Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6430
Main Title: High throughput modules for performance and mechanism assessment of flame retardants in polymeric materials
Translated Title: Hochdurchsatzmodule zur Leistungs- und Mechanismusbeurteilung von Flammschutzmitteln in Polymermaterialien
Author(s): Rabe, Sebastian
Advisor(s): Schartel, Bernhard
Referee(s): Schartel, Bernhard
Schomäcker, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Due to the ever-increasing number of additives, adjuvants, synergists, and fillers, together with variations in concentration, particle size distribution and other modifications, methods for accelerated assessment of flame retarded polymeric materials are strongly needed. This work presents two novel approaches to assess the rapid screening of flame retardants in polymeric materials. Furthermore, flame retardants exhibit varying behavior in different polymer matrices and at different concentrations. The mode of action of a flame retardant ought to be quickly investigated to find the optimal conditions for the desired application. These two premises, the need for rapid flame retardant performance screening and the desire for a quick and reliable mode of action evaluation, are the foundation of the presented work. High throughput performance screening of flame retardants in polymeric systems was realized by establishing an expedient measurement setup based on a commercially available mass loss calorimeter. The resulting rapid mass calorimeter combines the advantages of both state-of-the-art methods for this kind of assessment, namely the cone calorimeter and the pyrolysis combustion flow calorimeter. By reducing the size of a cone calorimeter specimen from ten by ten to two by two centimeters in surface area, the measurement time was drastically reduced while maintaining the possibility to assess macroscopic effects in fire behavior. The aim of this work was, besides developing a reliable screening method with the rapid mass calorimeter, to investigate the change in burning behavior with varying specimen size and to evaluate the significance of the obtained results by analyzing correlations with existing fire tests. The rapid mass calorimeter was shown to be a useful tool for the rapid screening of flame retarded polymeric materials by producing significant results while overcoming the challenge of sample size reduction. Furthermore, a screening method for the rapid investigation of modes of action of flame retardants in polymeric systems is presented. Here, the use of easily preparable polymeric resins in the laboratory in small scale, as opposed to extrusion and injection molding, aims to shift the bottleneck of the whole process away from sample preparation. Four different phosphorus based flame retardants were used in four different polymeric systems at varying concentrations, providing a great data pool to investigate miscellaneous dependencies of the mode of action of a flame retardant. The role of phosphorus in these experiments was examined by measuring the amount of phosphorus which remained in the residue after burning. An interesting relationship between the amount of formed residue and the phosphorus content in the residue was found for some flame retardant – matrix – combinations. Additionally, the amount of phosphorus which was released into the gas phase during burning was calculated and the relationship between a flame inhibiting effect and phosphorus content in the gas phase was studied. For most formulations, a leveling off effect was found with increasing phosphorus concentration, hinting at a limited effectiveness of phosphorus-based flame retardants for higher concentrations in terms of gas phase activity. Quantification of the flame retardancy effects clarified the respective contributions of the modes of action to the overall performance of a flame retardant. In conclusion, this approach presented a valuable method for identifying and quantifying the main mode of action of a phosphorus-based flame retardant in a polymeric matrix.
Aufgrund der stetig steigenden Zahl an Additiven, Hilfsmitteln, Synergisten, Füllstoffen usw., die in Konzentration, Partikelgrößenverteilung oder anderen Modfikationen variiert werden können, sind Methoden zur beschleunigten Beurteilung flammgeschützter Polymerwerkstoffe heutzutage dringend nötig. Flammschutzmittel zeigen unterschiedliches Verhalten in unterschiedlichen Polymermatrizen und variierenden Konzentrationen. Daher muss auch hier eine Methode gefunden werden, um die Wirkmechanismen eines Flammschutzmittels in Abhängigkeit der genannten Variablen zu untersuchen, um letztendlich die optimalen Bedingungen für die gewünschte Anwendung zu ermitteln. Diese beiden Ausgangspunkte, der Bedarf an einer schnellen Screeningmethode nach Flammschutzmitteleffektivität und der Wunsch nach einer schnellen Untersuchung der Wirkmechanismen von Flammschutzmitteln, sind die Grundlage der vorliegenden Arbeit. Ein Hochdurchsatzverfahren zur Beurteilung der Effektivität von Flammschutzmitteln in Polymerwerkstoffen wurde mit Hilfe eines Messaufbaus realisiert, der auf dem kommerziell verfügbaren mass loss calorimeter basiert. Das daraus hervorgehende rapid mass calorimeter vereint die Vorteile beider heutzutage etablierter Messmethoden, namentlich cone calorimeter und pyrolysis combustion flow calorimeter. Indem die Probengröße einer cone calorimeter- Probe von zehn mal zehn mm² auf zwei mal zwei mm² in der Oberfläche reduziert wurde, konnte die benötigte Messzeit drastisch verringert werden, während die Möglichkeit zur Untersuchung makroskopischer Brandeffekte erhalten werden konnte. Neben dem Ziel, eine verlässliche und reproduzierbare Messmethode mit dem rapid mass calorimeter zu entwickeln, wurde das Brandverhalten der in der Größe reduzierten Proben im Detail analysiert. Die Aussagekraft der mit dem rapid mass calorimeter erhaltenen Resultate wurde durch Korrelationsuntersuchungen mit bereits existierenden Brandtests analysiert. Des Weiteren wird eine Methode zur schnellen Untersuchung der Wirkungsweisen von Flammschutzmitteln in Polymerwerkstoffen vorgestellt. Dabei war es unter anderem das Ziel, den Flaschenhals des gesamten Prozesses von der Probenherstellung wegzubewegen, indem einfach im Labormaßstab herzustellende Polymerharze verwendet werden. Vier verschiedene phosphorbasierte Flammschutzmittel wurden in vier verschiedene polymere Systeme mit variierenden Konzentrationen integriert. Diese Menge an Daten ermöglicht es, verschiedenste Abhängigkeiten der Wirkmechanismen von Flammschutzmitteln zu untersuchen. Die Rolle des in den Flammschutzmitteln enthaltenen Phosphors wurde durch Ermitteln des Phosphorgehalts im Brandrückstand untersucht. Dabei wurden für einige Flammschutzmittel - Polymerharz - Kombinationen interessante Beziehungen gefunden. Zusätzlich wurde die Menge an während des Brandes in die Gasphase austretenden Phosphors berechnet. Dies ermöglichte die Untersuchung der Flammenvergiftung in Abhängigkeit von der Phosphorkonzentration in der Gasphase. Für die meisten Formulierungen wurde dabei eine abklingende Effektivität bei höheren Konzentrationen festgestellt, was auf eine eingeschränkte Wirksamkeit hinweist. Um die Beiträge der einzelnen Flammschutzeffekte zur gesamten Leistung des Flammschutzmittels zu ermitteln, wurden die Ergebnisse quantifiziert. Alles in Allem stellt dieser Teil der vorgelegten Arbeit eine Herangehensweise dar, die es erlaubt, die wichtigsten Wirkungsweisen von Flammschutzmitteln in Polymeren auf schnellem Wege zu identifizieren und zu quantifizieren.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7137
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6430
Exam Date: 12-Oct-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 15-Nov-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::542 Techniken, Ausstattung, Materialien
Subject(s): high throughput
cone calorimeter
rapid mass calorimeter
flame retardant
polymeric materials
Hochdurchsatzverfahren
Flammschutzmittel
Polymermaterialien
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Appears in Collections:Fachgebiet Technische Chemie » Publications

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