Höchste Flammbeständigkeit von leichten Verbundwerkstoffen auf Basis von Basaltfasern

Ausgabe Juni 2022: Technische Textilien – Innovation, Technik, Anwendung

Trennwände für flexible Raumkonzepte oder Großzelte für Veranstaltungen, Ausstellungen und Messen oder Notzelte, die den Anforderungen der Baustoffklasse A2 entsprechen müssen, werden derzeit aus starren Verbundplatten gefertigt. Dies ist momentan die einzige Lösung, die die strengen Brandprüfkriterien der genannten Klasse erfüllen kann. Die aktuell verwendeten Materialien sind zwar sicher, haben aber auch viele Nachteile. Diese starren Verbundwerkstoffe sind schwer und nehmen mehr Platz in Anspruch. Massive, starre Elemente, die zur Unterteilung von Räumen in Industriegebäuden verwendet werden, haben normalerweise eine Wandstärke von 100 mm. Hochwertige Produkte für die Unterteilung von leeren Flächen in Räume benötigen Stahlrohre, Querstreben und beidseitig beplankte Spanplatten. Denkt man an flexible Materialien, die heute im Einsatz sind, so würde man auf PVC-beschichtete Textilien verweisen. Aufgrund des hohen Anteils an organischen Stoffen erfüllen sie jedoch nicht die Brandprüfkriterien der Baustoffklasse A. Sie könnten höchstens die Kriterien der Baustoffklasse B1 erfüllen. Außerdem besteht die Gefahr, dass im Brandfall giftige Gase freigesetzt werden. Flexible Trennwände, die auch als Brandwände dienen können, sind z. B. auf Flughäfen, im Schiffbau, im Schienenverkehr, bei Feuerwehren, in Hallengebäuden oder in öffentlichen Gebäuden sehr gefragt.

Textil

Basalt ist ein Hochleistungswerkstoff, der eine gewisse Ähnlichkeit mit Kohlenstoff- und Glasfasern aufweist und in verschiedenen Bereichen Verwendung findet. Vor allem die Endlosfasern aus Basalt bieten ein enormes Potenzial für technische Anwendungen. Die Fasern werden in einem Spinnverfahren aus einer heißen Schmelze hergestellt und auf Spulen gewickelt. Sie haben einen gesundheitlich unbedenklichen Querschnitt zwischen 8 und 14 µm, eine extrem hohe Zugfestigkeit von 4.800 MPa (zum Vergleich: E-Glasfaser: ca. 3.000 MPa) und eine hohe Temperaturbeständigkeit zwischen -200 °C bis +700 °C, ein Bereich, der für viele Anwendungen geeignet ist (zum Vergleich: Glasfaser: -60 °C bis +460 °C). Der Grund für diese hohe Temperaturbeständigkeit ist das Vorhandensein von anorganischen Stoffen in den Basaltfasern, deren Hauptbestandteile SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3 und Na2O sind. Die Fasern sind nicht brennbar und schmelzen bei einer sehr hohen Temperatur von etwa 1.450 °C. Beide Eigenschaften – die hohe Festigkeit und die thermische Stabilität – qualifizieren die Basaltfasern für den Einsatz in einem flammfesten Verbundwerkstoff. Außerdem ist Basalt ein natürlich vorkommendes Mineral und kann in der Produktionsanlage zu 100 Prozent recycelt werden. Um die herausragenden Eigenschaften von Basalt zu nutzen und mit den Verfahren der Verbundwerkstoffherstellung kompatibel zu sein, wurden die Basaltfilamente zu einem Gewebe verarbeitet. Um die textilen Oberflächen für die üblichen Beschichtungsprozesse geeignet zu machen, wurden anschließend sowohl die Oberfläche der Fasern als auch die des Gewebes an die Anforderungen der Silikonbeschichtung angepasst. Nur so ist es möglich, einen sowohl mechanisch als auch optisch ansprechenden Haftverbund zu erhalten.

