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Forschungsprojekt

Verbesserung des Brandverhaltens von Kunstleder

Kunstleder wird aufgrund seiner ästhetischen Anmutung in Verbindung mit den guten bis sehr guten Gebrauchseigenschaften wie Reinigung und Widerstandsfähigkeit vorwiegend in öffentlichen Bereichen, z. B. Hotels, Versammlungsstätten, Restaurants, und im Transportwesen, z. B. in Bussen, Bahnen und Flugzeugen, eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von Fußbodenbelägen bis hin hochwertigen Sitzmöbeln. Kunstleder ist dabei hinsichtlich des Brandverhaltens aufgrund des hohen Polymeranteils problematisch und sieht sich zunehmend in den Kernmärkten erhöhten Brandschutzanforderungen bzw. Wünschen der weiterverarbeitenden Industrie ausgesetzt. Nach dem Stand der Technik ist es aber bislang nicht möglich, mit einem Kunstleder diese verhältnismäßig hohe Anforderung zu erfüllen. Es wurde untersucht, ob sich durch die Einarbeitung von intumeszierenden Zuschlagsmischungen in PU- bzw. PVC Massen das Brandverhalten verbessern lässt.

Grundsätzlich besteht die Anforderung in Fluchtwegen – hierzu gehören auch Foyers – nur Baustoffe der Brandschutzklasse B1 einzusetzen. Auch in anderen Bereichen (z. B. Versammlungsstätten) bestehen ähnlich hohe Anforderungen oder es ist bereits absehbar, dass diese zukünftig insbesondere im Transportwesen gestellt werden. 

Die Untersuchungen wurden an sieben kommerziell verfügbaren und 19 modifizierten wässrigen PU-Bindemitteln durchgeführt. Zusätzlich wurde eine kommerzielle PVC-Paste in den Vorversuchen beurteilt. Bei den Modifikationen handelte es sich um organische Modifikationen (phosphorbasiert) des Bindemittelsystems, um anorganische Modifikationen mit Silikaten und Siliciumdioxidnanopartikeln und um hybride Modifikationen mittels eines Sol-Gel-Prozesses in Kombination mit anorganischen Bestandteilen.

Das Verhalten der unterschiedlichen Bindemittel auf den Intumeszenzprozess wurde mittels einer kommerziellen Intumeszenzmischung und sechs intumeszierenden Zuschlagmischungen untersucht. Die Intumeszenzmischungen wurden in 30 bis 50 Masseprozent bezogen auf die gesamte Rezeptur eingearbeitet. Die Herstellung der Rezepturen erfolgte mit Hilfe eines Labordispergierers. Die Verträglichkeit und die Aushärtung wurden durch Applikation auf eine Glasplatte geprüft. Das Brandverhalten wurde orientierend in einem Laborbrandversuch nach WKI-Methode und einem Kleinbrennerversuch gemäß DIN 4102 untersucht.

Die kommerzielle Intumeszenzmischung ließ sich in keines der Bindemittel einarbeiten. Es kam immer zu einer Phasentrennung. Das Einarbeiten der Zuschlagmischungen 1,2 und 3 in die PVC-Paste ergab homogene Beschichtungsmassen und die Intumeszenzreaktion im Brandversuch wurde nicht verhindert. Die Mehrzahl der PU-Beschichtungen wies bei einer Zuschlagskonzentration von 50 % größere Risse auf. Zur Bestimmung eines Bindemittelanteils, der im Brandversuch zu keiner deutlichen Verschlechterung führt, wurde exemplarisch in einer Messreihe der Anteil des organisch modifizierten PU-Bindemittels variiert. Als günstige intumeszierende Zuschlagskonzentration wurde ein Wert von 30 % ermittelt. Dies führte ebenfalls zu einer verbesserten Schicht. Allerdings ist dieses Ergebnis nicht auf alle PU-Typen anwendbar. Bei allen Zuschlagmischungen in Kombination mit dem PU wurde eine deutlich geringere Aufquellung im Vergleich zu der PVC-Paste festgestellt. Bei der überwiegenden Zahl der kommerziellen PU-Bindemittel bildete sich nur eine geringe Schaumschicht. Die Isolationswirkung im Brandtest resultiert hauptsächlich aus einer Hohlraumbildung mit einer mehr oder weniger dicken Schaumdeckschicht. Bei den organisch modifizierten Bindemitteln waren die aufgequollen Schichten ebenfalls mit Hohlräumen versehen. Bei den anorganisch- und hydrid-modifizierten Bindemitteln schwankten die Ergebnisse am stärksten. Die beste Brandschutzleistung lieferten zwei hybride Modifikationen und eine organische Modifikation.

© Foto Fraunhofer WKI

Kleinbrennertest a) einer hybriden PU-Dispersion b) einer kommerziellen PU-Dispersion

Die Abbildung zeigt den Verlauf des Kleinbrennertests der Rezeptur mit a) einer hybriden PU-Dispersion und b) einer kommerziellen PU-Dispersion. Als Substrat wurde Trägerpapier verwendet. Bei dem hybriden PU-Bindemittel hat sich der Schaum unter dem Flammeneinfluss regelmäßig entwickelt. Bei der Beschichtungsmasse mit der für die Kunstlederherstellung industriell verwendeten PU-Dispersion hat sich zwar eine Schaumschicht gebildet. Diese hat allerdings gebrannt.

Intumeszierende Zuschlagsmischungen ließen sich in PU- bzw. PVC-Massen einarbeiten. Darüber hinaus könnten die Wirkungsmechanismen der Hochleistungsbrandschutzbeschichtungen in Kunstleder eingebaut werden. Durch Einsatz von phosphorhaltigen PU-Dispersionen konnte die Feuerresistenz erhöht werden. Ein hoher Anteil an intumeszierenden Zuschlagmischungen führt zu einem rissigen Film. Die Rissproblematik wurde durch die Variation des Bindemittelanteils bzw. Zuschlagkonzentration ohne Verschlechterung der Isolationswirkung behoben. Anorganisch modifizierte PU-Dispersionen brennen weniger schnell als übliche Standardpolyurethane. Zusätzlich eröffnet die glasharte Oberfläche die Möglichkeit, verschiedene Arten von Flammschutzmitteln einzusetzen, ohne die Filmhärte wesentlich zu verschlechtern. Die Isolationswirkung der voluminösen Kohlenstoffschicht wird durch den Einsatz von anorganischen, glasartigen Stoffe verstärkt.