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Verfahren zum Verstärken oder Verschließen massiver Strukturen
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bzw. zum Verankern von Bolzen in solchen sowie Patronen zur Verwendung
in diesem Verfahren Die vorliegende Erfindung betrifft ein harzverankertes Stangensystem,
ein Verankerungsverfahren und eine ein härtbares Harz enthaltende Patrone, die in
ein Loch eingesetzt werden kann und in die eine Stange eindringt, so daß das Harz
härtet und die Stange sicher befestigt.
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Die Verwendung organischer Harze zur Stabilisierung von Felsen und
zum Befestigen von Stangen in Felsen oder Mauerwerk ist bekannt - vergl. bspw. die
US-PS 2 952 129. Im Jahr 1959 zeigte der Untersuchungsbericht Nr. 5439 des US-Bureau
of Mines mit dem Titel "Cementation of Bituminous Coal Mine Roof Strata; Injection
of Epoxy and Polyester Type Resins" von E. R. Maize und R. M. Oitto, Jr., dass das
Einpumpen von härtbaren 2-Komponenten-Epoxy- oder Polyesterharzsystemen in Felsen
zu einer Stabilisierung des Felsgesteins führt. Man hat auf verschiedene Art versucht,
ein 2-Komponenten-Harzsystem in ein
Bohrloch einzuführen, wie die
US-PSn 3 108 443, 3 324 663, 3 698 196, 3 877 235 und 3 925 996 zeigen. Um jedoch
ein inniges Vermischen der verschiedenen Komponenten zu gewährleisten, aus denen
das System sich zusammensetzt, muß die Stange bzw.
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der Anker schnell im Bohrloch gedreht werden - ein mühseliger Schritt,
der Zeitverluste verursacht und zusätzliches Gerät erfordert.
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In der US-PS 3 731 791 werden die reaktionsfähigen Komponenten in
einen zerbrechbaren Behälter gefüllt, so daß sie nur von einer Schicht des Reaktionsproduktes
getrennt werden; dennoch muß die Stange noch gedreht werden, um ein vollständiges
Durchmischen zu erreichen. Um das Durchmischen der Teile des härtbaren Polymerisatsystems
zu verbessern, schlägt die DE-OS 22 49 834 die Verwendung von Mikrokapseln (Polyäthylenpolyamid
oder ein ähnliches Polymerisat vor), in die ein härtbares Harzsystem eingekapselt
ist, wobei der Durchmesser der Mikrokapseln bis zu 8 mm betragen kann, vorzugsweise
aber weniger als 1 mm ist, um eine zufriedenstellende Mischung in den gewünschten
Anteilen zu erreichen. Während die Stange in das Loch eingeführt wird, brechen die
Kapseln auf und härtet das Harzsystem zu einer Verstärkung für die umgebende Struktur.
Obgleich in diesem System die Dispersion sehr kleiner Kapseln (d.h. mit Durchmessern
von weniger als 1 mm) eine bessere Anfangsdurchmischung zu ergeben scheint, sind
die kleinen Kapseln mit einem Bolzen oder einer Stange nur schwierig zu zerbrechen.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Verbesserung eines Stangenverankerungsverfahrens
und von Patronen zum Festlegen von Stangen in massiven Strukturen, Verstärken von
massiven Strukturen usw. unter Verwendung eines härtbaren Mehrkomponenten-Polymerisatsystems,td.h.
