DE3423700C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein feuerhemmendes Schichten­ element der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung.

Ein feuerhemmendes Schichtenelement solcher Gattung ist bereits bekannt (DE-OS 30 42 788). Dabei wechseln Schaumbildnerschich­ ten mit Stabilisierungsschichten ab, welche die Aufgabe haben, die Bildung von Spalten und Rissen durch das Schichtenelement hindurch zu verhindern, d. h. die Ausbreitung von Spalten zu sperren. Diese "Sperrschichten" genannten Stabilisierungs­ schichten sollen dem Aufschäumen bzw. Aufblähen der Schaum­ bildnerschichten nicht entgegenwirken, da mit zunehmender Schicht­ dicke, d. h. sich vergrößernden Hohlräumen, eine bessere thermi­ sche Isolation erwartet wird.

Solche Sperrschichten sind u. a. mit Glasfasern gefüllt und zur Begünstigung des Aufschäumens bzw. Aufblähens der benach­ barten Schaumbildnerschichten mit aufblähbaren Silikaten, Gra­ phit, hydratisierenden Metallsalzen, Zeolithen und/oder Kiesel­ gur versehen.

Obwohl sich derartige feuerhemmende Schichtenelemente bereits gut bewährt haben, weil sie längere Zeit, beispielsweise zwi­ schen 30 und 60 Minuten lang, das Vordringen der Hitze verhin­ dern, ergeben sich gelegentlich Schwierigkeiten, wenn starke Luftbewegungen oder andere mechanische Kräfte die Schaumbild­ nerschicht angreifen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, feuerhemmende Schichtenelemente dieser Gattung dahingehend zu verbessern, daß sie sich auch beim Angreifen von Kräften, insbesondere mechanischer Art, durch eine wirkungsvolle feuerhemmende Wir­ kung und bessere Standfähigkeit auszeichnen.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. In Unteransprü­ chen sind Ausbildungen beansprucht und in der folgenden Beschreibung sind weitere Verbesserungen aufgeführt.

Im Gegensatz zum Stand der Technik soll bei der Erfindung gar nicht die volle Aufschäumbarkeit der Schaumbildnerschichten ausgenutzt werden. Obwohl keine großen Hohlräume, sondern nur verhältnismäßig kleine Poren (Mikrogefüge) in der Schaumbild­ nerschicht bei Hitze entstehen, wird dennoch eine bessere ther­ mische Isolation erzielt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Schaumbildner­ schichten der bekannten Art sehr ungleichmäßig aufschäumen können, wodurch teilweise auch sehr große Hohlräume entstehen. Das entstandene Kohlenstoffgerüst ist oftmals so schwach, daß es zerbröckelt und die wärmedämmende Wirkung dann ebenfalls zum Teil verlorengeht. Aufgrund der Erfindung wird jedoch das ungesteuerte Aufschäumen der Schaumbildnerschicht gewissermaßen "gebremst", und zwar in einer derartigen Weise, daß keine so großen Hohlräume, sondern feinere Schaumstrukturen mit geringe­ rer Porengröße entstehen. Durch insbesondere beidseitige Ein­ fassung der Schaumbildnerschicht durch solche das Aufblähen hemmende Stabilisierungsschichten, wird ein "hartes Gerüst" mit relativ kleinen Poren gebildet, welches auch bei Angreifen starker Windstöße oder anderer Erschütterungen nicht so leicht zerfällt.

Dabei empfiehlt es sich, die Stabilisierungsschicht mit mehr als 30 Gew.-%, insb. mindestens 50 Gew.-% faserförmigen und/oder plättchenförmigen Füllstoffen, wie Glimmer und/oder Plastori­ ten, zu versehen, um eine "Hautbildung" in Zusammenwirkung mit der Bildung eines Kohlenstoffgerüsts bzw. dem "Karbonisieren" im Brandfall sicherzustellen. Das Karbonisieren wird begünstigt durch Zugabe von Melaminen. Darüber hinaus können auch andere Füllstoffe, wie Karbonate des Magnesiums und Kalziums oder deren Hydroxide und Silikate Anwendung finden.

Besonders günstig haben sich sogenannte "Carbonfasern" erwiesen. Diese weisen einen hohen C-Gehalt auf und entstehen z. B. beim Carbonisieren von Polyacrylnitril noch vor dem Graphitisieren (Römmp, ChemieLexikon, 1983, S. 2157). Auch Aramide sowie Fasern aus Quarz, Stahl und Bor sind vorteilhaft. Sofern Glasfasern in der Stabilisierungsschicht verwendet werden, sollten diese sehr fein sein, vorzugsweise einen Durchmesser bzw. eine Dicke von 6- 15 µm und eine Länge von ca. 2-6 mm besitzen. Für besondere Zwecke lassen sich auch sogenannte Mikroballons oder Glasflakes einsetzen.

Der Vorteil ist, daß bei hohen Temperaturen aufschäumbare Schaumbildnerschichten mit mindestens einer Stabilisierungsschicht bzw. einer "Hemmschicht beschwert" werden, welche bei solchen hohen Temperaturen, die für das Aufschäumen der Schaumbildnerschicht verantwortlich sind, im wesentlichen nicht aufschäumen, sondern das ungesteuerte Aufschäumen der Schaumbildnerschicht hemmen und der Schichten­ kombination bei hohen Temperaturen, insbesondere im Brandfall, eine verhältnismäßig lange Zeit wirksame Starrheit bzw. Stabilität einer gewünschten Dicke verleihen. Die verhältnismäßig stabile und gleichzeitig starre Schaumstruktur ist dann feinporig ohne große Hohlräume.

Während die Schaumbildnerschicht durchschnittlich 0,5-3 mm Dicke besitzt, sollte jede Stabilisierungsschicht, die das Aufschäumen der Schaumbildnerschicht vermindert, 1-2 mm dick ausgebildet sein. Die Stabilisierungsschicht kann im Brandfalle noch etwa 5-10 mm aufschäumen. Während die Schaumbildnerschicht unbehindert bzw. im ungesteuerten Zustand 10-20 cm aufschäumen würde, wird deren Aufschäumen durch die Steuerung der Stabili­ sierungsschicht nur die Hälfte und weniger betragen, also um mindestens 50% vermindert. Zum Aufschäumen empfehlen sich Chlor- Phosphorester mit mindestens 12% Phosphor und 34% Chlor; die Chlorkomponente kann mindestens teilweise durch Brom ersetzt werden.

Ausführungsbeispiele sind anhand der Zeichnung noch näher er­ läutert. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 schematische Teil­ schnitte aus Schichtenelementen.

Gemäß Fig. 1 sind auf die zu schützende Unterlage 1, auf der eine Haftungsvermittlerschicht 4 und im Falle von Stahl als Korrosionsschutz Polyvinylbutyral aufgebracht sein kann, zuerst die erste Stabilisierungsschicht 2 a und darauf die erste Schaum­ bildnerschicht 3 aufgebracht, welche von der zweiten Stabili­ sierungsschicht 2 b abgedeckt wird. Auch die Haftungsvermittler­ schicht 4 wird durch die erste Stabilisierungsschicht 2 a am Schäumen gehindert. Diese beiden Schichten 4 und 2 a sollten gleichzeitig Schutzschichten sein für den Fall, daß durch äußere Einwirkung, wie im Brandfalle, fallende Gegenstände oder durch Spritzwasser, die Schaumbildnerschicht 3 verletzt werden sollte. Die mechanische Güte der Schicht läßt dann immer noch zu, daß ein Teil der Haftungsvermittlerschicht 4 noch weiter aufschäumt, auch wenn die Schichten 2 b und 3 fehlen sollten. Damit ist der Brandschutz für eine weitere Zeit gewährleistet.

Gemäß Fig. 2 wird das Schichtenlaminat noch verbessert: Über­ all dort, wo schon bei niederen Temperaturen ein schnelles Aufschäumen stattfinden und der erste Schutz für die Unter­ lage 1 - hier mit einem Blech 5 überzogenes Holz - gegeben sein soll, werden eine zweite Schaumbildnerschicht 3 b und eine dritte Stabilisierungsschicht 2 c aufgebracht, während die an­ deren Schichten 2 a, 3 a und 2 b die gleichen Funktionen wie schon oben geschildert haben. Die zweite Schaumbildnerschicht 3 b und die dritte Stabilisierungsschicht 2 a sind jedoch dünner ausgebildet, um das erste Aufschäumen zu forcieren. Gleichzei­ tig verhindern sie, daß die dickere, erste, d. h. die Haupt- Schaumbildnerschicht 3 a zu stark und schnell beansprucht wird; dies fördert zusammen mit den Stabilisierungsschichten ein gleichmäßigeres Bilden der feinen Luft- oder Gasporen.

