DE4135678A1 - Thermisch expandierbare brandschutzmasse - Google Patents

Thermisch expandierbare brandschutzmasse

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Description

Die Erfindung betrifft thermisch expandierbare Brandschutzmas­ sen bzw. Brandschutzlaminate, die Blähgraphit, polymere Binde­ mittel, Substanzen, die im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bilden und Mikrohohlkugeln enthalten.
Thermisch expandierbare Brandschutzmassen, die aus Blähgra­ phit, Chloroprenkautschuk, bzw. Chloroprenlatex, einem durome­ ren Kunststoff, sowie gegebenenfalls weiteren Zusätzen beste­ hen, sind beispielsweise in der EP-B-9.109 und EP-A-3 38 347 beschrieben. Sie erweisen sich im vorbeugenden Brandschutz vor allem auf Grund ihrer ausgezeichneten Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Frost, Wärme, Licht und Industrieklima, sowie auf Grund ihres hohen Blähdruckes als besonders wirkungsvoll. Bei Einwirkung von Hitze und Feuer expandieren sie im Brand­ fall in der zu schützenden Öffnung bei verhältnismäßig gerin­ ger Fließfähigkeit. Die expandierende Masse weicht dadurch auch in einer nicht gänzlich abgeschlossenen Öffnung Hinder­ nissen nicht aus, und bildet auf Grund ihres hohen Bläh- oder Expansionsdruckes, der üblicherweise über 2 bar liegt, eine fest abdichtende Sperrschicht, wodurch eine weitere Aus­ breitung von Hitze, Feuer und Rauchgasen vermindert oder verzögert bzw. gänzlich verhindert wird. Dieses Dichtungsmate­ rial besitzt auch im expandierten Zustand eine hohe mechani­ sche Festigkeit. Für extrem hohe Anforderungen an den Brand­ schutz ist jedoch die brand- und hitzehemmende Wirkung selbst dieser Hochleistungsbrandschutzmassen nicht ausreichend.
Das Ziel weiterer Entwicklungstätigkeit auf dem Gebiet thermisch expandierbarer bzw. intumeszierender Brandschutzmassen lag im Auffinden neuer Massen mit weiter verbessertem Brandschutzver­ halten und hohem Blähdruck.
Diese Aufgabe konnte dadurch gelöst werden, daß eine Blähgra­ phitmasse bereitgestellt wurde, die Mikrohohlkugeln enthält.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine ther­ misch expandierbare Brandschutzmasse auf Basis von Blähgra­ phit, die
  • a) Blähgraphit,
  • b) polymere Bindemittel,
  • c) im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bildende Substanzen,
  • d) Mikrohohlkugeln,
sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe enthält, wobei die Brandschutzmasse gegebenenfalls auf eine Trägerbahn aufge­ bracht ist.
Zur Einstellung der für die Verarbeitung notwendigen Konsi­ stenz bzw. Viskosität enthalten die erfindungsgemäßen Brandschutzmassen gegebenenfalls Lösungs- oder Dispersionsmit­ tel, die eine gute Verarbeitbarkeit, beispielsweise als Paste oder für den Auftrag auf eine Trägerbahn, gewährleisten. Als Lösungs- oder Dispersionsmittel können sowohl Wasser als auch organische Lösungsmittel verwendet werden, wobei wegen der ge­ ringeren Umweltbelastung und Gesundheitsgefährdung sowohl bei der Herstellung als auch bei der Anwendung der Brandschutzmas­ sen bevorzugt Wasser verwendet wird. Der Wassergehalt der Brandschutzmassen beträgt üblicherweise etwa 10 bis 50 Gew.%.
Der verwendete Blähgraphit kann beispielsweise durch Säurebe­ handlung eines Naturgraphits bei Raumtemperatur und anschlie­ ßendes Waschen und Trocknen, wie z. B. bei H. Spatzek, Carbon 86/1986 oder in GB-PS 14 97 118 beschrieben, hergestellt wer­ den.
