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Seit der erstmaligen erfolgreichen Isolierung von Graphen gilt das zweidimensionale Kohlenstoff Nanomaterial mit der Dicke eines Atoms als vielversprechender Füllstoff für multifunktionale Polymerwerkstoffe. Die Multifunktionalität beinhaltet auch die erwartete Flammschutzwirkung von Graphen Nanopartikeln. In der vorliegenden Arbeit wurde Graphen hinsichtlich seiner Flammschutzwirkung und seines Einflusses auf Werkstoffeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit in Polymer Nanokompositen charakterisiert. Durch den Vergleich mit anderen, kommerziell erhältlichen, Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlicher Morphologie (sphärisch, Röhren, dicke Plättchen aus 50 bis 100 Graphen Lagen und dünne Schichten aus 10 Graphen Lagen) wurde die Effektivität von Graphen eingeordnet und Rückschlüsse über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen Partikelmorphologie und Nanokomposit Merkmalen gezogen. Graphen wurde mit halogenfreien Flammschutzmitteln, die Vertreter der unterschiedlichen Flammschutzmechanismen (chemische und physikalische Wirkungsweise, Gas- und Festphasenaktivität) sind, kombiniert. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von Graphen als Hilfsstoff zur Verbesserung der Flammschutzwirkung der verwendeten halogenfreien Systeme untersucht. Die Untersuchungen umfassten den thermischen Abbau, die Entflammbarkeit und das Verhalten während einer erzwungenen Verbrennung, aber auch Schlüsselexperimente. Die Schlüsselexperimente führten zum tieferen Verständnis der beobachteten Brandeigenschaften durch die Aufklärung von Wirkmechanismen und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Die teilweise selbstkonzipierten und –entwickelten Schlüsselexperimente umfassten das rheologische Verhalten, die Partikelverteilung, die Wärmeabsorption und –leitfähigkeit, die strukturelle Qualität des Brandrückstandes und den Temperaturverlauf innerhalb und an der Rückseite einer brennenden Probe. Der dünne Schichtpartikel Graphen war besser in der Polymermatrix dispergiert als die zu vergleichenden Kohlenstoffmaterialien. Graphen bildete bei vergleichsweise niedrigeren Konzentrationen ein zusammenhängendes Partikelnetzwerk aus, das für die elektrische Leitfähigkeit der Komposite verantwortlich ist und die Viskosität der Polymerschmelze erhöhte. Durch das Zusammenwirken von erhöhter Schmelzviskosität und dem Labyrinth Effekt des Partikelnetzwerkes verschob Graphen den Beginn des Polymerabbaus am deutlichsten zu höheren Temperaturen. In den Entflammbarkeitstests Sauerstoffindex und UL 94 führte die erhöhte Schmelzviskosität aufgrund fehlenden Abfließens und Abtropfens zur vermehrten Bereitstellung von Brennstoff und abhängig vom Matrixpolymer teilweise zu einer Verschlechterung der Einstufung. Die ausschließlich festphasenaktive Flammschutzwirkung von Graphen beruhte auf der Bildung einer Rückstandschicht, die aus den jeweiligen Kohlenstoffpartikeln bestand und als Hitzeschild wirkte. Im Vergleich zu den anderen Kohlenstoffmaterialien hatte die Rückstandsstruktur der Graphen Komposite eindeutig die höchste Qualität und reduzierte die (maximale) Wärmeabgaberate am stärksten. In Kombination mit den halogenfreien Flammschutzsystemen bestimmte das Wirkprinzip der einzelnen Systeme die Verwendbarkeit von Graphen als Hilfsmittel. Ein kommerzielles, intumeszentes Flammschutzmittelsystem reagierte sehr empfindlich auf die durch Graphen erhöhte Viskosität der kondensierten Phase und tolerierte nur sehr geringe Graphenmengen ohne Verschlechterung der Intumeszenz. In einem gasphasenaktiven Flammschutzmittel fügte Graphen durch Rückstandsbildung einen Festphasenmechanismus hinzu und senkte die Brandausbreitung und somit das Brandrisiko noch einmal deutlich. Graphen und ein rückstandsbildendes Metallhydroxid verstärkten sich synergistisch hinsichtlich der Rückstandsqualität und der Entflammbarkeitstests. Mit den erhaltenen Ergebnissen ist eine umfassende Charakterisierung der Struktur-Eigenschafts- Beziehungen zwischen Partikelmorphologie und Kompositeigenschaften und die Einordnung von Graphen in die Reihe der Kohlenstoff-Nanopartikel möglich. Die aufgeklärten Wirkprinzipien von Graphen in Nanokompositen, wie auch in Kombination mit unterschiedlichen Flammschutzsystemen, bilden die Grundlage für eine weitere Optimierung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Nanomaterials Graphen als Flammschutzmittel.
