EP4188707A1 - Halbzeug - Google Patents

Halbzeug

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EP4188707A1
EP4188707A1 EP21754961.7A EP21754961A EP4188707A1 EP 4188707 A1 EP4188707 A1 EP 4188707A1 EP 21754961 A EP21754961 A EP 21754961A EP 4188707 A1 EP4188707 A1 EP 4188707A1
Authority
EP
European Patent Office
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semi
finished product
fibers
product according
graphite
Prior art date
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Pending
Application number
EP21754961.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Schubert
Tanja Damjanovic
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SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
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Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
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    • B32B2607/00—Walls, panels

Definitions

  • the present invention relates to a semi-finished product, a fabric comprising the semi-finished product, a component comprising the fabric, and their production and use for the production of a fire protection panel.
  • a fire protection panel is understood within the scope of the invention as a covering element which is shaped as a plate or curved plate and can have a load-bearing function.
  • Intumescent materials are used in previously used fire protection applications.
  • Graphite salts i.e. expandable graphite, are often used for this purpose, which are embedded in composite resin or integrated in mineral fiber fabrics. This is described, for example, in WO2018/094002A1.
  • the object of the present invention is therefore to provide a semi-finished product, a scrim, a component, as well as their production and use for the production of a fire protection panel, which overcomes the above disadvantages of the prior art.
  • Graphite salt is a precursor obtained in the manufacture of expanded graphite.
  • graphite such as natural graphite
  • intercalates such as nitric acid or sulfuric acid.
  • this is heat-treated at an elevated temperature of, for example, 600° C. to 1200° C. (DE10003927A1).
  • the semi-finished product has a layer comprising fibers and matrix.
  • layer is understood to mean the smallest unit of fibers and matrix.
  • the graphite salt is advantageously applied to at least one side of the layer.
  • the advantage of the semi-finished product is that the graphite salt is already integrated, so that the component made from the fiber composite-based semi-finished product does not have to be connected to a separate fire protection layer, since the component can carry loads and at the same time has fire protection properties.
  • the amount of graphite salt is 5-50 g/m 2 ; preferably 15-35 g/m 2 .
  • the protective effect of the semi-finished product is too low when used as a fire protection panel and with more than 50 g/m 2 the amount of graphite salt is too high, so that laminating the individual layers of semi-finished products is no longer possible, or only insufficiently possible.
  • the mechanical properties of the component resulting from the semi-finished product become significantly poorer, since the connection between the individual layers of the semi-finished product becomes poor due to too much graphite salt.
  • the graphite salt By integrating the graphite salt into the semi-finished product, it can be further processed directly and there is no need for a time-consuming intermediate step to introduce the graphite salt.
  • the graphite salt expands, as is known from the production of expanded graphite, and thus provides an insulating barrier against the source of the fire.
  • the expansion can seal joints, corners and leaks, both reducing the oxygen supply to the fire and preventing smoke from passing through the fire protection panel.
  • In the range of 15 - 35 g/m 2 is the ratio of good mechanical properties in the non-fire event and the existing fire protection effect in the event of a fire are particularly advantageous.
  • the fibers are advantageously selected from the group of carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, metal fibers, ceramic fibers, natural fibers and basalt fibers or mixtures of these, preferably carbon fibers.
  • Carbon fibers ensure that very good mechanical properties are achieved and only low thermal expansion in the event of fire and are therefore particularly advantageous for large-scale applications.
  • the fibers are in the form of endless fibers, rovings, woven fabrics or fleece.
  • a fleece is understood as meaning a structure comprising long or endless fibers.
  • the matrix is advantageously selected from the group of duromers, preferably phenolic resins, benzoxazine resins, epoxy resins, particularly preferably epoxy resins or phenolic resins.
  • Another object of the invention is a scrim comprising at least two stacked layers of the semi-finished product.
  • the layers can be stacked in any orientation of the fibers of the individual layers, i.e. any orientation to one another from 0° to 90° can be selected.
  • the sides of the semi-finished product with graphite salt of the at least two stacked layers of the semi-finished product are in relation to one another or on the opposite sides of the layers of the semi-finished product.
  • Another object of the invention is a component comprising the scrim, which is cured. Cured means that the matrix changes to a solid state with chemical crosslinking, but with the graphite salt remaining in the form of the graphite salt.
  • FIG. 2 shows the perspective representation of a fabric (6) made of six layers (1) of fibers (2) and matrix (3), with graphite salt (4) being applied to each layer (1).
  • a semi-finished product can be produced as described below.
  • Example 1 A semi-finished product can be produced as described below.
  • the fabric (6) from exemplary embodiment 2 is then cured for 60 minutes at 120° C. and a pressure of 6 bar in a hot-press process and is thus converted into a final component.
  • the cross-linking of the epoxy resin to form a complete plastic structure takes place without the graphite salt (4) beginning to expand, meaning that its potential insulating and thus fire protection effect does not unfold prematurely.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug, ein Gelege umfassend das Halbzeug, ein Bauteil umfassend das Gelege, sowie deren Herstellung und Verwendung dieser für die Herstellung eines Brandschutzpanels..

