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DE102020005288B4 - Fireproof cladding material for flammable and/or combustible materials containing a foam resin composition based on novolaks, process for its preparation and use - Google Patents

Fireproof cladding material for flammable and/or combustible materials containing a foam resin composition based on novolaks, process for its preparation and use

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DE102020005288B4
DE102020005288B4 DE102020005288.6A DE102020005288A DE102020005288B4 DE 102020005288 B4 DE102020005288 B4 DE 102020005288B4 DE 102020005288 A DE102020005288 A DE 102020005288A DE 102020005288 B4 DE102020005288 B4 DE 102020005288B4
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DE
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cladding material
flammable
material according
resin composition
foam resin
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DE102020005288.6A
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German (de)
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Inventor
Thomas Löhl
Jens Gennath
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Bakelite De GmbH
Original Assignee
Bakelite AG
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Publication date
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Abstract

Feuerfestes Umhüllungsmaterial für entzündliche und/oder brennbare Materialien eine Schaumharzzusammensetzung auf der Basis von Novolaken, zumindest ein endothermes Treibmittel und einen Härter enthaltend, die während einer Überhitzung Wärme absorbiert und sich durch Schaumbildung ausdehnt.Refractory encasing material for flammable and/or combustible materials, comprising a foam resin composition based on novolaks, at least one endothermic blowing agent and a hardener, which absorbs heat during overheating and expands by foaming.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein feuerfestes Umhüllungsmaterial für entzündliche und/oder brennbare Materialien eine Schaumharzzusammensetzung auf der Basis von Novolaken enthaltend.The invention relates to a fireproof cladding material for flammable and/or combustible materials containing a foam resin composition based on novolaks.

Entzündliche und/oder brennbare Materialien sind bei ihrem Transport und/oder im Betrieb und/oder beim Laden und/oder im Ruhezustand ein Gefahrenpotential. So können sie bei mechanischer oder thermischer Belastung sich selbst entzünden bzw. müssen im Brandfall der Umgebung entsprechend gesichert werden, damit sie nicht zur Beschleunigung der Brandausbreitung beitragen. Als Beispiele für entzündliche und/oder brennbare transportable Materialien seien an dieser Stelle Feuerwerkskörper oder chemische Substanzen, wie z.B. Leichtmetalle, wie Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium, Calcium, Strontium und Barium, genannt.Flammable and/or combustible materials pose a potential hazard during transport, operation, charging, and/or when not in use. They can self-ignite under mechanical or thermal stress and must be appropriately protected from the surroundings in the event of a fire to prevent them from accelerating the spread of the fire. Examples of flammable and/or combustible transportable materials include fireworks and chemical substances such as light metals such as lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, calcium, strontium, and barium.

Besonders problematisch ist die Situation, wenn eine Vielzahl von Komponenten am Reaktionsgeschehen beteiligt sind, wie es bei einem Brand einer galvanischen Zelle der Fall ist.The situation is particularly problematic when a large number of components are involved in the reaction, as is the case with a fire in a galvanic cell.

Die galvanische Zelle ist ein technischer Aufbau zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie durch eine chemische Redoxreaktion. Sie ist insbesondere für die Versorgung von mobilen elektrischen oder elektronischen Geräten geeignet, wie z.B. Taschenlampen, Mobiltelefonen, Computer, Elektrowerkzeugen u.ä. sowie in Kraftfahrzeugen.The galvanic cell is a technical device for converting chemical energy into electrical energy through a chemical redox reaction. It is particularly suitable for powering mobile electrical or electronic devices, such as flashlights, mobile phones, computers, power tools, and similar devices, as well as in motor vehicles.

Man unterscheidet galvanische Zellen entsprechend ihres Aufbaus z. B. in Batterien (z.B. Zink-Kohle-Batterien, Alkali-Mangan-Batterien), Akkumulatoren und Brennstoffzellen. Im Gegensatz zu Batterien ist bei Akkumulatoren die Redoxreaktion umkehrbar. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung läuft die Rückreaktion ab und der Akkumulator kann wieder Strom liefern. So kommen Akkumulatoren insbesondere zur Anwendung, wo ein zeitweiser oder gänzlich stromnetzunabhängiger Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten erforderlich oder gewünscht ist.Galvanic cells are classified according to their structure, for example, into batteries (e.g., zinc-carbon batteries, alkaline-manganese batteries), accumulators, and fuel cells. Unlike batteries, the redox reaction in accumulators is reversible. Applying an electrical voltage triggers the reverse reaction, and the accumulator can supply power again. Thus, accumulators are particularly used where temporary or permanent operation of electrical and electronic devices independent of the mains power supply is required or desired.

Gleich bei fast allen Akkumulatoren ist, dass beim Auf- und Entladen Wärme freigegeben wird. Je nach Alter und Typ des Akkumulators neigt dieser auch bei Nichtverwendung zur Selbstentladung. Das führt unter Umständen dazu, dass eine unkontrollierte Überhitzung des Akkumulators aufritt, wodurch umliegende Bauteile in Mitleidenschaft gezogen werden können und letztendlich das gesamte elektronische oder elektrische Gerät durch einen Brand zerstört wird. Das Problem der Überhitzung kann je nach Aufbau der galvanischen Zelle auch bei Batterien auftreten.A common feature of almost all rechargeable batteries is that they release heat during charging and discharging. Depending on the age and type of battery, it may self-discharge even when not in use. This can lead to uncontrolled overheating of the battery, which can damage surrounding components and ultimately destroy the entire electronic or electrical device in a fire. Depending on the design of the galvanic cell, the problem of overheating can also occur with batteries.

