Hoch

Datum: 12. August 2022

Seit Anfang der 2000er Jahre werden weltweit immer mehr Brände in hohen Gebäuden, die sich schnell ausbreiten, auf die Fassade zurückgeführt. Diese dramatischen Ereignisse haben Bedenken hinsichtlich der Brandgefahr geweckt, die von den in Fassaden und im Inneren des Gebäudes verwendeten Materialien ausgeht. Eine verbesserte Leistung sowohl beim Brandverhalten als auch beim Feuerwiderstand ist eine notwendige Voraussetzung für Baumaterialien. Silikon wird an vielen Stellen von Fassaden und Gebäuden eingesetzt, beispielsweise zum Abdichten von Linienfugen oder zum Brandschutz von Durchdringungen in Brandschutzwänden und -böden.

Standardisierte Tests ermöglichen die Bewertung der Feuerbeständigkeit solcher Linien- und Abschottungen im Hinblick auf Integrität (Vermeidung des Durchtritts von heißem Rauch und Flammen) und Isolierung (Begrenzung des Temperaturanstiegs auf der nicht exponierten Seite). Silikon kann ebenfalls verwendet werden zur Montage von Glas-Metall-Rahmen bei Klebeanwendungen wie Rauchschutzwänden. Bei diesen Anwendungen geben die Aufrechterhaltung der Bindung und die mechanischen Eigenschaften des Silikons Anlass zur Sorge, wenn es Rauch und hohen Temperaturen ausgesetzt wird. In diesem Artikel wird das Hochtemperaturverhalten einer ausgewählten Reihe von Silikonen untersucht, die zum Abdichten und Kleben im Bauwesen verwendet werden.

Seit Beginn der 2000er-Jahre kam es zu einer stetigen Folge von Vorfällen im Zusammenhang mit dem Ausbruch von Bränden in Hochhäusern, wobei die Außenwände als besondere Gefahr für die Brandausbreitung identifiziert wurden. Die in den Bauvorschriften (VAE 2018, UK 2019) geforderten Brandschutzniveaus wurden erhöht, wodurch besondere Anforderungen an Ingenieure und Architekten im Hinblick auf die Brandschutzleistung ihrer Bauwerke gestellt werden. Insbesondere müssen die Minimierung der Brandwahrscheinlichkeit und die Reduzierung von Schäden und Personenschäden bei einem unvermeidlichen Brandereignis höchste Priorität haben.

Einige Bauvorschriften können nur durch den Einsatz neuer feuerbeständiger Materialien und verbesserter Designkonzepte eingehalten werden. Dichtstoffe und Klebstoffe sind ein wesentliches Element, um sowohl die Anforderungen der Bauvorschriften (z. B. thermische Leistung) zu erfüllen als auch die architektonische Entwurfsabsicht zu respektieren. Aufgrund ihrer einzigartigen chemischen Zusammensetzung vereinen Silikone interessante mechanische Eigenschaften und eine dauerhafte Leistungsfähigkeit, was sie zum Material der Wahl für Verklebungen von Baugruppen (Wolf 2017) in Fassaden und Gebäuden macht. Wichtig ist, dass Silikone auch bei Feuereinwirkung ein vielversprechendes Verhalten zeigen.

Das Brandverhalten von Dichtstoffen kann durch verschiedene Prüfnormen beurteilt werden. Bei den Brandverhaltenstests verbreiten geeignete Materialien beim Brennen kein Feuer und brennen auch nach Entfernung der Zündquelle über einen längeren Zeitraum nicht weiter. Wichtige Prüfmethoden sind beispielsweise der Single-Burning-Item-Test (EC 2010) und die Oberflächenflammenausbreitung von Baustoffen (EC 2002). Ergebnisse der Brandverhaltenstests von Silikonen zeigen, dass dieses Material dazu neigt, lokal zu brennen, ohne dass sich die Flamme seitlich oder vertikal ausbreitet und ohne dass brennende Tröpfchen entstehen.

Mit anderen Worten: Silikone tragen im Anfangsstadium nicht wesentlich zur Entstehung eines Brandes bei. Normen wie EN1366 Teil 3 und Teil 4 (EC 2009, EC 2010) ermöglichen die Bewertung der Feuerbeständigkeit von Dichtstoffen, die als lineare Verbindungen und Abschottungen in feuerbeständigen Wänden und Böden verwendet werden. Ergebnisse von Feuerwiderstandstests zeigen, dass feuerbeständige Silikone bei Feuereinwirkung ihre Haftung beibehalten und eine Integritäts- (E) und Isolationsbeständigkeit (I) von mehr als 4 Stunden erreichen können, was sie zu einem wirksamen Mittel macht, um den Durchgang von heißem Rauch, Gasen und Flammen zu blockieren Verhindern Sie einen Hitzeanstieg auf der nicht exponierten Seite eines Brandschutzabschnitts (EOTA 2017).

