JP2007500670A - 高耐火性無機発泡体 - Google Patents
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Abstract
本発明は、極めて防火性の高い無機発泡プラスチック体、前記体を製作するための方法および前記体の使用に関する。
【選択図】 図4
【選択図】 図4
Description
本発明は、高耐火性無機発泡体、その調製方法および該発泡体の使用に関する。
2001年9月11日のニューヨークの事件ほど、文明化されたこの世界を震撼させた事件はない。遅くともこのときまでに、超高層ビルを使用している人々が一切の防護なしに大火災の危険にさらされていることが認識された。
世界貿易センターの2つのタワーはともに、1980年代の終わり頃に鋼プロファイル(steel profile)から建設された。鋼が、750から800℃の温度範囲でその本来の強度を失い崩壊することはほとんど知られていない。航空機からいくつかの階にまき散らされたケロシンによって、炎の温度は高まった。鋼プロファイルはこの温度に耐えられなかった。
DE 39 23 284 C2は、2100℃から溶接トーチの火炎温度までの温度範囲で何時間もその体積を証明可能に保持する断熱材を初めて記述した。この特性が、かさ密度50から400kg/m3の鉱物組成物、石英粉末とケイ酸ナトリウムによって達成されたものであることは疑いない。その低い熱伝導率は空気セル(air cell)の存在による。しかし、多数の空気セル、およびもろい鉱物材料でできたそれらの非常に繊細な壁にもかかわらず、例えば周縁領域の十分な耐摩耗性を達成するために、本発明の生成物を用いて適当な手段を達成することができる。
室温でアルミニウム塩の水溶液に水酸化アンモニウムを注いだ場合、ゼリー状の非晶質アルミナのヒドロゲルが沈殿し、それは徐々に、結晶性のメタ水酸化アルミニウムAlO(OH)に変化する。
最初に形成されるゼリー状の沈殿物は、一部は吸収され、一部は化学的に結合した異なる量の水を含む。このような沈殿物から、化学量論的に明確に定義された水酸化物が徐々に形成する。過去には、形成されるこの「酸化アルミニウム水和物」(工業の文脈ではいまだにアルミナ水和物と呼ばれている)は組成Al2O3・H2OまたはAl2O3・3H2Oを有すると考えられ、したがって酸化物の水和物であった。しかし、研究によってこの沈殿物が真の水酸化物であることが示された。Rompp Chemielexikon,version 2.0,Stuttgart/New York:Georg Thieme Verlag,1999から、微細に分散させた形態のAl(OH)3を難燃剤として使用することが知られている。
高耐火性発泡体が満たすべき要件は次のようにまとめることができる。
1.絶対的な不燃性
2.十分な機械強度
3.炎の温度がその側へ伝わるときに少なくとも600℃の温度から鋼を保護すると推定されるできるだけ高い断熱効果
1.絶対的な不燃性
2.十分な機械強度
3.炎の温度がその側へ伝わるときに少なくとも600℃の温度から鋼を保護すると推定されるできるだけ高い断熱効果
この分野では、人工樹脂発泡体、ガラス繊維、鉱物繊維などの例えば建設工学用の断熱材が知られている。
これらの断熱材は、例えば−30℃の低温を建築物から遠ざけ、または+40℃の熱帯の温度にも室温を保つと考えられている。人工樹脂発泡体は100℃を超えると早くも鮮やかに燃え、煙および有毒ガスを発するが、それでも断熱材であることに変わりはない。
古典的な断熱材である鉱物繊維でさえ、長期的には1000℃超の火炎温度に耐えることができない。
DE 199 09 077 A1は、高耐火性無機発泡体、その調製方法およびこの発泡体の使用に関する。
本発明の目的は、このような範囲の温度から数時間、例えば4から6時間、高い信頼度で保護することができる新規の発泡体、特に防火材を開発することにある。