In den letzten Jahren ist der Einsatz von galvanischen Zellen auf der Basis von Lithium stark vorangeschritten. So finden Lithium-Batterien (Primärzelle) als auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Lithium-Ionen-Batterien) und deren Weiterentwicklungen wie Lithiumionen-Polymer- oder auch Lithiumionen-Titanat-Akkumulator Anwendung. Diese zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und sind wesentlich leichter als z.B. Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Sie werden daher beispielsweise in Mobiltelefone, Digitalkameras, Camcorder oder Laptops, Modellfahrzeugen, insbesondere Modellflugzeuge, Drohnen, Elektrowerkzeugen sowie Elektro- und Hybridfahrzeuge verwendet.In recent years, the use of lithium-based galvanic cells has progressed significantly. Lithium batteries (primary cells) as well as lithium-ion accumulators (lithium-ion batteries) and their further developments, such as lithium-ion polymer or lithium-ion titanate accumulators, are now in use. These are characterized by high energy density and are significantly lighter than, for example, nickel-cadmium accumulators. They are therefore used in, for example, mobile phones, digital cameras, camcorders, laptops, model vehicles, especially model airplanes, drones, power tools, and electric and hybrid vehicles.

Da Lithium ein hochreaktives Metall ist und auch seine Verbindungen leicht brennbar sind, entstehen leicht Überhitzungen deren Auswirkungen möglichst gering gehalten werden sollen. Dazu kommt, dass Lithium-Ionen-Akkumulatoren mechanisch empfindlich sind. Die hohe Stromstärke lässt das Gehäuse schmelzen und in Flammen aufgehen. Unter Umständen ist der Defekt nicht unmittelbar zu erkennen und noch einige Zeit später kann es zum Ausbruch eines Feuers kommen. Es müssen daher beim Transport, beim Gebrauch, im Ruhezustand und beim Ladevorgang entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Ähnliche Probleme ergeben sich auch beim Einsatz anderer galvanischer Elemente entsprechendem Typus.Because lithium is a highly reactive metal and its compounds are also highly flammable, overheating can occur easily, and its effects should be minimized as much as possible. In addition, lithium-ion batteries are mechanically sensitive. The high current causes the casing to melt and burst into flames. The defect may not be immediately apparent, and a fire may break out some time later. Appropriate safety precautions must therefore be taken during transport, use, idle mode, and charging. Similar problems also arise when using other galvanic cells of the same type.

Bisher versucht man das Problem der leichten Entzündbarkeit mit einem Gehäuse um den Akkumulator/Batterie zu lösen. Diese Gehäuse dürfen bei Kontakt mit dem Akkumulator/Batterie nicht elektrisch leitend sein, müssen eine hohe mechanische Festigkeit und für einen bestimmten Zeitraum Feuer standhalten. Die derzeit verfügbaren Materialien sind beispielsweise Mineralgranulate auf der Basis von Siliziumdioxid oder geschäumte Glasperlen (z. B. Extover®), Die Verwendung von reinen Glasperlen ist vorteilhaft, um die feuerresistenten Eigenschaften zu erreichen, jedoch wird nur eine geringe Wärmeenergie absorbiert. Außerdem schrumpft das spezifische Volumen der Glasperlen beim Schmelzen, wodurch Hohlräume und Risse entstehen, die das Entweichen von Reaktionsprodukten ermöglichen. Darüber hinaus gibt es keine mechanische Unterstützung und keine Dichtungsfunktion, da die Glasperlen lose gestapelt sind. Außerdem sind Glasperlen im Vergleich zu anderen Materialien schwer, was nicht jeden Verwendungszweck des in Glasperlen gebetteten Akkumulator zulässt. Geschäumte Glasperlen (z. B. Extover®) absorbieren Wärme aufgrund des Schmelzens des Glases erst bei beträchtlich hohen Temperaturen, bei denen das thermische Durchgehen des Akkumulators bereits vollständig im Gange ist und eine Eindämmung daher kaum noch möglich ist.Until now, attempts have been made to solve the problem of flammability by using a casing around the accumulator/battery. These casings must not be electrically conductive when in contact with the accumulator/battery, must have high mechanical strength, and must be able to withstand fire for a certain period of time. Currently available materials include mineral granules based on silicon dioxide or foamed glass beads (e.g., Extover® ). The use of pure glass beads is advantageous for achieving fire-resistant properties, but only a small amount of heat energy is absorbed. In addition, the specific volume of the glass beads shrinks during melting, creating voids and cracks that allow reaction products to escape. Furthermore, there is no mechanical They provide support and no sealing function because the glass beads are loosely stacked. Furthermore, glass beads are heavy compared to other materials, which does not allow for every possible use of a battery embedded in glass beads. Foamed glass beads (e.g., Extover® ) absorb heat due to the melting of the glass only at considerably high temperatures, at which point thermal runaway of the battery is already fully underway, making containment almost impossible.

