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Die Erfindung befasst sich mit transparenten auf PMMA-Kunststoffscheiben beruhenden Verbundplatten, die als so genanntes F-Glas (Brandschutzglas) Anwendung finden können. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verbesserung der Brandeigenschaften von transparenten PMMA–Verbundplatten, aufweisend einen transparenten Kern angeordnet zwischen zwei außenliegenden PMMA-Platten. Die Erfindung beschreibt auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Platten sowie die Verwendung der so erhältlichen PMMA-Verbundplatten.
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PMMA (Polymethylmethacrylat) wird heute in großen Mengen hergestellt und findet vielseitige Verwendung als splitterfreier und leichter Ersatz für mineralisches Glas, z. B. als Verscheibung, optische Linse, Bedachungsplatte und dergleichen mehr. Dabei ist besonders bemerkenswert, dass Platten aus gegossenem PMMA Licht besser transmittieren als mineralisches Glas. Allerdings ist PMMA brandempfindlich und einmal entzündet verbrennt es praktisch rückstandsfrei. Diese Eigenschaft ist für bestimmte Anwendungen prohibitiv. Immer dann, wenn an das Brandverhalten besondere Ansprüche gestellt werden, war in der Vergangenheit von der Verwendung von Platten oder Scheiben aus reinem PMMA Abstand zu nehmen. Es hat nun bereits mannigfaltige Versuche gegeben, das Brandverhalten von Platten aus PMMA zu verbessern. So kann man PMMA z. B. durch den Zusatz bestimmter Additive flammfest ausrüsten. Eine Flammfest-Ausrüstung der PMMA-Kunststoffmatrix durch.
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Additive, die beispielsweise Brom oder Phosphorverbindungen enthalten, ist jedoch entweder relativ teuer oder geht zu Lasten anderer Eigenschaften, wie vor allem der Transparenz. Daher kommt der Einsatz von bestimmten Brom oder Phosphor enthaltenden Additiven bei transparenten Platten weniger in Frage.
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Verbundscheiben, bei denen zwischen Scheiben aus anorganischem Glas eine Kunststoffscheibe in Form einer Folie oder Klebeschicht angeordnet ist, sind aus der
DE 25 55 382 A1 ,
DE-OS 22 57 741 sowie der
DE 42 00 354 A1 bekannt.
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So betrifft die
DE 25 55 382 A1 Isolierscheiben aus zwei oder mehreren Scheiben aus Glas, die mit einem Harz verklebt sind, wobei das Harz ein Copolymer aus Polyestern und Vinylharzmonomeren ist.
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Die
DE-OS 22 57 741 offenbart Schalldämmplatten, bei denen zwei Glasplatten ebenfalls mit einem Kunststoffharz verklebt sind, wobei das Kunststoffharz die beiden Glasscheiben als dünner Film verbindet.
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Die
DE 42 00 354 A1 legt die Verwendung von (Meth)acrylatharzen mit verminderter Vergilbung zur Herstellung von Verbundglas nahe.
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All diesen Versuchen ist gemein, dass eine transparente Mineralglaskomponente mit einer transparenten Kunststoffkomponente kombiniert wird. In aller Regel jedoch überwiegt der Anteil der Mineralglaskomponente bei den beschriebenen Verbundplatten bei weitem und die Kunststoff- oder Kunstglaskomponente ist im Sandwich zwischen Mineralglasplatten eingebettet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein auf transparenten Kunststoffscheiben beruhendes Scheibenelement der eingangs beschriebenen Art, das ohne das positive Eigenschaftsprofil der bekannten PMMA-Platten aufzugeben, zugleich deren Brandverhalten verbessert.
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Diese sowie weitere nicht im Einzelnen näher aufgeführte Aufgaben werden bei einer transparenten PMMA-Verbundplatte der eingangs erwähnten Gattung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Im Hinblick auf das Verfahren stellt der unabhängige Anspruch der entsprechenden Gattung eine Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe oder Aufgaben dar. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den auf den unabhängigen Verfahrensanspruch zurück bezogenen Ansprüchen unter Schutz gestellt.
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Bezüglich der Verwendung werden die erfindungsgemäßen Gegenstände durch die Ansprüche aus der entsprechenden Kategorie beschrieben.
