DE4331082C1 - Brandsichere Glasscheibe und Verfahren zur Herstellung einer solchen Glasscheibe - Google Patents
Brandsichere Glasscheibe und Verfahren zur Herstellung einer solchen GlasscheibeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine brandsichere, hochtemperaturbeständige Glas
scheibe in Bauglasqualität, aus einem beidseitig beschichteten, vorge
spannten Kalk-Natron-Glas, die als transparenter Teil einer Brandschutz-
Verglasung einem Brandversuch nach DIN 4102 oder BS 476 mindestens 30 Mi
nuten widersteht.
Des weiteren betrifft die Erfindung das Verfahren zur Herstellung einer
solchen Glasscheibe.
Für Brandschutz-Verglasungen z. B. der Feuerwiderstandsklasse G nach DIN
4102 Teil 13 oder BS 476 gibt es verschiedene Gläser und Scheibenaufbau
ten.
Ursprünglich, bis etwa 1970, wurden Drahtglas bzw. Glasbausteine für
Brandschutzverglasungen verwendet. Das Drahtglas wird als Gußglas oder
oberflächlich geschliffen und poliert als Drahtspiegelglas verwendet. In
der Mitte der Scheibe ist ein punktgeschweißtes Drahtnetz eingegossen,
welches die nach Feuerbelastung zersprungene Scheibe zusammenhält und da
durch den Rauch- und Flammendurchtritt verhindert. Nachteilig wirkt sich
für Drahtglas aus, daß es keine Sicherheitsglas-Eigenschaften hat und in
Zonen mit Publikumsverkehr nur eingeschränkt einsetzbar ist.
Brandschutzverglasungen aus Glasbausteinen sind Mauerwerke, sie können
nicht in Türen, leichten Trennwänden und Fenstern eingebaut werden. Sie
können nur als lichtdurchlässige Wände errichtet werden.
Mitte der siebziger Jahre wurden Brandschutzverglasungen aus Borosilicat-
Scheiben eingeführt. Gegenüber den Brandschutzverglasungen mit Drahtspie
gelglas war es vorteilhaft, daß keine störende Drahteinlage benötigt wur
de. Der höhere Erweichungspunkt und die größere Zähigkeit des Glases er
möglichte Feuerwiderstandsklassen bis zu 120 Minuten. Nachteilig wirkte
sich aus, daß die Scheiben maschinell gezogen wurden und dadurch keine
Spiegelglasqualität erreicht haben. Ferner konnten sie mit konventionellen
Vorspannanlagen nicht feinkrümelnd vorgespannt werden; sie hatten diesbe
züglich keine Sicherheitsglas-Eigenschaften, z. B. nach DIN 1249, Teil
12.
In den achtziger Jahren wurden Scheiben aus Kalk-Natron-Glas mit Sicher
heitsglas-Eigenschaften für Brandschutzverglasungen eingeführt. Die Schei
ben wiesen Spiegelglasqualität auf. Gegenüber den Borosilicatglas-Scheiben
hatten sie nachteilige Eigenschaften, wie geringerer Erweichungspunkt und
geringere Zähigkeit. Sie konnten deswegen nur in speziellen Rahmensystemen
eingeschränkt für die Feuerwiderstandsklasse G 30 eingesetzt werden.
Ende der achtziger, Angang der neunziger Jahre wurden einseitig infrarot
reflektierend beschichtete Scheiben für Brandschutzverglasungen einge
setzt. Aus technologischen Gründen konnte nur eine Seite IR-reflektierend
beschichtet werden. Das wirkte sich fatal auf die Feuerwiderstandsfähig
keit aus. Wenn die beschichtete Scheibenseite dem Feuer zugekehrt angeord
net wurde, konnte die Scheibe Brandbelastungen von über 60 min standhal
ten, wenn die unbeschichtete Scheibenseite dem Feuer zugekehrt angeordnet
wurde, ist die Scheibe innerhalb von wenigen Minuten Branddauer geborsten.
