PL229098B1 - Sposób otrzymywania transparentnych termoizolacji ogniochronnych - Google Patents

Abstract

Sposób otrzymywania transparentnych termoizolacji ogniochronnych, zawierających co najmniej dwa przezroczyste elementy nośne oraz przynajmniej jedną przezroczystą warstwę ochronną, zawierającą uwodniony krzemian metalu alkalicznego w bezpośrednim powiązaniu z przezroczystymi elementami nośnymi, charakteryzuje się tym, że warstwę ochronną stanowi hydrożel krzemianu metalu alkaicznego, utworzony z roztworu wodnego krzemionki koloidalnej o średniej powierzchni właściwej cząstek krzemionki wynoszącej od 30 do 100 m2/g oraz stężeniu masowym krzemionki w wodzie wynoszącej od 30 do 60% i roztworu wodnego wodorotlenku metalu alkaicznego o stężeniu masowym od 20 do 50%, przy czym roztwory miesza się ze sobą w temperaturze od 30 do 50°C przez czas od 10 do 30 minut pod zmniejszonym ciśnieniem nie większym niż 100 mbar, a następnie wypełnia uzyskaną cieczą przestrzeń pomiędzy przezroczystymi elementami nośnymi i wygrzewa uzyskany panel w temperaturze od 60 do 90°C przez czas od 4 do 8 godzin.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania transparentnych termoizolacji ogniochronnych zawierających elementy nośne, na przykład w postaci płyt szklanych ułożonych równolegle do siebie, pomiędzy którymi znajduje się hydrożel z krzemianów metali alkalicznych np. z krzemianu potasu, przy czym hydrożel powstaje pomiędzy płytami szklanymi po zmieszaniu ze sobą roztworu wodnego krzemionki koloidalnej oraz wodnego roztworu wodorotlenku metalu alkalicznego np. wodorotlenku potasu i umieszczeniu przygotowanej cieczy pomiędzy taflami szkła. Aby konsystencja hydrożelu była wystarczająco zwarta, wody w roztworze powinno być nie więcej niż 60% masowo. Płynna konsystencja roztworu umożliwia wlanie go pomiędzy szyby i po pewnym czasie ciecz zmienia się w przeźroczysty hydrożel o zwartej konsystencji. Proces można przyspieszyć wygrzewając wypełnione roztworem elementy nośne. Hydrożel może zawierać środek przeciw zamarzaniu np. alkohol wielowodorotlenowy w postaci glikolu etylenowego lub gliceryny. Dużą izolacyjność ogniową transparentnych izolacji można uzyskać łącząc ze sobą wiele paneli szyba-hydrożel-szyba, lub też wykonywać naprzemienne układy sandwiczowe szyba-hydrożel-szyba-hydrożel itd.