Konstrukteure, die Brandschutzanforderungen erfüllen möchten und Silikonklebungen verwenden, müssen wissen, wie stark das Silikon ist, wie lange es hält und wie sich die Baugruppe im Brandfall verhält. Klebende Dichtstoffe sollten daher im Brandfall nicht nur die Haftung wie die wetterfesten Dichtstoffe aufrechterhalten, sondern auch eine entsprechende Restfestigkeit aufweisen. Abbildung 1 zeigt geklebte Glaseinheiten nach Einwirkung eines echten Außenbrandes.

Während des Brandes reichte die Hitze aus, um die Metallteile zu verformen. Allerdings zeigte das Silikon immer noch eine gewisse Haftung und hielt die Glassplitter am Rahmen zurück. Darüber hinaus kann auf der Silikonoberfläche eine Verkohlung beobachtet werden, die durch den oxidativen Abbau von Silikon zu silikatähnlichen (SiO2) Strukturen entsteht (Tomer 2012, Camino 2002). Auch wenn aus solchen Ergebnissen erhebliches Vertrauen in die Verklebung von Silikonen abgeleitet werden kann, ist es wichtig, die Feuerbeständigkeit zu quantifizieren. Im Gegensatz zu wetterfesten Dichtstoffen ist der Standardisierungsweg zur Bestimmung der Feuerbeständigkeit von Klebedichtstoffen nicht genau definiert. Typische Prüfnormen zur Bewertung der Leistung einer Vorhangfassade, wie die EN1364-Reihe (EC 2014a, EC 2014b), erlauben keine Bewertung der Leistung von Verbund- und Elementfassaden, da ihr Anwendungsbereich derzeit auf mechanisch befestigte Fassaden beschränkt ist. Es gibt Bestrebungen, diese Standards zu überarbeiten, um auch diesen Fassadentyp einzubeziehen (Anderson 2021).

Neben der Beständigkeit bei direkter Feuereinwirkung (Flamme) suchen Designer auch nach Antworten zur Entflammbarkeit der Klebesilikone bei Einwirkung hoher Temperaturen. Silikondichtstoffe, die auf einer feuerbeständigen Oberfläche haften, die den Klebedichtstoff vor Flammen und Sauerstoff schützt, neigen nicht zum Brennen. Es ist jedoch wichtig sicherzustellen, dass die auf den Klebedichtstoff übertragene Wärme seine Haftung oder mechanische Leistung nicht beeinträchtigt . Auch zur Befestigung von Schutzsystemen wie Rauchschutzvorhängen können klebende Silikondichtstoffe eingesetzt werden. Bei dieser Art der Anwendung ist das Dichtmittel nicht direkter Flamme ausgesetzt, sondern heißem Rauch ausgesetzt.

Die Rauchtemperatur hängt von vielen Faktoren ab, wie der Wärmefreisetzungsrate des Feuers, der Gasgeschwindigkeit, geometrischen Einschränkungen (z. B. Längs- oder Quergasströmung) und der Entfernung von der Rauchquelle (Li 2011, Shi 2014, Yi 2019). . Experimente deuten darauf hin, dass die Rauchtemperaturen typischerweise zwischen Temperaturen um 400 °C schwanken, wenn die Rauchbelastung in der Nähe des Brandherdes liegt, und weniger als 100 °C in größeren Entfernungen (Hu 2005, Shi 2014, Starr 2014, Li 2017, Yao 2017). , Yi 2019). Ebenso schreibt die europäische Norm EN12101 (EG 2005) für die Prüfung der Rauchdurchlässigkeit von Materialien eine Temperatur von 200 °C vor.

Auch wenn Silikondichtstoffe nicht schmelzen, kann es bei Einwirkung hoher Temperaturen zu einer Erweichung und einer möglichen Zersetzung kommen. Auch wenn die Dichtungsmasse möglicherweise keine Anzeichen einer sichtbaren Verschlechterung zeigt, insbesondere wenn sie nicht direkt Flammen, sondern nur Hitze ausgesetzt wird, ist es wichtig, die mechanische Integrität der Klebedichtung bei Einwirkung hoher Temperaturen aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck ist es von entscheidender Bedeutung, die maximale Zeit-Temperatur-Einwirkung des Materials zu bestimmen, die zu einem obligatorischen Austausch des Dichtmittels führen würde. Über den Verlust der mechanischen Leistung von Silikonelastomeren, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, ist nur sehr wenig bekannt. Die Studie in diesem Artikel stellt die mechanische Leistung modernster Silikone vor, die zum Verkleben (Structural Glazing) und zur sekundären Abdichtung von Isolierglaseinheiten (IGU) nach Einwirkung hoher Temperaturen verwendet werden. Aus den Schlussfolgerungen lässt sich das Verhalten dieser Materialien ableiten, wenn sie Rauch ausgesetzt sind oder im Brandfall von der verklebten Oberfläche erreicht werden, ohne dass eine direkte Flammeneinwirkung erforderlich ist.