zwei oder mehr Komponenten, die, wenn vermischt, reagieren bzw. härten und dabei
ein Polymerisat oder Harz mit höherem Molekulargewicht bilden als eine der reaktionsfähigen
Anfangskomponenten). Die Patronen nach der vorliegenden Erfindung sind allgemein
zylindrisch gestaltet und weisen eine zylindrische Gruppenanordnung aus relativ
zueinander nicht bewegungsfähigen, unter Druck aufbrechbaren, nichtbröckeiigen Kapseln
auf, die mindestens einen Teil des härtbaren Mehrkomponenten-Polymerisatsystems
enthalten. Die zylindrische Gruppenanordnung kann einen Querschnittsdurchmesser
von etwa 5 mm bis etwa 1o cm aufweisen und allgemein etwa gleich dem oder geringfügig
kleiner als der Durchmesser der Löcher sein, in das sie eingesetzt wird. Obgleich
die Gestalt der Kapseln nicht kritisch ist (bspw. sphärisch, langgestreckt usw.),
müssen ihre Hauptabmessungen im Bereich von 4,75 mm und vorzugsweise mindestens
8 mm (noch besser mindestens Io mm) bis zu etwa 95 % des Querschnittsdurchmessers
der Zylinderanordnung liegen, d.h. gewöhnlich bis zu etwa 20 mm in der Hauptabmessung.
Wegen dieser Größe werden solche Kapseln auch als 11Makrokapseln" bezeichnet. Wenn
mit zunehmenden Druck beaufschlagt, müssen die Kapseln brechen, wobei der Wandungsteil
sich zu flocken- bzw. schuppenartigen Fragmenten aufteiIt.
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Da die Malcrokapseln nach der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig
groß sind, lassen sie sich unter Druck leichter aufbrechen, sind weniger beweglich
in flüssigen Medien, lassen sich leicht aus einer Vielzahl von Substanzen herstellen;
außerdem läßt sich im allgemeinen ihre Wanddicke leichter kontrollieren.
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Obgleich jedoch größere Kapseln ifVergleich zu kleineren Mikrokapseln
anfänglich einn geringeren Dispersionsgrad der verschiedenen Komponenten in dem
härtbaren Polymerisatsystem aufweisen, hat sich herausgestellt, daß die Verwendung
verhältnismäßig großer Kapseln, die unter Druck sich zu flocken- bzw.
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schuppenartigen Fragmenten, nicht wie bei bröckeligen Werkstoffen
zu einem Pulver aufteilen, ihren geringeren anfänglichen Dispersionsgrad wieder
wettmacht. Dies wird der Wirkung der schuppenartigen Fragmente zugeschrieben, die
mindestens vorübergehend als statische Mischer wirken und eine Turbulenz in den
aus den zerbrochenen Makrokapseln freigesetzten härtbaren Komponenten und dadurch
ein verbessertes Durchmischen dieser Komponenten bewirken, wenn ein Bolzen oder
eine Stange die zylindrische Makrokapseln-Anordnung im Bohrloch durchdringt.
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Dieses Durchmischen ist in der Tat so gründlich, daß ein zusätzliches
Drehen des Bolzens bzw. der Stange unnötig wird.
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Die Fig. 1 zeigt als Seitenriß eine Patrone ohne Behälter mit an den
Berührungsstellen miteinander verbundenen Makrokapseln; Fig. 2 ist ein teilgeschnittener
Seitenriß einer Patrone mit Makrokapseln in einem Behälter,
In
der Patrone nach der vorliegenden Erfindung weist die zylin- -drische Anordnung
aus Makrokapseln einen allgemein kreisrunden Querschnitt, um sich der normalen Querschnittsgestalt
eines Bohrerlochs anzupassen. Die Kanten können jedoch mit Nuten, Zackungen oder
dergl. versehen sein, wenn man die Größe des Ringraumes zwischen der Patrone und
dem Bohrloch variieren, aber gleichzeitig einen gewissen Kontakt der Patrone bzw.
eine gewisse Nähe der Patrone zu den Wandungen des Bohrlochs beibehalten will, bspw.
um die Patrone im Bohrloch in die Sollage zu bringen oder in ihm zu zentrieren.
Das Ende der zylindrischen Anordnung braucht nicht fach zu sein; in einigen Fällen
kann ein konisches oder abgerundetes Ende es erleichtern, die Patrone in das Bohrloch
einzusetzen. Innerhalb der Patrone sind die Makrokapseln vorzugsweise in einer festen
dreidimensionalen Anordnung entweder getrennt oder geschichtet, aber vorzugsweise
gleichmäßig zu einer allgemein zylindrischen Anordnung verteilt. Die Makrokapseln
sind daher räumlich beschränkt und können sich bestenfalls geringfügig gegeneinander
bewegen. Indem man die Makrokapseln bspw. miteinander verklebt, kann die Gruppenanordnung
selbsttragend ausgeführt werden, wie in Fig. 1 gezeigt. Alternativ - vergl. Fig.
2 - kann man sie in einen Behälter einsetzen, der unter Druck aufbricht - bspw.
einen offenmaschigen Schlauch aus bröckeligem Material, wie in der US-PS 3 699 687
gezeigt, eine Papierhülse oder ein Glasröhrchen. Ein starrer, flüssigkeitsdurchlässiger
Behälter, der unter Druck nicht leicht bricht (bspw. ein zylindrisches Metallgitter)
kann verwendet werden, wenn die Stange, mit der
die Makrokapseln
zerbrochen werden sollen, einen kleineren Querschnitt als der Behälter und vorzugsweise
einer gerundete oder konische Nase hat, so daß sie in den Behälter eindringen kann.
Ein unter Druck aufreißbarer Behälter;,, der flüssigkeitsundurchlässig ist Cbspw.
ein verschlossenes Glasröhrchen) ist besonders geeignet, wenn eine oder mehrere
fließfähige Komponenten des härtbaren Systems nicht in den Makrokapseln selbst untergebracht
sind. Für die meisten Anwendungsfälle - bspw. die Verstärkung von Stollendecken
in Bergwerken, das Verfestigen von Felsgestein und das Verankern von Stangen oder
Bolzen in massiven Strukturen - liegt der Querschnittsdurchmesser dieser zylindrischen
Gruppenanordnungen und normalerweise auch der angenäherte Querschnittsdurchmesser
der Patrone im Bereich von etwa 8 mm bis lo cm, vorzugsweise von 1o mm bis 50 mm.
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Die Wände der Makrokapseln müssen für die Komponente des härtbaren
Systems, die sie aufnehmen sollen, undurchdringlich sein.
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Ist das Wandmaterial selbst nicht undurchdringlich, kann es mit einer
undurchlässigen Beschichtung (bspw. Wachs, Lack oder dergl.) versehen werden. Weiterhin
ist wesentlich, daß ein solches Wandungsmaterial nicht bröckelig ist, da bröckelige
Substanzen unter Druck unmittelbar zu einem Pulver zerfallen; ein Pulver wirkt jedoch
nicht als statischer Mischer für die verschiedenen Komponenten des härtbaren Systems.
Weiterhin muß das Wandungsmaterial unter Druck brechen, um mindestens anfänglich
schuppenartige Fragmente, d.h. Fragmente einer Form zu bilden, die, wenn auf eine
Ebene zu einer Fläche maximaler
Größe projiziert, eine Fläche ergeben,
die sich in ein Rechteck mit den Abmessungen X, Y einschreiben läßt, bei dem X mindestens
das Vierfache der mittleren Fragmentdicke und Y mindestens das Vierfache der mittleren
Fragmentdicke ist, während vorzugsweise Y mindestens das Zehnfache der mittleren
Dicke ist und die mittlere Dicke mindestens loo /Um beträgt. Diese anfänglichen
Fragmente können weiter unter anhaltendem Druck in kleinere Teile zerbrochen werden,
die schließlich nicht mehr schuppenartig sind. Diese schuppenartigen Fragmente wirken
anscheinend unmittelbar nach ihrer Bildung als statische Mischer, während der Inhalt
der Makrokapseln freigesetzt wird und sich mit dem Inhalt der umgebenden Makrokapseln
vermischt. Beispielhaft für brauchbare Makrokapseln sind zweiteilige Gelatinekapseln
der für pharmazeutische Präparate verwendeten Art; organische und anorganische Makrokapseln
der in der DE-OS 26 o3 534 tentspricht der US-Patentanmeldung 544.965 vom 29. 1.