Pomysł na wytwarzanie przeźroczystych przegród termoizolacji ogniowej powstał kilkadziesiąt lat temu. Pierwszy opis patentowy dotyczący wytwarzania szyby ogniotrwałej został zgłoszony w Niemczech w 1969 roku przez koncern BASF Ag - numer udzielonego patentu to: DE1900054A1. Sposób działania termoizolacji ogniowej transparentnych szyb ognioodpornych opisany w w/w patencie jest nadal powszechnie stosowany. Polega on na tym, że przestrzeń pomiędzy dwiema szybami wypełnia specjalny transparentny żel, który przylega do szyb. Całość wygląda jak jedna gruba szyba, jednak wykazuje dużo większą izolacyjność ogniową od analogicznej monolitycznej grubej szklanej szyby. Gruba szyba szklana, gdy będzie dodatkowo zbrojona np. drutem stalowym, może stanowić barierę dla ognia i dymu, ale wskutek dużego przewodzenia ciepła przez taką przegrodę może dochodzić do nagrzewania przedmiotów po drugiej stronie i ich zapłonu, również może być uniemożliwiona ewakuacja ludzi poruszających się wzdłuż takich przegród. Lite szkło ma dość dużą przewodność cieplną, przez co nie jest zaliczane do materiałów izolacyjnych. Natomiast porowate materiały nieorganiczne w postaci sztywnych pianek np. pumeks, lub płyty z wełny szklanej, są izolatorami ciepła, gdyż mają przewodność cieplną prawie dwa rzędy mniejszą od litego szkła. Dodatkowo pianka mineralna jest niepalna, a ulega stopieniu dopiero w wysokiej temperaturze. Zatem pomysł stworzenia ogniochronnych szyb polegał na tym, aby przeźroczysta warstwa żelu pomiędzy szybami ogniochronnymi zawierała składniki, które podczas pożaru i oddziaływania ciepła spowodują spienienie tego żelu do postaci twardej nieorganicznej piany będącej izolatorem ciepła. W czasie pożaru jedna szyba nośna od strony ognia ulega zniszczeniu umożliwiając ekspansję hydrożelu i powstanie z niego piany wskutek oddziaływania ciepła i wrzenia zawartej w nim wody. Spieniony żel po odparowaniu wody tworzy sztywną mineralną pianę zapobiegającą przenikaniu ciepła. Wykorzystane są tu równolegle dwa korzystne zjawiska: 1) zmiana żelu w pianę o dużej izolacyjności cieplnej przy jednoczesnym odparowywaniu wody, która dodatkowo pobiera ciepło podczas odparowywania ograniczając wzrost temperatury 2) powiększenie grubości przegrody poprzez ekspansję żelu do postaci piany w stronę działania ognia i ciepła, co dodatkowo zwiększa izolacyjność. Dlatego szyba składająca się z dwu lub więcej tafli szkła i warstw żelu między nimi będzie w czasie pożaru przewodziła ciepło setki razy mniej niż jedna gruba monolityczna szklana szyba o tej samej początkowej grubości.

Pomimo upływu parędziesięciu lat od pierwszego patentu dotyczącego termoizolacyjnych szyb ogniochronnych pryncypia ich działania nie zmieniły się, natomiast nadal dokonuje się zgłoszeń patentowych dotyczących rozwiązań stosowanych przy produkcji szyb ogniochronnych. Metody otrzymywania szyb ogniochronnych różnią się składem chemicznym hydrożelu oraz sposobami jego wytwarzania pomiędzy szybami, konstrukcją przekładek, zastosowanymi środkami uszlachetniającymi np. zwiększającymi lub zmniejszającymi adhezję żelu do szyby, środkami antykorozyjnymi w hydrożelu, rodzajami przekładek dystansowych pomiędzy szybami, składem stosowanych klejów, itd.

W pierwszych opisach patentowych dotyczących transparentnych termoizolacyjnych szyb ogniochronnych przeźroczystą warstwę pomiędzy szybami stanowił hydrożel, powstały z wodnego rozt woru szkła wodnego, czyli krzemianów metali alkalicznych (np. sodu, czy potasu) o zredukowanej zawartości wody, aby szkło wodne wykazywało żelową, zwartą konsystencję ciała stałego przy jednoczesnym zachowaniu transparentności. Przeważnie zawartość wody w takim zestalonym hydrożelu nie przekraczała 60% masowo, aby żel miał cechy ciała stałego zachowując swój kształt i nie spływał grawitacyjnie.