Auch ist die Verwendung von Phenol-Formaldehyd-Werkstoffen zur Isolierung von Akkumulatoren bekannt. So beschreibt die US 2012/0003508 die Verwendung eines vorgeformten Schaums, der allerdings an die Geometrie der im Gehäuse befindlichen Zellen angepasst sein muss, damit er seine feuerresistente Wirkung entfalten kann. Ebenfalls offenbart die US 2015/0101289 einen vorgeformten Schaum auf der Basis von Phenolharzen. Beide Dokumente verwenden flüssige Phenol-Resole bei der Herstellung des Schaums der bereits vorgeformt in das Gehäuse eingesetzt wird. Bei der Herstellung von Schäumen aus Phenol-Resolen wird üblicherweise Pentan als Treibmittel verwendet, der bei 40 °C zur Schaumbildung führt. Im System eventuell verbliebenes Pentan würde bei höheren Temperaturen zum Abplatzen des Schaums führen (sog. „Popping and spalling“) und kann - über das austretende Pentan - zur Flammfähigkeit des Systems beitragen.The use of phenol-formaldehyde materials for the insulation of accumulators is also known. US 2012/0003508 the use of a preformed foam, which, however, must be adapted to the geometry of the cells in the housing in order to develop its fire-resistant effect. The US 2015/0101289 a preformed foam based on phenolic resins. Both documents use liquid phenolic resoles in the production of the foam, which is inserted into the housing in a preformed form. In the production of foams from phenolic resoles, pentane is typically used as a blowing agent, which causes foam formation at 40°C. Any pentane remaining in the system would cause the foam to pop at higher temperatures (so-called "popping and spalling") and could contribute to the flammability of the system via the escaping pentane.

Die Verwendung von Phenol-Resolen zur Herstellung von Schäumen wird ebenfalls in der DE 25 49 441 A1 , der DE 25 49 219 A1 und in der DD 81 224 A5 beschrieben. Die WO 2010/133610 A1 beschreibt einen Schichtwerkstoff aus Holz und geschäumten Novolak und die DE 2 253 246 A die Herstellung von granulierten Phenol-Formaldehydharzen als Kernbindemittel beim Formmaskenverfahren. Beide Dokumente offenbaren keine feuerfesten Umhüllungsmaterialien für entzündliche und/oder brennbare Materialien. Die DE 1 230 557 A offenbart eine Novolakzusammensetzung aus der in einer geschlossenen Metallform ein Schaumstoff erzeugt wird, der als Isolationsplatte verwendet werden kann. Diesem Dokument ist demnach auch kein feuerfestes Umhüllungsmaterial für entzündliche und/oder brennbare Materialien zu entnehmen, was sich während des Gebrauchs durch Schaumbildung ausdehnt.The use of phenol resoles for the production of foams is also discussed in the DE 25 49 441 A1 , the DE 25 49 219 A1 and in the DD 81 224 A5 described. The WO 2010/133610 A1 describes a laminated material made of wood and foamed novolak and the DE 2 253 246 A the production of granulated phenol-formaldehyde resins as core binders in the shell molding process. Neither document discloses fire-resistant encasing materials for flammable and/or combustible materials. DE 1 230 557 A discloses a novolak composition from which a foam is produced in a closed metal mold, which can be used as an insulation panel. Accordingly, this document also does not disclose a fire-resistant wrapping material for flammable and/or combustible materials, which expands during use due to foam formation.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zusammensetzung zur Herstellung von feuerfesten Umhüllungsmaterialien für entzündliche und/oder brennbare Materialien bereitzustellen, die unabhängig von der Geometrie des zu umhüllenden Materials unkompliziert verwendet werden kann und gleichzeitig einen wirksamen Flammschutz bei innerer und äußerer Überhitzung gewährleistet.The object of the present invention is to provide a composition for producing fire-resistant encasing materials for flammable and/or combustible materials, which can be used easily regardless of the geometry of the material to be encased and at the same time ensures effective flame protection in the event of internal and external overheating.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das feuerfeste Umhüllungsmaterial für entzündliche und/oder brennbare Materialien eine Schaumharzzusammensetzung auf der Basis von Novolaken, zumindest ein endothermes Treibmittel und einen Härter enthaltend, aufweist, die während einer Überhitzung Wärme absorbiert und sich durch Schaumbildung ausdehnt.The object is achieved according to the invention in that the fireproof cladding material for flammable and/or combustible materials comprises a foam resin composition based on novolaks, containing at least one endothermic blowing agent and a hardener, which absorbs heat during overheating and expands by foam formation.

Durch die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung wird eine sehr wirksames Flammschutzsystem bereitgestellt. Die Schaumharzzusammensetzung ist ein rieselfähiges, leichtes Granulat, das als Brandschutz und Schutzmaterial dienen kann. So kann es die Umwelt vor brennenden Materialien schützen oder auf engstem Raum für einen bestimmten Zeitraum das entzündliche und/oder brennbare Material vor einem Brandangriff bewahren und kann somit als Gefahrgutverpackung z.B. für beschädigte Lithium-Batterien/Akkumulatoren oder andere gefährliche Stoffe eingesetzt werden, insbesondere auch aufgrund des geringen Gewichtes im Luftfrachtversand.The foam resin composition according to the invention provides a highly effective flame retardant system. The foam resin composition is a free-flowing, lightweight granulate that can serve as a fire protection and protective material. It can protect the environment from burning materials or, in confined spaces, protect flammable and/or combustible materials from fire for a specific period of time. It can therefore be used as hazardous goods packaging, e.g., for damaged lithium batteries/accumulators or other hazardous substances, particularly due to its low weight in air freight shipments.

