Open Access

Synergistic multicomponent systems containing melamine poly(metal phosphate)s have been recently proposed as flame retardants. This work focuses on the decomposition pathways, molecular mechanisms and morphology of the fire residues of epoxy resin (EP) flame retarded with melamine poly(zinc phosphate) (MPZnP) to explain the modes of action and synergistic effects with selected synergists (melamine polyphosphate (MPP) and AlO(OH), respectively). The total load of flame retardants was always 20 wt.%. The decomposition pathways were investigated in detail via thermogravimetric Analysis coupled with Fourier transform infrared spectroscopy. The fire residues were investigated via elemental analysis und solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy. The morphology of intumescent fire residues was investigated via micro-computed tomography and scanning electron microscopy. EP + (MPZnP + MPP) formed a highly voluminous residue that showed structural features of both EP + MPZnP and EP + MPP, resulting in a highly effective protection layer. EP + (MPZnP + AlO(OH)) preserved the entire quantity of phosphorus content during combustion due to the Formation of Zn₂P₂O₇ and AlPO₄.

In addition to the acid source, charring agent, and blowing agent, the binder is a crucial part of an intumescent coating. Its primary task is to bind all compounds, but it also acts as a carbon source and influences the foaming process. A series of intumescent coatings based on five different binders was investigated in terms of insulation, foaming, mechanical impact resistance, and residue morphology. The Standard Time-Temperature modified Muffle Furnace (STT MuFu+ ) was used for the bench-scale fire resistance tests and provided data on temperature and residue thickness as well as well-defined residues. The residue morphology was analyzed by nondestructive m-computed tomography and scanning electron microscopy. A moderate influence of the binder on insulation performance was detected in the set of coatings investigated, whereas the foaming dynamics and thickness achieved were affected strongly. In addition, the inner structure of the residues showed a rich variety. High expansion alone did not guarantee good insulation. Furthermore, attention was paid to the relation between the microstructure transition induced by carbon loss due to thermo-oxidation of the char and the development of the thermal conductivity and thickness of the coatings during the fire test.

Thermal insulation and mechanical resistance play a crucial role for the performance of an intumescent coating. Both properties depend strongly on the morphology and morphological development of the foamed residue. Small amounts (4 wt%) of fiberglass, clay and a copper salt, respectively, are incorporated into an intumescent coating to study their influence on the morphology and Performance of the residues. The bench scale fire tests were performed on 75 x 75 x 2 mm³ coated steel plates according to the standard time–temperature curve in the Standard Time Temperature Muffle Furnace+ (STT Mufu+). It provided information about foaming dynamics (expansion rates) and thermal insulation. Adding the copper salt halved the expansion height, whereas the clay and fiberglass Change the height of the residue only moderately. The time to reach 500 °C was improved by 31% for clay and 15% for the other two fillers. Nondestructive micro computed tomography is used to assess the inner structure of the residues. A transition of the residue from a black, carbonaceous foam with closed cells into an inorganic, residual open cell sponge occurs at high temperatures. This transition is due to a loss of carbon; the change in microstructure is analyzed by scanning electron microscopy. Additional mechanical tests are performed and interpreted with respect to the results of the morphology analysis. Adding clay or copper salt improved the mechanical resistance tested by a factor 4. The additives significantly influence the thickness and foaming Dynamics as well as the inner structure of the residues, whereas their influence on insulation Performance is moderate. In conclusion, different modes of action are observed to achieve similar insulation performance during the fire test.

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.

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.