Feuer war schon immer eine der größten Bedrohungen für die menschliche Gesellschaft. Mit der zunehmenden Verbreitung von Gebäuden, Transportsystemen, Textilien, Elektroprodukten und Polymermaterialien ist die Nachfrage nach verbesserter Brandschutzleistung weiter gestiegen.
Es ist wichtig, flammhemmende Materialien von vollständig nicht{1}brennbaren Materialien zu unterscheiden. Der Zweck der flammhemmenden Technologie besteht darin, die Wahrscheinlichkeit einer Entzündung zu verringern, die Ausbreitung von Flammen zu verlangsamen, die Wärmefreisetzung zu begrenzen und mehr Zeit für Evakuierung und Brandbekämpfung zu schaffen.
Von Lehmschutzschichten, die in alten Gebäuden verwendet wurden, bis hin zu modernen intumeszierenden Systemen, Nanokompositen und Technologien mit geringem{0}Rauch und geringer-Toxizität war die Entwicklung feuerbeständiger Materialien ein langer Prozess kontinuierlicher Erforschung.
1. Alte chinesische Brandschutzmaterialien und Gebäudeschutz
China begann schon sehr früh mit der Erforschung von Brandschutzmethoden.
An der archäologischen Stätte Dadiwan in Qin'an, Provinz Gansu, die etwa 5.000 bis 8.000 Jahre alt ist, legten antike Baumeister Erdschichten um Holzsäulen in großen öffentlichen Gebäuden und trugen zementhaltige Schutzmaterialien auf die Oberfläche von Holzkonstruktionen auf. Diese Praktiken können als frühe Formen des architektonischen Brandschutzes angesehen werden.
Bereits im Frühjahr und Herbst hatte man erkannt, dass die Entfernung kleinerer Bauwerke, die Beschichtung größerer Gebäude und die Schaffung von Trennzonen dazu beitragen könnten, die Ausbreitung von Bränden zu verlangsamen.
Während der Frühlings- und Herbstzeit sowie der Zeit der Streitenden Reiche schlug der chinesische Philosoph Mozi eine Reihe von Maßnahmen zur Brandverhütung und Brandbekämpfung vor. Dazu gehörte das Beschichten von Stadttoren und Gebäuden mit Schlamm, die Herstellung wasserführender Werkzeuge aus Hanfgewebe, die Verwendung von Lederbehältern zur Wasseraufbewahrung und die Installation von Wasserspeichern auf Verteidigungstürmen.
Diese Maßnahmen spiegelten einen frühen integrierten Ansatz wider, der feuerfeste Oberflächenbehandlung, Gebäudedesign und Brandbekämpfungsausrüstung kombinierte.
Bis zur Yuan-Dynastie hatte der Agrarwissenschaftler Wang Zhen in seinem Werk eine relativ systematische Diskussion über den Brandschutz von Gebäuden geliefertNong Shu, oderBuch der Landwirtschaft. Er schrieb:
Feuer wächst, wenn es auf Holz trifft, wird durch Wasser gelöscht und endet, wenn es die Erde erreicht.
Wang Zhen dokumentierte auch ein feuerfestes Material, das aus Zutaten wie zerkleinerten Ziegeln, Ton, Tungöl, Holzkohlepulver und Kalk hergestellt und mit Klebreispaste vermischt wurde. Das Material sorgte für Oberflächenabdeckung, Wärmedämmung und Schutz und kann als eine frühe chinesische zusammengesetzte Brandschutzbeschichtung angesehen werden.
Obwohl diese historischen Praktiken noch kein modernes flammhemmendes chemisches System darstellten, zeigten sie bereits mehrere wichtige Prinzipien: Isolierung brennbarer Materialien von der Luft, Reduzierung der Wärmeübertragung, Abdeckung brennbarer Substrate und Verhinderung einer direkten Flammeneinwirkung.
