Einleitung: Brandschutzbeschichtungen – damit Stahlkonstruktionen im Feuer die entscheidenden 180 Minuten überstehen
Die tödliche Schwachstelle von Stahlkonstruktionen (Hochhäuser/Brücken/petrochemische Anlagen)Wenn die Temperatur auf >500°C steigt – die Streckgrenze des Stahls halbiert sich – >600°C – Verlust der Tragfähigkeit – Strukturzusammenbruch
– die direkte Ursache für den Einsturz des World Trade Center am 11.09. – nicht der Flugzeugaufprall – sondern das Abbrennen von Flugzeugtreibstoff (>1000°C) – Versagen der feuerhemmenden Beschichtung der Stahlkonstruktion – Erweichung des Stahls – ”Pfannkuchenartiger” Einsturz der Stockwerke. Die Mission der BrandschutzbeschichtungUnter der Standard-Brandkurve (ISO 834/Raumtemperatur → >500°C/5min → >800°C/30min → >1000°C/120min) – die Stahltemperatur von >1000°C auf 60–180 Minuten ”Goldene Zeit” erkaufen
– das ist der Wert der Brandschutzbeschichtung, der ”mit wenigen Millimetern Beschichtung – Hunderte von Leben rettet”.
Intumeszierende Brandschutzbeschichtungen sind eine Art von Spezialfunktionsbeschichtung, die aus drei funktionellen Komponenten – Säurequelle (Ammoniumpolyphosphat APP – katalysiert die Dehydratisierung und Verkohlung), Kohlenstoffquelle (Pentaerythrit PER – liefert das Kohlenstoffgerüst) und Gassquelle (Melamin MEL – schäumt und quillt auf) – in Kombination mit Bindemittelharzen (Epoxid/Acrylat/Alkyd) bestehen. Bei Brandhitze (>200°C) laufen in drei Schritten die Reaktionen „säurekatalysierte Dehydratisierung → Verkohlung → Aufblasen durch Gassquelle“ ab, wobei die Beschichtung um das >50- bis 100-Fache aufquillt und eine >2–5 cm dicke poröse Schaumkohlenstoffschicht (Wärmeleitfähigkeit <0,1 W/m·K) bildet, die die Temperatur des darunterliegenden Stahlbaus für 60–180 Minuten im sicheren Bereich (<140°C) hält und so die Integrität der Gebäudestruktur und die Sicherheit von Personen schützt.
I. Das “Drei-Komponenten”-chemische System von intumeszierenden Brandschutzbeschichtungen
| Komponente | Repräsentative Verbindung | Zersetzungstemperatur (°C) | Wirkmechanismus | Typische Zusammensetzung (%) | Wesentliche Qualitätskennzahlen |
|---|---|---|---|---|---|
| Säurequelle (Dehydratisierungsmittel) | APP (Ammoniumpolyphosphat / Polymerisationsgrad > 1000) | >215°C – Freisetzung von Polyphosphorsäure | Polyphosphorsäure katalysiert die Dehydratisierungsveresterung der -OH-Gruppen der Kohlenstoffquelle (PER) – Bildung von Phosphorsäureestern – weitere Pyrolyse – Verkohlung „Dehydratisierungs- und Verkohlungskatalysator“ | 25-35 | Polymerisationsgrad > 1000 (wasserbeständig / nicht migrierend) / P₂O₅-Gehalt > 55 % / Wasserlöslichkeit < 0,5 g/100 ml |
| Kohlenstoffquelle (Carbonific) | PER (Pentaerythrit / Dipentaerythrit) | >250°C (bei Vorhandensein von APP – Veresterung früher) | Mehrwertige Hydroxylgruppen (-OH) verestern mit Polyphosphorsäure – Dehydratisierung – Verkohlung – Bildung einer graphitisierten Kohlenstoffschicht („Kohlenstoffgerüst“) | 10-15 | Reinheit > 98 % / Hydroxylgehalt (theoretischer OH% = 58,8 %) / Feinheit < 50 μm |
| Gassquelle (Spumific) | MEL (Melamin) | >300°C – Sublimation + Zersetzung | Bei Erwärmung Sublimation + Zersetzung – Freisetzung von inerten Gasen wie NH₃ / N₂ / CO₂ – „Aufblasen“ der geschmolzenen Kohlenstoffschicht zu Schaum – Expansionsverhältnis > 50× – Schichtdicke der Kohleschicht > 2–5 cm | 10-15 | Reinheit > 99 % / enger Zersetzungstemperaturbereich (300–350°C „konzentrierte Schaumbildung“) |
| Bindemittelharz | Epoxid / Acrylat / Alkyd | Variabel (>150°C Erweichung) | Bei niedriger Temperatur – Gewährleistung der physikalischen Integrität und Haftung der Beschichtung – bei >200°C – Harz erweicht – wird zum „Schmelzträger“, der die Gassquelle aufbläht – Kohlenstoff- / Säurequelle reagieren im Harz | 25-40 | Tg / Erweichungspunkt – Abstimmung mit der Reaktionstemperatur von APP / PER / MEL „synchron mit den drei Quellen“ |
FAQ
Q1: Das klassische Mischungsverhältnis von APP/PER/MEL (3:1:1) – warum genau dieses Verhältnis – was passiert bei Abweichung?