Die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung beruht auf dem Prinzip, dass sie in der Lage ist, während einer Überhitzung Wärme zu absorbieren und sich durch Schaumbildung ausdehnt. Der gebildete Schaum dichtet den brandgefährdeten Raum ab, so dass ein Brand gar nicht erst entsteht bzw. erstickt wird. Sauerstoff wird ferngehalten und Reaktionsprodukte (z. B. Dämpfe) werden im Inneren zurückgehalten. Das Granulat verursacht keine Löschmittelschäden und ist ungefährlich. Die primäre Löschwirkung beruht auf Erstickung und Isolierung des Brandherdes.The foam resin composition according to the invention is based on the principle that it is capable of absorbing heat during overheating and expands through foam formation. The resulting foam seals the fire-endangered space, preventing a fire from occurring or smothering it. Oxygen is kept out, and reaction products (e.g., vapors) are contained within. The granules do not cause damage to the extinguishing agent and are harmless. The primary extinguishing effect is based on smothering and isolating the fire source.

Da die Schaumharzzusammensetzung ein körniges Material ist, kann es einfach z.B. in das Gehäuse einer galvanischen Zelle eingefüllt werden und ist unabhängig von deren Geometrie. So können kleinste Hohlräume mit der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung ausgefüllt werden und es ist eine vollständige Umhüllung des entzündlichen und/oder brennbaren transportablen Material gewährleistet. Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung außerhalb des Gehäuses eines entzündlichen und/oder brennbaren transportablen Materials, nämlich als Füllsystem in Kisten und anderen Transportmitteln einzusetzen. Dabei kann es lose als körniges Material oder abgepackt in Päckchen verschiedener Größen außerhalb des Gehäuses positioniert sein und als feuerfestes Umhüllungsmaterial fungieren. Die Schaumharzzusammensetzung hat ein geringes Gewicht und kann bei Nichtgebrauch der Schaumfunktion wiederverwendet werden. Es stellt somit ein umweltverträgliches feuerfestes Umhüllungsmaterial dar.Since the foam resin composition is a granular material, it can be easily filled, for example, into the housing of a galvanic cell and is independent of its geometry. Thus, even the smallest cavities can be filled with the foam resin composition according to the invention, ensuring complete enveloping of the flammable and/or combustible transportable material. However, it is also possible to use the foam resin composition according to the invention outside the housing of a flammable and/or combustible transportable material, namely as a filling system in boxes and other means of transport. It can be positioned loose as granular material or packed in packages of various sizes outside the housing and function as a fire-resistant enveloping material. The foam resin composition is lightweight and can be reused when the foam function is not in use. It thus represents an environmentally friendly fireproof encasing material.

Der für die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung verwendete Novolak ist ein Kondensationsprodukt einer phenolischen Verbindung, z. B. ausgewählt aus Phenol, Kresol und/oder Xylenol, mit einem Aldehyd, wie z.B. Formaldehyd und/oder Acetaldehyd unter Verwendung eines sauren Katalysators, wobei das Verhältnis phenolische Verbindung zu Aldehyd größer 1 ist, bevorzugt ein Verhältnis 2:1 bis 1,1:1, da in diesem Bereich der Schmelzpunkt des Novolaks und die flammhemmenden Eigenschaften für die gezielte Verwendung optimal sind. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass bei Schaumharzzusammensetzungen auf Novolak-Basis im Vergleich zu anderen bekannten Phenol-Formaldehyd-Harzen bessere Flammenrauch- und Toxizitätseigenschaften des Materials zu verzeichnen sind. Die Herstellung des verwendeten Novolaks erfolgt in der aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Verfahren.The novolak used for the foam resin composition according to the invention is a condensation product of a phenolic compound, e.g., selected from phenol, cresol, and/or xylenol, with an aldehyde, such as formaldehyde and/or acetaldehyde, using an acidic catalyst. The ratio of phenolic compound to aldehyde is greater than 1, preferably a ratio of 2:1 to 1.1:1, since the melting point of the novolak and the flame-retardant properties are optimal for the intended use within this range. It has surprisingly been found that novolak-based foam resin compositions exhibit better flame smoke and toxicity properties than other known phenol-formaldehyde resins. The novolak used is produced using processes well known in the art.

Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung ein endothermes Treibmittel. Unter endotherme Treibmittel sind chemische Treibmittel zu verstehen, die sich unter Aufnahme von Wärmeenergie durch Abgabe eines Gases zersetzen. Diese sind demnach in der Lage bei Wärmeentwicklung in der Umgebung der Schaumharzzusammensetzung dieses aufzutreiben, so dass es an Volumen zunimmt und den brandgefährdenden Raum ausfüllt. Dieses Treibmittel entfaltet seine Wirkung bevorzugt im Temperaturbereich von ca. 110 °C bis 180 °C, also in dem Temperaturbereich, in dem z.B. ein thermisches Durchgehen einer galvanischen Zelle beschleunigt wird. Die beginnende Schaumbildung stabilisiert z.B. die galvanische Zelle und ist im Falle einer Ausdehnung dennoch komprimierbar.The foam resin composition according to the invention further contains an endothermic blowing agent. Endothermic blowing agents are chemical blowing agents that decompose by absorbing heat energy and releasing a gas. These blowing agents are therefore capable of expanding the foam resin composition upon heat generation in its environment, causing it to increase in volume and fill the fire-hazardous space. This blowing agent preferably develops its effect in the temperature range of approximately 110°C to 180°C, i.e., in the temperature range in which, for example, thermal runaway of a galvanic cell is accelerated. The initial foam formation stabilizes the galvanic cell, for example, while still being compressible in the event of expansion.

