DE2054511B2 - Verfahren zum Herstellen von beim Erhitzen sich aufblähenden Über - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von beim Erhitzen sich aufblähenden ÜberInfo
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Description
wie Überzüge, die p-Nitroanilinbisulfat in einem
wobei 11 eine Zahl von 1 bis 25, m eine Zahl von Acrylnitril-Butadien phenolischen modifizierten Kau-2
bis 3 und R ein niedriger aliphatischer Kohlen- tschuk dispergiert enthalten, zeigen auch Empfindlichwasserstoffrest
sind, verwendet wird. keit gegen Wasser.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 4° Es sind daher auch die neuesten, sich aufblähenden
kennzeichnet, daß ein Polymer mit endständigen Mittel mit wasserempfindlichen Materialien zusam-Mercaptangruppen
der folgenden Zusammen- mengesetzt. Die allgemeine Reihenfolge der Reaktion Setzung solcher sich aufblähenden Materialien ist sehr kritisch,
und wenn die Zusammensetzung nicht sorgfältig aus-HS-(C2H4-O-CH2-O-C2H4-S-S)n-
« geglichen ist, so daß die gewünschte Reaktion zu der
^ | bestimmten Zeit erreicht wird, geht der Schutz verloren.
j Im allgemeinen ist bei den bekannten Materialien
— C2H4—O—CH2—O—C2H4—SH ein Katalysator, wie Monoammoniumphopshat, Di-
ammoniumphosphat oder Ammoniumphosphat, angewobei η eine Zahl von 6 bis 42 ist, verwendet wird. 50 wendet worden, der sich unter Bildung von Phosphor-
4. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis säure und Ammoniak zersetzt, und die Säure reagiert
3, dadurch gekennzeichnet, daß einen inerten dann mit dem Kohlenstoff enthaltenden oder Kohle
Faserfüllstoff enthaltende Gemische verwendet Oildenden Material, wie Glucose, Erythrit, Pentaerywerden.
thrit oder Stärken. Dieses Material zersetzt sich zu
55 Kohle und erzeugt die Säure wieder. Es muß ein Harz
mit niedrigem Schmelzpunkt, wie ein wasserlösliches
Melamin-Formaldehydharz, vorhanden sein, das schmilzt und einen Film über der Kohle bildet, um die
Filmkontinuität zu regeln. Schließlich müssen Bläh-
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von 60 mittel vorhanden sein, um Gas abzugeben, welche eine
sich aufblähenden Überzügen, d. h. von Überzügen, die Verschäumung der Kohle bewirken. Die Zersetzungsverkohlen, wenn sie gewisse erhöhte Temperaturen er- temperaturen jedes dieser Reagenzien ist sehr wichtig
reichen, und eine Schicht bilden, die feuerhemmend für die Gesamtfunktion des Überzugs ebenso wie die
ist und die Ausbreitung von Feuer verhindert. Der- Stabilität jedes Mittels gegenüber Umgebungsbedinartige Überzüge können dazu verwendet werden, 65 gungen, um dieses Aufblähungspotential aufrechtzuer-Gebäude, wie Schulen, Raumfahrzeuge, Gebläse oder halten.
zu schützen. Sie können auch benutzt werden, um sind so empfindlich gegen Wasser und hohe Feuchtig-
keit, daß ein Aussetzen gegenüber diesen Bedingungen die kritischen Variablen, wie Zersetzungs- und Reaktionstemperaturen,
stört. Die meisten der Nachteile, die mit den bisherigen sich aufblähenden Materialien
verbunden sind, sind daher so auf ihre Bildung mit wasserlöslichen Mitteln zurückzuführen, da viele von
den Katalysatoren, den Kohle bildenden Materialien. Harzen und Blähmitteln wasserempfindlich sind.
