DE10224707A1 - Mehrschichtiges Rohr und Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Rohres - Google Patents

Mehrschichtiges Rohr und Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Rohres

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DE10224707A1
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Abstract

Mehrschichtiges Rohr, zu dem wenigstens eine innere Schicht (1) und eine äußere Schicht (2) gehören. Die innere Schicht (1) ist aus einem extrudierbaren Kunststoff, wie aus Polyethylen PE, vernetztem Polyethylen PEX oder Polypropylen PP, gebildet. Die äußere Schicht (2) bildet eine Feuerschutzschicht und der Matrizenkunststoff der äußeren Schicht (2) besteht aus einem extrudierbaren Kunststoff. Der Matrize ist ein Schäummittel beigemischt worden, das nicht während der Herstellung des Rohres reagiert hat. Weiter enthält die äußere Schicht (2) wenigstens ein Zusatzmittel, so dass die äußere Schicht eine das Rohr verstärkende Komponente und eine flammenhemmende Komponente aufweist. Am vorteilhaftesten wird wenigstens die äußere Schicht (2) mit einem Extruder extrudiert, der eine Schraube aufweist, deren Länge im Verhältnis zum größten Durchmesser des Extruders weniger als 10 ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mehrschichtiges Rohr, zu dem wenigstens eine innere Schicht und eine äußere Schicht gehören, wobei die innere Schicht aus einem extrudierbaren Kunststoff gebildet ist, der Matrizen­ kunststoff der äußeren Schicht aus einem extrudierbaren Kunststoff besteht und die äußere Schicht als Feuerschutzschicht angeordnet ist.
Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Rohres.
Flammenhemmende Eigenschaften oder Eigenschaften der Feuer­ widerstandsfähigkeit werden in Rohren benötigt, die zum Beispiel als Sprink­ lerrohre, als Gasrohre in Gebäuden, als Abflussrohre für Fahrzeuge und als Pneumatik- und Hydraulikrohre für den Maschinenbau verwendet werden. Im US-Patent 5 671 780 ist ein mehrschichtiges, elastisches Rohr dargestellt, dessen äußerste Schicht aus einem halogenfreien und phosphorfreien Ther­ moplast besteht. Eine Zwischenschicht weist feuerfeste Fasern oder feuerfes­ tes Textil auf und eine Innenschicht ist eine diffusionsdichte Schicht aus einem thermoplastischen Material. Im US-Patent 4 942 903 ist ein Kunststoffrohr dar­ gestellt, dessen innerste Schicht aus einem Kunststoffpolymer gebildet ist. Au­ ßerhalb der innersten Schicht ist ein Wärmeisoliermittel angeordnet und au­ ßerhalb des Wärmeisoliermittels ist eine feuerfeste Schicht angeordnet, die bei einer hohen Temperatur eine keramische, stabile Feuerschutzphase bildet. Im US-Patent 5 799 705 ist ein Rohr dargestellt, um das herum eine oder mehrere Feuerschutzschichten angeordnet sind, die aus faserverstärkten Harzschich­ ten bestehen. Im US-Patent 4 788 090 ist ein Kunststoffrohr dargestellt, au­ ßerhalb dessen ein schaumhaltiges Wärmeisoliermittel angeordnet ist. Außer­ halb des Wärmeisoliermittels ist eine Fasern enthaltende Außenschicht vorge­ sehen. In einer Brandsituation werden die Fasern verschweißt, wobei die me­ chanische Beständigkeit der Schäumschicht gesteigert wird. Eine Schwäche der oben angeführten Lösungen besteht u. a. darin, dass die Herstellung von Rohren dieser Art ziemlich schwierig ist. Weiter müssen die Rohre zum Si­ chern ausreichender Feuerschutzeigenschaften ziemlich dick hergestellt wer­ den. Weiter verschlechtert das Hinzufügen von Feuerschutzmitteln den Rohr­ materialien die mechanische Beständigkeit der Rohre.
Im US-Patent 5 552 185 sind mit Eigenschaften der Feuerwider­ standsfähigkeit versehene Kunststoffprodukte, wie ein Rohr, dargestellt. Das Produkt weist eine Kernschicht auf, die aus einem Kunststoffpolymermaterial hergestellt ist, und die betreffende Kernschicht ist mit einem feuerfesten Mate­ rial überzogen. Die feuerfeste Schicht besteht aus Thermoplast und einem Kohle bildenden Stoff sowie aus einem Stoff, der beim Brand Blasen ins Mate­ rial bildet. Wenn die feuerfeste Schicht dsm Feuer ausgesetzt wird, bildet sie Kohle und Blasen auf die Kernschicht. Es ist ziemlich schwierig, ein derartiges Produkt herzustellen, und die mechanischen Beständigkeitseigenschaften des Produkts können voraussetzen, dass die Gesamtdicke einer Wandung ziem­ lich groß ist.
In der DE-Schrift 19 504 613 ist ein Rohr mit fünf Schichten darge­ stellt, dessen zweitäußerste Schicht eine Schäumschicht ist, die ein Schäummittel enthält, das nicht während der Herstellung des Rohres reagiert hat. Wenn das Rohr der Hitze ausgesetzt wird, schäumt die Schäumschicht auf. Damit das Rohr mechanisch fest genug ist, soll es mehrere Schichten, wie die äußerste Schicht außerhalb der Schäumschicht, aufweisen. Deshalb ist die Konstruktion des Rohres sehr kompliziert und es ist somit schwierig und teuer, das Rohr herzustellen. Weiter ist angeführt, dass im Rohr Halogenkunststoffe verwendet werden, die im Falle eines Brandes gefährliche Verbindungen bil­ den.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges feuer­ festes Mehrschichtrohr zustande zu bringen.
Das erfindungsgemäße Rohr ist dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht ein nichtreagierendes Schäummittel und wenigstens ein Zu­ satzmittel so enthält, dass die äußere Schicht eine flammenhemmende Kom­ ponente und eine das Rohr verstärkende Komponente aufweist.
Weiter ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeich­ net, dass die äußere Schicht des Rohres ein halogenfreies Feuerschutzmittel enthält und dass wenigstens die äußere Schicht mit einem Extruder extrudiert wird, der eine Schraube aufweist, deren Länge im Verhältnis zum größten Durchmesser des Extruders weniger als 10 ist.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, dass zum Mehrschichtrohr wenigstens eine innere Schicht und eine äußere Schicht ge­ hören, wobei die innere Schicht aus einem extrudierbaren Kunststoff, typisch aus Polyolefinen, wie aus Polyethylen PE, aus vernetztem Polyethylen PEX oder aus Polypropylen PP, gebildet ist. Die äußere Schicht bildet eine Feuer­ schutzschicht für die innere Schicht und der Matrizenkunststoff der äußeren Schicht besteht auch aus einem extrudierbaren Kunststoff. Der Matrize ist ein Schäummittel, wie Azodicarbonamid, beigemischt worden, das nicht während der Herstellung des Rohres reagiert. Weiter enthält die äußere Schicht wenigs­ tens ein Zusatzmittel so, dass die äußere Schicht eine das Rohr verstärkende Komponente und eine flammenhemmende Komponente aufweist. Die flam­ menhemmende Komponente kann aus einem anorganischen Füllstoff, wie aus Aluminiumtrihydrat ATH, Vermiculit, Silikat, Phosphat oder Carbonat oder aus irgendeinem anderen entsprechenden halogenfreien Feuerschutzmittel beste­ hen. Das flammenhemmende Zusatzmittel kann gleichzeitig auch als verstär­ kende Komponente dienen, wobei das betreffende Zusatzmittel ein feuerfester, anorganischer Stoff, wie eine kurz geschnittene Glasfaser oder eine kerami­ sche Whiskers-Faser, sein kann. Die verstärkende Komponente kann auch ein separates Zusatzmittel sein, wobei sie zum Beispiel eine anorganische Faser oder ein Gemisch von anorganischen oder organischen Fasern oder von ver­ stärkenden, nadelförmigen oder flockenförmigen Mineralien sein kann. Wenn das Schäummittel, das nicht während der Herstellung des Kunststoffrohres reagiert hat, einem Brand ausgesetzt wird, reagiert es und schäumt die äußere Schicht dicker, wobei die Schicht an der geschäumten Stelle als sehr gute Iso­ lation dient. Dank der verstärkenden Komponente bleibt auch die mechanische Beständigkeit der geschäumten Schicht ziemlich gut.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Dicke der feuerhem­ menden äußeren Schicht ziemlich dünn sein kann. Weil die äußere Schicht eine das Rohr verstärkende Komponente aufweist, ist das Rohr in seiner Gän­ ze mechanisch ziemlich beständig.
