Phosphorus-containing (bio) compounds in combination with expandable graphite: flame retardancy and smoke/toxicity suppression of flexible polyurethane foams through synergistic effects
| dc.contributor.advisor | Auhl, Dietmar | |
| dc.contributor.advisor | Schartel, Bernhard | |
| dc.contributor.author | Chan, Yin Yam | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | |
| dc.contributor.referee | Auhl, Dietmar | |
| dc.contributor.referee | Schartel, Bernhard | |
| dc.date.accepted | 2022-12-16 | |
| dc.date.accessioned | 2023-02-21T10:08:36Z | |
| dc.date.available | 2023-02-21T10:08:36Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Flexible polyurethane foam (FPUF) is prone to fire due to its open-cell structure, and the chemical composition of FPUF is mainly composed of hydrocarbons which are flammable. To improve the flame retardancy, halogenated flame retardants, such as chlorine- and bromine-containing compounds, were commonly used in FPUF in the industry. Since halogenated flame retardants are poisonous to the living organisms and the environment, they are being replaced by halogen-free flame retardants. Therefore, the cooperation partner synthesized a series of novel phosphorus-nitrogen-containing 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO) derivative salts and a novel liquid phosphorus-containing flame retardant (P-FR) - bis([dimethoxyphosphoryl]methyl) phenyl phosphate (BDMPP) and applied them in FPUF. The fire behavior of these FPUF foams were investigated in the first part of this work. This scientific work mainly focuses on enhancing the flame retardancy and suppressing smoke of FPUF during burning by using the synergistic effect between halogen-free (bio-based) P-FRs and expandable graphite (EG). The highlight is that a phosphorus-grafted soybean-based polyol was synthesized and was applied in FPUF along with EG. The fire residue reveals that there is a synergistic effect of P-FR and EG in the condensed phase, and the concentration of phosphorus compound exhibits non-linear behavior in terms of flame retardancy. Apart from the phosphorus-grafted soybean-based polyol, BDMPP was also added into FPUF along with EG. The results from the fire tests of FPUF containing BDMPP and EG also show an excellent synergistic effect between P-FR and EG. As overexploitation of petroleum is a hot topic in recent decades, using renewable resources such as plant oils is an approach to reduce the use of petrochemical products. Besides soybean oil, castor oil was used to increase the biological content of FPUF. Combined with other commercial flame retardants and additives, fire performance and smoke behavior of the FPUF were investigated. The combination of P-FR and EG shows also in these systems a very promising synergistic effect in FPUF. Understanding the fire phenomena of polyurethane foam (PUF) is a key to improve its flame retardancy. Therefore, the work clearly depicted the chemical components and the physical structure of PUF and proposed the burning behavior of PUF when it is subjected to a heat flux on top. The synergistic effect between P-FR and EG was described in detail, and the use of renewable feedstocks in PUF was discussed to provide insights into the topic of sustainability. The combination of P-FR and EG is generally the first choice used in the industry for greatly enhancing flame retardancy of PUF. Three industrial benchmark PUFs containing P-FR and EG used in different applications to fulfill challenging demands were investigated and analyzed. Thus, the current state-of-the-art was discussed. The combination of P-FR and EG is the best-in-class multicomponent in terms of flame retardancy and smoke behavior in PUFs. Through different fire tests, this work comprehensively investigated the synergistic effect between P-FR and EG in PUF, especially FPUF, to enable evidence-based development of more effective multicomponent flame retardant system for PUF in the future. | en |
| dc.description.abstract | Polyurethan-Weichschaum (FPUF) ist aufgrund seiner offenzelligen Struktur anfällig für Brände. FPUF besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen, die brennbar sind. Um den Flammschutz zu verbessern, wurden in der Industrie häufig halogenierte Flammschutzmittel, wie chlor- und bromhaltige Verbindungen, in FPUF eingesetzt. Da halogenierte Flammschutzmittel giftig für Lebewesen und die Umwelt sind, werden sie durch halogenfreie Flammschutzmittel ersetzt. Daher synthetisierte der Kooperationspartner eine Reihe neuartiger phosphor-stickstoffhaltiger 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid (DOPO)-Derivatsalze und ein neuartiges flüssiges phosphorhaltiges Flammschutzmittel (P-FR) - Bis([dimethoxyphosphoryl]methyl)phenylphosphat (BDMPP) und setzte