PL 229 098 B1

Jednocześnie wody w hydrożelu nie powinno być mniej niż 40%, aby nie doszło do krystalizacji krzemianów i utraty przeźroczystości podczas normalnego użytkowania przegrody, a także dlatego, aby w czasie pożaru efektywnie zachodziło spienianie poprzez wrzenie wody zawartej w hydrożelu. Technika produkcji transparentnych termoizolacyjnych szyb ogniochronnych była następująca: szkło laminowane wykonywane było przy zastosowaniu wodnego roztworu krzemianów nałożonego na jeden arkusz szklany ułożony w pozycji poziomej z ramkami dystansowymi na krawędziach, a następnie odparowywano wodę z roztworu krzemianu z wykorzystaniem nadmuchu ciepłego powietrza lub oddziaływania podwyższonej temperatury po umieszczeniu arkusza w specjalnym piecu. Po odparowaniu odpowiedniej ilości wody tak, aby jej zawartość procentowa była mniejsza niż 60% masowo, roztwór szkła wodnego zmieniał się z cieczy w hydrożel o konsystencji uniemożliwiającej spłynięcie z pionowej powierzchni w czasie pożaru. Po zżelowaniu warstwy roztworu wodnego krzemianu na szybie łączyło się go z drugim arkuszem szkła za pomocą przeźroczystego kleju - np. również wykonanego na bazie szkła wodnego. Powstawało laminowane szkło ognioodporne. Wadami tej pierwszej metody wytwarzania żelu jest to, że wymaga ona długotrwałego suszenia szkła wodnego oraz konieczności łączeni a hydrożelu z drugą szybą, co jest kłopotliwe.

Wygodniejszą techniką wykonywania żelu pomiędzy szybami jest napełnianie przestrzeni pomiędzy szybami cieczą i uzyskanie wzrostu lepkości i zmiany cieczy w żel, bez operacji zatężania roztworu do żelu poprzez jego suszenie i późniejsze łączenie z drugą szybą. Możliwość uzyskania hydrożelu bez suszenia dają roztwory wodne na bazie polimerów, gdzie hydrożel powstaje z cieczy podczas chemicznej reakcji polimeryzacji. Pierwszym patentem dotyczącym hydrożeli na bazie polimerów zawierających również niepalne sole jest patent niemiecki DE2713849A1 z 1977 roku. Polimery stosowane do uzyskania hydrożelu powstawały z rozpuszczalnych w wodzie akrylamidów i metakrylamidów a proces polimeryzacji inicjowano za pomocą nadtlenków lub nadsoli w obecności odpowiednich przyspieszaczy.

Żele polimerowe mają następujące zalety:

- możliwość wiązania dużej ilości wody - nawet do 90% wagowo, zaś w żelach krzemianowych wody może być maksymalnie 60%,

- prosta technologia uzyskania żelu np. utwardzanie w temp. pokojowej lub możliwość utwardzania światłem UV.

Wadami polimerowych żeli ogniochronnych jest:

- mniejsza odporność na warunki atmosferyczne, zwłaszcza promieniowanie UV, w porównaniu do hydrożeli krzemianowych, dlatego konieczne jest stosowanie zabezpieczeń np. ze specjalnych przeźroczystych folii odpornych na UV, co podraża gotowy produkt,

- monomerowe składniki żelu np. akrylamidy są silnymi truciznami i mają potencjalne działanie rakotwórcze,

- duża cena monomerowych odczynników,

- konieczność stosowania dodatków soli niezbędnych do uzyskania ogniochronności, np. chlorków, które podczas palenia powodują powstawanie trujących substancji - to samo dotyczy spalania polimerowej zawartości żelu w czasie pożaru, które odbywa się z wydzielaniem trujących produktów spalania,

- uciążliwość utylizacji poużytkowych przegród.

