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Main Title: Brandphänomene von Polyurethanschäumen im Hinblick auf deren Interaktion, Abhängigkeit und Konkurrenz
Translated Title: Fire phenomena of polyurethane foams with regard to their interaction, dependence and competitiveness
Author(s): Günther, Martin
Advisor(s): Auhl, Dietmar
Referee(s): Schartel, John
Auhl, Dietmar
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Due to their unique material properties, polyurethane foams are widely used in industry and surround us in our daily life. Rigid foams insulate buildings, flexible foams cushion the sub- way seats on our way to work, and at night, foam mattresses guarantee a pleasant sleep. How- ever, their fire phenomena necessitate the modification of their burning behavior since they exhibit a short time to ignition and a rapid flame spread. Much research is conducted in in- vestigating novel flame retardants and new flame-retardant strategies. Most of them are fo- cused on passing standard fire tests, and investigations dealing with the fundamental fire phenomena are lacking. Yet, the understanding of the processes taking place during the com- bustion of foams is crucial for the future development of flame-retardant approaches. This work presents a comprehensive and complex investigation of the fire phenomena before, dur- ing, and after the combustion of polyurethane foams and highlights the relationship between material properties, fire behavior, and flame-retardant modes of action. To gain comprehensive insight into the fire phenomena of polyurethane foams, a variety of materials was studied. Rigid and flexible polyurethane foams as well as rigid polyurethane- polyisocyanurate foams were examined. Furthermore, the impact of various flame retardants on the burning behavior and the fire phenomena was investigated and their flame-retardant modes of action were evaluated in greater detail. Anaerobic thermal decomposition of the polymer was studied by means of thermogravimetric analysis to evaluate the decomposition behavior of the materials. Macroscopic fire phenomena were investigated using a variety of fire tests. The limiting oxygen index and UL 94 test for horizontal burning of foamed materials yielded information on the flammability and dripping behavior. A detailed analysis of the burning behavior under forced flaming conditions was carried out using the cone calorimeter. Specimens were equipped with thermocouples to monitor the temperature development in- side burning specimens. Furthermore, burning cone calorimeter samples were quenched in liquid nitrogen to preserve the actual state of decomposition. Subsequently, cross-sections were taken and investigated visually and by means of the scanning electron microscope to evaluate changes in the foams’ morphology. In vertical orientation of the cone calorimeter setup, the dripping behavior was examined. Pyrolyzed material in the form of drops was col- lected and the tendency of differently flame-retarded foams to drip was studied. During the investigations, it was shown that for the estimation of the time to ignition of poly- urethane foams it is necessary to consider in-depth absorption of infrared radiation to gain more reliable results. The findings include a clear pyrolysis front for polyurethane foams and structural integrity during the foam combustion. Polyurethane-polyisocyanurate foams ex- hibited a cellular structure in the burnt residue. Based on flame-retarded rigid polyurethane foams, it was proven that the dominant flame-retardant mode of action changes with increas- ing foam density. Furthermore, temperature measurements showed that the burning behavior of rigid foams shifts towards bulk materials when density is increased. For flexible polyure- thane foams, the two-step decomposition behavior was identified to also cause the two stages of combustion, namely structural collapse and pool fire. Further, it was proven that the flame retardants are mainly active in the first stage of combustion and hardly affect the burning behavior during the pool fire stage. The improved dripping behavior of flame-retarded foams was shown to be based on an increase in the viscosity of the pyrolysis products. The results of this work contribute to the understanding of the fire behavior of polyurethane foams and support the future development of flame-retardant approaches.
