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Die Erfindung betrifft eine Materialmischung für eine brandhemmende Deckschicht, wobei die Materialmischung einen Kautschuk und ein Flammschutzmittel enthält. Die Materialmischung kann daher genau einen Kautschuk oder mehr als eine Kautschuksorte, also eine Kautschukmischung enthalten. Gleichsam kann die Materialmischung genau ein oder mehrere Flammschutzmittel enthalten. Die Deckschicht kann zur zumindest teilweisen Abdeckung eines Federelements ausgebildet sein. Die Erfindung betrifft ferner eine brandhemmende Deckschicht, die eine solche Materialmischung aufweist, und ein Federelement zur Schwingungsdämpfung und/oder Federung mit wenigstens einem elastischen Dämpfungskörper, der zumindest in einem Bereich von einer solchen brandhemmenden Deckschicht bedeckt ist. Der Dämpfungskörper ist bevorzugt nach außen vollständig von der Deckschicht bedeckt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Federelements.
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Derartige Materialmischungen, Vorrichtungen und Verfahren sind aus der Praxis bekannt. Die vorbekannten Lösungen können häufig verschärfte Brandschutzbestimmungen entweder überhaupt nicht oder aber nicht ohne Inkaufnahme erheblicher Nachteile erfüllen. So sind vorbekannte Lösungen beispielsweise mechanisch oftmals nicht stabil, die Deckschichten können nicht hinreichend dünn ausgebildet werden oder die Herstellung ist aufwändig, da die Deckschichten nur sehr geringe Fehlertoleranzen erlauben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Materialmischung zu schaffen, mit der insbesondere Federelemente für Schienenfahrzeuge mit verbesserten Eigenschaften und gutem Brandschutzverhalten möglich werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale von Anspruch 1 vor. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß bei einer Materialmischung der eingangs beschriebenen Art zur Lösung der genannten Aufgabe vorgeschlagen, dass das Flammschutzmittel eine Polyol-Verbindung, eine phosphorhaltige Verbindung und eine stickstoffhaltige Verbindung enthält.
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Die Polyolverbindung kann hierbei insbesondere ein zweiwertiger Alkohol, wie etwa Ethylenglykol, oder ein höherwertiger Alkohol mit drei oder mehr OH-Gruppen, besonders bevorzugt mit bis zu 6 OH-Gruppen, sein. In Betracht kommen beispielsweise Glycerin, Mannit oder Xylitol. Besonders bevorzugt ist die Polyol-Verbindung Pentaerythrit. Pentaerythrit ist auch als Pentaerythritol bekannt.
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Die phosphorhaltige Verbindung ist bevorzugt auf der Basis von Phosphorsäure und Ammoniak hergestellt. Besonders bevorzugt ist die phosphorhaltige Verbindung Ammoniumpolyphosphat.
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Die stickstoffhaltige Verbindung ist bevorzugt ein Triazin oder ein Derivat eines Triazins wie etwa Acetoguanamin, Atrazin, Propazin oder Simazin. Besonders bevorzugt ist die stickstoffhaltige Verbindung Melamin.
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Besonders bevorzugt enthält das Flammschutzmittel Pentaerythrit, Ammoniumpolyphosphat und Melamin.
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Derartige Flammschutzmittel sind an sich bekannt. Beispielsweise ist es aus der Praxis bekannt, solche Flammschutzmittel im Zusammenhang mit Textilien zu verwenden.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass diese Flammschutzmittel auch für den Einsatz mit einem Kautschuk geeignet sind und diesbezüglich sogar besonders gute Eigenschaften haben, insbesondere bei Federelementen, die großen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Besonders gute Eigenschaften werden erreicht, wenn der Kautschuk Chloroprenkautschuk ist oder wenn der Kautschuk Naturkautschuk und/oder synthetischer Isoprenkautschuk ist oder wenn der Kautschuk Propylen-Mischpolymerisat und/oder Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat ist.
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Es hat sich insbesondere gezeigt, dass die Materialmischung für Federelemente von Schienenfahrzeugen besondere Vorteile bietet, wobei vor allem die Eigenschaften der Primär- und Sekundärfedern, die besonders hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, verbessert werden.
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Ferner hat sich gezeigt, dass mit der Materialzusammensetzung sehr dünne Schichtdicken erzielt werden können, die gleichzeitig einen hervorragenden Brandschutz bieten.
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Schichtdicken von 0,5mm bis 3mm bilden hierbei bevorzugte Ausgestaltungen der aus der Materialmischung gebildeten Deckschicht, da sich gezeigt hat, dass gegenüber vorbekannten Materialmischungen gerade bei diesen Schichtstärken der Brandschutz durch die erfindungsgemäße Materialmischung verbessert wird.