Es ist nun gefunden worden, daß das Ammoniumsalz von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure mit der Formel
— SO3NH4 haben die folgende allgemeine Formel
in einem flüssigen Polymer mit endständigen Mercaptanpgruppen mit einem Molekulargewicht von 600 bis
8000 dispergiert werden kann, um ein anstrichmittelähnliches Material zu ergeben, das Aufblähungseigenschäften
hat und gegenüber Wasser oder Feuchtigkeit hochwiderstandsfähig ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Herstellen von beim Erhitzen sich aufblähenden Überzügen durch
Auftragen von Polysulfide und gasbildende Stoffe enthaltenden Gemischen ist dadurch gekennzeichnet, daß
Gemische aus
A) 5 bis 80 Gewichtsprozent -iner Bindemittelkomponente
aus
a) 10 bis 100O0e.nes Polymers mnendstand.gen
Mercaptangruppen mit einem Molekulargewicht von 600_b.s 8000 und
b) 90 bis O°/o eines Epoxyharzes sowie e.ncs
Härtungsm.ttels fur a oder b und
B) 95 bis 20 Gewichtsprozent des Ammoniumsalzes von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure sowie gegebenenfalls
C) Lösungsmittel
aufgetragen werden.
Die gemäß der Erfindung zu verwendenden Mittel sind wasserstabil, es werden bei ihnen keine hochentflammbaren
Materialien verwendet, und sie sind nicht kritisch in den Anteilen, in denen die Bestandteile zur
Anwendung gelangen.
Das Polymer mit endständigen Mercaptangruppen kann entweder aus einem Polymer, das Disulfidbindungen
enthält, oder aus einem Polymer bestehen, das Polyoxyalkylenbindungen innerhalb des Moleküls aufweist.
Typisch für die erstgenannte Art sind Polysulfidmercaptane, die sich wiederholende bis-(Äthylenoxyd)-methangruppen
der folgenden allgemeinen Formel enthalten:
HS-(C2H4-O-CH2-O-C2H4-S-S)S-I
CA—O—CH2—O—C2H4—
SH
In dieser Formel kann η von 6 bis 42 variieren.
Eine andere Art von Polymer mit endständigen Mercaptangruppen enthält keine Disulfidbindungen,
sondern Polyoxyalkyleneinheiten. Solche Polymere - O -[- CH2CHCH3],,
O CH2CHCH2SH
OH j,,,
wobei η von 1 bis 25 variieren kann und m 2 oder 3 ist
ίο und R einen niedrigen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest
bedeutet.
Wenn ein Epoxyharz für einen Teil des Polymers mit endständigen Mercaptangruppen gesetzt wird, werden
die Haftung und die Witterungseisenschaf ten der Masse verbessert.
Die Epoxyharze können aus Epichlorhydrin-Bisphenol-A-Arten
bestehen, oder sie können Epoxy-Novolak-Arten sein. Wenn Epoxyharze benutzt werden,
wird ein Aminhärtungsmittel oder -katalysator angewendet, wie dies in der Technik bekannt ist, und es
können gewöhnlich 1 bis 2 Teile des Amins je lOTeile des Epoxyharzes, auf das Gewicht bezogen, angewendet
werden.
Es ist ein Metalloxydhärtungsmittel sowohl bei den Disulfid- als aach den Nicht-Disulfidmercaptanpolymeren
erforderlich, wenn kein Epoxyharz (und kein Epoxyhärtungsmittel) in der Masse vorhanden ist.
Wenn ein Epoxyharz und ein übliches Epoxshärtungsmittel
benutzt werden, kann wahlweise das Metalloxydhärtungsmittel benutzt werden. Dies kann aus
5 bis 10 Gewichtsteilen Metalloxyd, wie Bleidioxyd oder Tellurdioxyd, je 100 Gewichtsteile Polymer bestehen.
Es wird gewöhnlich ein Lösungsmittel in der Zusarnmensetzung
verwendet; die Art des Lösungsmittels ist jedoch nicht kritisch. Es können Methylethylketon,
höhere und niedrigere Homoioge von Methylä:hylketon, aromatische Lösungsmittel, wie Toluol und
Xylol, niedrigere aliphatisch^ chlorierte Lösungsmittel,
wie Methylchlorid, Ester, wie Butylacetat, und Mischungen
von solchen Lösungsmitteln Anwendung finden.
Die Massen gemäß der Erfindung werden nach Dispergieren und Mischen der erforderlichen Komponenten
auf eine Unterlage, wie Stahl oder Aluminium, durch Sprühen oder andere Maßnahmen in der gewünschten
Dicke aufgebracht. Die Massen trocknen über Nacht in der Luft zu zähen, anhaftenden Überzügen,
welche gegenüber Umgebungen mit hoher
Feuchtigkeit stabil sind. Wenn diese Überzüge Hitze oder Flammen ausgesetzt werden, wirken sie als sich
aufblähende, thermische Schutzüberzüge. Die Überzüge schwellen an oder blähen sich auf etwa das 20-bis
60fache der ursprünglichen Überzugsdicke auf, wobei eine zähe, zusammenhängende, isolierende
Kohle zum Schutz von Unterlagen gegen Hitze oder Flammen geschaffen wird. Die zur Aktivierung des
Aufblähungsprozesses erforderliche Temperatur beträgt etwa 300 bis 3500C.
Es ist gefunden worden, daß Polymere mit Glasübergangstemperaturen
(Tg) bei oder unter Raumtemperatur benutzt werden sollen, weil sonst ein Aufblähen
nicht eintritt oder ernsthaft verschlechtert ist. Außerdem soll das Polymer einen gewissen Grad an thermi-
scher Zersetzung unter der Zersetzungstemperatur des sich aufblähenden Salzes haben. Beispielsweise haben
die Polymere mit endständigem Polymercaptan einen Wert von Tg von —57° C. Wenn man versuchen würde,
100° 0 Epoxyharz als polymeren Träger für das SuIfonsäuresalz
zu verwenden, würde das Aufblähen zerstört werden. Epoxyharze haben einen Wert von Tg von
Uberraumtemperatur (etwa 50: C), so daß die quantitativen
Grenzen festgesetzt werden müssen, um mechanische und Aufbläheigenschaften ins Gleichgewicht zu
bringen. Es sollen daher nicht über 90°/;, des Epoxyharzes,
bezogen auf die Menge des Bindemittels, verwendet werden.
Es können viele Füllstoffe dem Anstrichmittel zugesetzt werden. Vorzugsweise haben diese die Form von
inerten Fasern, wie Silicium lioxyd- oder Kohlenstofffasern.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen
näher erläutert.
Eine typische Zusammensetzung bestand aus 14,1 Gewichtsteilen eines Polysulfic polymers mit endständigem
Mercaptan (Durchschnittsmolekulargewicht von 1000, Durchschnittsviskosität bei 25CC von
10 Pois, 60Z0 Mercaptan mit 20Z0 Vernetzung).
Das Polymer kann wie folgt dargestellt werden:
HS-(C2H4-O-CH2-O-C2H4-S- S)6
C2H4-O-CH2-O-C2H4-SH
Zu diesem Polymer würden 57 Gewichtsteile des Ammoniumsalzes von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure und
28,9 Gewichtsteile von Methyläthylketon zugegeben. Diese Zusammensetzung wurde in einer Kugelmühle
4 Stunden in einer kinetischen Dispersionseinheit mit hoher Geschwindigkeit 20 Minuten dispergiert, um
eine brauchbare Dispersion zu erhalten. Zu dieser Distorsion wurden 18,8 Gewichtsteile eines Epoxyharzes
der Epichlorhydrinbisphenol-A-Art (mittlere5.
Molekulargewicht 380, typisches Epoxydäquivalent
von 185 bis 192 und Viskosität von 100 bis 160 Pois), das als 75° oige Lösung in einem aromatischen Kohlenwasserstoff,
wie Toluol, bereitet war, zugegeben. Zu diesen Komponenten wurden 5,6 Gewichtsteile einer
50°, „igen Lösung eines Aminkatalysators(lri-dimethy!-
aminomethylpheiiol) in einem aromatischen Kohlenwasserstoff,
wie Toluol, zugesetzt.
Die so hergestellte Überzugsmasse wurde auf kaltgewalzte Stahlurtci lagen in einer Trockenfilmdicke
von etwa 0,75 mm aufgesprüht und über Nacht zu einem zäh anhaftenden Überzug in der Luft getrocknet.
