专利名称：高度耐火的无机泡沫体的制作方法
技术领域：
本发明涉及高度耐火的无机泡沫体、所述泡沫体的制备方法和所述泡沫体的用途。
背景技术：
几乎没有任何事件能像2001年9月11日在纽约发生的破坏性事件一样令整个文明世界为之震惊。当时，在摩天大楼中的人们在没有任何保护的情况下，经受了一场火的灾难。
世界贸易中心双子塔约在20世纪80年代末由钢铁型材建造。当时并不知道钢铁在750-800℃的温度范围内会失去固有强度并坍塌。由于从飞机向一些楼层投掷了煤油，从而升高了火温。钢铁型材无法耐受这些温度。
DE 39 23 284 C2首次描述了绝热材料，其能在2100℃至焊炬的火焰温度范围内能保持其体积数小时。该性能无疑是通过无机组合物、石英粉末和硅酸钠实现的，其堆密度为50-400kg/m3。由于气室的存在而使得导热系数较低。但尽管大量的气室具有由易碎的无机材料形成的敏感的壁，可以对该发明的产品采取适当的措施，例如获得在周边区域的足够的耐摩擦性。
如果室温下将一些氢氧化铵倒入铝盐的水溶液中，将沉淀出胶状无定形氧化铝水凝胶，其逐渐转化为结晶偏氢氧化铝AlO(OH)。首先形成的胶状沉淀物含有不同量的水，其部分是吸附水，部分是化学结合水。从该沉淀物中，可以逐渐形成可精确确定的化学计量的氢氧化物。过去，假设形成的“氧化铝水合物”(在工业应用中仍被称为氧化铝水合物)具有组成Al2O3·H2O或Al2O3·3H2O，并因此是氧化物水合物。然而，研究表明该沉淀物真正是氢氧化物。从RomppChemielexikon，第2.0版，Strttgart/纽约Georg Thieme Veriag，1999，已知使用细分散的Al(OH)3作为阻燃剂。
高度耐火的泡沫体满足的要求可以归纳如下1.绝对的不燃性；2.足够的机械强度；3.当火温传至期望在至少600℃保护钢铁的一侧时，具有尽可能高的绝缘性能。
在本领域中，已知的绝热材料，如人工树脂泡沫、玻璃和无机纤维等用于建筑工程中。
期望这些绝缘材料例如在建筑物中保持低温-30℃或在热温+40℃环境中保持室温。虽然是绝缘材料，在100℃以上，人工树脂泡沫会剧烈燃烧而释放出烟雾和毒性气体。
即使传统的绝缘材料无机纤维，也不能长期耐受高于1000℃的温度。
DE 199 09 077 A1涉及高度耐火的无机泡沫体、其制备方法以及所述泡沫体的用途。
发明内容
本发明的目的是发展新型的泡沫体，尤其是防火材料，其能高可靠性地维护一定的温度范围达数小时，例如4至6小时。
本发明的另一目的是进一步解决在连续着火数小时内，电梯，尤其是乘客电梯的使用问题。
在第一实施方式中，本发明涉及由混合物组成的高度耐火的无机泡沫体，所述泡沫体至少部分地具有开孔结构，通过加热被发泡和固化，所述混合物包括碱水玻璃(alkali water glass)、氢氧化铝和一种或多种选自氧化铝、硅氧化物、高铝水泥、石粉及其混合物的填料，所述无机泡沫体具有的堆密度为200-900kg/m3。
在本文中，“冷却”意指对热能的吸收。例如，认为一块1m2大小15mm厚的石膏板含有3升结晶水。为了蒸发所述量的水，期望吸收约8400kJ或2000kcal的能量。
通常，石膏具有的导热系数为2.1W/mK。所述蒸发使得通过该材料的热流明显减少。
如
