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A few layer/multilayer graphene (MLG) with a specific surface area of BET=250 m2/g is proposed as an efficient multifunctional nanofiller for rubbers. The preparation method, i.e., ultrasonically-assisted solution mixing of master batches followed by two-roll milling, strongly influences the dispersion in the elastomeric matrix and is fundamental for the final properties. When homogenously dispersed, single stacks of only approximately 10 graphene sheets, with an aspect ratio of 34, work at low loadings, enabling the replacement of large amounts of carbon black (CB), an increase in efficiency, and a reduction in filler load. The appropriate preparation yielded nanocomposites in which just 3 phr are sufficient to significantly improve the rheological, curing, gas barrier properties, electrical and thermal conductivity, as well as mechanical properties of different rubbers, as shown for chlorine-Isobutylene-Isoprene rubber (CIIR), nitrile-butadiene rubber (NBR), natural rubber (NR), and styrene-butadiene rubber (SBR). 3 phr of MLG tripled the Young’s modulus of CIIR, an effect equivalent to 20 phr of CB. The stronger interactions between MLG and NR or SBR also resulted in a reduction in the elongation at break by 20% and 50%, respectively, while the same parameter was hardly changed for CIIR/MLG and NBR/MLG. CIIR/MLG and NBR/MLG were stiffer but just as defomable than CIIR and NBR. The strong reinforcing effect of 3 phr MLG was confirmed by the increase of greater than 10 Shore A in hardness. MLG reduces gas permeability, increases thermal and electrical conductivities, and retards flammability, the latter shown by the reduction in heat release rate in the cone calorimeter. We investigated MLG also as a synergist for reducing the aluminium trihydrate loading in flame retardant hydrogenated acrylonitrile-butadiene (HNBR), polybutadiene chloroprene (BR/CR), and chlorosulfonated polyethylene rubber(CSM). The higher the nanofiller concentration is, the greater the improvement in the properties. For instance, the permeability decreased by 30% at 3 phr of MLG, 50% at 5 phr and 60% at 10 phr, respectively. Moreover, the MLG nanocomposites improve stability of mechanical properties against the effects of weathering. In key experiments an increase in UV-absorption and a pronounced radical scavenging were proved as stabilizing mechanisms. In a nutshell, MLG is an efficient multifunctional nanofiller ready to be used for innovative rubber development.
Emanating from developing flame retarded biocomposites, we have proposed renewable natural fibers (including keratin) taken from industrial waste as an authentic sustainable approach. More recently, we have investigated non-vegan flame retardant approaches. This paper loves to give you an insight into our ongoing projects on biogenic industrial wastes like leather, bone meal, and insects. Materials were characterized multi-methodically, flame retardant modes of action quantified, decomposition mechanism proposed, and synergisms explained. Considering the large quantities of leather waste (LW) in industrial-scale production, we underline LW as multifunctional bio-adjuvants. LW enhances the flame retardancy of poly(ethylene-vinyl acetate) (EVA) containing phosphorus flame retardants (P-FR). Products/by-products of the invertebrate and vertebrate farming, respectively, are promising bio-based adjuvants in flame retarded bio-epoxy thermosets. While the addition of bone meal yields the formation of an inorganic shield, protein-based powders from insects provide an intumescent behavior. In combination with a P-FR superior charring and self-extinguishing are obtained.
Acknowledgement: In part of this work was supported by the Volkswagen Foundation grant “Experiment!” No. 97437.
Composites in Fire and Flame
(2022)
Overview over the research results of the BAM in the field fire retardancy of composites. In different applications the flame retardancy of composites targets on different fire protection goals in the fire scenarios ignition, developing fire, and fully developed fire. Efficient solutions are tailored to pass a distinct fire test and to fit to a specific material. Flame inhibition as main flame retardancy mode of action combined with a minor mode of action in the condensed phase is general very efficient approach for composites. Alternatively residue design is demanded to achieve good results with only condensed phase mechanisms. Improving the fire stability asks for protective fire residues.
Efficient flame retardancy is often achieved only when applying multicomponent systems. Flame retardants are combined or used together with adjuvants or synergists; fibres and fillers contribute to fire properties crucially. Multicomponent systems are discussed in their capacity as general and powerful strategy for achieving and optimizing flame retardant polymeric materials.
Überblick über die Herausforderungen, Anforderungen und Lösungswege für den Flammschutz von Polyurethanwerkstoffen (thermoplastisches und elastomeres Polyurethan (TPU, PUR), PUR Hard- und Weichschäume, PIR, PUR Coatings). Die Werkstoffcharakteristika wie Pyrolyse, effektive Verbrennungswärme, Rückstandsausbeute, Verarbeitungsparameter und kg-Preis definieren die Anforderungen an Flammschutzlösungen. Der Flammschutz ist spezifisch für das Material ausgelegt, aber auch für die verschiedenen Anwendungen (Automobilbau, Schienenfahrzeuge, Bauwesen, Elektrotechnik, usw.), d.h. um spezielle Brandtests zu bestehen. Die Pyrolyse und das Brandverhalten von PUR und PUR-Schäumen sowie der flammgeschützten Varianten wird diskutiert. Die gängigen Flammschutzmittel(-kombinationen) werden zusammengefasst und mit Beispielen belegt.
