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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erforschung von Partikeleigenschaften
und insbesondere auf die Verteilung dieser Eigenschaften an einem
Partikelkomplex, wobei sie vor allem eine Vorrichtung zur Messung
der Rohdichte eines Partikelkomplexes mittels Flotationsverfahren
zum Gegenstand hat.
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Die
Entwicklung und Verwendung von Partikel-Werkstoffen sind die ersten
Stufen bei der Herstellung zahlreicher Verbundwerkstoffe. Die einfachsten
dieser Werkstoffe bestehen aus zwei Komponenten, und zwar den Partikeln
und einem Binder. Die Einsatzkennwerte dieser Verbundwerkstoffe
hängen
oftmals von der Mikrostruktur der verwendeten elementaren Partikel
ab.
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Die
Partikel-Rohdichte kann einen wichtigen Mikrostruktur-Parameter
darstellen. Anhand dieses Parameters kann z.B. die Homogenität der Partikel quantitativ
charakterisiert werden, Reinheitsgrad und Fehlerdichte können ermittelt
werden.
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Die
Dichte oder Rohdichte eines Partikels wird durch das Verhältnis seiner
Masse und seines Schüttvolumens
bestimmt. Bei den Messmethoden für
die Partikeldichte gibt es zwei wesentliche Gattungen: die indirekten
und die direkten Methoden.
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Die
indirekten Methoden beruhen auf der Messung der Masse und des Volumens
der Partikel. Hierunter fällt
zum Beispiel das Gas- oder Flüssigkeitspyknometer.
Die Masse wird durch Wiegen bestimmt. Das Volumen wird durch Druckmessungen (Gas)
oder Wiegen (Flüssigkeit)
bestimmt. Diese Methoden ergeben die mittlere Dichte des Partikelkomplexes.
Die Rohdichteverteilung am Partikelkomplex kann hierdurch nicht
bestimmt werden.
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Die
direkten Methoden basieren auf dem Dekantieren bzw. auf der Flotation
in einer Flüssigkeit mit
geregelter Dichte. Bei diesen Methoden bewegen sich Partikel, die
dichter sind als die Flüssigkeit,
in den unteren Teil und Partikel, die weniger dicht sind als die
Flüssigkeit,
in den oberen Teil. Es werden zwei Techniken verwendet, und zwar
die Dichtegradienten-Methode und die Flotationsmethode.
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Die
Dichtegradienten-Methode besteht in der Entstehung eines Dichtegradienten
in einer Flüssigkeitssäule. Die
Partikel werden oben an der Säule freigesetzt.
Sie bewegen sich bis zur Erreichung eines Gleichgewichts zwischen
Flüssigkeitsdichte
und Partikeldichte in der Säule
abwärts.
Durch eine vorherige Eichung der Säule wird die Flüssigkeitsdichte mit
der Höhe
in der Säule
verbunden. Durch Aufzeichnung der Stabilisierungshöhe jedes
Partikels in der Säule
ergibt sich die Rohdichteverteilung der Partikel eines gegebenen
Partikelkomplexes.
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Die
Flotationsmethode besteht ganz einfach in der Immersion einer Partikelprobe
in eine Flüssigkeit
mit bekannter Dichte, der Dekantierung der Partikel mit höherer Dichte
als die Flüssigkeit,
der Sammlung und dem Wiegen dieser Partikel. Das Prinzip dieser
Messung ist einfach, ihre Durchführung
im Hinblick auf die Erreichung eines exakten Ergebnisses schwieriger.
Die Problempunkte einer solchen Methode sind einerseits die Genauigkeit
bei der Dichteregelung der Flotationsflüssigkeit und andererseits die
Extraktion von sich im unteren Teil des Behälters anlagernden Partikelanteilen.
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Bekannt
sind auch die mit Zentrifugalkraft arbeitenden Messverfahren, wobei
sich allerdings bei Partikeln aus energetischen Werkstoffen Sicherheitsprobleme
für ihre
Verwendung ergeben.