Als polymere Bindemittel kommen vor allem flexible oder elastische Kunststoffe in Frage, wie z. B. Chloropren­ kautschuk, Polyolefine, Polyvinylacetat, Polyacrylat, Polyvi­ nylchlorid (PVC), Epoxidharze oder Styrolpolymere. Bevorzugt werden Chloroprenkautschuk, Polyvinylacetat, Polyethylen und Polyacrylate verwendet. Es ist auch möglich, Gemische ver­ schiedener Polymerbinder zu verwenden. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Brandschutzmassen keine organischen Lösungsmittel enthalten, sondern wenn bei der Her­ stellung wäßrige Latexdispersionen von Polymerbindern einge­ setzt werden.
Geeignete Substanzen, die im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bilden, sind beispielsweise duromere Kunststoffe wie z. B. Formaldehydharze, Polyfurfurylalkohol oder Polyimide, bzw. Po­ lyacrylnitril, Cellulose oder Cellulosederivate. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Phenolformaldehydharze. Bei der Er­ wärmung im Brandfall vernetzen diese Substanzen zunächst, wo­ bei die starken intermolekularen Bindungen auch bei der weite­ ren thermischen Belastung, die zur pyrolytischen Zersetzung und schließlich zur Bildung eines paraktristallinen Koh­ lenstoffgerüstes führt, erhalten bleiben (Chemie-Ing.-Tech. 42 Nr. 9/10 (1970), S. 659-669).
Die verwendeten Mikrohohlkugeln besitzen eine äußere Schale aus Glas oder Kunststoffen, wie z. B. PVC, Polyolefin, Polya­ mid, Polyacrylnitril oder Polyester. Sie sind beispielsweise unter der Bezeichnung "Armospheres" bei F. W. Nestler, Wien erhältlich. Der Durchmesser der Mikrohohlkugeln liegt bei etwa 0,05 bis 0,2 mm.
Die Mengen der einzelnen Komponenten in der Brandschutzmasse richten sich nach den Anforderungen an ihre Eigenschaften und an das geforderte Verhalten im Brandfall, wobei sich ein hoher Gehalt an Blähgraphit günstig für das Brandverhalten, ein ho­ her Gehalt an Mikrohohlkugeln günstig für die thermische Isolierung, ein hoher Gehalt an polymeren Bindemitteln günstig für die Flexibilität und ein hoher Gehalt an Substanzen, die im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bilden, günstig für die Festigkeit der Brandschutzmassen im Brandfall auswirken. Die Brandschutzmasse enthält vorzugsweise 10 bis 60 Gew.% Blähgra­ phit, 5 bis 25 Gew.% polymere Bindemittel, 2 bis 25 Gew.% Sub­ stanzen, die im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bilden, und 0,5 bis 5 Gew.% Mikrohohlkugeln. Dabei ist für den Fall der Verwendung von Lösungen oder Dispersionen der Gehalt als Gew.% Festsubstanz berechnet.
Weitere Zusatzstoffe sind beispielsweise Melamin und seine De­ rivate, verschiedene Graphitsalze, Cyanursäurederivate, Dicyandiamid, Halogenkohlenwasserstoffe, Polyammoniumphosphate und Guanidinsalze. Diese Substanzen blähen bei Hitzeeinwirkung ebenfalls unter Zersetzung auf. Da sie eine von Blähgraphit verschiedene Zersetzungstemperatur aufweisen, erhöht sich im Brandfall mit der steigenden Temperatur auch der Blähdruck, wodurch eine festere Abschottung der Öffnung erfolgt.