Für die Klassifizierung von Dichtstoffen nach ihrer thermischen und mechanischen Stabilität gibt es kein einheitliches Verfahren. Die von den Herstellern bereitgestellten Daten basieren auf verschiedenen Prozessen und Bewertungskriterien. Die Prüfmethoden können sich hinsichtlich der Dauer der Wärmealterung unterscheiden, während die Beurteilung auf verschiedenen Materialeigenschaften basieren kann, wie z. B. der Änderung von Härte, Modul, Dehnung und Zugfestigkeit oder der Fähigkeit eines Klebstoffs, seine Haftung auf einem Untergrund beizubehalten heiße Oberfläche. Je nach Verwendung in der Fassade sollen unterschiedliche Eigenschaften bei hoher Temperatureinwirkung erhalten bleiben. Klebesilikone, die in Fassaden- oder Isoliergläsern verwendet werden, sollten nicht nur die Haftung auf den zusammengesetzten Substraten (z. B. Glas und Metall) beibehalten, sondern auch ihre Zugfestigkeit und ihr Modul sollten sich nicht wesentlich verschlechtern, um die Klebefähigkeit aufrechtzuerhalten. Sollen Bewegungen in einem bestimmten Ausmaß aufgenommen werden, muss auch eine gewisse Mindestbruchdehnung gewährleistet sein.

In Bezug auf Temperatur und Dauer der Einwirkung sollte nachgewiesen werden, dass Klebedichtstoffe nach 2 Stunden bei 180 °C ihre mechanischen Eigenschaften bei mindestens 75 % der ursprünglichen Werte beibehalten. Die Temperatur von 180 °C ist die Grenze, ab der es auch ohne direkte Feuer- und Flammeneinwirkung zu einer Selbstentzündung von Materialien kommen kann. Es ist einer der Parameter, die die Isolationskriterien (I) definieren (EC 2007). Die Dauer von 2 Stunden wurde gewählt, da sie einem in der Industrie häufig geforderten Feuerwiderstandsniveau für die Isolierung und Integrität linearer Verbindungen entspricht. Allerdings wurden auch zusätzliche Temperaturen ausgewertet, um das Materialverhalten besser zu verstehen.

Im Falle eines echten Brandes ist es möglich, dass Dichtstoffe der kombinierten Wirkung von Temperatur (bis zu 180 °C) und unterschiedlichen mechanischen Belastungen, beispielsweise dem Eigengewicht von Glas oder thermischen Bewegungen, ausgesetzt sind. Es ist bekannt, dass die Kombination von Lasten ihre individuelle Wirkung verstärken kann, dies erfordert jedoch komplexere Prüfverfahren und -geräte. Um Einzellasttests zu kompensieren, besteht ein zusätzliches Sicherheitsverfahren darin, eine relativ hohe Beibehaltung der anfänglichen mechanischen Eigenschaften zu fordern, um unvorhergesehene Effekte auszugleichen. In Anlehnung an den ETAG002-Ansatz (EOTA 2012) wurde ein Schwellenwert von 75 % der ursprünglichen Eigenschaften nach thermischer Alterung gewählt. Dieser Schwellenwertansatz wird seit mehr als 20 Jahren erfolgreich und sicher bei Silikon-Strukturverglasungen eingesetzt, um den Einsatz von Einzellasttests zu kompensieren.

Das Erhitzen erfolgte in einem Carbolite CWF1100-Ofen (5 l Kammervolumen). Nach einer Äquilibrierungszeit von 15 Minuten wurden die Proben bei der gewünschten Temperatur in den Ofen gegeben. Ofentemperatur und Temperaturgleichmäßigkeit wurden mit einer IR-Kamera (FLIR E6) kontrolliert.

Bei den in dieser Studie verwendeten Dichtstoffen handelte es sich um repräsentative, im Handel erhältliche Materialien, wie in Tabelle 1 beschrieben. Bewertet wurden in Fassaden- und Isoliergläsern verwendete Klebesilikone, sowohl einkomponentig als auch zweikomponentig. Als Vergleich wurde ein PU-Klebedichtstoff, der typischerweise zum Verkleben von Fenstern im Eisenbahn- und Transportwesen verwendet wird, unter ähnlichen Bedingungen bewertet. Relevante Ausgangseigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Mechanische Eigenschaften der in dieser Studie getesteten Materialien. a) Bestimmt durch dynamisch-mechanische Analyse (DMA) bei einer Frequenz von 10 Hz und 30 °C. b) ISO 8339 (ISO 2005). c)Technisches Datenblatt

Es wurden verschiedene Arten von Proben hergestellt, um eine quantitative Bewertung der Änderung der mechanischen Leistung in Abhängigkeit von Hitze und Einwirkungsdauer zu ermöglichen. Eine erste Serie bestand aus kleinen, oberflächenbündig gefüllten Aluminiumbechern, die mindestens 28 Tage bei 23 °C und 50 % Luftfeuchtigkeit in einer Klimakammer aushärten ließen. Diese Becher wurden verwendet, um das Verhalten bei verschiedenen Temperaturen und Expositionsdauern mithilfe einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) und einer dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) zu bewerten.