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Dadurch, dass bei einer transparenten PMMA-Verbundplatte aufweisend einen transparenten Kern angeordnet zwischen zwei außen liegenden PMMA-Platten der Kern gehärtetes Wasserglas umfasst und die PMMA-Verbundplatte ein an Ihren Kanten umlaufendes Abdichtelement aufweist, welches einen Luftkontakt des Kerns weitgehend ausschließt, wird die Brandsicherheit von PMMA-Verbundglas verglichen mit herkömmlichen Platten oder Scheiben aus PMMA erheblich verbessert. Zugleich gelingt es die Transparenz der Verbundplatte auf einem äußerst hohen Niveau zu halten, wie es beispielsweise mit durch Zusatzstoffe flammfest ausgerüstetem PMMA nicht erreichbar ist. Hinzu kommt, dass der erfindungsgemäße Verbund durch die umlaufende Abdichtung der Kanten des Verbundes besonders dauerhaft ist.
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Transparent meint dabei für den Bereich der Erfindung eine Transmission für sichtbares Licht von größer als 86%, zweckmäßig größer 88% und ganz besonders bevorzugt größer als 91,5%.
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Bei den außen liegenden Platten des erfindungsgemäßen PMMA-Plattenverbundes handelt es sich um Platten aus Poly(meth)acrylat. Hierunter ist Polymethacrylat und/oder Polyacrylat zu verstehen. Besonders bevorzugt sind Polymethyl(meth)acrylat. Ganz besonders bevorzugt ist Polymethylmethacrylat. Die Platten aus PMMA sind entweder nach einem diskontinuierlichen Gießverfahren, wie beispielsweise dem Kamnmerverfahren oder dem Rostero-Prozess, oder nach einem kontinuierlichen Stranggussverfahren (Extrusion) zugänglich. Die Materialien, welche bei der Herstellung von Platten nach dem diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Verfahren eingesetzt werden, sind dem Fachmann geläufig, ebenso wie die Verfahren an sich bekannt sind.
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Der erfindungsgemäße Verbund weist immer wenigstens zwei PMMA-Platten auf. Diese liegen regelmäßig außen und bilden somit die äußeren Begrenzungen des Verbundes. Die beiden äußeren Platten können gleich oder verschieden sein. In der Regel wird man einen Verbund mit äußeren Platten aus dem selben PMMA-Material einsetzen. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, einen asymmetrischen Verbund zu schaffen, bei welchem äußere Begrenzungsplatten aus unterschiedlichem PMMA-Material eingesetzt werden. So ist etwa die Schaffung eines Verbundes denkbar, bei welchem eine Außenplatte aus Gussglas und die andere Außenscheibe aus Extrusionsglas besteht. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch bei weitem bevorzugt, dass als PMMA-Platten solche aus Gussglas eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, mehr als zwei PMMA-Platten zu einem mehrschichtigen Verbund zusammenzufassen. So kann man drei, vier oder fünf Platten vorsehen, welche zwei, drei oder vier Kammern ausbilden, die auf geeignete Weise mit Kernmaterial gefüllt sind.
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Als Kernmaterial im Sinne der Erfindung dient gehärtetes Wasserglas mithin also wenigstens eine Alkalisilikatschicht. Allgemein sind Wassergläser wasserlösliche Alkalisilikate. Es handelt sich dabei um glasartige, amorphe, nicht – kristalline Verbindungen mit der Zusammensetzung M2O·nSiO2 mit M = einwertige Alkalimetallkationen wie Lithium, Kalium, Natrium, Rubidium und/oder Cäsium, bevorzugt Lithium, Natrium und/oder Kalium, ganz besonders bevorzugt Kalium und/oder Natrium. Besonders zweckmäßig sind Mischsilikate. Es gilt jeweils n = 1 bis 4. Besonders bevorzugt ist der Mittelwert für n im Bereich zwischen 3 und 4, noch mehr bevorzugt beträgt der Wert für n etwa 3,5.
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Das Alkalisilikat für den Kern kann prinzipiell auf jede denkbare Weise in die PMMA-Verbundplatte integriert werden. So ist es denkbar, eine Alkalisilikatschicht herzustellen und diese mit zwei Platten aus PMMA zu kaschieren. Von besonderem Interesse für die Erfindung ist es jedoch, wenn der Kern aus gehärtetem Wasserglas nach einem diskontinuierlichen Gießverfahren erhältlich ist, wobei die Platten (3, 4) einen Hohlraum bilden, in welchen das Wasserglas in fließfähiger Form gefüllt und anschließend ausgehärtet wird. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte Delaminierungserscheinungen schon weitgehend vermeiden.