1975) beschriebenen Art, Hohlstrukturen der in der US-PS 3 864 443 beschriebenen
Art sowie gebrannte Tonkissen der in der US-Patentanmeldung 761.265 vom 21. 1. 1977
offenbarten Art, auf die hier Bezug genommen ist. Die Eignung einer Makrokapsel
läßt sich leicht bestimmen, indem man eine einzelne Kapsel mit Druck und/oder Stößen
behandelt und die Gestalt der Fragmente auf schuppenähnliche Form untersucht. Makrokapselwände
aus Substanzen wie Polyäthylenpolyamid (bspw. Nylon), Polyäthylen und Elastomeren
bilden derartige gewünschte schuppenartige Fragmente nicht aus und sind daher für
die vorliegende Erfindung ungeeignet.
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Jedes härtbare organische Mehrkomponenten-Harzsystem, bei dem die
Hauptkomponenten flüssig sind und das zu einem harten Harz härtet, läßt sich in
der Patrone und in den Makrokapseln nach der vorliegenden Erfindung einsetzen. Obgleich
unter Umwelibedingungen härtbare Systeme sehr bevorzugt sind, kann es in eini gen
Anwendungsfällen möglich sein, der Mischung Wärme zuzuführen, indem man bspw. die
Stange oder den Ankerbolzen vor dem Ein setzen erwärmt. Härtbare Systeme, die beim
Härten ein Gas abgeben, bilden ein Schaumharz; der vom Gas erzeugte Druck ist vorteilhaft,
da er das Durchmischen der Komponenten fördert und die harzbildende Mischung in
die Risse in den Wandungen der umgebenden massiven Struktur-eindrückt. In vielen
Anwendungsfällen sind daher schäumende härtbare Systeme besonders erwünscht -bspw.
beim Verstärken von Stollendecken in Bergwerken. Epoxyharzsysteme sind im Untersuchungsbericht
Nr. 5439 (E.R. Maize und R. H. Oitto, Jr., 1959) und Nr. 7907 (R. V. Subramanian,
H. Austin, R. A. V. Raff und J. C. Franklin; 1973) beschrieben, wobei ersterer auch
Polyesterharze einschließt. Polyurethane, Melamin- oder Harnstoff-Formaldehyd-Systeme
sind ebenfalls sehr brauchbar - vergl. die US-PS 3 698 196 sowie Glückauf 108, S.
582-4 (Alfons Jankowski). Flüssige härtbare Systeme, bei denen sämtliche Reaktionsteilnehmer
unter Umweltbedingungen flüssig sind, sind bevorzugt, da sie sich leichter mischen
lassen und als Harz besser in die umgebende massive Struktur eindringen, Wasserhärtbare
Systeme haben den Vorteil des Härtens in mit Wasser benetzten Strukturen, bspw.
Felsformationen in Bergwerken. Nicht jeder Teil des härtbaren Mehrkomponentensystems
braucht
jedoch in den Makrokapseln untergebracht zu sein; einige Teile kann man am Härtungsort
vor dem Einführen der Patrone in das Bohrloch hinzufügen. Nicht verkapselte flüssige
Komponenten können, wie zuvor erwähnt, in der Patrone aufbewahrt werden, wenn man
einen für Flüssigkeiten undurchdringlichen aufbrechbaren Behälter einsetzt.
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Die Patronen werden mrmalerweise in einem Bohrloch verwendet, das
im Durchmesser geringfügig größer ist als die Patrone, um sie leichter einsetzen
zu können. Die Stange bzw. der Bolzen, mit dem man die Makrokapseln in der Patrone
zerbricht, wird ebenfalls mit einem Durchmesser gewählt, der geringfügig kleinerist
als der des Bohrlochs; sie bzw. er kann eine abgerundete oder konische Spitze haben.