Eine Reihe von diesen Überzügen auf kaltgewalztem ju
Stahl wurde in einer Atmosphäre von 38° C und 90% relativer Feuchtigkeit 5 Wochen hintereinander ausgesetzt.
Es wurde das linerae Aufblähen in wöchentlichen Zwischenräumen durch Erhitzung in einem vorgeheizten
Ofen von 3500C während 20 Minuten, gerade über der Zersetzungstemperatur des sich aufblähenden Salzes, bestimmt. Die lineare Expansion blieb
unbeeinflußt und erfolgte auf das 50- bis 60fache der ursprünglichen Dicke.
Der sich aus dem Aufblähen des Überzugs ergebende thermische Schutz wurde bestimmt. Es wurde eine
Erhitzung von lO bis 11 BTU/FT2-SEC auf eine Platte
von kaltgewalztem Stahl von etwa 75 · 75 · 1,58 mm angewendet, an welcher verschiedene Dicken des
Überzugs (etwa 0,75 mm, 1,5 mm, 2,25 mm) befestigt waren. Die Hitze wurde durch die Verbrennung eines Düsentreibstoffs erhalten, wobei das Feuer
auf die Überzugsoberfläche während des Versuches auftraf. Der Zeit-Temperatur-Verlauf wurde durch
ein Thermoelement gemessen, das an der Rückseite des Musters befestigt war. Zur Erreichung einer Rückseitentemperatur
von 200"C sind z. B. Zeiten von 2 bis 10 Minuten, in Abhängigkeit von der urspi anglichen
Überzugsdichte, aufgezeigt worden.
ίο Es wurde eine andere Masse, bei welcher die Art des
Polysulfidpolymers mit endständigem Mercaptan (mittleres Molekulargewicht 4000, Viskosität 400 Pois und
2,2 0Z0 Mercaptan mit 2 °/0 Vernetzung) aiseinzige Änderung
gegenüber dem Beispie! 1 variiert wurde, hergestellt
und geprüft, wobei ähnliche Ergebnisse erzielt wurden. Dieses Polymer hatte die folgende Struktur:
HS-(C2H4-O-CH2-O-C2H1-S-S)23
C2H4O-CH2-O-C2H1-SH
Es wurde ferner gefunden, daß eine andere Masse,
bei welcher als einzige Änderung gegenüber dem Beispiel 1 das Polysulfid-Polymer mit endständigem
Mercaptan durch ein Polymercaptanpolymer ohne Disulfidbindung mit einer Viskosität von 60 Pois,
einem Mercaptanwert von 0,35 mäq. SH je Gramm und einer Formel entsprechend
OH
ο — (C3H6O)nCH2CHCH2SH
in der η = 20 bis 25 und R ein niedrigerer aliphatischen
Kohlenwasserstoff ist, ersetzt wurde, eine ähnliche ausgezeichnete Feuchtigkeitsstabilität liefert.
Es wurde eine Masse formuliert, bei welcher gegenüber dem Beispiel 1 das Verhältnis von Polysulfidpolymer
mit endständigem Mercaptan zu Epoxy geändert war. Es wurde eine Zusammensetzung aus 3,6 Gewichtsteilen
des im Beispiel 1 verwendeten Polymers, 59,5 Gewichtsteilen des Ammoniumsalzes von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure
und 36,9 Gewichtsteilen des Mcthyläthylketonlösungsmittels
gemäß Beispiel 1 dispergiert. Hierzu wurden 43,1 Gewichtsteile des wie im Beispiel 1 beschrieben, hergestellten Epoxyharzes zugegeben.
Die Uberzugsmischung wurde mit 13 Gewichtsteilen piner 50%igen Lösung von Tri-dimethylaminoäthylphenol
in Toluol katalysiert. Es wurden ähnliche Ergebnisse, wie sie im Beispiel 1 erhalten wurden, festgestellt.