Description

HALBZEUG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug, ein Gelege umfassend das Halbzeug, ein Bauteil umfassend das Gelege, sowie deren Herstellung und Verwendung dieser für die Herstellung eines Brandschutzpanels.
Unter einem Brandschutzpanel wird im Rahmen der Erfindung ein Verkleidungsele ment, welches als Platte oder gekrümmte Platte ausgeformt ist und eine tragende Funktion haben kann, verstanden.
In bislang verwendeten Brandschutzanwendungen finden intumeszierende Materialien Einsatz. Hierfür werden oftmals Graphitsalze, also Blähgraphite verwendet, welche in Verbundharz eingebettet oder in mineralischen Fasergewirken eingebunden werden. Dies wird beispielsweise in der W02018/094002A1 beschrieben.
Bei den genannten Brandschutzsystemen, in welchen Graphitsalze verwendet werden, sind diese nicht in einem Trägermaterial integriert. Eine Verwendung des reinen Brandschutzmaterials ist somit also nicht für Anwendungen geeignet, welche einer gewissen mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Folglich muss für eine lastgerechte Bauteilauslegung stets ein zusätzliches Trägermaterial verwendet werden.
Dies birgt weitere Herausforderungen, wie z.B. die Stabilität einer Verklebung zwischen dem Trägermaterial und dem Brandschutzmaterial und das durch diese Kombination dickere Brandschutzsystems, welches weniger flexibel in Bezug auf das Design ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Halbzeugs, eines Geleges, eines Bauteils, sowie deren Herstellung und Verwendung dieser für die Herstellung eines Brandschutzpanels, welches die obigen Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Halbzeugs umfassend Fasern, Matrix und Graphitsalz. Graphitsalz, ist eine Vorstufe, die bei der Herstellung von expandiertem Graphit erhalten wird. Hierzu wird üblicherweise Graphit, wie Naturgraphit, mit Interkalaten, wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwelsäure, vermischt. Um aus dem Graphitsalz expandierten Graphit zu erhalten, wird dieses bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 600 °C bis 1200 °C wärmebehandelt (DE10003927A1).
Erfindungsgemäß weist das Halbzeug eine Lage umfassend Fasern und Matrix auf. Im Rahmen der Erfindung wird unter Lage die kleinste Einheit aus Fasern und Matrix verstanden.
Vorteilhafterweise ist das Graphitsalz auf mindestens einer Seite der Lage aufgebracht ist.
Der Vorteil des Halbzeugs ist, dass das Graphitsalz schon integriert ist, sodass ein Verbinden des aus dem faserverbundbasierten Halbzeug hergestellten Bauteils mit einer separaten Brandschutzschicht vermieden werden kann, da das Bauteil Lasten tragen kann und gleichzeitig Brandschutzeigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß beträgt die Menge an Graphitsalz 5 - 50 g/m2; bevorzugt 15 - 35 g/m2. Bei weniger als 5 g/m2 ist die Schutzwirkung des Halbzeugs bei der Verwendung als Brandschutzpanel zu gering und bei mehr als 50 g/m2 ist die Menge an Graphitsalz zu hoch, so dass ein Laminieren der einzelnen Lagen aus Halbzeugen nicht mehr möglich, bzw. nur noch unzureichend möglich ist. Zudem werden bei mehr als 50 g/m2 die mechanischen Eigenschaften des aus dem Halbzeug resultierenden Bauteils deutlich schlechter, da die Verbindung zwischen den einzelnen Lagen der Halbzeuge durch zu viel Graphitsalz schlecht wird. Durch die Integration des Graphitsalzes in das Halbzeug, kann dieses direkt weiter verarbeitet werden und ein aufwendiger Zwischenschritt zur Einbringung des Graphitsalzes entfällt. Im Brandfall expandiert das Graphitsalz, wie es aus der Herstellung von expandiertem Graphit bekannt ist und sorgt dadurch für eine Isolationsbarriere gegen den Brandherd. Zudem kann die Expansion Fugen, Ecken und Undichtigkeiten abdichten und somit zum einen die Sauerstoffzufuhr zum Feuer reduzieren und zum anderen verhindern, dass Rauch durch das Brandschutzpanel hindurchgelangt. Im Bereich von 15 - 35 g/m2 ist das Verhältnis von guten mechanischen Eigenschaften im Nicht-Brandfall und der vorhandenen Brandschutz wirkung im Brandfall besonders vorteilhaft.
Vorteilhafterweise sind die Fasern aus der Gruppe Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Metallfasern, Keramikfasern, Naturfasern und Basaltfasern oder Mischungen dieser, bevorzugt Carbonfasern ausgewählt.
Carbonfasern bewirken, dass sehr gute mechanische Eigenschaften erreicht werden und nur eine geringe thermische Ausdehnung im Brandfall und somit besonders vorteilhaft für großflächige Applikationen sind.
Erfindungsgemäß liegen die Fasern als Endlosfasern, Rovings, Gewebe oder Vlies vor. Unter einem Vlies wird ein Gebilde umfassend Lang- oder Endlosfasern verstanden.