Bevorzugt finden Gemische aus Carbonaten als endothermes Treibmittel Anwendung. Diese spalten bei Wärmezufuhr Kohlendioxid ab, was einer weiteren Zufuhr von Sauerstoff zum Brandherd entgegenwirkt. Besonders bevorzugt, weil einfach zugänglich sind NaHCO3 und/oder NH4HCO3 und/oder Na2CO3 und/oder (NH4)2CO3. Diese Treibmittel besitzen außerdem ein geringes Gewicht und tragen somit zu den hervorragenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung bei.Carbonate mixtures are preferably used as endothermic blowing agents. These release carbon dioxide upon application of heat, which counteracts the further supply of oxygen to the fire source. NaHCO 3 and/or NH 4 HCO 3 and/or Na 2 CO 3 and/or (NH 4 ) 2 CO 3 are particularly preferred because they are easily accessible. These blowing agents are also lightweight and thus contribute to the excellent properties of the foam resin composition according to the invention.

Als weitere Komponente enthält die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung einen Härter (z.B. Hexamethylentetramin, Resole oder Paraformaldehyd). Dieser bewirkt unter Wärmezufuhr eine vernetzte polymere Struktur des Novolaks. Mit zunehmenden Aushärtungsgrad wird letztendlich die Flammwidrigkeit der geschäumten Zusammensetzung weiter erhöht. Bevorzugt werden solche Härter, die zusätzlich als Treibmittel wirken oder Flammschutzwirkung zeigen. So zerfällt z.B. Hexamethylentetramin bei der Härtung in Ammoniak und Formaldehyd, was in der Lage ist, mit dem freien Phenol des Novolaks weiter zu reagieren. Der Ammoniak dient als zusätzliches Treibmittel bzw. Flammschutzmittel. Ein weiterer Vorteil für die Verwendung von Hexamethylentetramin ist, dass es kostengünstig verfügbar und hochfunktionell ist.The foam resin composition according to the invention contains a hardener (e.g., hexamethylenetetramine, resoles, or paraformaldehyde) as a further component. Upon application of heat, this creates a crosslinked polymeric structure in the novolak. With increasing curing, the flame retardancy of the foamed composition is ultimately further increased. Hardeners that also act as blowing agents or exhibit flame retardant properties are preferred. For example, hexamethylenetetramine decomposes into ammonia and formaldehyde upon curing, which are capable of further reacting with the free phenol of the novolak. The ammonia serves as an additional blowing agent or flame retardant. A further advantage of using hexamethylenetetramine is that it is inexpensive and highly functional.

Die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung kann weitere Zusatzstoffe (z.B. Fasern zur mechanischen Verbesserung, anorganische Füllstoffe zur Stabilisierung), Flammschutzmittel (z.B. Polyphosphate, Melaminderivate, Borate) und Verarbeitungshilfsmittel (z.B. Metallseifen) enthalten. So hat sich die Verwendung von Vermiculite als Vorteil erwiesen, da es nicht brennbar ist und sich ausgesprochen gut zur Wärmeabsorption eignet. Somit leistet es einen sehr guten Betrag zu den gewünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung.The foam resin composition according to the invention may contain additional additives (e.g., fibers for mechanical improvement, inorganic fillers for stabilization), flame retardants (e.g., polyphosphates, melamine derivatives, borates), and processing aids (e.g., metallic soaps). The use of vermiculite has proven advantageous because it is non-flammable and extremely well suited for heat absorption. Thus, it makes a significant contribution to the desired properties of the foam resin composition according to the invention.

Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Komponenten der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung so ausgewählt sind, dass sie bei Temperaturen oberhalb 150 °C im Wesentlichen nicht brennbare Gase freisetzt, wodurch das Brandverhalten weiter eingedämmt wird.Furthermore, it is advantageous if the components of the foam resin composition according to the invention are selected such that they release essentially non-combustible gases at temperatures above 150 °C, thereby further reducing the fire behavior.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Schaumharzzusammensetzung folgende Komponenten enthaltend (bezogen auf die Gesamtmasse aller Komponenten) erwiesen:

  1. a) 30 bis 75 Gew.% Novolak hergestellt aus Phenol und Formaldehyd
  2. b) 2 bis 15 Gew.% Hexamethylentetramin
  3. c) 0 bis 40 Gew.% Vermiculite
  4. d) 1,5 bis 10 Gew.% endothermes Treibmittel
  5. e) 0,5 bis 5 Gew.% Verarbeitungshilfsmittel
  6. f) 0 bis 20 Gew.% weitere Zusatzstoffe.
A foam resin composition containing the following components (based on the total mass of all components) has proven particularly advantageous:
  1. a) 30 to 75 wt.% novolak made from phenol and formaldehyde
  2. b) 2 to 15 wt.% hexamethylenetetramine
  3. c) 0 to 40 wt.% vermiculite
  4. d) 1.5 to 10 wt.% endothermic blowing agent
  5. e) 0.5 to 5 wt.% processing aid
  6. f) 0 to 20 wt.% of other additives.