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Der
Patentgegenstand zielt auf eine Vorrichtung zur Messung der Partikeldichte
mittels Flotationsverfahren ab, mit der diese Dichte mit sehr hoher Genauigkeit
bestimmt werden kann und die sich weder hinsichtlich der Partikelextraktion
noch eines Explosionsrisikos als problematisch erweist.
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Bei
der vorgeschlagenen Lösung
handelt es sich um eine Vorrichtung zur Messung der Partikeldichte
mittels Flotationsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen
Behälter
mit einer Innenwand beinhaltet, bei der zumindest ein erster Teil
umgekehrt kegelförmig
ist, und dass sie Mittel zur Flüssigkeitsextraktion
enthält,
die mit dem ersten Teil an der Kegelspitze verbunden sind.
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Unter
Kegel ist die durch den ersten Teil der Innenwand begrenzte geometrische
Form zu verstehen.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform enthalten
die Extraktionsmittel eine Röhre,
welche das Innere des Behälters
mit dem Äußeren des
Behälters
verbindet und an der Kegelspitze mit dem Behälterinneren kommuniziert.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform ist
der erste Teil wie ein Kegelstumpf geformt, wobei der Stumpf eine
mit der Röhre
verbundene Öffnung bildet.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform, welche
die Partikelablagerung am Behälterboden
begünstigt,
ist der erste Teil zwischen 1,5–3-mal
so hoch wie sein Durchmesser.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform bildet
die Achse X der Röhre
mit der Achse Y des Kegels einen Winkel zwischen π/2 und π Radiant.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform enthält die Innenwand
einen zweiten röhrenförmigen Teil,
welcher höher
herausragt als der erste Teil und denselben Querschnitt besitzt
wie die Grundfläche des
Kegels.
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Gemäß einer
zusätzlichen
Ausführungsform ist
das Innere des Behälters
mit einem Densimeter verbunden, welches einen Entnahmeschlauch mit
einem Filter an dem Ende besitzt, welches sich im Inneren des Behälters befindet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform, durch
welche sich die Präzision
der Ergebnisse verbessert, enthält
der Behälter
zwei Wände,
nämlich eine
innere und eine äußere, wobei
die äußere Wand Öffnungen
aufweist, die mit einer Temperaturregelungsvorrichtung im Inneren
des Raumes, welcher die innere von der äußeren Wand trennt, verbunden sind
und wobei diese Mittel vorzugsweise die Zirkulation einer Flüssigkeit
bei konstanter Temperatur im Inneren dieses Raumes gewährleisten.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform ist
der Behälter
an der den Extraktionsmitteln gegenüberliegenden Seite mit einem
Deckel verschlossen, welcher vorzugsweise, zumindest zum Teil, aus
thermisch isolierendem Material ist.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform weist
dieser Deckel wenigstens drei Präzisionsbohrungen
auf.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform ist
das Innere des Behälters
mit Mitteln verbunden, die ihm Flüssigkeit zuführen können, wobei
diese Mittel vorzugsweise zum Teil durch eine der Präzisionsbohrungen
des Deckels eingeleitet werden.
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Gemäß einer
zusätzlichen
Ausführungsform ist
die äußere Behälterwand
zumindest teilweise mit einem thermisch isolierenden Material überzogen.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform enthält die Vorrichtung
Rührmittel,
welche zumindest teilweise im Inneren des Behälters angebracht sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der Behälter
mit einem Gemisch aus mindestens zwei Flüssigkeiten gefüllt, wobei
die Abstimmung des jeweiligen Anteils der beiden Flüssigkeiten
eine präzise
Regelung der Dichte des Gemisches erlaubt. Bei RDX- oder HMX-Partikeln
wird vorzugsweise ein Toluol- und Methyleniodidgemisch (CH2I2) verwendet.
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Gemäß einer
zusätzlichen
Ausführungsform sind
die Vorrichtungen, welche dem Behälterinneren Flüssigkeit
zuführen,
geeignet, dieses mit Toluol zu versorgen.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften gehen aus der Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung gemäß den beigefügten Figuren
hervor:
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1 ist
ein vereinfachtes Schema einer Vorrichtung zur Partikeldichtemessung
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ist
ein vollständiges
Schema einer Vorrichtung zur Partikeldichtemessung gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie
aus 1 hervorgeht, besteht eine Vorrichtung zur Messung
der Partikeldichte gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung aus drei wesentlichen Teilen: einem Flotationsbehälter 1,
einem System 2 zur Messung der Dichte von Flüssigkeiten
und einem System 3 zur Temperaturregelung.
