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Anwendungsgebiet und Stand
der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Formteil für Brandschutzanwendungen
und/oder thermische Dämmung, das entweder als Beschichtung oder
vor allem als Brandschutzplatte bzw. als Dammplatte verwendet werden
kann. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren dafür.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Formteil der genannten
Art sowie ein Herstellungsverfahren zu schaffen, mit denen Probleme
des Standes der Technik gelöst werden können und
insbesondere die Brandwiderstandsdauer und/oder thermische Dämmfähigkeit
von Formteilen oder Beschichtungen verbessert wird, vor allem bei
geringerer Dicke des Formteils als Brandschutzplatte.
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Aufgabe und Lösung
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Formteil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie Verfahren zur Herstellung eines Formteils
mit den Merkmalen des Anspruchs 13 oder 14 und eine Verwendung mit den
Merkmalen des Anspruchs 20. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und
werden im Folgenden näher erläutert. Manche der
nachfolgenden Merkmale werden zwar nur entweder für das Formteil
oder für ein Herstellungsverfahren erläutert. Sie
sollen jedoch unabhängig voneinander sowohl für
Formteil als auch für Herstellungsverfahren gelten. Der
Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche
Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Die Prozentangaben
beziehen sich im folgenden auf Gewichtsprozent.
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Die
Erfindung kennt einerseits die große Bedeutung von Zeolith
für Formteile für thermische Dämmung
und brandschutztechnischen Maßnahmen. Der für
die Dämmung bzw. den Brandschutz wesentliche Mechanismus
des Zeoliths besteht in dem großen Energiebedarf, der notwendig
ist, um das eingelagerte Kristallwasser aus dem Zeolith auszutreiben.
So lagert sich an das stark hydrophile Zeolith sowohl Restwasser
als auch Kristallwasser an. Das Restwasser und auch die Restfeuchte
in einer Größenordnung von etwa 12% sind nur locker
angelagert und treten bei Temperaturen von etwa 110°C aus.
Für das Austreiben des Kristallwassers in einer Größenordnung
von etwa 18% bis 22% werden Temperaturen von etwa 1000°C
benötigt, wobei zum Austreiben des Kristallwassers eine
enorme Energiemenge notwendig ist. Diese wird aus einem Brandherd
in diese physikalisch-chemische Reaktion eingebracht, was dazu führt,
dass die Temperatur in den entsprechenden Bereichen sinkt. Des weiteren
hat die Erfindung vor allem erkannt, dass die Verwendung von großteils
natürlichem Zeolith von besonders großer und bislang
nicht bekannter Bedeutung ist, vor allem für die mechanische
Festigkeit der Formteile. Dazu hat die Erfindung vor allem noch
die Bedeutung der Korngröße des verwendeten Zeoliths erkannt,
die, anders als an sich zu vermuten wäre, erheblich unter
derjenigen des Trägermaterials liegen sollte bzw. muss,
vor allem auch wegen der mechanischen Festigkeit. So sollte ein
Großteil des Zeoliths eine Korngröße
deutlich unter derjenigen des Trägermaterials haben, vorteilhaft
etwa eine Größenordnung darunter. Mindestens 75%
des Zeolith-Anteils sollte eine Korngröße unter
1 mm aufweisen, vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,2 mm. Insbesondere
sollte mindestens 80% oder 95% des Zeolith-Anteils eine Korngröße
in diesem Bereich aufweisen. Hier können zwar gewisse Abweichungen
akzeptiert werden. Allerdings verschlechtern sich vor allem die
mechanischen Eigenschaften mit zunehmendem Anteil größerer
Korngrößen. Dies gilt vor allem dann, wenn Vermiculite
als Trägermaterial verwendet wird wie nachfolgend beschrieben.
Eine Korngröße eines körnigen Trägermaterials
kann erheblich größer sein als die Korngröße
des Zeolith-Anteils, wobei vorteilhaft der größte
Teil bzw. mindestens 95% des Anteils eines körnigen Trägermaterials eine
Korngröße zwischen 1 mm und 2 mm aufweisen sollte.
