Bio-based flame retardant for sustainable building materials

Abstract

As new promising alternatives, novel bio-based materials are already developed to apply in construction sectors due to biodegradability, low toxicity, sustainability, renewability, and acceptable general properties. However, their flammability and need to guarantee a low fire risk in the constructions is also an essential factor to restrict their further application. This thesis focused on investigation of bio-based material with good flame-retardant performance and corresponding flame-retardant mechanism. The detailed investigation was developed by following stages: synthesis of bio-based flame retardant and its application in PLA; effect of bio-based flame retardant on the fire resistance and other properties of natural fiber reinforced PLA. Finally, the smouldering and combustion performances of the bio-based thermal insulation material made from natural fiber were studied as well.

1) On basis of bio-based concept, PA and THAM were selected as raw material to synthesize a novel flame retardant and the chemical structure was confirmed via some characterizations. Afterwards, this synthetic product PA-THAM was employed as an efficient flame retardant to PLA by melt mixing. This binary system showed an improvement in flame retardancy, which was achieved by a combination of heat transfer effect, slight dilution and barrier action. For example, only 3 wt% loading of PA-THAM imparted PLA-based biocomposite LOI value of 25.8% and UL 94 V-0 level, as well as a significant self-extinguishing ability was observed. Besides, the molten viscosity of biocomposite also demonstrated more reduction compared with neat PLA due to the lubrication of PA-THAM, while there was little change in the mechanical properties.

2) PA-THAM and corn pith cellulose (OCC) were combined via in-situ modification and used to prepare a PLA-based biocomposite. After OCC was modified by PA-THAM successfully, which was proved by SEM/ EDS, FTIR, and TGA, the effect of PA-THAM on thermal stability and fire behaviors of PLA-based composite were also investigated accordingly. 5 phr addition of PA-THAM enabled this natural fiber reinforced polymer biocomposite (NPC) to illustrate a 50 °C higher temperature at maximum degradation rate than control sample without additive, and an improvement was also obtained in flame retardant properties with an increase of LOI value, a reduction of PHRR, and more char residue. The predominant flame-retardant mechanism focused on the synergistic effect of PA-THAM and OCC that occurred in condensed phase. Besides, the same level introduction of PA-THAM improved the interfacial affinity between PLA and OCC that maintained good mechanical properties as well.

3) A bio-based thermal insulation material was made from corn pith cellulose, alginate, and bio-efficient flame retardants. After introducing these bio-based additives, the smouldering and flaming combustion behaviors were improved significantly. Compared with the reference sample, thermal insulation particleboard with 8 wt% loading of a mixture of PA-THAM and a sodium borate salt (DOT) increased the initial temperature of smoldering ignition by 70 ºC, and meanwhile, the value of PHRR in flaming combustion decreased by 25.5%. Furthermore, the thermal conductivity was hardly affected, while the temperature at which the maximum thermal degradation occured increased. The correlative flame retardant mechanism was attributed to a synergistic effect from both flame retardants, which promoted a formation of more stable charring layer at initial stage.

Los materiales de base biológica ofrecen una alternativa prometedora para aplicaciones en el sector de la construcción, debido a que se trata de materiales biodegradables, renovables y de baja toxicidad. Sin embargo, su capacidad de inflamar y la necesidad de mantener un bajo riesgo frente a incendios en los edificios es un factor esencial para restringir su posterior aplicación. Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de materiales de base biológica con buen comportamiento frente al fuego y la investigación de los mecanismos de los retardantes de llama involucrados. La investigación se desarrolló en tres etapas que se detallan a continuación. 1) Partiendo del concepto de base biológica, se seleccionaron PA y THAM como materias primas para sintetizar un nuevo retardante de llama y la estructura química se confirmó mediante la caracterización del compuesto resultante. Posteriormente, este producto sintético PA-THAM se empleó como un retardante de llama eficiente para PLA mediante mezcla fundida. Este sistema binario mostró una mejora en la resistencia al fuego, que se logró mediante una combinación de los efectos de transferencia de calor, ligera dilución y acción barrera. Por ejemplo, con sólo un 3% en peso de carga de PA-THAM se logró un valor de LOI de 25,8% del compuesto de PLA y un nivel UL 94 V-0, así como una capacidad de autoextinción significativa. Además, la viscosidad fundida del biocompuesto también se redujo en relación a la del PLA puro debido a la lubricación ejercida por el PA-THAM. Por otro lado, la adición del retardante ocasionó pocos cambios en las propiedades mecánicas. 2) El retardante basado en PA-THAM y la fracción fina obtenida triturando la médula de maíz (OCC) se combinaron mediante modificación in situ y se usaron para preparar un biocompuesto basado en PLA. La médula de maíz fue modificada con éxito con el PA-THAM, la cual cosa se demostró por SEM / EDS, FTIR y TGA, el efecto de PA-THAM sobre la estabilidad térmica y el comportamiento al fuego del material compuesto a base de PLA también fueron investigados. La adición de 5 phr de PA-THAM permitió a este biocompuesto reforzado con fibras naturales (NPC) alcanzar una temperatura 50 °C más alta en el punto de degradación máximo comparado con la muestra de control sin aditivo. También se obtuvo una mejora en el comportamiento al fuego con un aumento del valor de LOI, una reducción del pico máximo del ritmo de liberación de calor (PHRR), y una mayor formación de residuo carbonizado. El mecanismo ignífugo predominante se centró en el efecto sinérgico del PA-THAM y la OCC que ocurrió en la fase condensada. Además, el mismo nivel de introducción de PA-THAM mejoró la afinidad interfacial entre PLA y OCC que también mantuvo buenas propiedades mecánicas. 3) Se prepararon muestras de un material de aislamiento térmico de base biológica a partir de médula de maíz, alginato y retardantes de llama de origen biológico. La adición del retardante de llama de base biológica logró mejorar significativamente el comportamiento al fuego, y el fenómeno de combustión sin llama (smouldering). En comparación con la muestra de referencia, el panel aislante con una carga de 8% en peso de una mezcla de PA-THAM y una sal de borato de sodio (DOT) aumentó la temperatura inicial a la que se produce la combustión sin llama en 70 ºC y, permitió reducir el valor de PHRR en un 25.5%. Además, la conductividad térmica apenas se vio afectada, mientras que la temperatura a la que se produce el valor máximo de degradación térmica aumentó notablemente. El análisis del mecanismo de acción de los retardantes reveló la existencia de un efecto sinérgico de ambos retardantes de llama, que promovió la formación de una capa de carbonización más estable en la etapa inicial.