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Der
Flotationsbehälter 1 ist
ein gläserner, doppelwandiger
Behälter
mit einer inneren Wand 4 und einer äußeren Wand 5. Sein
innerer Teil 6 enthält eine
Flotationsflüssigkeit 7,
in welcher Partikel 8 verteilt sind, deren Dichte zu bestimmen
ist. Diese Flotationsflüssigkeit 7 besteht
aus einem Gemisch, wie z.B. Toluol und Methyleniodid.
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Die
Innenwand 4 enthält
einen ersten, eingeschobenen Teil 9, welcher die Form eines
umgekehrten Kegelstumpfes aufweist, einen zweiten, hohlzylinderförmigen Teil 10 mit
demselben Durchmesser wie die Grundfläche 8 des vom ersten
Teil begrenzten Kegels und einen dritten Teil 11, bestehend
aus einem Hohlzylinder 12, der durch ein Ende mit der vom
ersten Teil 9 der Innenwand 4 begrenzten Kegelspitze
verbunden ist. Der zweite Teil 10 weist einen Durchmesser
von 100 mm und eine Höhe
von 200 mm auf. Er gewährleistet
eine günstige
Partikelverteilung in der Flotationsflüssigkeit 7 mit einer
besseren Partikelkonzentration 8.
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Der
erste, konisch geformte Teil 9 ist 200 mm hoch. Er ermöglicht es,
die Partikel während
des Dekantierens zu sammeln und aus dem Behälter zu extrahieren, ohne dass
das Fluid in Bewegung versetzt wird, was sich störend auf die Messung auswirken würde.
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Dieser
erste Teil 9 der Innenwand 4 weist an der Spitze 14 des
Kegels eine Öffnung 13 auf,
die ihn stumpfartig erscheinen lässt.
Diese Öffnung
kommuniziert mit dem Hohlzylinder 12 im Durchmesser 12 mm,
dessen Achse X mit der Achse Y des Kegels einen Winkel α zwischen π/2 und 3/2
Radiant bildet und vorzugsweise im Intervall 2π/3 ± π/36 liegt.
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Dieser
Hohlzylinder 12, welcher den dritten Teil 11 der
Innenwand 4 bildet, verläuft durch die Außenwand 5 des
Behälters
und weist an seinem Teil 15 außerhalb des Behälters 1 einen
Hahn bzw. ein Ventil 16 auf, mit dem die Entleerung des
Behälters geregelt
werden kann. Der Hohlzylinder 12 und der Hahn bzw. das
Ventil stellen die Extraktionsmittel für die Flotationsflüssigkeit
dar.
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Die
Außenwand 5 des
Behälters 1 ist
hohlzylinderförmig
und an ihrem oberen Ende 17 mit der Innenwand 4 fest
verbunden; an ihrem unteren Ende 18 ist sie geschlossen.
Diese Außenwand
weist außerdem
zwei Öffnungen
auf, und zwar eine Öffnung 19 an
ihrem oberen Ende 17 und eine weitere Öffnung 20 an ihrem
unteren Ende 18, wobei diese Öffnungen 19 und 20 mit
dem Temperaturregelungssystem 3 verbunden sind.
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Wie
aus 2 hervorgeht, enthält der Flotationsbehälter 1 einen
Deckel 22, mit dessen Hilfe einerseits die Dichte des Flotationsgemisches 7 zuverlässig stabilisiert
werden kann, indem jede fortschreitende Verdampfung einer der Flüssigkeiten
des Flotationsgemisches vermieden wird, und andererseits Wärmeverluste
der Flüssigkeit 7 begrenzt
werden. Dieser Deckel weist drei Bohrungen 23, 24 und 25 auf,
durch die folgende Elemente eingeführt werden:
- • das Ende 26 einer
Spritze 27, mit der die Dichte des Flotationsgemisches
durch Hinzufügen
einer der Komponenten abgestimmt wird.