Die Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Rohr im Querschnitt und
Fig. 2 schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Rohr im Querschnitt.
Fig. 1 zeigt ein mehrschichtiges Rohr, das eine innere Schicht 1 und eine äußere Schicht 2 aufweist. Die innere Schicht 1 ist aus einem extru­ dierbaren Kunststoff hergestellt. Als Material der inneren Schicht 1 kann z. B. Polyolefin, wie Polyethylen PE, vernetztes Polyethylen PEX oder Polypropylen PP, verwendet werden. Die innere Schicht 1 kann auch aus irgendeinem ande­ ren Material, wie aus Polyamid PA oder Acrylnitrilbutadienstyrol ABS usw., hergestellt werden. Weiter können Gemische verschiedener Materialien ver­ wendet werden.
Als Matrizenkunststoff der äußeren Schicht 2 kann jeder beliebige extrudierbare Kunststoff oder jedes beliebige extrudierbare Kunststoffgemisch verwendet werden. Als Grundmaterial der äußeren Schicht 2 kann zum Bei­ spiel Polyolefin oder Ethylenvinylazetat EVA sein.
Der Matrize der äußeren Schicht 2 ist ein Schäummittel beigemischt worden, das nicht während der Herstellung des Rohres reagiert, wobei die äu­ ßere Schicht 2 demnach ein nichtreagierendes Schäummittel enthält. Als Schäummittel kann zum Beispiel Azodicarbonamid oder dergleichen verwen­ det werden. Weiter enthält die äußere Schicht 2 ein Zusatzmittel so, dass die äußere Schicht 2 eine flammenhemmende Komponente und eine das Rohr verstärkende Komponente aufweist. Dieses Zusatzmittel kann zum Beispiel eine kurz geschnittene Glasfaser oder keramische Whiskers-Fasern sein, die gleichzeitig als flammenhemmende Komponente und als das Rohr verstärken­ de Komponente dienen. Ein unentzündbares anorganisches Mittel dieser Art ermöglicht die Ausdehnung der äußeren Schicht, wenn das Schäummittel bei Hitze reagiert, aber das Zusatzmittel hält jedoch die äußere Schicht 2 kon­ struktiv stark. Das Schäummittel reagiert folglich bei einer die Extrusionstem­ peratur höheren Temperatur. Das Zusatzmittel dient also gleichzeitig als flam­ menhemmende Komponente, wobei es den Sauerstoffindex der äußeren Schicht 2 erhöht.
Die äußere Schicht 2 kann auch anorganische Füllstoffe enthalten. Als Füllstoff können viele halogenfreie Feuerschutzmittel, wie Aluminiumtri­ hydrat ATH, Vermiculit, Silikat, Phosphat oder Carbonat, verwendet werden, die den Sauerstoffindex der äußeren Schicht erhöhen. Vorzugsweise wird der Sauerstoffindex der äußeren Schicht größer als 30 gebildet. Der äußeren Schicht 2 können auch zum Beispiel Magnesiumhydroxyd, ein halogeniertes Feuerschutzmittel oft zusammen mit Antimonoxid oder Phosphor enthaltende Feuerschutzmittel beigemischt werden. Als Zusatzmittel können auch Kohle und/oder Kohle enthaltende Mittel verwendet werden und sie können von ihrer Größe her ziemlich klein, zum Beispiel in der Größenklasse von einem Nano­ meter, sein.
Die äußere Schicht kann zum Beispiel mit anorganischen Fasern oder mit einem Gemisch von anorganischen und organischen Fasern verstärkt werden. Weiter können als verstärkendes Zusatzmittel nadelförmige oder flo­ ckenartige Mineralien, wie Glasfasern, keramische Whiskers-Fasern oder Mica usw., verwendet werden.
Die äußere Schicht 2 kann gewünschtenfalls einen UV-Stabilisator oder ein Hitzeschutzmittel enthalten. Weiter kann das Rohr in den Schichten oder zwischen den Schichten Klebstoffe aufweisen, um das Aneinanderhaften der äußeren und der inneren Schicht zu bessern. Weiter kann der äußeren Schicht Farbstoffe und/oder Licht reflektierende Pigmente, wie Metallflocken, hinzugefügt werden.
Die äußere Schicht 2 kann so extrudiert werden, dass sie auf der inneren Schicht 1 leicht abgestreift werden kann, wie im Patent US 579 461 offenbart ist. Dabei ist es leicht und einfach, das Rohr zum Beispiel durch elektrische Schweißung oder durch irgendein anderes Verbindungssystem zu verbinden.