Die raumseitig angeordnete Schicht wirkt als Wärmefalle für die Brandraumstrahlung,
d. h., die Scheibe heizt sich signifikant schneller auf und es
kommt zu einer thermischen Überlastung, die zum Bruch der Scheibe führt.
Diese Art von Brandschutzverglasungen ist in der Praxis völlig ungeeignet,
da auf der Baustelle ein Falscheinbau immer möglich ist.
Im übrigen fordert DIN 4102, Teil 13 das Bestehen der Brandprüfungen z. B.
für Trennwände auch von beiden Seiten.
Neuerlich werden Verbundglasscheiben für Brandschutzverglasungen der Feu
erwiderstandsklasse G 30 eingesetzt. Die Scheibenverbunde sind kompliziert
im Aufbau. Sie bestehen aus mindestens zwei Scheiben und bis zu zwei ver
schiedenen Zwischenschichten, von denen eine eine organische Schicht, z. B.
eine PVB-Folie ist, um dem Verbund die Eigenschaften eines Sicherheits
glases zu verleihen. Sie sind in praxisüblichen Ausführungen für höhere
Feuerwiderstandsklassen als G 30 nicht einsetzbar.
Schon Mitte der siebziger Jahre wurden durchsichtige Glaskeramik-Scheiben
offiziell als Brandschutzverglasungen für eine Branddauer von 180 min ge
prüft. Nachteilig für die Glaskeramik-Scheiben wirkt sich die geringe
technische Festigkeit aus, da sie nicht thermisch vorgespannt werden kön
nen; sie können nur in Rahmen mit keiner oder sehr geringer Durchbiegung
im Brandfall eingesetzt werden. Rahmen, die größere Durchbiegung haben,
können die Scheiben zum Bersten bringen und dadurch zum vorzeitigen Aus
fall der Brandschutzverglasungen führen.
Aus der DE-Auslegeschrift 24 13 552 sind brandsichere Glasscheiben be
kannt, die eine so hohe thermische Festigkeit besitzen, daß sie als Raum
abschluß einem Brandversuch nach DIN 4102 (1970) widerstehen, ohne in der
Aufheizphase zu zerspringen, wobei sie im Randbereich eine Druckspannung
besitzen und aus Gläsern bestehen, deren Produkt aus Wärmedehnung (α) und
Elastizitätsmodul (E) 1 bis 5 [kp × cm-2 × °C-1] beträgt.
Ziel der DE-AS 24 13 552 sind Scheiben, die eine so hohe thermische
Festigkeit besitzen, daß sie als Raumabschluß einem Brandversuch nach DIN
4102 (Ausgabe 1970) Bl. 2, Absch. 5.2.4 oder Bl. 3, Absch. 4.3.2 mindes
tens 30 min lang widerstehen, ohne beim Aufheizen zu zerspringen, und die
darüber hinaus keine Drahteinlagen benötigen. Im Gegensatz zu Glasbaustei
nen weichen die Dicken der Scheiben nicht oder nur unwesentlich von den
bei der Gebäudeverglasung üblichen Scheibendicken ab.
Die CH-Patentschrift 605 435 bezieht sich auf eine brandsichere, hochtem
peraturbeständige Glasscheibe, die als Verglasung in einem Raumabschluß
einem Brandversuch nach DIN 4102 (1970) mindestens 90 Minuten widersteht,
ohne zu zerspringen oder den Raumabschluß freizugeben, wobei sie im Rand
bereich eine Druckspannung besitzt, aus Gläsern besteht, deren Produkt aus
Wärmedehnung (α) und Elastizitätsmodul (E) 1 bis 5 [kp × cm-2 × °C-1] be
trägt und wobei sich beim Aufheizen nach DIN 4102 eine geschlossene kri
stalline Oberflächenschicht bildet.