Außerdem können weitere Zusatzstoffe, die vor allem die Festigkeit der Dichtungsmasse im expandierten Zustand verbes­ sern, die Kruste verfestigen und den Zusammenhalt erhöhen, wie z. B. anorganische Fasern, beispielsweise Mineral- oder Glas­ fasern wie z. B. Inorphil von Fa. Basinor, BRD, Glaspulver, Vermiculite, Bentonite, Kieselsäure, Silikate, Borax, Stärke, Zucker, Chlorparaffine, Aluminiumsulfat, Aluminiumhydroxid oder Magnesiumhydroxid mitverwendet werden. Weiterhin können Flammschutzmittel zugesetzt werden, beispielsweise Harnstoff, halogenierte oder phosphorhältige Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Trischlorpropylphosphat, Dibromneopentylglykol, oder Antimontrioxid. Weiterhin kommen auch solche Zusatzstoffe in Be­ tracht, die die Schaumbildung im Falle der Beflammung steigern helfen. Solche sind beispielsweise Salicylsäure, p-Hydroxyben­ zoesäure, PVC, sowie Stickstoff- oder Sulfohydrazide, Tria­ zole, Harnstoffdicarbonsäureanhydrid und Ammoniumcarbonat. Weiterhin können Füllstoffe, wie z. B. Kreide, Thixotropiehilfs­ mittel, wie z. B. Kieselsäure, Zellulosederivate (beispielsweise Tylose MB 3000 von Hoechst), Haftvermittler, Entschäumer oder Frostschutzmittel, beispielsweise Diethylen­ glykol zugesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Brandschutzmasse kann sowohl als Paste, als auch in Form von Platten, Leisten, Bändern oder Formkör­ pern verwendet werden. Besonders vorteilhaft und einfach in der Anwendung sind Brandschutzlaminate, bei denen die Brandschutzmasse auf eine Trägerbahn, beispielsweise ein Glas­ faser-, Textilfaser- oder Kohlefaservlies, aufkaschiert ist. Aus dekorativen Gründen oder beispielsweise zum Schutz der Brandschutzmasse können die Laminate oder Platten mit einer Deckschicht, beispielsweise einer Plastikfolie, z. B. einer PVC-Folie, Papier oder Aluminiumblech, ein- oder beidseitig abgedeckt sein. Es ist auch möglich die Brandschutzlaminate oder -platten mit einer Klebschicht auszurüsten, die dann vor­ teilhafterweise mit einer Trennfolie abgedeckt wird.
Die besonderen Vorteile der in der Brandschutzmasse verwende­ ten Mikrohohlkugeln liegen im verbesserten Brandschutz und in der besseren thermischen Isolierung der zu schützenden Öffnung sowohl vor, während und nach dem Aufschäumen der Brand­ schutzmasse im Brandfall.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Brandschutzmassen er­ folgt durch Mischen und Homogenisieren von Blähgraphit, poly­ meren Bindemitteln, vorzugsweise als wäßrige Latexdispersion, Substanzen, die im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bilden, gegebenenfalls in Form einer Dispersion, Mikrohohlkugeln, so­ wie gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen, beispielsweise in einem Kneter, Dissolver oder Mischer, gegebenenfalls unter Zu­ satz von Wasser oder anderen Lösungs- oder Dispersionsmitteln. Im Falle der Verwendung von Chloroprenlatexdispersionen ist es vorteilhaft, der Mischung zur Einstellung eines alkalischen pH-Wertes ein Alkali zuzusetzen. Die dabei erhaltene Masse kann entweder als solche verwendet werden, oder sie kann auf eine Trägerbahn, beispielsweise auf eine Folie bzw. ein Vlies (z. B. mit Hilfe einer Rakel oder eines Streichmessers) aufge­ bracht werden. Nach dem Trocknen kann das Laminat auf einem Kalander, eventuell mit Prägewalze komprimiert werden, eventu­ ell unter gleichzeitiger Kaschierung mit einer Deckschicht, beispielsweise aus PVC oder Aluminium.