Eine Formulierung, die ähnlich wie diejenige des Beispiels 1 war, mit der Ausnahme, daß das Aufblähungssalzverhältnis variiert war, lieferte gute Ergebnisse, wenn sie in ähnlicher Weise wie im Beispiel 1
hergestellt und geprüft wurde. Es wurden in diesem Fall 23,8 Teile des Polymers, 47,2 Gewichtsteile des
Ammoniumsalzes von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure und 29 Gewichtsteile des Methyläthylketonlösungsmittels
dispergiert. Hierzu wurden 31,6 Gewichtsteile Epoxy-
harz, als 75°/oige Lösung in Toluol bereitet, zugegeben.
Der Überzug wurde mit 9,5 Gewichtsteilen einer 50°/0igen Lösung von Tri-dimethylaminomethylphenol
in Toluol katalysiert.
Eine andere Zusammensetzung, bei welcher das Epoxyharz der Epichlorhydrin-Bisphenol-A-Art durch
ein Epoxyharz der Epoxy-Novolak-Art mit einem Epoxyäquivalent von 176 bis IPi 2.1s einzige Änderung
vom Beispiel 1 ersetzt war, wurde mit Erfolg hergestellt und zeigte bei Brüfung ähnliche Ergebnisse wie
sie im Beispiel 1 beschrieben sind.
Eine andere Zusammensetzung, bei welcher als einzige Änderung gegenüber dem Beispiel 1 der Aminkatalysator
Tri-dimethylaminoäthylphenol durch 1,6-Hexandiamin ersetzt war, wurde mit Erfolg hergestellt
und arbeitete zufriedenstellend, wenn sie geprüft wurde, wie dies im Beispiel 1 beschrieben ist.
Eine Zusammensetzung von 100 Gewichtsteilen eines Polymers mit endständigem Mercaptan (durchschnittliches
Molekulargewicht SOOO, Viskosität BOOPois, 1,1 °/0 Mercaptan und 0,5 °/0 Vernetzung),
das durch die Formel
HS-(C2H4-O -CH2-O-C2H4-S-S)42
- C2H4-O-CH8-O-C2H1SH
dargestellt wird, wurde mit 100 Gewichtsteilen des Ammoniumsalzes von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure und
100 Gewichtsteilen Methyläthylketon als Lösungsmittel in einer Kugelmühle oder in einer kinetischen Dispersionseinheit
von hoher Geschwindigkeit dispergiert. Hierzu wurden 15 Gewichtsteile einer 50°/0igen Paste
aus Bleioxyd in Methyläthylketon zugegeben. Der Überzug wurde, wie im Beispiel 1 beschrieben, aufgebracht
und geprüft, wobei sich eine ähnliche Leistung zeigte.
Es wurden andere Zusammensetzungen, ähnlich derjenigen von Beispiel 1, hergestellt, mit der Ausnähme,
daß 7,2 Teile Siliciumdioxydfaser unter kinetischer Dispergierung mit hoher Geschwindigkeit zugesetzt
wurden. Die Menge der Faser wurde von 1 bis 20 Teilen und die Länge der Faser wurde von etwa 0,79
bis 6,35 mm variiert. Die thermischen und Umgebungsergebnisse waren ähnlich denjenigen von Beispiel 1,
wobei jedoch eine gewisse Verbesserung in der Zähigkeit und Haftung an zylindrischen Flächen festgestellt
wurde. Die Art der Faser (Siliciumdioxyd — Kohle — synthetische Faser) kann auch variiert werden, wobei
ebenfalls gute Ergebnisse erhalten werden.
Es wurde eine ähnliche Formulierung wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, das ein niedriges
ao Verhältnis von sich aufblähendem Salz benutzt wurde; es wurden dabei ähnliche Ergebnisse wie im Beispiel 1
erhalten, wenn diese Masse entsprechend Beispiel 1 hergestellt und geprüft wurde. In diesem Fall wurden
20 Gewichtsteile des Ammoniumsalzes von 4-Nitro-
»5 anilin-2-sulf onsäure, 80 Gewichtsteile des Polymers und
20 Gewichtsteile Methyläthylketon dispergiert. Hierzu wurden 106,4 Teile des Epoxyharzes, hergestellt als
75°/oige Lösung in Toluol zugegeben. Der Überzug "wurde ffiii 32 Gcwichtsteücn einer 50°/0igen Lösung
von Tri-(dimethylaminomethyl)-phenol in Toluol katalysiert.
