Condensed-phase mechanisms play a major role in fire-retardant polymers. Generations of development have followed the concept of charring to improve fire properties. Whereas the principal reactions are believed to be known, the specific description for multicomponent systems is lacking, as is the picture across different systems. A two-step approach is proposed in general, and also presented in greater detail. The second step covers the specific reactions controlling charring, whereas the actual reactants are provided in the preceding step. This model consistently incorporates the variety of structureproperty relationships reported. A comprehensive case study is presented on seven phosphorus flame retardants in two epoxy resins to breathe life into the two-step approach.
Herein we investigate the influence of carbon additives with different particle sizes and shapes on the flame retardancy and mechanical properties of isotactic polypropylene. Thermally reduced graphite oxide (TRGO) and multi-layer graphene (MLG250), consisting of few graphene layers, are compared with spherical, tubular and platelet-like carbon fillers such as carbon black (CB), multiwall nanotubes (MWNT) and expanded graphite (EG). The different morphologies control the dispersion of the carbon particles in PP and play a key role in structure–property relationships. Uniformly dispersed CB, MLG250 and TRGO shift the onset temperature of PP decomposition to temperatures around 30 °C higher, induce a flow limit in the composites' melt viscosity and change drastically their fire behaviour. The prevented dripping and significantly increased heat absorption result in decreased time to ignition and hardly any change in the reaction to a small flame. Under forced-flaming conditions reductions in the peak heat release rate of up to 74% are achieved due to the formation of a protective layer of residue during combustion. The described effects of carbon nanomaterials on the properties of PP composites are most pronounced for well-exfoliated graphenes, making them preferable to less exfoliated, micron-sized expanded graphite or conventional spherical and tubular carbon nanoparticles.
Herein, we examine the influence of adding functionalized graphene (FG), distinct expanded graphites and carbon nanofillers such as carbon black and multiwall carbon nanotubes on mechanical properties, morphology, pyrolysis, response to small flame and burning behavior of a V-2 classified flame-retarded polypropylene (PP). Among carbon fillers, FG and multilayer graphene (MLG) containing fewer than 10 layers are very effectively dispersed during twin-screw extrusion and account for enhanced matrix reinforcement. In contrast to the other fillers, no large agglomerates are detected for PP-FR/FG and PP-FR/MLG, as verified by electron microscopy. Adding FG to flame-retardant PP prevents dripping due to reduced flow at low shear rates and shifts the onset of thermal decomposition to temperatures 40°C higher. The increase in the onset temperature correlates with the increasing specific surface areas (BET) of the layered carbon fillers. The reduction of the peak heat release rate by 76% is attributed to the formation of effective protection layers during combustion. The addition of layered carbon nanoparticles lowers the time to ignition. The presence of carbon does not change the composition of the evolved pyrolysis gases, as determined by thermogravimetric analysis combined with online Fourier-transformed infrared measurements. FG and well-exfoliated MLG are superior additives with respect to spherical and tubular carbon nanomaterials.
Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersuchung der Wirkungsweise von halogenfreien Flammschutzmitteln in WPC.
Eine große Anzahl verschiedener Flammschutzmittel wurde hinsichtlich ihrer Wirkmechanismen umfassend untersucht, um ein Verständnis für die ablaufenden Prozesse zu entwickeln. Hierbei wurden verschiedene Brandtests eingesetzt, um die Materialien bezüglich verschiedener Applikationen (E&E, Transportwesen, Bauwesen) zu beleuchten.
Die verschiedenen Untersuchungen liefern aber auch ein umfassendes Bild vom Brandverhalten in den verschiedenen Eigenschaften, wie Entflammbarkeit und Brandausbreitung.
Die prinzipiellen Ansätze wurden anhand von verschiedenen Flammschutzmitteln beleuchtet, ihre Pyrolyse und ihre Performance in verschiedenen Brandtests gegenübergestellt. Bei der angestrebten geringen Zusatzmenge ist durch den Zusatz eines einzigen Flammschutzmittels keine zufriedenstellende Reduktion der Brandeigenschaften zu erwarten. Multikomponentensysteme zur Steigerung der Effizienz sind angezeigt. Einige prinzipielle Kombinationsmöglichkeiten wurden für alle Hauptflammschutzmittel durchgespielt. Die teilweise deutlichen Verbesserungen zeigen Wege zur erfolgreichen Produktentwicklung auf. So konnten bei den Spritzgießcompounds Eigenschaften erzielt werden, die eine UL 94 V0 Klassifizierung ermöglichen.
Ein Einsatz der im Forschungsvorhaben hergestellten Compounds als Baustoff ist aufgrund des Brandverhaltens in den baustoffspezifischen Prüfungen nicht möglich. Hier sind weitere Flammschutz-Konzepte zu erproben.
Gleitmittel nehmen bei den untersuchten Extrusionscompounds keinen Einfluss auf das Brandverhalten. Haftvermittler nehmen ebenfalls keinen signifikanten Einfluss auf das untersuchte Brandverhalten, können aber zu einer veränderten Verteilung der Füllstoffe
und damit zur Ausbildung einer effektiveren Schutzschicht führen.
Feinere Holzpartikel schneiden bei den Brandprüfungen besser ab als grobe Holzpartikel.
Bei Einsatz von grobem Holz wird eine schlechtere Rückstandsstruktur ausgebildet, was das Brandverhalten negativ beeinflusst. Der Einsatz von vorbehandeltem Holz
brachte nicht die erwartete Verbesserung.
Die neu konzipierte Aufbereitungsanlage auf Basis des Planetwalzenextruders konnte erfolgreich in Betrieb genommen werden. Vergleichende Versuche mit dem Doppelschneckenextruder zeigten, dass der PWE-Aufbau eine gute Alternative zur etablierten DSE-Aufbereitung darstellt.
Zusätzlich wurden an Compounds vielversprechender Flammschutzansätze weitere Materialprüfungen (Biegeversuch, Schlagversuch, Wasseraufnahme) durchgeführt, um den Einfluss der FSM auf die spezifischen Eigenschaften der WPC zu beleuchten.
The characteristic influences of increasing concentrations of graphene, expanded graphite (EG), carbon black (CB), and multiwall carbon nanotubes (MWNT) are investigated on pyrolysis, reaction to small flame, burning behavior, and on electrical, thermal, and rheological properties of flame retarded polypropylene (PP-FR). The property-concentration dependency is different for the various material properties, as threshold, linear, and leveling off functions were observed. Increasing concentrations of carbon nanoparticles resulted in a decrease in the electrical resistivity of the polymer by crossing the percolation threshold. The developing nanoparticle network changes melt flow behavior for small shear rates, increases thermal conductivity and therefore, affects the UL 94 classification and oxygen index. The onset temperature of PP decomposition is shifted to temperatures up to 37°C higher; the peak heat release rate is reduced by up to 74% compared to PP-FR. Both effects leveled off with increasing particle concentration. Among the four carbon nanomaterials tested, graphene presents superior influence on composite properties over the tested concentration range and outperforms commercial CB, MWNT, and EG. POLYM. COMPOS., 36:12301241, 2015.