Die erfindungsgemäßen Brandschutzmassen werden zur brandschüt­ zenden Abdichtung bzw. Abschottung von Öffnungen in einen Brandabschnitt bildenden Bauteilen, wie z. B. Fugen zwischen Mauern, Hohl- bzw. Zwischenräumen, Mauerdurchbrüchen, Kabel- oder Rohrdurchführungen oder dergleichen verwendet. Ebenso können Türdichtungen, Fensterdichtungen oder andere Dichtun­ gen, die im Brandfall aufschäumen und den vorgelagerten Schlitz oder die Öffnung abdichten, hergestellt werden. Die Verbindung zwischen Glas und Rahmen bei Brandschutzverglasun­ gen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Brandschutzmassen oder -laminate ergibt ebenfalls einen optimalen Brandschutz. Auch die Fertigung ganzer Ziegel ist möglich, mit denen Durchbrüche für Kabel oder Rohre ausgekleidet werden, und die bei Feuereinwirkung eine Sperre bilden. Im Brandfall schäumen diese Massen durch die Hitzeeinwirkung auf und dichten die Öffnung ab, so daß der weitere Durchtritt von Feuer und Rauch und somit die weitere Ausbreitung des Brandes verhindert wird.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Brandschutzmassen wurden in den Beispielen folgende Ausgangssubstanzen verwendet:
Blähgraphit:
V-Graphit, Chemie Linz
Polyvinylacetat:
Mowilith® DC 20F, 47gew.-%ige wäßrige Dispersion (Hoechst)
Chloroprenkautschuk:
Neoprene 115, 47gew.-%ige wäßrige Disper­ sion, stabilisiert mit 1,5 Gew.-% KOH 20%ig (Fa. Dupont)
Polyacrylat:
50gew.-%ige wäßrige Dispersion (Fa. Worlee, Frankreich)
Polyethylen:
50gew.-%ige wäßrige Dispersion (Fa. Chemie Linz)
Phenolharz:
50gew.-%ige wäßrige Dispersion (Fa. Ceca, Frankreich)
Phenolharz H:
Phenolharz mit 7 Gew.-% Hexamin (Fa. Beckonit, BRD)
Harnstoff-Formaldehyd-Harz (UF-Harz):
45gew.-%ige wäßrige Dispersion (Fa. Krems Chemie)
Melamin-Formaldehyd-Harz (MF-Harz):
45gew.-%ige wäßrige Dispersion (Fa. Chemie Linz)
Epoxidharz:
Fa. Beckonit, BRD
Mikrohohlkugeln/Glas, Durchmesser 0,05-0,2 mm:
Armospheres® (Fa. Nestler, Wien)
Mineralfasern:
Inorphil® O20 (Fa. Basinor, BRD)
Trischlorpropylphosphat:
(TCPP, Fa. Albright & Wilson)
Harnstoff:
Fa. Chemie Linz
Aluminiumhydroxid:
Fa. VAW
Diethylenglykol:
Fa. Neuber
Tylose 6%ig:
Type MB 3000 (Fa. Hoechst)
Kreide:
Calzidar 5 (Fa. Gersheim)
Haftvermittler:
Lutofan 200 L (Fa. BASF)
Kieselsäure:
Cabosil CM50 (Fa. Kepot)
Beispiel 1
In einem Rührbehälter wurden 22,1 Gew. Teile 47%ige wäßrige Polyvinylacetatdispersion (Mowilith® DC 20 F, Hoechst), 14,6 Gew.Teile 50%ige wäßrige Phenolharzlösung (Fa.Ceca), 5,75 Gew. Teile Mineralfasern (Inorphil® 020, Fa. Basinor, BRD) 2,2 Gew. Teile Trischlorpropylphosphat (Albright & Wilson), 5,75 Gew.Teile Harnstoff, 7,5 Gew.Teile Aluminiumhydroxid, 1,3 Gew.Teile Glas-Mikrohohlkugeln (Armospheres, Fa. Nestler, Wien), 2,2 Gew.Teile Diethylenglykol, 4,0 Gew.Teile Tylose 6%ig, 16,8 Gew.Teile Blähgraphit, 16,8 Gew.Teile Kreide, 2,0 Gew.Teile Haftvermittler (Lutofan 200 L, Fa. BASF) bei Raumtem­ peratur vermischt. Die erhaltene Brandschutzmasse war halbela­ stisch und bildete im Brandversuch eine stabile und harte Kru­ ste.
Der Blähdruck lag bei 5, 8 bar, der Blähfaktor bei 6. Der Blähdruck wurde an Proben mit einem Durchmesser von 113 mm, die zwischen zwei beheizbare Metallplatten eingelegt wurden, bei 250°C gemessen. Der beim Aufblähen entstandene Druck wurde von der unteren Platte auf einen Kraftaufnehmer mit Druckanzeige übertragen. Das aufblähende Material war dabei seitlich nicht abgegrenzt und konnte sich in der Ebene unge­ hindert ausbreiten. Der Blähfaktor wurde an Proben mit einem Durchmesser von 50 mm, die in einem Metallzylinder von 100 mm Höhe und einem Innendurchmesser von 50 mm eingelegt wurden, gemessen. Der Zylinder mit der Probe, die über einen Stempel mit 100 g vorbelastet war, wurde 10 Minuten in einem Ofen bei 300°C erhitzt und die Höhe der geblähten Masse gemessen.