2. Frühe westliche Erforschung der flammhemmenden Behandlung
Aufzeichnungen über flammhemmende Behandlungen im Westen reichen ebenfalls bis in die Antike zurück.
Historischen Berichten aus dem antiken Griechenland zufolge wurde Holz um 450 v. Chr. mit Lösungen auf Alaun--Basis behandelt, um seine Entflammbarkeit zu verringern. Später verbesserten die Römer das Verfahren, indem sie der Behandlungslösung Substanzen wie Essig hinzufügten, um deren Haltbarkeit und Wirksamkeit zu erhöhen.
Bereits im ersten Jahrhundert v. Chr. wurden flammhemmende Methoden in der militärischen Verteidigung eingesetzt. Berichten zufolge wurden Lösungen auf Alaunbasis-zur Behandlung von Holzbefestigungen verwendet, während Beschichtungen aus Ton und faserverstärkten Materialien aufgetragen wurden, um hölzerne Belagerungsausrüstung vor Feuer zu schützen.
Im Jahr 1638 schlug der italienische Bühnenbildner und Architekt Nicola Sabbatini vor, den Beschichtungen von Theatervorhängen Ton und Gips hinzuzufügen, um deren Brandgefahr zu verringern. Diese Anwendung zeigt, wie die Brandgefahr in öffentlichen Gebäuden dazu beitrug, die frühe Entwicklung flammhemmender Technologien voranzutreiben.
Im Jahr 1735 wurde ein britisches Patent für die Behandlung von Holz und Textilien mit Alaun, Borax und Eisensulfat erteilt. Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts wurden auch Verbindungen wie Ammoniumsulfat als Bestandteile flammhemmender Formulierungen untersucht.
3. Die Entstehung der modernen flammenhemmenden Wissenschaft
Das 19. Jahrhundert markierte einen wichtigen Übergang von erfahrungsbasierten Brandschutzpraktiken zur wissenschaftlichen Forschung.
Im Jahr 1821 wurde der französische Chemiker JL Gay-Lussac damit beauftragt, Methoden zur Reduzierung der Entflammbarkeit von Theatervorhängen zu untersuchen. Er fand heraus, dass Ammoniumsalze der Schwefel-, Salz- und Phosphorsäure die Flammwidrigkeit von Hanf und Leinen verbessern könnten.
Er beobachtete auch, dass Kombinationen aus Ammoniumchlorid, Phosphorsäure und Borax die Flammschutzleistung weiter verbessern könnten.
Diese Arbeit wird weithin als wichtiger Ausgangspunkt für die wissenschaftliche Untersuchung flammhemmender Fasern und Formulierungen angesehen. Sein zugrunde liegendes Prinzip-die Verwendung von Phosphor- und Stickstoff-enthaltenden Verbindungen zur Förderung der Dehydrierung und Verkokungsbildung-ist auch heute noch für die Flammschutztechnologie relevant.-
Um 1859 wurden Verbindungen wie Ammoniumphosphat, Ammoniumchlorid, Borax, Ammoniumsulfat und Stannatsalze außerdem zur flammhemmenden Behandlung von Textilien eingesetzt.
Durch Imprägnierung, Beschichtung und Bildung anorganischer Schutzschichten auf Faseroberflächen könnte das Verbrennungsverhalten von Stoffen verbessert werden.
In dieser Zeit verlagerte sich die Forschung zu Flammschutzmitteln allmählich von der Verwendung einzelner Substanzen hin zu Verbundformulierungen, chemischen Reaktionen und Oberflächenbehandlungstechnologien.
4. Industrielle Entwicklung im 20. Jahrhundert
Mit dem rasanten Wachstum von Kunststoffen, synthetischem Gummi und synthetischen Fasern im 20. Jahrhundert wurde die Flammschutztechnologie zu einem immer wichtigeren Teil der Materialindustrie.
