The  role of LCA methods in assessing the  sustainability of flame retardants and their use Gary Stevens and Amy Mitchell GnoSys Global, University of Surrey, Guildford, UK

Materials KTN Meeting on Fire Retardant Materials: Safety vs Sustainability, Bolton, 6 October 2011 

Outline •

Sustainability and the role of Life Cycle Analysis

•

FR and nanomaterials parallels

•

Conventional and un‐conventional LCA tools

•

Case studies – SP study on Fire‐LCA of TVs and upholstered furniture – PU Europe study on FR aromatic polyester polyols – TSB funded project on sustainable FRs for filling pad materials

•

Observations on FR substitution and alternatives

•

Some general observations

Sustainability and the Role of LCA

Risk

Environment

Risk

Sustainable  Development

Society

Economy

Risk

Conventional LCA Does Not Address Concerns on, and Perception of, Chemical Risk of FRs •

European concerns on environmental impact, fate and toxicity of certain  flame retardants

•

REACH, RoHS, hazard/risk phrases, Ecolabels, EPDs, ........  

•

Concerns: Persistence, Bioaccumulation, Toxicity (PBT) – in ecosystems

•

Indoor air quality: FR volatile and particulate emissions

•

Occupational exposure: primary production, compounding and recycling

Perspective on FR and Nano Materials  •

Environmental concerns over the potential risks that halogenated and some  organophosphorous chemicals pose have been a reality for decades – linked to persistence, bioaccumulation and toxicity (carcinogenic, mutagenicity, ... etc)  associated with certain halogenated organic compounds and their combustion products 

•

Similar concerns regarding nanomaterials and particularly nano particulates  are more  recent – some FRs also come under this category

•

In response to these concerns, non‐halogenated alternative FRs have been promoted  and developed as alternatives /substitutes and some polymeric  Br‐FRs developed to  breach the gap – Some examples include phosphorous based FRs, Al(OH)3, Mg(OH)2, borons, siloxanes, etc – More recently development has moved to nano‐additives, such as naturally occurring smectite  clays, such as montmorillonite and combinations of two or more complimentary systems – Nano‐additives have an added benefit of improving materials physical properties as well as  lending fire retardance to the product

•

Alternative approaches to product design and materials selection to avoid the use of  additives are being considered ‐ including green chemistry approaches 

References:  G C Stevens, A Emsley, B. Kandola, R Horrocks et al; Defra report (2011) on “Fire Retardant Technologies: safe products with optimised environmental  hazard and risk performance”

LCA across the supply chain: societal benefits  versus risks  Nanomaterials and FRs share similar LC issues

Extraction  and  processing

Manufacture  of  Nanomaterial

Distribution / Transport

Manufacture  of  Nanoproduct

Distribution / Transport

Nano Zinc Oxide (http://www.nanozinc.co.za/laboratory‐results.html) 

Adapted from “The potential benefits of nanotechnologies should be assessed in terms of life cycle  assessment (LCA)”, UK Royal Society (2004), Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and  uncertainties

Use

End of  Life

Life Cycle Assessment Improvement assessment

Goal  definition  & scoping

Impact assessment

Inventory

•

First : define the “goal and scope” of the problem – this sets the boundary condition – can be  selective provided important impacts are not transferred – allocation is also important 

•

Then: carry out an life cycle inventory (LCI) analysis of the impacts to be assessed. Following  assessment of the impacts, ways to improve (usually reduce) the impacts are assessed.

•

The process is iterative and is constantly refined to achieve the most representative model  possible

LCA of Nanotechnologies and FRs •

Very few LCA studies of nanomaterials and FRs have been undertaken which  meet the full scope of an LCA as defined in ISO standards

•

Where studies have been carried out the benefits and disbenefits/risks have  not been fully addressed: for example .... – A study of nanocomposite use in automotive applications examined the benefits of  these materials over metal components – weight saving, which translates to fuel  savings, lower CO2 and economic savings for the consumer – An economic study carried out in tandem suggested that the manufacturing costs  to produce nano‐composite body parts would be higher than metallic ones – This study acknowledged additional factors important, such as maintaining safety  performance, cost and other desired attributes – trade‐offs not examined  – Similar incompleteness in FR alternative and substitution studies e.g. BrFRs – technical, economic, environmental impact, hazard, risk and life saving benefits not  sufficiently studied – trade‐offs only poorly examined   