Die TGA wurde auf einem TGA/DSC 3+ (Mettler-Toledo) unter Verwendung einer Aluminiumoxidpfanne (70 μl) unter Luft- oder Stickstoffstrom (50 ml/min) entweder im isothermen Modus (200 °C, 3 h) oder im dynamischen Modus durchgeführt mit einer festen Heizrate (10 °C/min) von 30 bis 900 °C. Die Kopplung von TGA an einen DSC-Sensor (Differential Scanning Calorimetry) ermöglichte die gleichzeitige Aufzeichnung von Massenverlust und Wärmefluss während der Verbrennung. Um den Massenverlust nach der 3-Stunden-Isotherme zwischen Dichtstoffen mit unterschiedlichen Füllstoffgehalten zu vergleichen, wurde Gleichung 1 verwendet, um den nicht abbaubaren Füllstoff zu berücksichtigen und einen Massenverlust nur basierend auf der Polymermatrix zu liefern.

Der Füllstoffgehalt kann aus dynamischen TGA-Experimenten unter Stickstoff anhand des Rückstands zwischen 450 und 600 °C ermittelt werden. Darüber hinaus wurde die Rußbildung während der TGA unter Stickstoff durch eine letzte Aufheizrampe unter Luft erklärt.

DMA (Abbildung 2) ist eine vielseitige Technik, mit der sich die viskoelastischen mechanischen Eigenschaften von Materialien schnell beurteilen lassen. Für diesen Bericht haben wir uns auf E' konzentriert, das die elastischen Eigenschaften des Materials darstellt. Konzeptionell hängt E' mit dem Young-Modul zusammen und ist ein Maß für die Materialsteifigkeit. Allerdings wird E' aus einer oszillierenden Verformung bestimmt, während der Young-Modul im Zugversuch aus einer kontinuierlichen Verformung abgeleitet wird, was einen direkten Vergleich schwierig macht. In der Praxis liegen die E'-Werte oft über dem Young-Modul (Narducci 2016, Gioia 2020), was auch in den vorliegenden Studien beobachtet wurde. Der absolute Wert des Moduls von DMA hängt von der Instrumentierung ab (Deng 2007) und gemäß der Empfehlung von ASTM D4065 (ASTM 2017) wurde E' verwendet, um Trends in Bezug auf verminderte mechanische Leistung und Steifigkeit nach der Wärmebehandlung im Vergleich zum ursprünglichen Material zuvor zu identifizieren Wärmebehandlung. Letztendlich gelten die beobachteten Trends von E' auch für Messungen des Young-Moduls im Zugversuch.

DMA wurde auf einem Metravib 0,1 dB Viscoanalyzer DMA50 im Zugmodus mit einem festen Abstand zwischen den Klemmen von 6 mm durchgeführt. Die Proben wurden in Rechtecke von etwa 20 mm Länge, 17 mm Breite und 2 mm Dicke geschnitten. Der Speichermodul (E') und der Verlustmodul (E'') von Proben ohne Wärmebehandlung und nach der Wärmebehandlung wurden in Frequenzdurchlaufmessungen von 0,1 bis 100 Hz bei 30 °C und einer festen statischen Kraft zwischen 0,3 und 1 N bestimmt bei einer Dehnung von 0,5 % (also einer Verformung von 30 μm).

Konventionelle Zug-Haft-Verbindungen (TA) (12×12×50 mm3), hergestellt nach ISO 8339 (ISO 2005), sowohl auf Glas- als auch auf Aluminiumsubstraten wurden verwendet, um die mechanischen Eigenschaften der erhitzten Dichtstoffe quantitativ zu bewerten. Die Proben wurden mit 5 mm/min getestet. Die Tests selbst wurden bei RT durchgeführt. Mindestens 3 TA-Verbindungen wurden nach jeder Temperaturalterung bis zum Versagen getestet. Aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve wurden die Spannung bei 12,5 %, die Zugfestigkeit und die Gesamtdehnung bei maximaler Kraft ermittelt.

Hinweise darauf, wie sich die dauerhafte Belastung oder Kriechfestigkeit nach Wärmealterung verhalten würde, wurden zunächst für DOWSIL™ 993 Structural Glazing Sealant anhand von Überlappungsscherproben mit den Abmessungen 20 mm x 25 mm bewertet. Hitzegealterte Proben (2 Stunden bei 180 °C) wurden 3 Monate lang Dauergewichten bei Raumtemperatur sowie in einem Ofen bei 60 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, um den Alterungszustand zu beschleunigen. Durch die auf die Klebefläche aufgebrachten Gewichte ergibt sich eine Dauerbelastung von 7.000 bzw. 11.000 Pa. Diese Werte wurden ausgewählt, da es sich dabei um die dauerhafte Belastungsbeständigkeit eines makellosen DOWSIL™ 993 Structural Glazing Sealant und eines makellosen DOWSIL™ 895 Structural Glazing Sealant handelt.