Die CH-Patentschrift benötigt in ihrer Zusammensetzung spezielle und daher
relativ teure Glasscheiben; auch die Einstellung einer Druckspannung nur
im Randbereich der Glasscheibe ist aufwendig zu erreichen.
In der WO 93/07099 ist eine gegen Feuer widerstandsfähige Glasscheibe be
schrieben, die zur Festigkeitssteigerung wärmebehandelt wird und die min
destens auf einer ihrer Oberflächen eine dünne Schicht einer Zusammenset
zung aufweist, die bis zu Temperaturen von 900°C stabil ist und mit der
Oberfläche verbunden bleibt, so daß die beschichtete Scheibe bis zu Tempe
raturen von 900°C nicht zerstört wird, und wobei die Kanten der Glas
scheibe geschliffen sind, um Fehler vor der Wärmebehandlung zu beseitigen.
Die Scheibe nach der WO 93/07099 weist nur eine Oberflächenbeschichtung
auf, die bevorzugt durch relativ aufwendige Verfahren, wie durch Sputtern,
Plasmabeschichtung oder CVD auf das Glas aufgebracht wird.
Aus der DE 38 17 240 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Brandschutz-
Sicherheitsglasscheiben bekannt, bei dem zumindest die Randflächenbereiche
der vorgespannten Glasscheiben mit einem Glas oberflächlich beschichtet
werden. Das aufgebrachte Glas besteht dabei aus SiO₂ oder aus SiO₂, TiO₂
und ZrO₂ mit einer Zusammensetzung von 65 SiO₂ × 20 TiO₂ × 15 ZrO₂.
Nach der vorliegenden Erfindung werden keine Schichten aus Glas, nicht nur
eine, sondern zwei Schichten und keine glasigen SiO₂- oder SiO₂ × TiO₂ ×
ZrO₂-Mischschichten auf das Grundglas aufgebracht, sondern reine Ti- oder
Zr-Oxidschichten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann mit glasigen SiO₂- oder SiO₂
haltigen TiO₂ × ZrO₂-Mischschichten nicht gelöst werden, sondern nur mit
sehr reinen Ti- oder Zr-Oxidschichten, die weniger als 0,2 Gew.-% an Ver
unreinigungen enthalten.
Die DE 37 19 339 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Gläsern
mit erhöhter Bruchfestigkeit, nicht aber zur Herstellung von Gläsern mit
erhöhter Temperaturfestigkeit.
Die Beschichtung nach der DE 37 19 339 A1 stellt ein glasartig erstarrtes
Oxidsystem dar, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient vorzugsweise
niedriger ist als der des Grundglases. Die Festigkeitserhöhung tritt auf
grund des Druckspannungseffektes an der Glasoberfläche auf.
Dieser Effekt ist nach der vorliegenden Erfindung nicht gegeben und nicht
erwünscht, da nach der Erfindung keine nennenswerte Reaktion zwischen der
Beschichtung und dem Grundglas vor Eintritt des Brandfalles stattfinden
darf. Eine solche Scheibe wäre als Brandschutzscheibe vollkommen ungeeig
net, da im Brandfall durch die gezielt hergestellten unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten sofort ein schichtiges Abplatzen der
Beschichtung vom Grundglas und dadurch die Zerstörung der Scheibe die Fol
ge wäre.
Die DE 31 23 205 A1 hat ein Verfahren zur Herstellung eines Glasfilmes aus
Quarzglas zum Gegenstand.
Auch die Erzeugung von Schichten eines modifizierten Quarzglases durch
Einbau von TiO₂ oder ZrO₂ in die Glasmatrix führt zu unerwünschten Misch
schichten, die den Effekt des Aussteifens im Brandfall verhindern.
Weder reine SiO₂-Schichten, noch mit Ti- oder Zr-Oxiden dotierte SiO₂-
Mischschichten können im Kontakt mit dem Grundglas bei Verwendung als
Brandschutzverglasung angewendet werden.
