DE19837998A1 - Brandschutzelement mit Sandwich-Struktur - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brandschutzelement mit Sandwich-Struktur auf Wasserglasbasis, das einen Kern aus einem gas- und wasserdicht eingeschlossenen Wasserglas mit einem Restwassergehalt von 20 bis 40 Gew.-% und einen Mantel aus einem Polyurethanschaum mit einem Schaumgewicht von 10 bis 100 g/l aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brandschutzelement mit Sandwich-Struktur auf Wasserglasbasis sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brand­ schutzelements.

Die Verwendung von Wasserglas und von Wasserglas abgeleiteten Kiesel­ säureprodukten im Brandschutz, insbesondere zur feuerfesten Verklebung von anorganischen Materialien, ist bekannt. Die Brandschutzwirkung von Wasserglasprodukten beruht dabei in erster Linie auf der Unbrennbarkeit des Materials und zu einem Teil auch auf der Abgabe von vom Wasserglas aus der Atmosphäre aufgenommenem CO₂. Insoweit ist die Brandschutzwirkung von Wasserglasprodukten vor allem durch ihre anorganische, nicht brennbare Struktur begründet und ist in erster Linie passiv. Insbesondere wird von den feuerfesten Eigenschaften des Wasserglases bei der Herstellung von feuer­ festen Kitten und Bindemitteln Gebrauch gemacht.

Brandschutzelemente herkömmlicher Struktur, auch solche, die beispiels­ weise mit mit Wasserglas verklebten mineralischen Stoffen hergestellt sind, besitzen im allgemeinen im Brandfall eine Standzeit von 60 bis 120 Minuten, entsprechend der Klassifizierung F60 bis F120. Obwohl dies für die meisten Fälle ausreichend ist, besteht insbesondere in Zusammenhang mit Industrie­ betrieben und Lagern, in denen feuergefährliches Material gehandhabt wird, sowie in öffentlichen Gebäuden, in Hotels und in Zusammenhang mit Hei­ zungsanlagen ein Bedarf an Brandschutzelementen, die eine längere Stand­ zeit besitzen.

Im aktiven und passiven Brandschutz ist es ferner wünschenswert, über Brandschutzelemente zu verfügen, die im Brandfall geeignet sind, nicht nur dem Feuer über eine möglichst lange Zeit standzuhalten, sondern auch den Zutritt von die Verbrennung fördernden Gasen, insbesondere Luft zu verhin­ dern bzw. zu unterbinden. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die ver­ wandten Brandschutzmassen in der Lage sind, unter Hitzeeinwirkung aufzu­ schäumen und das Volumen soweit zu vergrößern, daß eine dichte Packung aus dem Brandschutzmaterial entsteht, die für Luft und andere Gase undurchlässig ist. Insbesondere sollen durch den Schäumungsdruck auch beispielsweise Kabel- und Rohrdurchlässe im Mauerwerk und Versorgungs­ schächte wirksam abgedichtet werden. Eine solche zur Intumeszens fähige Masse sollte unter Hitzeinwirkung ihr Volumen stark vergrößern, beispiels­ weise verdoppeln können, zudem gegen Wasser und Wasserdampf bestän­ dig sein. Ein soweit erhöhter Schäumungsdruck, der zur festen Ummante­ lung von Kabeln und Kunststoffrohrleitungen führt, wäre wünschenswert.

Bekannt geworden sind Brandschutzmassen auf Basis organischer Polymere, die im Brandfall unter Hitzeeinwirkung aufschäumen und durch Verkohlung und Karbonisierung ein Gerüst bilden, das Hitze und Flammen ein gewisse Zeit standhalten kann. Solche Brandschutzmassen haben aber den Nachteil, daß sie nach wie vor aus brennbarem Material bestehen, wodurch dem an und für sich recht guten Feuerschutz dennoch Grenzen gesetzt sind, die nicht immer so weit reichen, wie es wünschenswert wäre.