Im Vergleich zu 11000 Pa stellt der Wert von 7000 Pa nur noch 63 % statt des bisher verwendeten Schwellenwerts von 75 % dar. Analog zur Auswertung des Kriechtests gemäß der Richtlinie für Silikon-Structural-Glazing ETAG002 (EOTA 2012) wurde die Bewegung während der Belastung und der Rest nach der Entlastung überwacht. In einem zweiten Schritt wurde ein angepasstes Doppel-H-Stück gebaut und wie in Abbildung 3 skizziert belastet. Auch hier wurden unterschiedliche Gewichte mit Eigenlasten von 11.000 Pa und 7.000 Pa an das zentrale Aluminiumsubstrat gehängt, um die bleibende Scherverformung zu induzieren. Bewertet wurden dauerhafte Scherbelastungen entlang der Längsrichtung oder entlang der Querrichtung.

In einem ersten Schritt wurden Becherproben über verschiedene Zeiträume (30 bis 180 Minuten) steigenden Temperaturen bis zu 300 °C ausgesetzt, um kritische Werte für beide Parameter in Abhängigkeit vom Dichtstoff zu ermitteln. Nach der Hitzeeinwirkung wurden Querschnitte der Becher erstellt und TGA und DMA an verschiedenen Stellen des Volumens und der Oberfläche durchgeführt (Abbildung 4).

Der Speichermodul E' der Klebe- und Sekundärdichtstoffe nimmt ab, wenn die Temperatur über 150 °C steigt. Zur Veranschaulichung zeigt Abbildung 5 die Abnahme von E' bei einer 30-minütigen Einwirkung von bis zu 300 °C für DOWSIL™ 993 Structural Glazing Sealant und DOWSIL™ 3363 Insulated Glass Sealant. Obwohl die Oberfläche und die Masse bei Raumtemperatur ähnliche DMA-Module aufweisen, tritt nach Hitzeeinwirkung ein geringfügiger Unterschied auf, wobei die Oberfläche höhere E'-Werte aufweist als die Masse. DMA-Messungen von Dogbone-Blättern mit einer Dicke von 2 mm zeigten eine Abnahme von E', die der E'-Abnahme für die Oberflächenproben entsprach, was darauf hindeutet, dass solche Bleche den Massenabbau nicht erfassen.

Da sie aus dünnen Blechen hergestellt werden, ist der resultierende Elastizitätsmodul nach der Wärmebehandlung höher als bei einer TA-Verbindung und weniger repräsentativ für reale Alterungsbedingungen bei Verbindungen mit einer Mindestdichtstofftiefe von 6 mm. Dieser Unterschied motivierte im weiteren Verlauf dieses Dokuments die Entscheidung, TA-Verbindungen (ISO 2005) zu verwenden, um die Leistung der Materialien zu bewerten, anstatt mit Dogbones (ISO 2019) zu arbeiten. Bei 300 °C kam es zu einer deutlichen Erweichung des Materials, die keine zuverlässige Messung des Kompressionsmoduls ermöglicht. Der Festigkeitsverlust im Vergleich zur Referenz beträgt bei 250 °C mehr als 25 % und daher wird sich die weitere Bewertung auf 180 °C, maximal 200 °C konzentrieren.

Als die Einwirkungszeit bei einer festen Heiztemperatur von 200 °C verlängert wurde, verringerte sich E' (Abbildung 6) gemäß einem Geschwindigkeitsgesetz erster Ordnung gemäß den Gleichungen 2 und 3, wobei E'₀ der Anfangsmodul vor der Wärmeeinwirkung war Geschwindigkeitskonstante k und Zeit t.

Unter Verwendung von Gleichung 2 wurde der 12,5 %-Modul des DOWSIL™ 993 Structural Glazing Sealant nach 2 Stunden bei 200 °C basierend auf der durchschnittlichen Geschwindigkeitskonstante ((ksurf+kbulk)/2) berechnet. Der vorhergesagte Wert (0,26 MPa) und der gemessene Wert (0,26 ± 0,02 MPa) lagen sehr nahe beieinander. Die ermittelte Geschwindigkeitskonstante ist ein absolutes Maß für die Hitzestabilität des bewerteten Materials. Es sollte mit Vorsicht verwendet werden und nicht über den geschätzten Expositionszeitbereich hinaus extrapoliert werden. Bemerkenswert ist, dass die Geschwindigkeitsabhängigkeit erster Ordnung auch für den Modul des Sekundärdichtmittels DOWSIL™ 3363 Isolierglas gilt. Allerdings folgte der einkomponentige Klebedichtstoff DOWSIL™ 895 Structural Glazing Sealant einem Zerfall zweiter Ordnung gemäß Gleichung 4. Basierend auf der chemischen Kinetik verläuft der Zerfall zweiter Ordnung langsamer als der Zerfall erster Ordnung und DOWSIL™ 895 Structural Glazing Sealant sollte sich besser zeigen Eigenschaftserhalt bei Einwirkung hoher Temperaturen.