Wenn die umgebende Struktur verhältnismäßig porös ist oder Risse enthält, kann es
erwünscht sein, eine Stange mit einem Durchmesser zu verwenden, der dem des Bohrlochs
sehr nahekommt, damit bei Einführen der Stange der Druck auf einen Maximum steigt
und auf diese Weise das härtende Polymerisatsystem in die Poren oder Risse eingedrückt
wird. Ein größerer Unterschied zwischen dem Lochdurchmesser und dem Stangendurchmesser
erleichtert jedoch das Einführen der Stange und erlaubt einer größeren Menge des
härtenden Polymerisatsystems, in den Ringraum zwischen Stange und Lochinnenwand
zu fließen, so daß die Stange wirkungsvoller im Loch verankert wird. Nach dem Einsetzen
der Patrone bzw. einer VieÇ zahl einzelner Patronen in das Loch führt die Bedienungsperson
die Stange bzw. den Bolzen ein, bis er bzw. sie auf die Patrone oder Makrokapseln
am Ende des Lochs ausstößt . Dann
drückt sie den Bolzen bzw. die
Stange in die Patrone oder die Makrokapseln von Hand oder mit einem Hammer oder
einer Maschine ein, was von der Kraft abhängt, die zum Aufbrechen der Makrokapseln
erforderlich ist,dabei braucht die Stange oder der Bolzen nicht gedreht zu werden1
um die Reaktionsteilnehmer des härtbaren Polymerisatsystems zu vermischen. Man kann
jedoch in gewissem Ausmaß drehen, um die Patrone aufzulösen oder die Stange leichter
in das Bohrloch einsetzen zu können. Nach dem Einführen läßt man das durchmischte
System ohne weiteres Drehen der Stange aushärten.
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Obgleich der Mechanismus der Fragmentierung der Makrokapseln noch
nicht vollständig durchschaut ist, wird vermutet, daß der anfängliche Effekt des
Eindringens der Stange in die Patrone oder die einzelnen Makrokapseln der ist, daß
die Makrokapseln im Bereich unmittelbar an der Stangenspitze unter dem Druck selektiv
aufbrechen und sich zerteilen, so daß aus den Makrokapseln eine Vielzahl schuppenartiger
Fragmente entsteht, die eine Turbulenz und das Durchmischen der verschiedenen Teile
des flüssigen härtbaren Polymerisatsystems in dieser Zone fördern.
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Während die Stange weiter eindringt, wird das durchmischte härtende
System in die umgebende poröse Struktur des Lochs und/ oder den Ringraum zwischen
der Stange und die Lochwandung gedrückt. Dieser Vorgang wiederholt sich, während
die Stange fortschreitend in die Patrone bzw. die einzelnen Makrokapseln eindringt,
bis ihre weiteres Eindringen vom Ende des Bohrlochs, wo verdichtete Makrokapselfragmente
sich ansammeln, und/oder durch das fortschreitende Aushärten des Polymerisats zu
einem
massiven Feststoff aufgehalten wird. Unabhängig von der Dynamik
der Fragmentierung der Mikrokapseln und des Mischens der här-tbaren Komponente ist
Jedoch wesentlich, daß die Fragmentierung der Makrokapseln am Ort selbst schuppenartige
Fragmente, nicht aber Pulverteilchen erzeugt, so daß das Durchmischen erleichtert
wird Die vorliegende Erfindung ist nicht nur zum Verankern von Stangen oder Bolzen
in massiven Strukturen wertvoll, sondern auch zum Abdichten oder Verstärken umgebender
massiver Strukturen.
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SolI nur versiegelt oder verstärkt werden, kann man die Stange aus
dem Loch herausziehens bevor das Harz ausgehärtet ist.
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Beispiel 1 Makrokugeln aus Phenolharz-Hohlglas-Kügelchen, die nach
den Angaben im Beispiel 22 der DE-OS 26 o3 534 mit einem Nenndurchmesser von 4,8
mm hergestellt worden waren, wurden mit folgenden Substanzen gefüllt: komponente
A Gewichts teile Polyäthertriol mit einem Molekulargewicht von etwa 7ovo, Hydroxyläquivanlent
240, Viskosität ca. 300 cP bei 250C ('Niax LHT 240' der Fa. Union Carbide Corp.)