Aufgabe der Erfindung ist insoweit die Bereitstellung von Brandschutzele­ menten, die die oben geschilderten Grenzen des Standes der Technik weiter hinausschieben und die genannten Eigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit einem Brandschutzelement der eingangs genannten Art gelöst, das einen Kern aus einem gas- und wasserdicht eingeschlossenen Wasserglas mit einem Restwassergehalt von 20 bis 40 Gew.-% und einen Mantel aus einem Polyurethanschaum mit einem Schaumgewicht von 10 bis 100 g/l aufweist. Die erfindungsgemäßen Brandschutzelemente liegen in Sandwich-Bauweise vor, d. h. sie besitzen einen Kern aus einem gas- und wasserdicht eingeschlossenen Wasserglas und einen Mantel aus einem Polyurethanschaum, wie er üblicherweise im Bauwesen zu Dämmzwecken eingesetzt wird.

Bei dem erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Wasserglas handelt es sich um ein festes Alkaliwasserglas mit einem Restwassergehalt von 20 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 22 bis 30 Gew.-% und insbesondere etwa 25 Gew.-%. Es können sowohl Natrium- wie auch Kaliumwassergläser einge­ setzt werden, wobei aus Gründen der Verfügbarkeit und des Preises Natri­ umwassergläser bevorzugt sind. Solche Wassergläser haben insbesondere ein Molverhältnis Alkalioxid/Siliziumdioxid von 3,1 bis 3,6 und besonders bevorzugt von 3,2 bis 3,5.

Das erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Wasserglas kann insbeson­ dere so hergestellt werden, daß das Rohmaterial, das beispielsweise einen Wassergehalt von 60 oder mehr Gew.-% aufweist, im trockenen und war­ men Luftstrom auf den jeweils gewünschten Wassergehalt im Bereich von 20 bis 40 Gew.-% insbesondere etwa 25 Gew.-% getrocknet wird. Das so erhaltene Wasserglaspulver wird dann in einer geeigneten Vorrichtung zu Pellets, Tabletten oder Platten gepreßt, die anschließend mit einem geeigne­ ten Material gas- und wasserdicht ummantelt werden. Geeignet sind hier Polyalkylenfolien, beispielsweise Folien aus Polyethylen oder Polypropylen.

Das eingeschlossene Wasserglas kann beispielsweise in Form von verpack­ ten Einzelplatten oder Tabletten oder auch in Form von in Säcken, Schläu­ chen oder Taschen verpackten Pellets vorliegen. Mehrere solcher Tabletten, Taschen oder Schläuche können, durch Abschweißung oder Absteppung voneinander getrennt, zu Bändern oder flächenförmigen Mustern zusammen­ gefaßt werden, so daß sich daraus Elemente beliebiger Form und Größe gestalten lassen. Wichtig ist, daß in jedem Fall für jedes einzelne Element die Wasser- und Gasdichtigkeit gewährleistet ist.

Für die Schaumumantelung wird ein übliches Polyurethan verwandt, wie es zur Erzeugung von Dämmschäumen im Bauwesen eingesetzt wird. Solche Polyurethanschäume werden im allgemeinen als Einkomponenten- oder Zweikomponentenschäume erzeugt und haben ein Raumgewicht von 10 bis 100 g/l je nach Herstellungsart und Einsatzzweck. Es handelt sich dabei um mit Hilfe einer Polyolkomponente vernetzte Polyisocyanate oder Polyisocya­ nat-Prepolymere mit einer geschlossen- oder offenzelligen Struktur. Solche Schäume können beispielsweise auch am Einsatzort aus Ein- oder Zweikom­ ponentendruckdosen hergestellt werden. Nur beispielhaft sei im Zusammen­ hang auf die Schriften WO 94/18254 A, WO 94/18256 A, WO 94/18268 A und WO 97/20676 A verwiesen.

Polyurethanschäume haben selbst nicht sehr ausgeprägte flammhemmende Eigenschaften, wenn sie nicht mit speziellen flammhemmenden Mitteln aus­ gerüstet sind. Durch Verwendung von phosphorhaltigen oder estergruppen­ haltigen Polyolen kann die Flammresistenz allerdings deutlich gesteigert werden. Unter Flamm- und Hitzeinwirkung besteht aber eine gewisse Ten­ denz zum Verkohlen, die für Brandschutzelemente günstig ist. Eine solche Einstellung kann durch Zugabe flammhemmender Mittel weiter gefördert werden, so daß die Einordnung in die Kategorie B2 nach DIN 4102 möglich ist.