sie in FPUF ein. Das Brandverhalten dieser FPUF wurde im ersten Teil dieser Arbeit untersucht. Diese wissenschaftliche Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die Erhöhung der Flammwidrigkeit und die Unterdrückung des Rauches von FPUF während der Verbrennung durch die Nutzung des Synergieeffekts zwischen halogenfreien (biobasierten) phosphorhaltigen Flammschutzmitteln und expandierbarem Graphit (EG). Der Clou ist, dass ein phosphorgepfropftes Polyol auf Sojabasis synthetisiert und zusammen mit EG in FPUF eingesetzt wurde. Der Brandrückstand zeigt, dass es einen synergistischen Effekt von Phosphor und EG in der kondensierten Phase gibt, und die Konzentration der Phosphorverbindung zeigt ein nichtlineares Verhalten in Bezug auf die Flammhemmung. Neben dem mit Phosphor gepfropften Polyol auf Sojabasis wurde dem FPUF auch BDMPP zusammen mit EG zugesetzt. Die Ergebnisse der Brandtests von FPUF, die BDMPP und EG enthalten, zeigen ebenfalls einen hervorragenden Synergieeffekt zwischen P-FR und EG. Da die übermäßige Ausbeutung von Erdöl in den letzten Jahrzehnten ein heißes Thema ist, ist die Verwendung erneuerbarer Ressourcen wie Pflanzenöle ein Ansatz, um die Verwendung von petrochemischen Produkten zu reduzieren. Neben Sojaöl wurde auch Rizinusöl verwendet, um den biologischen Gehalt von FPUF zu erhöhen. In Kombination mit anderen handelsüblichen Flammschutzmitteln und Additiven wurden das Brandverhalten und das Rauchverhalten von FPUF untersucht. Die Kombination von P-FR und EG zeigt auch in diesen Systemen einen vielversprechenden Synergieeffekt in FPUF. Das Verständnis der Brandphänomene von Polyurethanschaum (PUF) ist ein Schlüssel zur Verbesserung seines Flammschutzes. Daher wurden in der Arbeit die chemischen Komponenten und die physikalische Struktur von PUF klar dargestellt und das Brennverhalten von PUF vorgeschlagen, wenn es einem Wärmestrom von oben ausgesetzt wird. Der Synergieeffekt zwischen P-FR und EG wurde detailliert beschrieben, und die Verwendung von erneuerbaren Rohstoffen in PUF wurde diskutiert, um Einblicke in das Thema Nachhaltigkeit zu geben. Die Kombination von P-FR und EG ist in der Regel auch die erste Wahl in der Industrie, um die Flammhemmung von PUF extrem zu verbessern. Drei industrielle Benchmark-PUFs, die P-FR und EG enthalten und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, um die höchsten Anforderungen zu erfüllen, wurden untersucht und analysiert. Es wurde somit der Aktuelle Stand der Technik diskutiert. Die Kombination von P-FR und EG stellt die klassenbeste Mehrkomponente in Bezug auf Flammschutz und Rauchverhalten in PUFs ist. Anhand verschiedener Brandtests wurde in dieser Arbeit der Synergieeffekt zwischen P-FR und EG in PUF, insbesondere FPUF, umfassend untersucht, um in Zukunft wissensbasiert ein effektiveres Mehrkomponenten-Flammschutzsystem für PUF zu entwickeln. | de |
| dc.description.sponsorship | DFG, 392201417, Synthese von P-/Si-(Bio-)Polyolen und maßgeschneiderten katalytischen Nanofüllstoffen: Verbesserung des Flammschutzes und Rauch/Toxizitätsminderung von flexiblen PU-Schäumen | |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/18229 | |
| dc.identifier.uri | https://doi.org/10.14279/depositonce-17022 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights.uri | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ | |
| dc.subject.ddc | 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften | de |
| dc.subject.ddc | 500 Naturwissenschaften und Mathematik | de |
| dc.subject.other | synergistic effect | en |
| dc.subject.other | phosphorus-containing flame retardant | en |
| dc.subject.other | expandable graphite | en |
| dc.subject.other | polyurethane foam | en |
| dc.subject.other | bio-based | en |
| dc.subject.other | synergistischer Effekt | de |
| dc.subject.other | phosphorhaltiges Flammschutzmittel | de |
| dc.subject.other | Blähgraphit | de |
| dc.subject.other | Polyurethanschaum | de |
| dc.subject.other | biobasiert | de |
| dc.title | Phosphorus-containing (bio) compounds in combination with expandable graphite: flame retardancy and smoke/toxicity suppression of flexible polyurethane foams through synergistic effects | en |
| dc.title.translated | Phosphorhaltige (Bio-)Verbindungen in Kombination mit Blähgraphit: Flammschutz und Rauch-/Toxizitätsunterdrückung von Polyurethan-Weichschaumstoffen durch synergistische Effekte | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | |
| dc.type.version | acceptedVersion | |
| dcterms.rightsHolder.reference | Deposit-Lizenz (Erstveröffentlichung) | |
| tub.accessrights.dnb | domain | |
| tub.affiliation | Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien::FG Polymertechnik und Polymerphysik | |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin |