EP0447605A1

EP0447605A1 - Flammbarriere aus Vliesstoff

Info

Publication number: EP0447605A1
Application number: EP19900113029
Authority: EP
Inventors: Walter Dr. Föttinger; Jürgen Dr. Knoke; Peter Dr. Grynaeus; Werner Schäfer
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1990-03-23
Filing date: 1990-07-07
Publication date: 1991-09-25
Anticipated expiration: 2010-07-07
Also published as: DE4018727A1; EP0447605B1; ES2060872T3; JPH04221628A; JPH0671778B2; DK0447605T3; US5279878A; ATE112333T1; DE59007344D1; DE4018727C2

Abstract

Eine Flammbarriere aus Vliesstoff aus teilgraphitierten Polyacrylnitril-Fasern ist Bestandteil eines flächigen Mehrschichtgebildes, wobei der Vliesstoff mit hochenergetischen Wasserstrahlen verfestigt ist und ein Flächengewicht von 40 bis 100 g/m² aufweist und wobei seine Fasern keine Imprägnierung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine textile Flammbarriere als Bestandteil eines flächigen Mehrschichtgebildes. Bekannte Flammbarrieren sind schwer entflammbare Gewebe, die eingesetzt werden in flammabweisender Kleidung, an Innenausstattungen des Fahrgastbereiches von Luft-, Land- und Seefahrzeugen, an Fahrzeugausstattungen, wie z.B. Planen oder Motorraum-Innenauskleidungen, in Polstermaterial, in textilen Raum-Innenausstattungen, in Kissen und Matratzen.
Der Begriff der Flammbarriere bedeutet, daß sie den Durchtritt einer Flamme durch ein sichtseitiges Material ins Innere eines der obigen Gegenstände verhindert. Detailliert wird diese Eigenschaft erläutert in Melliand Textilberichte 6/1987, 396-401.
Es ist vorgeschlagen worden, einen leichtgewichtigen Vliesstoff aus schwer entflammbaren Fasern einzusetzen. (Melliand Textilberichte 6/1987, 396-401). Zahlreiche organische und anorganische, schwer entflammbare Faserstoffe werden in der Druckschrift genannt und deren Limiting-Oxygen-Index (im folgenden LOI-Wert genannt) aufgeführt. Dieser Index bestimmt die Brennbarkeit von Kunststoffen gemäß ISO-Standard 4589 "Kunststoffe - Bestimmung der Brennbarkeit durch den Oxygen-Index" und ist mit gewissen Einschränkungen auch auf Textilien anwendbar, sofern diese aus organischen Faserstoffen bestehen. Wirksames flammhemmendes Verhalten sei in unserer Atmosphäre bei LOI-Werten über etwa 27 zu erwarten.
US-PS 4,748,065 offenbart einen Flammschutz-Vliesstoff, der mit chemische Dämpfe adsorbierenden Kohlenstoff-Partikeln imprägniert ist. Er wird für feuerfeste Kleidung eingesetzt. Die Vliesstoffasern bestehen zu mindestens 90 % aus Aramid-Stapelfasern, der Vliesstoff hat ein Flächengewicht von 35 bis 70 g/m², und die Fasern sind verfestigt durch zweimalige Wasserstrahlbehandlung, einmal mit einem Strahldruck von etwa 1400 kPa, dann mit Strahldrücken zwischen 10000 und 11000 kPa. Die zu 10 bis 50 Gew.-% vorliegenden, absorbierenden Kohlenstoff-Partikeln als Imprägnierung dienen ausschließlich der Sorption schädlicher Gase und haben keinen Einfluß auf die Brennbarkeit.
Dieser flammhemmende Vliesstoff des Standes der Technik ist im wesentlichen aus noch schmelzbaren Fasern aufgebaut und wird daher bei direkter Flammen-Einwirkung zerstört; er stellt somit keine Flammbarriere dar. Der Flammtest gemäß ISO 8191-1 und -2 wird nicht bestanden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu umgehen und eine Flammbarriere aus Vliesstoff zu schaffen, welche die Kombinationen folgender Eigenschaften aufweist:

a) Flächengewicht nicht über 100 g/m² bei einer Dicke von maximal 1,8 mm;
b) Textiler Fall und Tragekomfort;
c) Flammbarrierewirkung gemäß ISO 8191-1 und -2;
d) Resistenz gegen glimmende, daraufliegende Körper;
e) in Verbindung mit einer Haftmassenbeschichtung leicht kaschierbar;
f) Festigkeit von mindestens 70 N/5 cm Breite in mindestens einer Richtung;
g) Erhalt der Wirkung als Flammbarriere auch nach dem Aufbügeln mittels Haftmasse auf einen Oberstoff.