Die Schichten nach der DE 31 23 205 A1 finden denn auch als Kratzschutz
bei Kunststoffen, Schutz gegen Chemikalien und zum Oberflächenschutz oder
zur Isolierung von Metallplatten Verwendung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Scheibe vorzu
stellen, die gegenüber einer herkömmlichen Scheibe höhere Standzeiten im
Brandfall hat und Einscheiben-Sicherheitsglas-Eigenschaften z. B. nach DIN
4102, Teil 12 oder BS 6206 in Spiegelglasqualität aufweist. Sie soll von
beiden Seiten in Brandschutzverglasungen gegen Feuer Widerstand leisten.
Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine weitere, deutliche Verbesserung
einer Brandschutzverglasung auf Basis von vorgespanntem Kalk-Natron-Float
glas zu erreichen.
Die Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die
Glasscheibe beidseitig eine 20-600 nm dicke Schicht aus TiO₂ oder ZrO₂
aufweist, die weniger als 0,2 Gew.-% an Verunreinigungen enthält, und die
wiederum von einer 80-100 nm dicken SiO₂-Schicht vollständig überdeckt
ist.
Erfindungswesentlich ist, daß eine Kalk-Natron-Scheibe, die Spiegelglas
qualität aufweist, mit dünnen Schichten aus TiO₂ oder ZrO₂ und SiO₂ über
zogen und anschließend vorgespannt wird. In einem geeigneten Rahmensystem
übersteht die so beschichtete Scheibe den Temperaturanstieg nach der Ein
heits-Zeit-Temperaturkurve (ETK) der DIN 4102.
Die Schichten werden im Tauchverfahren beidseitig aufgebracht und an
schließend eingebrannt. Die Schichtdicke von TiO₂ oder ZrO₂ kann von 20
bis 600 nm betragen. Vorzugsweise werden jedoch Schichtdicken aus TiO₂
oder ZrO₂ von 60 nm bis 130 nm verwendet. Die TiO₂- oder ZrO₂-Schichten
werden mit einer SiO₂-Deckschicht kombiniert. Die SiO₂-Schicht, die vor
zugsweise 90 nm dick ist, wirkt entspiegelnd auf die beschichtete Scheibe
und verbessert das optische Erscheinungsbild der Scheiben wesentlich.
Das Tauchverfahren, wie es in vorliegender Erfindung zur Anwendung kommt,
ist im GM 74 29 287 ausführlich beschrieben.
Die TiO₂- oder ZrO₂-Schichten reagieren im Brandfall mit dem Kalk-Natron-
Glas. Sie verändern die physikalischen Eigenschaften des Glases und stei
fen die Scheiben aus.
Dabei reagiert die TiO₂- oder ZrO₂-Schicht im Brandfall unter teilweiser
Durchmischung mit der Oberfläche des Kalk-Natron-Glases, wobei Ionen zu
mindestens eines der Elemente Natrium, Calcium oder Magnesium aus dem Glas
in die TiO₂- oder ZrO₂-Schicht und Ionen des Titans oder Zirkoniums in das
Glas eindiffundieren.
Durch das Aussteifen der Scheiben wird die Feuerwiderstandsfähigkeit er
höht, es können, abhängig vom Scheibenformat, Standzeiten von 60 min er
reicht werden.
Nach den Erfahrungen verschlechtert schon die geringste Dotierung der
TiO₂- oder ZrO₂-Schicht die aussteifende Wirkung auf Kalk-Natron-Glas. Die
TiO₂- oder ZrO₂-Schicht enthält daher weniger als 0,2 Gew.-% an Verunrei
nigungen.
