阅读说明：本技术 用于高防火要求的纤维型材及其制造方法 (Fiber profile for high fire protection requirements and method for producing same ) 是由 J·米勒 于 2018-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于高防火要求的纤维型材,其尤其可用于制造用于建筑业的高强度加强料。本发明的任务在于提供纤维型材及其制造方法。纤维型材的技术特性应得到显著扩展并且对于新的防火安全应用得以优化。尤其是纤维型材的表面应硬化并且在合理的时间内保护其免于遭受破坏性热量。纤维型材包括埋入基质中的纤维条,所述纤维条由纤维复合材料、尤其是由碳纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维制成。根据本发明,纤维条被基质包围,该基质由金属硅酸盐水溶液(水玻璃)制成。纤维型材可具有涂层,该涂层由施加到基质上的耐碱、高耐热的片状涂层材料制成。作为涂层材料使用砂片和/或玻璃片和/或云母片。(The invention relates to a fiber profile for high fire protection requirements, which can be used in particular for producing high-strength reinforcements for the construction industry. The object of the invention is to provide a fiber profile and a method for producing the same. The technical properties of the fiber profile should be significantly extended and optimized for new fire safety applications. In particular the surface of the fiber profile should be hardened and protected from damaging heat within a reasonable time. The fiber profile comprises fiber strands embedded in a matrix, which are made of a fiber composite material, in particular carbon fibers, basalt fibers and glass fibers. According to the invention, the fiber strands are surrounded by a matrix made of a metal silicate aqueous solution (water glass). The fiber profile may have a coating made of an alkali-resistant, highly heat-resistant sheet-like coating material applied to the substrate. As coating material sand and/or glass and/or mica sheets are used.)

用于高防火要求的纤维型材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于高防火要求的纤维型材，所述纤维型材尤其是可作为增强型材用于制造用于建筑业的高强度加强料。纤维型材尤其适合用于必须满足高防火要求的混凝土结构、如摩天大楼或桥梁。本发明还涉及一种用于制造纤维型材的方法，所述纤维型材在拉挤成型过程中由埋入基质中的纤维条制造而成，所述纤维条由纤维复合材料、尤其是由碳纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维材料制成。

背景技术

在制造碳纤维条、玻璃纤维条或玄武岩纤维条时，通常将多根单纤维汇集在一起并用基质包封成一束或多束。在下文中，不同纤维材料以通用术语“纤维”命名。基质用于定位和固定纤维并且也用于对其进行保护。在已知并且已实践的拉挤成型过程顺序中，将不同的涂层施加到基质的直接表面上或局部施加到基质的直接表面中。在一种已知方法中在拉挤成型过程之后进行涂层过程，部分利用了基质在其最终时效硬化之前的一定残余粘度或在施加适合的、单独的粘合剂的情况下。这实现了产生用于特定应用目的的特性。例如用于增加周面的特殊表面或加固条。

DE102014212241A1描述了碳纤维、尤其是用于碳纤维复合塑料(CFK)的碳纤维。通过该发明应首次提出在碳纤维上施加薄而硬的等离子体涂层，该涂层具有无定形硅氧烷。由此碳纤维获得可像玻璃纤维表面那样加工的表面。该涂层用于更好地连接碳纤维与包封基质。

DE102015119700A1描述了一种用于调整拉挤成型的和/或另外通过树脂或粘合剂由碳纤维组合成的碳纤维型材的表面或碳纤维表面的方法以及一种用于实施该方法的装置。目的在于实现粗糙或精细结构化和因此大的表面且在此不影响碳纤维型材的内部结构。

碳纤维在此以本身已知的方法成束为连续的条并且埋入由树脂或粘合剂制成的基质中，在此进行硬化。在硬化完成之前，用粒状和/或圆形或纤维状和/或针状涂层材料进行表面涂层。作为涂层材料使用金属、玻璃和/或超细砂，由此也应能实现避免磨损和机械损坏的加固。用粒状和/或圆形或纤维状和/或针状涂层材料进行表面涂层。