图1所示，测试规整的石膏板(根据DIN 4102的Kleinbrandschacht测试)，发现在约100℃的热穿透延迟了约20分钟，曲线b是标准的温度曲线，根据DIN 4102称之为“ETK”。
根据石膏板工业的看法，该冷却效应是基于对化学结合的结晶水的蒸发。
然而，曲线a显示，20分钟冷却效应之后，曲线陡峭地上升，约60分钟后，背侧的温度约400℃，即远高于极限140℃。所述板被归类为F 30。
根据DIN在小烘箱中的所述测试的结果与根据本发明的泡沫体的测试结果完全不同，本发明的泡沫体含有化学结合水，尤其含有作为液体玻璃(liquid glass)的无机粉末的氢氧化铝。如图2所示，曲线A显示具有厚度为90mm的泡沫块的过程。300分钟或5小时后，在背侧获得的温度仅为116℃。然而，同样的泡沫板，但厚度是70mm，在着火200分钟后，在背侧达到的极限温度为142℃。令人惊奇的是，在此时间后背侧的温度连续下降，这是该冷却效应的重大成功之处。
因此，根据本发明的泡沫绝缘材料的最优厚度为80mm，其具有的理想的结果是250分钟后在130℃处出现最高峰，然后持续下降，这是本发明的材料的最显著的特性。
在用丙烷气火焰的其它测试中，发现对于堆密度为200kg/m3至900kg/m3，这些结果非常相似。
令人惊奇的是，已发现在上述根据本发明的无机泡沫绝缘材料中存在相同量的自由的和化学结合的水分子。自由水分子在室温下蒸发，在例如100℃至200℃下，如DE 39 23 284 C2中以更高的速度蒸发。根据以前的经验，根据本发明的冷却效应是当结晶水分子蒸发，即仅在约500℃至700℃的范围蒸发而实现的。
令人惊奇的有利结果不仅是因为硅酸钠的结晶水的冷却效应，而且是由于氢氧化铝的冷却效应和由该无机材料的氢氧化物部分蒸发而产生的冷却效应。
本发明相对于DE 39 23 284 C2的进步在于如下事实，由于认识到高火温下的结晶水的蒸发的冷却效应，因而进行合理利用，并且还在于通过利用氢氧化铝以增强水分子的蒸发效果的第二步骤。
在使用所述泡沫体的实践中，尤其是作为防火材料，例如在摩天大楼的建造中，当在室内的钢铁支撑物衬有这些材料时，这些衬里和涂布材料必须满足的最低要求包括，例如不令人讨厌的外观，高的防震性和/或防摩擦性。
在德国，DIN标准4102进一步设定了在机械强度方面的重要要求防火衬里必须耐受2bar的水喷压力1分钟(第6.2.10项)。
在DE 39 23 284 C2中详细提及的包括拉伸强度增强的周边区域的密实化(densification)根据本发明也具有重要的作用。从仿生学的角度，与人类或动物的骨骼一样，里面是重量轻的，而外面是具有最大的硬度。
所述不燃的绝缘材料的骨性设计在其它不燃性材料，如硅酸钙和石膏板中是不能实现的，因为已完全缺乏气室和缺乏拉伸强度增强这两个因素。偶尔利用的发泡化学品也不具有机械表面硬度。
通过上述的发展的新型材料满足对于钢铁和钢筋混凝土结构的衬里的防火保护的所有要求。
根据本发明的所有防火材料包括硅酸钠/钾作为粘合剂。当用作实际中的钢铁和钢筋混凝土衬里时，它们产生显著的优势。硅酸盐溶液是唯一的无机耐火粘合剂。因此，例如将它们应用于钢铁表面在处理中是极其简易和有效的。钢铁侧涂有无机粉末(氢氧化铝)和硅酸钠的混合物的涂层，待嵌入的本发明的防火板的表面也同上处理。所述应用，例如在低于钢板的最高限度下，以此方式立即粘附，且不需要被支撑。
