Fly Ash De

rived

 Ceram

ic‐

Polyurethane

 Foam Com

posite 

Insulatio

n

Anne

 Obe

rlink, Tom

 Rob

l, Bo

b Jewell, Brock Marrs, Joh

n Wise

man

University

 of K

entucky Ce

nter fo

r App

lied Energy Research –Lexington, Kentucky

NuForm

Materials –Sadieville, Kentucky

2015

Wo

rld

of

Co

al A

sh (

WO

CA

) C

on

fere

nce

in N

asvh

ille,

TN

- M

ay 5

-7, 2

015

htt

p:/

/ww

w.f

lyas

h.in

fo/

‐Polyurethane Foam

 Insulatio

n

•One

 of the

 best insulating 

materials on

 the market

•For rigid foam

 panels, different 

thicknesses a

re available to su

it diffe

rent app

lications

•Spray fo

am polyurethane 

provides both insulatio

n and air 

sealing, as it e

xpands to

 fill gaps 

and cracks

•Easy to install

2

Polyurethane

 Foam Insulatio

n

•Has a high oxygen

 index

•Manufactured from

 petroleum

 de

rivatives

•Untreated

 and

 exposed

 to high 

temps or flame, th

e foam

s will 

burn vigorou

sly and

 spread

•Burning

 characteristics req

uire 

manufacture with

 fire re

tardant 

for o

ptim

ally sa

fe app

lication

3

Polyurethane

 Foam Insulatio

n Fire Retardants

•Halogen

ated

 fire re

tardants fo

rm 

a slo

w burning

 char o

n the foam

•No longer con

sidered

 desira

ble 

due to enviro

nmental 

considerations –

•Po

ssible leaching

 into th

e environm

ent

•Accumulating in bird

s, m

ammals, 

and fish

•Accumulating in so

il and sediment

4

Alternatives to

 Che

mical Fire

 Retardants

•Add

ition

 of u

ltrafine fly

 ash‐

deriv

ed ceram

ic particles to 

polyurethane

 foam

 allows for 

multip

le ben

efits, including:

•Lower flam

mability of the

 PU fo

am•Higher strength and

 toughn

ess

•Re

duced overall cost

•Fine particles a

lso fo

rm an 

inorganic crust o

n the foam

SEM im

age of ultrafine fly

 ash‐derived

 ceram

ic particles recovered 

from

 coal com

bustion ash.

5

‐Materials/Techniqu

es Used

•Ultrafine ceramics (D 5

0= 5 microns) recycled from

 disc

arde

d coal com

bustion ash 

from

:•Kingston

 Fossil Plant (Ten

nessee

 Valley Au

thority

; Kingston, Ten

nessee)

•Kyger C

reek Pow

er Plant (O

hio Valley Electric Corpo

ratio

n; Che

shire

, Ohio)

•Ghe

nt Pow

er Plant (K

entucky Utilities; C

arroll Co

unty, Kentucky)

•To fabricate compo

site foam

s, fly‐ash de

rived

 ceram

ics w

ere blen

ded into 

commercially available po

lyurethane

 foam

 resin

s:•3‐lb den

sity; U.S. C

ompo

sites, W

est P

alm Beach, Florid

a

•Low den

sity, low strength, high insulatin

g capacity

6

‐ASTM C303 –Standard Test M

etho

d for D

imen

sions and

 De

nsity

 of P

reform

ed Block and

 Board‐Type Thermal Insulatio

n

•Den

sity of 5 blocks w

ere 

measured at th

e same tim

e:•Width and

 length of e

ach block 

were measured to nearest m

m in 

2+ locatio

ns•Thickness o

f each block measured 

4+ times

•Blocks were weighed

•De

nsities were calculated

7

‐ASTM C303 –Standard Test M

etho

d for D

imen

sions and

 De

nsity

 of P

reform

ed Block and

 Board‐Type Thermal Insulatio

n

•De

nsity

 calculatio

n were also used to 

compare com

posite foam

s:“Ben

ch‐top

 Mold vs. “Pilot‐scale Mold”

•Re

sults:

•AD

C increased weight o

f PU fo

ams 

whe

n compared to Con

trol fo

am•Re

gardless of sou

rce, iron

, or cou

pling 

agent, AD

C adde

d sim

ilar w

eight

•Exception is Kingston

 with

 Iron

 for 

“pilot‐scale”, due

 to large am

ount of 

iron‐rich material

8

‐ASTM D16

21 –Standard Test M

etho

d for C

ompressiv

e Prop

ertie

s of Rigid Cellular P

lastics

•Co

mpressiv

e Strength was te

sted

:•Test sp

ecim

ens (2 in. x 2 in. x 2 in.) 

were cut

•Samples te

sted

 in dire

ction of 

expansion (lo

ngitu

dinal) and 

perpen

dicular to expansion (traverse) 

–aniso

trop

y

9

‐ASTM D16

21 –Standard Test M

etho

d for C

ompressiv

e Prop

ertie

s of Rigid Cellular P

lastics

•Results:

•Ad

ditio

n of 30%

 (by weight) ADC

 improved

 strength of P

U fo

am•Im

provem

ent w

as dep

ende

nt on ash source

•Ghe

nt and

 Kingston are pred

ominately Class F

 (high alum

inum

/low calcium

)•Kyger C

reek closely re

sembles Class C (h

igh calcium)

10

ASTM

 D16

21 –Standard Test M

etho

d for C

ompressiv

e Prop

ertie

s of Rigid Cellular P

lastics

•Results:

•Foam

s with

 ceram

ic produ

cts w

ith iron

‐rich particles w

ere also produ

ced and 

tested

•Iro

n‐rich particles d

id not adversely affe

ct PU fo

ams, but strengthen

ed th

em 

more than

 ceram

ics a

lone

11

‐ASTM D16

21 –Standard Test M

etho

d for C

ompressiv

e Prop

ertie

s of Rigid Cellular P

lastics

•Silane

 (SiH

4) cou

pling agen

ts are 

used

 to promote adhe

sion 

betw

een additives and

 matrix

 materials du

ring compo

site 

prod

uctio

n•Silane

, in solutio

n form

, was 

blen

ded with

 the AD

C•Silano

l (Si‐O‐H) w

as fixed on

to th

e surface of ADC

 via hydrogen bo

nding 

with

 surface hydroxyl group

s (‐OH) on 

the ceramics

12

‐ASTM D16

21 –Standard Test M

etho

d for C

ompressiv

e Prop

ertie

s of Rigid Cellular P

lastics

•Results:

•Ad

ditio

n of silane

strengthen

ed th

e compo

site foam

s beyon

d the be

nefit of 

adding

 untreated

 ceram

ics

•It was anticipated

 that ADC

 with

out iron particle wou

ld perform

 better

13

ASTM

 C272 –Standard Test M

etho

d for W

ater Absorption of 

Core M

aterials for S

andw

ich Co

nstructio

ns

•Water absorption is an

 impo

rtant a

spect o

f insulation, especially if it’s 

installed be

low groun

d level, or can

 com

e into con

tact with

 moisture

•Water absorption can lead

 to:

•Mildew

•Mold grow

th•Ro

t•Diminish

ed perform

ance

•Closed cell foam

s (PU

) usually provide

 a vapor barrie

r, bu

t impo

rtant 

to te

st th

e additio

n of ADC

14

ASTM

 C272 –Standard Test M

etho

d for W

ater Absorption of 

Core M

aterials for S

andw

ich Co

nstructio

ns

•Spe

cimen

s were cut (3 in. x 3 in. 

x 0.5 in.) and weighed

•5 sp

ecim

ens p

er fo

rmulation 

were completely im

mersed in 

water (7

3 ±5°F)

•After 24 ho

urs:

•Specim

ens rem

oved

 from

 water

•Shaken

 to re

move surface water

•Weighed

 •Percent w

eight increase calculated

15

ASTM

 C272 –Standard Test M

etho

d for W

ater Absorption of 

Core M

aterials for S

andw

ich Co

nstructio

ns

•Decrease in amou

nt of w

ater 

absorbed

 during 24

 hou

r im

mersio

n was gen

erally 

observed

•Iron‐rich materials were show

n to 

perform worse

•Silane

 detracted

 slightly overall

•With

 the exception of Kingston 

with

 Fe, ADC

’s pe

rformed

 as g

ood 

or better than Co

ntrol

16

‐FMVSS 30

2 –Flam

mability of M

aterials Used in th

e Interio

r of 

Motor Veh

icle Occup

ant C

ompartments Test

•Prim

ary Objective –de

term

ine the feasibility of u

se ADC

’s as a flam

e retardant in PU

 foam

 for insulation

•Re

ctangular p

anels (4 in. x 12 in. x 1 in.) were cut from larger com

posite 

foam

 panels (0%

, 15%

, 30%

, and

 45%

 (by weight) ADC

)•Govmarktest:

•Mou

nted

 specim

ens v

ertically

•38

 mm flam

e from

 a Bun

sen bu

rner was placed 19

 mm below

 center o

f bottom edge 

of sp

ecim

en fo

r 15 second

s•Distance th

e flame traveled

 and

 burn tim

e were recorded

•Bu

rn ra

te was calculated if flames traveled

 at least 38 mm from

 edge

17

‐FMVSS 30

2 –Flam

mability of M

aterials Used in th

e Interio

r of 

Motor Veh

icle Occup

ant C

ompartments Test

•Con

trol (0

wt%

 ADC

):•All 8 sp

ecim

ens ignite

d and 

flames traveled

 beyon

d the 

38mm th

reshold

•On average, con

trols b

urne

d at 

a rate of 7

9.8 mm/m

in•All 8 = B grade

•Specim

en ignites, burning

 progress m

ore than

 51 mm 

beyond

 the 38mm timing start 

line 

18

FMVSS 30

2 –Flam

mability of M

aterials Used in th

e Interio

r of 

Motor Veh

icle Occup

ant C

ompartments Test

•15

wt%

 ADC

:•All 8 sp

ecim

ens ignite

d•Only 6 remaine

d lit past tim

e line

•Bu

rn ra

te was calculated for o

nly 5 

of 8 sp

ecim

ens

•Average bu

rn ra

te was 57.6 

mm/m

in•5 specim

ens =

 B grade

•2 specim

ens =

 SE grade

•Self‐extin

guish

ing –specim

en 

ignites, but doe

s not burn to th

e tim

ing zone

•1 specim

en = SE/NBR

 grade

•Specim

en ignites, burning

 progresses to

 timing line, 

extin

guish

es with

in 51 mm beyon

d start line

19

‐FMVSS 30

2 –Flam

mability of M

aterials Used in th

e Interio

r of 

Motor Veh

icle Occup

ant C

ompartments Test

•30w

t% and

 45w

t% ADC

:•All spe

cimen

s = SE grade

•If the specim

en ignited at all, th

e fla

mes extinguish

ed before 

reaching

 the 38

 mm line

•Results su

ggest A

DC’s have 

potential as flame retardants, 

or at least have the po

tential 

to be able to

 slow

 the bu

rn 

rate

20

NFPA 28

6 –Standard M

etho

ds of Fire

 Tests fo

r Evaluation 

Contrib

ution of W

all and

 Ceiling Interio

r Finish

 to Roo

m Fire

 Growth Test

•Kn

own as th

e Full Ro

om Te

st•Used to determine the contrib

ution of interio

r finish

 materials to ro

om fire growth 

durin

g specific fire expo

sure con

ditio

ns•Measures:

•Extent of fire

 growth

•Rate of h

eat release

•Total heat release

•Time to flasho

ver

•Time to flam

e extension

•Total heat flux incide

nt to

 the flo

or•Upp

er level gas te

mpe

rature

•Sm

oke ob

scuration

•Prod

uctio

n of carbo

n mon

oxide

•Em

issions of o

ther com

bustion gases

21

‐NFPA 28

6 –Standard M

etho

ds of Fire

 Tests fo

r Evaluation 

Contrib

ution of W

all and

 Ceiling Interio

r Finish

 to Roo

m Fire

 Growth Test

•Full Roo

m te

st has tw

o ph

ases:

•First –

prelim

inary test of two pane

ls pu

t togethe

r to form

 a “room

 corne

r”•Second

 –consists o

f six fu

ll‐sized

 panels forming tw

o walls and a ceiling

•Prelim

inary “roo

m corne

r” te

st is necessary to

 ensure that a sm

aller 

amou

nt of m

aterial can

 with

stand the intensity

                                      

of th

e flame with

out:

•Dripping

 flam

ing material

•Da

maging the test app

aratus

•Creatin

g a fire that risks spreading

 beyon

d                                                        

containm

ent

22

‐NFPA 28

6 –Standard M

etho

ds of Fire

 Tests fo

r Evaluation 

Contrib

ution of W

all and

 Ceiling Interio

r Finish

 to Roo

m Fire

 Growth Test

•Trim

med

 panels w

ere mou

nted

 vertically at jun

cture of tw

o 8 ft. 

