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Materialien und speziell Platten, die sich zum Brandschutz für Raumteiler und Schotten eignen, bestehen in der Regel aus massiven, nicht brennbaren Materialien wie Mineralfasern und Metallen.
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Es ist zwar auch möglich, leichte, aber im Prinzip brennbare Stoffe durch Flammschutz-Additive brandsicher zu machen, jedoch sind derartige Zusatzstoffe – insbesondere die hochwirksamen Bromide, aber auch Phosphor- und Borverbindungen – dafür bekannt, im Brandfalle entweder toxische Gase zu entlassen und/oder bereits bei der Verarbeitung toxische Wirkungen zu entfalten, oder langfristig auszugasen.
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Eine andere, bewährte Methode besteht in Intumeszenz-Verfahren. Dazu werden saugfähige Bauelemente, wie z. B. Holzbalken u. a. mit Silikaten beschichtet, oder diese werden zwischen Schichtstoffen oder Glasplatten eingebracht. Einige Silikate, wie z. B. Wasserglas, schäumen bei Erhitzen auf, verhärten und bilden damit eine wirksame Brandbarriere.
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Eine Vielzahl von Vorschlägen und Schutzrechten beziehen sich dabei auf trennende Lagen und Schichten aus intumeszenten Materialien, oftmals ultradünn ausgeführt und meist gemischt oder kombiniert mit brandhemmenden Metallsalzen, so in
US 2012/0135258 A1 ,
US 2007/0212495 A1 ,
US 2004/0146687 A1 ,
US 3.934.066 . Voraussetzung für anhaltenden Brandschutz ist dabei aber eine Struktur, die selbst weit gehend feuerbeständig ist oder ein entsprechender Träger, weil sehr dünne intumeszente Schichten auch in expandierter Form nicht ausreichend thermisch isolieren um dahinter liegende Schichten zu schützen. Anders ist dies z. B. bei
US 6.855.393 B1 , das eine entsprechende Dicke des intumeszenten Materials aufweist und von einer Honeycomb-Struktur getragen wird. Allerdings ist dieses Ashmere panel entsprechend dick und schwer.
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Auch im Prinzip leichte Honeycomb-Strukturen, wie in
US 5.460.864 vorgeschlagen, bei denen zwischen zwei Wabenkernlagen und äußeren Deckschichten Feuer-Barriere-Membranen aus Glimmer-Filmen eingefügt sind, benötigen in sich nicht-brennbare Materialien für die Wabenstrukturen, was diese Ausführungen vergleichsweise schwer und teuer macht.
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Weiter wurden auch brandhemmende Kombinationen für Leichtbauplatten vorgeschlagen, die sich auf nicht brennbare Komposite bezogen, wie in
US 6.511.730 B1 . Die Anwendung dort vorgeschlagener mehrerer Phenolharz-Lagen mit Glasfiber-Schichten schießen jedoch ein echtes Leichtbauelement aus.
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So war es bisher kaum möglich, die Vorteile von Sandwichplatten für den Leichtbau wirkungsvoll mit Brandschutz zu kombinieren.
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Sandwichplatten bestehen aus einer sehr leichten Innenschicht, deren Haupt-Aufgabe es ist, ihre äußeren Deckschichten in definiertem Abstand zueinander zu halten. Die hohe Steife und Stabilität solcher Platten ergibt sich dann daraus, dass sich die Deckschicht auf einer, der Last abgewandten Seite dehnen und auf der Lastseite stauchen müsste, wenn sich die Platte durchbiegt.
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Gelingt es aber, die Deckschichten zug- bzw. stauch- und beulfest auszuführen, lassen sich hohe Belastbarkeit mit geringem Gewicht kombinieren.
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Die Kerne solcher Platten bestehen in der Regel aus Hartschäumen, die kaum intumeszent ausgeführt werden können, hier werden zum Brandschutz Halogenoide in das Schaummaterial eingebracht.
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Noch leichter und steifer sind Kerne aus Raster- oder Wabenstrukturen. Letztere können bei erhöhtem Gewicht und Kosten aus nicht-brennbaren Materialien hergestellt sein, es ist jedoch kaum möglich, diese intumeszent auszurüsten – siehe oben. Die sonst üblichen Papier- oder Pappewaben sind dagegen – selbst imprägniert – im Brandfalle instabil.