根据本发明的泡沫体，例如作为防火板，同时具有优异的吸收由空气传播的声音的特点。对存在的空气传播声波的有效吸收是无机开孔结构的结果。该效果例如通过耐火多孔板或通过加工表面以形成小的锥形而实现，如图3所示。
与窗户相比，门和防火门可以在尺寸上标准化。
在图4中，描述了通常用途的不燃性和高度耐火的内部和外部门的结构。但是根据本发明的泡沫材料不仅在着火时具有冷却效应，而且对于潮湿房间，其完全地防水和防水蒸气，防震和耐摩擦，两面都是胶合的，可上釉的且防子弹。
规整的门扇1包括根据本发明的泡沫材料，其含有提供有弯曲拉伸强度的增强件2。门框3具有与门扇1相同的特点(因为其防火行为，导热性等等，比多数在此应用的钢铁型材更有优势)。砖砌体4和内部灰泥5也在此显示。
根据本发明的防火门的特定结构取代了由钢板制成的门，如图5所示。由根据本发明的泡沫体制成的两块薄的无机内部板3a，3b提供冷却效应。该高效的防止热通过的特殊效果，在于如下的事实，水分子渗透入无机纤维区域，并在蒸发期间通过在这些纤维区域的冷却而进一步吸收热能。
根据本发明的具有冷却效应的外部塑形复合板1a，1b焊接至锥形的框架板7(1至1.5mm)。无机纤维板6a，6b分别提供于根据本发明的两层泡沫体之间。图6中的参考标记4，5和6具有相同的含义。防火衬里的制备是本发明的一个极其重要的方面，尤其是室内防火钢铁和钢筋混凝土支撑物。特别是，这些衬里的表面必须具有机械强度以耐受灭火水喷冲击表面的2bar的压力。
应用实例显示具有根据本发明防火材料的钢铁顶板和钢铁型材取决于它们的厚度在4至6小时内耐受1050至1200℃的温度，因为具有显著的冷却效应，它们能耐受2100℃的焊炬的温度。
无论如何，通过根据本发明的防火绝缘材料的使用和构造设计在这些和其它的建筑设计中实现了最高的安全等级。根据本发明，在建造和重新建造摩天大楼中，通过使用本发明的防火材料和将它们合适地用于通常的墙体厚度可以实现高安全等级。
所有的塔体，摩天大楼或类似的建筑物具有楼梯间，尤其是紧急楼梯间，用于在起火时，疏导人群到达外界。
但是即使是塔体具有数个紧急楼梯间，也不可能使得每个人下去，例如楼梯中有100个楼层，也无法使得这成千上万个人在楼梯间中找到足够的空间。
因此，最重要的问题是在于电梯，尤其是乘客电梯，在起火时无法无时间限制的使用。
电梯通常在电梯井道中移动，由于在井道中布置有弱电流线路等，因此，在起火时，井道中的温度不能超过60℃。从而，穿过所有楼层的整个井道必须涂布有绝热材料，以使在内部不超过60℃。
通过本发明的泡沫材料以优异可靠的方式实现了在电梯井道的所有面上涂布高度耐火的绝缘材料。这对于世界范围的任一其它绝缘材料目前是无法实现的。
在使用电梯中，最大的困难通常在于甚至是在着火时，所有楼层中作为进入电梯井道的总是开着的滑动门。实践中，这些滑动门由钢板制成，也由不锈钢板制成。现在，钢铁具有取决于合金的不利的导热系数(为从45至70W/mK)。当起火时，这意味着滑动门将火的热量相对快速地传导到门的背侧。如果金属板结构的内部填充有绝热材料，如无机纤维，这种物理效果也没有改变，如同在塔体中的防火门。
另外，当在一个楼层中起火时，废气以及有毒气体立即产生，大多数是来源于塑料的燃烧。然而，滑动门必须连续移动，即，它们不能关闭以向电梯井道形成对烟雾和气体的密封。另外，当向上或向下移动时，每个电梯厢导致在电梯井道中的强烈降低的压力，因此，烟雾会更猛烈地吸入。结果，起火时，所述易于移动的滑动门的结构无法对于烟雾密封。