Dabei sollen Flächengewichte bis hinab zu 40 g/m² realisiert werden können. Dieser Wert stellt erfahrungsgemäß in etwa die Untergrenze dar, bis hinab zu der noch eine für den Flammschutz ausreichende, gleichmäßige Faserdichte gewährleistet ist. Ferner würden niedrigere Flächengewichte zu erhöhtem Oberflächenabrieb und verringerter Reißfestigkeit führen. Auf hohe Festigkeit muß insbesondere dann geachtet werden, wenn die Flammbarriere in stark strapazierten Polsterwaren eingesetzt werden soll. Dort sind Festigkeiten in alle Flächenrichtungen über 70 N/5cm erforderlich.
Flächengewichte über 100 g/m² sollen aus ökonomischen Gründen und wegen der dann unvorteilhaft ansteigenden Steifigkeit der Flammbarriere vermieden werden.
Die Lösung der obigen Aufgabe besteht in einer textilen Flammbarriere mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
Die Wasserstrahlen wirken mit einem Druck von ca. 10 000 kPa auf die Fasern ein. Es ist auch möglich, mehrstufig und kontinuierlich den Druck bis auf 14 000 kPa zu erhöhen.
Als Fasern für den flammhemmenden Vliesstoff gemäß der Erfindung werden teilgraphitierte Polyacrylnitril-Fasern eingesetzt. Unter teilgraphitiert ist zu verstehen, daß die Fasern nur soweit graphitiert sind, daß sie noch krempelbar sind. Vollgraphitierte Fasern sind nicht einsetzbar, weil sie nicht über Krempelanlagen verarbeitet werden können. Der LOI-Wert der eingesetzten Fasern soll zwischen 40 und 65 liegen. Dieser Wert ist als Maß für die Graphitierung anzusehen; je niedriger die Graphitierung, desto niedriger der LOI-Wert, und umgekehrt.
Wie in den Beispielen noch gezeigt werden wird, sind nur mit diesen Fasern Flächengewichte im Bereich von 70 g/m² und darunter zu erzielen, ohne daß die Wirkung des Vliesstoffs als Flammbarriere abnimmt. Bei Einsatz von Aramidfasern in Abmischung mit Zellulosefasern oder zu 100 % besitzt der Vliesstoff gemäß Brandtest nach ISO Norm 8191-1 und -2 keine flammhemmende Wirkung mehr. Diese sonst in flammhemmenden Vliesstoffen auch verwendeten Fasern sind daher für die vorliegende Erfindung, die niedere Flächengewichte fordert, nicht geeignet.
Wichtig für die vorliegende Erfindung ist auch, daß alle Fasern keinerlei Imprägnierung aufzuweisen brauchen, um die gestellte Aufgabe zu lösen. Der Einsatz oft toxikologisch bedenklicher Flammschutz- und/oder physikalisch wirkender Absorptionsschichten ist mit der vorliegenden Erfindung vollständig entbehrlich.
Solchermaßen hergestellte Vliesstoffe genügen bereits für viele Anwendungsgebiete, wo Flammschutz erforderlich ist, z.B. als Flammbarrieren für Daunenkissen, die resistent gegen glimmende Zigaretten sein sollen.
Für die Mehrzahl der Einsatzzwecke, wie z.B. für mechanisch höher belastete Polstermöbel, ist jedoch die Festigkeit eines solchen Vliesstoffs noch nicht zufriedenstellend.
Man kann ihn deshalb mit Verstärkungsfäden versehen, die in Kett-/Schußrichtung verlaufen. Mittels bekannter Nähwirktechniken ist es ohne weiteres möglich, Mindestfestigkeiten von 70 N pro 5 cm zu erzielen, wenn man in Kettrichtung 4 bis 24 Fäden pro Zoll und in Schußrichtung 4 bis 15 Fäden pro Zentimeter einschießt. An die Stelle einer Vollschuß-Bindung kann auch eine Kurzschuß-Bindung treten. Diese Verstärkungsfäden sind dabei mit einem Gewichtsanteil von 12 bis 60 g/m² im Vliesstoff enthalten. Solche Festigkeiten sind zwar geringer als diejenigen eines Gewebes von 200 g/m² des Standes der Technik, aber sie sind für alle Anwendungszwecke vollkommen ausreichend.
Die beanspruchten teilgraphitierten Polyacrylnitril-Fasern besitzen LOI-Werte von mindestens 40. Es ist naheliegend, daß man als Werkstoffe für die Kett- und Schußfäden ebenfalls solche mit diesen LOI-Werten verwendet.