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Rationeller herstellbar als Waben sind sog. Rasterkerne, die in ihrer Struktur rückseitig aufeinandergesetzten Eierschalenkartons ähneln. Aus Gründen einfacher Herstellung bestehen sie meist aus thermoplastischen Folien und sind daher bei Bränden besonders gefährdet. Zwar können auch hier dem Kunststoff-Material Brandhemmer beigefügt werden, doch dem sind durch die Weiterverarbeitung im Tiefziehverfahren enge Grenzen gesetzt.
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Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, die Vorteile von Sandwichplatten mit Kernen aus thermoplastischen Folien wirkungsvoll mit Brandschutz zu kombinieren, ohne auf Halogenoide oder andere problematische chemische Mittel zurück zu greifen.
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Der erste erfinderische Schritt dazu ist, die Vertiefungen in den tief gezogenen Folien der Kernstruktur – bei mehrlagigen Kernen mindestens jene in den Außenbereichen – so mit intumeszentem Material zu füllen, dass dies beim Aufschäumen die Hohlräume füllt und so die Struktur stabilsiert.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, dass Kerne von Sandwichplatten, die aus einer Rasterstruktur dünner Materialien bestehen, gerade so stark mit Wasserglas oder ähnlichen, unter Hitzeeinwirkung aufschäumenden Mineralstoffen ausgerüstet sind, dass diese im Brandfalle die Leerstellen füllen.
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Thermoplastische Folien aus PVC, ABS oder ähnliche Kunststoffen sind unpolare Materialien, sie saugen Wasserglas nicht auf und lassen es eher abperlen, als es anzuziehen. Daher verteilt sich das Material auf dreidimensional strukturierten Folien vor allem auf die Oberkanten und nicht in die Pits (Einsenkungen).
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Dies wäre für die Weiterverarbeitung, und insbesondere für das Aufbringen von Deckschichten hinderlich, weil dann eine Verklebung von Kernstruktur und Deckschicht kaum möglich ist – ein nachfolgender Kleberauftrag würde über der Wasserglas-Schicht erfolgen, die ihrerseits kaum auf der Folie hält.
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Der zweite erfinderische Schritt besteht folglich darin, dass die Kerne nur in ihren Vertiefungen intumeszentes Material enthalten. Machbar ist das bei flüssigem Wasserglas mit einer Pipette, in handwerklicher Fertigung mit Hilfe eine Schablone mit vielen kleinen Trichtern, deren Ablauf in die Pits hineinragen. Damit kann das Wasserglas in die Trichter gerakelt sein. Für eine Serienfertigung kann die Dosierung mit Hilfe eines Zylinders erfolgt sein, der durch die Schablone abgeschlossen ist und in dem ein absenkbarer Stempel so gesteuert ist, dass pro Takt jeweils ein Wasserglas-Tropfen definierter Größe pro Trichter entlassen, dann aber durch Gegenbewegung ein Nachfließen verhindert ist.
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Es zeigte sich, dass flüssig eingebrachtes Wasserglas mit 33% kieselsaurem Alkali bei üblichen Brandtemperaturen von 400 bis 700°C auf das drei- bis vierfache seines Flüssigvolumens expandiert. Um das Hohlvolumen auszufüllen, sei es also etwa zu einem Viertel mit flüssigem Wasserglas gefüllt.
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Ein verbleibendes Problem solcher Strukturen für den Brandschutz ist, dass die thermoplastischen Folien bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen erweichen (ABS bei ca. 70°) und schmelzen (bei etwa 110°C). Dies bedeutet, dass die Kernstruktur schon in frühem Stadium des Brandes kollabieren könnte.
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Mit einem dritten erfinderische Schritt wird dieses verhindert: Eine becherartige Form der Pits bewirkt, dass sich das Wasserglas, zunächst als Tropfen in den Grund der Vertiefungen eingebracht, bei unpolaren Kunststoffolien kapillar an die Wände der Pits anformt. Dabei erwieist sich ein Größenverhältnis der Pits als günstig, bei der der Querschnitt der Öffnung etwa der Bechertiefe entspricht (jeweils 5 bis 10 mm) und doppelt so groß ist, wie der des Becherbodens.
