Einleitung: Nicht jedes „Feuer“ ist gleich – die himmelweiten Unterschiede zwischen Bränden in Gebäuden und Bränden in chemischen Fabriken
Brandschutz im Bauwesen (ISO 834/GB 9978) und Brandschutz in der petrochemischen Industrie (UL 1709) weisen völlig unterschiedliche Brand-Temperaturkurven auf. ISO 834 (Zellulosebrand) – simuliert die Verbrennung von Holz/Papier/Textilien – langsamer Temperaturanstieg – erreicht nach 30 min 821 °C – gibt Personen und Brandschutzsystemen längere Reaktionszeiten. UL 1709 (Kohlenwasserstoffbrand) – simuliert die Verbrennung von Erdöl/Erdgas/Chemikalien – extrem schneller Temperaturanstieg erreicht innerhalb von 5 min 1093 °C – nach 10 min >1100 °C. Stahlkonstruktionen erreichen bei einem so schnellen Temperaturanstieg in sehr kurzer Zeit die kritische Temperatur (550 °C) – erfordern, dass die Brandschutzbeschichtung in kürzester Zeit und mit höchster Expansionsrate eine isolierende Karbonisierungsschicht aufbaut. Eine nach ISO 834 zugelassene intumeszierende Beschichtung kann unter UL 1709 möglicherweise nach 30–60 Minuten versagen, da die Expansions- und Karbonisierungsgeschwindigkeit der Beschichtung nicht mit dem Temperaturanstieg des Kohlenwasserstoffbrandes Schritt hält – bevor die Beschichtung das ”Aufschäumen” abgeschlossen hat – erreicht der Stahluntergrund bereits die kritische Temperatur – Brandschutzversagen.
I. Vergleich der Temperatur-Zeit-Kurven von ISO 834 (Zellulosebrand) und UL 1709 (Kohlenwasserstoffbrand)
| Zeit (min) | ISO 834 Temperatur (°C) | UL 1709 Temperatur (°C) | Temperaturdifferenz (°C) | Herausforderung für die Beschichtung |
|---|---|---|---|---|
| 5 | 576 | 1093 | 517 | UL 1709 – Beschichtung muss innerhalb von <5 min aufschäumen – extrem kurzes Zeitfenster |
| 10 | 678 | >1100 | >422 | ISO 834 – Aufschäumen der Beschichtung kann >30 min andauern |
| 30 | 821 | >1100 (stabil) | >279 | UL 1709 – >1100°C Konstanttemperatur / langfristige thermische Stabilität der Karbonisierungsschicht |
| 60 | 925 | >1100 | >175 | ISO 834 – Temperatur steigt langsamer / kontinuierlich ansteigend |
FAQ
Q1: Warum ist das „5 Min. bis 1093 °C“ von UL 1709 eine extreme Herausforderung für intumeszierende Beschichtungen?Der Aufschäumprozess von intumeszierenden Beschichtungen (APP/PER/MEL) – (1) APP (Ammoniumpolyphosphat) zersetzt sich und setzt Phosphorsäure frei (katalysiert die Veresterung und Verkohlung von PER – >200 °C); (2) MEL (Melamin) zersetzt sich und setzt Gase wie NH₃/CO₂ frei (Aufschäumen – >250 °C); (3) PER dehydratisiert unter Phosphorsäurekatalyse → Verkohlung – Bildung einer aufgeblähten Karbonisierungsschicht (>300 °C). Die Gesamtdauer dieser drei Reaktionen liegt bei 2–5 Min. unter der Aufheizung gemäß ISO 834 – von 0 → 576 °C (5 Min.) – das Temperaturfenster reicht aus, damit die Beschichtung vollständig aufschäumt. Bei UL 1709 jedoch – 0 → 1093 °C in nur 5 Min. – werden APP/PER/MEL der Beschichtung innerhalb weniger Sekunden über die optimale Reaktionstemperatur „hinweggesprungen“ – die Reaktion ist unvollständig – das Aufschäumen unvollständig – die Karbonisierungsschicht unzureichend – der Stahl erreicht nach 10–15 Min. die kritische Temperatur – der Brandschutz versagt.
Q2: Warum eignet sich Dipentaerythrit (DPER) besser für Kohlenwasserstoffbrände als Monopentaerythrit (PER)? Der Schmelzpunkt von PER (ca. 260 °C) und die Verkohlungstemperatur (>300 °C/unter Phosphorsäurekatalyse) – nach der Verkokung entsteht ein kohlenstoffhaltiges Gerüst. DPER (Dimer/zwei PER-Moleküle über ein Sauerstoffatom verbunden) hat einen höheren Kohlenstoffgehalt (ca. 45 % vs. 41 % bei PER), und die nach der Verkohlung entstehende Kohleschicht ist dichter/hoher fest bei anhaltenden Temperaturen über 1100 °C – die Abtragsrate (Ablation Rate) der Kohleschicht ist geringer – die Brandschutzlebensdauer verlängert sich. DPER ist der „Standard-Verkohlungsmittel“ für intumeszierende Beschichtungen bei Kohlenwasserstoffbränden; PER eignet sich nur für Cellulosebrände.