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Überraschenderweise kann mit der erfindungsgemäßen Materialmischung auch mit einer Kautschukbasis, insbesondere mit einer Kautschukbasis aus mindestens einer der zuvor genannten Kautschuken, eine sehr geringe Deckschicht von 1mm oder weniger realisiert werden. Derart dünne Deckschichten haben den Vorteil, dass durch sie die funktionalen Eigenschaften des Dämpfungskörpers nur minimal beeinflusst werden.
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Weiter hat sich gezeigt, dass auch weitere Parameter wie die Wärmefreisetzung und die Rauchgastoxizität hervorragende Werte aufweisen können, sodass Federelemente mit einer solchen Deckschicht hervorragende Brandschutzklassen erreichen können.
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Ferner hat sich gezeigt, dass bei Decklagen, deren Dicke in einem Intervallbereich von 1mm bis 4mm variieren kann, die Brandergebnisse praktisch nicht beeinflusst werden. Dies hat zur Folge, dass der Herstellungsprozess vereinfacht wird, da es nicht erforderlich ist, eine genau definierte Schichtdicke zu erzeugen, sondern ausreichend ist, dass die Deckschicht in dem zuvor genannten Intervall liegt.
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Der Kautschuk bildet insbesondere eine Kautschukbasis, in die das zuvor genannte Flammschutzmittel eingearbeitet ist.
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Zur Verbesserung der Rauchgaseigenschaften ist die Materialmischung bevorzugt halogenfrei.
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Dass der Kautschuk einer der zuvor konkret benannten Kautschuken ist, bedeutet, dass die Materialmischung zumindest diesen einen konkreten Kautschuk aufweist. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die Materialmischung nur diesen einen Kautschuk und keine weiteren Beimischungen anderer Kautschuksorten enthält. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass derartige Beimischungen vorhanden sind.
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Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass ein Massenanteil des Flammschutzmittels von 30 % bis 70 % an der Materialmischung beträgt, dass ein Massenanteil des Kautschuks oder aller Kautschuke der Materialmischung von 30 % bis 70% an der Materialmischung beträgt und dass ein Massenanteil wenigstens einer zusätzlichen Komponente von 0 % bis 15 % an der Materialmischung beträgt. Die Summe der Massenanteile aller Komponenten ergibt einen Wert von 100% an der Materialmischung. Vorzugsweise kann die Materialmischung als wenigstens eine zusätzliche Komponente ein Vernetzungsmittel aufweisen.
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Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass ein auf das Gewicht bezogenes Verhältnis von Polyol-Verbindung:phosphorhaltige Verbindung:stickstoffhaltige Verbindung in dem Flammschutzmittel, insbesondere von Pentaerythrit:Ammoniumpolyphosphat:Melamin, (0,5-2):(1-5):(0,5-2), besonders bevorzugt (0,7-1,5):(2-4):(0,7-1,5), ganz besonders bevorzugt (0,8-1,2):(2,5-3,5):(0,8-1,2), beispielsweise 1:3:1, beträgt.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass ein Gewichtsanteil von Phosphor an dem Flammschutzmittel zwischen 15-25%, bevorzugt zwischen 18 - 21 %, beispielsweise 19%, beträgt. Alternativ oder zusätzlich kann bevorzugt vorgesehen sein, dass ein Gewichtsanteil von Stickstoff an dem Flammschutzmittel zwischen 10-30%, bevorzugt zwischen 15 - 25 %, beispielsweise 22% beträgt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Materialmischung kann vorgesehen sein, dass diese frei von einem wasserabspaltenden Flammschutzmittel ist. Enthält die Materialmischung ein wasserabspaltendes Flammschutzmittel wie etwa Aluminiumtrihydroxid (ATH) oder Magnesiumoxid, so führt dies dazu, dass sich im Brandfall Wasser abspaltet, welches sodann gasförmig entweicht. Da dies dazu führt, dass die Temperatur abgesenkt wird und der Sauerstoffgehalt im Gas herabgesetzt wird, werden wasserabspaltende Flammschutzmittel häufig verwendet.
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Allerdings haben die Erfinder erkannt, dass wasserabspaltende Flammschutzmittel im Zusammenhang mit dem weiter oben beschriebenen erfindungsgemäß ausgebildeten Flammschutzmittel nachteilhaft ist.
