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Dokumentenidentifikation DE102005003167B4 12.07.2007
Titel Brandschutzmittel, sowie Verfahren zu dessen Anwendung
Anmelder Petermüller, Manfred, 91166 Georgensgmünd, DE
Erfinder Petermüller, Manfred, 91166 Georgensgmünd, DE
Vertreter Witzany, M., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 85049 Ingolstadt
DE-Anmeldedatum 21.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005003167
Offenlegungstag 27.07.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2007
IPC-Hauptklasse C09K 21/00(2006.01)A, F, I, 20070305, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C09D 5/18(2006.01)A, L, I, 20070305, B, H, DE   B27K 3/00(2006.01)A, L, I, 20070305, B, H, DE   C08K 5/00(2006.01)A, L, I, 20070305, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Brandschutzmittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Reduzieren der Brandgefahr eines entzündbaren Stoffes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Aus der DE 29 10 595 C2 ist ein flammwidriger Verbundformkörper bekannt, der mit einem Intumeszenzmittel belegt ist. Dieses Intumeszenzmittel besteht aus einem Kohlenstoffbildner, einem Katalysator, einem Treibmittel und einem kugelförmigen Füllstoff. Als Kohlenstoffbildner wird u. a. ein mehrwertiger Alkohol wie Pentaerythrit oder Dipentaerythrit angegeben. Der Katalysator ist eine Phosphorsäurequelle, die sich unterhalb der Zersetzungstemperatur des Kohlenstoffbildners unter Bildung von Phosphorsäure zersetzt. Das Intumeszenzmittel bildet bei Temperaturen über 180°C einen Schaum, der die Flammenfront eine gewisse Zeit lang vom Verbundformkörper abhält.

Aus der EP 0 992 566 B1 ist ein intumeszierendes Laminat bekannt, welches mehrwertige Alkohole und Phosphorsäure enthält.

Aus der US 5 225 464 A ist ein weiteres intumeszierendes Laminat bekannt, welches u. a. Pentaerythrit und Phosphorsäure enthält.

Aus der US 5 049 187 ist eine wässerige Lösung für ein Brandschutzmittel bekannt. Es enthält neben Ammoniumpolyphosphat mehrwertige Alkohole.

Aus der US 4 195 115 ist eine intumeszierende Substanz bekannt, die mehrwertige Alkohole und einen Phosphorsäure-Katalysator aufweist.

Aus der DE 196 19388 A1 ist ein wasserlösliches Schutzmittel bekannt, welches Polyole, wie beispielsweise Pentaerythrit oder Natriumglukonat und Ammoniumphosphate aufweist.

Aus der DE 693 30 296 T2 ist eine intumeszierende, feuerschützende Mastix-Beschichtungszusammensetzung bekannt, die Ammoniumphosphat, Polyalkohole und Phosphorsäure enthält.

Aus der US 5 387 655 A ist ein Intumeszenzmittel bekannt, welches eine Mischung aus Phosphorsäureestern mit Polyolen aufweist.

Aus der EP 1 042 415 B1 ist ein Intumeszenzmittel bekannt, welches u. a. Aminotrimethyl-Phosphorsäure oder Aminotrimethyl-Phosphorsäure zusammen mit einem mehrwertigen Alkohol aufweist.

Aus der Praxis ist somit eine Vielzahl von Brandschutzmitteln bekannt, die in der Lage sind, die Brandgefahr von entzündbaren Stoffen zu reduzieren. Diese Brandschutzmittel überziehen den entzündbaren Stoff vorab mit einer schwer entflammbaren Schicht, so daß dadurch die Brandgefahr reduziert wird. Diese Vorgangsweise hat jedoch den Nachteil, daß die brandhemmende Wirkung verloren geht, sobald die Brandschutzmittelschicht auch nur im Teilbereich beschädigt ist. Der Brand kann sich dann ungehindert über den gesamten entzündbaren Stoff ausbreiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brandschutzmittel anzugeben, das auch bei Beschädigung der Oberfläche des entzündbaren Stoffes eine zuverlässige Brandschutzhemmung bis zu hohen Brandtemperaturen besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Schritten des Patentanspruchs 8 gelöst.