Beschichtung

Die Anwendung herkömmlicher Polymere für die Textilbeschichtung ist in der Regel auf einen Temperaturbereich zwischen -30 °C und 130 °C beschränkt, da sie aus organischen Verbindungen bestehen. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in den Polymeren spalten sich bei höheren Temperaturen und werden oxidativ abgebaut. Dies führt zum einen zu einer schnellen Alterung bei dauerhafter Einwirkung höherer Temperaturen (> 100 °C), zum anderen erfordert dies den Einsatz spezieller Additive, um die Werkstoffe so auszurüsten, dass sie bei extremer Temperatureinwirkung flammhemmend sind und damit die Brandprüfkriterien erfüllen. Die extremen Brandtestkriterien der Baustoffklasse A2 können mit herkömmlichen Polymeren (z.B. PVC oder PU) nicht erfüllt werden. Aus diesem Grund wurde für die Herstellung der neuen Verbundwerkstoffe eine Polymerschicht aus Silikon verwendet. Silikone besitzen anorganische Si-O-Bindungen, deren Bindungsenergie ca. 100 kJ/mol über der einer C-C-Bindung in herkömmlichen Polymeren liegt, was ihnen eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine inhärente Flammwidrigkeit verleiht. Außerdem werden im Falle eines Brandes keine giftigen Gase freigesetzt, da die chemische Zusammensetzung der Silikone zu einem großen Teil aus anorganischen Elementen besteht (Si, O, C, H). Standardsilikone können dauerhaft einer Temperatur von 200 °C ausgesetzt werden, bestimmte Spezialsilikone können bis zu 250 °C aushalten. Dementsprechend können Standardsilikone und spezielle Silikontypen kurzzeitige Temperaturspitzen bis zu 250 °C bzw. 300 °C aushalten. Ein weiterer Vorteil von Silikonen ist, dass sie aufgrund der Abschirmung der anorganischen Hauptkette durch organische Methylgruppen hydrophob sind und somit eine schmutzabweisende Oberfläche ergeben. Für den beschriebenen Leichtbau-Verbundwerkstoff des Projekts wurde eine ein- oder zweiseitige Beschichtung realisiert, die auch geschäumte Schichten enthalten kann (siehe Abb.1).

Nicht brennbares Basalthybridmaterial in aufgerolltem Zustand
Abb. 1: Nicht brennbares Basalthybridmaterial in aufgerolltem Zustand, linke Seite: Einseitig beschichtetes BasaTexxFP – BT 550 M FR A2: rechte Seite: Beidseitig beschichtetes BasaTexxFP – BT 900 M FR A2

Verordnung

Bislang gibt es kein flexibles Verbundmaterial, das wie Planenmaterialien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt bzw. verarbeitet werden kann und die strengen Brandprüfkriterien der Baustoffklasse A2 nach der Norm DIN EN ISO 13501-1 erfüllt. Diese Norm teilt die Baustoffklasse A in A1 (ohne brennbare Teile) und A2 (mit brennbaren Teilen in geringem Umfang) ein. Damit ein Material in die Baustoffklasse A2 eingestuft werden kann, muss es eine Reihe von Prüfungen bestehen, die in der Prüfnorm EN 13501-1 festgelegt sind. Dazu gehören die Bestimmung der Bruttoverbrennungswärme nach DIN EN ISO 1716 bzw. DIN EN ISO 1182, die thermische Beanspruchung durch einen einzelnen brennenden Gegenstand (SBI) nach EN 13823 und das Brennverhalten nach EN ISO 9239, das für Bodenbeläge gedacht ist. Im Vergleich zur nationalen Klassifizierungsnorm (DIN 4102-1) umfasst die europäische Klassifizierungsnorm für Baustoffe (DIN EN 13501-1) ein größeres Spektrum an Klassen, da auch die Nebenwirkungen von Bränden wie Rauchentwicklung und Abtropfen von brennenden Tröpfchen berücksichtigt werden. Aus Gründen der höheren Sicherheit ist es wichtig, dass die neuen Hochleistungsverbundwerkstoffe die Klasse A2 – s1 d0 in der DIN EN 13501-1 für das Brandverhalten erfüllen. Diese Klasse entspricht der DIN 4102-1 A2, was bedeutet, dass keine oder kaum Rauchentwicklung (s1) und kein Abtropfen brennender Tropfen (d0) auftritt.