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So wirkt das erfindungsgemäß ausgebildete Flammschutzmittel durch Ausbildung einer abschirmenden Deckschicht, einer Intumeszenz-Schicht. Eine durch ein wasserabspaltendes Flammschutzmittel bewirkte Gasentwicklung würde eine geschlossene Flammschutzdeckschicht aufbrechen, sodass keine geschlossene abschirmende Deckschicht mehr vorhanden wäre. Daher würde das von der Deckschicht nach außen abgeschirmte Material teilweise nach außen freigelegt werden, was sich erheblich nachteilhaft auf die brandhemmende Wirkung der Flammschutzschicht auswirken würde.
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Außerdem kann eine durch das wasserabspaltende Flammschutzmittel bewirkte zu starke Temperaturabsenkung die Wirksamkeit des erfindungsgemäß ausgebildeten Flammschutzmittels reduzieren. Die Wirkung des erfindungsgemäß ausgebildeten Flammschutzmittels kann unter anderem darauf beruhen, dass sich die phosphorhaltige Verbindung, insbesondere das Ammoniumpolyphosphat, im Brandfall durch die Hitzeeinwirkung zu Phosphorsäure zersetzt. Bei Ammoniumpolyphosphat erfolgt dies beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 250°. Die Phosphorsäure kann mit der Polyolverbindung, insbesondere dem Pentaerythrit, reagieren und Phosphatester bilden, die dann weitere für die Brandschutzwirkung wichtige Zersetzungsreaktionen eingehen, bei denen insbesondere Kohlendioxid und phosphorhaltige Überreste entstehen können. Durch die stickstoffhaltige Verbindung, insbesondere das Melamin, kann sich durch Hitzeeinwirkung gasförmiges Ammoniak bilden, welches mit Überresten der phosphorhaltigen Verbindung einen isolierenden Schaum bilden kann. Wird nun durch ein wasserabspaltendes Flammschutzmittel die Temperatur abgesenkt, so stört diese Temperaturabsenkung die zuvor beschriebenen Umwandlungsprozesse des erfindungsgemäß ausgebildeten Flammschutzmittels, sodass die Brandschutzwirkung vermindert sein kann.
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Es ist daher von Vorteil, wenn die Materialmischung kein wasserabspaltendes Flammschutzmittel enthält, und zwar insbesondere dann, wenn die Materialmischung für eine brandhemmende Deckschicht verwendet wird. Eine solche Deckschicht erhöht den Brandschutz und kann aus den zuvor genannten Gründen besonders dünn ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Materialmischung kann vorgesehen sein, dass die Materialmischung kein silanisiertes Flammschutzmittel enthält. So hat die Anmelderin erkannt, dass gerade das Weglassen eines silanisierten Flammschutzmittels bei einer Materialmischung, die ein erfindungsgemäß ausgebildetes Flammschutzmittel enthält, die Flammschutzwirkung deutlich verbessern kann. Besonders nachteilhaft kann eine Silanisierung des erfindungsgemäß ausgebildeten Flammschutzmittels sein. So beeinflusst eine Silanisierung die Reaktion der Polyolverbindung, insbesondere des Pentaerythrits, mit der Phosphorsäure negativ und verhindert die Bildung eines Kohlenstoff-Phosphor-Schaumes.
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Besonders gute brandhemmende Eigenschaften hat eine Materialmischung, welche nur ein Flammschutzmittel enthält, wobei das Flammschutzmittel ausschließlich aus der Polyol-Verbindung, der phosphorhaltigen Verbindung und der stickstoffhaltigen Verbindung besteht. Bevorzugt besteht das Flammschutzmittel ausschließlich aus Pentaerythrit, Ammoniumpolyphosphat und Melamin.
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Die Materialmischung kann für eine brandhemmende Deckschicht vorgesehen sein, wobei die Deckschicht wie in dieser Erfindungsbeschreibung beschrieben ausgebildet sein kann.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des auf eine brandhemmende Deckschicht für ein Federelement gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird zur Lösung der genannten Aufgabe somit erfindungsgemäß bei einer brandhemmenden Deckschicht der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass die Deckschicht eine Materialmischung aufweist, die erfindungsgemäß, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine Materialmischung gerichteten Schutzansprüche, ausgebildet ist. Das Federelement kann wie in dieser Erfindungsbeschreibung beschrieben ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Deckschicht eine Schichtstärke von 0,5 Millimeter bis 4 Millimeter aufweist, insbesondere von 0,5 Millimeter bis 3 Millimeter oder von 1 Millimeter bis 4 Millimeter.
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Bevorzugt ist hat die Deckschicht eine Schichtdicke von maximal 3 Millimeter, besonders bevorzugt von maximal 1 Millimeter.
