NO168051B

NO168051B - FOAM MATERIAL AND USE OF THIS.

Info

Publication number: NO168051B
Application number: NO892961A
Authority: NO
Inventors: Clas Tore Jacobsen
Original assignee: Jacobsen Clas T
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1991-09-30
Also published as: NO892961D0; NO168051C; NO892961L

Abstract

Et skummateriale som er basert på. herdeplast, f.eks. av epoksy-, polyester-eller akrylattypen samt skumme- og herde-midler, er tilsatt et fyllmiddel som er basert på uorganiske stoffer, og som utgjer mellom ca. 40 og 9 5 vektprosent av skummaterialet. Fyllmiddelet inneholder fordelaktig i hvert fall aluminiumforbindelser, silisiumforbindelser, evnetuelt også kalsiumforbindelser samt en tilsats av alkalimetallbestanddeler. Skummaterialet anvendes som beskyttelsesmateriale mot brann og mot flammepåvirkning og/eller mekanisk bærende element og kan anvendes som andel i plastkonstruksjonsmaterialer eller som rent konstruksjonsmateriale.A foam material that is based on. thermosetting plastics, e.g. of the epoxy, polyester or acrylate type as well as foaming and curing agents, a filler is added which is based on inorganic substances, and which amounts to between approx. 40 and 9 5% by weight of the foam material. The filler advantageously contains at least aluminum compounds, silicon compounds, possibly also calcium compounds and an addition of alkali metal constituents. The foam material is used as a protective material against fire and against flame exposure and / or mechanical load-bearing element and can be used as a proportion in plastic construction materials or as a pure construction material.

Description

Oppfinnelsen vedrører et skummateriale omfattende herdeplast, f.eks. av epoksy-, polyester- eller akrylattypen som basisstoff, skumme- og eventuelt herdemiddel, samt fyllmiddel som utgjor mellom 40 og 95 vektprosent av materialet og er dannet av uorganiske stoffer inneholdende aluminiumforbindelser, silisiumforbindelser, eventuelt også kalsiumforbindelser, samt en tilsats av alkalimetallforbindelser. Oppfinnelsen vedrører også anvendelsen av et slikt materiale. The invention relates to a foam material comprising thermosetting plastic, e.g. of the epoxy, polyester or acrylate type as base material, foaming agent and possibly curing agent, as well as filler which makes up between 40 and 95 percent by weight of the material and is formed from inorganic substances containing aluminum compounds, silicon compounds, possibly also calcium compounds, as well as an addition of alkali metal compounds. The invention also relates to the use of such a material.

Oppskummede plastmaterialer benyttes i dag over et meget stort område idet skummaterialene er tilpasset de forskjellige bruksområder. I utgangspunktet består disse materialer av en til bruksformålet ønsket plast som er oppskumbar og ved hjelp av et skummemiddel er skummet til egnet kvalitet og herdet, f.eks. ved hjelp av et egnet herdemiddel. De fleste slike skummaterialer er imidlertid følsomme for sterk varme- eller flammepåvirkning og vil desintegrere ved slik påvirkning, ofte også under avgivelse av giftige gasser. Gassavgivelse er et problem ikke bare ved varme/brann-påvirkning, men svært ofte også under produksjonen. Det har vært gjort forsøk på å fremstille mer brannsikre skumplaster. Således har det vært fremstilt skummede, tverrbundede polyvinylkloridstoffer, som riktignok tåler en viss brannpåvirkning, men bare i begrenset omfang. Ulempen ved bruken av polyvinylklorider er at de under varmepåvirkning vil avgi ubehagelige gasser. Videre har det vært fremstilt skumplaststoffer på fenolbasis, som brannteknisk må sies å ha gode egenskaper, men hvor man igjen finner problemene med gassavgivning, slik at slike skummede fenol-plaster må anses som miljømessig dårlige. Videre har disse skumstoffer en slik sammensetning at de konstruksjonsmessig er vanskelige å håndtere og bearbeide. Plast på epoksybasis må anses som et konstruksjonsmessig betydelig bedre materiale, men er ikke vanlig brukt i oppskummet form. Denne plasttype har i Foamed plastic materials are used today over a very large area as the foam materials are adapted to the different areas of use. Basically, these materials consist of a plastic required for the purpose of use which can be foamed and with the help of a foaming agent, the foam is foamed to a suitable quality and hardened, e.g. using a suitable curing agent. However, most such foam materials are sensitive to strong heat or flame exposure and will disintegrate upon such exposure, often also emitting toxic gases. Gas release is a problem not only when exposed to heat/fire, but very often also during production. Attempts have been made to produce more fireproof foam plastics. Thus, foamed, cross-linked polyvinyl chloride substances have been produced, which admittedly withstand a certain degree of fire, but only to a limited extent. The disadvantage of using polyvinyl chlorides is that they emit unpleasant gases when exposed to heat. Furthermore, phenol-based foam plastics have been produced, which in terms of fire safety must be said to have good properties, but where one finds the problems with gas release, so that such foamed phenol plastics must be considered environmentally bad. Furthermore, these foams have such a composition that they are structurally difficult to handle and process. Epoxy-based plastic must be considered a significantly better material in terms of construction, but is not usually used in foamed form. This type of plastic has i

seg selv heller ingen flamme- eller brannresistente egenskaper. itself also no flame or fire resistant properties.

Foreliggende oppfinnelse har derfor til hensikt å tilveiebringe et skummateriale som er gitt slike egenskaper at materialet vil kunne benyttes som beskyttelse mot brann og flammepåvirkning, samtidig som det er av en slik art at det kan benyttes som et konstruksjonsmateriale, dvs. som et element i et laminat eller kompositt, som fyllstoff i hulrom osv. Materialet skal med andre ord ha tilstrekkelig egenstivhet, slik at det ikke synker sammen og ha en fasthet som gjør at det kan brukes som et mekanisk bærende materiale. Oppnåelsen av materialer med egnet mekanisk styrke er av stor betydning for fremskaffelsen av konstruksjonsmaterialer på plastbasis, hvor materialene i seg selv utgjør de bærende elementer. Ved oppfinnelsen skal det ved egnet valg av plasttype kunne oppnås den ønskede tilpasning av konstruksjonsstyrke i kombinasjon med brann/flamme-beskyttel-sen. Ved påvirkning av høye temperaturer skal materialets volum ikke endres i nevneverdig grad.. The present invention therefore aims to provide a foam material which has been given such properties that the material can be used as protection against fire and flame influence, while at the same time being of such a nature that it can be used as a construction material, i.e. as an element in a laminate or composite, as a filler in cavities, etc. In other words, the material must have sufficient inherent stiffness, so that it does not collapse and have a firmness that enables it to be used as a mechanical load-bearing material. The achievement of materials with suitable mechanical strength is of great importance for the procurement of plastic-based construction materials, where the materials themselves form the load-bearing elements. With the invention, the desired adaptation of construction strength in combination with fire/flame protection should be achieved by suitable choice of plastic type. When exposed to high temperatures, the volume of the material must not change to any significant extent.

Disse hensikter oppnås ved et skummateriale av den innled-ningsvis nevnte art, som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene. Oppfinnelsen omfatter også anvendelsen av et slikt materiale som beskyttelsesmateriale mot brann og flammepåvirkning og spesielt som beskyttelseslag, såsom indre lag i en plastkompositt eller i et laminat, f.eks. for plastbåtskrog eller i flykonstruksjoner. Videre omfatter oppfinnelsen anvendelsen av materialet som fylling av f.eks. hulrom i vegger, dører, konstruksjonselementer i bygninger, fartøyer, i skap såsom brannsikre skap osv. Uttrykket herdeplast skal omfatte alle plasttyper som under egnede betingelser, f.eks. oppvarming, og om nødvendig med tilsetning av en herder og eventuelt en katalysator eller ved bestråling, undergår eller har undergått en kjemisk herding frem til det nye produkt. Epoksy-, polyester- og akrylatplaster er mest aktuelt i dag. These purposes are achieved by a foam material of the type mentioned at the outset, which is characterized by what appears in the requirements. The invention also encompasses the use of such a material as a protective material against fire and flame exposure and in particular as a protective layer, such as an inner layer in a plastic composite or in a laminate, e.g. for plastic boat hulls or in aircraft structures. Furthermore, the invention includes the use of the material as a filling of e.g. cavities in walls, doors, structural elements in buildings, vessels, in cupboards such as fire-proof cupboards etc. The term thermosetting plastic shall include all types of plastic which under suitable conditions, e.g. heating, and if necessary with the addition of a hardener and possibly a catalyst or by irradiation, undergoes or has undergone a chemical hardening until the new product. Epoxy, polyester and acrylate plasters are most relevant today.