本発明の他の目的は、火災の場合にエレベータ(lift)、特に人用エレベータを連続的に何時間も使用する追加の課題を解決することにある。
第1の実施形態では、本発明が、開放セル構造を少なくとも部分的に有し、加熱によって発泡、硬化する混合物からなり、この混合物が、アルカリ水ガラスおよび水酸化アルミニウム、ならびに酸化アルミニウム、酸化ケイ素、アルミナセメント、粉末石(powered stone)およびこれらの混合物からなるグループから選択された1種または数種の充填材からなり、200から900kg/m3の範囲のかさ密度を有する高耐火性無機発泡体に関する。
これに関して、「冷却」は熱エネルギーの吸収を意味する。例えば、厚さ15mmの石膏板1m2は、3リットルの結晶水を含むと考えられる。この量の水を蒸発させることは、約8400kJすなわち約2000kcalのエネルギーを吸収することであると考えられる。
通常、石膏は2.1W/mKの熱伝導率を有する。蒸発はこの材料内の熱の流れを相当に低減させる。
図1、このような緻密な石膏板の試験(DIN4102に基づくKleinbrandschacht試験)に示すように、約100℃での熱のブレークスルー(breakthrough)は約20分遅れることが分かり、曲線bは、DIN4102に基づく「ETK」と呼ばれる標準温度曲線の推移である。
石膏板業界の見解によれば、この冷却効果は、化学的に結合した結晶水分子の蒸発に基づく。
しかし、曲線aはさらに、この冷却効果から20分後、曲線は急上昇し、約60分後、裏面の温度は約400℃となり、すなわち限界値140℃をはるかに超えることを示している。このような板はF30と評価される。
小さな火炎炉内でのDINに基づくこのような試験の結果は、化学的に結合した水分子を含み、特に水ガラスに対する無機粉末として水酸化アルミニウムを含む本発明に基づく発泡体では全く異なる。図2の曲線Aは、厚さ90mmのこのような発泡体片での推移を示す。300分すなわち5時間後、裏面の温度は116℃にしかならない。しかし、厚さ70mmの同じ発泡体の板は、燃焼200分後に裏面が限界温度142℃に達する。驚くべきことに、この後、裏面の温度は連続的に下がり、これは冷却効果の大きな成功である。
したがって、本発明に基づく発泡断熱材の最適な厚さは80mmであり、予想される結果は、250分後にピーク温度130℃に達し、次いで連続的に低下するというものであり、これは、本発明に基づく材料の最も印象的な特性でもある。
プロパンガス炎を用いた別の複数の試験では、その結果が、200kg/m3から900kg/m3のかさ密度に対して非常によく似ていることが分かった。
驚くべきことに、本発明に基づく上記の鉱物発泡断熱材にはさらに、遊離の水分子ならびに化学的に結合した等量の水分子が存在することが分かった。遊離の水分子は室温で蒸発し、例えば100℃から200℃の温度ではDE 39 23 284 C2のようにより高い速度で蒸発する。以前の経験によれば、本発明に基づく冷却効果は結晶水分子が蒸発するときに得られ、すなわち約500℃から700℃の範囲でしか得られない。
この驚くほどに有利な結果は、ケイ酸ナトリウムの結晶水の冷却効果によるだけでなく、水酸化アルミニウムの冷却効果およびこの鉱物の水酸化物部分の蒸発による冷却効果によるものでもある。
DE 39 23 284 C2からの進歩は、本発明によって、高い火炎温度での結晶水の蒸発による冷却効果を認識し、合理的に使用したこと、および、水酸化アルミニウムを使用して水分子の蒸発効果を高める第2のステップにある。
このような発泡体の使用、特に例えば超高層ビルの建設における防火材としての使用の実際では、室内の鋼製支持物をこれらの材料でライニングするときに、これらのライニング材およびコーティング材が、例えば、申し分のない外観、高い耐衝撃性および/または耐引っかき性を含む最低限の要件を満たさなければならない。
