in PA6.6 under forced flaming conditions. The charring mechanism was improved, and the mode of action of AlPi switched from the gas to the condensed phase. This resulted of in a reduced PHRR and TSP and an increase in residue yield. The smoke toxicity and optical density were reduced in the smoke density chamber as well. The smoke particles shifted to smaller sizes as the time in the pyrolytic zone increased. The formation of a dense char is assumed to be the key factor to enhance smoke suppression and flame retardancy properties.
Um Stahlbauteile im Brandfall vor einer zu schnellen Erwärmung zu schützen, wird häufig auf reaktive Brandschutzsysteme (RBS) zurückgegriffen. Die Produkte eigenen sich besonders aufgrund der profilfolgenden Applikationsmöglichkeit und der vergleichsweise geringen Beschichtungsdicken. Bei einer Brandbeanspruchung schäumt das RBS auf und bildet eine thermische Schutzschicht um das Stahlprofil aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der temperaturbedingte Festigkeitsverlust verzögert, wodurch sich die Feuerwiderstandsdauer des Stahlbauteils verbessert. Aus Brandversuchen ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit von RBS auf Stahlprofilen mit gekrümmter Oberfläche meist schlechter ausfällt als bei vergleichbaren Bauteilen mit ebener Oberfläche. Zum Einfluss der Oberflächenkrümmung auf die thermische Schutzwirkung von RBS werden in dem folgenden Beitrag sowohl theoretische Hintergründe als auch die Ergebnisse aus Brandversuchen an kleinformatigen Probekörpern vorgestellt. Die systematischen Untersuchungen zeigen, dass mit zunehmender Oberflächenkrümmung die Leistungsfähigkeit des RBS tendenziell abnimmt. Bei der Beurteilung der thermischen Schutzwirkung eines RBS sollte die Oberflächenkrümmung eines Bauteils berücksichtigt werden. Die alleinige Fokussierung auf den Profilfaktor eines Stahlprofils ist im Allgemeinen nicht ausreichend. Die Untersuchungen bilden die Grundlage für die Entwicklung von Screening-Tests zur Beurteilung der Eignung von RBS für gekrümmte Oberflächen, wodurch eine Vorauswahl von Produkten für diesen Einsatzzweck ermöglicht wird.
Reaktive Brandschutzsysteme können die Feuerwiderstandsdauer von Stahlbauteilen signifikant erhöhen. Im Brandfall schäumt das reaktive Brandschutzsystem auf und bildet um das Stahlbauteil eine thermische Schutzschicht aus. Dadurch wird die Erwärmung des Stahls verlangsamt und der temperaturbedingte Festigkeitsverlust verzögert. Reaktive Brandschutzsysteme werden überwiegend in drei Bereichen angewendet: Hochbau, Offshore bzw. maritimer Sektor sowie Tank- bzw. Behälterbau. Insbesondere bei Stahltanks und -behältern sind häufig einfach oder auch doppelt gekrümmte Bauteiloberflächen anzutreffen. Aufgrund des meist begrenzten seitlichen Expansionsvermögens von reaktiven Brandschutzsystemen kann es bei Bauteilen mit konvexer Oberflächenkrümmung zu einer Intensivierung der Rissbildung im Schaum kommen, wodurch sich häufig die thermische Schutzwirkung verschlechtert. Da zum Thema des Einflusses der Oberflächenkrümmung auf die Leistungsfähigkeit reaktiver Brandschutzsysteme bisher kaum Untersuchungen vorliegen, wurden exemplarisch zwei Tankböden mit zwei verschiedenen Trockenschichtdicken eines reaktiven Brandschutzsystems einer Brandprüfung unterzogen. Bei gleicher Trockenschichtdicke des reaktiven Brandschutzsystems zeigten die Tankböden eine wesentlich schnellere Erwärmung als ebene Stahlplatten mit vergleichbarem Profilfaktor. Die Brandprüfungen und die Ergebnisse zum Einfluss der Oberflächenkrümmung werden im Beitrag ausführlich vorgestellt und diskutiert.
Nowadays there are intumescent coatings available for diverse applications. There is no established assessment of their protection performance besides the standard time-temperature curve, but natural fire scenarios often play an important role. A reliable straightforward performance-based assessment is presented. The effective thermal conductivity per thickness is calculated based on intermediate-scale fire tests. The optimum thermal insulation, the time to reach it, and the time until contingent failure of the coating are used for an assessment independent of the heating curve. The procedure was conducted on four different commercially intumescent coatings for steel construction, one solvent-based, one waterborne, one epoxy-based, and a bandage impregnated with a waterborne coating. The performance was studied under four different but similar shaped heating curves with different maximum temperatures (standard time-temperature curve, hydrocarbon curve and two self-designed curves with reduced temperature). The thermal protection performance is crucially affected by the residue morphology. Therefore, a comprehensive morphology analysis, including micro-computed tomography and scanning electron microscopy, was conducted on small-scale residues (7.5 x 7.5 cm2). Two different types of inner structures and the residue surface after different heat exposures were discussed in terms of their influence on thermal protection performance.