Ved skummaterialet anvendes fordelaktig en størst mulig andel av uorganisk fyllmiddel, dvs. den størst mulige andel som kan kombineres med de nødvendige og ønskede styrke- og fasthets-egenskaper for det benyttede basismateriale. I henhold til oppfinnelsen er det i fyllemiddelet også tilsatt aluminium, silisiumforbindelser, alkalimetaller og eventuelt også kalsium i de angitte forholdsmengder. Aluminium, silikater og eventuelt kalsium er balansert mot hverandre, slik at de ved høytempe-raturpåvirkning, dvs. ved brann eller flammepåvirkning i det utbrente produkt sammen med oksygen vil danne binære og tertiære metalloksider. Aluminium benyttes fordelaktig som hydrat. Andre metallforbindelser kan eventuelt også tilsettes i tillegg. Aluminiumande1 en forholder seg til eventuelt kalsium-andelen i et forhold som ligger mellom 1:1 og 2:1. Aluminium-mengden forholder seg til silisiuminnholdet i et forhold mellom 1:1 og 1:0. Alkalimetallene er av stor betydning med hensyn til å gi basismaterialet eller skummaterialet mekanisk styrke i overgangen mellom de polymere stoffer og de uorganiske stoffer. Imidlertid må det påses at mengden ikke blir for stor, da dette vil føre til en svekning av de brannbeskyttende stoffer av keramisk art som blir dannet ved høytemperaturpåvirkningen. En egnet alkaliinnholdsmengde vil være mellom 5 og 15 vektprosent av glasskomponenten i fyllmiddelet. Regnet på basis av fyllmiddelmengden blir de relative mengder 50% Al-hydrat, 0-40% CaCO., og 10-50% si 1isiumforbindelse. Med si 1 isiumforhinde 1 sen skal det forstås generelt silikater, men fortrinnsvis i glass-form og foreliggende som partikler, flak, hule eller massive kuler, kutt osv. For the foam material, the largest possible proportion of inorganic filler is advantageously used, i.e. the largest possible proportion that can be combined with the necessary and desired strength and firmness properties for the base material used. According to the invention, aluminium, silicon compounds, alkali metals and possibly also calcium are also added to the filler in the specified proportions. Aluminium, silicates and possibly calcium are balanced against each other, so that when exposed to high temperatures, i.e. when exposed to fire or flame in the burnt product, together with oxygen they will form binary and tertiary metal oxides. Aluminum is advantageously used as a hydrate. Other metal compounds can optionally also be added in addition. Aluminum ande1 relates to the possibly calcium proportion in a ratio between 1:1 and 2:1. The amount of aluminum relates to the silicon content in a ratio between 1:1 and 1:0. The alkali metals are of great importance with regard to giving the base material or the foam material mechanical strength in the transition between the polymeric substances and the inorganic substances. However, care must be taken that the quantity does not become too large, as this will lead to a weakening of the fire-protective substances of a ceramic nature which are formed by the high temperature effect. A suitable amount of alkali content will be between 5 and 15 percent by weight of the glass component in the filler. Calculated on the basis of the amount of filler, the relative amounts are 50% Al hydrate, 0-40% CaCO., and 10-50% Si 1isium compound. By si 1 isium prehinde 1 sen is to be understood generally as silicates, but preferably in glass form and present as particles, flakes, hollow or solid spheres, cuts, etc.