Das Brandschutzmittel gemäß Anspruch 1 besteht im wesentlichen aus zwei wichtigen Komponenten, nämlich einem Kohlenstoffspender und einer phosphorhaltigen Säure. Diese phosphorhaltigen Säure hat auf den Kohlenstoffspender eine im Wesentlichen katalytische Wirkung, durch die der Kohlenstoff bei hohen Temperaturen, wie sie im Brandfall herrschen, in ein Fulleren umgewandelt wird. Diese Fullerene bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff, sind jedoch Makromoleküle, die auch bei hohen Temperaturen nicht entflammbar sind. Im Brandfall bildet sich daher auf dem entzündbaren Stoff eine Fulleren-Schicht, die ein Entzünden des an und für sich entzündbaren Stoffes hemmt. Wird die gebildete Fulleren-Schicht lokal zerstört, so bildet sich unter dieser erneut eine Fulleren-Schicht aus. Auf diese Weise schützt sich der entzündbare Stoff im Brandfall von selbst. Der entzündbare Stoff wird im Brandfall zwar an seiner Oberfläche beschädigt, insbesondere verfärbt, eine großflächige Ausbreitung des Brandes wird jedoch auf diese Weise zuverlässig verhindert. Dies ist insbesondere in brandgefährdeten Bereichen, wie chemischen Anlagen, oder im Fahrzeugbereich, insbesondere bei Flugzeugen, von erheblicher Bedeutung. In diesen Bereichen war es bisher unmöglich, entzündbare Stoffe, wie beispielsweise Holz, Papier oder thermoplastische Kunststoffe einzusetzen, da hierdurch die Brandgefahr zu groß geworden wäre. Ein Ausweichen auf teurere Materialien war daher geboten. Durch das erfindungsgemäße Brandschutzmittel können auch in den genannten brandgefährdeten Bereichen preisgünstige Baumaterialien eingesetzt werden. Ein weiterer Anwendungsbereich des Brandschutzmittels liegt im Fertighausbau, wo üblicherweise Holz für tragende Elemente eingesetzt wird. Durch das erfindungsgemäße Brandschutzmittel werden derartige Bauten wesentlich brandsicherer.

Der Kohlenstoffspender ist eine Alkalimetallverbindung eines mehrfachen Alkohols. Bei der Umwandlung dieses mehrfachen Alkohols in Fullerene spielt die Phosphorsäure lediglich die Rolle eines Katalysators, wobei vom Kohlenstoffspender Wasser abgespaltet wird. Dieses Wasser geht als Dampf in die umgebende Atmosphäre und verursacht gleichzeitig eine erwünschte Kühlwirkung des entzündbaren Stoffes. Die Funktion des Alkalimetalls bei der Fulleren-Bildung ist dabei noch nicht geklärt, wobei angenommen wird, daß sie katalytischer Natur ist. Der Kohlenstoffspender weist ein Alkangerüst mit mindestens sieben Kohlenstoffatomen auf. Bei kürzeren Alkan-Ketten ist die fulleren-generierende Wirkung schwächer. Grundsätzlich kann keine obere Grenze für die Länge des Kohlenstoffgerüsts angegeben werden. Extrem lange Kohlenstoffgerüste führen jedoch zu hohen Molekulargewichten, so daß sich der Kohlenstoffspender dann nur noch schlecht auf den entzündbaren Stoff auftragen ließe. Diese Nachteile treten bei Kohlenstoffketten mit mehr als fünfzehn Kohlenstoffatomen bereits merklich in Erscheinung.

Zur Erzielung einer möglichst effektiven Fulleren-Bildung im Brandfall weist die phosphorhaltige Säure mindestens eine Aminogruppe auf. Damit kann die phosphorhaltige Säure eine größere Zahl von Säureresten binden, wobei das Molekül trotzdem relativ kompakt ausgebildet ist. Der Bindungspartner der Säurereste ist ein Stickstoff-Atom und führt bei der Dissoziierung der phosphorhaltigen Säure im Brandfall zu einer zusätzlichen Abstickung des Brandes durch Sauerstoffentzug.

Als phosphorhaltige Säure hat sich gemäß Anspruch 2 eine Aminodialkylphosphorsäure, eine Aminodialkylphosphonsäure, eine Aminodialkyl-phosphorige-Säure, eine Aminotrialkylphosphorsäure, eine Aminotrialkylphosphonsäure oder eine Aminotrialkyl-phosphorige-Säure bewährt.