36,7 25 gew.-%ige Kaliumacetatlösung in Diäthylenglycol 1 N,N-Dimethylcyclohexylamin
0,76
Das Füllen erfolgte, indem die Makrokugeln in einen Kolben
gegeben und mit der Mischung der Komponente A vollständig bedeckt wurden; dann wurde
der Kolben unter Unterdruck gesetzt, um die Luft aus den Hohlkugeln auszusiehen,
dann der Unterdruck abgenommen, damit die Mischung der Komponente A die Makrokugeln
füllen konnte.
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Die Makrokugeln wurden dann in an 140 mm tiefes Loch mit einem Durchmesser
von 25 mm in einem Betonblock zu etwa einem Drittel des Lochvolumens eingegossen
und in das Loch dann eine zweite Mischung (Komponente B) folgender Zusammensetzung
eingefüllt: Komponente B Gewichtsteile Polymethylenpolyphenylisocyanat NCO-Äquivalentgewicht
132, NCO % .= 31,5 %, etwa trifunktionell in den NCO-Gruppen ('Mondur MRS' der Fa.
Mobay Chemical Com.) 23,3 Oberflächenaktives Siliconmittel t'Surfadant L 540' der
Fa. Union Carbide Corporation) o,1 Das Verhältnis der Komponente A zur Komponente
B betrug 16,7 Gew.-Teile zu 23,4 Gew.-Teilen. Die Komponenten A und B sind flüssige
Reaktionsmittel, die beim Mischen zu einem festen Produkt bzw., falls Wasser in
Spuren anwesend ist, zu einem starren Schaum reagieren. Die Schaummenge ist proportional
der anwesenden Wassermenge.
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Eine Stange mit 19 mm Durchmesser wurde dann ohne Drehen in das Loch
durch die Makrokapseln und die flüssige Mischung der Komponente B eingeschoben Dabei
wurden die Makrokapseln von der
Stange zerbrochen, so daß ihr Inhalt
freigesetzt wurde, und die Reaktionsteilnehmer zusammen mit einigen der schuppenartigen
Fragmente der Makrokapselwandungen wurden in den Ringraum zwischen der Stange und
der Lochinnenwand gezwungen. Innerhalb fünf Minuten hatte die Reaktion stattgefunden
und war der Ringraum mit Schaum ausgefüllt. Nach beendeter Reaktion wurde der Betonblock
aufgeschnitten, um das Schaumharz offenzulegen; dabei zeigte sich ein im wesentlichen
homogener Schaum mit in ihm verteilten schuppenartigen Mikrokapsel-Wandfragmenten,
wobei diese Fragmente sich am Lochboden häuften. Ein ausreichendes Durchmischen
der Reaktionsteilnehmer hatte auch ohne Drehen der Stange stattgefunden, da die
Wandfragmente als Mischer wirk ten.
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Beispiel 2 Es wurden drei Durchläufe mit transparenten Polymethylmethacrylatrohren
(300 mm lang, 25 mm Durchmesser) durchgeführt, um den; von den Makrokapselfragmenten
beim Eindringen der Stange in die Makrokapselanordnung verursachten Mischvorgang
zu beobachten.
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Makrokapseln der im Bsp. 1 beschriebenen Art, aber mit Durchmessern
im Bereich von 3,2 bis 9,5 mm, wurden auf die gleiche Weise gefüllt, wie im Bsp.
1 beschrieben. Einige der Makrokapseln wurden mit Komponente A des Bsp. 1, andere
mit der Komponente B des Bsp. 1 gefüllt.
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31 g der mit der Komponente B gefüllten Makrokapseln wurden vorsichtig
mit 21 g der mit der Komponente A gefüllten Makrokapseln vermischt und die Mischundann
in eines der tansparenten
Rohre zu etwa 220 mm der Rohrhöhe eingefüllt.