For å oppnå en god fyllingsfaktor for fyllmidlene er det fordelaktig å velge fraksjoner systematisk, dvs. med en spesiell partikkelstørrelsesfordeling. Fordelaktig har vist seg å benytte Al-hydrat med 50% av partikkelstørrelsen større enn 10 u og med 50% i størrelsesområdet 2 u. CaCC>3 kan benyttes i en partikkelstørrelse på ca. 15 u og silisiumkomponenten i partikkelstørrelse 400 u. In order to achieve a good filling factor for the fillers, it is advantageous to select fractions systematically, i.e. with a particular particle size distribution. It has proven advantageous to use Al hydrate with 50% of the particle size larger than 10 u and with 50% in the size range of 2 u. CaCC>3 can be used in a particle size of approx. 15 u and the silicon component in particle size 400 u.

De ovennevnte fyllmiddel-sammensetninger med andeler innenfor de angitte områder er ved et utførelseseksempel benyttet sammen med en epoksyplast av typen "Araldite" (Ciba-Geigy) med tilhørende herder og skummiddel fra samme produsent. Valget av skummemiddel og herdemiddel synes ikke å være kritisk for skummaterialets ifølge oppfinnelsen ønskede funksjon. Da fyllmidlene er av en slik art at de ved høytemperaturpåvirkning omdannes til keramiske, brannsikre stoffer, er det av stor fordel at herdingen kan foretas ved romtemperatur. Dette var tilfellet ved ovennevnte utførelseseksempel. Skummaterialer på basis av polyester eller akrylat vil kunne fremstilles på tilsvarende måte ved hjelp av de for oppskumming og herding vanlig benyttede stoffer. I og med at materialet oppskummes i "normaltilstand", dvs. før det utsettes for de virkninger det skal gi beskyttelse mot, kan skummingen foretas under normale forhold og på enkel måte, idet de spesielle egenskaper ved materialet først fremkommer når det er nødvendig. Materialet kan således skummes opp ved påleggingen enten i fabrikk eller ved påsprøyting i felt på det sted hvor materialet skal anvendes. Det skal påpekes at skummingsmetodikken ikke er avgjørende for oppfinnelsen, slik at både kjemisk og mekanisk oppskumming er tenkelig. The above-mentioned filler compositions with proportions within the indicated ranges are, in one embodiment, used together with an epoxy plastic of the type "Araldite" (Ciba-Geigy) with associated hardener and foaming agent from the same manufacturer. The choice of foaming agent and curing agent does not seem to be critical for the desired function of the foam material according to the invention. As the fillers are of such a nature that when exposed to high temperatures they are converted into ceramic, fireproof substances, it is of great advantage that the curing can be carried out at room temperature. This was the case in the above-mentioned design example. Foam materials based on polyester or acrylate will be able to be produced in a similar way using the substances commonly used for foaming and curing. As the material is foamed in "normal condition", i.e. before it is exposed to the effects it is supposed to provide protection against, the foaming can be carried out under normal conditions and in a simple way, as the special properties of the material only emerge when necessary. The material can thus be foamed up during application either in the factory or by spraying in the field at the place where the material is to be used. It should be pointed out that the foaming methodology is not decisive for the invention, so that both chemical and mechanical foaming are conceivable.

Skumplasten bør fortrinnsvis ha en densitet i området mellom 0,1 og 2,0 kg/dm.3. skummaterialet vil ved oppvarming omdannes til et skummet, keramisk stoff uten at det fremkommer noen vesentlig form- eller volumforandring. Det vil sannsynligvis være mulig å bygge inn både en viss ytterligere ekspansjon og en viss krymping hvis dette skulle være ønskelig. Den benyttede kombinasjon av for-skumming og innebygget endotermi vil gjøre at man i materialet vil få en meget stor lokal temperatur-gradient. Oppskumming kan foretas ved romtemperatur til en oppslemmingsgrad på ca. 7 ganger utgangsvolumet. The foam should preferably have a density in the range between 0.1 and 2.0 kg/dm.3. the foam material will, when heated, transform into a foamy, ceramic substance without any significant change in shape or volume occurring. It will probably be possible to build in both a certain further expansion and a certain shrinkage if this were to be desired. The used combination of pre-foaming and built-in endothermy will mean that you will get a very large local temperature gradient in the material. Foaming can be carried out at room temperature to a degree of suspension of approx. 7 times the output volume.