Uberraschenderweise ist dies meist nicht notwendig; auch Verstärkungsfäden unterhalb des LOI-Wertes 40 sind geeignet, ohne daß der Flammschutz beeinträchtigt wird. Werkstoffe für die Verstärkungsfäden sind z.B. Aramide, Polyamidimid, Aromatisches Polyimid, hochvernetzte Phenolpolymere oder thermisch stabilisiertes Polyacrylnitril. Die Auswahl wird der Fachmann anhand zahlreicher diese Werkstoffe beschreibender Literatur leicht vornehmen können. Einen gravierenden Nachteil stellen die hohen Kosten dieser Spezialfilamente dar.
Es wäre nun zu erwarten gewesen, daß für den Einsatz in flammhemmenden Vliesstoffen Verstärkungsfäden aus den wesentlich billigeren thermoplastischen Werkstoffen mit LOI-Werten unter 27, z.B. aus Polyester oder Polyamid, gänzlich auszuschließen sind.
Es hat sich jedoch völlig überraschend gezeigt, daß es im Rahmen der vorliegenden Erfindung tatsächlich in vielen Fällen möglich ist, für die einer Bindungsrichtung zugehörigen Verstärkungsfäden thermoplastische Werkstoffe mit einem LOI-Wert sogar unter 27 zu wählen, ohne die flammhemmende Wirkung des Vliesstoffs oder dessen Festigkeit bei Feuereinwirkung unvorteilhaft zu beeinträchtigen.
Als am sinnvollsten unter dem Aspekt der Gesamtfestigkeit der erfindungsgemäßen Flammbarriere hat es sich dabei erwiesen, speziell die Kettfäden aus den genannten, billigeren thermoplastischen Materialien zu wählen. Diese schmelzen zwar bei Beflammung des Vliesstoffs weg; unvorhersehbar war jedoch der günstige Umstand, daß dabei der verbleibende gesamte Faserverbund des Vliesstoffs die Eigenschaften einer Flammbarriere beibehält.
In vielen Fällen soll das flächige Mehrschichtgebilde, welches an seiner Außenseite die Flammbarriere trägt, sichtseitig mit dekorativem Material versehen sein, das selbst keine flammhemmenden Eigenschaften aufzuweisen braucht. Zu diesem Zweck kann die der Außenseite zugewandte Oberfläche der Vliesstoff-Flammbarriere mit einer das dekorative Material bindenden, thermoplastischen Haftmasse versehen sein. Diese kann punkt-, linien- oder flächenförmig ausgestaltet werden. Es ist bekannt, die Entflammbarkeit der Haftmasse durch spezielle Zusätze, z.B. roten Phosphor mit Phosphaten oder Bromsalzen oder Al(OH)₃, zu verringern. Diese Zusätze sind jedoch wegen der oft erheblichen Giftigkeit ihrer Reaktionsprodukte bei Einwirkung von Feuer und bei ihrer Entsorgung problematisch oder bedingen zusätzichen Herstellungsaufwand.
Unerwarteterweise wurde nun gefunden, daß mit der erfindungsgemäßen Flammbarriere reine thermoplastische Haftmassen, ohne die genannten flammhemmenden Zusätze, auf der Außenseite verwendet werden können, wobei die schützenden Eigenschaften der Flammbarrieren nicht verloren gehen. Dies gilt sogar in gleicher Weise für die Mehrzahl der Verklebungen zwischen dem Vliesstoff und dem zu schützenden, darunter liegenden Flächengebilde. Lediglich in Einsatzgebieten, wo extreme Brandgefahr in leicht entzündlicher Umgebung besteht, so z.B. bei Motorhauben-Abdeckungen, wird allein bei der innenliegenden Haftmasse nicht ganz auf die flammhemmenden Zusatzstoffe verzichtet werden können.
Für Einsatzzwecke, wo hohe isotrope Festigkeit gefordert wird, z.B. für Polsterwaren, kann der erfindungsgemäße Vliesstoff im Gewichtsbereich von 30 bis 50 g/m² durch Doublieren oder Laminat-Bindung verstärkt werden.
Dabei wird ein leichtgewichtiger, flammhemmender Vliesstoff mit thermoplastischer oder reaktiver Haftmasse, die keine flammhemmenden Zusätze enthalten muß, nach bekannten Methoden beschichtet, z.B. mit Pastendruck-, Puderpunkt- oder Streubeschichtung. Ein zweiter, ebenfalls 30 bis 50 g/m² schwerer, flammhemmender Vliesstoff wird in einer Durchlaufpresse mit dem ersten Vliesstoff laminiert. Dabei erzielt man eine höhere Isotropie in den Festigkeiten und in der Dehnbarkeit, und bei kett-/schuß-verstärkten Vliesstoffen werden die Schußfäden im Laminat verbessert festgehalten.
Die folgenden Beispiele sollen den erfindungsgemäßen Gegenstand näher beschreiben. Insbesondere soll gezeigt werden, daß bei Verwendung teilgraphitierter Polyacrylnitril-Fasern mit der Technik der Wasserstrahlvernadelung leichtgewichtige Vliesstoffe mit hoher Flammfestigkeit erhalten werden.