Fig. 2 zeigt ein Rohr, in dem zwischen einer inneren Schicht 1 und einer äußeren Schicht 2 eine Zwischenschicht 3 angeordnet ist. Die Zwischen­ schicht 3 ist eine Metallschicht, die zum Beispiel aus dünnem Aluminium be­ steht, und welche Metallschicht als Barriereschicht dienen kann. Zwischen der inneren Schicht 1 und der Zwischenschicht 3 ist eine innere Adhäsionsschicht 4 angeordnet. Zwischen die innere Schicht und die Zwischenschicht 3 kann auf entsprechende Weise eine äußere Adhäsionsschicht 5 angeordnet wer­ den. Die Adhäsionsschichten 4 und 5 können zum Beispiel unter der Handels­ bezeichnung Surlyn erhältliches Adhäsionsmaterial sein. Typisch beträgt die Dicke der inneren Schicht zum Beispiel etwa 1 bis 10 mm, die Dicke der Zwi­ schenschicht etwa 0,1 bis 3 mm und die Dicke der als Feuerschutzschicht die­ nenden äußeren Schicht 2 etwa 0,2 bis 5 mm. Die Dicke der Adhäsionsschich­ ten 4 und 5 ist weniger als 0,1 mm. Der Gesamtdurchmesser des Rohres vari­ iert dabei zwischen 10 und 100 mm. Zum Beispiel die äußere Adhäsions­ schicht 5 kann ausgelassen werden, falls die äußere Schicht 2 aus einem sol­ chen Copolymerkunststoff gemacht wird, der modifizierte Endgruppen zum Bessern der Adhäsion an die unten befindliche, metallische Zwischenschicht 3 aufweist.
Die metallische Zwischenschicht 3 verstärkt die mechanische Kon­ struktion des Rohres, aber die Zwischenschicht 3 verbreitet zugleich infolge ihrer guten Wärmeleitfähigkeit die Wärmebelastung auf einen weiteren Be­ reich. Dabei wirkt zum Beispiel die Wärme einer punktuell lokal erhitzenden Flamme nicht punktuell auf die innere Schicht 1 ein, sondern die Hitze hat sich infolge der Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 3 auf einen weiteren Be­ reich verteilt.
Die Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Rohres kann dieselbe wie die Gesamtdicke eines zu einem entsprechenden Zweck zu verwenden­ den Rohres mit geschlossenen Wandungen ohne Feuerschutz sein, weil die eventuelle metallische Zwischenschicht 3 sowie das in der äußeren Schicht enthaltende verstärkende Mittel das Rohr verstärken. Alternativ kann die Ge­ samtdicke des erfindungsgemäßen Rohres größer als die Gesamtdicke des oben erwähnten Rohres ohne Feuerschutz sein, wobei vorzugsweise die Ei­ genschaft der Abstreifbarkeit des Rohres so genutzt wird, dass die äußere Schicht 2 und eventuell auch die metallische Zwischenschicht 3 vor dem Ver­ binden des Rohres zum Beispiel mit einer mechanischen Klemmungverbin­ dung abgestreift wird.
Das erfindungsgemäße Mehrschichtrohr kann in einer Stufe zum Beispiel unter Verwendung mehrerer Extruder und einer Mehrschichtquer­ spritzkopfdüse extrudiert werden. Weiter kann das Mehrschichtrohr mit einem kegelförmigen Mehrschichtextruder extrudiert werden, der zum Beispiel im US- Patent 5 387 386 dargestellt ist. Die Verwendung eines solchen Kegelextru­ ders, wobei das Verhältnis der Länge seines Rotors, d. h. der Schraube des Extruders, zum größten Durchmesser des Extruders weniger als 10 ist, ist be­ sonders vorteilhaft, weil die in der Feuerschutzschicht zu verwendenden Feu­ erschutzmaterialien oft sehr empfindlich für Schubkräfte sind und die im Ke­ gelextruder für das Material hervorgerufenen Schubkräfte ziemlich gering sind. Außerdem ist die Verweilzeit des Materials im Kegelextruder ziemlich kurz. Ein sehr bedeutender Vorteil wird noch dadurch erzielt, dass die Fasern der Au­ ßenschicht mit dem Kegelextruder in einen von der Achsenrichtung abwei­ chenden Winkel orientiert werden können. Es ist auch möglich, zuerst die inne­ re Schicht oder die inneren Schichten zu bilden und die Feuerschutzschicht mit einer herkömmlichen Überzugstechnologie äußerst auf das Rohr zu extrudie­ ren.