Durch die angegebene Kombination, insbesondere von Novolak, Hexamethylentetramin und endothermes Treibmittel, bevorzugt NaHCO3, wird eine Schaumharzzusammensetzung bereitgestellt die während des Einsatzes, nämlich bei Wärmeabsorption, aufgrund der sich bildenden Schaummorphologie hervorragend geeignet ist, einen entstehenden Brand (auch Rauchgasentwicklung) zu unterdrücken bzw. zu ersticken.The specified combination, in particular of novolak, hexamethylenetetramine and endothermic blowing agent, preferably NaHCO 3 , provides a foam resin composition which, during use, namely during heat absorption, is excellently suited to suppressing or suffocating an emerging fire (including smoke gas development) due to the foam morphology that forms.

Die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung wird vorzugsweise in der Art hergestellt, dass zumindest Novolak, ein endothermes Treibmittel und ein Härter in einem trockenen Mischer bei Raumtemperatur gemischt, anschließend in einem Mischprozess oberhalb der Schmelztemperatur des Novolaks weiterbehandelt werden und das erkaltete Produkt zu einer Teilchengröße von 0,5 bis 3 mm gemahlen wird.The foam resin composition according to the invention is preferably prepared by mixing at least novolak, an endothermic blowing agent and a hardener in a dry mixer at room temperature, then further treating the mixture in a mixing process above the melting temperature of the novolak and grinding the cooled product to a particle size of 0.5 to 3 mm.

Nach der Herstellung der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung kann diese im direkten oder indirekten Kontakt zum umhüllenden entzündlichen und/oder brennbaren Material, z.B. galvanische Zelle, angeordnet werden. Direkter Kontakt bedeutet, dass die Schaumharzzusammensetzung lose z.B. in die galvanische Zelle gefüllt wird und sämtliche Hohlräume und Spalten ausfüllt. Die Korngröße der Schaumharzzusammensetzung kann je Bedarf der Verwendung angepasst werden. Es ist aber auch möglich, die Schaumharzzusammensetzung an dem entzündlichen und/oder brennbaren Material z.B. mittels eines Klebebandes anzubringen, was insbesondere bei zu umhüllenden entzündlichen und/oder brennbaren Material kleiner Dimension, wie z.B. Li-Ionen Akkumulator für Mobiltelefone, von Vorteil ist. Es ist aber auch möglich, dass die erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung im indirekten Kontakt mit dem zu umhüllenden entzündlichen und/oder brennbaren Material gebracht wird, d.h. dass sich z.B. die galvanische Zelle in einem Gehäuse befindet und das Gehäuse mit der Schaumharzzusammensetzung im Kontakt steht, wobei auch hier die Fixierung der Schaumharzzusammensetzung am Gehäuse, wie z.B. in einer Schutzhülle für Mobiltelefone, möglich ist.After the foam resin composition according to the invention has been produced, it can be placed in direct or indirect contact with the encapsulating flammable and/or combustible material, e.g., a galvanic cell. Direct contact means that the foam resin composition is loosely filled, e.g., into the galvanic cell, and fills all cavities and gaps. The grain size of the foam resin composition can be adjusted depending on the application. However, it is also possible to attach the foam resin composition to the flammable and/or combustible material, e.g., using an adhesive tape. This is particularly advantageous for encapsulating flammable and/or combustible materials of small dimensions, such as lithium-ion batteries for mobile phones. However, it is also possible for the foam resin composition according to the invention to be brought into indirect contact with the flammable and/or combustible material to be encased, i.e. for example, the galvanic cell is located in a housing and the housing is in contact with the foam resin composition, wherein here too the fixing of the foam resin composition to the housing, such as in a protective case for mobile phones, is possible.

Es ist auch möglich, dass die Schaumharzzusammensetzung mit oder ohne Verpackung das entzündliche und/oder brennbare Material umhüllt. Die körnige Schaumharzzusammensetzung kann z.B. in verschiedenen Verpackungsgrößen, z.B. in Form von kleinen Säcken, abgepackt werden, die entsprechend ihrem Anwendungsfall dimensioniert sind, wodurch das Handling der Schaumharzzusammensetzung vereinfacht wird. Das Verpackungsmaterial sollte schmelzen, bevor das endotherme Treibmittel seine Wirksamkeit entfaltet. Bei Nichtgebrauch der Schaumharzzusammensetzung kann diese einfach mit der Verpackung wiederverwendet werden.It is also possible for the foam resin composition to enclose the flammable and/or combustible material, with or without packaging. The granular foam resin composition can be packaged in various packaging sizes, such as small bags, sized according to their specific application, thus simplifying the handling of the foam resin composition. The packaging material should melt before the endothermic blowing agent takes effect. When the foam resin composition is not in use, it can simply be reused with the packaging.