Dann wurden ein Eisenstab von 610 mm Länge und 19 mm Durchmesser ohne Drehen abwärts
durch die Makrokapseln gestoßen, bis er die Ansammlung von Makrokapselfragmenten
am Rohrboden erreicht hatte.
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Nach einer Minute hatte sich ein Schaum gebildet und begann, im Rohr
anzusteigen. Das verstärkte Durchmischen der schneller fließenden flüssigen Reaktionsteilnehmer
infolge der sich langsamer bewegenden Makrokapselwandfragmente ließ sich visuell
feststellen. Nach zwei Minuten stieg der Schaum über den Rand des Rohrs; nach sieben
Minuten zeigte die Härte des Schaums, daß die Reaktion abgelaufen war.
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In ein zweites transparentes Rohr wurden mit der Komponente A gefüllte
Makrokapseln gefüllt und dann die flüssige Komponente B auf die Makrokapseln aufgegossen.
Beim Einführen des Eisenstabs ohne Drehen wurden entsprechende Vorgänge beobachtet,
wobei die Dichte des Schaums hier höher als im ersten Versuch war.
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In ein drittes transparentes Rohr wurden mit der Komponente B gefüllte
Makrokapseln gefüllt und die flüssige Komponente A über sie gegossen. Nach dem Einsetzen
des Eisenstabs ohne Drehen ergaben sich Ergebnisse entsprechend den im zweiten Versuch
in einem transparenten Rohr beobachteten.
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Beispiel 3 Trockenes Tonpulver ('M&D Ball Clay' der Fa. Kentucky-Tennessee
Clay Co.) wurde mit portionsweise zugegebenem Wasser vermischt,
bis
es ausreichend plastisch war, um zu einem Rohr ausgepret werden zu können. Das ausgepreßte
Rohr wurde zu "Kissen" aufgeteilt, indem das Rohr in den gewünschten Abständen mit
einem Zahnschneidrad abgequetscht wurde. Die Enden der resultierenden Kissen wurden
abgeflacht und verschlossen, so daß im KissenmanteA ein Hohlraum verblieb. Dann
wurden diese Kissen gewogen, an der Luft und schließlich im Ofen bei lo C für 5
bis 1o min getrocknet, danach in einem kleinen Elektroofen gebrannt, der mit einem
Thermoelement und einem Galvanometer versehen eine direkte Bestimmung der Temperatur
im Ofen gestattet. Die Kissen wurden etwa 2 Std. bei lloo°C gebrannt, danach der
Ofen abgeschaltet. Nach dem Abkühlen im Ofen über Nacht hatten die Kissen einen
wasserundurchlässigen Mantel von etwa 9,5 mm Durchmesser und 19 mm Länge bei einer
Wanddicke von o,38 mm.
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Derartige Tonkissen sind in der US-Patentanmeldung 761.265 beschrieben,
auf die hier Bezug genommen wird.
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Zum Füllen wurde eine Ecke jedes Kissens abgebrochen. Ein Teil der
Kissen wurde mit der Komponente A (Epon 815" der Fa. Shelli Chemical Co.) gefüllt,
bei der es ich um eine Mischung aus 89 Gew.-Teilen Diglycidyläther von Bisphenol
A und 11 Gewichtsteilen Butylglycidylither mit einem Epoxyäquivalentgewicht von
175 - 195 und einer Viskosität von 500 bis 700 cP bei 250C handelte. Ein zweiter
Teil der Kissen wurde mit der Komponente B gefüllt, die aus 1 Gew.-Teil des im Bsp.
1 benutzten Polyäthertriols ('Niax LFiT 24o') und 1 Gew.-Teil Diäthylentriamin mit
einer Viskosität von 34 cP bei 250C bestand.