Wichtig ist, dass der silikonfreie, auf Polyurethan (PU) basierende Klebedichtstoff, der ähnlichen Bedingungen ausgesetzt wurde, ein ganz anderes Verhalten zeigte. Das Material hat einen Referenz-E'-Modul von 5,6 MPa (vor Hitzeeinwirkung). Nach 2-stündiger Einwirkung bei 200 °C ist das Material zu stark erweicht, um eine Messung des Moduls zu ermöglichen (Abbildung 8).

Der Massenverlust gemäß isothermer TGA-Messungen bei 200 °C über 3 Stunden ist für das PU beträchtlich (20 % der gesamten Polymermasse) und mit weniger als 2 % für alle bewerteten Silikondichtstoffe unabhängig von ihrer Art vernachlässigbar (Abbildung 9A). . Die Überlagerung der Massenverlustkurven für Verklebung und PU-Dichtstoff zeigt den schnellen und anhaltenden Abbau des PU-Dichtstoffs bei 200 °C (Abbildung 9B). Dies wurde durch einen Temperaturanstieg von 30 auf 900 °C weiter verifiziert, der einen starken Gewichtsverlust ab 200 °C für den PU-Dichtstoff zeigte. Der Masseverlust des Verbindungssilikons erfolgt später und mit geringerer Steigung (Abbildung 9C).

Darüber hinaus gibt das PU etwa 480 % mehr Wärme ab (7800 J/g) als ein vergleichbarer Silikondichtstoff (1600 J/g; Abbildung 10) und trägt stärker zur Brandentstehung bei.

In einem zweiten Schritt wurde die Änderung der mechanischen Eigenschaften durch TA-Verbindungstests bewertet. Abbildung 11 zeigt das Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten der DOWSIL™ 993 Structural Glazing Sealant TA-Verbindungen nach 120 Minuten bei unterschiedlichen Temperaturen auf Glas- und Aluminiumsubstraten. Die Zugfestigkeit und Steifigkeit nehmen ab, während die Dehnfähigkeit erhalten bleibt. Beim Erhitzen für 2 Stunden auf 180 °C behält das Material die Haftung und es wird ein Kohäsionsversagen beobachtet. Nach 2 Stunden bei 200 °C beginnt auf Glas ein teilweises Versagen der Haftung, das auf Aluminiumsubstraten erst bei 250 °C beobachtet wird.

Da die Proben zwei Stunden lang einer Temperatur von 250 °C ausgesetzt werden, wird ein Versagen der Haftung sowohl auf Glas als auch auf Aluminium beobachtet (Abbildung 12). Die bessere Haftung auf Aluminiumsubstraten gegenüber Glas ist bekannt (Descamps 1994), da neben kovalenten Si-O-Si-Bindungen auch eine physikalische Verzahnung in den Poren der Aluminiumoberfläche auftritt. Trotz des beobachteten Adhäsionsversagens sind die Werte der Zugfestigkeit und Dehnung noch akzeptabel.

Interessant ist, dass vorläufige Tests an einer begrenzten Anzahl von Proben bei wesentlich längeren Einwirkungszeiten (bis zu 6 Stunden) bei 200 °C keine deutliche weitere Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des DOWSIL™ 993 Structural Glazing Sealant anzeigen (Abbildung 13). . Diese Beobachtung korreliert mit einem exponentiellen Abfall in den ersten Stunden der Exposition, der sich über einen längeren Zeitraum hinweg verlangsamt. Der vorherrschende Abbaumechanismus ändert sich folglich, wenn die Einwirkungsdauer mehrere Tage erreicht, was zu härteren und spröderen Dichtstoffen mit höherem Modul führt, die das Gesetz des exponentiellen Abbaus nicht mehr vorhersagen kann. Weitere Tests sind im Gange, um diese Beobachtungen zu bestätigen.

Der Sekundärdichtstoff DOWSIL™ 3363 Isolierglasdichtstoff verhält sich ähnlich, wie in Abbildung 14 (links) dargestellt. Der teilweise Haftungsverlust auf Glas wird erst bei Temperaturen über 200 °C beobachtet, was den besseren Eigenschaftserhalt erklärt. DOWSIL™ 895 Structural Glazing Sealant zeigt (Abbildung 14 rechts) ein stabileres Verhalten mit geringer Verschlechterung zwischen 180 und 200 °C in TA-Verbindungen, was den vorherigen DMA-Ergebnissen ähnelt.