Die beidseitig mit TiO₂ oder ZrO₂ und SiO₂ beschichteten Scheiben können
völlig symmetrisch eingebaut werden. Die TiO₂- oder ZrO₂-Schicht reagiert
im Brandfall mit dem Kalk-Natron-Glas unter Aussteifung der Scheibe. Der
Reaktionsmechanismus ist noch nicht genau geklärt. Es werden aber Diffu
sionsvorgänge angenommen, die eventuell auch im Zusammenhang mit der SiO₂-
Schicht zum Aussteifen der Scheibe führen. Die aussteifende Wirkung der
Schichten ermöglicht einen geringeren Falzeinstand als bei unbeschichtetem
Kalk-Natron-Glas, da die Schichten standzeiterhöhende Wirkung haben. Durch
die aussteifende Wirkung der Schichten können die Rahmenkonstruktionen für
Brandschutzverglasungen einfacher und somit kostengünstiger und sicherer
gestaltet werden. Ferner sind größere Scheibenformate zu realisieren.
Die heute auf dem Markt angebotenen Kalk-Natron-Glasscheiben für Brand
schutzverglasungen benötigen z. B. einen Falzeinstand von 8 bis 12 mm, die
nach der Erfindung hergestellte Scheibe benötigt nur einen Falzeinstand
von 5 bis 10 mm.
Die damit im Brandversuch erreichten Standzeiten liegen in der Regel, z. B.
für eine G 30-Verglasung deutlich über 45 Minuten.
Das Verfahren zur Herstellung von brandsicheren Glasscheiben nach der Er
findung wird so geführt, daß die Schichten beidseitig, insbesondere im
Tauchverfahren wie es z. B. im GM 74 29 287 beschrieben ist aufgebracht
werden. Die im Tauchverfahren aufgebrachten Schichten werden dann bei vor
zugsweise 400°C eingebrannt und die beschichteten Gläser vorgespannt, wo
bei eine Vorspannung zwischen 60 und 160 N/mm², insbesondere zwischen 80
bis 120 N/mm² eingestellt wird.
Das beschichtete Kalk-Natron-Glas ist dadurch nach DIN 1249, Teil 12 vor
gespannt. Die so für Brandschutzverglasungen hergestellten Scheiben haben
ESG-Eigenschaften, und die Oberfläche hat Spiegelglasqualität.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Abbildung und eines dazugehöri
gen Ausführungsbeispieles weiter erläutert:
Eine Floatglasscheibe, die z. B. in der Größe von 3,75 × 3,21 m vom Her
steller bezogen wird, wird in einer Küvette gemäß GM 74 29 287 einge
taucht. Die Küvette beinhaltet eine alkoholische Chlorethyltitanat-Lösung
mit 30-50 g/l TiO₂. Die Scheibe wird dann mit 5-10 mm/s Geschwindig
keit aus der Lösung gezogen. Die auf der Scheibe haftende Flüssigkeitslö
sung wird in einen Ofen bei 400°C eingebrannt. Das in der Lösung enthal
tene Titan bildet beim Einbrennen auf der Scheibe eine 110-120 nm dünne
TiO₂-Schicht. Anschließend wird die SiO₂-Schicht auf die TiO₂-Schicht auf
gebracht. Die Küvette enthält nun eine alkoholische Kieselsäureester-Lö
sung mit 15-22 g/l SiO₂. Die Scheibe wird dann mit 4-9 mm/s aus der
Lösung gezogen. Die auf der Scheibe mit der TiO₂-Beschichtung anhaftende
Flüssigkeitslösung wird dann ebenfalls bei 400°C eingebrannt.
Es bildet sich eine 85-95 nm dicke SiO₂-Schicht.
Aus der großen Scheibe wird eine 1 m × 2 m-Scheibe zugeschnitten, randbear
beitet (DIN 1249) und in einer konventionellen Anlage thermisch vorge
spannt.
Die Erzeugung der Vorspannung erfolgt nach den im Stand der Technik be
kannten Verfahren, im allgemeinen durch Erwärmen der Glasscheiben in einem
Ofen auf Temperaturen, die über der Transformationstemperatur (Tg) liegen
und anschließendem Anblasen mit kalter Luft.