Overview of the state of the art and current trends with the main topics:
- renewable sources in flame retardant polymers (flame retarded bio-polymers and biocomposites; bio-flame retardants, renewable adjuvants from industrial waste)
- flame retardancy meets sustainability
- concepts between analogy and out-of-the-box.
Überblick über den State-of-the-Art und aktuelle Trends mit den Schwerpunkten:
- nachwachsende Rohstoffe in flammgeschützten Polymerwerkstoffen (flammgeschützte Biopolymere und Biokomposite; biomass-basierte Flammschutzmittel, nachwachsende Hilfsstoffe aus Abfallströmen)
- Nachhaltigkeit und Flammschutz
- Konzepte von Analogie bis Out-of-the-Box.
Produkte, Bauteile und Konstruktionen im Transport- und Bauwesen bestehen mehr und mehr aus Klebverbunden. Allein die Menge des verwendeten Klebstoffes oder die Anzahl geklebter Verbindungen schließen für eine verlässliche Betrachtung und Bewertung der Brandrisiken aus, deren Beitrag zur Brandentstehung, Flammenausbreitung oder Feuerwiderstand von Baugruppen und Konstruktionen zu vernachlässigen. Anforderungen an die Leistungsbeschreibungen von flammgeschützten Klebstoffen bzw. Haftklebebändern werden definiert, oft ohne ein ausreichendes Verständnis der Beiträge von Klebverbunden zum Brandverhalten der Bauteile zu haben. Der Vortrag beleuchtet diese Problematik und stellt die verschiedenen komplexen Anforderungen aus dem Brandschutz in Hinblick auf Auswahlkriterien und Entwicklungsziele für flammgeschützte Klebstoffe dar. Dabei ist dieser Transfer des Brandverhaltens, sprich der Systemantwort einer Komponente oder Bauteils in einem spezifischen Brandszenario, in Materialeigenschaften des Klebstoffes eine intrinsische und anspruchsvolle Herausforderung. Im abgeschlossenen IGF-Projekt Nr. 20762 N (Forschungsvereinigung DECHEMA) haben wir für Klebebänder eine systematisch-wissenschaftliche Studie durchgeführt und aussagekräftige Erkenntnisse zu Verfügung gestellt. Die Untersuchungen zur Entflammbarkeit zu Brandbeginn, zur Flammenausbreitung (Wärmeentwicklung) im sich entwickelnden Brand und zum Feuerwiderstand im Vollbrand machen die sehr unterschiedlichen Einflüsse von Klebverbunden, d. h. auch die unterschiedlichen Anforderungen an die Modifikation der Klebebänder, deutlich. Die thermische Analyse verschiedener Klebstoffe zusammen mit den Brandtest freistehender Haftklebebänder, an einseitig geklebten Substraten und an Klebverbundprobekörpern skizzieren eindrucksvoll die komplexen Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften der Klebebänder und dem Brandverhalten von Klebverbunden. Der Vergleich von verschiedenen Substraten wie Stahlbleche, Holz, Mineralwolle und verschiedene Polymermaterialien belegt darüber hinaus, dass der Einfluss der Klebverbindungen auf das Brandverhalten der Klebverbunde substratspezifisch ist. Gerade der Vergleich zwischen Holz, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Bisphenol A Polycarbonat (PC) liefert überraschend unterschiedliche Ergebnisse. Die Variation der Klebstoffe und Trägermaterialien der Klebebänder skizziert die verschiedenen Möglichkeiten für die Materialentwicklung. Abhängig vom Material und Brandszenario können Klebverbunde im Vergleich zu gleich dicken Probekörpern aus demselben Substrat sowohl eine deutliche Erhöhung der Brandrisiken, ein praktisch unverändertes Brandverhalten oder eine Reduktion des Brandrisikos hervorrufen. Grundsätzlich kann keine Lösung bzw. kein Tape gefunden werden, die mit allen Substraten einen guten Brandschutz gewährleistet. Substrate, Carrier und Klebstoff müssen nicht nur aufeinander abgestimmt werden, sondern auch auf das Brandszenario, in welchem der Verbund eine gute Performance liefern soll.Das IGF-Projekt (20762) der Forschungsgemeinschaft (DECHEMA Deutsche Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e V, Theodor Heuss Allee 25, 60486 Frankfurt am Main) wurde durch die AiF im Rahmen des Programms „Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)” des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.