Materialet vil kunne klassifiseres som vanskelig brennbart, eventuelt ubrennbart. Materialet vil ha de følgende fordel-aktige egenskaper: The material can be classified as difficult to burn, possibly non-flammable. The material will have the following advantageous properties:

Det vil ikke spre brann. It will not spread fire.

- Materialet vil ha korrosjonsbeskyttende effekt på metaller. - Det vil i egnet tykkelse kunne beskytte både metaller og kompositter, slik at man kan nå en brannklasse på 60 min - The material will have a corrosion-protective effect on metals. - In a suitable thickness, it will be able to protect both metals and composites, so that you can reach a fire class of 60 min

beskyttelsestid eller mer. protection time or more.

Det vil kunne brukes som belegg eller støpes inn som en del It can be used as a coating or cast in as a part

av en konstruksjon. of a construction.

Skummaterialet har mekaniske egenskaper slik at det kan brukes som konstruksjonsplast i bærende konstruksjoner. The foam material has mechanical properties so that it can be used as construction plastic in load-bearing constructions.

Det vil videre tåle kontinuerlige driftstemperaturer i størrelsen 80-100°C. Materialet vil kunne påføres både ved støping og ved sprøyting. It will also withstand continuous operating temperatures in the range of 80-100°C. The material will be able to be applied both by casting and by spraying.

Mange modifikasjoner vil være mulig innenfor oppfinnelsens ramme, både med hensyn til stoffets sammensetning innenfor de i kravene angitte grenser og -med hensyn til anvendelse. Many modifications will be possible within the framework of the invention, both with regard to the substance's composition within the limits specified in the requirements and - with regard to application.

Claims

1. Foam material, including thermosetting plastic, e.g. of the epoxy, polyester or acrylate type as base material, foaming agent and possibly curing agent, as well as fillers that make up between 40 and 95 percent by weight of the material and are formed from inorganic substances containing aluminum compounds, silicon compounds, possibly also calcium compounds, as well as an addition of alkali metal compounds , characterized in that the filler contains aluminum and silicon compounds in a ratio of between 1:1 and 1:0 and possibly aluminum and calcium compounds in a mutual ratio that lies within the range between 1:1 and 2:1.

2. Foam material according to claim 1, characterized in that the filler contains alkali metal compounds in an amount of 5-15% of the silicon component.

3. Foam material according to claim 1, characterized in that the filler contains approx. 50% aluminum hydrate,

0-40% CaC03 and 10-50% silicon compounds, such as glass, calculated on the amount of filler.

4. Foam material according to claim 3, characterized in that the proportion of aluminum hydrate in the filler is present in a particle size where 50% is larger than 10 u and 50% has a size of approx. 2 u, the calcium carbonate has a particle size of approx. 15 u, while the possible silicate or glass portion is present in a particle size of approx. 400 u, as the particles can be in the form of flakes, hollow or solid spheres, cuts or the like.

5. Foam material according to claim 1, characterized in that the foaming is carried out at room temperature with a degree of foaming up to seven times the initial volume.

6. Application of a foam material according to one or more of the above requirements as a protective material against fire and flame influence and/or as a mechanical supporting element.

7. Use of a foam material according to one or more of the preceding claims as a protective layer, particularly as an inner layer, in a plastic composite or a laminate, e.g. for plastic boat hulls.

8. Application of a foam material according to one or more of the preceding claims, as protective filling in fire-resistant structural elements, such as walls, doors etc., e.g. in buildings, vessels, cabinets, etc.