References:  Karn, B., Aguar, P., (2007) Nanotechnology and Life Cycle Assessment, Synthesis of Results Obtained at a Workshop Washington, DC 2–3 October 2006. Lloyd, S. M. and Lave, L. B., (2003) Life Cycle Economic and  Environmental Implications of Using Nanocomposites in Automobiles, Environ. Sci. Technol., 37,  3458‐3466. Jeffrey W. Gilman, National Institute of Standards and Technology (2008), “Sustainable Flame Retardant Nanocomposites” G C Stevens, A Emsley, B. Kandola, R Horrocks et al; Defra report (2011) on “Fire Retardant Technologies: safe products with optimised environmental  hazard and risk performance”

Product Life‐Cycle Impacts Feedstock

Monomers/Polymer

Polymer Formulation

Finished Product

FIRE Transformation

Polymer Component

Consumer Use EOL

Incineration Recycling

Early Disposal

Landfill

FR Product Life‐Cycle Environmental Impacts FR Feedstock

FIRE Transformation VOCs smoke/soot inhalation skin contact

FR Manufacture

Polymer Formulation

Finished Product

Polymer Component skin contact ingestion particle/gas inhalation

Consumer Use EOL

Incineration Recycling

Early Disposal

Landfill

VOCs skin contact particle  inhalation

Atmospheric, Terrestrial and Aquatic Environmental Impacts

Tools to assess life cycle environmental impacts,  economics  social performance and fire impact   • Environmental Life cycle assessment (LCI and LCA) models – environmental impact assessment e.g. SIMAPRO, GaBi, TEAM , EIME, ...  

• Holistic LCA (hLSA) – simple economics and  environmental impacts ‐

SimaPro‐

extension, CHAMP (includes cascade use) ‐ GnoSys

• Fire LCA – SP/IVL model – includes account of fire impacts – no economics • Social LCA (sLCA) –

social metrics to assess societal benefits ‐ developing 

• Life Cycle Costing (LCC) – also called Total Cost Assessment (TCA), includes all direct,  indirect costs and contingent liabilities, risks and uncertainty  – e.g. cable fires in tunnels ‐ GnoSys

• Large Project Spatial LCA – LEETS ‐ includes sLCA ‐ GnoSys • Product application LCA – dedicated bespoke models and tools  

LCA of flame retardant products SP and IVL of Sweden have undertaken Fire‐LCA assessment of  flame  retardant  containing TVs and upholstered furniture: – These assessments include data collected from their own experimental work  on emissions resulting from accidental fires of these products and the  influence of the FR on these emissions – The assessments also include statistical  and historic data gathered on the  incidents of accidental fire in these products to assess the societal benefits of  human lives saved and injuries averted – The studies tend to focus on a comparison of non‐FR and FR products – where  the FR is a conventional non‐halogenated FR – End of life and accidental fire event impacts were the focus of the  investigations; manufacture and raw materials were included in the studies  and the FR was found to have a negligible impact  on the overall life cycle  environmental impacts

Reference:  Petra Andersson and Margaret Simonson, SP Håkan Stripple, IVL, SP Swedish National Testing and Research Institute, “Fire  safety of upholstered furniture, A Life Cycle Assessment – Summary Report

SP‐IVL Fire LCA model

Development of the Fire‐ LCA model. P Andersson,   M Simonson, et al. 2003 

Reference: “Fire‐LCA Guidelines”, Petra Andersson, Mararet Simonson, Claes Tulli, Hakan Stripple, Jan Olov Sundqvist,  Tuomas Paloposki, Norden, Nordic Innovation Centre  (2005)

Fire LCA case studies • TV sets: – Modern TV sets represent a significant fire load and can be the initial cause of fires, through  internal faults or dust accumulation – TV related fire statistics were used in this study to assess the full life cycle including  emissions in accidental fires

• Upholstered furniture – Fire statistics were used to assess the changes in the number and extent of fires resulting  from a move to fire resistant furniture • The UK introduced in 1988 Furniture Fire Safety Regulations – not adopted in Europe – The pollutant emissions from accidental fires, of different severity, involving FR and non‐FR  furniture were obtained using full scale fire tests – Two different FR systems were examined • A phosphorous based flame retardant • A bromine based flame retardant

Reference: “Product Life Cycle impacts of flame retardant use” European Flame Retardants Association, Cefic (2006) “Fire safety of upholstered furniture, A Life‐Cycle Assessment – Summary Ropert”, Petra Andersson and Margaret  Simonson, SP Hakan Stripple, IVL

Fire‐LCA study of TV sets •

The FR TV sets  showed higher HBr emissions due to  the FR system

•

The FR TV set  showed  considerably lower  total emissions of  both PAH and  dioxins/furans ‐ identified as cancer  risk emissions