WO2012/059540A1描述了一种用于制造由无序碳纤维制成的绒毛层的方法，该绒毛层作为围绕碳纤维的束。该方法需要相当大的技术和设备支出。

WO2016/112898A1描述了一种由长丝复合材料制成的增强杆及其制造方法。增强杆应能承受高温。增强元件由埋入基质材料中的长丝制成，所述长丝无预应力地或沿牵引方向被预拉紧地存在并且基本上完全被矿物基质材料包围。作为基质材料使用细混凝土或含有细水泥的悬浮液。

在拉挤成型过程期间，通过将纤维束铺展在分散浴池中对各单根纤维进行涂层。在该过程中，水泥水悬浮液渗透到铺展开的纤维之间以包封各个条。由于碳纤维是疏水的，因此以这种方式难以形成高质量的涂层，尤其是因为这种高度研磨的水泥倾向于极短的凝固反应。众所周知，水泥浆的受控凝固过程的过程控制十分困难。水泥释放很多热量并且易于燃烧。决定强度的、由水泥浆自然生长的晶体结构强度形成得非常不完整。但其形成却对于在各纤维结构上和之间的合格附着至关重要。根据经验如此产生的薄层的机械强度不是很高。

借助目前已知和已实践的用于将碳纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维制造为混凝土加强料的方法不能实现能有效承受机械负荷的防火保护。虽然玄武岩纤维和玻璃纤维本身不易燃，但连接纤维的基质可燃或可在高温下改变使得其不再能满足符合规定的保护功能。

发明内容

本发明的任务在于，提供用于高防火要求的纤维型材及其制造方法。纤维型材在高强度型材的形式中尤其应适合用作混凝土结构的加强料。纤维型材的技术特性可得到显著扩展并且对于新的防火安全应用得以优化。尤其是纤维型材的表面应硬化并且在合理的时间内保护其免于遭受破坏性热量。

根据本发明，所述任务通过装置权利要求1和方法权利要求5的特征来解决。扩展特征在从属权利要求2至4和6至10中描述。

用于高防火要求的纤维型材包括埋入基质中的纤维条，所述纤维条由纤维复合材料、尤其是由碳纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维制成。根据本发明，纤维条被基质包围，该基质由金属硅酸盐水溶液(水玻璃、二氧化硅)制成。可使用技术上可行的碱金属硅酸盐、如硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂的无定形水溶液。

反应介质的ph值在碱性范围内。该基质的粘度可在宽范围内变化。因此基质可在用于渗透到纤维条之间的稀液状和用于包封纤维束的稠液状之间调节。可分别借助相应符合规定的基质在彼此分开的连续步骤中实施渗透以及随后的包封涂层。尽管设备支出稍大，但该方案可由于相应良好的粘度独立调节性而适合用于大规模应用。

对于还要更高的防火要求，纤维型材可具有涂层，该涂层具有由施加在基质上的耐碱、高耐热的片状涂层材料制成的涂层颗粒。优选地，涂层在拉挤成型过程期间在适合的基质仍有粘度或残余粘度时进行。涂层过程可重复多次。作为用于符合规定的涂层的材料使用确定尺寸的云母片和扁平粒状、如铁饼形的石英砂。圆形耐碱的扁平碎玻璃也是适合的。云母颗粒或玻璃颗粒的尺寸优选直至0.5mm、扁平粒状的石英砂颗粒的尺寸为0.06至0.2mm。

为了有效防火，至少95％的表面应涂有薄片。

为了将纤维条用作混凝土中的加强料，也可选择更粗的粒度。例如设置如上所述所述细粒的第一层和更粗的第二层。优选通过热空气在包围拉挤成型条的空间中搅动所述材料。气流可有利地在圆柱形空间中以圆形涡流运动。通过调节空气和涂层材料之间的混合比可控制涂层质量。

对于特殊应用情况，纤维型材可具有由埋入环氧树脂中的砂片和/或玻璃片和/或云母片制成的涂层。

也可根据保护需求多次交替地以云母、玻璃和细砂进行涂层。为此在待施加层之间设置粘合剂或基质。

云母、玻璃和扁平粒状的石英砂是不良导热体。对此云母片以其特殊的光滑表面极好地反射热辐射。在多层涂层中(即施加多层云母或玻璃以及在它们之间设有粘合剂或基质)，产生鳞片状的纤维条表面。在另一种实施方式中，扁平粒状的石英颗粒和云母片可交替地通过粘合剂或/或基质逐层施加。