Da sich Glas als der schlechteste Fall erwies, wurde dieses Substrat hauptsächlich zur weiteren quantitativen Bewertung der Leistungsänderung sowohl für die Klebe- als auch für die Sekundärdichtungssilikone verwendet. Der Verlust der mechanischen Eigenschaften bleibt bei 180 °C und 2 Stunden unter oder nahe dem gewählten Leistungskriterium von 25 %. Bei 200 °C beträgt der Verlust an Zugfestigkeit und Steifigkeit knapp über 25 %. Sie bieten jedoch immer noch mechanische Festigkeit und zerfallen nicht. Abbildung 15 fasst die im Spannungsfeld erzielten Ergebnisse zusammen.

Abbildung 16 vergleicht die Beibehaltung des DMA-Moduls und des 12,5 %-Moduls für die verschiedenen Arten von Silikondichtstoffen nach 2 Stunden Hitzeeinwirkung bei 200 °C. Diese Ergebnisse bestätigen, dass der DMA-Modul tatsächlich als schnelle Alternative zur TA-Verbindungsanalyse verwendet werden kann, um Trends bei Eigenschaftsänderungen im Material zu untersuchen.

In ähnlicher Weise wurden TA-Verbindungen bei verschiedenen Temperaturen auf Scherung getestet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 17 und Abbildung 18 dargestellt. Im Vergleich zur ursprünglichen Scherung bei RT können die Klebe- und Sekundärdichtstoffe nach der Wärmebehandlung 75 % des ursprünglichen Werts an Zugfestigkeit, Steifigkeit und Dehnung beibehalten. Zwischen den Expositionsbedingungen 180 °C und 200 °C ist kein Unterschied im Zugfestigkeitsverhalten zu beobachten. Die Schubsteifigkeit nimmt nicht so stark ab wie bei Zug. Diese bessere Scherleistung könnte durch das Fehlen von Bereichen mit hoher Belastung in der Verbindung bei Scherbelastung erklärt werden, insbesondere im Bereich nahe der Haftungsebene mit dem Untergrund. Andererseits weisen auf Zug getestete TA-Verbindungen eine heterogene Spannungsverteilung mit einer hohen Spannung im Bereich nahe der Adhäsionsebene auf.

Schließlich wurde die Entwicklung des Eigenlastwiderstands des DOWSIL™ 993 Structural Glazing Sealant nach zweistündiger Wärmealterung der Proben bei 180 °C bewertet. Die Überlappungsscherproben, die typischerweise für diese Art von Tests verwendet werden, zeigten keinen Verlust an dauerhafter Belastungsbeständigkeit, was wahrscheinlich auf die kleinere, dem Sauerstoff ausgesetzte Oberfläche zurückzuführen ist, die den thermischen Abbau im Ofen bei 180 °C begrenzte. Aus diesem Grund haben wir speziell Doppel-H-Stab-Proben (Abbildung 3) entworfen, um TA-Verbindungsabmessungen während der Totlastexperimente zu verwenden.

Nach 2-stündiger Wärmealterung bei 180 °C zeigen die Doppel-H-Stab-Proben keine Verformung, wenn sie 6 Monate lang bei RT mit 7000 oder 11000 Pa Totlast belastet werden. Nach 3 Monaten im Ofen bei 60 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit halten frische Proben (nicht hitzegealtert) in Längsrichtung beiden Belastungen stand. Hitzegealterte Proben (2 Stunden bei 180 °C) zeigen bei 11.000 Pa eine Verformung, während sie der geringeren Dauerlast von 7.000 Pa standhalten können, ohne dass es zu einer Verformung kommt. Ergebnisse in Querrichtung waren aufgrund der Rotation der Proben, die während der Prüfung nicht ausgeglichen wurde, nicht aussagekräftig.

Diese Vorversuche scheinen darauf hinzudeuten, dass Klebesilikone, die einer dauerhaften Belastung und hohen Temperaturen ausgesetzt sind, längerfristig möglicherweise einen Ersatz benötigen, da die beobachteten Eigenschaftsänderungen mehr als 25 % betragen. Weitere Tests, einschließlich der Herstellung einer Verbindung zwischen dem neuen Doppel-H-Bar-Test und dem in ETAG002 genannten Kriechtest, sollten durchgeführt werden, um die Bewertung der Dauerlastbeständigkeit nach Hitzeeinwirkung zu vervollständigen.

Die Fähigkeit eines Klebedichtstoffes, nach Hitzeeinwirkung wie Rauch oder Wärmeleitung (2 Stunden bei 180 °C) einer nutzbaren dynamischen Belastung standzuhalten, bleibt wichtig. Sowohl die Klebe- als auch die Sekundärdichtstoffe behalten 75 % ihrer ursprünglichen mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Dehnung, Steifigkeit). Ein Verlust von 25 % gegenüber den ursprünglichen mechanischen Eigenschaften, die bei dieser Hitzeeinwirkung beobachtet wurden, ist gemäß den aktuellen Kleberichtlinien wahrscheinlich akzeptabel. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass nach dieser Art von Belastung, die in Räumen auftreten kann, die von einem Feuer isoliert, aber an dieses angrenzend sind, kein direkter Austausch der Klebedichtstoffe erforderlich ist. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Dauerbelastungsbeständigkeit wärmegealterter Silikone und die Notwendigkeit eines Austauschs zu bestätigen. Da eine gute Haftung bis 200 °C erhalten bleibt, kann ein hitzebeständiger Klebedichtstoff immer noch eine wichtige Barriere gegen den Austritt heißer Gase darstellen.