ドイツでは、DIN規格4102がさらに、機械強度に関する重要な要求を課している。すなわち、防火ライニングは、2バールのウォータジェットの圧力に1分間耐えるものでなければならない(6.2.10項)。
DE 39 23 284 C2にある程度詳細に述べられている、引張強度の増強を含む周縁領域の緻密化は、本発明によればさらに、重要な機能を有する。それは、内側が軽量で外側が最も硬い人間または動物の骨と同様のバイオニクスの発想である。
不燃性断熱材のこのようなバイオニクス設計は、空気セルを全く持たない、引張強度の増強がないという2つの因子のため、ケイ酸カルシウム、石膏板などの他の不燃材では不可能である。時おり使用される膨張性化学物質(intumesent chemicals)は機械的な表面硬さも持たない。
鋼および鉄筋コンクリート構造物のライニングの防火材としての要件は全て、説明した材料の革新的開発によって満たされる。
本発明に基づく防火材は全て、ケイ酸ナトリウム/ケイ酸カリウムを結合剤として含む。鋼および鉄筋コンクリートライニングに対して実際に使用されるとき、これらの結合剤は相当な利益をもたらす。これらのケイ酸塩溶液は唯一の無機耐火性接着剤である。したがって、例えば鋼表面へのそれらの適用は、取り扱いが特に単純かつ効率的である。鋼側は、鉱物粉末(水酸化アルミニウム)とケイ酸ナトリウムの混合物のコーティングを受け取り、同様に、挿入される本発明の防火板の表面もそれを受け取る。例えば鋼板天井の下に適用するとこのようにしてすぐに接着し、これを支持する必要はない。
本発明に基づく発泡体、例えば防火板は同時に、空気伝搬音の優れた吸収を有する。存在する空気伝搬音波の効率的な吸収はすでに鉱物の開放セル構造の結果である。この効果は、図3に示すように例えば、耐火性多孔板によって、または表面を機械加工して小さな角錐を形成することによって達成することができる。
窓とは対照的に、ドアおよび防火ドアの寸法は標準化することができる。
図4には、汎用の不燃性、高耐火性の内および外ドアの構造が記載されている。しかし、本発明に基づく発泡材は、火災の場合に冷却効果を有するだけでなく、さらに、湿った部屋に関して完全に防水性および防水蒸気性であり、耐衝撃および耐引っかき性を有し、両面に古びた趣があり(venerable)、うわぐすりを塗ることができ(glazable)、防弾である。
緻密なドアリーフ1は、曲げにおける引張強度を提供する補強材2を含む本発明に基づく発泡材からなる。フレーム3はドアリーフ1と同じ特性を有する(その火に対するふるまい、熱伝導率などのため、これは、主にこれに使用される鋼プロファイルよりも有利である)。れんが4およびインテリアプラスター5も示されている。
鋼板でできたドアに代わる本発明に基づく防火ドアの特別な構造が図5に示されている。本発明に基づく発泡体でできた2枚の薄い内側鉱物板3a、3bが冷却を提供する。水分子が鉱物繊維の領域に侵入し、蒸発の際にこれらの繊維領域の冷却によってさらに熱エネルギーを吸収する、熱の通過を防ぐ高効率の効果が見られる。
冷却効果を有する本発明に基づく外側成形複合板1a、1bが、角錐形の枠板7(1から1.5mm)に溶接されている。鉱物繊維板6a、6bはそれぞれ、本発明に基づく発泡体の2つの層間に提供される。参照符号4、5および6は図6と同じ意味を有する。防火ライニングの製造、特に室内の鋼および鉄筋コンクリート支持物の防火は本発明の特に重要な分野である。特に、この場合、これらのライニングの表面は、2バールで表面をたたく消火用ウォータジェットの圧力に耐えるために、機械的に強くなければならない。
適用例は、本発明に基づく防火材を有する鋼天井および鋼プロファイルが、それらの厚さに応じて、1050から1200℃の温度に4から6時間耐えることを示しており、これは、溶接トーチの温度、2100℃までの温度に耐えることができ、同時に重要な冷却効果を示すためである。
いずれにしても、本発明に基づく防火断熱材の使用および建設設計によって、これらの建設設計および他の建設設計において最高の安全レベルが到達される。本発明によれば、本発明に基づく防火材の使用および通常の壁厚でのそれらの適当な使用によって、超高層ビルの建設および再建における高い安全レベルが可能である。
