DE10353354A1

DE10353354A1 - Intumeszierender Werkstoffverbund

Info

Publication number: DE10353354A1
Application number: DE10353354A
Authority: DE
Inventors: Berend Dipl.-Ing. Schoke; Bernd Dipl.-Ing. Menken; Rienhard Dipl.-Ing. Franke
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Ein thermisch aktivierbarer intumeszierender Werkstoffverbund besteht aus einer Matrix aus einem intumeszierenden Werkstoff sowie darin eingebetteten Verstärkungsfasern aus einem nicht brennbaren Material mit hohem Schmelzpunkt, die zu einem textilen Flächengebilde verbunden sind und ein Gewebe, ein Gewirk, ein Geflecht oder ein Gestrick bilden. Die Verstärkungsfasern bestehen vorzugsweise aus Glasfasern und weisen eine grobmaschige Struktur auf. Der Werkstoffverbund weist vorzugsweise einen mehrlagigen alternierenden Aufbau aus jeweils einer intumeszierenden Schicht und einer vernetzten Verstärkungsstruktur auf und kann als flächiges Gebilde oder als Umwicklung ausgebildet sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermisch aktivierbaren intumeszierenden Werkstoffverbund, bestehend aus einer Matrix aus einem intumeszierenden Werkstoff sowie darin eingebetteten Verstärkungsfasern aus einem nicht brennbaren Material.

Intumeszierende Werkstoffe werden in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt. Neben der Bauindustrie und der Elektroindustrie findet diese Werkstoffgruppe zunehmend Verwendung im Flugzeugbau. Intumeszierende Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, daß sie bei Überschreitung einer Initialtemperatur eine nicht brennbare, thermisch isolierende Schaumstoffstruktur ausbilden. Das Ausgangsvolumen kann sich bei dieser Reaktion um ein Vielfaches erhöhen, und die Schäumungsrichtung dieser Schaumstoffstruktur ist überwiegend in Richtung auf die Wärmequelle hin orientiert. Die thermische Isolationsfähigkeit der sich ausbildenden Schaumstoffstruktur gewährleistet anschließend einen thermischen Schutz für die mit einem solchen Werkstoff beschichteten Strukturen, zum Beispiel vor einer direkten Flammenbelastung im Brandfall.

Die sich ausbildende Schaumstoffstruktur ist jedoch bei den meisten bekannten intumeszierenden Werkstoffen in Abhängigkeit vom jeweiligen Basiswerkstoff, der Temperatur und vom herrschenden Druck mechanisch nicht sehr stark belastbar. Bei besonders reaktiven Materialien, deren Volumenvergrößerung bei thermischer Belastung extrem ausgeprägt ist und die sich damit durch eine sehr gute thermische Isolierfähigkeit auszeichnen, kann allein schon der Flammendruck ausreichen, um den Schaumstoff zum Kollabieren zu bringen bzw. um den Schaumstoff von dem zu schützenden Substrat abzulösen. Daher ist bereits vorgeschlagen worden, mit Hilfe von Glas-Vlieswerkstoffen, die in die intumeszierende Matrix eingearbeitet werden, die sich bildende Schaumstoffstruktur zu stützen und dadurch ihre mechanische Belastbarkeit zu verbessern. Bei einigen Anwendungen reicht diese durch das eingebrachte Vlies erzielbare Verbesserung der Schaumstoffkonsistenz jedoch noch immer nicht aus, um einem Flammendruck und/oder einer zusätzlichen Vibration bei einer Brandbeaufschlagung standzuhalten. Dies gilt insbesondere für die im Flugzeugbau bestehenden sehr hohen mechanischen Beanspruchungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoffverbund der eingangs genannten Art bereitzustellen, der sich im Brandfall durch eine möglichst große mechanische Belastbarkeit auszeichnet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie bei einem derartigen Werkstoffverbund vorsieht, daß die Verstärkungsfasern zu einem textilen Flächengebilde verbunden sind. Insbesondere ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Verstärkungsfasern aus einem Glasfasergewebe bestehen.

Im Gegensatz zu den Glasvliesen, die während des Schäumvorganges auseinandergezogen werden, dabei jeden Kontakt miteinander verlieren und somit gleichsam einen kurzfaserverstärkten Schaumstoff bilden, wird bei dem Werkstoffverbund nach der Erfindung die gewebeartig vernetzte Verstärkungsstruktur von Schaum durchsetzt, bleibt dabei aber in ihrem strukturellen Zusammenhalt unbeeinträchtigt. Die mechanische Belastbarkeit eines Glasgewebe ist überdies sehr viel höher als die Festigkeiten, die von einem Vlieswerkstoff zu erzielen sind. Im Gegensatz zu einem Vlies, das während des Schäumvorganges an Festigkeit verliert, verstärkt das Glasgewebe die sich ausbildende Schaumstruktur nicht nur lokal, sondern über den gesamten sich ausbildenden Schaumkörper.

Die Webart und somit gleichsam die Maschenweite des Gewebes können in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung auf das jeweils verwendete intumeszierende Material und auf den speziellen Anwendungsfall abgestimmt werden. Bei dem besonders bevorzugten Einsatz sehr grobmaschiger Glasgewebe, die bei der Schaumstoffexpansion zwar vom Schaum durchdrungen werden, aber ihre Festigkeit behalten, wird die Schaumstoffmatrix durch diese lokalen hochfesten Schichten gestützt. Zusätzlich wird die freie Expansion des Schaumes behindert, so daß zwar die zu erzielende maximal Schaumdicke reduziert wird, die sich einstellende Dichte des Schaumstoffs aber höher ist. Insgesamt wird eine mögliche Zerstörung der Schaumstoffstruktur durch mechanische Einflüsse während des Brandes durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatz von Glasgewebe praktisch ausgeschlossen.