Vorteilhafterweise ist die Matrix aus der Gruppe der Duromere, bevorzugt Phenolharze, Benzoxazinharze, Epoxidharze, besonders bevorzugt Epoxidharze oder Phenolharze ausgewählt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Gelege umfassend mindestens zwei gestapelte Lagen des Halbzeugs. Die Lagen können in beliebiger Orientierung der Fasern der einzelnen Lagen gestapelt werden, das heißt es können von 0 °- 90° jegliche Orientierungen zueinander gewählt werden.
Erfindungsgemäß liegen beim Gelege die Seiten des Halbzeugs mit Graphitsalz der mindestens zwei gestapelten Lagen des Halbzeugs zueinander oder auf den entgegengesetzten Seiten der Lagen des Halbzeugs.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil umfassend das Gelege, wobei dieses ausgehärtet ist. Ausgehärtet bedeutet, dass die Matrix in einen Feststoffzustand unter chemischer Vernetzung übergeht, wobei aber das Graphitsalz in Form des Graphitsalzes erhalten bleibt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halb zeugs umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Lage Fasern und Matrix b) Bereitstellen von Graphitsalz c) Aufbringen von 5- 50g/m2 Graphitsalz auf die in Schritt a) bereitgestellte Lage, bevorzugt 15 - 35g/m2. d) Aufbringen eines Druckes mittels eines Kalanders von 0,5 - 10 bar, bevorzugt 2 - 6 bar und behandeln mit einer Temperatur von 20 - 120 °C, bevorzugt 20 - 100 °C, besonders bevorzugt 20 - 80 °C.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Halbzeugs für die Herstellung eines Brandschutzpanels.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Geleges für die Herstellung eines Brandschutzpanels.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Bauteils für die Herstellung eines Brandschutzpanels.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 : Perspektivische Darstellung auf ein Halbzeug (5)
Figur 2: Perspektivische Darstellung auf ein Gelege (6)
Figur 3: Perspektivische Darstellung auf ein Gelege (6)
Figur 4: Perspektivische Darstellung auf ein Gelege (6)
Figur 1 zeigt die perspektivische Darstellung auf ein Halbzeug (5), wobei auf der Lage (1) aus Fasern (2) und Matrix (3) Graphitsalz (4) aufgebracht ist.
Figur 2 zeigt die perspektivische Darstellung auf ein Gelege (6) aus sechs Lagen (1) aus Fasern (2) und Matrix (3), wobei auf jeder Lage (1) Graphitsalz (4) aufgebracht ist.
Figur 3 zeigt die perspektivische Darstellung auf ein Gelege (6) aus sechs Lagen (1) aus Fasern (2) und Matrix (3), wobei nur auf der obersten Lage (1) Graphitsalz (4) aufgebracht ist. Figur 4 zeigt die perspektivische Darstellung auf ein Gelege (6) aus zwei Lagen (1 ) aus Fasern (2) und Matrix (3), wobei das Graphitsalz (4) der beiden Lagen übereinander liegt.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele keine Einschränkung der Erfindung darstellen.
Die Herstellung eines Halbzeugs kann wie unten beschrieben erfolgen. Ausführungsbeispiel 1 :
Zur Herstellung des Halbzeugs (5) wird ein Film eines Epoxidharzes als Matrix (3) mit einem Flächengewicht von 100 g/m2 gerakelt, mit 30 g/m2 Graphitsalz (4) bestreut und anschließend mit unidirektional verlaufenden Carbonfasern (2) kaschiert, wobei unidirektional bedeutet, dass alle Fasern in eine einzige Richtung orientiert sind. Die aufgebrachten Carbonfasern sind dabei so angeordnet, dass sie ein Flächengewicht von 150 g/m2 aufweisen. Mittels Walzen/Kalander und Heizzone werden ein mechanischer Druck von 2 bar und eine Temperatureinwirkung von 70 °C auf das Material ausgeübt, wodurch eine Verbindung von Carbonfasern (2), Epoxidharz (3) und Graphitsalz (4) entsteht. Dieses vorimprägnierte Halbzeug wird mit Trennpapier versehen und auf eine Rolle gewickelt und dient für die spätere Herstellung des Verkleidungselements als Ausgangsmaterial.
Ausführungsbeispiel 2:
Zur Herstellung des Geleges (6) werden 8 Lagen des Halbzeugs (5) aus Ausführungsbeispiel 1 zurechtgeschnitten und als quasi-isotroper Aufbau (0°, 45°, 90°, -45°, -45°, 90°, 45°, 0°) übereinandergelegt, wobei quasi-isotrop bedeutet, dass in alle Richtungen innerhalb der Ebene annähernd die gleichen mechanischen Eigenschaften für das Gelege (6), also die Gesamtheit aller Lagen aus Fasern (2) und Matrix (3), entstehen. Ausführungsbeispiel 3:
Das Gelege (6) aus Ausführungsbeispiel 2 wird anschließend für 60 min bei 120°C und einem Druck von 6 bar in einem Heißpress-Prozess ausgehärtet und damit in ein finales Bauteil überführt. Dabei findet die Quervernetzung des Epoxidharzes zu einer vollständigen Kunststoffstruktur statt, ohne dass das Graphitsalz (4) beginnt zu expandieren, somit also seine potentielle Isolations- und damit Brandschutzwirkung nicht vorzeitig entfaltet. Bezugszeichenliste
(1) Lage
(2) Faser
(3) Matrix
(4) Graphitsalz (5) Halbzeug
(6) Gelege
(7) Bauteil