3:1:1 (APP:PER:MEL – Gewichtsverhältnis) ist die aus >40 Jahren Optimierung und unzähligen Rezepturtests resultierende „optimale Synergie“ (1) APP dominiert (>50 % der gesamten drei Quellen) – weil ausreichend viel Polyphosphat benötigt wird, um alle -OH-Gruppen von PER zu verestern – bei unzureichendem APP bleibt ein Teil von PER unverestert – keine Verkohlung möglich – Kohleschicht „lockeres Gerüst“, Expansionsgrad <20, Feuerwiderstandszeit <30 min
; (2) PER 10–15 % – ausreichendes Kohle-„Gerüst“, aber nicht im Überschuss – zu viel PER – Kohleschicht zu dicht – Gasquelle kann schwer aufblähen „schlechte Expansion“ – zu wenig PER – Kohleschicht zu dünn „wird weggeblasen“ – keine Wärmedämmung; (3) MEL 10–15 % – liefert angemessene Gasmenge – zu viel MEL „übermäßige Schaumbildung“, Kohleschicht zu dick aber „porös und spröde“, geringe Strukturfestigkeit – unter Flammenstrahlung „reißt Kohleschicht ab und fällt ab“ – zu wenig MEL „unzureichende Schaumbildung“, Kohleschicht dünn – keine Wärmedämmung. Rezepturabweichung ±2 % – Feuerwiderstandsleistung kann um >30 % sinken. Das Mischungsverhältnis der „drei Quellen“ ist die „Lebensrezeptur“ der Brandschutzbeschichtung.
Q2: Warum ist die „Wärmeleitfähigkeit“ der expandierten Kohleschicht so beschaffen, dass eine >2 cm dicke Kohleschicht 1000°C auf <140°C senken kann?
Expandierte Kohleschicht – Schaumstruktur (geschlossenporig/offenporig – >90 % Porosität) – gefüllt mit N₂/CO₂ Inertgas – Wärmeleitfähigkeit des Gases (>0,01–0,03 W/m·K – weit unter Stahl >50 – Kohlenstoff >5) Gesamte effektive Wärmeleitfähigkeit der Kohleschicht <0,1 W/m·K – 1/500 von Stahl
. (1) Fourier-Gesetz – stationärer Wärmestrom durch die Kohleschicht Q=(k/δ)×(T_fire-T_steel) – k=0,1 – δ=0,03 m (>3 cm Kohleschicht) – Temperaturdifferenz ΔT≈900°C – Q≈3000 W/m² – während der Stahlrahmen die Wärme an die Umgebung abgibt – kann diesen Wärmestrom aushalten – Stahltemperatur stabil bei <140°C; (2) Kohleschicht 3× – Stahl >500°C – Versagen. Die „Dicke“ der Kohleschicht wird durch den Expansiongrad bestimmt (>50× – anfängliche 50 μm DFT – expandiert → >2,5 cm Kohleschicht – 5 cm Kohleschicht). „Dicke ist Lebensdauer“ – das ist der Grund, warum Brandschutzbeschichtungen eine DFT von >0,5–5 mm benötigen – 10–100× dicker als herkömmliche Korrosionsschutzbeschichtungen.
Q3: Epoxid, Acryl, Alkyd – welches Bindemittel eignet sich am besten für APP/PER/MEL-Systeme?
(1) Epoxid – chemikalienbeständig + hervorragende Haftung – aber Epoxid „weicht bei >200°C nicht auf“, sondern degradiert direkt – verkohlt – Kohleschicht „hart und spröde“ reißt unter Flammenstrahlung spröde auf – Brandschutzleistung instabil – meist Zugabe von „Weichmacher“ (Phosphatester – fester Weichmacher – verbessert Zähigkeit der Kohleschicht) erforderlich – Epoxid-System geeignet für Innenbereich/ohne UV
(Tanks – Petrochemie – chemische Umgebung „Epoxid-Brandschutz – dickbeschichtend“); (2) Acryl – niedrige Tg – Erweichungstemperatur (>100–150°C) – passt zum Reaktionsfenster von APP/PER/MEL „bester Schmelzträger“ Kohleschicht gleichmäßig – stable Quellrate – wetterbeständig – Stahlbau im Freien „
– ist derzeit das Hauptbindemittel für Brandschutzanstriche (>60 % Marktanteil) – aber chemikalienbeständiger als Epoxid – nicht geeignet für stark saure/alkalische Umgebungen; (3) Alkyd – langsame Trocknung – oxidative Vernetzung – dicke Filmbildung – aber Alkyd enthält ungesättigte C=C – bei >200°C – oxidative Degradation – Kohleschichtstruktur locker „hohe Quellrate aber geringe Festigkeit“ Brandschutzleistung stark schwankend – derzeit <10 % Marktanteil bei Brandschutzanstrichen
– größtenteils durch Acryl ersetzt.
