Composición formadora de materiales cerámicos para protección contra el fuego.

Una composición formadora de materiales cerámicos para formar un material cerámico resistente al fuegobajo condiciones de condiciones de fuego,

comprendiendo la composición:

(i) al menos un 10% en peso de silicato mineral;

(ii) de 8% a 40% en peso de al menos un fosfato inorgánico que forma una fase líquida a una temperatura de nomás de 80QoC, seleccionado de fosfato de amonio, poli(fosfato de amonio) y pirofosfato de amonio;

y

(jii) al menos 15% en peso, basado en el peso total de la composición, de la composición de base polimérica que

comprende al menos el 50% en peso de un polímero orgánico;

dicha composición está esencialmente exenta de agentes de carbonización que, junto dicho fosfato inorgánico, proporcionanintumescencia;

en la que la composición forma un residuo cerámico autosostenible con la exposición a una elevada temperatura de1000°C, durante 30 minutos, cuyo residuo comprende al menos el 40% en peso de la composición antes de la piroli-sis.

Composición formadora de materiales cerámicos para protección contra el fuego.

Campo

La presente se invención se refiere composiciones que actúan como una barrera contra el fuego, que funcionan formando un material cerámico a las elevadas temperaturas encontradas en condiciones de fuego. La invención se refiere a la preparación de tales composiciones, y a su uso; por ejemplo al conformarlos para formar artículos que requieren propiedades de barrera contra el fuego. La invención se describirá haciendo referencia a aplicaciones en cables, que es una realización particularmente preferida de la invención, sin embargo se comprenderá que la composición se pueda usar también para proporcionar propiedades de barrera contra el fuego a una gama de artículos.

Antecedentes

Las propiedades de barrera contra el fuego de los materiales de construcción, y el mantenimiento de la energía y las comunicaciones en situaciones de fuego, son críticos para la seguridad de los habitantes y para la lucha eficaz contra el fuego. Como resultado, muchos países establecen normas para el comportamiento de los edificios bajo condiciones de fuego. Por ejemplo, se requieren cables para aplicaciones críticas, con el fin de continuar operando bajo condiciones de fuego y asegurar el mantenimiento de la energía y las comunicaciones. Para cumplir algunas de las Normas, los cables deben mantener la integridad del circuito cuando se calientan a una temperatura especificada (por ejemplo, 650, 750, 950 ó 1000°C) durante un periodo de tiempo especificado. Es también necesario tener en cuenta que, con el fin de que sea eficaz, puede ser necesario el aislamiento del fuego para proporcionar protección frente a los efectos de los rociados de chorros de agua y los flujos turbulentos de los gases encontrados bajo condiciones de fuego.

Es también deseable que un material usado para impartir resistencia al fuego tenga una resistencia mecánica aceptable para la aplicación deseada que sigue a la exposición a las elevadas temperaturas que probablemente se van a encontrar en una situación de fuego, de forma que pueda permanecer en su sitio cuando es sometido a los choques mecánicos y/o a fuerzas (por ejemplo procedentes de fuertes corrientes de gases) asociados con los escenarios del fuego.

Un método para mejorar el comportamiento a alta temperatura de un cable aislado, ha sido envolver el conductor del cable con una cinta hecha con fibras de vidrio y revestido con mica. Estas cintas se envuelven alrededor del conductor durante la producción y luego se aplica al menos una capa aislante. Al estar expuesta a temperaturas crecientes, la capa (o capas) exterior se degrada y desaparece, pero las fibras de vidrio mantienen la mica en su sitio. Se ha descubierto que estas cintas van a ser eficaces para mantener la integridad del circuito en fuegos, pero son bastante caras. Además, el proceso de envolver la cinta alrededor del conductor es relativamente lento comparado con otros pasos de la producción del cable. La envoltura de la cinta alrededor del conductor ralentiza la producción global del cable, lo cual se añade de nuevo al coste. Es deseable un revestimiento resistente al fuego que se pueda aplicar durante la producción del cable (por ejemplo mediante extrusión) evitando por ello el uso de cintas.

Se ha usado una diversidad de materiales para impartir resistencia al fuego a estructuras y componentes, incluyendo cables eléctricos. Se ha informado del uso de composiciones basadas en elastómeros de silicona. Sin embargo, los elastómeros de silicona pueden ser caros, tener propiedades mecánicas relativamente pobres y pueden ser difíciles de tratar, por ejemplo mediante técnicas de extrusión. Además, estas composiciones tienden a tener el inconveniente asociado de que se convierten en sustancias pulverulentas cuando se exponen al fuego, como resultado de los componentes orgánicos de los elastómeros de silicona que se pirolizan o que entran en combustión. Los productos de la pirolisis o de la combustión se volatilizan y dejan un residuo orgánico o cenizas (dióxido de silicio) que tienen una pequeña resistencia inherente. Este residuo, por lo general, no es coherente o autosostenible, y de hecho con frecuencia se rompe, se desprende o se desmorona. Este comportamiento reduce el uso de los elastómeros de silicona en la protección pasiva contra el fuego. Esto significa, por ejemplo, que los polímeros de silicona usados como aislantes sobre cables eléctricos deben estar protegidos y mantenidos en su sitio con soportes físicos tales como cintas inorgánicas y trenzados o envolturas metálicas.

