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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.
Polyurethane foams (PUF) are generally flammable, so they are limited in some applications due to strict fire safety requirements. In this study, three distinct industrial benchmark polyurethane foams containing synergistic combinations of expandable graphite (EG) and phosphorous flame retardants (P-FR) were investigated one by one for their fire performance and smoke behavior. This paper aims to substantiate the hypothesis that the combination of EG and P-FR used in polyurethane foams yields a top-notch composite in terms of flame retardancy and smoke behavior by meeting the demanding requirement of low maximum average heat emission (MARHE) and smoke emission in a variety of applications, like advanced materials in construction, lightweight materials for railways, and more.
Leather is considered a luxury good when used in seating and upholstery. To improve safety, flame retardancy in leather is usually achieved through various finishing processes such as spray or roller coating. These treatments require processing steps that cost time and are laborintensive. One avenue to achieving flame retardancy in leather is to add flame retardants during the tanning process. However, the influence on flame retardancy exerted by specific intumescent additives specifically added during leather tanning has yet to be investigated. This work explores the roles played by intumescent additive compounds in flame retarding leather when they are added during tanning instead of applied as a coating. Via a systematic investigation of various compound mixtures, the flame retardant effects in the condensed and the gas phases are elucidated. The results show a strong impact of melamine in the gas phase and of polyphosphates in the condensed phase. Their impact was quantified in fire and smoke analysis, showing a 14% reduction in the peak of heat release rate, strongly reduced burning lengths, and a 20% reduction in total smoke release compared to nontreated leather. These results illuminate the key role played by specific compounds in the flame retardancy of leather, particularly when they are added specifically during the tanning process instead of being applied as a coating.
This method has great potential to reduce processing steps, lower costs, and improve material safety.
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.
Composites in Fire and Flame
(2022)
Overview over the research results of the BAM in the field fire retardancy of composites. In different applications the flame retardancy of composites targets on different fire protection goals in the fire scenarios ignition, developing fire, and fully developed fire. Efficient solutions are tailored to pass a distinct fire test and to fit to a specific material. Flame inhibition as main flame retardancy mode of action combined with a minor mode of action in the condensed phase is general very efficient approach for composites. Alternatively residue design is demanded to achieve good results with only condensed phase mechanisms. Improving the fire stability asks for protective fire residues.
Überblick über den State-of-the-Art und aktuelle Trends mit den Schwerpunkten:
- nachwachsende Rohstoffe in flammgeschützten Polymerwerkstoffen (flammgeschützte Biopolymere und Biokomposite; biomass-basierte Flammschutzmittel, nachwachsende Hilfsstoffe aus Abfallströmen)
- Nachhaltigkeit und Flammschutz
- Konzepte von Analogie bis Out-of-the-Box.
Overview of the state of the art and current trends with the main topics:
- renewable sources in flame retardant polymers (flame retarded bio-polymers and biocomposites; bio-flame retardants, renewable adjuvants from industrial waste)
- flame retardancy meets sustainability
- concepts between analogy and out-of-the-box.
A few layer/multilayer graphene (MLG) with a specific surface area of BET=250 m2/g is proposed as an efficient multifunctional nanofiller for rubbers. The preparation method, i.e., ultrasonically-assisted solution mixing of master batches followed by two-roll milling, strongly influences the dispersion in the elastomeric matrix and is fundamental for the final properties. When homogenously dispersed, single stacks of only approximately 10 graphene sheets, with an aspect ratio of 34, work at low loadings, enabling the replacement of large amounts of carbon black (CB), an increase in efficiency, and a reduction in filler load. The appropriate preparation yielded nanocomposites in which just 3 phr are sufficient to significantly improve the rheological, curing, gas barrier properties, electrical and thermal conductivity, as well as mechanical properties of different rubbers, as shown for chlorine-Isobutylene-Isoprene rubber (CIIR), nitrile-butadiene rubber (NBR), natural rubber (NR), and styrene-butadiene rubber (SBR). 3 phr of MLG tripled the Young’s modulus of CIIR, an effect equivalent to 20 phr of CB. The stronger interactions between MLG and NR or SBR also resulted in a reduction in the elongation at break by 20% and 50%, respectively, while the same parameter was hardly changed for CIIR/MLG and NBR/MLG. CIIR/MLG and NBR/MLG were stiffer but just as defomable than CIIR and NBR. The strong reinforcing effect of 3 phr MLG was confirmed by the increase of greater than 10 Shore A in hardness. MLG reduces gas permeability, increases thermal and electrical conductivities, and retards flammability, the latter shown by the reduction in heat release rate in the cone calorimeter. We investigated MLG also as a synergist for reducing the aluminium trihydrate loading in flame retardant hydrogenated acrylonitrile-butadiene (HNBR), polybutadiene chloroprene (BR/CR), and chlorosulfonated polyethylene rubber(CSM). The higher the nanofiller concentration is, the greater the improvement in the properties. For instance, the permeability decreased by 30% at 3 phr of MLG, 50% at 5 phr and 60% at 10 phr, respectively. Moreover, the MLG nanocomposites improve stability of mechanical properties against the effects of weathering. In key experiments an increase in UV-absorption and a pronounced radical scavenging were proved as stabilizing mechanisms. In a nutshell, MLG is an efficient multifunctional nanofiller ready to be used for innovative rubber development.
Due to the high flammability and smoke toxicity of polyurethane foams (PUFs) during burning, distinct efficient combinations of flame retardants are demanded to improve the fire safety of PUFs in practical applications. This feature article focuses on one of the most impressive halogen-free combinations in PUFs: expandable graphite (EG) and phosphorus-based flame retardants (P-FRs). The synergistic effect of EG and P-FRs mainly superimposes the two modes of action, charring and maintaining a thermally insulating residue morphology, to bring effective flame retardancy to PUFs. Specific interactions between EG and P-FRs, including the agglutination of the fire residue consisting of expanded-graphite worms, yields an outstanding synergistic effect, making this approach the latest champion to fulfill the demanding requirements for flame-retarded PUFs. Current and future topics such as the increasing use of renewable feedstock are also discussed in this article.