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Der
Zeolith-Anteil liegt vorteilhaft zwischen 5% und 75%, vorzugsweise
zwischen 25% und 50%. Vorteilhaft ist mindestens 75% des Zeolith-Anteils
natürliches Zeolith, besonders vorteilhaft ist sogar mindestens
95% des Zeolith-Anteils natürliches Zeolith. Dies bedeutet,
dass eigentlich ein möglichst großer Anteil des
Zeoliths natürlichen Ursprungs sein sollte, geringe Beimischungen
oder Anteile von künstlich hergestelltem Zeolith können
jedoch enthalten sein, ohne die Eigenschaften zu sehr zu verschlechtern oder
den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Erfindungsgemäß wird
in ein Trägermaterial, z. B. Lack oder eine Masse zur Herstellung
eines Formteils, Zeolith entweder in homogener Verteilung oder in
wenigstens einer Lage eingebracht, wobei der Zeolith-Anteil in dem
Material insgesamt zwischen 2% und 50% liegen sollte, in Zeolith-Schichten
des Materials bei inhomogener Einbringung selbstverständlich
höher.
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Als
Trägermaterial können z. B. Minerale folgender
Gruppen verwendet werden: Chloride, Oxide und Hydroxide, Fluoride,
Carbonate, Sulfate, Borste, Phosphate, Vanadate, Nitrate und Silikate.
Vorteilhaft sind auch mineralische Trägermaterialien, wie
z. B. Vermiculite, Phlogopit, Gips, Chlorid, Gipshalbhydrat, Anhydrit,
Zementphasen, kalkhaltige Phasen, wie Kalzit, Aragonit und Vaterit,
Kalkhydrat, wie z. B. Portlandit, quarzhaltige Produkte, Magnesit,
Perlit, Silikate wie Tone, Blähtone, Blähschiefer,
quellbare Tone und Kaolin, Klebsand, Seltenerdminerale, elementare
Verbindungen wie Kohlenstoff, Graphit, Bentonite und diverse Pigmente
wie z. B. Rutil. Insbesondere zur Herstellung von Formteilen bzw. Brandschutzplatten
sind auch künstlich hergestellte Minerale geeignet wie
Kalziumsilikat, z. B. Tobermorit und Xonotlit, geschäumtes
Kalziumsilikat, Magnesia, Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid und
Aluminiumoxid als auch alle Mischkomplexe aus allen vorstehend genannten
Materialien. Vor allem Kalziumsilikat ist auch besonders gut geeignet.
Es ist faserartig, kann aber auch gut mit dem körnigen
bzw. feinkörnigen Zeolith vermengt und verpresst werden. Mögliche
faserförmige Trägermaterialien umfassen auch noch
Mineralwolle, Steinwolle, Magnesiawolle, Steinfasern, Glasfasern,
Zellulosefasern, organische und anorganische Fasern, sowie Kunststofffasern.
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Als
anorganisch metallische Trägermaterialen eignen sich Eisenlegierungen
wie Stahl, verzinkte Bleche, Aluminium-Legierungen, Schaumaluminium und
Magnesiumlegierungen besonders.
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Gerade
im Baubereich sind zur Brandschutzverbesserung von Dekorationspaneelen
vor allem Trägermaterialien aus Papier, HPL Laminat und
CPL Laminat geeignet (HPL = hot Pressure laminated, CPL = cold Pressure
laminated). Das Zeolith kann beispielsweise in einen laminierten
Verbund aus den vorgenannten Materialien eingebracht werden, um die
Brandschutzfestigkeit zu erhöhen, wobei durch den Materialverbund
e benfalls anderen Anforderungen, beispielsweise technischer oder ästhetischer Art,
Rechnung getragen werden kann.
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Obgleich
die obige Liste an möglichen Trägermaterialien
das breite Anwendungsgebiet des Zeoliths für den Brandschutz
deutlich macht, ist es besonders vorteilhaft, Zeolith in Brandschutzplatten bzw.