Claims

Patentansprüche
1. Halbzeug umfassend Fasern, Matrix und Graphitsalz.
2. Halbzeug nach Anspruch 1, wobei das Halbzeug eine Lage umfassend Fasern und Matrix aufweist.
3. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Graphitsalz auf mindestens einer Seite der Lage aufgebracht ist.
4. Halbzeug nach Anspruch 1 , wobei die Menge an Graphitsalz 5- 50g/m2 beträgt.
5. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fasern aus der Gruppe Carbon fasern, Glasfasern, Aramidfasern, Metallfasern, Keramikfasern, Naturfasern und Basaltfasern oder Mischungen dieser ausgewählt sind.
6. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fasern als Endlosfasern, Rovings, Gewebe oder Vlies vorliegen.
7. Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Matrix aus der Gruppe der Duromere ausgewählt ist.
8. Gelege umfassend mindestens zwei gestapelte Lagen des Halbzeugs gemäß Anspruch 1.
9. Gelege nach Anspruch 8, wobei die jeweilige Schicht Graphitsalz der mindestens zwei gestapelten Lagen des Halbzeugs gemäß Anspruch 1, übereinander oder auf den entgegengesetzten Seiten der Lagen des Halbzeugs liegen.
10. Bauteil umfassend das Gelege gemäß Anspruch 8, wobei das Gelege ausgehärtet ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs gemäß Anspruch 1 umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Lage Fasern und Matrix b) Bereitstellen von Graphitsalz c) Aufbringen von 5- 50g/m2 Graphitsalz auf die in Schritt a) bereitgestellte Lage. d) Aufbringen eines Druckes mittels eines Kalanders von 0,5- 10 bar, bevorzugt 2 - 6 bar auf und behandeln mit einer Temperatur von 20 - 120°C, bevorzugt 20 - 100 °C, besonders bevorzugt 20 - 80 °C .
12. Verwendung des Halbzeugs gemäß Anspruch 1 für die Herstellung eines Brandschutzpanels.
13. Verwendung des Geleges gemäß Anspruch 8 für die Herstellung eines Brandschutzpanels.
14. Verwendung des Bauteils gemäß Anspruch 10 für die Herstellung eines Brandschutzpanels.
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