Effect of various additives on performance of polyester coating as fire protection material for steel
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2014-06-23
Department
Major/Subject
Soveltava materiaalitiede
Mcode
MT3001
Degree programme
MTE - Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
89 + 7
Series
Abstract
Intumescent coatings are fire protection materials which expand due to the heat of a fire. High porosity and thickness of the expanded layer provide it with a high thermal resistance. Organic intumescent coatings also transform into a thermally stable char. Intumescent coatings have four basic components: a gas source, a binder, a charring catalyst and a carbon source. Thermal decomposition of the gas source produces bubbles in the binder material, while the charring catalyst reacts with the carbon source into char. The components should be compatible with each other and the binder should have an appropriate viscosity to trap the gas being generated. The produced char should have a high porosity, a small pore size and a uniform structure. In addition, it should be mechanically and thermally stable. A polyester coating was modified by introducing various additives into it with the purpose of increasing thermal resistance it has during a fire. Ammonium polyphosphate (charring catalyst), pentaerythritol (carbon source) and melamine (gas source) were added into the coating. Effects of Mg(OH)2, Mg(OH)2-SiO2 core-shell particles, SiO2 microspheres and graphene oxide on the performance of the intumescent formulation were studied. A custom fire test using a Bunsen burner was developed for this purpose. Further testing was performed using a cone heater of a standard cone calorimeter. A 400 micrometre coating using a composition with 50 m-% of a mixture of ammonium polyphosphate, pentaerythritol and melamine (molar ratio 2:1:1) expanded by a factor of 19 in the custom fire test and showed improvement in thermal resistance compared to the unmodified coating. Its expansion was reduced by low coating viscosity during fire testing. Other additives had an adverse effect on the performance of the coating. Mg(OH)2 and SiO2 increased the viscosity of the coating, but the 400 micrometre coatings with these additives had low expansion factors. In the fire tests using the cone heater, all compositions failed to expand and provided little insulation.Paisuvat pinnoitteet laajenevat lämmön vaikutuksesta, muodostaen paksun ja huokoisen kerroksen, joka suojaa tulipalon vaikutukselta. Paisumisen yhteydessä orgaaniset paisuvat pinnoitteet myös hiiltyvät termisesti vakaaksi aineeksi. Paisuvat pinnoitteet koostuvat neljästä peruskomponentista, jotka ovat kaasun lähde, sideaine, hiiltymisen katalytti ja hiilen lähde. Hajotessaan lämmön vaikutuksesta kaasun lähde muodostaa kuplia sideaineeseen. Hiiltymisen katalyytti puolestaan reagoi hiilen lähteen kanssa muodostaen hiiltymää. Jotta materiaali paisuisi tehokkaasti, käytettyjen lisäaineiden tulee sopia keskenään yhteen ja sideaineen viskositeetin on oltava sopiva estääkseen kaasujen karkaamisen. Paisunut hiiltymä suojaa tehokkaasti alustaansa, jos sillä on korkea huokoisuus, pieni huokoskoko ja tasainen rakenne sekä jos se on sitkeää ja termisesti vakaata. Polyesteripinnoitteen palosuojaominaisuuksia pyrittiin parantamaan sekoittamalla siihen eri lisäaineita. Ammoniumpolyfosfaattia (hiiltymisen katalyytti), pentaerytritolia (hiilen lähde) ja melamiinia (kaasun lähde) lisättiin pinnoitteeseen, jotta se paisuisi lämmön vaikutuksesta. Mg(OH)2:n, Mg(OH)2-SiO2 core-shell hiukkasten, tyhjien SiO2 mikrokapselien ja grafeenioksidin vaikutusta seokseen tutkittiin. Tutkimusta varten kehitettiin bunsenpoltinta käyttävä tulikoemenetelmä. Jatkotutkimuksia tehtiin kartiokalorimetriä käyttäen. 400 mikrometrin paksuinen pinnoite, joka sisälsi 50 m-% ammoniumpolyfosfaattia, pentaerytritolia ja melamiinia moolisuhteissa 2:1:1, paisui kehitetyssä koejärjestelyssä 19-kertaiseksi ja toimi huomattavasti parempana eristeenä kuin alkuperäinen polyesteripinnoite. Lisäaineiden tehoa vaikutti heikentävän pinnoitteen matala viskositeetti tulikokeen aikana. Mg(OH)2 ja SiO2 vaikuttivat kasvattavan sulaneen pinnoitteen viskositeettia, mutta niiden läsnäolo kuitenkin vähensi pinnoitteen paisumakerrointa. Kartiokalorimetria käyttävissä tulikokeissa yksikään tutkittu näyte ei paisunut, mistä johtuen ne eivät kyenneet toimimaan tehokkaina eristeinä.Description
Supervisor
Hannula, Simo-PekkaThesis advisor
Larismaa, JuhaChen, Qian
Keywords
intumescent coating, steel, DFT, viscosity, polyester, APP, pentaerythritol, melamine, magnesium hydroxide, graphene oxide, silica, encapsulation, W/O, sol-gel, paisuva pinnoite, teräs, kalvonpaksuus, viskositeetti, polyesteri, APP, pentaerytritoli, melamiini, magnesiumhydroksidi, grafeenioksidi, piidioksidi, kapselointi, W/O, sooli-geeli
