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Philipp Hagemann
Verhalten der Halogene Fluor, Chlor und Brom bei Verbrennungsprozessen am Beispiel von halogenierten Kunststoffen
Ziel dieser Arbeit war es, sicherheitsrelevante Kenntnisse über die thermischen Zersetzungsmechanismen von halogenierten Polymeren und die Zusammensetzung der im Brandfall entstehenden Rauchgase zu erhalten.
Hierzu wurden verschiedene halogenierte Modellsubstanzen mittels TGA und einer VCI-Verbrennungsapparatur zersetzt und die entstehenden Produkte mithilfe von GC, MS und FTIR analysiert. Durch chemoinformatische Berechnungen wurden relevante Bindungsenergien, thermodynamische und kinetische Reaktionsparameter sowie mögliche Reaktionspfade der Entstehung von Carbonylfluorid ermittelt. Mithilfe modellfreier Methoden wurden die benötigten Aktivierungsenergien über TGA-Messungen bestimmt.
Es zeigte sich, dass das Polytetrafluorethylen primär depolymerisiert wird und in Sekundärreaktionen des Tetrafluorethens ein breites Produktspektrum kurzkettiger fluorierter Kohlenwasserstoffe erzeugt wird. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion hängt mit einer Reaktionsordnung von etwa 0,3 direkt von der Sauerstoffkonzentration ab. Pro Gramm verbranntem Polymer entstehen etwa 60 mg Carbonylfluorid.
Bei den polyhalogenierten Polymeren läuft zunächst eine von der Sauerstoffkonzentration unabhängige Dehydrohalogenierung ab. Im zweiten Schritt bilden sich durch Kondensationsreaktionen der kohlenstoffreichen Rückstände cyclische Verbindungen und polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe.
Bei der Verbrennung des bromierten Flammschutzmittels entstehen aufgrund des aromatischen Aufbaus durch die Ausbildung von Ether-Brücken unter Freisetzung von Bromwasserstoff auch Dibenzofurane.
Es ergibt sich die Schlussfolgerung, dass das Verhalten von halogenierten Verbindungen im Brandfall weniger von der Art des Halogens abhängt als vielmehr von der chemischen Struktur des Polymers.
Hierzu wurden verschiedene halogenierte Modellsubstanzen mittels TGA und einer VCI-Verbrennungsapparatur zersetzt und die entstehenden Produkte mithilfe von GC, MS und FTIR analysiert. Durch chemoinformatische Berechnungen wurden relevante Bindungsenergien, thermodynamische und kinetische Reaktionsparameter sowie mögliche Reaktionspfade der Entstehung von Carbonylfluorid ermittelt. Mithilfe modellfreier Methoden wurden die benötigten Aktivierungsenergien über TGA-Messungen bestimmt.
Es zeigte sich, dass das Polytetrafluorethylen primär depolymerisiert wird und in Sekundärreaktionen des Tetrafluorethens ein breites Produktspektrum kurzkettiger fluorierter Kohlenwasserstoffe erzeugt wird. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion hängt mit einer Reaktionsordnung von etwa 0,3 direkt von der Sauerstoffkonzentration ab. Pro Gramm verbranntem Polymer entstehen etwa 60 mg Carbonylfluorid.
Bei den polyhalogenierten Polymeren läuft zunächst eine von der Sauerstoffkonzentration unabhängige Dehydrohalogenierung ab. Im zweiten Schritt bilden sich durch Kondensationsreaktionen der kohlenstoffreichen Rückstände cyclische Verbindungen und polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe.
Bei der Verbrennung des bromierten Flammschutzmittels entstehen aufgrund des aromatischen Aufbaus durch die Ausbildung von Ether-Brücken unter Freisetzung von Bromwasserstoff auch Dibenzofurane.
Es ergibt sich die Schlussfolgerung, dass das Verhalten von halogenierten Verbindungen im Brandfall weniger von der Art des Halogens abhängt als vielmehr von der chemischen Struktur des Polymers.
Schlagwörter: Kunststoff; Brandchemie; Verbrennung; Polymere; Halogene; Pyrolyse
Wuppertaler Feuerwehrwissenschaftliche Berichte
Herausgegeben von Univ.-Prof. Dipl.-Chem. Dr. Roland Goertz, Wuppertal
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