DE2054511B2 - Verfahren zum Herstellen von beim Erhitzen sich aufblähenden Über - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von beim Erhitzen sich aufblähenden Über

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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.
Vorrichtungen zur Erhöhung des Druckes od. dgl. Die bisher bekannten, sich aufblähenden Überzüge
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.
Beispiel 1
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.
Beispiel 2
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
Beispiel 3
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.
Beispiel 4
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.
Beispiel 5
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.
Beispiel 6
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.
Beispiel 7
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.
Beispiel 8
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.
Beispiel 9
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.
Beispiel 10
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.
Beispiel 11
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 2 in Luftfahrzeugen Flugaufzeichnungsvorrichtungen zu Patentansprüche: schützen, damit sie Unfälle überstehen. Sich aufblähende Überzüge sind bekannt und liefern
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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