在用于制造用于高防火要求的纤维型材的方法中，在拉挤成型过程中将纤维条埋入基质中并且随后硬化。将纤维条注入由金属硅酸盐水溶液(水玻璃)制成的基质中。

在包围纤维型材的基质上可利用耐碱和高耐热的涂层材料进行涂层，该涂层材料优选构造成片状的。由此可覆盖大表面并能够提供防火保护。

在包围纤维型材的基质上可由埋入环氧树脂中的涂层材料进行涂层。作为涂层材料主要使用砂片和/或玻璃片和/或云母片。

附图说明

下面通过实施例详细阐述本发明。附图如下：

图1是拉挤成型过程的示意图，其具有两个含有不同粘度的基质的基质容器；

图2是拉挤成型过程的示意图，其具有一个基质容器、一个附加涂层装置和随后的干燥装置；

图3是在二氧化硅基质上具有固体矿物涂层的纤维型材；

图4是在二氧化硅第二基质层上具有固体矿物涂层的纤维型材；

图5是直接在二氧化硅基质上具有固体矿物涂层的纤维型材(纤维之间的空隙被稀液状的二氧化硅基质填充并且形成所述条的共同的包封)；

图6是具有双面涂层的纤维型材，其具有平行延伸的纤维的面式布置。

具体实施方式

在图1和2中示出用于制造用于高防火要求的纤维型材的第一种实施例。它们示出根据本发明的拉挤成型过程的示意图，其具有两个含有不同粘度的基质的基质容器。作为最终产品的示例性纤维型材在图3、4和5中示出。

在此原材料经过以下步骤：

1.将由碳纤维制成的纤维条2从具有希望数量的纤维条的储备卷筒1退绕。为了便于显示，图1仅示出3个储备卷筒1。实际上，成品纤维型材20包括多个单个纤维条。

2.将各单个纤维条2通过辊3和已知的适合的常规导向装置汇集成一个纤维束4直至达到希望纤维型材20的符合规定的厚度20。

3.将如此制成的纤维束4无预应力地引导通过基质容器5，该基质容器填充有预定粘度的金属硅酸盐水溶液(水玻璃)作为液体基质5。在此，溶液可被加热和/或处于压力之下。这促进相对液态的基质7完全包围所有纤维条2的过程。该无预应力的路段8使得各单个纤维条2之间的空隙可以轻易被填充液态基质7。通过基质供应装置6定期再补充消耗的基质7。这样选择基质7的粘度，使得基质可以高速渗透到各纤维条2的空隙中。在此，纤维条2无应力地穿过基质容器5。基质容器5可有利地被加压。在该基质容器中，基质7通过毛细管力被吸入各纤维条2之间。基质容器5中的压力加速该过程。如果加热纤维条2和基质7也同样有利。

4.将从基质容器5出来的纤维束4借助输送装置9进一步输送。输送装置可具有加热装置，借助该加热装置，纤维束4可被热空气或热CO₂气体绕流，以辅助基质的胶凝过程，由此形成凝胶并因此开始硬化过程。

5.之后，纤维束4进入第二基质容器10中，该基质容器包含具有预定粘度的、溶解在含水硅酸中的、稠液状的金属硅酸盐。在此，按规定产生纤维束4的包封层。在该仍有粘度的层上施加主要的防火保护。基质12比基质7更呈稠液状并且具有凝胶状稠度，其必要时也被加热并处于压力之下。该具有限定预应力的路段13使得纤维束4中的各单个纤维条2已经彼此粘附并且如此产生的纤维束4周面被整体包封。在视觉上这类似于电缆的外部绝缘装置。通过基质供应装置11定期再补充消耗的基质12。

6.将从基质容器10出来的纤维束4通过另一输送装置9继续输送。该输送装置又可具有加热装置，借助该加热装置，纤维束4被热空气或热CO₂气体绕流，以辅助基质的胶凝过程。