- • ein
Teil 28 eines Propellerrührers 29, mit dem
die intensive Mischung und die gute Homogenität des Flotationsgemisches gewährleistet
wird. Dichtegradienten im Behälter
sind zu vermeiden.
- • ein
Schlauch 30 zur Entnahme von Flotationsflüssigkeit
für die
Messung der Dichte des Flotationsgemisches. Diese Röhre enthält an dem
innerhalb des Behälters
befindlichen Ende einen Filter 31. Dieser Filter 31 lässt Flüssigkeit,
aber keine Partikel 8 durch. Er wurde hergestellt und an
einem Ende des Entnahmeschlauches 30, in der Flüssigkeit 7,
im unteren Teil 6 des Flotationsbehälters 1 angebracht,
damit während
der Entnahme keine Partikel 8 angesaugt werden bzw. die Dichtemessung
nicht gestört
wird. Er ist kegelstumpfförmig
und aus Messing. Die Kegelspitze hat einen Durchmesser von 5 mm
und ist über
den Entnahmeschlauch mit dem Densimeter verbunden. Die Kegelhöhe beträgt 30 mm.
An der Kegelfläche
ist ein quadratmaschiges 80-mμ-Sieb
eingesetzt. Der Durchmesser der Kegelbasis beträgt 17 mm.
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Als
System für
die Messung der Flüssigkeitsdichte
wird ein digitales «DMA48»-Densimeter
der Marke „A.
PAAR" eingesetzt.
Dieses Gerät
misst die Dichte einer Flüssigkeit
aufgrund des Prinzips der vibrierenden Röhre. Bei präziser Temperaturregelung (0.1°C) beträgt die Genauigkeit
der Flüssigkeitsdichte-Messung
10.0001 g/cm3. Die Empfindlichkeit der Versuchsvorrichtung
beträgt ±0.00003
g/cm3. Das Fill Rinse System für die automatische
Messprobenentnahme wird eingesetzt.
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Bei
dem System zur Temperaturregelung 3 handelt es sich um
eine Wasserkreislaufvorrichtung. Es ist ein handelsübliches «Ministat»-Kryostat 32. Die
Genauigkeit der Temperaturregelung beträgt ± 0.1°C.
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Ein
vom Kryostat ausgehender Wasserkreislauf, der den Raum 33,
welcher durch die Innenwand 4 und die Außenwand 5 begrenzt
ist, durchläuft
und anschließend
zum Kryostat zurückgeleitet
wird, gewährleistet
die Temperaturregelung der Flotationsflüssigkeit 7. Um den
Einfluss der Außentemperatur bestmöglich zu
reduzieren, befindet sich der Flotationsbehälter 1 in einer Umhüllung 34 aus
thermisch isolierendem Schaumstoff.
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Die
gesamte Versuchsvorrichtung befindet sich vorzugsweise in einem
Raum mit niedrigerer Temperatur als die der Flotationsflüssigkeit.
Ist die Temperatur der Flotationsflüssigkeit auf 20°C eingestellt,
so sollte die Raumtemperatur etwa 19°C betragen. Hierdurch werden
thermische Konvektionsströme,
die womöglich
in der Nähe
des Ablasshahnes aufgrund einer verminderten Wärmeisolation erzeugt werden,
vermieden. Diese Konvektionsströme
wirken sich störend
auf das Dekantieren der Partikel aus. Dies ist ein wichtiger Punkt.
Aufgrund der externen Temperaturregelung entsteht ein kleiner Flüssigkeitspuffer
mit höherer
Dichte und ohne Partikel. Dank dieses Puffers kann der Hahn gegebenenfalls während der
Partikelsammlung gespült
werden, wodurch die Messgenauigkeit zunimmt.