Wasserglas selbst ist als anorganisches Material nicht brennbar und minera­ lisiert in der Hitze unter Abgabe von Wasserdampf und ggf. aufgenomme­ nem CO₂, ein Vorgang, der bei Luftzutritt unter normalen Bedingungen eben­ falls, wenn auch langsamer, abläuft. Der Einsatz von Wasserglas im Brand­ schutz beruht weniger auf der feuerhemmenden Eigenschaft dieses Materi­ als, sondern mehr auf seiner Nichtbrennbarkeit und seinem Vermögen, hitze­ beständige Dicht- und Klebewirkung zu entfalten.

Die erfindungsgemäße Wirkung des eingesiegelten und von Polyurethan­ schaum sandwichartig umgebenen Wasserglases beruht dagegen auf einem anderen Prinzip. Das in eine gas- und wasserdichte Umhüllung eingeschlos­ senen Wasserglasprodukt behält seinen Restwassergehalt und ist gegen die Aufnahme von CO₂ wirksam geschützt. Unter Hitzeinwirkung kommt es aus bislang nicht geklärten Gründen zur Ausbildung eines Wasserglasschaums, der die Umhüllung unter Entwicklung eines nicht unerheblichen Expansions­ druckes sprengt und sich nach allen Seiten hin ausdehnt. Der Expansions­ druck ist groß genug, um in der Nachbarschaft liegende Hohlräume auszufül­ len und zu versiegeln. In der Umgebung liegende Leitungen und Strukturen werden von dem Schaum ummantelt und wirkungsvoll gegen Flammen- und Hitzeeinwirkung geschützt. Innerhalb der Folienumhüllung verbleibt das feste Wasserglas aber praktisch unbeschränkte Zeit in seiner einmal gegebenen Form und Struktur, solange es nicht auf die Auslösetemperatur, im allgemei­ nen etwa 200°C, erhitzt wird.

Die gas- und wasserdichte Abschließung des Wasserglasprodukts ist insbe­ sondere auch erforderlich, um eine Wechselwirkung mit dem Polyurethan­ schaum bei dessen Entstehung zu vermeiden. Wasserglas ist wasserhaltig und nimmt begierig CO₂ auf. Polyurethanprepolymere, die zu Dämmschäu­ men verschäumt werden, entwickeln beim Verschäumungsvorgang unter Wasseraufnahme erhebliche Mengen an CO₂. Insoweit käme es bei unzurei­ chender Abschließung des Wasserglaskerns der erfindungsgemäßen Brand­ schutzelemente zu einer unerwünschten Wechselwirkung zwischen Wasser­ glaskern und Schaumummantelung. Durch die Einschließung der Wasserglas­ komponente wird dies vermieden.

Die Ummantelung des Wasserglaskerns mit Schaummaterial dient mehreren Zwecken gleichzeitig. Zum einen wird die Folie des eingeschlossenen Was­ serglases auf diese Art und Weise wirkungsvoll gegen Beschädigung geschützt. Die Polyurethanschaum-Dämmung bewirkt zudem, daß bei bloßer Hitzeeinwirkung über kurze Zeit kein Auslösen der Verschäumung stattfin­ det. Es wurde gefunden, daß der Verschäumungsprozeß des eingeschlosse­ nen Wasserglases bei ≧ 200°C beginnt. Erhöhte Temperaturen, wie sie bei handwerklichen Arbeiten, Kurzschlüssen und dergleichen lokal ohne weiteres auftreten können, ohne daß es aber zur Entwicklung von Bränden kommt, sind belanglos, wenn sie die Auslösetemperatur nicht erreichen. In solchen Fällen wäre ein Auslösen des Verschäumungsvorgangs unnötig und ärger­ lich.

Des weiteren dient der Polyurethanschaummantel der Fixierung des Wasser­ glaskerns in dem Sandwich-Bauelement. Polyurethan entwickelt beim Ver­ schäumen eine beachtliche Klebwirkung, die geeignet ist, den Kern aus in Folie eingeschweißtem Wasserglas in der gewünschten Position zu fixieren. Schließlich hat Polyurethanschaum noch vielfach erwünschte wärme-, schall- und feuchtigkeitsdämmende Wirkung.

