r Wiseman Ceramic Composite - Fly Ash · Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell,...

30
Fly Ash Derived CeramicPolyurethane Foam Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell, Brock Marrs, John Wiseman University of Kentucky Center for Applied Energy Research – Lexington, Kentucky NuForm Materials – Sadieville, Kentucky

Transcript of r Wiseman Ceramic Composite - Fly Ash · Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell,...

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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/

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‐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

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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

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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

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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

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‐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

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‐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

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‐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

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‐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

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‐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

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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

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‐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

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‐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

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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

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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

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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

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‐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

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‐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

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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

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‐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

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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

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‐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

Page 23: r Wiseman Ceramic Composite - Fly Ash · Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell, ... flammability of the PU ... ASTM C303 Standard Test Method for

‐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

Page 24: r Wiseman Ceramic Composite - Fly Ash · Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell, ... flammability of the PU ... ASTM C303 Standard Test Method for

‐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

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‐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

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‐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

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‐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

Page 28: r Wiseman Ceramic Composite - Fly Ash · Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell, ... flammability of the PU ... ASTM C303 Standard Test Method for

‐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

Page 29: r Wiseman Ceramic Composite - Fly Ash · Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell, ... flammability of the PU ... ASTM C303 Standard Test Method for

‐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

Page 30: r Wiseman Ceramic Composite - Fly Ash · Composite Insulation Anne Oberlink, Tom Robl, Bob Jewell, ... flammability of the PU ... ASTM C303 Standard Test Method for

Thank you!

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