Impact of the intumescent formulation of styrene acrylic-based coatings on the fire performance of thin painted red lauan (Parashorea spp.) plywood

Abstract

Intumescent material with commercial resin, such as styrene acrylic copolymer resin, has been demonstrated to be extremely effective in improving the fire performance of wooden materials used for indoor furnishing. The formulation of the coating is a key to its ability to improve flame retardance. This study investigates the enhancement for painted thin red lauan (Parashorea spp.) plywood. The ability of the material to retard flame arises due to the interactions between the four major components of intumescent formulation: (1) a binder resin (BR), styrene acrylic emulsion resin, (2) a carbonizing substance (CS), pentaerythritol (3) a foam producing substance (FPS), melamine and (4) a dehydrating agent (DA), ammonium polyphosphate. This paper compares the fire performance of the plywood when coated with resin of differing BR/CS ratios (designated as the FRS series) and FPS/DA ratios (designated as the FRD series), by means of a cone calorimeter. These intumescent formulations significantly enhanced the fire retardancy of painted plywood, exhibiting lower peak heat release rates, higher expansion of the intumescent layer and longer time to peak heat release rates (PHRR), when compared to plywood panels coated with sole binder resin. However, worse performance was presented when compared with the data for uncoated plywood panels if the intumescent was produced by equal ratio of the four components. Therefore, the formulation of the intumescent is important. Additionally, lower BR contents in the FRS series and lower FPS contents in the FRD series further enhanced flame retardancy. Advanced investigation by IR and ³¹P NMR demonstrated that lower BR and FPS content extends the survival duration of the phosphor-carbonaceous structure of chars. The findings in this study enhance the state-of-the-art understanding of the effect of the intumescent.

Zusammenfassung

Schaumschichtbildner mit handelsüblichem Harz, wie zum Beispiel Styrol-Acryl Kopolymerharz, haben sich als äußerst effektiv zur Verbesserung des Brandverhaltens von im Innenausbau verwendeten Holzprodukten erwiesen. Entscheidend für die Brandschutzwirkung ist die Rezeptur der Beschichtung. Dies wurde hier am Beispiel von beschichtetem dünnen Lauansperrholz (Parashorea spp.) untersucht. Die flammenhemmende Eigenschaft ist auf das Zusammenwirken der vier Hauptkomponenten von schaumschichtbildenden Beschichtungen zurückzuführen: 1) einem Harzbinder (BR), Styrol-Acryl-Emulsionsharz, 2) einer verkohlungswirkenden Substanz (CS) Pentaerythrit, 3) einer Schaum bildenden Substanz (FPS) Melamin, und 4) einem Entwässerungsmittel (DA) Ammoniumpolyphosphat. In dieser Studie wird mit Hilfe von Kone-Kalorimeter Messungen das Brandverhalten des Sperrholzes untersucht, das mit Harz mit unterschiedlichen BR/CS-Anteilen (als FRS-Serie bezeichnet) und PFS/DA-Anteilen (als FRD-Serie bezeichnet) beschichtet worden ist. Diese schaumschichtbildenden Beschichtungen haben den Feuerwiderstand von beschichtetem Sperrholz signifikant erhöht. Im Vergleich zu nur mit Harzbinder beschichteten Sperrholzplatten ergaben sich dabei geringere Peaks für die Wärmefreisetzungsraten, eine höhere Ausbreitung der schaumschichtbildenden Schicht und eine längere Dauer bis zum Erreichen der maximalen Wärmefreisetzungsrate (PHRR). Brandschutzbeschichtungen mit gleichen Anteilen aller vier Komponenten zeigten im Vergleich zu den unbeschichteten Sperrholzplatten jedoch ein schlechteres Verhalten. Deswegen spielt die Rezeptur der Brandschutzbeschichtung eine wichtige Rolle. Des Weiteren zeigte sich, dass ein niedrigerer BR-Gehalt in den FRS-Serien und ein niedrigerer FPS-Gehalt in den FRD-Serien die Flammenhemmung weiter verbesserten. Untersuchungen mittels IR und ³¹P NMR ergaben, dass ein niedrigerer BR- und FPS-Gehalt die Überlebensdauer der Phosphor-Karbonstruktur der verkohlten Schicht verlängert hat. Die Ergebnisse dieser Studie geben einen tieferen Einblick in die Wirkung einer Brandschutzbeschichtung.