Die in diesem Artikel beschriebene Studie konzentrierte sich auf ein Worst-Case-Szenario, bei dem kleine Proben schnell ausgewertet und vollständig der vollständigen Hitzealterung ausgesetzt wurden. Bei Bauanwendungen können Verbindungen, die hohen Temperaturen von Rauch oder Wärmeleitung ausgesetzt sind, vom Skaleneffekt der größeren Struktur, zu der sie gehören, profitieren. Je nach System kann es zu einer langsameren Erwärmung und einer niedrigeren effektiven Maximaltemperatur kommen, insbesondere wenn in der Nähe Sprinkleranlagen aktiv sind oder wenn in Kontakt stehende Materialien als Wärmesenke fungieren und die Wärme von den Silikonverbindungen ableiten.

Darüber hinaus weisen Materialien auf Silikonbasis eine langsame Wärmeübertragung auf. Brandmodellierungsstudien (Mazzucchelli 2020; Zhang 2021) von Vorhangfassaden, die Feuer, Rauch und hohen Temperaturen ausgesetzt sind, legen nahe, dass die Temperaturen an verschiedenen Stellen der Vorhangfassade variieren und an einigen Stellen erheblich niedriger sein können, was zu einer verbleibenden mechanischen Festigkeit der Vorhangfassade führt Dichtstoff, der unter realen Brandbedingungen kein Versagen zeigt, ähnlich wie bei den in Abbildung 1 dargestellten realen Brandbeobachtungen. Thermische Unterbrechungen können außerdem zur Beibehaltung der Verbindungsfestigkeit und zur Temperaturkontrolle im Klebefugenbereich beitragen. Um die Temperatur zumindest in einigen Teilen der Klebefläche zu minimieren, können Wärmebarrieren durch Isoliermaterialien oder intumeszierende Beschichtungen eingebracht werden.

Im Gegensatz zum vielversprechenden Verhalten von Silikon ist das Verhaltensmuster ganz anders, wenn Dichtstoffe aus anderen Chemietypen, z. B. Polyurethane, berücksichtigt werden. Der in dieser Studie untersuchte PU-Dichtstoff stammt aus der Bahnindustrie und wird dort für die Verklebung von Fenstern eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass dieses Material nicht nur seine mechanische Leistungsfähigkeit verlor, sondern sich auch vollständig auflöste, wenn es einer Hitzeeinwirkung von 200 °C für 2 Stunden ausgesetzt wurde. Während die Verwendung dieser Art von Chemie für Innenverklebungsanwendungen ohne UV-Einwirkung in Zukunft in Betracht gezogen werden könnte, belegen die präsentierten Ergebnisse die hohe Temperaturempfindlichkeit des PU-Materials.

Die Empfindlichkeit dieses Materials stellt den Einsatz dieser Art von Chemie vor Herausforderungen, wenn Risiken im Zusammenhang mit der Einwirkung hoher Temperaturen vermieden werden müssen, und unterstreicht die Bedeutung der Wahl der Technologie bei Fassadenanwendungen. Tatsächlich könnte die langfristige Haltbarkeit beeinträchtigt werden, wenn es selbst mäßigen Temperaturen wie 80 °C ausgesetzt wird, die üblicherweise bei Fassaden ohne Glas erreicht werden. Eine gründliche experimentelle Bewertung wird dringend empfohlen, um die Anwendung zu validieren.

Zukünftige Arbeiten umfassen die Erstellung eines Zeit-Temperatur-Diagramms bei 75 % Zugfestigkeitsverlust für die verschiedenen Materialien, um der Industrie eine einfache Auswahl von Dichtungsmitteln aufgrund ihrer Hochtemperaturbeständigkeit zu ermöglichen, und die Fortsetzung der Bewertung der Totlastbeständigkeit. Schließlich ist weitere Forschung erforderlich, um die Auswirkung der Testvariabilität im Verhältnis zu einer statistischen Relevanz zu verstehen, die Probenwiederholungen, die Bewertung der Variation von Charge zu Charge oder den Einfluss des Mischungsverhältnisses umfassen sollte. Es ist wichtig zu beachten, dass die bereitgestellten Ergebnisse nur für die bewerteten Dichtstoffe gelten.

Die Autoren danken François De Buyl, Pierre Descamps und Frederic Gubbels für die fruchtbaren Diskussionen; das Baulabor in Seneffe für die Probenvorbereitung und Aurore Arnould für die Unterstützung bei der Durchführung der TGA-Analyse.

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