Denkbar ist auch, dass ein Vorformling aus der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung hergestellt wird, der eine anwendungsnahe Form aufweist, aber noch nicht geschäumt ist. Dieser Vorformling kann dann z.B. als Innenhülle einer Schutzhülle eines Gerätes dienen bzw. so ausgebildet sein, dass er die komplette Schutzhülle bildet.It is also conceivable to produce a preform from the foam resin composition according to the invention that has a shape close to the intended use but is not yet foamed. This preform can then serve, for example, as the inner shell of a protective cover for a device or be designed to form the entire protective cover.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem zu umhüllenden entzündlichen und/oder brennbaren transportablen Materialien um eine galvanische Zelle bzw. mehreren Zellen, insbesondere um Lithium-Batterien oder Lithium-Akkumulatoren bzw. Lithiumionen enthaltenden Akku-Packs. Bei der Verwendung von Lithiumionen enthaltenden galvanischen Zellen wird im Brandfall zusätzlich noch Sauerstoff freigesetzt, wodurch diese Zellen besonders feuerresistent ausgebildet werden müssen. Diese können in verschiedenen Geräten wie z.B. Laptops, Camcordern, Mobiltelefonen, Elektrowerkzeugen oder Elektrofahrzeugen, auch Modellfahrzeugen, und Drohnen Anwendung finden. Durch die besonders entzündlichen Komponenten werden diese sowohl beim Transport und/oder im Betrieb und/oder beim Laden und/oder im Ruhezustand entsprechend mit der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung feuerresistent umhüllt. Aufbewahrungsboxen galvanischer Zellen, die z.B. recycelt werden sollen, können ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Schaumharzzusammensetzung ausgestattet werden.The flammable and/or combustible transportable material to be encased is preferably one or more galvanic cells, in particular lithium batteries or lithium accumulators or battery packs containing lithium ions. When using galvanic cells containing lithium ions, oxygen is also released in the event of a fire, which means that these cells must be designed to be particularly fire-resistant. These can be used in various devices such as laptops, camcorders, mobile phones, power tools or electric vehicles, including model vehicles and drones. Due to the particularly flammable components, they are encased in a fire-resistant manner with the foam resin composition according to the invention both during transport and/or during operation and/or during charging and/or when not in use. Storage boxes for galvanic cells that are to be recycled, for example, can also be equipped with the foam resin composition according to the invention.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden:

  1. A) Herstellung des Novolaks
    • 1085 g Phenol werden mit einer wässrigen Oxalsäurelösung mit 5,4 g Oxalsäure in den Reaktor vorgelegt und im Semi-Batch Verfahren mit 522 g einer 45 %-igen Formalinlösung bei 100 °C im Zulauf unter Rückfluss zur Reaktion gebracht. Nach 3 h Reaktionsdauer wird die überschüssige, nicht reagierte Phenolmenge unter Normaldruck bei Temperaturen bis 150 °C abdestilliert. Die folgende Vakuumdestillation reduziert den Gehalt an freiem Phenol auf unter 1 Gew %.
  2. B) Erfindungsgemäße Schaumharzzusammensetzung:
Komponente Gew.% Prozent bezogen auf alle Komponenten Novolak (hergestellt unter A) 62 % Hexamethylentetramin 12 % Vermiculite 15 % Tracel NC 135 XF* 8 % Magnesiumstearat 2% Stearinsäure 1% Total 100 % * Produkt der Firma Tramaco GmbH The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment:
  1. A) Production of the novolak
    • 1085 g of phenol are charged to the reactor with an aqueous oxalic acid solution containing 5.4 g of oxalic acid. The reaction is then carried out in a semi-batch process with 522 g of a 45% formalin solution at 100 °C under reflux. After a reaction time of 3 hours, the excess, unreacted phenol is distilled off under atmospheric pressure at temperatures up to 150 °C. The subsequent vacuum distillation reduces the free phenol content to below 1 wt. %.
  2. B) Foam resin composition according to the invention:
component Wt% Percent based on all components Novolak (manufactured under A) 62% Hexamethylenetetramine 12% Vermiculite 15% Tracel NC 135 XF* 8% Magnesium stearate 2% Stearic acid 1% Total 100% * Product of Tramaco GmbH

Alle diese Komponenten wurden in einer trockenen Mischstufe 10 Minuten lang gründlich vermengt. Die pulverförmige Mischung wird dann 2,5 Minuten lang auf einem Extruder bei Temperaturen zwischen 90 ° C und 110 ° C mit 50 U / min gemischt. Das abgekühlte Material wird dann auf eine mittlere Teilchengröße von 1-2 mm gemahlen.All of these components were thoroughly blended in a dry mix stage for 10 minutes. The powdered mixture was then mixed for 2.5 minutes on an extruder at temperatures between 90°C and 110°C at 50 rpm. The cooled material was then ground to an average particle size of 1-2 mm.

Das unter B) hergestellte körnige Schaumharz wird lose in das Gehäuse eines Lithiumion-Akkumulators eingefüllt und das Gehäuse geschlossen. Test durch Wärmezufuhr von außen bei Temperaturen oberhalb von 205 °C zeigten, dass das Schaumharz expandierte und das der entzündliche Lithiumakkumulator innerhalb des Gehäuses nicht in Brand geriet.The granular foam resin produced under B) is loosely filled into the casing of a lithium-ion battery, and the casing is then sealed. Tests using external heat at temperatures above 205 °C showed that the foam resin expanded and that the flammable lithium battery inside the casing did not catch fire.