In dieser Anordnung ergibt sich ein weiterer Vorteil, weil die zweite Stabilisierungsschicht 2 b eine Doppelfunktion über­ nimmt, und zwar eine das Aufschäumen steuernde, und zwar erheb­ lich begrenzende bzw. hemmende Wirkung auf beide benachbarte Schaumbildnerschichten 3 a, 3 b. Eine entsprechende Doppelfunk­ tion übt auch die erste Stabilisierungsschicht 2 a aus. Die Stabilisierungsschichten 2 a, 2 b, 2 c sind mit faser- bzw. blätt­ chenförmigen Füllstoffen 6 versehen.

Das Ergebnis im Brandfalle sind immer glasartig starre bzw. harte Schichten, die gegen äußere mechanische Einwirkungen recht stabil sind. Alle äußeren Stabilisierungsschichten 2 b bzw. 2 c können noch durch eine Schutzschicht abgeschlossen werden, welche wasserabweisend und auch gegen Umweltbelastungen schützend wirken sollte. Als geeignet erwiesen sich Polyure­ than jeglicher Art, in der Hauptsache Polyester aus Apidin­ säure, Phthalsäure, Triol und Diol 80% in Äthylglykolacetat zusammen mit aromatischen Diisocyanatgemischen.

Im folgenden werden nun Beispiele für Zusammensetzungen der einzelnen Schichte beschrieben; dabei ist festzustellen, daß das Verfahren des Schichtenauftragens mit allen Brandschutz­ systemen verschiedener Basisprodukte durchgeführt werden kann. Auch die Art der Basisprodukte kann von Schicht zu Schicht verschieden sein, so daß eine Stabilisierungsschicht zusätzlich auch dieFunktion einer Haftvermittlerschicht ausüben könnte.

1. Stabilisierungsschichten: Komponente A:

• a) 100 Gewichtsteile Epoxydharzemulsion unter Verwendung eines hydrophilen Epoxydharzes;
• b) 10 Gewichtsteile nicht plastifiziertes vollveräthertes Melaminharz;
• c) 15 Gewichtsteile Chlor-Phosphorester als Antiblaze;
• d) 4,5 Gewichtsteile Glimmer;
• e) 4,5 Gewichtsteile Titan RD 2;
• f) 20 Gewichtsteile geschnittene Glasfasern (Länge zwischen 0,5 und 10 mm)

Zuerst werden die flüssigen Produkte gemischt und dann die festen Bestandteile hinzugefügt; dabei werden die Glas­ fasern mittels Dissolver langsam zugegeben.

Zu je 1 kg dieser Mischung werden anschließend mit Dissol­ ver noch 200 gr Glimmer und 30 gr Aerosil sowie 100 gr Äthanol oder ein anderes Lösungsmittel hinzugefügt.

Komponente B:

• a) 40 Gewichtsteile Adduktorenhärter;
• b) 30 Gewichtsteile Härter;
• c) 10 Gewichtsteile geschnittene Glasfasern wie oben genannt

Auf 1 kg der Komponente B kommen noch 30 gr Aerosil, 200 bzw. 250 gr Glimmer und 100 gr Äthanol.

Die Mischung wird bei langsamem Zugeben der geschnittenen Glasfasern über den Dissolver oder Dreiwalzenstuhl mindestens 1 Std. verarbeitet.

Das Mischungsverhältnis der Komponente A zur Komponente B beträgt etwa 2 : 1 Gewichtsteile.

Die das Aufschäumen steuernde Wirkung der Stabilisierungs­ schicht kann in verschiedener Weise variiert werden.

• a) Dies geschieht z. B. durch Veränderung des Basismaterials der Komponente A, indem der Gewichtsmengenanteil von a) zwi­ schen 70 und 30 Gewichtsteilen eingestellt wird. Bei 30 Gewichtsteilen von a) sollte der "Verfestigungsfüllstoff" Glimmer oder Plastorit um das Doppelte erhöht werden.
• Im Brandfalle entsteht dann aus den einzelnen Komponenten eine fest zusammenhängende Schicht aus Kohlenstoff, Glas, Glimmer und Aerosil, die bei 900°C Brandtemperatur ange­ schmolzen werden und damit die Schaumbildnerschicht in ihrem Aufschäumen, d. h. der Schichtdicke, begrenzen.
• b) Die gleiche Wirkung läßt sich durch die Dicke der Stabili­ sierungsschicht erreichen.
• Für jeden Anwendungsfall wird die entsprechende Wahl zwi­ schen Zusammensetzung und Dicke der Stabilisierungsschicht getroffen werden.