在楼层和在电梯厢中的高度耐火的密封门的可能结构示于图6中，其中，根据本发明的复合材料给出了例如对在此以厚度为18mm代表的框架测试中为F 120的值。
根据本发明的具有冷却效应的无机复合材料1包括拉伸增强件2。不锈钢板8通过硅酸钠焊接于复合材料的框架上。
图6中所示的组成具有如下的优点(1)通过具有导热系数为1.2W/mK的复合材料代替钢铁框架，传导至背侧的火温以大大延缓的方式传导。
(2)通过用具有冷却效应，即值为F 120的无机泡沫绝缘材料代替无机纤维，几乎完全地避免了热辐射的通过。
然而，空气缝隙对于这些滑动门是无法避免的。其必须为约2mm宽。
电梯的生产中，通常的观点是钢铁或不锈钢板必须用作这些门的外表面，至少是要在这些门与人接触的位置处根据本发明，对热和废气问题的新的解决方案如图7中所示。在楼层起火时，热和/或烟雾感应器触动由根据本发明防热材料制成的门状形状体的降低。如图7所示，通过本发明的该结构和材料最优地解决了上述问题。完全阻断热在数小时内的通过，以及在该防火绝缘体的周边区域，垂直方向和水平方向上，完全地对废气密封。
图7显示了根据本发明的电梯。通常的钢铁电梯厢9提供有通常的钢铁或钢筋混凝土的原始结构10。具有本发明的不燃的绝热材料的该结构墙体的衬里使得起火时，电梯井道的内部温度即使在数小时后不超过50至60℃。电梯厢的内部滑动门11，11a，11b和11c向里限制电梯井道，而在楼层侧的滑动门12，12a，12b和12c将井道与建筑物密封。
根据本发明的防火密封由本发明的高度耐火的无机泡沫体形成。起火时，任选地通过传感器调节。横向的防烟雾部分14，14a任选地通过薄钢板15，15a由机械导杆(mechanical guides)施压。
进步之处主要体现在如下的事实，与总是活动的滑动门相比，该安全性的防火、防烟雾和防所有气体的结构仅在起火时自动使用，并因此提供了最大的安全性，其次，同时在本发明结构中发展了由于其冷却效应而获得最优的保护效果的防火绝缘材料。第三，优势在于该结构设想可以随时在现有的摩天大楼中实现，而不会破坏电梯的正常运转。基于上述的这些理由，然而通过一些其它的防烟雾结构而替代现有的门是不能被实现的。
图8显示了上述结构设想的变体。
电梯井道的原始结构10在顶处通过热和火焰保护衬里6得到足够的热保护。由烟雾和/或温度传感器触发，以完全防烟雾的方式，在16a和16b处密封的防火和防气体的密封体1，1a，1b与通过其适当的重量被降低。用于嵌入轻便物体的空隙状开口17使得该密封体可以被向上推，例如如果消防员想带着水管到达火源处时。
根据本发明的建议具有特别的重要性，因为在火灾开始时，消防员的任务是尽可能快地到达火源处以进行灭火。通过楼梯带着水管向上几乎是不可能的。因此，本发明建议通过冷却和耐火的电梯井道由导管向上输水，而导管与每个楼层中的短水管相连。
因此，在起火时，消防员可以在进入摩天大楼后极短的时间内，携带水喷管到达火源处成功地进行灭火。
在塔体和摩天大楼中，乘客电梯终端的进口大厅多数具有大于4.0m的室内高度。在此，可以以整体设计(one-piece design)提供根据本发明的防火热和废气的形状体，而在低于3.10m高度的房间内可以提供多级设计。