Claims (12)

Feuerfestes Umhüllungsmaterial für entzündliche und/oder brennbare Materialien eine Schaumharzzusammensetzung auf der Basis von Novolaken, zumindest ein endothermes Treibmittel und einen Härter enthaltend, die während einer Überhitzung Wärme absorbiert und sich durch Schaumbildung ausdehnt.Refractory encasing material for flammable and/or combustible materials, comprising a foam resin composition based on novolaks, at least one endothermic blowing agent and a hardener, which absorbs heat during overheating and expands by foaming. Feuerfestes Umhüllungsmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Novolak hergestellt wird durch Kondensationsreaktion einer phenolischen Verbindung, ausgewählt aus Phenol, Kresol und/oder Xylenol, mit Formaldehyd und/oder Acetaldehyd in einem Verhältnis 2:1 bis 1,1:1 unter Verwendung eines sauren Katalysators.Refractory cladding material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the novolak is produced by condensation reaction of a phenolic compound selected from phenol, cresol and/or xylenol with formaldehyde and/or acetaldehyde in a ratio of 2:1 to 1.1:1 using an acid catalyst. Feuerfestes Umhüllungsmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als endothermes Treibmittel NaHCO3 und/oder NH4HCO3 und/oder Na2CO3 und/oder (NH4)2CO3 enthält.Refractory cladding material according to at least one of the preceding claims, characterized in that it contains NaHCO 3 and/or NH 4 HCO 3 and/or Na 2 CO 3 and/or (NH 4 ) 2 CO 3 as endothermic blowing agent. Feuerfestes Umhüllungsmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Härter Hexamethylentetramin enthält.Refractory cladding material according to at least one of the preceding claims, characterized in that it contains hexamethylenetetramine as a hardener. Feuerfestes Umhüllungsmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als weitere Zusatzstoffe, Flammschutzmittel und Verarbeitungshilfsmittel enthält.Refractory cladding material according to at least one of the preceding claims, characterized in that it contains, as further additives, flame retardants and processing aids. Feuerfestes Umhüllungsmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche folgende Komponenten (bezogen auf die Gesamtmasse aller Komponenten) enthaltend: a) 30 bis 75 Gew.% Novolak hergestellt aus Phenol und Formaldehyd b) 2 bis 15 Gew.% Hexamethylentetramin c) 0 bis 40 Gew.% Vermiculit d) 1,5 bis 10 Gew.% endothermes Treibmittel e) 0,5 bis 5 Gew.% Verarbeitungshilfsmittel f) 0 bis 20 Gew.% weitere Zusatzstoffe.Refractory cladding material according to at least one of the preceding claims, containing the following components (based on the total mass of all components): a) 30 to 75 wt.% novolak produced from phenol and formaldehyde b) 2 to 15 wt.% hexamethylenetetramine c) 0 to 40 wt.% vermiculite d) 1.5 to 10 wt.% endothermic blowing agent e) 0.5 to 5 wt.% processing aid f) 0 to 20 wt.% other additives. Verfahren zur Herstellung eines feuerfesten Umhüllungsmaterials für entzündliche und/oder brennbare Materialien eine Schaumharzzusammensetzung auf der Basis von Novolaken, zumindest ein endothermes Treibmittel und einen Härter enthaltend, die während einer Überhitzung Wärme absorbiert und sich durch Schaumbildung ausdehnt, dadurch gekennzeichnet: a) Mischen zumindest des Novolaks mit einem endothermen Treibmittel und dem Härter in einem trockenen Mischer bei Raumtemperatur, b) anschließend Weiterbehandlung der in a) hergestellten Mischung in einem Mischprozess oberhalb der Schmelztemperatur des Novolaks, c) Vermahlen des erkalteten Produkts zu einer Teilchengröße von 0,5 bis 3 mm zu einem Granulat und d) Umhüllung entzündlicher und/oder brennbarer Materialien mit dem Granulat, so dass dieses bei Überhitzung Wärme absorbiert und sich durch Schaumbildung ausdehnt.A process for producing a fireproof cladding material for flammable and/or combustible materials, comprising a foam resin composition based on novolaks, at least one endothermic blowing agent and a hardener, which absorbs heat during overheating and expands by foaming, characterized in that : a) Mixing at least the novolak with an endothermic blowing agent and the hardener in a dry mixer at room temperature, b) then further processing the mixture produced in a) in a mixing process above the melting temperature of the novolak, c) grinding the cooled product to a particle size of 0.5 to 3 mm to form granules and d) encasing flammable and/or combustible materials with the granules so that they absorb heat when overheated and expand by foaming. Verwendung des feuerfesten Umhüllungsmaterials nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es im direkten oder indirekten Kontakt zum umhüllenden entzündlichen und/oder brennbaren Material angeordnet ist.Use of the refractory cladding material according to at least one of the Claims 1 until 6 , characterized in that it is arranged in direct or indirect contact with the surrounding flammable and/or combustible material. Verwendung des feuerfesten Umhüllungsmaterials nach Anspruch 8, wobei es mit oder ohne Verpackung das entzündliche und/oder brennbare Material umhüllt.Use of the fireproof cladding material according to Claim 8 , enclosing the flammable and/or combustible material with or without packaging. Verwendung des feuerfesten Umhüllungsmaterials nach Anspruch 1 für galvanische Zellen.Use of the fireproof cladding material according to Claim 1 for galvanic cells. Verwendung des feuerfesten Umhüllungsmaterials nach Anspruch 10 für Lithium-Batterien und Lithium-Akkumulatoren.Use of the fireproof cladding material according to Claim 10 for lithium batteries and lithium accumulators. Verwendung des feuerfesten Umhüllungsmaterials nach Anspruch 10 für wesentliche Teile zum Transport und/oder im Betrieb und/oder beim Laden und/oder im Ruhezustand der galvanischen Zelle.Use of the fireproof cladding material according to Claim 10 for essential parts for transport and/or during operation and/or during charging and/or in the idle state of the galvanic cell.
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