Aplikace a zhodnocení novodobých retardérů hoření na bázi grafitu na požární odolnost dřeva

Bc. Daniel Dědič

Master's thesis

Application and evaluation of modern flame retardants based on graphite on wood fire resistance

Abstract:

Tato diplomová práce se zabývá vývojem a aplikací novodobých retardérů hoření na bázi expandovatelného grafitu (Epinikon 25 K + 180) pro zlepšení požární odolnosti dřeva a následným zhodnocením jejich účinnosti. V práci jsou uvedeny a diskutovány současné možnosti požární ochrany dřeva a jejich perspektivní alternativy. Dále je popsán expandovatelný grafit, jakožto nadějný materiál pro zvýšení požární odolnosti dřeva a jsou přiblíženy současné poznatky z jeho výzkumu v této oblasti. Pro dostatečnou soudržnost expandovatelného grafitu se dřevem jsou používány různé surfaktanty. V této práci byly testovány se dřevem biokompatibilní surfaktanty na bázi etherů celulózy (Tylosa MH 300, Lovosa TS 20, Klucel H) a nanoceluloza (CNC). Nejprve došlo k testování nejvhodnějších poměrů koncentrace roztoků surfaktantů a procentuálního zastoupení grafitu ve formulaci s ohledem na to, aby výsledná formulace splňovala dobrou rozpustnost surfaktantu, rovnoměrnou dispergaci částic grafitu v surfaktantu, vhodnou konzistenci nátěru, snadnou aplikaci, rovnoměrnost nátěru, nestékavost ze svislých ploch a soudržnost se dřevem po zaschnutí. U etherů celulózy se osvědčilo použití 1% roztoku surfaktantu ve směsi s 60 hm.% grafitu ve formulaci a u CNC 4% roztok surfaktantu s 80 hm.% grafitu ve formulaci. Efektivnost a účinnost formulací s retardačním účinkem i samotných surfaktantů byla poté ověřena pomocí zkoušky sálavým zdrojem tepla, kde se hodnotil procentuální hmotnostní úbytek zkušebních vzorků a následně se vizuálně zhodnotila soudržnost již expandovaného grafitu se dřevem. Zde bylo u všech zkoušených směsí dosaženo velmi dobrých výsledků z hlediska termické ochrany dřeva, přičemž nejlepších dosáhla formulace termografit – Klucel H, u které relativní ztráta hmotnosti po ukončení zkoušky činila pouze 7,38 %. U ostatních vzorků byla tato hodnota jen mírně nižší a pohybovala se v rozmezí 7,79–7,83 %. U surfaktantů na bázi etherů celulózy se však projevila jejich horší soudržnost po expandování grafitu se dřevem. Naopak příznivých výsledků bylo v tomto ohledu dosaženo u formulace s CNC, kterou lze obecně při komplexním zhodnocení tohoto experimentu doporučit jako nejúčinnější protipožární ochranu ze všech hodnocených. Výsledky této práce zároveň potvrdily, že i samotný nátěr CNC má významné retardační účinky. V případě požadavků na snížení ceny, které by bylo v případě použití etherů celulózy oproti CNC velmi výrazné, je možné cílit i na formulace s Klucelem, u kterých by ještě bylo zapotřebí otestovat některé druhy surfaktantu o nižší viskozitě a pokusit se zlepšit soudržnost vrstvy po expandaci např. pomocí dodatečného povrchového nátěru surfaktantu na aplikovanou formulaci.

Abstract:

This diploma thesis deals with the development and application of modern flame retardants based on expandable graphite (Epinikon 25 K + 180) for improving the fire resistance of wood and the subsequent evaluation of their effectiveness. The work presents and discusses the current options for fire protection of wood and their perspective alternatives. Further, expandable graphite is described as a promising material for increasing the fire resistance of wood, and current findings from its research in this area are presented. Various surfactants are used for sufficient cohesion of expandable graphite with wood. In this work, biocompatible surfactants based on cellulose ethers (Tylosa MH 300, Lovosa TS 20, Klucel H) and nanocellulose (CNC) were tested with wood. First, the most suitable ratios of the concentration of surfactant solutions and the percentage of graphite in the formulation were tested, taking into account that the resulting formulation should meet the good solubility of the surfactant, the uniform dispersion of graphite particles in the surfactant, the appropriate consistency of the coating, easy application, uniformity of the coating, non-flowing from vertical surfaces and cohesion with wood after drying. For cellulose ethers, the use of a 1% surfactant solution mixed with 60 wt.% graphite in the formulation and for CNC a 4% surfactant solution with 80 wt.% graphite in the formulation proved successful. The effectiveness and efficiency of the formulations with a retarding effect and of the surfactants themselves were then verified using a test with a radiant heat source, where the percentage weight loss of the test samples was evaluated. Then the cohesion of the already expanded graphite with the wood was visually evaluated. Here, all tested mixtures achieved very good results regarding thermal protection of wood, with the best achieved by the thermographic formulation - Klucel H, where the relative weight loss after the end of the test was only 7.38 %. For the other samples, this value was only slightly lower and ranged from 7.79-7.83 %. Surfactants based on cellulose ethers, however, showed poorer cohesion after expanding graphite with wood. On the contrary, favourable results were achieved in this regard with the formulation with CNC, which can generally be recommended in a comprehensive evaluation of this experiment as the most effective fire protection of all evaluated. The results of this work also confirmed that the CNC coating itself has significant retarding effects. In case of requirements to reduce the price, which would be very significant in the case of using cellulose ethers compared to CNC, it is also possible to target formulations with Klucel, for which it would still be necessary to test some types of surfactant with lower viscosity and try to improve the cohesion of the layer after expansion e.g. using an additional surface coating of surfactant on the applied formulation.

Keywords

deriváty celulózy, Expandovatelný grafit, nanočástice, požární ochrana dřeva, surfaktanty, nanocelulózové krystaly

Keywords

Expandable graphite, nanoparticles, fire protection of wood, surfactant, nanocellulose crystals, cellulose derivatives

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 27. 5. 2024
• Supervisor: Ing. Tereza Jurczyková, PhD.
• Reader: Elena Kmeťová, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Forestry and Wood Sciences

Master programme:
Wood Engineering