全ての高層ビル、超高層ビルまたは類似の建造物は、階段吹抜け、特に火災の場合に人が屋外へ出るための非常用階段吹抜けを有する。
しかし、たとえ高層ビルがいくつかの非常用階段吹抜けを有するとしても、それぞれの人が例えば階段で100階分を下ることができ、さらに、これらの数千人の人々が、階段吹抜けの中で歩くための十分な空間を見つけ出すことができると考えるのは不合理に思える。
したがって、最も重要な問題は、火災の場合にエレベータ、特に人用エレベータを時間の制限なしに使用できないことにある。
エレベータは常にエレベータシャフト(lift shaft)の範囲内を移動し、とりわけ弱電流線(weak−currnt line)がこのシャフトに収容されているため、火災の場合、シャフト内の温度は60℃を超えてはならない。その結果として、内部が60℃を超えないような方法で全階を貫くシャフト全体を断熱材でコーティングしなければならない。
エレベータシャフトの全面を高耐火性断熱材で覆うコーティングは、本発明に基づく発泡材によって非常に信頼できる方法で達成される。これは現在、世界中の他のいかなる断熱材でも不可能である。
火災の場合でもエレベータを常に使用する目的の最大の障害は、エレベータシャフトに入るためにスライドドアとして常に開かれる全階のドアである。実際には、これらのスライドドアは鋼板およびステンレス鋼板から作られる。現在、鋼は、合金に応じて45から70W/mKの好ましくない熱伝導率を有する。このことは、火災が始まったときに、スライドドアが、ドアの裏面に火災の熱を比較的に急速に伝えることを意味する。この金属板構造物の内部が高層ビルの防火ドアと同様に鉱物繊維などの断熱材で満たされている場合でも、この物理効果は変化しない。
さらに、1つの階が燃えるとき、主に燃えているプラスチック材料から煙道ガスおよび有毒ガスがすぐに発生する。とはいえスライドドアは動かし続けなければならない。すなわち、エレベータシャフトに対して煙密(smoke−tight)および気密のシールを形成するために、スライドドアを閉じることはできない。さらに、それぞれのエレベータケージ(lift cage)は、上下に移動するときに、シャフト内に強い減圧を生み出す。したがって煙はより強力に吸い込まれると考えられる。その結果、火災の場合に、容易に動かすことができるスライドドアのこのような構造を密封して、煙密とすることは不可能である。
階およびエレベータケージの高耐火性密閉ドアの考えられ得る構造が図6に示されている。本発明に基づく複合材料は、厚さ18mmの図示のフレームの試験で例えばF120の値を与えた。
冷却効果を有する本発明に基づく鉱物複合材1は、引張補強材2を含む。この複合材のフレーム上には、ケイ酸ナトリウムを用いてステンレス鋼板8が溶接されている。
図6に示した提案は以下の利点を有する:
(1)熱伝導率1.2W/mKの複合材を鋼フレームの代わりに使用することによって、火炎温度は非常に遅れて裏面へ伝わる。
(2)冷却効果すなわち値F120を有する鉱物発泡断熱材を鉱物繊維の代わりに使用することによって、熱放射の通過はほぼ完全に抑えられる。
(1)熱伝導率1.2W/mKの複合材を鋼フレームの代わりに使用することによって、火炎温度は非常に遅れて裏面へ伝わる。
(2)冷却効果すなわち値F120を有する鉱物発泡断熱材を鉱物繊維の代わりに使用することによって、熱放射の通過はほぼ完全に抑えられる。
しかし、これらのスライドドアでは空隙を排除することはほぼ不可能である。その幅は約2mmにはなる。
エレベータの製造業者は通常、このようなドアの表面として、少なくともこのようなドアが人と接触するところは鋼またはステンレス鋼板を使用しなければならないという意見である。