Beispiele 2-12
Analog zu Beispiel 1 wurden Brandschutzmassen hergestellt, wo­ bei jedoch die in Tabelle 1 angeführten Komponenten eingesetzt wurden. Die Mengen in Tabelle 1 sind in Gew.Teilen angegeben. Weiterhin sind in Tabelle 1 die Eigenschaften der Brandschutzmassen zusammengestellt.
Beispiel 13 Herstellung eines Laminates
Die gemäß Beispiel 9 erhaltene Brandschutzmasse wurde in einer Schichtdicke von 2,5 mm, entsprechend einem Flächengewicht von 2,5 kg/m2, auf ein Glasvlies (180 g/m2, Velimat, Fa. Schuller, BRD) aufgestrichen. Das dabei erhaltene Laminat wurde an­ schließend 2h im Umlufttrockenschrank bei 100°C getrocknet.
Vergleichsbeispiel 14
Analog zu Beispiel 13 wurde ein Laminat hergestellt, wobei je­ doch eine zu Beispiel 9 analoge Brandschutzmasse verwendet wurde, die keine Hohlkugeln enthielt.
Beispiel 15 Vergleichender Brandversuch
Um die überlegene Wirkung der erfindungsgemäßen Brandschutzmassen aufzuzeigen, wurde ein Kleinbrandversuch ge­ mäß DIN 4102 durchgeführt, bei dem ein Polypropylenrohr mit 50 mm Außendurchmesser durch eine 10 cm dicke Gasbetonwand (Ytong) durchgeführt und auf der dem Feuer abgewandten Seite mit 4 Lagen eines 4 cm breiten, erfindungsgemäßen Brandschutz­ laminates gemäß Beispiel 13 abgedichtet wurde. Zum Vergleich wurde eine analog aufgebaute Rohrdurchführung mit dem Laminat gemäß Vergleichsbeispiel 14 (Versuchslaminat ohne Hohlkugeln) abgedichtet. Beide Proben wurden anschließend gemäß DIN 4102 von einer Seite beflammt. Durch das aufblähende Brandschutzla­ minat wurden beide Rohre nach 6 min vollständig zusammenge­ drückt und die Öffnung durch die geblähte Brandschutzmasse ge­ schlossen. Während der weiteren Beflammung wurden auf der dem Feuer abgewandten Seite folgende Temperaturen gemessen:
Der Vergleich zeigt deutlich, daß der Feuerschutz bei Verwen­ dung von Laminaten auf Basis der erfindungsgemäßen Brand­ schutzmasse weitaus besser ist, als bei Verwendung von Lamina­ ten auf Basis einer herkömmlichen Brandschutzmasse.
Tabelle 1
Zusammensetzung und Eigenschaften der Brandschutzmassen (in Gew.-Teilen)
Tabelle 1 Fortsetzung

Claims (7)

1. Thermisch expandierbare Brandschutzmasse auf Basis von Blähgraphit, dadurch gekennzeichnet, daß sie
  • a) Blähgraphit,
  • b) polymere Bindemittel,
  • c) im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bildende Substanzen,
  • d) Mikrohohlkugeln,
sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe enthält, wobei die Brandschutzmasse gegebenenfalls auf eine Trägerbahn aufgebracht ist.
2. Brandschutzmasse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Bindemittel aus Chloroprenkautschuk, Poly­ ethylen, Polyvinylacetat oder Polyacrylaten bzw. deren Gemischen besteht.
3. Brandschutzmasse gemäße Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das polymere Bindemittel als wäßrige Latexdi­ spersion vorliegt.
4. Brandschutzmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bildenden Substanzen aus Phenolformaldehydharzen bestehen.
5. Brandschutzmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie 10 bis 60 Gew.% Blähgraphit, 5 bis 25 Gew.% polymere Bindemittel, 2 bis 25 Gew.% im Brandfall ein Kohlenstoffgerüst bildende Substanzen, und 0,5 bis 5 Gew.% Mikrohohlkugeln enthält.
6. Brandschutzlaminat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brand­ schutzmasse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auf eine Trä­ gerbahn aufgebracht ist.
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