Q3: Warum verbessert mikroverkapseltes APP die Brandschutzeigenschaften gegen Kohlenwasserstoffbrände?Normales APP unter schneller Erhitzung >300°C – die Zersetzungsprodukte von APP (Phosphorsäure/Polyphosphorsäure) verteilen sich ungleichmäßig in der Karbonisierungsschicht (lokale Verdunstung/lokaler Überschuss) – ungleichmäßige Qualität der Karbonisierungsschicht. Mikroverkapseltes APP (APP-Partikeloberfläche mit Melamin-Formaldehyd-MF-Harz beschichtet) – (1) APP wird in der MF-Kapsel „geschützt“ vor frühem thermischen Abbau – wird erst freigesetzt, wenn die Beschichtungstemperatur auf >350°C steigt – der Freisetzungszeitpunkt ist präziser (genau im aktiven Fenster der PER-Verkohlung); (2) Die Zersetzungsprodukte der MF-Kapselhülle (stickstoffhaltige Gase) – wirken als zusätzliche Schäumungsquelle zur Erhöhung des Aufschäumverhältnisses.
Q4: Was ist der Unterschied zwischen Strahlfeuer (Jet Fire/ISO 22899-1) und Tankfeuer (Pool Fire/ISO 20041-1)?Strahlfeuer – Hochdruckgas/-flüssigkeit tritt aus Riss in Rohr/Behälter mit hoher Geschwindigkeit aus und brennt, Flammentemperatur >1300°C – gleichzeitig Korrosion durch Hochgeschwindigkeitsgasstrom (>100 m/s) (mechanische Stoßwirkung + Hochtemperaturoxidation) – unter dem doppelten Angriff von „Hitze + Korrosion“ des Strahlfeuers kann die verkohlte Schicht durch den Gasstrom physisch „weggeblasen“ werden – Brandschutz versagt. Tankfeuer – Flüssiger Brennstoff bildet auf dem Boden einen „Flammenpool“, Temperatur >1100°C – jedoch keine Korrosion durch Hochgeschwindigkeitsgasstrom – die Herausforderung für die Beschichtung ist „nur“ die hohe Temperatur – die Anforderungen an die Festigkeit der verkohlten Schicht der intumeszierenden Beschichtung sind geringer als beim Strahlfeuer. Strahlfeuer ist der höchste Prüfgrad für den Brandschutz von Beschichtungen in der Petrochemie und auf Offshore-Plattformen.
Q5: Wie wird die „Ablationsrate“ (Ablation Rate) der Karbonisierungsschicht einer Kohlenwasserstoffbrand-Beschichtung gemessen?Unter UL-1709-Heizbedingungen – alle >10 min – (1) Heizung stoppen –> Restdicke der Karbonisierungsschicht messen; (2) mit SEM die Mikrostruktur der Karbonisierungsschicht analysieren (Porengröße/Wandstärke – Isolierwirkung bewerten) – Kurve „Restdicke-Zeit“ erstellen – Zeit der „vollständigen Ablation der Karbonisierungsschicht“ (Restdicke = 0) extrapolieren – entspricht dem „Feuerwiderstandslimit“ der Beschichtung.
Q6: Unterschiede in der Rezeptur zwischen epoxidbasierten intumeszierenden (für Kohlenwasserstoffbrände geeignet) und acrylbasierten intumeszierenden (für Cellulosebrände geeignet) Beschichtungen? Epoxidbasiert intumeszierend — Epoxidharz (hitzebeständig >150°C) + Härter (Amin/Säureanhydrid) — die Beschichtung weist bei Raumtemperatur bereits einen höheren Tg und mechanische Festigkeit auf; die Festigkeit der Karbonisierungsschicht im Brandfall ist höher als bei der Acryl-Type — geeignet für Kohlenwasserstoffbrände (>1100°C / erfordert hochfeste Karbonisierungsschicht). Acrylbasiert intumeszierend — Acrylemulsion (Einkomponenten / einfach aufzutragen) — niedriger Tg (<50°C) — im Brandfall frühes Erweichen — schnelle Expansion — jedoch schwächere Festigkeit und thermische Stabilität der Karbonisierungsschicht als die Epoxid-Type — geeignet für Cellulosebrände (<950°C).