Eigenschaften der Verbundwerkstoffen

Durch die Kombination des anorganischen Basaltgewebes mit der speziellen anorganischen Beschichtung auf Silikonbasis entstand ein planenartiger Verbundwerkstoff, der eine hohe Festigkeit auch bei geringer Flächenmasse, extreme Hochtemperatur- und Flammfestigkeit aufweist. Darüber hinaus weist das Material hervorragende Wärmedämmeigenschaften auf, die durch eine aufgeschäumte Silikonschicht weiter optimiert werden können. Die Beschichtung sorgt für eine geschlossene Oberfläche und eine homogene Wärmeverteilung. Die maximale Temperaturbeständigkeit liegt bei ca. 1.200 °C und die Langzeitwärmebeständigkeit bei ca. 280 °C. Die genauen Werte der einzelnen Tests für drei verschiedene Materialtypen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Bisher wurden zwei Produkte nach der Baustoffklasse A2 s1 – d0 (DIN 13501) und eines nach FAR/JAR/CS-25.853 App. F Teil I-IV für Luftfrachtcontainer, alle in Tabelle 1 aufgeführt, zur Markteinführung durch die Firma Fulcoline GmbH & Co. KG zertifiziert.

Eigenschaften der Silikon-Basalt-Verbundwerkstoffe
Tabelle 1: Eigenschaften der Silikon-Basalt-Verbundwerkstoffe

Anwendungsbereiche

Ein enormes Potenzial für das nicht brennbare, planenartige Material besteht in folgenden Anwendungsbereichen:

  • Textiles Bauen für Trennwände und Feuerschutz
  • Leichtbau als Bestandteil von mehrschichtigen Leichtbau-Verbundkonstruktionen, insbesondere für Gehäuse und Verkleidungen von Schiffen, Flugzeugen, Schienen- und Straßenfahrzeugen sowie entsprechenden Containern.
Temperaturprofil auf der Rückseite einer Verbundplatte
Abb.: 2 Temperaturprofil auf der Rückseite einer Verbundplatte während eines Brandtests mit einer Temperaturbelastung von 1.000 °C auf der anderen Seite des Materials. SMC = Sheet Molding Compound.

Erste Untersuchungen zur Integration des Basalt-Verbundwerkstoffs in Leichtbaustrukturen zeigen neben der Schwerentflammbarkeit auch ein hohes Isolationspotenzial gegenüber thermischer Belastung. Abb. 2 zeigt das Temperaturprofil an der Rückseite eines SMC-Verbundwerkstoffs mit Basalthybridmaterial mit einer Dicke von 3 mm im Vergleich zu einer bisher verwendeten Standard-SMC-Platte. Bei einer Temperaturbelastung von 1.000 °C an der Oberfläche beider Materialien zeigt das Temperaturprofil auf der Rückseite einen deutlich langsameren Anstieg für den Verbundwerkstoff mit Basalthybridmaterial. Nach fünf Minuten erreicht das Standardmaterial eine Temperatur von etwa 500 °C, während die Temperatur der Basalthybrid-SMC-Struktur nur auf etwa 250 °C ansteigt.

Für weitere Informationen zu den beschriebenen neuen schwer entflammbaren Materialien kontaktieren Sie bitte Tobias Mader von Fulcoline GmbH & Co. KG via (t.mader@fulcoline.de)

 

V. Gatterdam *, T. Mader*, K. Trommer**
* Fulcoline GmbH & Co. KG, Hofbieber
**FILK Freiberg Institute gGmbH, Freiberg

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