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Anhand
dieser Vorrichtung kann die Rohdichteverteilung eines Partikelloses
gemessen werden. Sie liefert exakte Messwerte der Rohdichte eines
Partikels, gibt aber auch Aufschluss über die Rohdichteverteilung
der Partikel innerhalb eines gegebenen Komplexes. Durch diese Vorrichtung
können
zudem Untergruppen aus dem ursprünglichen Partikelkomplex
extrahiert werden, wobei diese Untergruppen einheitlichere Rohdichteverteilungen
als der ursprüngliche
Komplex aufweisen. Die Messung weiterer Kennwerte an jeder dieser
Untergruppen erlaubt die Differenzierung der Rohdichtemessungen aufgrund
sonstiger Kennwerte, wie z.B. der Partikelgröße.
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Die
nachstehend beschriebene Arbeitsweise betrifft ein Verfahren für die Rohdichtemessung
von Hexogen- (RDX) bzw. Oktogenpartikeln (HMX) mit Hilfe einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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Der
Behälter
ist mit 1,5 l Flotationsflüssigkeit gefüllt. Die
gewählte
Flüssigkeit
bzw. Flüssigkeitsmischung
muss zwei wesentlichen Anforderungen gerecht werden:
- • Möglichkeit
der präzisen
Abstimmung ihrer Dichte, z.B. durch Änderung der Mischung.
- • gute
Benetzbarkeitseigenschaften hinsichtlich der zu charakterisierenden
Partikel.
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Die
Flotationsflüssigkeit
darf sich nicht auf die Partikel auswirken. Bei geringer Löslichkeit
der Partikel in der Flüssigkeit
ist darauf zu achten, dass die Flüssigkeit mit dem Partikelwerkstoff
gesättigt
ist.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
besteht die Flotationsflüssigkeit 7 aus
einem Toluol-Methyleniodid-Gemisch.
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Eine
Partikelmasse wird in das Flotationsgemisch eingebracht. Diese Masse
wird in Abhängigkeit
von der Partikelart bestimmt. Es bedarf einer ausreichenden Partikelanzahl,
um für
das zu untersuchende Los statistisch repräsentativ zu sein. Allerdings
muss die Partikelkonzentration in der Flüssigkeit begrenzt sein, um
zu vermeiden, dass sich Partikel während des Dekantierens gegenseitig
beeinflussen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
beträgt
die RDX-Partikel-Masse zwischen 30 und 40 g.
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Die
sich in der Flotationsflüssigkeit
im dichten Behälter
befindlichen Partikel werden durch Rühren verteilt. Das Rühren der
Flotationsflüssigkeit
gewährleistet
ihre Homogenität.
Die Abstimmung der Flüssigkeitsdichte
erfolgt mit Hilfe des digitalen Densimeters. Die dem Behälter mit
Hilfe des digitalen Densimeters entnommenen verschiedenen Flüssigkeitsproben
werden, um den Vorgang der Dichteabstimmung der Probe nicht zu stören, in
einem kleinen dazugehörigen
Kolben gelagert.
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Nach Überprüfung der
Dichtestabilität
der Flotationsflüssigkeit
wird der Rührvorgang
beendet, um das Dekantieren der Partikel zu ermöglichen. Die Zeit, welche zur
Trennung der Partikel voneinander benötigt wird, hängt von
der Partikelgröße ab. Sie kann
zwischen 3 und 10 Stunden variieren. Es muss auf jeden Fall eine
klare Trennung der Partikel festgestellt werden können.
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Die
Partikel werden dann nach Öffnung
des Hahnes 16 über
die Röhre 12 aus
dem Behälter
extrahiert, anhand eines Filters aus gesintertem Glas gesammelt
und mittels Vakuumansaugung mit Ethanol gewaschen. Daraufhin werden
sie präzisionsgewogen.
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Ausgehend
von einem Flotationsgemisch, dessen Dichte so geartet ist, dass
sich kein Partikel unten im Behälter
absetzt, wird schrittweise vorgegangen, indem die Dichte des Gemisches
nach und nach durch Hinzufügung
kleiner Toluolmengen und Extraktion der Partikel in jeder Stufe
herabgesetzt wird. Die Einspritzung von ca. 5 ml Toluol ermöglicht es,
die Dichte des Flotationsgemisches um ca. 0,003 g/cm3 zu
verringern. Diese Dichte beträgt
bei RDX-Partikeln um die 1,8 g/cm3 und bei
HMX-Partikeln um
die 1,9 g/cm3.