Nieorganiczne hydrożele w szybach ogniochronnych oparte na krzemianach wykazują wiele cech korzystniejszych w stosunku do żeli polimerowych, dlatego rozpoczęto badania nad sposobem uzyskania przeźroczystego żelu z krzemianów bez potrzeby ich suszenia. Sukces uzyskano dopiero w 1992 roku i firma Vetrotech Ag dokonała zgłoszenia oraz uzyskała patent o numerze US5565273, w którym po raz pierwszy opisane są przeźroczyste żele uzyskane ze szkła wodnego, czyli wodnego roztworu krzemianu, w procesie utwardzania bez suszenia i bez dodatków organicznych polimerów. Efekt taki uzyskano poprzez dodatek roztworu koloidalnego kwasu krzemowego do krzemianu potasowego, przy czym stosunek molowy SiO2 do K2O musiał być powyżej 4. Preferowane w patencie jest szkło wodne potasowe pomimo, że w pierwszych patentach dotyczących wytwarzania żelu ze szkła wodnego poprzez suszenie preferowano szkło wodne sodowe. Kwas krzemowy ma zdolność do odszczepiania wodoru i polikondensacji, przez co powstają duże rozgałęzione makrocząsteczki nieorganiczne. W gotowym żelu wody jest nie mniej niż 44% i nie więcej niż 60% masowo. Jako utwardzacz szkła wodnego można zastosować również roztwór koloidalny krzemionki zamiast roztworu kwasu krzemowego.

Istotą wynalazku jest sposób otrzymywania transparentnych termoizolacji ogniochronnych, zawierających co najmniej dwa przezroczyste elementy nośne oraz przynajmniej jedną przezroczystą warstwę ochronną zawierającą uwodniony krzemian metalu alkalicznego w bezpośrednim powiązaniu

PL 229 098 B1 ze wspomnianymi przezroczystymi elementami nośnymi, charakteryzujący się tym, że roztwór wodny krzemionki koloidalnej o średniej powierzchni właściwej cząstek krzemionki wynoszącej od 30 do 100 m²/g oraz stężeniu masowym krzemionki w wodzie wynoszącej od 30 do 60% miesza z roztworem wodnym wodorotlenku metalu alkalicznego o stężeniu masowym od 20 do 50%, w temperaturze od 30 do 50°C przez czas od 10 do 30 minut, pod zmniejszonym ciśnieniem, nie większym niż 100 mbar, do uzyskania hydrożelu krzemianu metalu alkalicznego jako warstwy ochronnej, a następnie wypełnia uzyskaną cieczą przestrzeń pomiędzy przezroczystymi elementami nośnymi i wygrzewa uzyskany panel w temperaturze od 60 do 90°C przez czas od 4 do 8 godzin.

Korzystnie stosuje się roztwór koloidalny krzemionki i roztwór wodorotlenku potasu, sodu lub litu, jak również mieszaninę tych wodorotlenków, które miesza się do uzyskania krzemianu metalu alkalicznego.

Korzystnie otrzymany hydrożel krzemianu metalu alkalicznego zawiera również środki do obniżenia temperatury zamarzania wody.

Korzystnie środki obniżające temperaturę zamarzania wody zawierają wieloalkohole.

Korzystnie warstwę ochronną umieszcza się pomiędzy dwiema płytami szklanymi.

Korzystnie otrzymuje się przezroczystą termoizolację ogniochronną, która składa się z naprzemiennie połączonych arkuszy szklanych i warstw hydrożelowych pomiędzy nimi.

Wynalazek pozwala na otrzymanie przeźroczystego hydrożelu pomiędzy szybami, który jest na bazie krzemianu metali alkalicznych. Według wynalazku hydrożel powstaje wskutek reakcji chemicznych i zjawisk fizycznych z cieczy, którą umieszcza się w przestrzeni międzyszybowej bez przeprowadzania kłopotliwej operacji suszenia i późniejszego łączenia szyby z żelem. Wytworzenie żelu, według wynalazku pozwala na wyeliminowanie z procesu szkła wodnego jako składnika i zastosowanie wodnego roztworu wodorotlenku metalu alkalicznego oraz wodnego roztworu koloidalnego krzemionki. Mieszaninę tych roztworów korzystnie jest przygotować w podwyższonej temperaturze i pod zmniejszonym ciśnieniem. W pierwszym etapie przygotowania roztworu zachodzi reakcja chemiczna pomiędzy wodorotlenkiem metalu alkalicznego i częścią krzemionki koloidalnej, wskutek czego otrzymuje się wodny roztwór krzemianu metalu alkalicznego, w którym nadal zdyspergowana jest część krzemionki. Wytworzona mieszanina jest nieprzeźroczystą białą cieczą o lepkości umożliwiającej jej przepływ i wlanie pomiędzy przestrzeń międzyszybową. Po umieszczeniu wytworzonej mieszaniny pomiędzy szybami następuje powolne rozpuszczanie się krzemionki koloidalnej w roztworze krzemianu metalu alkalicznego, wskutek czego rośnie lepkość cieczy i powstaje hydrożel. Całkowite rozpuszczenie krzemionki powoduje, że powstały żel jest przeźroczysty. Korzystnie jest proces rozpuszczania przyśpieszyć wygrzewając szyby w podwyższonej temperaturze.

