The combustion behavior of epoxy‐based multifunctional electrolytes

Multifunctional or structural electrolytes are characterized by ionic conductivity high enough to be used in the electrochemical devices and mechanical performance suitable for the structural applications. Preliminary insights are provided into the combustion behavior of structural bi‐continuous electrolytes based on bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA), synthesized using the techniques of reaction induced phase separation and emulsion templating. The effect of the composition of the structural electrolytes and external heat flux on the behavior of the formulations were studied using a cone calorimeter with gases formed during testing analyzed using FTIR. The composition of the formulations investigated was changed by varying the type and amount of the ion conductive part of the bi‐continuous electrolyte. Two ionic liquids, 1‐ethyl‐3‐methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide (EMIM‐TFSI) and 1‐butyl‐3‐methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIM‐BF4), as well as a deep eutectic solvent (DES) based on ethylene glycol and choline chloride, were used. The results obtained confirm that time to ignition, heat release rate (HRR), total mass loss, as well as the composition of the gases released during tests depend on the composition of the formulations. Addition of liquid electrolyte is found to reduce the time to ignition by up to 10% and the burning time by between 28% and 60% with the added benefit of reducing the HRR by at least 34%. Gaseous products such as CO2, CO, H2O, CH4, C2H2, N2O, NO, and HCN were detected for all formulations with the gases SO2, NH3, HCl, C2H4, and NH3 found to be for certain formulations only

Vers une modélisation couplée de la dégradation thermo-mécanique d'un matériau composite

Lorsqu'un matériau composite carbone époxy est soumis à des flux de chaleur élevés, i.e. lors d'un feu, il subit une dégradation thermique menant à la transformation en profondeur de sa structure. Un nouveau matériau est formé, nommé « charbon », qui possède des propriétés mécaniques moins élevées que celles du matériau dit « sain ». La dégradation thermique induit alors un endommagement mécanique supplémentaire. Dans le but de modéliser les phénomènes menant à la perte des propriétés mécaniques du composite, la dégradation thermique du matériau doit être prise en compte. Celle-ci dépend de la température et donc des transferts de chaleur ayant lieu au sein du matériau. . Un enjeu fort réside alors en l'obtention d'un modèle prédictif rendant compte des phénomènes couplés que sont l'endommagement mécanique, la dégradation thermique et le transfert de chaleur. Les éléments finis sont utilisés comme outil de simulation

Étude de l'influence d'une agression thermique sur les propriétés mécaniques résiduelles de matériaux composites

Dans de multiples applications, des éléments sont sous contraintes mécaniques. Se pose alors la question de leur comportement au cours d’un sinistre, de type incendie. La présente étude a ainsi pour objet de déterminer de manière décorrélée l’influence d’une exposition au feu de composite époxyde/carbone sur les propriétés mécaniques résiduelles. Les agressions thermiques sont menées à l’aide d’un cône calorimètre (norme ISO 5660) sur des plaques de composites résine époxy/fibres de carbone. Les essais sont conduits pour différents flux de chaleur et sont arrêtés à différents temps caractéristiques avant la ruine des éprouvettes (décomposition totale). Les autres paramètres thermiques considérés sont la densité d’énergie, la présence ou pas et la durée de l’inflammation. Les éprouvettes alors obtenues sont découpées, puis des essais mécaniques sont effectués en flexion 3 points. Sont caractérisées les évolutions du module de flexion et de la contrainte à la rupture, en fonction des conditions de dégradation thermique. L’évolution du module de flexion montre que la densité d’énergie est le facteur principal de l’altération des propriétés mécaniques des éprouvettes. En effet, au-delà d’un certain seuil, nous observons une dégradation linéaire du module de flexion en fonction de celle-ci. De plus, les résultats montrent la forte influence de la présence ou pas d’une inflammation sur la dégradation des propriétés mécaniques. Les inflammations courtes ont une faible influence sur le module de flexion ainsi que sur l’évolution de la force en fonction du déplacement imposé. Inversement, les inflammations longues ont une forte influence sur les propriétés mécaniques et la géométrie des éprouvettes

Comportement de matériaux composites aéronautiques soumis à un chargement thermomécanique couplé

Un dispositif expérimental visant à déterminer l'influence d'une charge mécanique sur la tenue au feu de composites aéronautiques est présenté, afin de comprendre leur mode de dégradation sous sollicitation thermomécanique couplée. Il permet d'enregistrer l'évolution de la température et de la charge au cours d'un essai de flexion couplé à une source de chaleur (brûleur ou cône calorimètre). A partir de ces essais, une simulation par éléments finis est proposée, couplant le comportement mécanique, le transfert de chaleur et la combustion et permettant de retrouver la diminution progressive de la rigidité de l'échantillon

Thermal degradation of solid porous materials exposed to fire

Thermal degradation processes in solid materials are crucial in provoked or hazardous fire events, since pyrolysis is the main source of gaseous combustible matter which feeds the fire. The simulation of fire events on the global scale requires a good description of these processes as a function of the ambient parameters such as temperature and oxygen concentration. But characterizations of thermal decomposition by small or large scale measurements often yield different responses, due to the coupling in the latter case between the chemical reactions and the various heat and mass transport mechanisms. The purpose of this work is to make the connection between these two points of view, and to predict the macroscopic behavior as a function of the constituent properties, of the micro-structural characteristics and of the ambient conditions. A chemical model, including a reaction scheme and associated thermo-kinetic parameters, can be obtained by thermogravimetric measurements on samples small enough to prevent any limiting influence of heat and mass transports. Numerical simulations can then be conducted on a larger scale, to determine the material response in a given geometrical configuration, undergoing any scenario of ambient conditions. These simulations are performed on the Darcy scale in prescribed scenarios which correspond to standardized physical tests. This will allow establishing a typology of behaviors, identifying the key processes and their governing parameters, and validating the numerical predictions. In a later stage, microscopic investigations could be conducted for a better characterization of some processes and for the determination of relevant effective coefficients. Ultimately, this description of the material degradation could be directly coupled with a fire simulation tool on the global scale, which would provide the time dependent ambient conditions, and would account for the influence of the emitted species on the fire development

Analysis of Principal Gas Products During Combustion of Polyether Polyurethane Foam at Different Irradiance Levels

This paper is part of the PhD thesis of Dr Lucas Bustamante Valencia, accessible at http://www.era.lib.ed.ac.uk/handle/1842/3209.This paper studies the release of the principal gas species produced during the combustion of a non-flame-retarded Polyether Polyurethane Foam (PPUF) of density of 20.9 kg/m^3 in the cone calorimeter. Five irradiance levels are studied: 10, 20, 30, 40, and 50 kW/m^2. Heat release rate, mass loss rate and bulk gas mass flow are measured. The mass flow and yields of gas species are measured as well. The analysis of release of gas species relative to time allowed to study the different stages of PPUF kinetics and to quantify the gas composition. Of the twenty two different gas species that were monitored simultaneously, the principal species found were CO2, CO, H2O, NO and total hydrocarbons. According to species release, two decomposition stages for PPUF are identified. In the first stage, the solid structure breaks down carrying the decomposition of isocyanate, and in the second stage the polyol decomposes. These two stages are in agreement with the decomposition mechanism proposed in literature. However, the data presented here is the first experimental study of burning behavior of PPUF taking into account the release of gas species too. An elemental analysis was performed and the chemical formula of the virgin material was determined. This allows the mass balance of the elements in the virgin foam content with the gaseous product content. The effective heat of combustion and the ratio between heat release rate and CO2 mass flow are calculated at each of the irradiance levels