Falls die innerste Schicht aus vernetztem Polyethylen PEX besteht, kann sie vor dem Überziehen separat vernetzt werden. Die Vernetzung kann auch dann, wenn im Rohr alle Schichten aufeinander liegen, unter Verwen­ dung der Infrarottechnologie oder nachher in einer separaten Erwärmungssta­ tion durchgeführt werden. Das vernetzte Polyethylen kann zu jedem beliebigen Typ, d. h. PEX-a, PEX-b oder PEX-c, gehören. Ausschließlich die Art und Wei­ se der Vernetzung variiert, wobei also PEX-a unter Nutzung von Wärme ver­ netzt wird, PEX-b durch Feuchtigkeit und PEX-c durch Bestrahlung vernetzt wird. Es ist vorteilhaft, die innere Schicht 1 aus vernetztem Polyethylen PEX herzustellen, weil das vernetzte Polyethylen PEX von seiner Wärmebeständig­ keit her sehr gut ist. Weiter beginnt das betreffende Material wegen der Ver­ netzung auch nicht bei einer großen Hitze leicht zu fließen.
Die Zeichnungen und die damit verbundene Beschreibung sollen nur dazu dienen, die Idee der Erfindung zu veranschaulichen. In ihren Einzel­ heiten kann die Erfindung im Rahmen der Patentansprüche variieren. Das er­ findungsgemäße Mehrschichtrohr kann zum Beispiel als Sprinklerrohr, als Gasrohr in Gebäuden, als Druck- oder Abflussrohr für Fahrzeuge oder als Pneumatik- oder Hydraulikrohr im Maschinenbau verwendet werden. Weiter kann das erfindungsgemäße Rohr auch zum Beispiel als Hüllrohr für optische oder andere Kabel verwendet werden. Außerhalb der als Feuerschutzschicht dienenden äußeren Schicht kann gewünschtenfalls noch eine oder mehrere Schichten gebildet werden.

Claims (11)

1. Mehrschichtiges Rohr, zu dem wenigstens eine innere Schicht (1) und eine äußere Schicht (2) gehören, wobei die innere Schicht (1) aus einem extrudierbaren Kunststoff gebildet ist, der Matrizenkunststoff der äußeren Schicht (2) aus einem extrudierbaren Kunststoff besteht und die äußere Schicht (2) als Feuerschutzschicht angeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die äußere Schicht (2) ein nichtreagierendes Schäummittel und wenigstens ein Zusatzmittel so enthält, dass die äußere Schicht (2) eine flammenhemmende Komponente und eine das Rohr verstärkende Komponen­ te aufweist.
2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (2) kurz geschnittene Glasfasern und/oder keramische Whiskers-Fasern enthält.
3. Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die äußere Schicht (2) ein halogenfreies Feuerschutzmittel enthält.
4. Rohr nach einem der oben erwähnten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht (1) aus vernetztem Polyethylen PEX gebildet ist.
5. Rohr nach einem der oben erwähnten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schäummittel Azodicarbonamid ist.
6. Rohr nach einem der oben erwähnten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der äußeren Schicht (2) und der in­ neren Schicht (1) eine Zwischenschicht (3) vorgesehen ist, deren Wärmeleitfä­ higkeit größer als die Wärmeleitfähigkeit der inneren Schicht (1) ist.
7. Rohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) aus Metall besteht.
8. Rohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) aus Aluminium besteht.
9. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Rohres, da­ durch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (2) des Rohres ein halogenfreies Feuerschutzmittel enthält und dass wenigstens die äußere Schicht (2) mit einem Extruder extrudiert wird, der eine Schraube aufweist, deren Länge im Verhältnis zum größten Durchmesser des Extruders weniger als 10 ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (2) verstärkende Fasern enthält, die während der Herstellung des Rohres mit einem Kegelextruder in einen von der Achsenrich­ tung abweichenden Winkel orientiert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die äußere Schicht ein Schäummittel enthält und dass die Eigenschaften des Schäummittels und die Extrusionstemperatur so gewählt werden, dass das Schäummittel nicht während der Herstellung des Rohres reagiert.
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