Dammschutzplatten zu verwenden. Das Material selbst sollte möglichst
ein nicht zu hohes Gewicht haben und einen inneren Zusammenhalt,
der groß genug ist, um die Zeolith-Körner aufzunehmen
und einzubringen. Derartige Materialien sind z. B. Gipsplatten oder
Platten aus Schichtsilikaten, insbesondere Vermiculite. Der Vorteil
von Schichtsilikaten besteht darin, dass auch diese Kristallwasser
und Zwischenschichtwasser eingebunden haben, dessen Austreibung
mit ebenfalls einem vergleichsweise hohen Energieaufwand verbunden
ist, der jedoch geringer ist als beim Zeolith.
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Schichtsilikate,
wie insbesondere Vermiculite, zeichnen sich durch eine gute Wärmedämmung und
eine hohe Brandfestigkeit aus. Anstelle von Vermiculite können
auch verwandte Schichtsilikate wie z. B. Biotit, Phlogopit, Chlorit,
Smektit, Hydrobiotit oder Corrensit verwendet werden, um nur einige
Alternativen zu nennen.
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Die
charakteristische Eigenschaft dieser Schichtsilikate besteht in
der Anlagerung von Kristallwasser oder von Zwischenschichtwasser
und/oder von Zwischenschichtwasser zwischen den Silikatschichten.
Im Falle der Temperaturbehandlung hat Vermiculite ein sehr starkes
Quellvermögen, so dass man bei entsprechend temperaturbehandelten Schichtsilikaten
von geblähten Schichtsilikaten, z. B. geblähtem
Vermiculite spricht. Bei nachträglicher Verarbeitung zu
Formteilen, z. B. Brandschutzplatten, stellt sich eine Art Gleichgewichtsfeuchte
ein, was das Kristallwasser und die Restfeuchte betrifft. Die Restfeuchte
wird im Fall der Erwärmung oberhalb der Verdampfungstemperatur
des Wassers ausgetrieben, also oberhalb 100°C. Das Austreiben
des Kristallwassers ist jedoch mit deut lich höheren Temperaturen
und einem höheren Energiebedarf verbunden. Bei einer Erhitzung,
beispielsweise im Brandfall, wird somit auch das Kristallwasser
abgegeben, was mit einem hohen Energiebedarf verbunden ist und somit
zu einer Temperaturverringerung in dem Trägermaterial führt,
wenngleich auch bei weitem nicht so deutlich ausgeprägt
wie beim Zeolith. Deshalb sind Stoffe aus derartigen Schichtsilikaten
sehr gut für Brandschutzmaßnahmen geeignet. Auch
wenn nachfolgend nur noch von Vermiculite gesprochen wird, soll
klargestellt sein, dass dies auch alle Schichtsilikate mit ähnlichen
Eigenschaften umfasst. Aufgrund der Restfeuchte und des Kristallwassers kann
das fertige Formteil etwa zwischen 5% und 50% Wasser insgesamt enthalten.
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Bei
der Verwendung eines Formteils oder einer Platte aus Vermiculite
verstärken sich somit die Brandschutzeigenschaften des
Vermiculite aufgrund des dort angebundenen Kristallwassers mit den
vorteilhaften Brandschutzeigenschaften des Zeoliths, die aufgrund
des noch höheren Energiebedarfs im Austreiben des Kristallwassers
erheblich höher liegen.
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Es
gibt erfindungsgemäß mehrere Arten, das Zeolith
in das Trägermaterial einzubringen, nämlich entweder
homogen verteilt oder in Lagen bzw.- Schichten eines wie auch immer
gearteten Formteils. Falls das Trägermaterial in flüssiger
oder pulvriger Form vorliegt und nachher auch so verwendet werden
soll, beispielsweise als Brandschutzbeschichtung in Lack oder Pulverform,
wird das Zeolith, gegebenenfalls nach Mahlen auf eine geeignete
Körnung, homogen in das Trägermaterial eingemischt
und anschließend auf ein zu schützendes Teil aufgebracht. Falls
das Zeolith als Lage auf- oder eingebracht wird, kann im Falle eines
flüssigen oder pulverförmigen Trägermediums
das Zeolith z. B. zuerst elektrostatisch auf das zu beschichtende
Teil aufgebracht und anschließend das Trägermaterial
darüber pulverisiert oder gespritzt bzw. gestrichen werden.