Es wurde eine Zusammensetzung, ähnlich derjenigen von Beispiel 8, mit der Ausnahme, daß ein Polymercaptanpolymer
ohne Disulfidbindungen in dem Polymergerüst, das aus Polyoxyalkyleneinheiten zusammengesetzt
ist, verwendet. Es wurden ähnliche Leistungen wie im Beispiel 8 festgestellt. Es wurde in diesem
Fall eine Zusammensetzung aus 100 Gewichtsteilen des Polymercaptanpolymers, 100 Gewichtsteilen des Ammoniumsalzes
von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure und 100 Gewichtsteilen Methyläthylketon in einer Kugelmühle
dispergiert. Hierzu wurden 10 GewichtsteiU einer 50°/oigen Paste von Mangandioxyd in Methylethylketon
zugegeben.
Claims (2)
1. Verfahren zum Herstellen von beim erhitzen einen Grad von Schutz gegen Feuer und Hitze, wenn
sich aufblähenden Überzügen durch Auftragen von 5 sie auf die Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht
Polysulfide und gasbildende Stoffe enthaltenden werden. Die für diesen Zweck bisher bekannten Mittel
Gemischen, dadurch gekennzeichnet, hatten eine Anzahl von Nachteilen, insbesondere
daß Gemische aus fehlte ihnen hydrolytische Stabilität.
Bei einer Art dieser überzugsmittel wird ein Nitro-
A) 5 bis 80 Gewichtsprozent einer Bindemittel- io celluloseträger verwendet, der eine gewisse Gefahr bei
komponente aus der Herstellung und Anwendung darstellt; bei einer
a) 10 bis 100 % eines Polymers mit end- anderen Art werden Phosphonige verwendet. Die
ständigen Mercaptangruppen mit einem Mlttel mit Phosrhorsalzen erfordern eine Anzahl von
Molekulargewicht von 600 bis 8000 und anderen Komp. enten, und die entstehende Zusam-
b) 90 bis 0°.'0~eines Epoxyharzes 15 mensetzung ist ι ihrer Herstellung sehr krisch. Ein
sowie eines Härtungsmittels für a oder b weiterer Nachteil besteht dann, daß die Zusammenuncj
Setzung wasserempfindheh ist, so daß das Anstrichmittel
in Gegenwart von Wasser oder feuchten Atmo-
B) 95 bis 20 Gewichtsprozent des Ammoniumsal- Sphären nicht stabil ist.
zes von 4-Nitroanilin-2-sulfonsäure sowie ge- 20 Eine Art von Überzugsmitteln besteht aus dem
gebenenfalls Schwefelsäuresalz von p-Nitroaniliii, das in einem
C) Lösungsmittel Nitrocelluloseträger dispergiert ist. Solche Überzüge
können auch ein Acrylnitril-Butadien-Phenol-Bindeaufgetragen
werden. mittelsystem einschließen. Viele der bekannten Über-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 züge sind von der Verwendung von Phosphor enthalzeichnet,
daß ein Polymer mit endständigen tenden Salzen als Katalysatoren für das Aufblänen ab-M;rcaptangruppen
der folgenden Zusammen- hängig. Außerdem erfordern sie kohleerzeugende PoIysetzung
mere, um mit dem Phosphor enthaltenden Katalysator
zu reagieren. Es muß auch ein Harz von niedrigem
0-[-CH2CHCH3],,
O CH„CHCH,SH
OH
30 Schmelzpunkt verwendet werden, um über der gebildeten
Kohle einen Film zu bilden, so daß das sich aufblähende Mittel Gas freigibt, das durch den Harzfilm
eingeschlossen wird, um die Kohle zu expandieren. Andere Arten von bekannten Überzügen, die p-Nitro-
35 anilinbisulfat und Nitrocellulose enthalten, ebenso
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