Beispiel 1:

Ein Faservlies von 70 g/m², aus teilgraphitierten Polyacrylnitril-Stapelfasern mit einem LOI-Wert von 60 und einem Titer von 1,7 dtex in einer isotropen Faserorientierung, wird in zwei Stufen mit säulenförmigen Wasserstrahlen verfestigt. In jeder Stufe befinden sich 5 Düsenbalken, deren Bohrungen einen Durchmesser von 120 µm aufweisen und in Abständen von 0,6 mm angeordnet sind. In der ersten Stufe wird die Vliesoberseite mit von Düsenbalken zu Düsenbalken steigendem Strahl-Druck, beginnend bei 25 bar, endend bei 140 bar, verfestigt.
In der zweiten Stufe wird der Vliesstoff auf seiner Unterseite verfestigt, wobei hier die Drücke von Düsenbalken zu Düsenbalken von 80 bar bis 140 bar gestaffelt sind.
In beiden Stufen wird der Vliesstoff auf je einem Siebband mit 100 mesh transportiert, um ein Flächengebilde mit geschlossener Oberfläche zu erhalten.
Der Vliesstoff wird sodann mit einem hydro- und oleophobierend wirkenden, handelsüblichen Fluorkarbonharz so getränkt, daß 2 % Harz auf der Flächenware verbleiben.
Auf das fertige Vliesstoffhalbmaterial, auf die später der Außenseite abgewandte Fläche, wird eine Haftmasse aus Copolyamid mit einem Schmelzbereich von 112 bis 116 °C in einer Menge von 25 g/m² aufgedruckt. Die Haftmasse enthält ein handelsübliches Flammschutzmittel auf Basis einer halogenfreien organischen Phosphorverbindung.
Das fertige Flächenmaterial dient als hochtemperaturbeständiger, nicht schmelzbarer, wärme- und schalldämmender Isolationsvliesstoff für Schallisolationsteile im Verbrennungsmotorenbereich. Er ist stark verformbar, hydro- und oleophob und aufgrund seiner bleibenden Verformung und der Haftmassenbeschichtung mit Schäumen, Vliesstoffen, Filzen, Fiberglas und Steinwolle leicht kaschierbar.

Beispiel 2:

Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wird ein Vliesstoff hergestellt mit 50 g/m² Flächengewicht, bestehend aus quergelegten, wasserstrahlverfestigten Kohlenstoffasern. Das Vlies wird mit einer Magazinschußraschelmaschine mit Vliesvorlage mit Polyethylenterephthalat-Kettgarn (5 g/m², 50 dtex f 22) und einem Schußgarn auf Basis Aramid (11 g/m², 22 dtex f 100) mit einem Abstand von 3 mm in Kette und einem Abstand von 25 mm im Schuß verstärkt.
Der so hergestellte kett-/schußverstärkte Vliesstoff kann in Bettdecken und Kissen verwendet werden. Das eigentliche Polstermaterial besteht dabei aus einem Oberstoff aus schmelzbarem, flammhemmendem Polyester, einem aus gleichem Material bestehenden Inlett und aus einer Daunenfüllung. Diese Konstruktion allein widersteht nicht einer brennenden Zigarette; die Daunen werden verkohlt. Vernäht man den erfindinngsgemäßen Vliesstoff jedoch mit dem Inlettstoff, so wird der Durchtritt der Flamme verhindert, und die Daunen bleiben unbeschädigt.