In der nachfolgenden Abbildung (Fig. 1) wird ein Verglasungsbeispiel be
schrieben.
Die Verglasung besteht aus der 6 mm × 1 m × 2 m, beidseitig ca. 115 nm
dick TiO₂- und ca. 90 nm dick SiO₂-beschichteten Scheibe (2), die ther
misch mit ca. 100 N/mm² vorgespannt wurde. Die Verglasung ist in einem aus
rechteckigen Stahlrohrprofilen (3) und (4) zusammengeschweißten bzw. ge
schraubten Stahlrahmen (5) mittels Klotzung (6) und Falzdichtungen (7) und
(8) befestigt.
Die beschriebene Verglasung wurde einem Brandtest gemäß DIN 4102 bzw. BS
476 unterzogen. Die Scheibe rutschte erst nach über 60 min Branddauer aus
dem Rahmen und gab eine Öffnung frei, wodurch die Raumabschlußwirksamkeit
nicht mehr erfüllt wurde.
Der gleiche Brandtest, mit einer beidseitig 60-80 nm dick mit ZrO₂ be
schichteten Scheibe durchgeführt, die ebenfalls mit einer ca. 90 nm dicken
SiO₂-Schicht vollständig überdeckt war, brachte eine Feuerwiderstandsdauer
von über 50 Minuten.
Eine Verglasung, wie beschrieben, jedoch mit einer unbeschichteten 6 mm ×
1 m × 2 m-Kalk-Natron-Glasscheibe nach DIN 4102 geprüft, erbrachte nur ei
ne Feuerwiderstandsdauer von 32 Minuten.
Claims (7)
1. Brandsichere, hochtemperaturbeständige Glasscheibe in Bauglasqualität,
aus einem beidseitig beschichteten Kalk-Natron-Glas, wobei das be
schichtete Glas eine Druck-Vorspannung zwischen 60 und 160 N/mm² auf
weist und als transparenter Teil einer Brandschutz-Verglasung einem
Brandversuch nach DIN 4102 oder BS 476 mindestens 30 Minuten wider
steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasscheibe eine 20-600 nm dicke Schicht aus TiO₂ aufweist,
die weniger als 0,2 Gew.-% an Verunreinigungen enthält, und die wie
derum von einer 80-100 nm dicken SiO₂-Schicht vollständig überdeckt
ist.
2. Brandsichere, hochtemperaturbeständige Glasscheibe in Bauglasqualität,
aus einem beidseitig beschichteten Kalk-Natron-Glas, wobei das be
schichtete Glas eine Druck-Vorspannung zwischen 60 und 160 N/mm² auf
weist und als transparenter Teil einer Brandschutz-Verglasung einem
Brandversuch nach DIN 4102 oder BS 476 mindestens 30 Minuten wider
steht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Glasscheibe eine 20-600 nm dicke Schicht aus ZrO₂ aufweist,
die weniger als 0,2 Gew. -% an Verunreinigungen enthält, und die wie
derum von einer 80-100 nm dicken SiO₂-Schicht vollständig überdeckt
ist.
3. Brandsichere Glasscheibe nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die TiO₂- oder ZrO₂-Schicht eine Dicke von 60-130 nm aufweist.
4. Brandsichere Glasscheibe nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die SiO₂-Schicht eine Dicke von 90 nm aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung von brandsicheren Glasscheiben nach den An
sprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Schicht für sich im Tauchverfahren auf das Kalk-Natron-Glas
aufgebracht und anschließend bei 360-480°C eingebrannt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beschichteten Gläser thermisch vorgespannt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Druck-Vorspannung zwischen 60 und 160 N/mm², insbesondere
zwischen 80 bis 120 N/mm², eingestellt wird.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934331082 DE4331082C1 (de) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Brandsichere Glasscheibe und Verfahren zur Herstellung einer solchen Glasscheibe |
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