本発明によれば、この熱および煙道ガスの問題に対する新しい解答が図7に示すように提示される。階火災の場合、熱および/または煙センサによって、本発明に基づく断熱材から作られたドアのような形の物体の下降が誘導される。図7に示すように、本発明に基づくこの構造および材料によって両方の課題、すなわち長時間にわたる熱の通過の完全な阻止、およびこの防火断熱体の全ての周縁領域での垂直および水平方向の煙道ガスに対する完全な密閉が最適に解決されている。
図7は、本発明に基づくエレベータを示す。通常の鋼製エレベータケージ9が、鋼または鉄筋コンクリート性の通常の未加工の構造物10の中に提供されている。本発明に基づく不燃性断熱材を用いたこの構造壁のライニングは、火災の場合に、貫通するエレベータシャフトの内部の温度が、数時間後でも50から60℃の温度を超えないことを保証する。エレベータケージの内側スライドドア11、11a、11bおよび11cはエレベータシャフトを内部から限定し、階側のスライドドア12、12a、12bおよび12cは、建築物に対してシャフトを密閉する。
本発明に基づく防火シールは、本発明に基づく高耐火性無機発泡体によって形成される。この防火シールは火災の場合に任意選択でセンサによって調整される。側方の煙密ポート14、14aは任意選択で、薄い鋼板によって機械ガイド15、15aに対して押しつけられる。
これによる進歩は、第1に、常に柔軟に使用されるスライドドアとは対照的に、熱、煙および全てのガスに対するこの安全構造が、火災の場合だけに自動的に使用され、したがって最大の安全を提供し、第2に、例えば冷却効果による最適な防火効果を達成する防火断熱材が、この発明の構造に対しても同時に開発されたことにある。第3に、この構造上の発想は、既存の超高層ビルにおいて、エレベータの毎日の運転を乱すことなくいつでも実現できるという利点がある。先に述べた理由のため、現存するドアをこの他の煙密構造によって置き換えることはどうしても実現できなかった。
図8は、前述の構造上の発想の変形を示す。
エレベータシャフトの天井の未加工の構造物10は、耐熱/耐炎ライニング6によって十分に断熱されている。煙および/または温度センサによって誘導されて、炎密(fire−tight)/気密密閉体1、1a、1bが降ろされ、その適当な重量によって16aおよび16bのところが煙から完全に密閉される。手で扱える物体を挿入するためのすき間状の開口17は、例えば消防士がホースを火災源に近づけたい場合に、この密閉体を上へ押し上げることができることを保証する。
火災の発生後、消火のためできるだけ早く火災源に近づくことが消防士の任務なので、本発明に基づくこの提案は特に重要である。階段吹抜けを通してホースを上層へ運ぶことはほとんど受け入れがたい。したがって、低温の耐火性エレベータシャフトに揚水管を通して、これをそれぞれの階の短いホースに接続することが提案される。
したがって、火災の場合に、消防士は、超高層ビルに入った後の非常に短い時間の内に、局所的な火災源をウォータジェットで首尾よく消火することができる。
高層ビルおよび超高層ビルでは、ほとんどの人用エレベータが終わるエントランスホールは4.0mを超える室高を有する。ここでは、火災の熱および煙道ガスに対して本発明に基づく成形体をワンピース設計で提供することができるが、3.10m未満の室高に対してはこのような多段設計を提供することができる。
高層ビル、特にオフィスとして使用される高層ビルの、階段またはエレベータへ至る避難経路である廊下に出るための内ドアは木材から作られる。
現在、セルロースは150℃を超えるとはやくも燃えることが知られており、DIN4102によれば、室内火災の1分後にはすでにこの温度を超える。
したがって、廊下に至るドアはすぐに燃えだし、避難経路には煙が漂う。この部屋が非常用階段吹抜けに近い場合、別の部屋から避難したい人は、避難廊下の煙の領域によって妨げられまたは有毒な煙によって害される。