Der steigende Einsatz von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (Wood Plastic Composite, WPC) erfordert das Wissen um seine spezifischen Eigenschaften, insbesondere dem Brand risiko.
Dabei können Flammschutzmittel die Entflammbarkeit, Wärmeabgabe und die Brandausbreitung des Materials verringern.
Deshalb sind der gezielte und effiziente Einsatz und die Kenntnis über die Wirkungsweise der Flammschutzmittel im WPC für den Brandschutz von enormer Bedeutung. Dazu gehört auch die Rauchentwicklung im Brandfall. Rauch beeinflusst aufgrund seiner Toxizität und seiner Sichttrübung die Fluchtmöglichkeit der betroffenen Personen. In der Rauchkammer nach ISO 5659-2 wird die Rauchentwicklung von flachen Werkstoffproben ermittelt. Die Rauchgastoxizität bzw. die Rauchgaszusammensetzung wird mithilfe der FTIR (Fourier Transformierte Infrarot)-Spektroskopie ermittelt. Frei werdende Partikel schädigen die Atemorgane und beeinflussen damit auch die Fluchtfähigkeit von Personen im Brandfall. Aussagen zur Partikelemission können mithilfe eines an die Rauchkammer gekoppelten Partikelanalysators getroffen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene flammgeschützte WPC-Systeme hinsichtlich ihres Rauchverhaltens in der Rauchkammer untersucht. Die Ergebnisse zu emittierten toxischen Gasen, Partikeln und zur Rauchentwicklung werden vorgestellt und in Abhängigkeit von den eingesetzten Flammschutzmitteln im WPC diskutiert.
For the purpose of increasing payload and reduce freight cost, lightweight composite tank containers used for Transportation have been progressively developed during the last years. Compared to conventionally produced cylindrical steel tanks, the fiber-reinforced solutions allow greater flexibility in the tank design. Despite a number of further material-related benefits of fiber-reinforced composites as non-conductive and non-magnetic behavior as well as corrosion resistance and high strength, the optimization of their thermal degradation properties during combustion is still a challenge. To improve the fire performance of lightweight composite containers, special intumescent fire protection coatings can be applied onto the outside tank surface. This paper presents fire tests on glass-fiber-reinforced plastic transport tanks with complex geometries sheltered with different surface-applied fire protection systems. To evaluate the fire resistance of the tank structures, a fiber optic monitoring system was developed. This system is based on distributed temperature measurements using high-Resolution optical backscatter reflectometry and pointwise reference measurements using fiber Bragg gratings. Thereby, all the fiber optic sensors were directly integrated in the composite layer structure of the tanks. The focus of the presented work is on the demonstration of capability of fiber optic monitoring system in such high-temperature application. Moreover, the fiber optic measurements provide new insights into the efficiency of intumescent coating applied for fire protection of fiber-reinforced plastic transport tanks.
Purpose – The purpose of this paper is to investigate the performance of intumescent coating on tension rod systems and their components. Steel tension rod systems consist of tension rods, fork end connectors and associated intersection or gusset plates. In case of fire, beside the tension rods themselves, the connection parts require appropriate fire protection. Intumescent fire protection coatings prevent a rapid heating of the steel and help secure the structural load-carrying capacity. Because the connection components of tension rod systems feature surface curvature and a complex geometry, high demand is placed on the intumescence and thermal protection performance of the coatings.
Design/methodology/approach – In this paper, experimental studies were carried out for steel tension rod systems with intumescent coating. The examined aspects include the foaming and cracking behaviour, the influence of different dry film thicknesses, the heating rate of the steel connecting parts in comparison to the tension rods, and the mounting orientation of the tension rods together with their fork end connectors.
Findings – The results show that a decrease in surface curvature and/or an increase inmass concentration of the steel components leads to a lower heating rate of the steel. Moreover, the performance of the intumescent coating on tension rod systems is influenced by themounting orientation of the steel components.
Originality/value – The findings based on fire tests contribute to a better understanding of the intumescent coating performance on connection components of tension rod systems. This subject has not been extensively studied yet.
The thermal degradation behavior of poly(vinyl chloride) (PVC) and poly(N-vinylpyrrolidone) (PVP) blends was investigated using potentiometric measurements of the released HCl gas during the degradation process, estimating the degree of discoloration of the degraded samples and measuring the thermal stability values (Ts) values. The influence of the PVP percentage in the blend and, moreover, the addition of commercial dibasic lead carbonate stabilizer to the blend on its thermal stability was studied. It was found that the dehydrochlorination rate of the blend was promoted by increasing the PVP concentration in the blend.