x 12

 ft. test w

alls

•Panels received full test 

expo

sure of 4

0 kW

 flam

e for 5

 minutes, followed

 by 160 kW

 flame for 1

0 minutes

•Panels a

re observed du

ring the 

test –if fla

mes sp

read

 to edges 

of panels o

r  ceiling, or if m

aterial 

drippe

d fla

mes, test is stopp

ed

23

‐NFPA 28

6 –Standard M

etho

ds of Fire

 Tests fo

r Evaluation 

Contrib

ution of W

all and

 Ceiling Interio

r Finish

 to Roo

m Fire

 Growth Test

•First a

ttem

pt:

•Tw

o pane

ls were sent 

bare, leaving

 PU fo

am 

fully exposed

 to th

e fla

me

•These pane

ls survived

 for 

1 minute, 20 second

s of 

the lesser flam

e intensity

 (40 kW

) before the fla

mes 

reache

d the ceiling

 of the

 testing apparatus

24

‐NFPA 28

6 –Standard M

etho

ds of Fire

 Tests fo

r Evaluation 

Contrib

ution of W

all and

 Ceiling Interio

r Finish

 to Roo

m Fire

 Growth Test

•It w

as determined

 that PU fo

ams 

shou

ld be tested

 with

 a gypsum 

wallboard covering

•Test req

uires m

aterials of 

interest be installed in te

st 

apparatus as th

ey wou

ld be in 

building application

•Secon

d attempt:

•45

wt%

 com

posite foam

 blend

ed 

and spread

 on back of a

 4 ft. x 8 ft. 

pane

l of ½

 in. gypsum wallboard

25

‐NFPA 28

6 –Standard M

etho

ds of Fire

 Tests fo

r Evaluation 

Contrib

ution of W

all and

 Ceiling Interio

r Finish

 to Roo

m Fire

 Growth Test

•Results:

•Im

proved

 from

 first a

ttem

pt•Pane

ls faced with

 gypsum wallboard su

rvived

 first 5

 minutes of the

 40 kW

 flam

e expo

sure

•Flam

e intensity

 was increased to 160

 kW, panels survived 

an add

ition

al 4 m

inutes, 58 second

s•Althou

gh panels d

id not re

ceive a passing grade, th

e results were very promising

26

‐ASTM Stand

ard C1

77 –Standard Test M

etho

d for S

teady‐State 

Heat F

lux Measurements and

 The

rmal Transmission Prop

ertie

s by M

eans of the

 Guarded

‐Hot‐Plate App

aratus

•Prim

ary ob

jective of te

st was to

 dire

ctly m

easure th

e thermal con

ductivity

 of A

DC PU fo

am com

posites

•Services o

f Precisio

n Measurements and

 Instruments 

Corporation (PMIC; C

orvallis, OR) were used

•Specialize in m

easurin

g:•Co

efficient of the

rmal expansio

n•Co

efficient of m

oisture expansion

•Thermal Con

ductivity

27

‐ASTM Stand

ard C1

77 –Standard Test M

etho

d for S

teady‐State 

Heat F

lux Measurements and

 The

rmal Transmission Prop

ertie

s by M

eans of the

 Guarded

‐Hot‐Plate App

aratus

•Results:

•Erratic

 tempe

ratures w

ere 

observed

 while te

sting at highe

st 

temps

•Thermal con

ductivity

 value

s at       

‐18°C and 23°C were typical of 

closed

‐cell PU fo

am m

aterials

•Calculated

 R‐value

s are goo

d indicator A

DC PU fo

ams w

ould 

compe

te very well w

ith current 

insulatin

g materials

•2 square sp

ecim

ens (6 in. x 6 in. x 1 in.) 

were cut –

30wt%

28

‐Con

clusions

•ADC

 PU fo

am have show

n a marked increase in

 efficien

cy and

 pe

rformance whe

n compared to current PU fo

am•A

DC’s:

•Show

 potentia

l as flame retardant

•Increase com

pressiv

e strength

•De

crease water absorption

•Overall, ADC

’s are a very promising

                                                

material, with

 great potentia

l for ADC

 PU                                           

foam

 com

posites

29

Thank you!

30