Beispiel 3:

Ein Faservlies von 70 g/m² aus 100 % teilverkohlten Polyacrylnitril-Fasern wie in Beispiel 1, mit einem Titer von 1,7 dtex, wird mit Krempel und Querleger abgelegt und anschliessend entsprechend den Bedingungen des Beispiels 1 wasserstrahlverfestigt. Auf diesen Vliesstoff werden 15 g/m² einer Copolyamid-Haftmasse mit einem Schmelzbereich von 112 bis 116 °C aufgedruckt, die aber im Gegensatz zum Beispiel 1 kein Flammschutzmittel enthält.
Dieses Material wird mit einem Polsteroberstoff aus flammhemmenden Polyesterfasern verbügelt und auf einen brennbaren Polyurethanschaum von 75 mm Dicke gelegt. Der Flammtest entsprechend ISO-Norm 8191-1 und -2 zeigt, daß der Schaumstoff nicht zu brennen anfängt, wenn das oben genannte Laminat vorliegt.
Ein sehr viel dünneres Gewebe gleichen Aufbaus mit dem gleichen Flächengewicht verhindert den Durchtritt der Flamme dagegen nicht.

Beispiel 4:

Das Beispiel 3 wird mit den beiden folgenden Fasermischungen wiederholt:

a) 100 g Aramidfaser, 1,7 dtex;
b) 35 % Aramidfaser 1,7 dtex, 65 % flammhemmend ausgerüstete Zellulosefaser, 1,7 dtex.

Beispiel 5:

Ein Faservlies von 35 g/m² aus 100 % teilgraphitierten Polyacrylnitril-Fasern wie in Beispiel 1, mit einem Titer von 1,7 dtex, wird mit Krempel und Querleger abgelegt und anschließend entsprechend den Bedingungen des Beispiels 1 wasserstrahlverfestigt. Auf diesen Vliesstoff werden 50 g/m² einer Copolyamid-Haftmasse mit einem Schmelzbereich von 112°C bis 116°C aufgedruckt, die aber im Gegensatz zu Beispiel 1 kein Flammschutzmittel enthält.
Dieses Material wird mit einem Vliesstoff von 50 g/m² aus 100 % teilverkohlten Polyacrylnitril-Fasern wie in Beispiel 1 in einer Durchlaufpresse laminiert bei 120°C Fixiertemperatur. Die Festigkeit ist in allen Ebenen - Richtungen annähernd gleich; sie beträgt 75 Nm. Der Verbund ist in allen Richtungen gleich weit dehnbar.

Claims

Flammbarriere aus Vliesstoff als Bestandteil eines flächigen Mehrschichtgebildes, wobei der Vliesstoff aus unschmelzbaren Fasern besteht, mit hochenergetischen Wasserstrahlen verfestigt ist und ein Flächengewicht von 40 bis 100 g/m² und eine Dicke von höchstens 1,8 mm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er aus teilgraphitierten Polyacrylnitril-Fasern mit LOI-Wert von mindestens 40 besteht und daß diese Fasern keine Imprägnierung aufweisen.
Flammbarriere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff zusätzlich in Kett-/Schußanordnung verlaufende Verstärkungsfäden eingearbeitet enthält in einer Menge von 12 bis 60 g/m², wobei in Kettrichtung 4 bis 24 Fäden pro Zoll und in Schußrichtung 4 bis 15 Fäden pro Zentimeter eingebettet sind und der so ausgerüstete Vliesstoff eine Mindestfestigkeit von 70 N/5cm aufweist.
Flammbarriere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkenden Kettfäden einen LOI-Wert unter 27 besitzen und aus thermoplastischem Material bestehen.
Flammbarriere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine ihrer Oberflächen mit einer thermoplastischen Haftmasse versehen ist, welche keine flammhemmenden Zusätze enthält.
Flammbarriere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff mit einem Flächengewicht von 30 bis 50 g/m² mit einem zweiten Vliesstoff von 30 bis 50 g/m² doubliert oder laminiert ist, der die Merkmale der Ansprüche 1, 2 oder 3 aufweist, wobei sich die Haftmasse zwischen den beiden Vliesstoffen befindet.