Q7: Die ingenieurtechnische Praxis des „passiven Brandschutzes“ (PFP/Passive Fire Protection) bei Kohlenwasserstoffbränden auf Offshore-Plattformen?Offshore-Plattformen (Bohrung/Produktion) – (1) Stahlstruktur-Säulen und -Stützen – epoxidische intumeszierende Beschichtung (PFP/DFT > 10 mm) – UL 1709/120 min (Kohlenwasserstoffbrand/2 h) – Beschichtungsdicke > 10 mm (sehr dick – mehrmaliges Spritzen erforderlich); (2) Ausrüstung (Separator/Kompressor) – intumeszierende Beschichtung + Zement-Perlite-Spritzschicht (doppelte Schutzschicht); (3) Fluchtwege – epoxidische intumeszierende Beschichtung (> 60 min Brandschutz). Das Gesamtgewicht der PFP-Beschichtung auf See kann > 50 kg/m² erreichen – hat erheblichen Einfluss auf die Strukturlast der Plattform – muss bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden.
Q8: Brandschutzanforderungen an Beschichtungen für Tunnelbrände (RWS-Kurve/niederländische Norm)?RWS (Rijkswaterstaat/niederländisch) Tunnelbrandkurve – simuliert Tankwagenbrand im Tunnel >1200°C/120 min – strenger als UL 1709. Tunnelbrandschutzbeschichtung – (1) extrem hohe thermische Stabilität der Verkohlungsschicht – verhindert zu schnelle Abtragung der Verkohlungsschicht bei >1200°C; (2) “Reparierbarkeit” nach dem Brand – beschädigte Bereiche der Beschichtung nach einem Tunnelbrand können lokal repariert werden – kein vollständiger Austausch erforderlich.
Q9: Wie beeinflusst der „Querschnittsbeiwert“ (Hp/A/Section Factor) bei Brandschutzanstricharbeiten die Auslegung der Schichtdicke?Hp/A=Verhältnis von Feuerumfang/Querschnittsfläche des Stahlbauwerks; je größer der Wert – desto schneller erwärmt sich das Stahlbauteil und desto größer muss die Brandschutzschichtdicke sein. Beispielsweise – I-Träger (Doppel-T-Träger/Hp/A sehr groß – dünne Flansche – erwärmen sich extrem schnell) im Vergleich zu Hohlkastenprofil (Hp/A klein – dicke Bleche – erwärmen sich langsam) – die benötigte Schichtdicke des ersteren kann mehr als das 2-Fache des letzteren betragen. Im TDS des Brandschutzanstrichs muss eine „Tabelle der empfohlenen Schichtdicken bei unterschiedlichen Hp/A“ angegeben sein, anhand derer der Ingenieur das Brandschutzkonzept für die Stahlkonstruktion auslegt.
Q10: Nimmt die „Gültigkeitsdauer“ der Schaumfunktion von Brandschutzanstrichen ab? Bei intumeszierenden Anstrichen reagiert APP während des Langzeitbetriebs (>10 Jahre) langsam mit Feuchtigkeit und CO₂ in der Luftteilweise zu Ammoniumhydrogenphosphat hydrolysiertund verliert die Schäumkatalysefähigkeit – das Schäumverhältnis nimmt um >30% ab – die Brandschutzeigenschaften verschlechtern sich. Alle5–8 Jahreist eine„Stichprobenprüfung des Schäumverhältnisses“ (GB 14907)des Brandschutzanstrichs erforderlich: Eine Beschichtungsprobe wird im Labor bei >500°C geglüht – das Verhältnis von aufgeblähter zu ursprünglicher Dicke wird gemessen – 50-fach) – Schäumfähigkeitsabnahme wird festgestellt –Neubeschichtung mit Brandschutzanstrichist erforderlich.
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Zusammenfassung
Der Unterschied in den Temperatur-Zeit-Kurven zwischen Kohlenwasserstoffbränden (UL 1709 / 5 min erreichen 1093 °C) und Cellulosebränden (ISO 834 / 30 min erreichen 821 °C) ist die wichtigste „Brandsszenario“-Variable bei der Rezepturentwicklung von Brandschutzanstrichen. Der Kern eines Kohlenwasserstoffbrand-Beschichtungssystems – hochschmelzender Kohlebildner (DPER), mikroverkapseltes APP und Epoxidmatrix – bietet bei >1100 °C einen Brandschutz von >120 min. Kexin New Materials bietet Kunden ein vollständiges Sortiment an intumeszierenden Brandschutzanstrichprodukten sowie technische Unterstützung für Cellulosebrände und Kohlenwasserstoffbrände.