Reference: “Product Life Cycle impacts of flame retardant use” European Flame Retardants Association, Cefic (2006)

Fire‐LCA of Upholstered Furniture ‐ Sofas  •

For Sofas the non‐FR  product was  responsible for  significant HCN and  PAH emissions

•

PCDD/PBDD dioxin  emissions were  higher for FR sofas – The PAH emissions  using risk  weighting were  deemed to be of  higher importance

Reference: “Product Life Cycle impacts of flame retardant use” European Flame Retardants Association, Cefic (2006)

Whole Life Emissions of PAH of non‐FR and FR sofas including accidental fire

Reference: “Product Life Cycle impacts of flame retardant use” European Flame Retardants Association, Cefic (2006)

Eco‐Profile of Aromatic Polyester Polyols (APP) Allocation of impacts for the FR component •

A study has been undertaken (sponsored by PU Europe) to create an European average  cradle‐to‐gate Life Cycle Inventory (Eco‐profile) of Aromatic Polyester Polyols in  compliance with Plastics Europe Eco‐Profile Guidelines

•

Primary data was collected from four APP producers for use in this assessment

•

APPs are important intermediate products for many production chains, such as  polyisocyanurates and polyurethane rigid insulation foams

•

Production of APP can be done in different ways and using different raw materials – It involves a number of additives and functionality enhancers

•

After esterification, FRs are added to the APP – The study examines the impacts of producing the material both with and without the FR – The FR is unspecified due to confidentiality

Reference: “Eco‐Profile of Aromatic Polyester Polyols (APP), Sponsored by PU Europe, PE International 

APP system Esterification process for the production of APPs

Reference: “Eco‐Profile of Aromatic Polyester Polyols (APP), Sponsored by PU Europe, PE International 

Comparison of APP production with and without FR  FU = production of 1kg of APP Impact Category

APP with FR

APP without FR

Difference

Abiotic Depletion Potential (kg Sb eq.)

0.03

0.03

0

Global Warming Potential (kg CO2 eq.)

2.77

2.58

0.19

Acidification Potential (kg SO2 eq.)

6.16 e‐03

5.79 e‐03

3.7 e‐04

Eutrophication Potential (kg PO4‐3 eq.)

1.09 e‐03

1.02 e‐03

7.0 e‐05

Ozone Depletion Potential (kg R11 eq.)

9.96 e‐08

8.91 e‐08

1.05 e‐08

Photochemical Ozone Creation Potential (kg C2H2 eq.)

1.96 e‐03

1.93 e‐03

3.0 e‐05

Primary Energy Demand (fossil) (gross cal. value)  (MJ)

74.97

72.14

2.83

Primary Energy Demand (renewable) (gross cal.  value) (MJ)

2.06

2.01

0.05

Primary Energy Demand (total) (gross cal. value)  (MJ)

77.03

74.15

2.88

Water use (total) (kg)

124

109

15

Reference: GnoSys analysis of PU Europe data

LCA Assessments Including Chemical Risk and Industrial Implementation

•

ENFIRO project (European Commission funded): Life cycle assessment of  environment‐compatible flame retardants: (with prototypical case studies) – Three FR‐product combinations selected and studied for environmental and  toxicological risks, and for viability of industrial implementation.  All  information will be used for a risk assessment.  – The outcome of the LCA and risks assessments will, together with socio‐ economic  information be used in a more complete life cycle assessment – A practical approach is followed in which the alternative FRs are evaluated  regarding their flame retardant properties, their influence on the function of  the products once incorporated and their environmental and toxicological  properties – Reports expected in 2012

http://www.enfiro.eu/

ENFIRO approach to study FR substitution options

Reference: “Life Cycle and Risk Assessment of Environment‐Compatible Flame Retardants (Prototypical Case Study): ENFIRO”, Pim E.G.  Leonards, Sicco Bransma, Jacob de Boer

Reducing Emissions by Development of Novel  Sustainable Flame Retardant Products  TSB Reference: TP/7/ZEE/6/S/N0092L

•

Work focused on finding a solution to diminishing supplies of recycled  wool available for secondary uses in textile pads – The wool finds application in various filling materials as a natural and intrinsic  flame retardant ‐ typically present at ~30% by weight – Recycled wool comes from mostly discarded textiles , such as clothing.  Synthetic fibres are becoming more desirable than wool and so the availability  of wool in second hand clothing is diminishing.