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Es kann aber auch von großem Vorteil sein, den Verbund zwischen außen liegender PMMA-Platte und dem Kernmaterial dadurch zu verbessern, dass man einen Haftvermittler oder Primer einsetzt. In diesem Fall zeichnet sich die Verbundplatte nach der Erfindung dadurch aus, dass die PMMA-Platten auf den dem Kern zugewandten Seiten zumindest teilweise einen Primer aufweisen.
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Zu den einsetzbaren Haftvermittlern gehören beispielsweise organische Silane wie Methylmethoxysilan. Wird der Kern zwischen die äußeren Platten gegossen, kann man den Primer auf die der Hohlkammer zugewandten Seiten der PMMA-Platten auftragen. Wird der erfindungsgemäße Verbund kaschiert, so ist es ebenfalls möglich, den Primer auf die gehärtete Tafel aus Wasserglas aufzubringen.
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Der erfindungsgemäße Verbund in seiner einfachsten Struktur weist drei Schichten auf, nämlich zwei außen angeordnete PMMA-Platten, zwischen denen sich als Kern eine Schicht aus Wasserglas befindet.
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Die Dicke dieser Schichten kann je nach beabsichtigter Verwendung der PMMA-Verbundplatte über einen weiten Bereich variieren. So kann die Gesamtdicke des Verbundes zwischen etwa 6 und 300 mm betragen. Bevorzugt sind Dicken für den Verbund zwischen 8 und 160 mm. Ganz besonders bevorzugt sind Dicken zwischen 10 und 20 mm. Der letztgenannte Dickenbereich stellt einen günstigen Kompromiss zwischen Stabilität einerseits und Preis andererseits dar.
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Die einzelnen Schichten des Verbundes haben zweckmäßig etwa folgende Dicken: Die einzelne außen liegende PMMA-Platte hat zweckmäßig eine Dicke im Bereich von 2 bis 100 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 4 bis 20 mm, noch mehr bevorzugt zwischen 4 und 8 mm, während der Wasserglaskern allgemein eine Dicke aufweist, die etwa zwischen einem Zehntel der Summe der Dicken der Außenplatten und dem Dreifachen der Summe der Außenplattenstärken entspricht. Zweckmäßig ist die Kerndichte im Bereich vom 0,5fachen bis etwa Zweifachen der Außenplattenstärken. Besonders zweckmäßig im Bereich des 0,75fachen bis 1,5fachen und ganz besonders vorzugsweise weist der Wasserglaskern eine Dicke auf, die etwa der Summe der Dicken der beiden äußeren PMMA-Platten im Verbund entspricht.
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Die erfindungsgemäße Verbundplatte weist eine umlaufende Kantenabdichtung auf, um den Kern aus gehärtetem Wasserglas vor schädlichem Dauereinfluss von Luftsauerstoff zu schützen. Das Abdichtelement oder diese umlaufende Kantenabdichtung wird während oder nach der Herstellung des Plattenverbundes angebracht. So kann man die Kanten zweckmäßig mit einer Verklebung oder einem beidseitig haftenden Klebeband abdichten. Eine Schicht eines Adhäsivs sorgt zweckmäßig zugleich zu der Schutzfunktion vor Luftsauerstoff für eine Stabilisierung der Verbundplatte. Geeignete Materialien für solche Verklebungen umfassen unter anderem Acrylatkleber wie der unter dem Namen Acrifix® für die Firma Evonik Röhm GmbH eingetragene Kleber für Acrylglas.
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Obwohl ein derart erhältlicher Verbund aus wenigstens zwei PMMA-Platten und einer Kernschicht aus Wasserglas mit umlaufender Abdichtung der Kanten bereits als Verscheibung einsetzbar ist, kann es unter Umständen sehr viel zweckmäßiger sein, einen derartigen Verbund in einem Rahmen zu verbauen. Durch die Halterung der Verbundplatte in einem Rahmen gelingt es beispielsweise, die Brandschutzsicherheit des erfindungsgemäßen Verbundes weiter zu steigern.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer transparenten PMMA-Verbundplatte mit verbesserter Brandsicherheit, bei welchem Verfahren man
- (a) eine Hohlform aus zwei PMMA-Platten und Dichtungsmaterialien zur wasserfesten Abdichtung des Hohlraumes zwischen den PMMA-Platten bereitstellt,
- (b) eine fließfähiges Wasserglas umfassende Mischung zur Befüllung des Hohlraumes bildet,
- (c) die Mischung aus (b) entlüftet,
- (d) den Hohlraum mit der entlüfteten Mischung (c) befüllt,
- (e) und die PMMA-Verbundplatte umfassend die entlüftete Mischung (c) bei Temperaturen größer Raumtemperatur über eine Zeit lagert, die ausreicht, die Mischung (c) zu härten und zu klären.
