Open this publication in new window or tab >> Show others...
2024 (English) Report (Other academic)
Fördröja brand med molekyler från naturen – tillämpning på textilier
Abstract [en] The aim of this project was to find new environmentally friendly, and safe flame retardants(FR) from bio-based resources such as agricultural waste. The intended application of the FRs was on textiles.
Textiles are used in many different consumer products such as clothes, blankets, carpets, bedsheets, and upholstery, and since they are combustible, they will contribute to a large fire load in a room. One way to increase fire safety in homes and public buildings is to use flame retardants. They can delay the onset of a fire, or reduce the rate of fire spread, which gives opportunity for people to extinguish the fire, or escape in time. However, many flame retardants have been banned because they are bad for the health and/or the environment.
Phytic acid (PA), which is used by plants to store phosphorus, was combined with a few molecules from the group of purines, which are naturally occurring in living systems, and consequently safe. Commonly known purines are caffeine, theobromine, and theophylline, which are found in coffee, tea and chocolate. Other purines are guanine and adenine, which are building blocks in DNA.
Initially, screening tests were performed where PA and different purines were mixed in various ratios and applied on cotton, polyester, or wool. Burning tests and microscale combustion calorimetry (MCC) were used to assess the FR ability. Based on the results from the screening tests, the best mixtures were selected for further testing. The selected mixtures were PA with theophylline (TP) on cotton, and PA with adenine (AD) on cotton and polyester.
In the second phase of the project, the selected mixtures were investigated with cone calorimetry to get information on their heat release properties, and with thermogravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC) to get more detailed information on decomposition temperatures and processes. Nuclear magnetic resonance (NMR) was used to get additional information on the decomposition processes. Scanning electron microscopy (SEM) in combination with energy-dispersive X-ray analysis (EDX) was used to confirm the presence of both PA and purine on the textile, and to compare the surface morphology before and after FR treatment and burning.
Finally, medium scale fire demonstration experiments with a mock-up chair were performed on the best mixture (PA-AD) on cotton and polyester to validate that the small and medium scale experiments are applicable also in scales that are relevant for end-use.
The mixtures showed overall good FR performance, but the best result was on cotton. The results from methods where milligram size samples were used could be scaled up to fire demonstration tests. The main mechanism of action for the FR was charring the textile surface to reduce the amount of flammable pyrolysis gases, but the FR also worked by forming gases which dilute the oxygen and thus prevents the burning process. Endothermic reactions, e.g., degradation of the material, cools the material so that it will be more difficult to ignite, and formation of free radicals can stop the pyrolysis gases before they can react with the oxygen. Overall, the result was a self-extinguishing FR. The FR can also easily be applied on a textile by dipping the item in an aqueous solution.
Abstract [sv] Syftet med detta projekt var att hitta nya miljövänliga och säkra flamskyddsmedel (FR) från biobaserade resurser som jordbruksavfall. Den avsedda tillämpningen av FR var på textilier. Textilier används i många olika konsumentprodukter som kläder, filtar, mattor, lakan och klädslar, och eftersom de är brännbara utgör de en stor brandriskfaktor i ett rum. Ett sätt att öka brandsäkerheten i bostäder och offentliga byggnader är att använda flamskyddsmedel. De kan fördröja uppkomsten av en brand, eller minska brandspridningshastigheten, vilket ger möjlighet för människor att släcka branden, eller fly i tid. Många flamskyddsmedel har dock förbjudits eftersom de är dåliga för hälsan och/eller miljön.
Fytinsyra (PA), som används av växter för att lagra fosfor, kombinerades med olika molekylerfrån gruppen puriner, som förekommer naturligt i levande system och därför är säkra. Allmänt kända puriner är koffein, teobromin och teofyllin, som finns i kaffe, te och choklad. Andra puriner är guanin och adenin, som är byggstenar i DNA. Inledningsvis utfördes screeningtester där PA och olika puriner blandades i olika förhållanden och applicerades på bomull, polyester eller ull. Förbränningstester och förbränningskalorimetri i mikroskala (MCC) användes för att bedöma FR-förmågan. Baserat på resultaten från screeningtesterna valdes de bästa blandningarna ut för vidare testning. De utvalda blandningarna var PA med teofyllin (TP) på bomull och PA med adenin (AD) på bomull och polyester.
I den andra fasen av projektet undersöktes de utvalda blandningarna med konkalorimetri för att få information om deras värmeavgivningsegenskaper, och med termogravimetrisk analys (TGA) och differentiell svepkalorimetri (DSC) för att få mer detaljerad information om nedbrytningstemperaturer och processer. Kärnmagnetisk resonans (NMR) användes för att få ytterligare information om nedbrytningsprocesserna. Svepelektronmikroskopi (SEM) i kombination med energidispersiv röntgenanalys (EDX) användes för att bekräfta förekomsten av både PA och purin på textilien, och för att jämföra ytmorfologin före och efter FR-behandling och bränning. Slutligen utfördes medelstora branddemonstrationsexperiment med en mock-up-stol på den bästa blandningen (PA-AD) på bomull och polyester för att validera att de små och medelstora experimenten är tillämpliga även i skalor som är relevanta för slutanvändning.
Blandningarna visade över lag bra flamskyddsprestanda, men det bästa resultatet var på bomull. Resultaten från metoder där prover i milligramstorlek användes kunde skalas upp till branddemonstrationstester. Den huvudsakliga verkningsmekanismen för FR var att förkolna textilytan för att minska mängden brandfarliga pyrolysgaser, men FR fungerade också genom att bilda gaser som späder ut syret och därmed förhindrar förbränningsprocessen. Endoterma reaktioner, t.ex. nedbrytning av materialet, kyler materialet så att det blir svårare att antända, och fria radikaler som bildas kan reagera med pyrolysgaserna innan de kan reagera med syre. Sammantaget blev resultatet en självslocknande FR som också enkelt kan appliceras på textiliergenom att doppa dessa i en vattenlösning.
Place, publisher, year, edition, pages
Luleå University of Technology, 2024
Series
Brandforsk ; 2024:8
National Category
Environmental Sciences
Research subject
Chemistry of Interfaces; Biochemical Process Engineering; Structural Engineering
Identifiers urn:nbn:se:ltu:diva-110001 (URN)
Funder Brandforsk, 723 009
2024-09-172024-09-172024-09-17 Bibliographically approved