Brandschutz

Brandschutz bei Composites: Brandverhalten noch unzureichend erforscht

alt

Composites können bis zu 650 °C standhalten. Eine hohe Hitzebeständigkeit ist jedoch auch gefordert, denn die Brandschutzanforderungen an Faserverbundwerkstoffe im Offshore-Bereich, dem Marinemarkt, der Baubranche und in Schienenfahrzeugen sind hoch. Einen Überblick, welchen Vorgaben die Werkstoffe entsprechen müssen sowie Informationen rund um Brandschutzmittel und Löschmittel, zeigt die COMPOSITES EUROPE 2018, die vom 6. bis 8. November in Stuttgart stattfindet.

Brenndauer von CFK-Bauteilen beträgt Tage

Als am 23. Februar 2008 die „Spirit of Kansas“, ein B2-Bomber der US Air Force, kurz nach dem Start zurück aufs Rollfeld der Andersen Air Force Base auf Guam stürzte und Feuer fing, gingen nicht nur 1,4 Mrd. USD in Flammen auf. Das teuerste Flugzeugunglück in der Geschichte der US-Luftwaffe führte auch erstmals vor Augen, welche Probleme brennende CFK-Bauteile mit sich bringen. Die Löschdauer und der Bedarf an Löschmitteln waren deutlich höher als vorhergesehen. Zudem war auch mehrere Tage nach dem Unfall und nach diversen Löschversuchen immer noch ein Glutbrand erkennbar.

Seitdem ist das Brandverhalten von Faserverbundwerkstoffen immer wieder Gegenstand von Expertendebatten und wissenschaftlichen Untersuchungen. Gerade in der Luftfahrt aber auch im Offshore-Bereich bei Windkraftanlagen, bei der Marine, im Bauwesen und bei Schienenfahrzeugen gelten hohe Anforderungen an Feuerfestigkeit und Rauchentwicklung. Weil in den Composites üblicherweise organische Harze verwendet werden, galt dies lange als Entwicklungshemmnis. Doch Jahr für Jahr kommen inzwischen neue Anwendungen auf den Markt, die auch den Anforderungen der höheren Klassen der EN 13501-1 (Brandverhalten) und der DIN 4102-1 (Baustoffklasse) gerecht werden.

Kohlenstofffasern halten rund 650 °C stand

Zudem beschäftigen sich zahlreiche Forschungseinrichtungen mit der Betrachtung und Auswertung des Brandverhaltens von Composites. In der vielbeachteten Untersuchung „Prüfungen von Bauteilen aus GFK/CFK hinsichtlich Brandschutz und Tragfähigkeit“ hat sich beispielsweise Prof. Dr.-Ing. Jochen Zehfuß vom Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz (iBMB) an der Technischen Universität Braunschweig im Jahr 2015 mit dem Thema auseinandergesetzt und dabei verschiedene Tests und Versuche durchgeführt.

Demnach liegt die thermische Stabilität der Kohlenstofffasern bei ca. 650 °C, während die Zersetzung der Kunststoffmatrix bereits zwischen 300 °C und 400 °C stattfindet. Neben der Stoffzusammensetzung beeinflussen den Erkenntnissen des Experten zufolge auch Faseranteil und -anordnung das Brandverhalten. So reduziert ein erhöhter Fasergehalt die freisetzende Rauchmenge und der Gehalt organischer Materialien wird herabgesetzt. Zudem wurde festgestellt, dass die Materialien unterschiedliche, temperaturabhängige Zersetzungsprozesse aufweisen.

Klassische reaktive Brandschutzsysteme reagieren zu spät

Bei thermischer Beanspruchung des Werkstoffes wird zunächst die Matrix zersetzt. Die oberste, der Wärmequelle zugewandte Schicht eines brennenden CFK-Bauteils besteht überwiegend aus Kohlenstofffasern und verkohlten Resten der Matrix. Diese Schicht ist äußerst porös und wirkt wie eine Wärmedämmung, wodurch sich der Brand infolge der Verringerung des Ausgasens brennbarer Zersetzungsprodukte kurzzeitig abschwächen kann. Im Verlauf des Brandes dringt die Zersetzungsschicht nach und nach bis zur wärmeabgewandten Seite vor, bis das gesamte Bauteil aus Verkohlungsresten besteht.

Neben diesen Erkenntnissen stellen die Wissenschaftler jedoch hinsichtlich der Feuerwiderstandseigenschaften von Faserverbundwerkstoffen fest, dass über das Materialverhalten bei hohen Temperaturen noch Kenntnislücken bestehen. So ist die Wirkung von Schutzsystemen noch weitgehend unerforscht und klassische reaktive Brandschutzsysteme reagieren „zu spät“. Sie fordern die bessere Differenzierung von Brandschutzanforderungen und die Anwendung leistungsorientierter Methoden.

Brandschutz von Composite-Systemen birgt einige Unbekannte in sich

Auch Dipl.-Ing. Dominique Max vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) [1] hat 2015 für die Ständige Konferenz der Innenminister und -Senatoren der Länder[2] im Forschungsbericht Nr. 177 „Eigenschaften und Abbrandverhalten von Faserverbundwerkstoffen, speziell Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFK)“ untersucht. Dabei wurden die wesentlichen Eigenschaften, das Werkstoffverhalten in bestimmten Szenarien und die werkstoffspezifischen Gefahren, die im Zusammenhang mit CFK-Formteilen auftreten können, näher überprüft. Das Fazit: Während des Brennens kann im Inneren ein Überdruck entstehen, der zu einem Aufquellen führen kann. Der innere Druck kann dann zur Ablösung von Faserschichten führen. Dadurch freiwerdende Kohlenstofffasern können in die Lunge gelangen und dort potenziell schädigend wirken.

In Bezug auf das toxikologische Potenzial von Kohlenstofffasern lässt sich vermuten, dass sie weniger gefährlich sind als kristallines Quarz oder Asbest. Bei Bränden von CFK-Materialien ist zudem mit einer erhöhten Freisetzung kritischer, faserförmiger Bruchstücke zu rechnen. Insgesamt fehlen jedoch abschließende Beurteilungen von Experten, weshalb weitere Untersuchungen nötig sind, vor allem mit Blick auf die kritische Überprüfung der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Maßnahmen. Mit anderen Worten: Der Brandschutz von Composite-Systemen ist nach wie vor eine Formel mit einigen Unbekannten.

[1] Forschungsstelle für Brandschutztechnik

[2] Arbeitskreis V, Ausschuss für Feuerwehrangelegenheiten, Katastrophenschutz und Zivile Verteidigung