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In einem weiteren Schritt wird der so erhaltene Verbund zweckmäßig mit einer Kantenabdichtung in Form einer Verklebung versehen, um so den Zutritt von Luftsauerstoff zum Kernmaterial zu unterbinden.
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Die Entlüftung nach Schritt (c) kann auf viele dem Fachmann geläufige Arten geschehen. So ist es möglich, die Entlüftung mechanisch durch gelegentliches Bewegen, Rühren oder durch längeres Stehen lassen vorzunehmen. Besonders zweckmäßig, weil wirkungsvoll und schnell, ist es, dass man in Schritt (c) die Mischung unter Einwirkung von Ultraschall oder mit Hilfe von Unterdruck, z. B. durch Anlegen eines Vakuums unter Einsatz einer Pumpe, entlüftet. In Bezug auf die Härtung und Klärung des Kernmaterials hat es sich als sachgerecht erwiesen, die entlüftete Mischung bei Temperaturen im Bereich von 20°C–105°C für eine Dauer von 2,5 h–48 h zu lagern. Bevorzugt sind Anwendungen von Temperatur und Zeit im Bereich von 25°C–100°C und 3,5 h–36 h. Noch mehr bevorzugt sind Bereiche von 30°C–95°C und 4 h–24 h sowie 45°C–90°C und 5 bis 24 h.
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Weiters ist es von ganz besonderem Vorteil, dass man in Schritt (e) die Härtung bei Temperaturen im Bereich von 60 bis 90°C über eine Zeitspanne von 6 bis 24 h durchführt. Während des Härtungs- und Verfestigungsvorgangs kann das als Kern eingesetzte Wasserglasmaterial gegebenenfalls zu übermäßigem Schäumen neigen. Dieses Problem kann durch den Einsatz eines „Entschäumers” beseitigt werden. Hierzu gehört unter anderem der Einsatz von Formulierungen mit ausgeprägter Grenzflächenaktivität, mit z. B. Compounds aus Silikonölen und optional darin implementierten Kieselsäure-Partikeln. Andererseits neigen solchen silikonhaltigen Entschäumer-Produkte teilweise dazu, die Haftung vom Wasserglas zum PMMA deutlich herabzusetzen. Im Rahmen der Erfindung hat es sich überraschend als besonders vorteilhaft erwiesen, silikonfreie Entschäumer einzusetzen. Ein in dieser Hinsicht für die Zwecke der Erfindung besonders günstiges Produkt ist der silikonfreie Entschäumer BYK-012 der Firma BYK-Chemie. Hierbei handelt es sich um einen hochwirksamen Polymerentschäumer mit 100% Festkörper für wässrige Systeme.
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In einer sehr günstigen Verfahrensmodifikation zeichnet sich das Verfahren der Erfindung dadurch aus, dass man in Schritt (b) eine Mischung bereitstellt, aufweisend:
25,0–47,0 Gewichtsteile Kaliumsilikat K57M;
50,0–71,1 Gewichtsteile Betol KS503;
0,1–3,9 Gewichtsteile Glycerin; wobei die Bestandteile so gewählt werden, dass sie zusammen 100-Gewichtsteile ergeben. Bei Kaliumsilikat K57M handelt es sich um eine hochkonzentrierte Lösung von Kaliumsilikat, erhältlich beim Hersteller Woellner GmbH & Co. KG. Betol KS503 steht für eine kolloidale Dispersion amorpher Kieselsäure in Wasser, ebenfalls erhältlich bei der genannten Firma Woellner GmbH & Co. KG.
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Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer transparenten PMMA-Verbundplatte wie hierin beschrieben oder erhältlich nach einem Verfahren wie hierin beschrieben als Scheibenelement zu Verglasungszwecken. Wie bereits ausgeführt weist der Plattenverbund aus PMMA-Platten und Wasserglas einen erhöhten Brandschutz auf. Insbesondere kann der Plattenverbund gehaltert in einem Rahmen als F-Glas gemäß DIN 4102 eingesetzt werden. Bei Hitzeeinwirkung verdampft der Wasserbestandteil des Wasserglases, das Element „schäumt” auf und die Oberflächen beschlagen sich.