Durch ihr einzigartiges Eigenschaftsprofil haben sich geschäumte PU zu einem unverzichtba- ren Bestandteil der kommerziellen Kunststoffe entwickelt. Im Alltag sind wir praktisch stän- dig von ihnen umgeben: Gebäude sind mit PU-Schäumen isoliert, in der S-Bahn sitzen wir auf ihnen und in der Nacht sorgen sie in Form von Matratzen für einen angenehmen Schlaf. Doch die Brandeigenschaften geschäumter PU machen es notwendig, das Brandverhalten dieser Materialien zu modifizieren, da sie leicht zu entzünden sind und im Brandfall eine schnelle Flammenausbreitung aufweisen. Jedes Jahr wird eine Vielzahl neuer Studien veröffentlicht, die sich mit der Synthese neuer FSM oder neuartigen Flammschutzstrategien beschäftigen. Meist sind diese auf das Bestehen gängiger zulassender Brandtests fokussiert. Studien, die sich mit den Brandphänomenen an sich beschäftigen, existieren nur wenige. Dabei ist es von essenzieller Bedeutung, das Brandverhalten von PU-Schäumen umfassend zu verstehen, um Ansatzpunkte für wirkungsvolle Flammschutzstrategien aufzuzeigen und die Brandphäno- mene bei variierten Materialeigenschaften zu verstehen. Diese Arbeit präsentiert eine umfas- sende und komplexe Untersuchung der Brandphänomene vor, während und nach der Ver- brennung, ordnet diese ein und stellt Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften, Brandverhalten und Flammschutzmechanismen her. Um einen ganzheitlichen Überblick über PU-Schäume zu erhalten, wurden unterschiedliche Materialklassen für diese Studie ausgewählt. Neben PU-HS und -WS wurden auch PI-HS un- tersucht. Weiterhin wurde der Einfluss von FSM auf das Brandverhalten und die Brandphä- nomene studiert und Flammschutzmechanismen detailliert aufgezeigt. Die anaerobe Zerset- zung der Polymere wurde mittels TG untersucht und somit Rückschlüsse auf das Abbauver- halten und das resultierende Brandverhalten gezogen. Makroskopische Brandeffekte wurden durch den Einsatz verschiedener Brandtests studiert. Mithilfe des LOI und der UL 94 HBF- Prüfung wurde die Entflammbarkeit charakterisiert sowie das Abtropfverhalten von WS un- tersucht. Eine detaillierte Analyse des Brandverhaltens bei erzwungener Verbrennung er- folgte mithilfe des Cone Kalorimeters. Mit Thermoelementen ausgestattete Cone Kalorimeter- Proben gaben Aufschluss über die Temperaturentwicklung innerhalb brennender Prüfkörper. Weiterhin wurden dem Cone Kalorimeter-Versuch brennende Proben entnommen und in Flüssigstickstoff mit dem Ziel abgeschreckt, den zu diesem Zeitpunkt vorherrschenden Grad der Zersetzung zu konservieren. Durch das anschließende Anfertigen von Querschnitten, welche mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht wurden, konnten morpholo- gische Veränderungen der Schaumstruktur dokumentiert werden. Die Analyse des Abtropf- verhaltens von PU-WS erfolgte im vertikalen Versuchsaufbau des Cone Kalorimeters. Rheo- logische Messungen pyrolysierten Materials erfolgten an gesammelten Tropfen, um die Tropfneigung unterschiedlich flammgeschützter Materialien zu studieren. In den Studien konnte gezeigt werden, dass für die Abschätzung der Entzündungszeit unter Berücksichtigung der Tiefenabsorption von Infrarotstrahlung zuverlässigere Ergebnisse er- zielt werden können. Für PU-HS konnte die Ausbildung einer Pyrolysefront sowie die struk- turelle Integrität der Schaummorphologie dargestellt werden. PI-HS zeigten den teilweisen Erhalt der Zellstruktur der Schäume im Brandrückstand. Anhand flammgeschützter PU-HS konnte bewiesen werden, dass sich der dominante Flammschutzmechanismus mit steigender Schaumdichte ändern kann. Weiterhin wurde durch Temperaturmessungen gezeigt, wie sich das Brandverhalten von PU- und PI-HS mit steigender Dichte hin zu dem der kompakten Werkstoffe verschiebt. Für PU-WS wurde das zweistufige Pyrolyseverhalten als Grund für das besondere zweiphasige Brandverhalten mit Schaumkollaps und Poolfeuer identifiziert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die FSM hauptsächlich während der ersten Brand- phase wirken und das Poolfeuer nur unwesentlich beeinflussen. Das verbesserte Abtropfver- halten flammgeschützter Schäume beruht auf der Erhöhung der Viskosität der Pyrolysepro- dukte. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Wissenschaft des Brandverhaltens von PU-Schäumen und können, sinnvoll angewandt, der zukünftigen Entwicklung von Flamm- schutzstrategien helfen, zielgerichteter vorzugehen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11559
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10444
Exam Date: 1-Jul-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 19-Oct-2020
DDC Class: 502 Verschiedenes
Subject(s): Brandverhalten
Polyurethanschaum
Flammschutz
Hartschaum
Weichschaum
burning behavior
polyurethane foam
flame retardancy
rigid foams
soft foams
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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