Aminodimethylphosphorsäure, Aminodimethylphosphonsäure, Aminodimethyl-phosphorige-Säure, Aminotrimethylphosphorsäure, Aminotrimethylphosphonsäure und Aminotrimethylphosphorige-Säure besitzen eine recht hohe Potenz, den Kohlenstoffspender in Fullerene umzuwandeln und wird daher gemäß Anspruch 3 als phosphorhaltige Säure bevorzugt.

Als Alkalimetall hat sich gemäß Anspruch 4 Natrium als besonders wirksam herausgestellt.

Ein besonders vorteilhafter Kohlenstoffspender ergibt sich aus Anspruch 5. Natriumheptagluconat weist ein Kohlenstoffgerüst mit sieben Kohlenstoffatomen auf, bei dem sechs Kohlenstoffatome als funktionelle Gruppe eine OH-Gruppe aufweisen. Das siebte Kohlenstoffatom ist Teil einer COONa-Gruppe. In dieser Struktur ist jedes Kohlenstoffatom mit Ausnahme der Carboxylatgruppe mit Wasserstoff und mit einer OH-Gruppe verbunden. Bei der katalytischen Reaktion mit der Phosphorsäure wird der Wasserstoff und die OH-Gruppe abgespalten und bildet Wasser, so daß die Alkan-Kette übrig bleibt und das gewünschte Fulleren bildet. Durch die gewählte Auswahl an funktionellen Gruppen ergibt sich eine effiziente chemische Reaktion unter Wasserabspaltung und damit eine optimale Fullerenbildung. Dies senkt die Aktivierungsenergie zur Fulleren-Bildung, so daß der entzündbare Stoff optimal durch das Brandschutzmittel geschützt wird.

Gemäß Anspruch 6 ist es günstig, wenn das Brandschutzmittel zusätzlich Ammoniak enthält, das insbesondere die Lösbarkeit der Phosphorverbindung und des Kohlenstoffspenders ineinander verbessert. Dies ist zur Erzielung einer optimalen katalytischen Wirkung der Phosphorverbindung wichtig.

Um das Brandschutzmittel möglichst effektiv auf den entzündbaren Stoff auftragen zu können, ist es gemäß Anspruch 7 günstig, wenn es in wässriger Lösung vorliegt. Damit kann es sehr einfach auf den entzündbaren Stoff aufgesprüht werden. Alternativ ist es auch möglich, das Brandschutzmittel in wässriger Form direkt mit dem entzündbaren Stoff zu mischen, so lange dieses sich in einer flüssigen Phase befindet.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 8 wird zum Reduzieren der Brandgefahr eines entzündbaren Stoffs auf/in diesen ein Brandschutzmittel auf- bzw. eingebracht, welches im Brandfall aufgrund der hohen Temperaturen auf dessen Oberfläche eine Fullerenschicht erzeugt. Diese Fullerenschicht ist nur sehr schwer entflammbar, so daß sie den entzündbaren Stoff im Brandfall zuverlässig schützt. Wird die Fullerenschicht lokal zerstört, so bildet das Brandschutzmittel unter der zerstörten Schicht eine neue Fullerenschicht aus, so daß der entzündbare Stoff optimal geschützt wird. Die Fullerenschicht wird als Netzwerk auf der Oberfläche des zu schützenden Körpers abgeschieden.

Die Maschenweite des Netzwerks beträgt dabei nicht mehr als 2 &mgr;m, so daß eine Flammenfront nicht mehr bis zur Oberfläche des zu schützenden Körpers vordringen kann. Auf diese Weise genügt eine recht geringe Fullerenmenge, um den Körper zu schützen. Dies hat wiederum zur Folge, daß nur eine relativ geringe Menge an Brandschutzmittel zur Bildung eines effektiven Schutzes ausreicht.

Um das Brandschutzmittel einfach auf den entzündbaren Stoff auftragen zu können, ist es gemäß Anspruch 9 vorteilhaft, wenn es in wässriger Lösung, Emulsion oder Suspension auf den entzündbaren Stoff aufgesprüht wird. Dies ist technisch sehr einfach und damit kostengünstig zu realisieren, wobei trotzdem eine hohe Schutzwirkung des entzündbaren Stoffs gewährleistet ist.

Alternativ oder zusätzlich kann das Brandschutzmittel auch gemäß Anspruch 10 in den entzündbaren Stoff inkorporiert werden, so daß der entzündbare Stoff sehr effektiv im gesamten Volumen geschützt ist. Dies ist insbesondere in jenen Fällen wichtig, in denen der entzündbare Stoff im Brandfall brechen kann, so daß neue, sonst nicht geschützte Oberflächen entstehen.