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Hierdurch wird Wärmeenergie verbraucht, die Wärmedurchleitung reduziert und die Wärmestrahlungsdurchleitung für einen bestimmten Zeitraum stark reduziert.
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Die erfindungsgemäßen Plattenelemente erlauben somit im Bereich der Brandschutzverglasung hochtransparente Verglasungen mit hoher Lebensdauer und sehr geringem Flächengewicht.
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Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figuren weitergehend erläutert.
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In den Figuren zeigen
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1 eine Querschnitt durch eine erfindungsgemäße PMMA-Verbundplatte;
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2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße PMMA-Verbundplatte in eingebautem Zustand;
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3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße PMMA-Verbundplatte in eingebautem Zustand mit angedeuteter Beflammung; und
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4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße PMMA-Verbundplatte in eingebautem Zustand nach Beflammung in aufgeschäumtem Zustand.
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Mit 1 wird in den 1 bis 4 eine erfindungsgemäße brandsichere, transparente PMMA-Verbundplatte bezeichnet. Wie in allen Figuren zu erkennen ist, weist sie einen transparenten Kern 5 aus gehärtetem Wasserglas auf, welcher zwischen zwei PMMA-Platten 3 und 4 eingebettet ist und mit diesen eine Verbundplatte 1 ausbildet. Die PMMA-Scheiben oder -Platten 3 und 4 können aus unterschiedlichem oder demselben Material bestehen. Die im Schnittbild erkennbaren Kanten 2 der PMMA-Verbundplatte 1 weisen zum Schutz vor Kontakt mit Luftsauerstoff eine umlaufende Abdichtung 6 auf.
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Erfindungsgemäße PMMA-Verbundplatten lassen sich beispielsweise folgendermaßen herstellen: Zwei PMMA-Platten mit den Abmessungen 1000 × 2000 × 8 mm werden mit Hilfe einer umlaufenden Dichtung so distanziert, dass zwischen den Scheiben ein Spalt von 16 mm entsteht.
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Es wird ein Brandschutzgel nach folgender Rezeptur angesetzt:
36,5 Gew.-Teile Kaliumsilikat K57M
61,8 Gew.-Teile Betol KS503
1,7 Gew.-Teile Glycerin
Kaliumsilikat K57M wird in einem Mischgefäß vorgelegt und Betol KS503 unter Rühren langsam zugegeben. Nach kurzem Mischen erfolgt die Zugabe des Glycerins. Der Ansatz wird dann für 30 Minuten im rühren unter Vakuum entlüftet.
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Die milchig trübe Mischung zeigt anfänglich eine höhere Viskosität, die sich im Laufe der Behandlung während des Entlüftens wieder verringert. Das entlüftete, noch trübe Gel wird langsam durch eine Öffnung in der Dichtung in den Hohlraum zwischen den Platten 3, 4 gegeben.
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Die so verfüllten Plexiglasscheiben werden über Nacht bei 70°C getempert, um das Gel auszuhärten. Zugleich klärt sich das Gel und die Verbundplatte wird transparent.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen PMMA-Verbundplatte als Brandschutzglas F nach DIN 4102 wird durch die 2 bis 4 verdeutlicht.
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Bei der in den 2 bis 4 dargestellten Serie wird das beschriebene Element einseitig mit einer Flamme belastet.
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Dabei wird die der Flamme zugewandte PMMA-Platte zerstört. Während dessen schäumt das Wasserglas im Kern zu einer zähen, festen Masse auf und sorgt für den verbesserten Brandschutz. Damit wurden alle Erfordernisse an ein F1 Glas (Rauch- und Flammdichtigkeit sowie keine Übertragung des Brandherdes durch Hitzestrahlung im geforderten Zeitraum) erfüllt. Darüber hinaus war es als besonders überraschend zu bezeichnen, dass bei einer Verbundplatte der Erfindung eine große Formstabilität nach Brandbelastung feststellbar war. Insbesondere gab es keinerlei Verschüsselungen des belasteten Elements.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2555382 A1 [0004, 0005]
- DE 2257741 [0004, 0006]
- DE 4200354 A1 [0004, 0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 4102 [0032]
- DIN 4102 [0046]