2. Die Haftungsvermittlerschicht: Komponente A:

• a) 45 Gewichtsteile Epoxidharzgemisch mit Novolack;
• b) 2 Gewichtsteile Melaminharz wie 1 Komp. A b);
• c) 2 Gewichtsteile Stabilisatoren,
• d) 2 Gewichtsteile Wasser;
• e) 18 Gewichtsteile Pentaerythrit;
• f) 18 Gewichtsteile Phoscheck;
• g) 11 Gewichtsteile Chlorphosphorester als Antiblaze;
• h) 2 Gewichtsteile Titan RD 2;
• i) 2 Gewichtsteile Glimmer.

Auf 1 kg dieser Mischung kommen zusätzlich 10 Gewichtsteile Aerosil und noch 50 Gewichtsteile Glimmer und hierzu als Ver­ dünner eine Mischung aus 60 Gewichtsteilen Methylenchlorid und 40 Gewichtsteilen Toluol verwendet.

Komponente B:

• a) 16 Gewichtsteile Härter aus einem Aminaddukt und Poly­ amidoamin;
• b) 2 Gewichtsteile Wasser;
• c) 3,2 Gewichtsteile Dicyandiamit;
• d) 0,4 Gewichtsteile Aerosil.

Die Komponenten A und B werden im Verhältnis 4 : 1 gemischt. Im Falle des Spritzens braucht nur eine geringe Menge des Lösungsmittelgemisches verwendet werden, während zum Strei­ chen die angegebene Menge einzusetzen ist.

Für Zwecke der guten Haftung am Untergrund 1 und großer Festigkeit zur Aufnahme der Beanspruchung durch die oberen Schaumbildnerschichten soll diese Haftungsvermittlerschicht 4 in zwei Arbeitsgängen aufgebracht werden. Hierbei ist zwischen dem ersten und zweiten eine Pause von mindestens 24 Std. einzulegen.

3. Schaumbildnerschichten: Komponente A:

• a) 44 Gewichtsteile Epoxid-Novolackgemisch mit Verdünner;
• b) 4 Gewichtsteile eines Lösungsmittelgemisches aus lösli­ chen Melamin- und Benzoguanaminharzen;
• c) 6 Gewichtsteile Melaminharz;
• d) 20 Gewichtsteile aktiviertes Ammoniumpolyphosphat;
• e) 15 Gewichtsteile Pentaerythrit;
• f) 4,5 Gewichtsteile Glimmer;
• g) 4,5 Gewichtsteile Titan RD 2;
• h) 12 Gewichtsteile Chlorphosphorester als Antiblaze;
• i) 20 Gewichtsteile geschnittene Glasfasern wie oben genannt.

Auf 1 kg der Komponente A kommen noch 35 Gewichtsteile Aerosil R 805 und dazu 700 Gewichtsteile Äthanol. Der An­ teil des Äthanols läßt sich je nach Außentemperaturen er­ höhen oder vermindern, je nachdem, ob gestrichen oder ge­ spritzt werden soll.

Komponente B:

• a) 85 Gewichtsteile Polyamidoamid;
• b) 10 Gewichtsteile Aminaddukt;
• c) 5 Gewichtsteile Amin;

Auf 100 Teile dieser Mischung kommen noch zusätzlich 30 gr Glimmer und 25 Gewichtsteile eines weiteren Aminadduktes.

Diese Mischung wird langsam in die übrigen Bestandteile mit Dissolver eingerührt, vorteilhaft mit noch 10 gr des Aerosil R 805 oder entsprechende Gewichtsteile eines Asbest­ fasergemisches mit Faserlängen zwischen 1 und 5 mm oder eines Bentones bzw. Bentonites. Das bei Hitze aufschäumende Material wird im Mischungsverhältnis zwischen Komponente A und Komponente B von 4 : 1 gemischt.

Bei der Applikation ist es empfehlenswert, die einzelnen Schichten schnell übereinander aufzubringen. Besonders die Epoxidharze mit den vorgegebenen Härtern haben eine längere Topfzeit, die z. B. beim Streichen erwünscht ist. Darüber hinaus ist es aber auch gelungen, durch Hochdruck­ maschinen und Spezialspritzpistolen mit getrennter Zuführung von Druckluft eine hervorragende Verteilung der aufschäum­ baren Mischungen zu finden. Gerade an Objekten, deren lau­ fender Betrieb nicht unterbrochen werden soll, muß das schnelle Arbeiten gewährleistet sein.