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Die Schichtdicke kann variabel sein, beispielsweise kann die Variabilität mehr als 1mm oder sogar mehr als 2 mm oder mehr als 3 mm betragen.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des auf ein Federelement gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird zur Lösung der genannten Aufgabe somit erfindungsgemäß bei einem Federelement der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass die brandhemmende Deckschicht erfindungsgemäß, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine brandhemmende Deckschicht gerichteten Schutzansprüche, ausgebildet ist. Bevorzugt handelt es sich um ein Federelement für Schienenfahrzeuge. Besonders bevorzugt ist das Federelement ausgebildet, um ein Fahrgestell eines Schienenfahrzeugs abzufedern.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Dämpfungskörper aus wenigstens einem Kautschuk hergestellt ist. Beispielsweise kann der Dämpfungskörper nur oder zumindest aus einer der zuvor genannten Kautschukarten hergestellt sein.
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Um eine besonders gute mechanische Belastbarkeit des Federelements erreichen zu können, sind die Deckschicht und der Dämpfungskörper zu einem Verbundelement untrennbar vernetzt. Somit kann besser verhindert werden, dass sich die Deckschicht insbesondere bei hohen Belastungen des Federelements vom Dämpfungskörper löst, so dass die Brandschutzwirkung der Deckschicht ausfällt. Die Vernetzung der Deckschicht und des Dämpfungskörpers kann beispielsweise durch eine an sich bekannte Vulkanisation erfolgen. Vorzugsweise kann durch die Vernetzung die Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen der Deckschicht und dem Dämpfungskörper erreicht werden. Untrennbar vernetzt im Sinne der Erfindung kann sich darauf beziehen, dass die beiden Teile sich nicht zerstörungsfrei voneinander trennen lassen.
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Bevorzugt ist das Federelement ein Gummi-Metall-Teil, das wenigstens ein Metallteil aufweist, mit dem der Dämpfungskörper stabil verbunden ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Dämpfungskörper an dem Metallteil direkt, bevorzugt nach geeigneter Oberflächenbehandlung, angebunden ist. Der Dämpfungskörper kann auch über eine Zwischenschicht, die auch die Deckschicht sein kann, mit dem Metallteil verbunden sein. Bevorzugt wird das Metallteil in einem Vulkanisationsschritt an den Dämpfungskörper angebunden.
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Die Erfindung kommt besonders zum Tragen, wenn es sich um ein Federelement aus der Gruppe aus hochbelasteten Bauteilen, wie Primär-Konusfeder, Sekundärzusatzfeder, Achsfeder und/oder Luftfederbalg, handelt.
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Die Deckschicht bildet bevorzugt eine Außenschicht des Federelements aus, insbesondere im eingebauten Zustand des Federelements.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des auf ein Verfahren zur Herstellung eines Federelements gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird zur Lösung der genannten Aufgabe somit erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung eines Federelements der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass ein Dämpfungskörper des Federelements mit einer brandhemmenden Deckschicht beschichtet wird, wobei die Deckschicht eine Materialmischung aufweist, die erfindungsgemäß, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine Materialmischung gerichteten Schutzansprüche, ausgebildet ist.
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Die Erfindung wird nun anhand einiger weniger Ausführungsbeispiele näher beschrieben, ist jedoch nicht auf diese wenigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Erfindungsvarianten und Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen der Ausführungsbeispiele und/oder der zuvor beschriebenen Varianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen und Verfahren.
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Es zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Federelements 1.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung erhalten in ihrer Funktion übereinstimmende Elemente auch bei abweichender Gestaltung oder Formgebung übereinstimmende Bezugszahlen.
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In 1 ist eine mögliche Ausgestaltungsvariante eines Federelements 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Bei der dargestellten Ausgestaltungsvariante handelt es sich um eine Konusfeder 7. Die Erfindung kann daher zum Beispiel bei Bauteilen zur Primärfederung im Fahrwerk eines Schienenfahrzeugs realisiert sein. Die Erfindung kann jedoch auch beispielsweise bei anderen Bauteilen, die insbesondere zur Federung und/oder Schwingungsdämpfung von Schienenfahrzeugen dienen, verwirklicht sein. Die dargestellte Ausführungsvariante ist somit nur als ein mögliches Beispiel zu verstehen und dient damit in erster Linie lediglich zur besseren Erläuterung der Erfindung.
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Das Federelement 1 weist mehrere elastische Dämpfungskörper 2 auf, die jeweils eine brandhemmende Deckschicht 3 tragen.