Viele Polymermaterialien sind leicht zu entzünden, brennen schnell und geben große Mengen Wärme ab. Daher wurde die Verbesserung ihrer Feuerleistung zu einer großen technischen Herausforderung.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gelangte Chlorkautschuk in die Forschungs- und Industrialisierungsphase. Um 1913 wurden Stannatsalze und Ammoniumsalze zur flammhemmenden Behandlung von Textilien verwendet.
In den 1930er Jahren begann man, synergistische Systeme auf Basis von Chlorparaffin und Antimonoxid in flammhemmenden Materialien einzusetzen. Halogenierte Verbindungen trugen zur Hemmung freier Radikalreaktionen in der Flamme bei, während Antimonoxid ihre Wirksamkeit verstärkte.
Diese Systeme wurden viele Jahre lang in großem Umfang in Kunststoffen, Gummi, Beschichtungen und Textilien eingesetzt.
Im gleichen Zeitraum kamen auch anorganische Brandschutzbeschichtungen auf Basis von Wasserglasbindemitteln und mineralischen Füllstoffen auf den Markt. Später entwickelten Forscher Beschichtungen, die sich bei Hitze ausdehnten und eine schützende Kohleschicht bildeten, und legten damit den Grundstein für moderne intumeszierende Brandschutzbeschichtungen.
Während des Zweiten Weltkriegs beschleunigte die Nachfrage nach Militärzelten und Segeltuchmaterialien mit Feuer- und Wasserbeständigkeit die Entwicklung flammhemmender Beschichtungssysteme auf der Basis von Chlorparaffin, Antimonoxid und Bindemitteln weiter.
5. Die Entwicklung intumeszierender flammhemmender Systeme
In den späten 1940er Jahren begannen Forscher, den Begriff „Intumeszenz“ zu verwenden, um die Ausdehnung und Schaumbildung zu beschreiben, die auftreten, wenn bestimmte flammhemmende Polymere Hitze oder Feuer ausgesetzt werden.
Zwischen etwa 1948 und 1950 wurde die Grundstruktur intumeszierender flammhemmender Systeme klarer, was zu den Konzepten einer Säurequelle, einer Kohlenstoffquelle und einer Blasquelle führte.
· DerSäurequellefördert Austrocknung und Karbonisierung.
· DerKohlenstoffquellebildet das Gerüst der schützenden Kohleschicht.
· DerBlasquellesetzt Gase frei, die die Kohle zu einer porösen Struktur ausdehnen.
Wenn das Material Flammen oder hohen Temperaturen ausgesetzt wird, bedeckt die intumeszierende Schicht das Substrat und begrenzt die Übertragung von Wärme, Sauerstoff und brennbaren Zersetzungsprodukten. Dies verlangsamt die Erwärmung und Verbrennung des darunter liegenden Materials.
In den 1970er Jahren zeigten Forscher außerdem, dass die Bildung einer stabilen Kohleschicht während der Polymerverbrennung die Flammschutzleistung deutlich verbessern könnte.
Die Schutzwirkung von Kohle wurde daher zu einem wichtigen Bestandteil der Theorie der Flammschutzmittel in der kondensierten -Phase-.
Im Jahr 1989 veröffentlichten G. Camino und andere Forscher systematische Studien zu intumeszierenden flammhemmenden Systemen und trugen so dazu bei, sowohl deren theoretisches Verständnis als auch die praktische Anwendung voranzutreiben.
6. Der Wandel hin zu leistungsstarken Verbundsystemen
Nach den 1950er Jahren begannen reaktive flammhemmende Monomere und flammhemmende Harze auf den Markt zu kommen.
Im Gegensatz zu additiven Flammschutzmitteln können reaktive Flammschutzmittel chemisch in die Molekülstruktur eines Polymers eingebaut werden. Dies kann die Haltbarkeit verbessern und die Migration oder den Verlust flammhemmender Komponenten während des Gebrauchs verringern.
Ab den 1960er Jahren wurden verschiedene aromatische, halogenierte Flammschutzmittel kommerziell genutzt, und flammhemmende Materialien gelangten nach und nach in die großtechnische Industrieproduktion.