Born in Fire to Kill Fire
(2012)
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.
Functionalized graphene nanosheets TRGO and MLG 250, prepared from thermally reduced graphite oxide, represent attractive carbon additives for improving the performance of flame retardant polypropylene (PP-FR). The influence of carbon nanofiller type and content on morphology, thermal, mechanical, and electrical properties as well as the fire behavior of melt-extruded PP-FR is investigated. In contrast to conventional nano- and micron-sized carbon fillers such as expanded graphite (EG 40), nano-scaled carbon black (CB), and multiwall carbon nanotubes (CNT), only TRGO and MLG 250 afford uniform dispersion combined with simultaneously improved stiffness (+80%), electrical conductivity (3 × 10-5 S · cm-1) and enhanced flame retardancy of PP-FR, as expressed by lower peak heat release rate (-76%).
The functionalization of a natural sodium montmorillonite (MMT) with (3-glycidyloxypropyl)trimethoxysilane by a silylation procedure is presented, and its use as nanofiller in the melt compounding of low density polyethylene (LDPE) nanocomposites. In particular, the effects on the thermal stability and flame retardant properties of melt compounded LDPE nanocomposites are analyzed, with and without magnesium hydroxide (MH) as an additional conventional flame retardant. The purpose was to investigate possible synergistic effects between the two inorganic fillers on fire behavior. The obtained organosilylated clay showed higher interlayer spacing than the original MMT and good thermal stability, higher than that of many commercial organoclays modified with alkylammonium salts. Its addition to LDPE allowed the production of hybrids with nanoscale dispersion of the filler, as demonstrated by X-ray diffraction. The simultaneous presence of MH, which strongly interacts with the nanoclay, hindered intercalation of the polymer chains between the clay galleries and clay layer exfoliation within the LDPE resin.
The investigation of the thermal and burning behavior of the LDPE nanocomposites indicated that the organosilylated clay alone shows only a limited residual protection layer effect. In combination with MH the nanocomposites have a small adverse effect on the reaction to small flame as measured by the Oxygen index and UL 94 testing, and, surprisingly, no effect on the peak heat release rate in the cone calorimeter. The quality of the fire residue was lacking on the microscopic scale. The ternary LDPE/MH/ organoclay systems investigated did not open the door to reducing MH content in halogen-free flame retardant LDPE yet, but demand further research.
Thermally reduced graphite oxide (TRGO), containing only four single carbon layers on average, was combined with ammonium polyphosphate (APP) and magnesium hydroxide (MH), respectively, in polypropylene (PP). The nanoparticle's influence on different flame-retarding systems and possible synergisms in pyrolysis, reaction to small flame, fire behavior and mechanical properties were determined. TRGO has a positive effect on the yield stress, which is decreased by both flame-retardants and acts as a synergist with regard to Young's modulus. The applicability and effects of TRGO as an adjuvant in combination with conventional flame-retardants depends strongly on the particular flame-retardancy mechanism. In the intumescent system, even small concentrations of TRGO change the viscosity of the pyrolysing melt crucially. In case of oxygen index (OI) and UL 94 test, the addition of increasing amounts of TRGO to PP/APP had a negative impact on the oxygen index and the UL 94 classification. Nevertheless, systems with only low amounts (≤1 wt%) of TRGO achieved V-0 classification in the UL 94 test and high oxygen indices (>31 vol%). TRGO strengthens the residue structure of MH and therefore functions as a strong synergist in terms of OI and UL 94 classification (from HB to V-0).