Der Aufbau des Brandschutzwerkstoffes nach der Erfindung kann dabei in vorteilhafter Weise aus alternieren Schichten von Glasgewebe und intumeszierenden Schichten bestehen. Zu schützende zylinderförmige Bauteile, wie zum Beispiel elektrische Komponenten, Rohre und dergleichen, können mit beschichtetem Glasgewebe mehrlagig umwickelt werden, so daß ein Schichtaufbau aus mehreren Lagen Glasgewebe mit dazwischen liegenden intumeszierenden Schichten entsteht. Bei flächigen Anwendungen, wie sie zum Beispiel als Reparaturwerkstoff für Flugzeugfrachträume zum Einsatz kommen können, bedecken einzelne Lagen aus Glasgewebe jeweils eine intumeszierende Schicht, wodurch sich bei der Expansion im Brandfall eine Art Isolierkissen bildet.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 bis 3 eine zylinderförmige Anordnung mit einer Beschichtung aus einem intumeszierenden Werkstoffverbund,
4 und 5 eine flächige Anordnung mit einer Beschichtung aus einem intumeszierenden Werkstoffverbund und
6 bis 9 eine vergrößerte Detaildarstellung der Anordnung gemäß den 4 und 5 für zwei verschiedene Beschichtungen aus intumeszierenden Werkstoffverbünden ohne und mit Verstärkungen aus Glasgewebe.
Die Figuren zeigen dabei, mit Ausnahme von 3, jeweils Querschnitte durch die verschiedenen Beschichtungen aus intumeszierenden Werkstoffverbünden vor und nach dem Aufschäumen.
Bei der in den 1 bis 3 dargestellten Anordnung ist ein zu schützendes Bauteil 1 zylindrisch ausgebildet und besteht bei dem hier gewählten Beispiel aus einer elektrischen Diode. Auf die gleiche Weise können aber auch Rohre und andere zylindrische Komponenten geschützt werden. Das Bauteil 1 ist, wie insbesondere in 1 zu erkennen, mit mehreren Lagen 2 eines mit einem intumeszierenden Material beschichteten grobmaschigen Glasgewebes spiralförmig umwickelt, so daß ein Schichtaufbau aus mehreren Lagen Glasgewebe mit dazwischen liegenden intumeszierenden Schichten 3 gebildet wird. Als intumeszierender Werkstoff wurde in diesem Fall ein Polyurethanschaum-Kunststoff als Trägermaterial gewählt, der mit expandierendem Graphit als Funktionsmaterial gefüllt ist, wobei dieses Material beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Purmox PA erhältlich ist. Für die Verstärkungsfasern wurde bei dem hier beschriebenen Beispiel offen gewebtes imprägniertes Glasfasergewebe des Typs 1524 mit einer Dichte von 270 g/m² gewählt. Auf diese Weise wurde der in 3 dargestellte Aufbau hergestellt, bei dem um das zu schützende Bauteil 1 zunächst eine erste Lage 4 des mit dem intumeszierenden Werkstoff beschichteten Gewebes und anschließend eine zweite Lage 5 des gleichen Werkstoffverbundes gewickelt wurde.
Bei Wärmeeinwirkung expandiert, wie in 2 dargestellt, die intumeszierende Werkstoffkomponente 3 dieses Schichtaufbaus, wobei die grobmaschigen Glasgewebeschichten 2 die freie Expansion der intumeszierenden Komponente beschränken und lokale, mechanisch belastbare Schichten innerhalb des Werkstoffverbundes bilden. Im Brandfall wird das zu schützende Bauteil 1 auf diese Weise von der Wärmequelle isoliert. Durch die Lagen 2 aus Glasgewebe wird die Schaumstoffstruktur der intumeszierenden Komponente 3 derart gestützt, daß sie vom Flammendruck und/oder durch während eines Brandes auftretende Vibrationen nicht zerstört wird und ihre thermische Isolierfähigkeit behält.
Das gleiche gilt für den in den 4 und 5 dargestellten flächenförmigen Aufbau, wie er zum Beispiel bei Reparaturen in Flugzeugfrachträumen eingesetzt werden kann. In diesem Fall bedeckt ein sogenanntes Reparaturpatch 14 ein zu schützendes flächiges Bauteil 11, wodurch sich bei einer Expansion im Brandfall eine Art Isolierkissen bildet, wie dies in 5 gezeigt ist. Der in den 8 und 9 dargestellte Querschnitt durch die Anordnung zeigt, daß auch hier ein mehrlagiger Aufbau, bestehend aus mehreren Lagen 12 von Glasgewebe und dazwischenliegend angeordneten Lagen 13 des intumeszierenden Werkstoffs, gewählt wurde.
Zu Vergleichszwecken ist in den 6 und 7 ein Querschnitt durch einen nicht mit Glasgewebe, sondern mit Glasvlies 22, das in eine Lage 23 aus einem intumeszierenden Werkstoff eingebettet ist, verstärkten Werkstoffverbund gezeigt. 7 verdeutlicht den Unterschied im Verhalten dieses Werkstoffverbundes gegenüber einem mit Glasgewebe verstärkten Werkstoffverbund, bei dem die Expansion des sich im Brandfall bildenden Schaumes durch das Glasgewebe eingeschränkt wird, wie dies in 9 dargestellt ist. Damit hat das vom Schaumstoff durchsetzte Glasgewebe nicht nur per se einen Verstärkungseffekt, sondern kompaktiert zugleich auch den sich bildenden Schaum und macht ihn damit mechanisch wesentlich belastbarer.

Claims

Thermisch aktivierbarer intumeszierender Werkstoffverbund, bestehend aus einer Matrix aus einem intumeszierenden Werkstoff sowie darin eingebetteten Verstärkungsfasern aus einem nicht brennbaren Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern zu einem textilen Flächengebilde (2, 12) verbunden sind.
Werkstoffverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern ein Gewebe (2, 12) bilden.
Werkstoffverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern ein Gewirk bilden.
Werkstoffverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern ein Geflecht bilden.
Werkstoffverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern ein Gestrick bilden.
Werkstoffverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus Glasfasern bestehen.
Werkstoffverbund nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern aus E-Glasfasern oder aus Hochtemperatur-Glasfasern, vorzugsweise S-Glasfasern oder Quarzglasfasern, bestehen.
Werkstoffverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsstruktur (2, 12) grobmaschig ausgebildet ist.
Werkstoffverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau, der alternierend aus jeweils einer intumeszierenden Schicht (3, 13) und einer Lage (2, 12) der Verstärkungsfasern besteht.
Werkstoffverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine flächige Anordnung (14) gebildet wird.
Werkstoffverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umwicklung (4, 5) gebildet wird.