Eine einfache Realisierung des vorgenannten Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 11. Dabei wird der entzündbare Stoff in zumindest teilweise flüssiger Form mit dem Brandschutzmittel vermischt, bevor dieser erhärtet. Falls der entzündbare Stoff ein Polymer ist, kann das Brandschutzmittel in die nicht polymerisierte Flüssigkeit mit den Monomeren und dem Polymerisationshilfsmittel eingemischt werden. Nach Abschluß der Polymerisationsreaktion ist das Polymer im gesamten Volumen durch das Brandschutzmittel geschützt.

Außerdem ist es gemäß Anspruch 12 vorteilhaft, wenn das Brandschutzmittel mit einem Bindemittel vermischt wird. Dieses kann beispielsweise ein Leim, Klebstoff oder ein Kunstharz sein, welche feste Teile des entzündbaren Stoffs, wie beispielsweise Gummigranulat oder Sägespäne zu einer festen Matrix bindet.

Beispiel

Eine Lösung besteht aus

Die genannten Mengenangaben stellen Gewichtsprozente dar. Zusätzlich ist in der Lösung als Kohlenstoffspender eine von den oberen Mengenangaben unabhängige Menge an

enthalten.

Die Lösung wird auf eine Preßspanplatte aufgesprüht. Nach dem Abtrocknen der Oberfläche ist die Preßspanplatte gegenüber direkten Flammen mit Temperaturen bis 1.200°C nicht entflammbar.

Die vorgenannte Rezeptur kann bezüglich der verwendeten Anteile in weiten Grenzen variiert werden. Für jede der vorgenannten Komponenten sind jeweils 1 bis 50 Teile ansetzbar. Zusätzlich kann das Brandschutzmittel Netzmittel zur Erzielung einer besseren Benetzung von Oberflächen oder Verdickungsmittel wie beispielsweise Alkylamine enthalten.


Anspruch[de]
Brandschutzmittel zur Reduktion der Brandgefahr eines entzündbaren Stoffes, wobei das Brandschutzmittel wenigstens einen Kohlenstoffspender und wenigstens eine phosphorhaltige Säure aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffspender eine Alkalimetallverbindung eines mehrfachen Alkohols mit einem Alkangerüst mit mindestens sieben Kohlenstoffatomen aufweist, und daß die phosphorhaltige Säure mindestens eine organische Verbindung bestehend aus mindestens einer Säure aus der Gruppe Phosphorsäure, Phosphonsäure und phosphorige Säure mit mindestens einer Aminogruppe aufweist. Brandschutzmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorhaltige Säure mindestens eine Aminodi- und/oder Aminotrialkyl-Phosphorsäure, -Phosphonsäure und/oder -phosphorige Säure aufweist. Brandschutzmittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die phosphorhaltige Säure mindestens eine Aminodi- und/oder Aminotrimethyl-Phosphorsäure, -Phosphonsäure und/oder -phosphorige Säure aufweist. Brandschutzmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall Natrium ist. Brandschutzmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffspender Natriumheptagluconat aufweist. Brandschutzmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brandschutzmittel Ammoniak enthält. Brandschutzmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Brandschutzmittel vor dem Aufbringen auf den entzündbaren Stoff in wässriger Lösung, Emulsion oder Suspension, vorliegt. Verfahren zum Reduzieren der Brandgefahr eines entzündbaren Stoffes, dadurch gekennzeichnet, daß auf und/oder in den entzündbaren Stoff ein Brandschutzmittel gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 auf- und/oder eingebracht wird, welches im Brandfall auf der Oberfläche des entzündbaren Stoffes eine Fullerenschicht erzeugt, die als Netzwerk mit einer Maschenweite von nicht mehr als 2 &mgr;m ausgebildet ist. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brandschutzmittel in wässriger Lösung, Emulsion oder Suspension auf den entzündbaren Stoff aufgesprüht wird. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Brandschutzmittel in den entzündbaren Stoff inkorporiert wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der entzündbare Stoff in mindestens teilweise flüssiger Form mit dem Brandschutzmittel vermischt wird, bevor dieser erhärtet. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Brandschutzmittel mit einem Bindemittel vermischt wird.






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