Se ha descubierto que algunos materiales, basados en polímeros de silicona u otros polímeros, en combinación con diversos aditivos orgánicos, conservan su integridad y forman materiales cerámicos autosostenibles con la exposición al fuego, y se ha propuesto a alguno de estos para su uso como aislante en cables eléctricos que no contienen soportes físicos.

La solicitud internacional PCT/AU03/00968 describe una composición resistente al fuego que comprende un polímero de silicona junto con mica, y un aditivo de vidrio en las cantidades respectivas de 5% a 30%, y de 0, 3 a 8% en peso, basado en el peso total de la composición.

La solicitud internacional PCT/AU03/01383 (cuyo contenido se incorporan aquí como referencia) describe una composición que contiene un polímero orgánico, una carga de mineral de silicato y un agente fundente (o precursor que

da como resultado un agente fundente) que da como resultado de 1 a 15% de agente fundente, en peso, del residuo que resulta de las condiciones del fuego.

Otras composiciones que actúan como barrera contra el fuego intentan cumplir los requisitos de evaluación contra el fuego usando materiales inorgánicos que forman espuma bajo la influencia de un agente químico intumescente durante un fuego. Por ejemplo, Horacek (documentos US Pub 2003/0031818 y 2003/0035912) describe una cinta y un revestimiento intumescente para alambres y cables, que forman espumas de vidrio resistentes al fuego bajo condiciones de fuego. El componente intumescente es una mezcla tal como el dipentaeritritol, la melanina y el poI¡ (fosfato de amonio) en proporciones específicas que constituyen del 20 a 35% en peso de la composición total. Keogh (documento US Pub 2002/0098357) describe una envoltura intumescente para cables y similares, en la que la intumescencia se proporciona mediante una mezcla 50:50 de fosfato de amonio y melanina. Thewes (documento US Pub 2004/0051087) Y Rodenberg y colaboradores (documento DE 10305198) describe un material de protección contra el fuego que igualmente depende de la presencia de la melanina como agente espumante para proporcionar espuma en condiciones de fuego. Los agentes intumescentes tales como la melanina y el pentaeritritol reaccionan con el poli (ácido fosfórico) para formar especies de éster de fosfatos transitorios que se deshidratan para proporcionar una espuma orgánica.

Los agentes retardadores de la llama que se pueden conseguir comercialmente pueden contener una mezcla de un agente generador de ácido fosfórico, un agente de carbonización, como el pentaeritritol, o carbohidratos y agentes tales como la melanina que aceleran la formación de espuma. Cuando se mezclan en formaciones específicas, la composición proporciona intumescencia. Aunque la formación de espuma proporciona un aislamiento mejorado y una barrera térmica, se ha hallado que la expansión, por lo general, da como resultado un residuo mecánicamente muy debilitado que no es autosostenible. Como resultado de no ser autosostenible el residuo, el aislante es propenso a caerse o romperse, exponiendo de esta forma al material aislado. También, la composición es más susceptible a poner en peligro el aislamiento en presencia de agua y/o de corrientes severas de aire que con frecuencia se encuentran durante los fuegos.

El documento FR 2822836 describe una composición intumescente obtenida a partir de una mezcla de un polímero termoplástico no halogenado, un material que se puede carbonizar, poli (fosfato de amonio) y una carga mineral. Sin embargo, dicha composición no está optimizada para formar un residuo suficiente antes de la pirolisis.

Resumen

Se ha hallado que se puede retener la integridad de una composición que forma un material cerámico usando una composición que comprende ciertas combinaciones de fosfatos inorgánicos y cargas de mineral de silicato.

Se proporciona, según... [Seguir leyendo]

1. Una composición formadora de materiales cerámicos para formar un material cerámico resistente al fuego bajo condiciones de condiciones de fuego, comprendiendo la composición:

(i) al menos un 10% en peso de silicato mineral;

(ii) de 8% a 40% en peso de al menos un fosfato inorgánico que forma una fase líquida a una temperatura de no más de 80QoC, seleccionado de fosfato de amonio, poli (fosfato de amonio) y pirofosfato de amonio;

y

(jii) al menos 15% en peso, basado en el peso total de la composición, de la composición de base polimérica que comprende al menos el 50% en peso de un polímero orgánico;

dicha composición está esencialmente exenta de agentes de carbonización que, junto dicho fosfato inorgánico, proporcionan intumescencia;

en la que la composición forma un residuo cerámico autosostenible con la exposición a una elevada temperatura de 1000°C, durante 30 minutos, cuyo residuo comprende al menos el 40% en peso de la composición antes de la pirolisis.