Die erfindungsgemäßen Brandschutzelemente können somit aus entspre­ chenden "Wasserglaspaketen" und Einkomponenten- oder Zweikomponen­ ten-Polyurethanschäumen vor Ort hergestellt werden. Sie können aber auch als fertige Elemente vorliegen und zur Montage verwandt werden, beispiels­ weise in Form von Bauelementen für Wände, Böden, Decken, Türen, oder auch als Bauteile, beispielsweise in Form von Formsteinen, die zum Ver­ schluß von Mauerdurchbrüchen und Kabelschächten verwandt werden kön­ nen.

Die Erfindung wird durch das nachstehende Beispiel näher erläutert.

Ein Standard-Natronwasserglas mit 8,2 Gew.-% Na₂O und 27,3 Gew.-% SiO₂ (Molverhältnis SiO₂ : Na₂O etwa 3,41) wurde auf einen Restwasserge­ halt von 25 Gew.-% getrocknet. Das dabei erhaltene Pulver wurde zu Plat­ ten eines Formats von 5 × 10 × 2 cm verpreßt, die in Taschen aus Polyethy­ lenfolie eingeschweißt wurden. Die in Folie verpackten Platten wurden all­ seitig mit je 1,5 cm Polyurethanschaum auf Basis von Diphenylmethandi­ isocyanat und Polyesterpolyol ummantelt und ergaben nach dem Aushärten des Schaums leicht handhabbare Brandschutzblöcke.

Solchermaßen hergestellte erfindungsgemäße Brandschutzblöcke wurden verwandt, um einen Kabel- und Leitungsdurchbruch in einer Mauer abzudich­ ten. Ein Praxistest mit der solchermaßen errichteten Brandsperre ergab ein Aufschäumen bei Erreichen einer Kerntemperatur von etwa 200°C ± 20°C. Beim Aufschäumen entwickelte das Material einen Expansionsdruck, der ausreichte, die Leitungen fest zu vermanteln. Das Brandschutzelement hielt einer Hitzebelastung von 1000°C über einen Zeitraum von mehr als 240 Minuten stand.

Es wird angenommen, daß das in dem eingeschlossenen Wasserglas enthal­ tene Restwasser, ggf. zusammen mit bei dem Trocknungsvorgang aufge­ nommenen CO₂, zum Aufschäumen der Wasserglasmasse führt, wobei sich die kurzfristig verflüssigende Masse unter Abgabe des Wassers zu Schaum verfestigt.

Claims (11)

1. Brandschutzelement mit Sandwich-Struktur auf Wasserglasbasis, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Kern aus einem gas- und wasserdicht eingeschlossenen Wasserglas mit einem Restwassergehalt von 20 bis 40 Gew.-% und einem Mantel aus einem Polyurethanschaum mit einem Schaumgewicht von 10 bis 100 g/l aufweist.

2. Brandschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wasserglas ein durch Trocknen im Luftstrom erhaltenes Wasserglas mit einem Restwassergehalt von 22 bis 30 Gew.-% ist.

3. Brandschutzelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Restwassergehalt etwa 25 Gew.-% beträgt.

4. Brandschutzelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Wasserglas folienum­ mantelt vorliegt.

5. Brandschutzelement nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Folie eine Polyalkylen-, insbesondere eine Polyethy­ len- oder Polypropylenfolie ist.

6. Brandschutzelement nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserglas in Form von in Folie eingeschweißten Tabletten oder Pellets vorliegt.

7. Brandschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche in Form einer Platte oder eines Formsteins.

8. Bauelemente, enthaltend ein Brandschutzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche.

9. Bauelement nach Anspruch 8 in Form einer Tür oder Wand.

10. Verfahren zur Herstellung eines Brandschutzelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7 vor Ort, dadurch gekennzeichnet, daß man auf eine frische Polyurethan-Schaumschicht ein gas- und wasserdicht eingeschlossenes Wasserglas aufbringt, fixiert und mit einer weiteren Polyu­ rethan-Schaumschicht allseitig abdeckt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeschlossene Wasserglas in Form folienummantelter Platten, Tabletten oder Pellets vorliegt.