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High-throughput fire tests and weathering-induced degradation behaviour of intumescent coatings
(2018)
In this work, the weathering-induced degradation of intumescent coatings was investigated by a systematic and comprehensive approach. A mechanism is revealed that is proposed to be responsible for the loss of function of intumescent coatings induced by weathering.
First, the thermal decomposition of artificially weathered intumescent coatings was examined. To get a better understanding of the weathering and ageing phenomena, the degradation behaviour of the single ingredients during the weathering process was investigated, as well as their chemical and physical interactions. For the systematic approach, the materials that are essential for intumescence (ammonium polyphosphate, pentaerythritol, titanium dioxide, melamine and the binder) are treated with moisture, elevated temperature and UV radiation.
Thermogravimetry (TG) and IR spectroscopy were used to compare the initial samples with their different grades of weathering. We demonstrate that ammonium polyphosphate, melamine and the binder are mainly responsible for the ageing process. Further, it was demonstrated that TG and IR spectroscopy are suitable measuring methods to detect the effects of weathering on intumescent coatings.
Finally, a small-scale fire test procedure is introduced. Based on the reduction of the sample size, up to 50 samples can be tested in a single fire test. The results of this fire test have the same quality as the results from standard intermediate fire tests corresponding to DIN 4102-8.
A systematic approach was used to investigate the weathering-induced degradation of a common water–based intumescent coating. In this study, the coatings are intended for humid indoor applications on steel substrates. The coating contains ammonium polyphosphate, pentaerythritol, melamine, and polyvinyl acetate. By replacing each ingredient with a less water-soluble substance, the most vulnerable substances, polyvinyl acetate and pentaerythritol, were identified. Furthermore, the weathering resistance of the system was improved by exchanging the ingredients. The coatings were stressed by artificial weathering tests and evaluated by fire tests. Thermogravimetry and Fourier-transform infrared spectroscopy were used to study the thermal decomposition. This study lays the foundation for the development of a new generation of water-based intumescent coatings.
It is an essential requirement for all building products to ensure durability of their fire safety. Throughout the working life of products, intumescent coatings are aged by certain climatic factors. To predict a lifetime of several years, generally the behaviour of the intumescent coating is extrapolated based on accelerated artificial ageing. The established German and European procedures to assess the durability assume a working life of at least 10 years. For a longer period, additional evidence is required; yet the procedure and the specifications to justify this are not described. In addition to addressing this formal lack, from a scientific point of view it is necessary to investigate the degradation of intumescent coatings in detail and to propose a reliable test concept to assess durability for more than 10 years. This paper summarises the existing knowledge about the ageing of intumescent coatings. The results of various demanding weathering approaches are presented for two intumescent coatings tested in a joint research project. Moreover, formulations with a reduced amount of functionally relevant components were analysed to gain insight into the associated effects. Derived from these research results and knowledge, recommendations are proposed to assess the durability of intumescent coatings for more than 10 years based on a combination of verifications.
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.
Reaktive Brandschutzsysteme finden im baulichen Brandschutz Anwendung zur Erhöhung des Feuerwiderstands von Stahlkonstruktionen. Neben den Anforderungen an die Feuerwiderstandsdauer können damit auch Ansprüche an die Ästhetik erfüllt werden. Die profilfolgende Applikation und die geringen Trockenschichtdicken der Produkte ermöglichen es, das filigrane Erscheinungsbild von Stahlkonstruktionen aufrechtzuerhalten. Neben der thermischen Schutzwirkung muss auch die Dauerhaftigkeit der Brandschutzbeschichtung sichergestellt werden. Die Bewertungsmethoden, die auf europäischer Ebene durch das EAD 350402-00-1106 zur Verfügung stehen, zielen auf eine Nutzungsdauer von zehn Jahren ab. Prüfverfahren für einen darüber hinausgehenden Zeitraum sind nicht beschrieben. In diesem Beitrag werden experimentelle Untersuchungen zum Einfluss der Bewitterung auf das Expansionsverhalten, zur thermischen Schutzwirkung und zu den während des Aufschäumens im Brandfall stattfindenden Reaktionen vorgestellt. Die Versuche wurden an einem wasserbasierten und einem epoxidharzbasierten reaktiven Brandschutzsystem durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 20470 N erzielt.
Im Rahmen des Forschungsprojektes IGF 20470N wurden Untersuchungen zum Alterungsverhalten von reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) auf Stahlbauteilen durchgeführt. Mithilfe der Ergebnisse einer umfangreichen Literaturrecherche sowie experimentellen und numerischen Untersuchungen sollte ein Vorschlag für ein Prüfkonzept zum Nachweis einer Nutzungsdauer von RBS von mehr als 10 Jahren auf Basis von Kurzzeitversuchen abgeleitet werden. Dabei setzt die Bewertung des Alterungsverhaltens von RBS voraus, dass die Mechanismen der Alterung hinreichend bekannt sind.
Dafür wurden zunächst systematisch Daten von Kurz- und Langzeitversuchen von nationalen Zulassungsprüfungen der letzten Jahrzehnte ausgewertet. Anschließend wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einer wasserbasierten sowie einer epoxidharzbasierten Richtrezeptur durchgeführt. Da aus der Literatur bekannt ist, dass die Einflüsse der Bewitterung zu einer Veränderung der Konzentration der Bestandteile innerhalb der Beschichtung führen können, wurden Untersuchungen mit Mangelrezepturen durchgeführt, wobei systematisch einzelne Bestandteile reduziert wurden. Neben optischen Untersuchungen wurden thermoanalytische Verfahren (DSC-TG-, ATR-FTIR-, Elementar-, Farbanalyse) angewandt sowie Brandversuche an beschichteten Stahlplatten durchgeführt. Des Weiteren wurden die Richtrezepturen den beschleunigten Kurzzeitversuchen gemäß EAD 350402-00-1106 (2017) unterzogen, welche die Zulassung von Produkten auf europäischer Ebene regelt. Für die wasserbasierte Richtrezeptur wurden die Bewitterung für den feuchten Innenraum (Typ Z1) mehrfach wiederholt (1x, 3x, 6x). Für die epoxidharzbasierte Richtrezeptur entsprach die Bewitterung dem Zyklus für die Außenanwendung (Typ X). In Brandversuchen sowie thermoanalytischen und optischen Untersuchungen wurde das Alterungsverhalten sowie die thermische Schutzwirkung analysiert.
Anschließend wurden numerische Simulationen von Stahlbauteilen mit gealterten RBS durchgeführt und anhand der experimentellen Untersuchungen validiert. Mithilfe der numerischen Modelle kann eine Bewertung der thermischen Schutzwirkung von Stahlbauteilen mit gealterten RBS vorgenommen werden.
Mithilfe der gesammelten Erkenntnisse wurde ein Vorschlag für ein Prüfkonzept für den Nachweis einer Nutzungsdauer von mehr als 10 Jahren abgeleitet. Das Prüfkonzept besteht dabei aus einem Katalog von Möglichkeiten, die aktuellen Zulassungsprüfungen auf europäischer Ebene für eine Nutzungsdauer von 10 Jahren auf einen längeren Zeitraum zu erweitern.