Q4: Unterschiede in der Ausführung von “dickbeschichteter” Brandschutzfarbe >2 mm und “dünnbeschichteter” <0,5 mm?
Dickbeschichtung (epoxybasiert – DFT >2–5 mm) – (1) erfordert mehrfache Applikation (je Schicht <1 mm – Rissbildung vermeiden – da Volumenschrumpfung + exotherme Reaktion der dicken Schicht – Akkumulation innerer Spannungen “Schlammrisse”) – >5 Schichten – Trockenzeit zwischen Schichten >6 h (oberflächentrocken)
; (2) Werkzeuge – Spachtel / Zweikomponenten-Spritzgerät / “Airless-Spritzpumpe – Druck >250 bar – da Viskosität des Anstrichs extrem hoch (>2000 mPa·s) – enthält viele Feststoffe APP/PER/MEL (>60 % Gewicht – feste “sandartige” Partikel – Rohrverstopfung – benötigt >1/2 Zoll Rohrdurchmesser + Mörtelpumpe”; (3) Nachbehandlung – >7–14 Tage – Umgebungstemperatur >5 °C – Luftfeuchtigkeit <85 % “vollständige Epoxyvernetzung – erst dann Feuerwiderstandstest – unvollständige Aushärtung – Feuerwiderstandsleistung stark reduziert”. Dünnbeschichtung (Acryl – DFT <0,5 mm) – (1) einfache Schicht (>0,2 mm) oder Doppelschicht – normale Airless-Spritzapplikation “einfache Ausführung – gutes Aussehen – als Gebäudedekoration geeignet”; (2) jedoch Feuerwiderstandsdauer <60 min (0,5 mm DFT) – im Vergleich zu Dickbeschichtung – kann >180 min (>3 mm DFT). “Dünnbeschichtung – ästhetisch – kurzer Feuerwiderstand – Gebäude/Einkaufszentren – Dickbeschichtung – Industrie – langer Feuerwiderstand – Petrochemie – Tunnel”.
Q5: Wie verhalten sich GB 14907-2018 (Brandschutzbeschichtungen für Stahlkonstruktionen) und ISO 834 (Normale Brandtemperatur-Zeit-Kurve) zueinander?
Die ISO-834-Kurve ”Standardbrand – Zeit-Temperatur – T=20+345×log₁₀(8t+1) – t in Minuten – 1 h → 945 °C – 2 h → 1033 °C – 3 h → 1082 °C – 4 h → 1114 °C” ist ein allgemeines Modell für den Temperaturanstieg bei Gebäudebränden – die standardisierte Brandquellenkurve für weltweite Brandschutzprüfungen”. GB 14907-2018 – chinesische Zwangsnorm – (1) übernimmt ISO 834 als Aufheizbedingung (gleichwertig ”Aufheizbedingung – GB/T 9978 – ISO 834″) – (2) ergänzt – Feuerwiderstandsdauer – R (Tragfähigkeit)/E (Dichtheit)/I (Wärmedämmung) – >0,5 h – 1 h – 1,5 h – 2 h – 2,5 h – 3 h – sechs Klassen – Abgleich mit den Feuerwiderstandsklassen von GB 50016 (Code für Brandschutz im Hochbau). GB ”entspricht ISO – gleiche Prüfbedingungen – Feuerwiderstandsklassen – chinesisches Format – R/E/I”.
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Zusammenfassung
Intumeszierende Brandschutzbeschichtung – Säurequelle (APP – katalytische Dehydratisierung) + Kohlenstoffquelle (PER – Kohlenstoffgerüst) + Gasquelle (MEL – Aufschäumen) – bei Brand >200 °C erfolgen die drei Schritte „säurekatalysierte Veresterung und Dehydratisierung – Verkohlung – gasgetriebenes Aufblähen“ – die „0,5–5 mm Schichtdicke“ der Beschichtung schwillt zu einem >2–5 cm dicken Schaumkohlenstoffschicht auf – Wärmeleitfähigkeit <0,1 – hält die Temperatur des Stahlbaus unter 60–180 Minuten. Kexin New Materials produziert verschiedene Brandschutzbeschichtungen – GB 14907 zertifiziert: „still – doch – im Feuer sofort im Einsatz – Millimeterbeschichtung – die Lebenszeit erkauft – chemische ‚Rüstung‘“.