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Investigations on the influences of paper intrinsic properties and flame retardants on paper materials fire properties

Schäfer, Felix (2023)
Investigations on the influences of paper intrinsic properties and flame retardants on paper materials fire properties.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023657
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Investigations on the influences of paper intrinsic properties and flame retardants on paper materials fire properties
Language: English
Referees: Biesalski, Prof. Dr. Markus ; Pfaendner, Prof. Dr. Rudolf
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: II, 154 Seiten
Date of oral examination: 3 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023657
Abstract:

The use of materials made from renewable raw materials, such as paper, has increased more and more due to the steadily growing idea of sustainability. The very good properties of paper and the possibility of individually adjusting these properties through the manufacturing process or a variety of additives and modifications offer a very wide range of possible applications. In this context, it is essential for effective use to generate an understanding of the changed intrinsic properties in the paper and thus optimize them for applications. In relation to the flame retardancy of paper, the influence of intrinsic paper properties on fire behaviour should therefore first be fundamentally investigated. To better understand this interaction systematically, a matrix of papers with gradually different intrinsic properties was created and the fire behaviour of these was first analysed. By developing a video analysis method, it was possible to map the variations in the burning speeds. The key finding was that increasing calendering leads to increasing burning speeds, which contradicts the common view of the fire behaviour of compacted materials. To define the reason for this behaviour, the results of this analysis were correlated with the intrinsic properties and the influence of increasing thermal conductivity could be proposed as the central conclusion. Here, the increasing thermal conductivity resulted from an increase in density and specific heat capacity, which increases due to the shift in the ratios of crystalline and amorphous fractions caused by calendering. Subsequently, the influence of the paper on the flame retardancy was investigated. The influence of papers made from bleached and unbleached fibers on the effectiveness of flame retardants was analysed. Bio-based phosphate flame retardants were used for flame retardancy. A correlation was observed between the amount and type of flame retardants applied to both papers and the decrease in heat release rate and total heat release. A subsequent investigation of the decomposition mechanism allowed a hypothesis to be made regarding the influence of the paper types. A poorer effectiveness of the flame retardants on the papers made of unbleached fibers was found, which allowed the conclusion that the remaining lignin on the unbleached fibers hinders the flame retardant mechanism of the phosphate groups. These obtained results are of great importance for the understanding of the influence of intrinsic properties of papers on fire behaviour and flame retardancy, as they allow further optimization of paper as a material in ever new fields of application.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der Einsatz von Materialen aus nachwachsenden Rohstoffen wie zum Beispiel Papier hat aufgrund des stetig steigenden Nachhaltigkeitsgedankens immer mehr zugenommen. Dabei bieten die sehr guten Eigenschaften von Papier und vor allem die Möglichkeit der individuellen Einstellung dieser Eigenschaften durch das Herstellverfahren oder eine Vielzahl von Additivierungen und Modifizierungen ein sehr breites Spektrum an möglichen Einsatzgebieten. Hierbei ist es für den effektiven Einsatz essenziell ein Verständnis für die veränderten intrinsischen Eigenschaften im Papier zu generieren und somit für Anwendungen zu optimieren. Bezogen auf den Flammschutz von Papier sollte deswegen zunächst der Einfluss von papierintrinsischen Eigenschaften auf das Brandverhalten grundlegend untersucht werden. Um dieses Zusammenspiel systematisch besser zu verstehen, wurde eine Matrix an Papieren mit graduell unterschiedlichen intrinsischen Eigenschaften erstellt und von diesen zunächst das Brandverhalten analysiert. Durch die Entwicklung einer geeigneten Videoanalysemethode konnten die Variationen in den Brandgeschwindigkeiten abgebildet werden. Als zentrales Ergebnis konnte festgestellt werden, dass eine steigende Kalandrierung zu einer steigenden Brandgeschwindigkeit führt, was der gängigen Ansicht über das Brandverhalten von verdichteten Materialien widerspricht. Um den Grund für dieses Verhalten zu definieren, wurden die Ergebnisse dieser Analyse mit den intrinsischen Eigenschaften korreliert und als zentrale Schlussfolgerung konnte der Einfluss der steigenden Wärmeleitfähigkeit vorgeschlagen werden. Die steigende Wärmeleitfähigkeit resultierte dabei aus einer Zunahme der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität, welche sich aufgrund des Verschiebens der Verhältnisse von kristallinen und amorphen Anteilen durch das Kalandrieren erhöht. Anschließend wurde der Einfluss des Papiers auf den Flammschutz untersucht. Dabei wurde der Einfluss von Papieren, hergestellt aus gebleichten und ungebleichten Fasern, auf die Effektivität der Flammschutzmittel analysiert. Für den Flammschutz wurden bio-basierte Phosphatflammschutzmittel eingesetzt. Es konnte eine Korrelation zwischen Menge und Art der aufgebrachten Flammschutzmittel auf beiden Papieren und der Abnahme der Wärmefreisetzungsrate und Gesamtwärmefreisetzung beobachtet werden. Durch eine anschließende Untersuchung des Zersetzungsmechanismus konnte eine Hypothese zum Einfluss der Papiertypen aufgestellt werden. Festgestellt wurde eine schlechtere Effektivität der Flammschutzmittel auf den Papieren aus ungebleichten Fasern, was den Rückschluss ermöglichte, dass das verbleibende Lignin auf den ungebleichten Fasern den Flammschutzmechanismus der Phosphatgruppen hindert. Diese erhaltenen Ergebnisse sind für das Verständnis des Einflusses der intrinsischen Eigenschaften von Papieren auf das Brandverhalten und den Flammschutz von großer Bedeutung, da sie eine weitere Optimierung des Materials Papier in immer neuen Anwendungsgebieten ermöglichen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-236575
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Makromolekulare Chemie > Macromolecular and paper chemistry
Date Deposited: 09 May 2023 12:09
Last Modified: 10 May 2023 06:20
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23657
PPN: 50763036X
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