Seit dem alten Ägypten der lange Kampf gegen das Feuer

Die Entdeckung des Feuers wird oft als die wichtigste in der Geschichte der Menschheit dargestellt, so sehr beeinflusste sie die Entwicklung des Genres Homo. Durch die Reduzierung der Energiemenge, die zur Verdauung von Nahrung benötigt wird, hat das Kochen insbesondere zu einer Steigerung des Gehirns geführt.

LDie Beherrschung des Feuers scheint vor etwa 400 Jahren erworben worden zu sein auch wenn viel ältere Gebrauchsspuren gesichtet wurden. Mit der Urbanisierung ist Feuer aber auch zur Plage geworden, wenn es sich ungebremst ausbreitet. Denken wir zum Beispiel zum großen Brand von Rom im Jahr 64 n. Chr. zu dem der Kathedrale Notre Dame de Paris oder sogar zu den Megabränden, die heute viele Länder verwüsten.

Was ist Feuer?

Ein Feuer erfordert die Verbindung von drei Elementen: einem Brennstoff, einem Oxidationsmittel und einer Wärmequelle, die als Feuerdreieck bezeichnet wird. Diese Elemente interagieren in einem komplexen Prozess, an dem physikalische Phänomene wie Wärmeübertragung und chemische Phänomene wie Pyrolyse der Brennstoffquelle oder Verbrennung von Pyrolyseprodukten beteiligt sind.

Technisch wird zwischen Reaktion und Feuerwiderstand unterschieden. Das Brandverhalten betrifft brennbare Materialien, die während ihrer Zersetzung unter Temperatureinwirkung und in Gegenwart eines Oxidationsmittels (meistens Sauerstoff in der Luft) wahrscheinlich Wärme freisetzen. Der Feuerwiderstand betrifft die Fähigkeit eines Elements, seine tragende Funktion und seine Wärmedämmung sowie seine Gas- und Rauchdichtigkeitseigenschaften während eines Brandes aufrechtzuerhalten. Als brennbares Material, das als tragendes Element in Gebäuden verwendet wird, ist Holz von diesen beiden Aspekten betroffen, die spezifische Normen und unterschiedliche Prüfungen erfordern.

Bei der Brandbekämpfung gibt es zwei Strategien, die sich nicht ausschließen. Die erste sieht den Einsatz sogenannter aktiver Geräte im Brandfall vor: Feuerlöscher, Rauchmelder oder automatische Wasserlöscher. Die zweite besteht darin, Materialien zu verwenden, die so wenig wie möglich zur Ausbreitung des Feuers beitragen.

Brandschutz

Viele Materialien, wie die meisten Kunststoffe oder Holz, sind von Natur aus leicht brennbar, und es ist notwendig, Zusatzstoffe, sogenannte Flammschutzmittel, einzuarbeiten, die, in oder auf der Oberfläche eines brennbaren Materials eingearbeitet, sein Verhalten ändern sollen, indem sie das Feuerdreieck stören .

Ihre Wirkungen bestehen hauptsächlich darin, das Auftreten der Flamme zu verzögern, die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung zu verlangsamen, die Wärmefreisetzung und die Feuerkraft zu verringern, die Trübung des Rauchs und seine Toxizität zu begrenzen. Alle diese Wirkungen werden durch standardisierte Brandverhaltenstests bewertet. Sie führen zu Klassifizierungen, die den potenziellen Einsatz des Materials in einer bestimmten Anwendung gemäß den Vorschriften bestimmen. Es gibt kein universelles Flammschutzmittel. Ein Brandschutzsystem muss an das zu schützende Material angepasst sein, insbesondere unter Berücksichtigung seines Zersetzungsprozesses. Darüber hinaus richtet sich die Wahl eines Flammschutzmittels auch nach dem Herstellungsprozess des Materials und darf die erwarteten funktionellen Eigenschaften nicht wesentlich verändern.

Archäologen verorten die Anfänge des Brandschutzes in der Antike. Die Ägypter, um 400 v. J.-C., verwendete Mineralien, um bestimmte Stoffe wie Baumwolle oder Leinen feuerfest zu machen. Später, während der Belagerung von Piräus (23 v. Chr.) wurden Alaunlösungen verwendet, um die hölzernen Wälle feuerfest zu machen. Dann musste bis zum 18. Juni 1735 gewartet werden, bis der Engländer Obadiah Wyld das erste Patent anmeldete, Patentnummer 551, über die Behandlung von Baumwolle. Im XNUMX. Jahrhundert, musste auf Wunsch des Königs von Frankreich, Ludwig XVIII., ein wirksames System gefunden werden, um Brände in Pariser Theatern mit Kerzenlicht zu verhindern. Joseph Louis Gay-Lussac meldete dann ein Patent auf die Verwendung einer Mischung aus Ammoniumphosphat, Ammoniumchlorid und Borax zum Feuerfestmachen von Vorhängen in Theatern an.

Flammschutzmittel

Es gibt mehrere Familien von Flammschutzmitteln, basierend auf unterschiedlichen chemischen Elementen und mit unterschiedlichen Wirkungsweisen. Historisch gesehen ist die halogenierte Moleküle Chlor oder Brom enthalten, sind wegen ihrer Wirksamkeit schon in kleinen Mengen weit verbreitet. Diese Moleküle wirken, indem sie die in der Flamme stattfindenden Verbrennungsreaktionen stören, ihr Erlöschen fördern und die freigesetzte Energiemenge begrenzen. Dies wird dann als Flammenhemmung bezeichnet. Die Giftigkeit bestimmter halogenierter Verbindungen hat jedoch zu ihrem Verbot geführt. Aufgrund der Unmöglichkeit, sie beim Recycling leicht zu unterscheiden bromierte Moleküle erlaubten von verbotenen, ist es nicht mehr möglich, mit diesen Flammschutzmitteln feuerfest gemachte Kunststoffe zu recyceln. Darüber hinaus führen diese Moleküle während des Brandes zur Bildung von undurchsichtigem und korrosivem Rauch. Aus all diesen Gründen ist diese Familie von Flammschutzmitteln nun zunehmend auf dem heißen Stuhl.

