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Two different numerical simulation tools, Fire Dynamic Simulator (FDS) and ThermaKin, are investigated with respect to their capability to predict the mass loss rate of polymer materials exposed to different fires. For validation, gasification apparatus and cone calorimeter tests are conducted. The main focus is on the influence of residue formation. Therefore, poly (butylene terephthalate) (PBT) and PBT reinforced with glass fibres (PBT-GF) are investigated and compared. PBT decomposes almost completely, while PBT-GF forms residue. The materials are characterised in order to provide suitable input parameters. Additionally the total incident heat flux to the sample is measured. With accurate input parameters, FDS and ThermaKin predicted the pyrolysis behaviour of PBT very well. Only some limitations are identified regarding the residue-forming PBT-GF. Both numerical simulation tools demonstrate a high value regarding the assessment of parameters' relative impacts and thus the evaluation of optimisation routes in polymer and composite development.
Vereint unter dem Begriff Ingenieurmethoden haben Brandsimulationen Eingang in die Fortentwicklung des Baurechts gefunden und werden vermehrt zur Unterstützung von Brandschutzkonzepten und -nachweisen eingesetzt. Aktuelle Software verbindet Verbrennungsmodelle mit numerischer Strömungsmechanik und eignet sich so für die flexible Bearbeitung unterschiedlichster Fragestellungen. Darüber hinaus bieten erste Programme die Möglichkeit, Untermodelle zur Beschreibung des Feststoffabbrands bzw. der Pyrolyse von Brandlasten einzufügen. In der Polymerwissenschaft stellt die Untersuchung und Optimierung des Brandverhaltens einschließlich der Pyrolyse eine wichtige Aufgabe dar. Aufgrund des Brandrisikos ist die Verwendung polymerer Werkstoffe häufig eingeschränkt. Die Entwicklung flammgeschützter Materialien hat daher eine besondere Bedeutung und es existieren detaillierte Methoden zur Charakterisierung brandrelevanter Materialeigenschaften. Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Arbeit darauf ab, die Potentiale und Herausforderungen der komplementären Nutzung von Brandsimulation und polymerwissenschaftlichen Methoden zu untersuchen. Hierfür wurden vier Brandszenarien ausgewählt: Der Brand in einem Einfamilienhaus in der Dimension Kubikdekameter (dam³), der Single Burning Item SBI Test in der Dimension Kubikmeter (m³), der Cone Kalorimeter Test in der Dimension Kubikdezimeter (dm³) und der UL 94 Test in der Dimension Kubikzentimeter (cm³). Die Brandszenarien werden zunächst ausführlich charakterisiert. Anschließend wird ein jeweils passendes Simulationsmodell erstellt und berechnet und die Berechnungsergebnisse werden mit den realen Ausprägungen verglichen. Schließlich werden die Simulationen, unterstützt durch eine Parameterstudie, bewertet. In den Untersuchungen zu den vier Brandszenarien werden durch die komplementäre Nutzung von Brandsimulation und Polymerwissenschaft belastbare numerische Berechnungen erarbeitet. Grundlage für die Ergebnisse sind die detaillierte Charakterisierung der brandrelevanten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Werkstoffe und die damit verbundene Qualität der Eingabeparameter. Für das Brandszenario Einfamilienhaus wird der Brandverlauf in einer komplexen Geometrie mit unterschiedlichen Brandlasten realistisch berechnet. Für den SBI Test und den Cone Kalorimeter Test stehen die Wärmefreisetzungsrate bzw. die Massenverlustrate im Mittelpunkt der Simulation und zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Für den vertikalen UL 94 Test werden darüber hinaus erstmals das komplexe Zusammenspiel von Pyrolyse, Verbrennung und Tropfverhalten simuliert und die unterschiedlichen Klassifizierungen und Zeitmaßstäbe übereinstimmend mit den Experimenten aus den Berechnungen abgeleitet. Anhand der Beispiele werden erweiterte Anwendungsbereiche von Brandsimulationen durch gezielte Nutzung der polymerwissenschaftlichen Kenntnisse aufgezeigt. Gleichzeitig weisen insbesondere die Untersuchungen zu den Brandszenarien Cone Kalorimeter Test und UL 94 Test auf den wertvollen Beitrag von Brandsimulationen für die Polymerwissenschaft hin. Durch Parametervariationen können aufbauend auf einem validierten Simulationsmodell zusätzliche Erkenntnisse über die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Polymeren hinsichtlich des Brandverhaltens gewonnen werden, um die Entwicklung flammgeschützter Materialien zielführend zu unterstützen.
An experimental and numerical investigation of the effect of bisphenol A bis(diphenyl phosphate) (BDP) and polytetrafluoroethylene (PTFE) on the fire behaviour of bisphenol A polycarbonate/acrylonitrile butadiene styrene (PC/ABS) in the vertical UL 94 scenario is presented. Four PC/ABS blends were discussed, which satisfy different UL 94 classifications due to the competing effects of gasification, charring, flame inhibition and melt flow/dripping. For numerical investigation, the particle finite element method (PFEM) is used. Its capability to model the complex fire behaviour of polymers in the UL 94 is analysed. The materials' properties are characterised, in particular the additives impact on the dripping behaviour during thermal exposure. BDP is an efficient plasticiser; adding PTFE prevents dripping by causing a flow limit. PFEM simulations reproduce the dripping and burning behaviour, in particular the competition between gasification and dripping. The thermal impact of both the burner and the flame is approximated taking into account flame inhibition, charring and effective heat of combustion. PFEM is a promising numerical tool for the investigation of the fire behaviour of polymers, particularly when large deformations are involved. Not only the principal phenomena but also the different UL 94 classifications and the extinction times are well predicted.