Study on Flame Retardancy and Smoke Suppression of Silicone Rubber Foam Containing Aluminum Hydroxide and Carbon Molecular Sieve

Feuer ist eine unerbittliche Kraft, aber die Materialien, mit denen wir bauen, müssen sich ihr nicht kampflos ergeben. In der Welt des Brandschutzes suchen Forscher ständig nach Wegen, Materialien am Brennen zu hindern oder die Ausbreitung von Flammen und Rauch zu verlangsamen. Eines solcher Materialien ist Silikonkautschuk-Schaumstoff, eine leichte, flexible Substanz, die zum Abdichten von Lücken in Gebäuden und zum Schutz empfindlicher Elektronik verwendet wird. Obwohl er Hitze gut standhält, kann reiner Silikonkautschuk-Schaumstoff dennoch Feuer fangen und dichten, gefährlichen Rauch freisetzen. Um dies zu beheben, fügen Wissenschaftler oft Substanzen hinzu, die Wärme absorbieren oder eine Schutzbarriere bilden, wenn das Material heiß wird. Zwei häufige Helfer sind Aluminiumhydroxid, ein Mineral, das beim Erhitzen Wasserdampf freisetzt, um die Umgebung zu kühlen, und Kohlenstoff-Molekularsiebe, poröse Kohlenstoffstrukturen mit winzigen Löchern, die Gase einfangen können. Die Herausforderung bestand darin, die richtige Mischung dieser Helfer zu finden, um den Schaumstoff sicher zu machen, ohne ihn schwer oder spröde zu machen.

Ein Team von Forschern der Xi'an University of Science and Technology und anderer Institutionen aus China machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen. Sie wollten herausfinden, ob die Kombination von Aluminiumhydroxid mit Kohlenstoff-Molekularsieben einen besseren Schutz gegen Feuer und Rauch bewirken würde als die Verwendung von jeweils nur einem der beiden Stoffe allein. Sie nahmen Silikonkautschuk-Schaumstoff und mischten unterschiedliche Mengen dieser beiden Zusatzstoffe unter, wodurch sie eine Reihe von Testproben erstellten. Ihr Ziel war einfach: das perfekte Rezept zu finden, das den Schaumstoffstoff widerstandsfähiger gegen Feuer macht, das Tropfen verhindert und die Menge des produzierten Rauches im Brandfall drastisch reduziert.

Das Team testete ihre Kreationen mit Standardmethoden, um zu messen, wie gut sie dem Feuer widerstanden. Sie prüften, wie viel Sauerstoff das Material benötigte, um weiter zu brennen, wie es sich bei einem vertikalen Flammentest verhielt und wie viel Hitze und Rauch es in einer kontrollierten Feuersimulation freisetzte. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen von nur Aluminiumhydroxid oder nur Kohlenstoff-Molekularsieben half, aber der eigentliche Durchbruch kam, als sie diese mischten. Die leistungsstärkste Probe enthielt fünf Teile Aluminiumhydroxid und zwei Teile Kohlenstoff-Molekularsieb auf je hundert Teile Schaumstoff. Diese spezifische Mischung veränderte das Verhalten des Materials dramatisch. Es wurde viel schwerer entflammbar, erforderte eine viel höhere Sauerstoffkonzentration, um in Flammen aufzugehen, und bestand die strengsten Sicherheitsbewertungen für das vertikale Brennen, ohne schmelzendes Material abzutropfen.

Als sie diese optimale Mischung intensiver Hitze aussetzten, waren die Ergebnisse beeindruckend. Die Spitzenmenge der vom Material freigesetzten Hitze sank signifikant und die über die Zeit abgegebene Gesamthelmenge wurde um mehr als die Hälfte reduziert. Noch beeindruckender war der Effekt auf den Rauch: Die Rate, mit der Rauch produziert wurde, sank um über siebzig Prozent, und die gesamte Menge des erzeugten Rauches wurde um fast neunzig vier Prozent reduziert. In praktischer Hinsicht bedeutet dies: Wenn in einem Raum, der mit diesem behandelten Schaumstoff ausgekleidet ist, ein Feuer ausbricht, werden die Flammen schwächer sein, die Hitze weniger intensiv ausfallen und die Luft für viel länger deutlich klarer bleiben, was den Menschen mehr Zeit zur Flucht verschafft.

Um zu verstehen, warum diese Mischung so gut funktionierte, untersuchten die Forscher genau, was nach dem Abbrennen des Feuers zurückblieb. Sie untersuchten die Verkohlung, also die Kruste, die sich auf der Oberfläche brennender Materialien bildet. Reiner Silikonkautschuk-Schaumstoff hinterließ eine lose, rissige Schicht, die kaum Schutz bot. Im Gegensatz dazu hinterließ der Schaumstoff mit Aluminiumhydroxid und Kohlenstoff-Molekularsieb eine dicke, dichte und kontinuierliche Barriere. Das Aluminiumhydroxid wirkte wie ein Kühlmittel, indem es Wasserdampf freisetzte, um die brennbaren Gase und die Hitze zu verdünnen, während das Kohlenstoff-Molekularsieb ein physisches Skelett bereitstellte, das die Verkohlung zusammenhielt. Zusammen bildeten sie einen dichten Schild aus Siliziumdioxid und Kohlenstoff, der Hitze und Rauch einschloss und verhinderte, dass diese das Feuer nährten oder in den Raum entweichten.

Die Studie bestätigt, dass diese Kombination eine kraftvolle, zweischichtige Verteidigung schafft. Die Zusatzstoffe arbeiten zusammen, um den chemischen Abbau des Schaumstoffs zu verlangsamen und eine stabile Wand gegen das Feuer aufzubauen. Dieser Ansatz bietet einen grünen und effizienten Weg, um Silikonkautschuk-Schaumstoff für den Einsatz in Gebäuden und der Elektronik wesentlich sicherer zu machen. Durch das Finden des richtigen Gleichgewichts zwischen diesen zwei gängigen Materialien haben die Forscher gezeigt, dass es möglich ist, einen Schaumstoff zu kreieren, der nicht nur dem Feuer widersteht, sondern auch die Luft frei von giftigem Rauch hält und damit zwei der größten Gefahren eines Brandes gleichzeitig adressiert.