•

The work sought to identify “sustainable” FR alternatives both novel and  commercially available and assess both their fire and environmental  performance  using a “cradle to gate” life cycle assessment

•

The work was also conscious that any alternatives needed to also be  economically viable as price increases per product unit would severely  impact on the ability of new products to compete in the market place.

Reducing Emissions by Development of Novel  Sustainable Flame Retardant Products •

Three fire retardants were selected from a variety of several “eco‐friendly”  available products – The FRs examined all made claims towards being green or sustainable – Several FRs eliminated due to poor FR performance, cost, and practicality in  application,  and availability

•

Chosen candidates contained multiple compounds that were not  represented in any of the available materials and LCA databases  (SimaPro/EcoInvent was used): impact estimates were made based on the  production of individual components, with required raw materials, and  process energy

System boundary Collection and of the  raw materials  (recycled textiles) Transport

Raw material  extraction

Normal production  processes

Transport

Production of FR

Transport

Treatment with FR

Normal production  processes Product finishing and  packaging

Waste  material

Transport

Disposal to landfill

Contribution of the FR to overall impacts, cradle‐to‐gate

Additional impacts, generated by use of a chemical FR (material  impacts) and its application, are shown on the graph with a bold outline

Contribution of the FR to overall impacts (up to product factory gate) •

The graph shows the contribution of each input into producing the FT  treated product from cradle to factory gate

•

The other material inputs consist mostly of recycled materials and so the  impact is relatively low – Because of this the environmental impact of the product is dominated by the  energy use and the impacts associated with producing the chemical FR – If the chemical FR was not required, and recycled wool was available, the total  life cycle impacts would be lower

Comparison of Benchmark product against product treated with  a conventional FR and the three “eco friendly FRs”

•

The comparison shows the benchmark case having the lowest environmental impact over all  impact categories ─ This is because all of the material inputs in this case are recycled  materials, including the wool which acts as the FR

A comparison of benchmark case (using recycled wool), use of a  conventional chemical FR, relative to use of virgin wool

•

In the virgin wool case 30% by weight of the product is virgin wool as opposed to  recycled wool – In this case all of the impacts associated with producing virgin  wool are allocated to the product 

Sensitivity Analysis: Varying FR treatment level of sustainable FRs

•

These results confirm that using increasing treatment levels of Eco‐FR2  increases the environmental impacts such that it no longer appears as  competitive from an environment standpoint as Eco‐FR1 – The efficiency of the FR may allow for lower treatment levels

Conclusions •

The benchmark case, using a recycled wool as the FR component has the  lowest impact, in all other cases a chemical FR is used and applied using  additional process steps, so unsurprisingly has a higher environmental  impact

•

On consideration of the impact of the chemical FRs, the conventional FR  (ammonium phosphate salt), does appear to have a high environmental  impact in many of the impact categories used, relative to the other  systems studied

•

Eco‐FR1 also has a high impact and in some of the impact categories this  is greater than the conventional FR – So, although the FR systems are marketed as “green” or “sustainable”  options, they may not be performing significantly better than  conventional  FRs for equivalent fire performance of the product   – Other factors relating to hazard, risk and economics will be decisive  

Observations on Assessment of Potential FR  Alternatives and Substitutes  •

Assess  “equivalence” of FR polymer material and product technical  performance – fire performance , processing, physical properties,  durability, etc.   

•

Assess improvement in environmental hazard and risk performance across  the whole life cycle including recycling

•

Consider and assess opportunities for net risk reduction across the life  cycle including fire incident impacts 

•

Consider and assess population risk trade‐offs in regard to life cycles which  include fire incidents at levels defined by fire statistics     

Additional Observations 1.

There is scope to move towards design‐based and inherent FR material  approaches which can avoid the use of chemical FR technologies in some  applications. However, adoption of these may not offer the best whole life  environmental performance as judged by formal LCA. Wider “sustainability  factors” must be considered.

2.

On Br‐FRs: exclusion of brominated FRs is technically possible for most  product groups but it is not clear if “equivalence” can be achieved for all  products. In the absence of risk assessment, exclusion may be justified for  those Br‐FRs that produce unacceptable hazards and where the application  of the precautionary principle is appropriate. 

3.

The hazard assessment classification of alternative chemical FRs to  halogenated FRs should be harmonised and preferably risk assessed, to give  potential users confidence in adopting them knowing they are less  hazardous than the FRs they replace.

4.

Metrics for “equivalence” are required to evaluate FR substitution options.  These should be developed in the context of life cycle sustainability and net  risk reduction, and ideally agreed internationally.