Powstały żel pod względem składu chemicznego może być taki sam jak w przywołanym wyżej patencie firmy Vetrotech (US5565273), ale składniki i sposób uzyskania żelu jest inny.

P r z y k ł a d w y k o n a n i a I

Przygotowano składniki żelu:

- 3.75 kg wodnej zawiesiny krzemionki koloidalnej o stężeniu masowym 44% i o średniej powierzchni właściwej cząstek krzemionki wynoszącej 50 m²/g,

- 1.3 kg roztworu wodnego wodorotlenku potasu o stężeniu 50% masowo.

Roztwór krzemionki koloidalnej umieszczono w mieszalniku z płaszczem grzewczo-chłodzącym oraz z możliwością obniżania ciśnienia w mieszalniku. Ponieważ reakcja KOH z SiO2 jest egzotermiczna, roztwór KOH dodano do mieszalnika stopniowo cały czas mieszając i kontrolując temperaturę mieszaniny, tak aby nie przekroczyła 50°C. Przy zastosowaniu pompy próżniowej wytworzono próżnię o ciśnieniu bezwzględnym wynoszącym 100 mbar i utrzymywano temperaturę 46°C przez czas 15 minut cały czas mieszając. Mieszaninę ochłodzono do temperatury pokojowej, wyłączono mieszadło i wyrównano ciśnienie do ciśnienia atmosferycznego, a następnie spuszczono zawartość do pojemnika. Wykonaną mieszaniną napełniono przestrzeń pomiędzy szybami zespolonej szyby składającej się z dwóch hartowanych szyb o wymiarach 1 m x 1 m i grubości 5 mm oraz przekładkami dystansowo-uszczelniającymi o grubości 3 mm. Po wlaniu mieszaniny do komory pomiędzy szybami otwór wlewowy zaślepiono. Mieszanina zalewowa po umieszczeniu jej pomiędzy szybami nie była przeźroczysta tylko mleczna i lekko przeświecalna. Proces rozpuszczania nadmiaru krzemionki w powstałym krzemianie potasu jest długotrwały i w temperaturze pokojowej może trwać nawet paręnaście dni, zatem aby ten proces znacznie przyśpieszyć, wykonany panel wygrzano w temp. 80°C przez czas 5 godzin. Pomiędzy szybami powstał przeźroczysty żel. Przeprowadzono test izolacyjności ogniowej wg normy EN 1363 1:2012 i uzyskano klasę izolacyjności ogniowej El 30 wykonanego panelu.

PL 229 098 B1

P r z y k ł a d w y k o n a n i a II

Przygotowano składniki żelu:

- 3.46 kg wodnej zawiesiny krzemionki koloidalnej o stężeniu masowym 50% i o średniej powierzchni właściwej cząstek krzemionki wynoszącej 70 m²/g,

- 0.6 kg roztworu wodnego wodorotlenku potasu o stężeniu 50% masowo,

- 0.4 kg roztworu wodnego wodorotlenku sodu o stężeniu 50% masowo,

- 0.2 kg roztworu wodnego wodorotlenku litu o stężeniu 50% masowo,

- 0.2 kg glikolu etylenowego,

- 0.2 kg gliceryny.