Es wird hauptsächlich ersetzt durch Phosphor Flammschutzmittel. Diese sind sehr vielfältig und können daher nach unterschiedlichen Wirkungsweisen wirken. Die Hauptwirkung bleibt jedoch die Förderung einer Restschicht auf der Oberfläche des Kraftstoffs, die den gesunden Teil des Materials schützt. Die Strategie besteht darin, die Pyrolysereaktionen (Zersetzung des Materials unter Hitzeeinwirkung) zu stören und die Bildung eines kohlenstoffreichen und thermisch stabilen Rückstands namens „Char“ zu fördern. Einige besonders wirksame Systeme werden als intumeszierend bezeichnet, weil die Kohle eine aufgeschäumte, isolierende und sehr schützende Schicht bildet. Diese Art von intumeszierendem System wird insbesondere in Beschichtungen zum Schutz von Metallteilen oder Holz verwendet.

Wir können auch Metallhydroxide erwähnen, die billig, aber verhältnismäßig weniger wirksam sind und daher in hohen Mengen (bis zu 65 Masse-% in Außenmänteln für Kabel) eingearbeitet werden müssen, um eine spürbare Wirkung zu erzielen. Unter Temperatureinwirkung setzen diese Partikel durch endotherme Zersetzung Wasser in Form von Dampf frei und helfen so, das Material abzukühlen und die Brennstoffe in der Flamme zu verdünnen.

Andere Chemikalien existieren beispielsweise auf der Basis von Stickstoff (Melamin), Bor (Zinkborat) oder Zinn (Hydroxystannat). Nanotechnologie wird seit fünfzehn Jahren auch im Bereich des Brandschutzes eingesetzt. Nanopartikel vom Typ lamellarer Ton oder Kohlenstoffnanoröhrchen fördern den isolierenden Charakter der gebildeten Kohle, selbst bei geringen Mengen. Sie allein reichen jedoch nicht aus, um das Material umfassend zu schützen.

Und das Holz?

Im Allgemeinen haben Materialien organischen Ursprungs (aus der belebten Welt) wie Öl, Holz oder Kohle eine Zusammensetzung, die reich an Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen ist, die wahrscheinlich oxidiert werden. Sie sind daher brennbar. Holz ist ein komplex aufgebauter Werkstoff mit einer elementaren chemischen Zusammensetzung, die zur Hälfte aus Kohlenstoff (50 %), Sauerstoff (44 %) und einer geringen Menge Wasserstoff (6 %) besteht.

Das nicht sehr dichte Holz hat eine natürliche Verkohlungsfähigkeit, dh zwischen dem gesunden Holz und den Flammen bildet sich eine Schutzschicht aus Verkohlung. Bei der Verbrennung verliert das Holz zunächst Wasser, um bei 120°C vollständig trocken zu werden. Dann zerfällt seine Struktur mit zunehmender Temperatur allmählich. Seine Bestandteile sind relativ stabil bis 250 °C, der Temperatur, oberhalb derer eine Rauchentwicklung beobachtet wird. Bei 320°C ist die Gasmenge so groß, dass sie das Holz an der Luft entzünden kann. Die Pyrolyse findet hauptsächlich bis 500°C statt, danach bleibt nur noch Holzkohle (Char) übrig, die sich durch Oxidation langsam zersetzen kann. Verlangsamt die Kohleschicht die Pyrolyse des gesunden darunter liegenden Holzes, ist ihr mechanischer Widerstand dagegen vernachlässigbar. Mit fortschreitender Pyrolyse verringert sich daher der nutzbare Querschnitt eines Holzbauteils und damit auch seine Tragfähigkeit.

Die zum Brandschutz von Holz eingesetzten Flammschutzmittel gehören zu den oben genannten Familien (Phosphor, Bor, Stickstoff, Metallhydroxide). Anders als bei Kunststoffen ist es jedoch nicht möglich, diese Zusatzstoffe bei der Herstellung von Holz zu integrieren. Der Brandschutz erfolgt daher in zwei Formen: Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung (Farbe, Lack) und Imprägnieren im Kern des Holzes, d.h. im hohlen Teil – genannt Lumen – der Holzzellen durch einen Autoklavenprozess. Dabei werden alle Lumen gefüllt, indem zunächst im Vakuum entgast und dann das Eindringen des Flammschutzmittels durch Überdruck erzwungen wird. Durch diese aufwendigere Lösung kann eine Verschlechterung des Flammschutzes bei Oberflächenfehlern vermieden werden. Wird eine Beschichtung verändert, kann sie ihre feuerfeste Funktion nicht mehr erfüllen und lässt das Holz im Brandfall ungeschützt.

Dieser Artikel wurde gemeinsam mit Clément Lacoste (IMT – Mines Alès), Laurent Ferry (IMT – Mines Alès) und Henri Vahabi (Universität Lothringen) verfasst.

Rodolphe Sonnier, Assistenzmeister der Schools of Mines, IMT Mines Alès – Mines-Telecom Institute

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