Für Epoxidharze mit Aminen gab es bisher keine geeigneten Beschleuniger. Wider Erwarten ist es gelungen, einen sol­ chen Beschleuniger für das vorliegende System, welches mit Aminen bzw. Polyamiden der Amido-Aminen arbeitet, zu finden. Es handelt sich hierbei um ein Polymercaptan­ harz, welches zusammen mit den Härten angewendet wird. Die Mercaptanzahl soll im Minimum 3,3 betragen und die Konsistenz bei ca. 15 000 m Pasc. (bei 20°C) liegen. Das Harz ist eine wasserklare, farblose Flüssigkeit. Die Polymercaptane reagieren sehr schnell mit den Epoxidharzen. Die Reaktionen verlaufen sowohl in dünnen als auch in dicken Schichten und starten auch bei niedrigen Temperaturen. Ein Zusatz von 25-35 Gew.-% ist ohne Störung des Verhal­ tens möglich, in Sonderfällen können auch bis zu 75 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge, verwendet werden.

Das angegebene Verfahren eröffnet ein weites Anwendungsge­ biet, weil alle schwierigen Probleme eines aufschäumenden Materials gelöst sind und für jeden Anwendungsfall die geeignete Schaumstruktur und Schaumhöhe (Schichtdicke nach dem Aufschäumen) steuerbar ist. Ein Abweichen von der Ein­ stellung ist praktisch unmöglich. Die Einhaltung eines einmal eingestellten Feuerwiderstandes kann von Anfang garantiert werden. Das Verfahren erreicht auch, daß mit der Formulation bisher festgestellte Unsicherheiten bei der Durchschreitung des thermoplastischen Zustandes eines Harzes verschwinden, weil die Art der Kombination von bei Hitze im wesentlichen nicht oder kaum aufschäumendem Mate­ rial mit einem bei Hitze stärker schäumbaren ein schnelles Durchschreiten dieses Zustandes ergibt. Damit wird ein Abrutschen der Schaumschichtkombination von der Unterlage oder von anderen Schichten verhindert und ein hoher Feuer­ widerstand erreicht, der sogar einen so hohen von bis zu 120 min mit Gegenheizung erreichen kann.

Anwendungsgebiete sind z. B. Stahlbauelemente und sonstige Metallelemente, aber auch alle Holzbauteile. Sowohl innen als auch außen sind die Möglichkeiten einer guten Feuer­ hemmung offensichtlich, wie bei Erdölbetrieben oder Off- Shore-Anlagen. Wichtig ist auch die Vielfalt der Austausch­ barkeit einiger Bestandteile, wie Glas, durch z. B. andere Fasern. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt auf dem militärischen Sektor.

Claims (9)

1. Feuerhemmendes Schichtenelement mit mindestens einer bei hohen Temperaturen aufschäumbaren Schaumbildnerschicht und mindestens einer weiteren zu dieser benachbarten Stabilisie­ rungsschicht, die bei hohen Temperaturen eine verhältnismäßig stabile Struktur erhält, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschicht (2) das Aufschäumen der Schaum­ bildnerschicht (3) derart steuert, daß nach dem Aufschäumen der Schaumbildnerschicht (3) diese eine verhältnismäßig stabi­ le und starre Schaumstruktur mit geringer Porengröße aufweist.

2. Schichtenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschicht (2) Carbonfasern (mit Ausnahme von Graphitfasern) als Füllstoff aufweist.

3. Schichtenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschicht (2) Quarzfasern, Stahlfasern und/oder Borfasern aufweist.

4. Schichtenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschicht (2) blättchen- und/oder faser­ förmige Füllstoffe aus aromatischen Polyamiden aus aromatischen Diaminen und Arylendicarbonsäuren aufweist.

5. Schichtenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschicht (2) das Aufschäumen der Schaum­ bildnerschicht (3) nur bis auf die Hälfte der unbehinderten Aufschäumung begrenzt.

6. Schichtenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschicht (2) das etwa Zwei- bis Drei­ fache der Schichtdicke der zugehörigen Schaumbildnerschicht (3) vor dem Aufschäumen aufweist.

7. Schichtenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken der der zu schützenden Unterlage (1) zugewandten Schaumbildnerschicht (3 a) bzw. Stabilisierungs­ schicht (2 a, 2 b) größer sind als die der der zu schützenden Unterlage (1) abgewandten Schaumbildnerschicht (3 b) bzw. Stabilisierungsschicht (2 a, 2 b).

8. Schichtenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumbildnerschicht (3) und/oder Stabilisierungs­ schicht (2) hydrophiles Epoxidharz bzw. wasserhaltige Epoxid­ harzemulsionen aufweist.

9. Schichtenelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumbildnerschicht (3) und/oder die Stabilisierungs­ schicht (2) Polymercaptanharz in einem Anteil zwischen 25 und 75 Gew.-% aufweist.