So haftet das Zeolith durch das nachträgliche Aufbringen
des Trägermaterials fest an dem zu schützenden
Teil an.
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Ähnlich
geht es bei festen Teilen wie beispielsweise Brandschutzplatten,
in welche das Zeolith einfach zu den Grundkomponenten vor der Formgebung
des Formteils zugemischt werden kann, so dass es nach dem Formprozess,
z. B. Pressen oder Extrudieren, homogen verteilt in dem Formteil
vorliegt. Bei der Herstellung eines festen Formteils ist es auch
möglich, separate Lagen des Trägermaterials und
Zeolith-haltige Lagen einzeln herzustellen und erst nach der Herstellung
der Einzellagen zu laminieren und zu einem Gesamtverbund zu verpressen.
Die Schichtung kann jedoch auch vor dem Formvorgang, wie z. B. Extrudieren
oder Pressen erfolgen, wenn einfach die viskosen oder pulverförmigen
Materialien des Trägermaterials und des Zeoliths in unterschiedliche
Bereiche der Form bzw. nacheinander in die Form eingeführt
werden, beim Extrudieren z. B. in unterschiedliche Bereiche vor
der Extrusionsöffnung. Bei einer Pressform wird vorzugsweise
zuerst eine Lage Trägermaterial oder Zeolith in die Pressform eingebracht
und anschließend alternierend Lagen aus dem jeweils anderen
Material, so dass sich ein Verbund mit wenigstens zwei Lagen ergibt.
Die Zeolith-Lagen können hierbei entweder durch das Trägermaterial
eingeschlossen sein oder außerhalb der Lage des Trägermaterials
liegen, je nach den geforderten physikalischen Eigenschaften. Besonders vorteilhaft
wird jedoch das Zeolith mit dem Trägermaterial gleichmäßig
zu einer Masse gemischt, die dann zu dem Formteil geformt bzw. gepresst
wird.
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Ein
Brandschutz-Material, das insbesondere für Hochtemperaturanwendungen
geeignet ist, umfasst vorteilhaft Vermiculite mit entweder lagenweise oder
besser noch homogen eingebrachtem Zeolith. Der Vermiculite-Anteil
liegt dort vorzugsweise zwischen 20% und 70%, insbesondere 30% und
50% bei vorgenanntem Zeolith-Anteil.
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Als
Vermiculite wird vorzugsweise geblähtes Vermiculite verwendet,
das durch eine vorherige thermische und/oder chemische Behandlung
stark aufquillt, bevorzugt um das etwa 15- bis 20-fache, wodurch
ein nicht brennbares Material mit einer geringen Dichte und einer
niedrigen thermischen Leitfähigkeit entsteht, welches elektrisch
nicht leitend ist. Geblähtes Vermiculite ist darüber
hinaus chemisch resistent und gesundheitlich unbedenklich. Nach
gewerbehygienischen Richtlinien ist geblähtes Vermiculite
steril und silikosefrei.
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Insbesondere
bei der Verwendung einer Vermiculite-/Zeolith-Mischung bzw. eines
entsprechenden Verbundes, wird vorteilhaft ein Binder auf Silikat- oder
Phosphatbasis verwendet, beispielsweise Wasserglas, Phosphorsäure
oder verschiedene Phosphatsalze der Phosphorsäure, so z.
B. Monoaluminiumphosphat, Natriumhexameterphosphat, Magnesiumphosphat,
Natriumaluminiumphosphat, Vorphosphat, Chromphosphat, Polyphosphat
oder Mischungen dieser. Es können jedoch auch andere Binder wie
Sulfate oder Chloride eingesetzt werden.
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Falls
eine Vorformung von Zeolith-haltigen Teilen und Trägermaterialien
erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn bei Trägermaterial und
Zeolith der gleiche Binder verwendet wird, so dass sich beim Laminieren dieser
Schichten eine möglichst gute Verbindungswirkung zwischen
den zu laminierenden Schichten entfaltet. Gegebenenfalls kann ein
Binder in einer Menge von etwa 0,1% bis 50% verwendet werden, vorzugsweise
15% bis 35%.