2. Una composición formadora de materiales cerámicos según la reivindicación 1, en la que la composición comprende además al menos una carbonato metálico como carga inorgánica adicional, en una cantidad de hasta el

30%.

3. Una composición formadora de materiales cerámicos para formar un material cerámico resistente al fuego bajo condiciones de condiciones de fuego, comprendiendo la composición:

(i) al menos un 10% en peso de silicato mineral;

(ii) de 8% a 40% en peso de al menos un fosfato inorgánico que forma una fase líquida a una temperatura de no más de 800°C, seleccionado de fosfato de amonio, poli (fosfato de amonio) y pirofosfato de amonio;

y

(iii) al menos 15% en peso, basado en el peso total de la composición, de la composición de base polimérica que comprende al menos el 50% en peso de un polímero orgánico;

(iv) al menos un carbonato metálico como carga inorgánica adicional, en una cantidad de hasta el 30%;

dicha composición está esencialmente exenta de agentes de carbonización que, junto dicho fosfato inorgánico, proporcionan intumescencia;

en la que la composición forma un residuo cerámico autosostenible con la exposición a una elevada temperatura de 1000°C, durante 30 minutos, cuyo residuo comprende al menos el 40% en peso de la composición antes de la pirolisiso

4. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que con la exposición a 1000°C, durante 30 minutos, una muestra rectangular de ensayo, de la composición formadora de materiales cerámicos, sufre menos de un 5% de cambio en las dimensiones lineales a lo largo de su longitud.

5. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que con la exposición a 1000°C, durante 30 minutos, una muestra rectangular de ensayo, de la composición formadora de materiales cerámicos, sufre menos de un 1% de cambio en las dimensiones lineales a lo largo de su longitud.

6. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicho residuo comprende al menos el 55% en peso de la composición.

7. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que dicho residuo comprende al menos el 70% en peso de la composición.

8. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los componentes inorgánicos están presentes en un cantidad de al menos el 70% en peso, basado en el peso total de la composición.

9. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, en la que como el fosfato inorgánico, el poli (fosfato de amonio) está presente en una cantidad del 20 al 40% en peso de la composición total.

10. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el silicato mineral está presente en una cantidad de al menos el 15% en peso de la composición total.

11. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, en la que el carbonato metálico es carbonato de calcio, en una cantidad del 5 al 20% en peso de la composición total.

12. Una composición formadora de materiales cerámicos según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que una muestra de ensayo rectangular de la composición formadora de materiales cerámicos tiene una resistencia a la flexión de al menos 0, 3 MPa con la exposición a una elevada temperatura experimentada bajo condiciones de fuego, calentando las muestras de ensayo bajo condiciones de inflamación lenta, lo que significa calentar las muestras de ensayo desde temperatura ambiente a 1000°C, con una velocidad de aumente de temperatura de 12°C/minuto, seguido del mantenimiento a 1000°C durante 30 minutos y, tras enfriar, llevar a cabo la determinación mediante la flexión en tres putos de un vano de 18 mm de longitud, usando una velocidad de la cruceta de carga de 0, 2 mm/minuto.

13. Una composición formadora de materiales cerámicos según la reivindicación 12, en la que la resistencia a la flexión es de al menos 1 MPa con la exposición a una elevada temperatura experimentada bajo condiciones de fuego a 1000'C, durante 30 minutos.

14. Una composición formadora de materiales cerámicos según la reivindicación 12 ó 13, en la que la resistencia a la flexión es de al menos 2 MPa con la exposición a un elevada temperatura experimentada bajo condiciones de fuego a 1000°C, durante 30 minutos.

15. Un cable que comprende al menos un elemento funcional alargado, y al menos una capa aislante que comprende la composición formadora de materiales cerámicos según las reivindicaciones 1 a 14.

16. Un cable según la reivindicación 15, en el que el cable comprende una única capa aislante.

17. Un cable según la reivindicación 16, en el que el cable la única capa aislante formadora de materiales cerámicos tiene una superficie interior que confina el elemento funcional y una superficie exterior libre.

18. Un cable según la reivindicación 16 ó 17, en el que la única capa aislante tiene una superficie exterior exenta de revestimientos.

19. Un cable según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, en el que la única capa aislante forma un material cerámico autosostenible con la exposición a una elevada temperatura experimentada bajo condiciones de fuego.

20. Un cable según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 10, en el que la composición de la única capa aislante, cuando se conforma en una muestra rectangular de ensayo, sufre menos del 20% de cambio en las dimensiones lineales a lo largo de su longitud con la exposición a una elevada temperatura experimentada bajo condiciones de fuego a 1000°C, durante 30 minutos.

21. Un producto resistente al fuego, formado a partir de, o que contiene, la composición según las reivindicaciones 1 a 14.