在塔体建筑中的内部门，尤其是用于办公间、面向走廊的门，是通向楼梯或电梯的逃生路线，由木质材料制成。
现在，已知纤维素在高于150℃下点燃，根据DIN 4102，室内着火1min后的温度已超过该温度。
因此，通向走廊的门会迅速着火，而且烟雾也会在逃生路线中散开。如果该房间在紧急楼梯附近，在其它房间想逃离的人们会在逃离走廊内被烟雾区阻碍或受到毒害。
因此，已建议至少将新建的摩天大楼的所述门设计成不仅不燃，而且在F 30至F 60范围内高度耐火。如果所述门的至少门扇部分以标准尺寸制备，这不仅在生态学上是合适的，而且从经济学的角度也是可以实现的。
在根据本发明的设计中，着火时，由于火焰的向上跳窜，室内的第二脆弱点，即窗体结构部分也能以相同的方式得到可靠的保护。当由本发明的泡沫体制成的防火窗帘已降低后，不仅火势定位了，而且可以可靠和有效地避免危险的火焰扩散到更高的楼层。
已确认通过发展高度耐火的材料，尤其是归因于与这些材料相关的冷却效应，实现了在塔体和摩天大楼中所有人群的最大安全级别。
在本发明进一步优选的实施方式中，泡沫体的特征在于含有60重量％至80重量％的氢氧化铝，和具有粉末尺寸(多模晶粒分布)(multimodal grain size distribution)的混合组合物。
如果氢氧化铝粉末的含量较低，无机混合物具有较低的压缩强度。相反，如果氢氧化铝的含量太高，无机混合物缺乏作为固有粘合剂的液体玻璃。
本发明的另一实施方式在于上述泡沫体的制备方法，通过向碱水玻璃、任选存在的选自氧化铝、硅氧化物、高铝水泥、石粉及其混合物的填料、和氢氧化铝的混合物中加入发泡剂，并在200-300℃的温度范围内加热。
特别优选的是在本发明的含义中，使用偶氮二碳酰胺作为发泡剂。
本发明的另一实施方式在于将上述的泡沫体用于制备在土木和建筑工程中的耐火建筑部件的用途。
特别优选的是在本发明的含义中，使用本发明的泡沫体用于电梯井道或电梯门的防火和防烟雾密封。以此相同的方式，也可以制备和使用防火门，防火衬里，数据保护柜和室，磁盘插口，附加装置，防火绝缘密封，电缆和管端密封，烟雾抽取板，防火窗帘等。
权利要求
1.由混合物组成的高度耐火的无机泡沫体，所述泡沫体至少部分地具有开孔结构，通过加热被发泡和固化，所述混合物包括碱水玻璃、氢氧化铝和一种或多种选自氧化铝、硅氧化物、高铝水泥、石粉及其混合物的填料，所述无机泡沫体具有的堆密度为200-900kg/m3。
2.如权利要求1所述的泡沫体，特征在于含有60-80重量％的氢氧化铝。
3.如权利要求1或2所述的泡沫体的制备方法，其中，向碱水玻璃、任选存在的选自氧化铝、硅氧化物、高铝水泥、石粉及其混合物的填料、和氢氧化铝的混合物中加入发泡剂，并将所得混合物在200-300℃的温度范围内加热。
4.如权利要求3所述的方法，特征在于使用偶氮二碳酰胺作为发泡剂。
5.权利要求1至4中任一项所述的泡沫体的用途，其用于制备土木建筑工程中的耐火建筑部件。
6.权利要求5所述的用途，其用于制备防火门和防火衬里，尤其是用于电梯井道和电梯门中。
全文摘要
本发明涉及非常耐火的无机泡沫体、所述泡沫体的制备方法和所述泡沫体的用途。
文档编号C04B38/02GK1863746SQ200480028680
公开日2006年11月15日 申请日期2004年7月28日 优先权日2003年8月1日
发明者赫伯特·吉泽曼 申请人:赫伯特·吉泽曼