したがって、少なくとも新しく建設された超高層ビルに対しては、このようなドアを、不燃性として設計するだけでなく、F30からF60の高耐火性として設計することが提案される。少なくともこのようなドアのドアリーフが標準寸法で作られる場合、これは、エコロジーの面から適当なだけではなく、さらに経済面からも実現することもできる。
炎は上方へ飛び火するので、本発明に基づくこの発想によって、火災の場合の室内の第2の弱点、窓構造物も同じ方法で確実に保護することができる。本発明に基づく発泡体でできた防火カーテンが降ろされた後は、火災が局限されるだけでなく、特に危険なより上層のフロアへの火災の伝搬も確実かつ効率的に防止される。
この高耐火性材料の開発によって、特にこれらの材料に関連した冷却効果によって、高層ビルおよび超高層ビルの中の全ての人の最大の安全レベルが達成されることは確実である。
本発明の他の好ましい実施形態では、発泡体が、水酸化アルミニウムを60から80重量%含み、粉末寸法の混合組成物(多様な粒度分布)を有することを特徴とする。
これよりも少ない水酸化アルミニウム粉末の量を選択した場合には、鉱物混合物の圧縮強度が低下する。逆に、水酸化アルミニウムの量をあまりに多く選択した場合には、鉱物混合物の固有の接着剤である水ガラスが不足する。
本発明の他の実施形態は、アルカリ水ガラスと、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、アルミナセメント、粉末石およびこれらの混合物からなるグループから選択された任意選択の充填材との混合物であって、さらに水酸化アルミニウムを含む混合物に、発泡剤を追加し、これを200から300℃の範囲の温度で加熱することによる前述の発泡体の調製方法からなる。
本発明の趣旨の範囲内で、発泡剤としてアゾジカルボンアミドを使用することは特に好ましい。
本発明の他の実施形態は、土木工学および建設工学における耐火性建築物要素の調製に対する前述の発泡体の使用からなる。
本発明の趣旨の範囲内で、エレベータシャフトまたはエレベータドアの炎密および煙密密閉に対して、本発明に基づく発泡体を使用することは特に好ましい。同様に、防火ドア、防火ライニング、データ保護庫および室、フロッピーディスクインサート、アタッチメント、防火シール、ケーブルおよび管の末端シール、煙抽出フラップ、火災カーテンなどを製作し、使用することもできる。
Claims (6)
- 開放セル構造を少なくとも部分的に有する混合物であり、加熱によって発泡、硬化する前記混合物からなる高耐火性無機発泡体であって、
前記混合物が、アルカリ水ガラスおよび水酸化アルミニウム、ならびに酸化アルミニウム、酸化ケイ素、アルミナセメント、粉末石およびこれらの混合物からなるグループから選択された1種または数種の充填材からなり、200〜900kg/m3の範囲のかさ密度を有する高耐火性無機発泡体。 - 水酸化アルミニウムを60から80重量%含むことを特徴とする、請求項1に記載の発泡体。
- アルカリ水ガラスと、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、アルミナセメント、粉末石およびこれらの混合物からなるグループから選択された任意選択の充填材との混合物であって、さらに水酸化アルミニウムを含む混合物に、発泡剤を追加し、全てを200から300℃の範囲の温度で加熱する、請求項1または2に記載の発泡体の調製方法。
- 前記発泡剤としてアゾジカルボンアミドを使用することを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 土木工学および建設工学における耐火性建築物要素の調製に対する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発泡体の使用。
- 防火ドアおよび防火ライニング、特にエレベータシャフトおよびエレベータドアの防火ドアおよび防火ライニングの調製に対する、請求項5に記載の使用。
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