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Dieser Effekt wird genutzt, um einen Innenbecher in der Vertiefung zu bilden, der bei Erweichen der Folien die Kernstruktur stützt. Dies erfolgt selbsttätig durch Trocknung und Auskristallisieren des Wasserglases vor der Weiterverarbeitung, z. B. in einem Trockenofen.
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Stimmt die Dosierung, dann sind die Oberkanten der Kernstruktur beschichtungsfrei und Deckschichten können nach Trocknung fest über den üblichen Walzenauftrag von Klebern und Verpressung mit dem Kern verbunden sein.
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Ein weiteres bekanntes Problem intumeszenter Schutzschichten in Platten ist, dass diese beim Aufquellen die Schichten auseinandersprengen und damit die Struktur zerfällt.
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Dagegen wirkt zunächst eine Dosierung des Wasserglases, die eine Überfüllung des Kernes bis zum Absprengen der Deckschichten verhindert.
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Dabei ist aber davon auszugehen, dass bei zunehmender Brandhitze der Folienkern ohnehin schmilzt und verbrennt – somit muss das aufgeschäumte Wasserglas das gesamte Volumen zwischen den Deckschichten ausfüllen, aber nicht mehr.
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Der vierte erfinderische Schritt ist dabei, die intumeszenten Materialien so mit nicht brennbaren Deckschichten zu kombinieren, dass die aufschäumende Füllung mit der Deckschicht verklebt.
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Dazu werden Deckschichten eingesetzt, an denen aufschäumendes Wasserglas gut haftet. Dies ist bei Aluminiumblechen der Fall, die unmittelbar vor der luftdichten Verklebung angeraut oder geschliffen wurden. Sie verbinden sich gut mit dem expandierendem Wasserglas. und verkleben so beim Expandieren mit der entstehenden Intumeszenzschicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen 1 bis 3 näher erläutert:
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1 zeigt im Querschnitt einen eingebrachten Tropfen flüssigen Wasserglases 1 in einer becherförmigen Ausformung 2 aus tiefgezogener Folie 3.
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2 demonstriert, wie durch Kapillarwirkung in der Ausformung 2 das Wasserglas an ihrem Rand 4 selbsttätig hochsteigt und damit quasi einen Innenbecher 5 bildet.
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3 zeigt diesen Innenbecher 6 (schraffiert) nach Trocknung und Kristallisation
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4 zeigt im Querschnitt eine einfache Folienstruktur 7 mit Deckschichten 8 und 9, sowie einige Innenbecher 10, 11 und 12 (schraffiert) zwischen den Deckschichten vor dem Einwirken der Brandhitze.
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5 stellt dieselbe Struktur wie 4 nach Einwirken der Brandhitze dar. Hier ist das früher becherförmige Wasserglas expandiert und füllt de gesamte Kernzone 13 zwischen den Deckschichten 14 und 15 bei weit gehender Auflösung des Folienmaterials
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6 zeigt die Verhältnisse bei einem mehrlagigen Folienkern 16 mit ungefüllter Innenschicht 17, die thermisch isolierend wirkt, bei Brandhitze-Einwirkung 18 von einer Seite.
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Hier ist die dem Brandherd zugewandte Folienstruktur bereits aufgelöst und diese Zone 19 mit expandiertem Wasserglas gefüllt, während auf der dem Brand abgewante Seite 20 die Folie 21 zwar erweicht, aber noch von den kaum expandierten Wasserglas-Bechern 22, 23 gestützt wird. Die weißen Linien 24 deuten an, wie die ursprüngliche Struktur der ungefüllten inneren Kernschicht 17 vor der Expansion verlief.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0135258 A1 [0004]
- US 2007/0212495 A1 [0004]
- US 2004/0146687 A1 [0004]
- US 3934066 [0004]
- US 6855393 B1 [0004]
- US 5460864 [0005]
- US 6511730 B1 [0006]