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Geeignete Materialien und Zusammensetzungen zur Herstellung von Dämpfungskörpern 2 sind bereits bekannt und können auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Beispielsweise sind Dämpfungskörper 2 bekannt, die aus einem oder mehreren Gummiwerkstoffen hergestellt sind. Insbesondere kennt man Dämpfungskörper 2, die zumindest teilweise aus Naturkautschuk hergestellt sind, die jedoch kein für Schienenfahrzeuge erforderliches Brandverhalten zeigen, da sie zu leicht brennbar sind.
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Die Dämpfungskörper 2 können, wie in 1 gezeigt ist, konzentrisch um eine Längsachse 12 des Federelements 1 herum angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend dazu können die Dämpfungskörper 2 konisch ausgebildet sein, wobei sich ein Querschnittsdurchmesser der Dämpfungskörper 2 in Kompressionsrichtung 10 verringert, insbesondere kontinuierlich verringert, wie es in 1 gezeigt ist.
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Jeder Dämpfungskörper 2 weist an seiner Außenseite eine Deckschicht 3 auf.
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Durch die Deckschichten 3 können die Dämpfungskörper 2, insbesondere unabhängig von einer Brennbarkeit der Dämpfungskörper 2, vor Feuer geschützt werden, indem die Deckschichten 3 die Dämpfungskörper 2 nach außen abschirmen.
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Die Deckschicht 3 und der Dämpfungskörper 2 können zu einem Verbundelement 6 miteinander vernetzt sein, so dass eine zerstörungsfreie Trennung und/oder ein Ablösen der Deckschicht 3 vom Dämpfungskörper 2 nicht möglich ist.
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Zwei benachbarte Dämpfungskörper 2 können durch ein Metallteil 8, das beispielsweise eine Hülsenform aufweisen kann, getragen und/oder voneinander getrennt sein. Das Federelement 1 weist mehrere solche hülsenförmigen Metallteile 8 auf. Die Metallteile 8 können eine konische, insbesondere zur Form der Dämpfungskörper 2 korrespondierende, Form aufweisen.
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Die Deckschicht 3 kann eine Schichtdicke von 1 mm bis 4 mm aufweisen. Beispielsweise kann es sich dabei um eine durchschnittliche Schichtdicke handeln, wenn die Schichtdicke nicht exakt gleichmäßig ausbildbar ist. Insbesondere kann die Deckschicht 3 eine Schichtdicke aufweisen, die wie bereits zuvor beschrieben ausgebildet ist. Die Schichtdicke der Deckschicht 3 braucht daher nicht zwingend konstant zu sein, sondern kann daher auch innerhalb eines Intervalls variieren.
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Das Federelement 1 kann eine Aufnahme 9 aufweisen, die sich vorzugsweise in Längsrichtung, insbesondere entlang der Längsachse 12 des Federelements 1 erstreckt und zur Kopplung des Federelements 1 mit einem weiteren Bauteil, beispielsweise eines Drehgestells, dient.
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Die in 1 gezeigte Deckschicht 3 ist aus einer Materialmischung hergestellt, die einen Kautschuk und ein Flammschutzmittel enthält. Der Kautschuk kann insbesondere eine der zuvor genannten Kautschukarten sein. Die Materialmischung muss nicht, kann jedoch auch Beimischungen anderer Kautschukarten aufweisen. Das Flammschutzmittel enthält Pentaerythrit, Ammoniumpolyphosphat und Melamin und ist bevorzugt halogenfrei. Ferner ist das Flammschutzmittel bevorzugt nicht silanisiert und/oder nicht wasserabspaltend. Bevorzugt besteht das Flammschutzmittel ausschließlich aus Pentaerythrit, Ammoniumpolyphosphat und Melamin. Bevorzugt enthält die Materialmischung neben dem zuvor beschriebenen Flammschutzmittel bzw. dessen als bevorzugt beschriebenen Varianten kein weiteres Flammschutzmittel. Hierdurch weist das Federelement 1 hervorragende Brandschutzeigenschaften auf, die Deckschicht 3 ist dünn ausbildbar und das Federelement 1 ist hochgradig mechanisch belastbar und weist eine hohe Lebensdauer auf.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Federelement 1, eine brandhemmende Deckschicht 3 und eine Materialmischung für eine solche. Die Materialmischung enthält einen Kautschuk. Die Materialmischung weist zudem ein Flammschutzmittel auf, das eine Polyol-Verbindung, eine phosphorhaltige Verbindung und eine stickstoffhaltige Verbindung enthält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federelement
- 2
- Dämpfungskörper
- 3
- Deckschicht
- 6
- Verbundkörper
- 7
- Konusfeder
- 8
- Metallteil
- 9
- Aufnahme
- 10
- Kompressionsrichtung
- 12
- Längsachse des Federelements