In den 1980er Jahren eröffnete die Entwicklung von Nanokompositmaterialien eine neue Richtung für die Flammschutzforschung.
Einige Nanomaterialien können die thermische Stabilität verbessern, die Bildung von Schutzschichten fördern und die Wärmeabgabe und Massenverluste bei relativ niedrigen Beladungsniveaus verringern.
Moderne flammhemmende Materialien basieren im Allgemeinen nicht mehr auf einem einzigen Zusatzstoff. Stattdessen kombinieren sie mehrere Mechanismen, darunter:
· Hemmung der Verbrennungskettenreaktionen in der Gasphase;
· Förderung der Kohlebildung in der kondensierten Phase;
· Reduzierung der Wärmeübertragung durch Isolierschichten;
· Begrenzung der Bewegung von Sauerstoff und brennbaren Gasen durch anorganische Barrieren;
· Reduzierung von Rauch durch Rauchunterdrückungssysteme;
· Verbesserung der Kohlestruktur und thermischen Stabilität mit Nanomaterialien.
7. Vorschriften und Standards fördern Verbesserungen im Brandschutz
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden Kunststoffe, synthetischer Kautschuk und synthetische Fasern weit verbreitet in Gebäuden, Transportmitteln, Möbeln, Elektroprodukten und Konsumgütern verwendet.
Gleichzeitig wurde den mit Polymerwerkstoffen verbundenen Brandrisiken zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt.
Ab den 1960er Jahren führten die Vereinigten Staaten, Europa und andere Regionen nach und nach Industrieanforderungen, Produktnormen und Sicherheitsvorschriften in Bezug auf die Entflammbarkeit von Materialien ein.
Die Verbesserung der Flammwidrigkeit entwickelte sich daher von einer freiwilligen Maßnahme der Hersteller zu einer verbindlichen Marktzugangsvoraussetzung für bestimmte Produkte.
Heutzutage gelten Flammschutz- und Feuerwiderstandsanforderungen für eine Vielzahl von Branchen, darunter:
· Bau- und Konstruktionsmaterialien;
· Textilien;
· Möbel und Matratzen;
· Automobile und Schienenverkehr;
· Luft- und Raumfahrt;
· Drähte und Kabel;
· elektrische und elektronische Geräte;
· neue-Energiebatteriesysteme.
Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Niveaus und Arten der Brandschutzleistung.
Zusätzlich zur Zündbeständigkeit müssen Materialien möglicherweise auf Flammenausbreitung, Wärmeabgabe, Rauchentwicklung, Toxizität, brennende Tröpfchen, Schaltkreisintegrität, Feuerbeständigkeit und langfristige Haltbarkeit bewertet werden.
8. Der praktische Wert flammhemmender Materialien
Der Zweck der flammhemmenden Technologie besteht nicht darin, zu garantieren, dass ein Material unter keinen Umständen brennt.
Sein Wert liegt darin, das Verbrennungsverhalten zu kontrollieren und die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass ein Feuer entsteht, sich ausbreitet oder schlimmer wird.
Ein wirksames flammhemmendes Design kann die Entzündung und Flammenausbreitung verzögern, die Wärmefreisetzungsrate reduzieren, den Materialverlust begrenzen und mehr Zeit für Evakuierung, Brandbekämpfung und Objektschutz schaffen.
Da sich die Brandschutzanforderungen ständig weiterentwickeln, legen moderne Flammschutztechnologien mehr Wert auf die Balance zwischen Brandverhalten, Rauchunterdrückung, geringer Toxizität, Umweltverträglichkeit, Haltbarkeit und mechanischen Eigenschaften.
Die flammhemmende Leistung muss daher durch standardisierte Tests überprüft werden und darf nicht nur anhand eines Materialnamens, einer chemischen Zusammensetzung oder einer Lieferantenerklärung beurteilt werden.