Roztwór krzemionki koloidalnej, glikol etylenowy oraz glicerynę umieszczono w mieszalniku z płaszczem grzewczo-chłodzącym oraz z możliwością obniżania ciśnienia w mieszalniku. Roztwory KOH, NaOH, LiOH dodano do mieszalnika stopniowo cały czas mieszając i kontrolując temperaturę mieszaniny, tak aby nie przekroczyła 50°C. Obniżono ciśnienie do 100 mbar i utrzymywano temperaturę 46°C przez czas 15 minut cały czas mieszając. Mieszaninę ochłodzono do temperatury pokojowej, wyłączono mieszadło i wyrównano ciśnienie do ciśnienia atmosferycznego, a następnie spuszczono zawartość do pojemnika. Wykonanym roztworem zalewowym napełniono komory szyby zespolonej składającej się z układu trzech szyb hartowanych o wymiarach 1 m x 0,5 m i grubości 5 mm oraz przekładkami dystansowo-uszczelniającymi o grubości 3 mm. Tak wykonany panel szyb zespolonych posiadał pomiędzy szybami dwie komory o grubości 3 mm. Wypełniony roztworem zalewowym panel z zaślepionymi otworami wlewowymi wygrzano w temp. 70°C przez czas 6 godzin. Pomiędzy szybami powstał przeźroczysty żel. Przeprowadzono test izolacyjności ogniowej wg normy EN 1363-1:2012 i uzyskano klasę izolacyjności ogniowej wykonanego panelu równą El 60.

P r z y k ł a d w y k o n a n i a III

Wg przykładu I wykonano dwa panele termoizolacji ogniochronnych po czym wykonane panele połączono ze sobą uzyskując tym samym jedną szybę o grubości równej sumie grubości składowych paneli. Przeprowadzono test izolacyjności ogniowej wg normy EN 1363-1:2012 i uzyskano klasę izolacyjności ogniowej wykonanej szyby równą El 60.

Claims (6)

1. Sposób otrzymywania transparentnych termoizolacji ogniochronnych, zawierających co najmniej dwa przezroczyste elementy nośne oraz przynajmniej jedną przezroczystą warstwę ochronną zawierającą uwodniony krzemian metalu alkalicznego w bezpośrednim powiązaniu ze wspomnianymi przezroczystymi elementami nośnymi, znamienny tym, że roztwór wodny krzemionki koloidalnej o średniej powierzchni właściwej cząstek krzemionki wynoszącej od 30 do 100 m²/g oraz stężeniu masowym krzemionki w wodzie wynoszącej od 30 do 60% miesza z roztworem wodnym wodorotlenku metalu alkalicznego o stężeniu masowym od 20 do 50%, w temperaturze od 30 do 50°C przez czas od 10 do 30 minut, pod zmniejszonym ciśnieniem, nie większym niż 100 mbar, do uzyskania hydrożelu krzemianu metalu alkalicznego jako warstwy ochronnej, a następnie wypełnia uzyskaną cieczą przestrzeń pomiędzy przezroczystymi elementami nośnymi i wygrzewa uzyskany panel w temperaturze od 60 do 90°C przez czas od 4 do 8 godzin.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się roztwór koloidalny krzemionki i roztwór wodorotlenku potasu, sodu lub litu, jak również mieszaninę tych wodorotlenków, które miesza się do uzyskania krzemianu metalu alkalicznego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że otrzymany hydrożel krzemianu metalu alkalicznego zawiera również środki do obniżenia temperatury zamarzania wody.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że środki obniżające temperaturę zamarzania wody zawierają wieloalkohole.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę ochronną umieszcza się pomiędzy dwiema płytami szklanymi.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że otrzymuje się przezroczystą termoizolację ogniochronną, która składa się z naprzemiennie połączonych arkuszy szklanych i warstw hydrożelowych pomiędzy nimi.