Autor: AO, Xiang
Título: Flame-retardant Fiber-reinforced Thermoset Composites: Preparation, Characterization, and Fire Behavior
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS AGRONOMOS
Departamento: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/85038/
Director/a(s):
- Director/a: WANG, De-Yi
- Director/a: GONZÁLEZ MARTÍNEZ, Carlos Daniel
Resumen: Fiber-reinforced polymer composites (FRPs) with thermoset matrices are valued for their high specific stiffness, strength, and lightweight properties. However, their vulnerability to fire, along with the release of heat, smoke, and toxicity, limits their broader application. Thermoset FRPs soften, decompose, and collapse under combustion, making it critical to develop flame-retardant versions with lower fire hazards, improved fire insulation, and delayed mechanical integrity loss. Despite progress in flame-retardant materials, efforts to boost heat/fire insulation and maintain mechanical integrity during fire are still limited. Besides, current testing methods for fireproofing FRPs are time-consuming and require significant materials. To tackle these challenges, this thesis aims to: (a) develop flame-retardant FRPs with lower fire hazards like heat and smoke; (b) create composites with better insulation; (c) design a bench-scale device for easier validation of these materials. (1) In Chapter 3, bilayer epoxy resin-based coating layers were designed, formulated, and blade-coated onto the substrate of fiberglass thermoset composites. The peak heat release rate (PHRR) and total smoke release (TSP) were lowered by 50% and 65% respectively when added bilayer coating layers. The heat/fire insulation properties for the bilayer-coated sample were enhanced, with backside temperatures kept at less than 300 with no fire burn-through. (2) In Chapter 4, a cobalt-based nanohybrid was ingeniously designed, synthesized, and employed as a highly efficient synergist for commercial ammonium polyphosphate-filled bio-epoxy resin and its fiberglass composites. The filled resin showed a 74% reduction of PHRR due to its enhanced intumescent effect. Nevertheless, the intumescent effect was significantly retarded in fiberglass composite, showing only a 36% reduction of PHRR. Besides, the heat/fire insulation properties were only slightly improved after adding the synergist. (3) In Chapter 5, a bench scale mechanical testing machine was designed, manufactured, and mounted on a widely used cone calorimeter aiming to validate of fire protective effects of the composites designed in Chapters 3 and 4 in a facile, material-saving manner. The machine was produced and calibrated. The fire protective coating showed higher efficacy in delaying in-plane axial mechanical loss under static force and fire damage compared to flame retardants added into the polymer matrix. Besides, protective effects were also found in postponing the loss of off-axial mechanical properties. The usage of the derived heat release information was also discussed. (4) In Chapter 6, a facile, chitosan/phytic acid-based polyelectrolyte coating was synthesized, and dip-coated on the surface of flax fabrics. The treated flax fabric showed self-extinguishing properties with low burnt length. The modified plant fiber/epoxy composite showed a reduction of PHRR by 36% and slowed mass decomposition. Heat/fire insulation tests also showed more than a 200% increase in resist-to-burn through time. In conclusion, the above research findings highlight the benefits and limitations of different flame-retardant strategies, providing insights for advancing FRP designs from coupon to component levels. RESUMEN Los compuestos poliméricos reforzados con fibras (FRPs) con matrices termoestables son valorados por su elevada rigidez específica, resistencia y ligereza. Sin embargo, su vulnerabilidad al fuego, junto con la liberación de calor, humo y toxicidad, limita su aplicación más amplia. Los FRP termoestables se ablandan, descomponen y colapsan con la combustión, por lo que es fundamental desarrollar versiones ignífugas con menor riesgo de incendio, mejor aislamiento contra el fuego y pérdida retardada de la integridad mecánica. A pesar de los avances en los materiales ignífugos, los esfuerzos para mejorar el aislamiento térmico y mantener la integridad mecánica durante el incendio siguen siendo limitados. Los métodos de ensayo actuales para la ignifugación de los FRPs llevan mucho tiempo y requieren una gran cantidad de materiales. Para hacer frente a estos retos, esta tesis pretende: (a) desarrollar FRP ignífugos con menores riesgos de incendio como el calor y el humo; (b) crear composites con mejor aislamiento; (c) diseñar un dispositivo a escala de banco para facilitar la validación de estos materiales. (1) En el capítulo 3, se diseñaron, formularon y aplicaron capas de revestimiento bicapa a base de resina epoxi sobre el sustrato de compuestos termoestables de fibra de vidrio. La tasa máxima de liberación de calor (PHRR) y la liberación total de humo (TSP) se redujeron en un 50% y un 65% respectivamente cuando se añadieron capas de revestimiento bicapa. Se mejoraron las propiedades de aislamiento térmico y contra incendios de la muestra recubierta con bicapa, y las temperaturas de la cara posterior se mantuvieron por debajo de 300 sin que se produjeran quemaduras por incendio. (2) En el capítulo 4, se diseñó, sintetizó y empleó ingeniosamente un nanohíbrido a base de cobalto como sinergista altamente eficaz para la resina bio-epoxi comercial rellena de polifosfato de amonio y sus compuestos de fibra de vidrio. La resina rellena mostró una reducción del 74% de PHRR debido a su efecto intumescente mejorado. Sin embargo, el efecto intumescente fue significativamente retardado en el compuesto de fibra de vidrio, mostrando sólo una reducción del 36% de PHRR. Además, las propiedades de aislamiento térmico mejoraron sólo ligeramente tras la adición del sinergista. (3) En el capítulo 5, se diseñó, fabricó y montó una máquina de ensayos mecánicos a escala de banco en un calorímetro de cono ampliamente utilizado con el objetivo de validar los efectos protectores contra el fuego de los materiales compuestos diseñados en los capítulos 3 y 4 de una manera sencilla y con ahorro de material. La máquina fue fabricada y calibrada. El recubrimiento protector contra el fuego mostró una mayor eficacia en el retraso de la pérdida mecánica axial en el plano bajo fuerza estática y daño por fuego en comparación con los retardantes de llama añadidos en la matriz polimérica. Además, también se observaron efectos protectores en el aplazamiento de la pérdida de propiedades mecánicas fuera del eje. También se discutió el uso de la información derivada de la liberación de calor. (4) En el capítulo 6, se sintetizó un recubrimiento polielectrolítico fácil a base de quitosano/ácido fítico y se aplicó por inmersión sobre la superficie de tejidos de lino. El tejido de lino tratado mostró propiedades autoextinguibles con baja longitud de quemado. El compuesto modificado de fibra vegetal y epoxi mostró una reducción de la PHRR del 36% y una descomposición más lenta de la masa. Las pruebas de aislamiento del calor/fuego también mostraron un aumento de más del 200% en la resistencia a la combustión a lo largo del tiempo. En conclusión, los resultados de esta investigación ponen de relieve las ventajas y limitaciones de las diferentes estrategias de retardancia de llama, y proporcionan información para avanzar en los diseños de FRP desde el nivel de cupón hasta el de componente.