在图2中示出一个另外的处理过程。在图2中仅单级地示出借助液态基质7制造纤维束4。这原则上也是可以的，但需要另外调整所使用基质7的稠度或改变地调整热量或通风条件。

7.在接下来的一个涂层容器16中，利用耐碱和高耐热的涂层颗粒17进行涂层。在一种优选应用中，从外部通过颗粒供应装置18供应限定尺寸的云母片。在该涂层容器16中通过定向的空气运动搅动云母片。运动的涂层颗粒17附着在包封纤维束4的基质23的仍有粘度的基质表面25上。过量的涂层颗粒24可通过排出口19排出涂层容器。最后的涂层过程、即厚的基质凝胶加上涂层可重复进行。每增加另一涂层，防火保护就会增强。

8.从涂层容器16出来的、被施加涂层的纤维型材20在干燥和时效硬化容器22中被热辐射14或热空气或热CO₂气体绕流，以辅助基质的胶凝和硬化过程。

9.输送装置21将涂层的纤维型材20输送到切割装置15，在切割装置中纤维型材20被切割成希望的长度。

图3以横截面图示出一种纤维型材20，其在包封纤维条2的基质23的基质表面25上具有固体矿物涂层。基质23由金属硅酸盐水溶液(商品名：水玻璃)制成。

图4示出一种用于实现特别高的防火安全性的纤维型材20。在此，在直接包封纤维条2的内部基质23上接着施加外部基质层26并且替代或附加地借助固体矿物涂层颗粒进行涂层。作为涂层颗粒24在此仍选择云母片。作为外部第二基质层26优选使用稠液状的凝胶状水玻璃溶液或环氧树脂。各纤维条2之间的间隙被作为内部基质23的稀液状的硅盐溶液基质(水玻璃)填充。由于第二外部基质层26在火灾情况下部分或全部形锁合地埋入内部基质涂层中或上，因此其可被认为是牺牲层并且优选仅可用于具有相应要求之处。尤其是外部环氧树脂层在火灾情况下用作牺牲层。

云母是一种天然存在的层状硅酸盐，其特点在于明显的片状结构并且以不同的云母类型存在。云母的特殊的特性在于其片状的颗粒、高长宽比(1:30)、其密度约为2.85g/cm³、其硬度约为2.5(Mohs)以及低吸油性和其耐高温性。

图5示出一种纤维型材20，其直接在由硅盐制成的内部基质23上具有固体矿物涂层，各纤维条2之间的空隙被稀液状的硅盐基质填充并且形成纤维束4的共同包封。作为涂层材料24在此例如使用薄玻璃片。

在图6中示出具有双面涂层的纤维型材，其具有平行延伸的纤维条2的面式布置。在多个纤维条2之间(在此仅示出其中的两层)设有内部基质23，该内部基质具有外部基质层26，在外部基质层上埋入涂层颗粒24。该纤维型材例如用作由碳纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维制成的织物和稀松布，其两侧具有作为防火保护覆盖物的涂层。

通过本发明这样扩展了迄今已知并且已实践的制造过程，使得特别是为静态起作用的构件施加在建筑业中对于许多应用所需的可行防火保护。

为此首先在纤维型材上施加反射热辐射的防火保护。对于格外高和最高的防火要求，可附加地使用环氧树脂作为粘合剂(在宇宙航行中已知为热保护)，其符合规定地用于连接云母片和拉挤成型的纤维条或将云母片彼此连接。

作为静态起作用的加强料，纤维型材通过所述涂层更好地受保护免受例如在建筑物火灾时产生的热作用。显著延迟了加强料的由不受控制的热作用所引起的所谓失效。

附图标记列表

1 储备卷筒

2 纤维条

3 辊

4 纤维束

5 基质容器

6 基质供应装置

7 基质

8 无预应力的路段

9 输送装置

10 基质容器

11 基质供应装置

12 基质

13 具有限定预应力的路段

14 热辐射

15 切割装置

16 涂层容器

17 涂层颗粒

18 颗粒供应装置

19 排出口

20 纤维型材

21 输送装置

22 干燥和时效硬化装置

23 内部基质

24 涂层颗粒

25 基质表面

26 外部基质层