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Um
das Wasseraufnahmevermögen dieser hochdämmenden
und brandschutzsicheren Formteile zu verringern, kann das Teil mit
einem Hydrophobierungsmittel in einer Menge von vorzugsweise 0,01%
bis 5% versehen sein, vorteilhaft maximal 2%. Dieses Hydrophobierungsmittel
kann bereits mit der Anmischung der Masse für das Formteil
homogen eingebracht und/oder anschließend auf die Oberfläche
des fertig geformten Formteils aufgebracht werden, so dass das Wasseraufnahmevermögen
des Formteils beträchtlich reduziert wird. Als Hydrophobierungsmittel
können vorzugsweise Organosilikonverbindungen verwendet
werden. Es eignen sich jedoch auch andere Substanzen wie Stearate,
Amide, Wachsemulsionen, sowie Produkte auf Wachs-, Fett-, Ölbasis odgl.
oder Produkte wie Wasserglas, die erst in einer Reaktion mit anderen
Stoffen ihre hydrophoben Eigenschaften entwickeln.
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Durch
das Einbringen des erfindungsgemäßen Zeoliths
können Brandschutzplatten nach DIN 4102 bei
gleichbleibender Brandwiderstandsdauer in der Dicke verringert werden,
was erhebliche Einsparungen mit sich bringt. Die Dicke kann für
F90-Brandschutzplatten auf 30 mm bis 35 mm reduziert werden, evtl.
sogar auf bis zu 25 mm.
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Bei
Herstellung von Formteilen mit Vermiculite darin ist darauf zu achten,
dass diese langsam abgekühlt werden, damit keine Spannungen
oder Risse in den Platten entstehen.
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Zusätzlich
zum Trägermaterial, zu einem gegebenenfalls notwenigen
Binder und möglichen Hydrophobierungsmitteln ist es möglich,
funktionelle Füllstoffe wie z. B. Kalziumsilikat oder Gips
in die Formteile einzubringen, wodurch selektiv gewünschte
Eigenschaften beeinflusst werden können, wie z. B. Gewicht,
Aussehen, Farbe etc..
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Bei
Herstellung eines mehrlagigen Vermiculite-/Zeolith-Verbunds ist
insbesondere ein Zwei- oder Drei-Lagen-Verbund vorteilhaft, wobei
bei einem Drei-Lagen-Verbund entweder das Vermiculite innen liegt
und die beiden Zeolith-Lagen außen oder die Vermiculite-Lagen
außen und die Zeolith-Lage innen. Im Falle der Verwendung
von recycelten Vermiculite-Formteilen können alle gewünschten
Feinstpartikel, wie z. B. Zeolith, Füllstoffe und Zusatzstoffe, zur
Erzielung gewünschter mechanischer/physikalischer Eigenschaften
wie beispielsweise Hydrophobierung zwischen die Vermiculite-Lagen
eingebracht werden, wodurch der Verbund abgedichtet wird. Die Korngröße
des Zeolith-Anteils und der Zuschlagstoffe ist somit auf die Dicke
der Vermiculite-Lagen abzustimmen.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils
für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen
bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen
Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich
schutzfähige Ausführungen darstellen können,
für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung
der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften
beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in
ihrer Allgemeingültigkeit.
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Eine
Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit
einem Formteil als Brandschutzplatte ist für den Fachmann
nicht notwendig, da für ihn eine solche Brandschutzplatte
leicht zu realisieren ist anhand der vorstehenden Beschreibung.
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Eine
vorteilhafte Mischung besteht aus 35% an natürlichem Zeolith,
wobei dieser Zeolith-Anteil großteils, also zu mindestens
95%, eine Korngröße zwischen 0 mm und 0,2 mm aufweist.
Das Trägermaterial ist Vermiculite mit einem Anteil von
etwa 40% und einer Korngröße von etwa 1 mm bis
2 mm, wobei noch Phosphorsäure als Binder mit einem Anteil
von etwa 24% und ein Anteil von 1% eines Hydrophobierungsmittels
beigefügt ist. Die Herstellung erfolgt wie zuvor beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19840990
C1 [0002]
- - DE 3738479 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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