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113 g der mit der Komponente A gefüllten Kissen (enthaltend insgesamt
58 g der Komponente Ar wurden dannsorgfãltig mit 25 g der mit der Komponente B gefüllten
Kissen (enthaltend insgesamt 11,6 g der Komponente B> vermischt und schließlich
94 g der Mischung in ein transparentes Kunststoffrohr C25,4 mm Durchmesser und 305
mm-Länge} gegossen. Ein Eisenstab mit einem Durchmesser von 19 mm wurde zu einer
Tiefe von 178 mm eingeführt und dann ohne Drehen in die Kissenmischung eingehämmert.
Nach einer Stunde war die exotherme Reaktion beendet; das gehärtete Epoxyharz war
transparent und enthielt durchweg schuppenartige Kissenfragmente, wobei sich am
Boden des Rohrs eine Ansammlung solcher Fragmente gebildet hatte; die Reaktionsteilnehmer
waren also gut durchmischt worden.
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Die Viskosität der Epoxyharz-Reaktionsteilnehmer ist im allgemeinen
höher als die des Isocyanatsystems. Bei höherviskosen härtbaren Harzen kann es erwünscht
sein, Verdünnungsmittel zuzugeben, um die Viskosität zu senken und damit das Durchmischen
zu verbessern.
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Beispiel 4 Dieses Beispiel erläutert die Verwendung normaler handelsüblicher
Gelatinekapseln, wie sie in der Pharmaindustrie eingesetzt werden (Gelatinekapseln
Nr. 2, 17,5 mm lang, Wanddicke o,1 mm, Durchmesser 6 mm; Produkt der Fa. Eli Lilly).
Die Mischung der Komponente A enthielt folgende Mittel:
Gewichtsteile
Komponente A Bisphenyl-A-Glycidylmethacrylat 50 Triäthylenglycoldimethacrylat 50
N,N-2-dihydroxyäthylparatoluidin 2,4 Komponente B Bisphenol-A-Glycidylmethacrylat
50 Triäthylenglycoldimethacrylat 50 Benzoylperoxid 1,1 butylierter Hydroxytoluol-Stabilisator
500 ppm Dieses Reaktionssystem beruht auf einem freiradikalisch initiierten Vinylpolymerisationsmechanismus.
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Die beiden Hälften jeder Gelatinekapsel wurden getrennt und dann die
Füllung in die Hälfte mit dem kleineren Durchmesser gefüllt. Ein Teil der Gelatinekapseln
wurde mit der Mischung der Komponente A, der andere mit der der Komponente B gefüllt.
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Etwa 37 g jeder Komponente füllte dabei 95 Kapseln. Die größere Hälfte
jeder Kapsel wurde auf die gefüllte kleinere Hälfte aufgesetzt; es wurden keine
speziellen Maßnahmen getroffen, um die beiden Hälften dicht miteinander zu verbinden.
95 mit der Komponente A gefüllte Kapseln wurden mit 95 mit der Komponente B gefüllten
Kapseln vermischt und die resultierende Mischung in ein transparentes Kunststoffrohr
mit einem Durchmesse von 25-mm und einer Länge von 310 mm gefüllt. Die Kapselmischung
wurde aktiviert,indem ein Eisenstab von 19 mm Durchmesser ohne Drehen eingeführt
wurde; praktisch alle Gelatinekapseln
brachen dabei zu schuppenartigen
Kapselfragmenten auf.
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Nach etwa 5 Minuten war die exotherme Reaktion beendet; es ergab schein
hartes klares Harz, das den Stab fest mit dem klaren Kunststoffrohr verband.
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Beispiel 5 Dieses Beispiel erläutert eine starre Verschlußpatrone,
bei der sich die Makrokapseln in einem Behälter befinden.
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Makrokugeln der im Bsp. 1 beschriebenen Art (etwa 7,9 mm Durchmesser)
wurden mit den im Beispiel 1 beschriebenen Komponenten A und B und nach den dort
erläuterten Verfahrensweisen gefüllt, wobei jedoch zuvor ein kleines Loch in jede
Makrokugel eingebracht wurde, um das Füllen und nachfolgende Verschließen der Makrokugeln
zu erleichtern. Die mit der Komponente A gefüllten Kapseln wurden in eine Lösung
der Komponente B getaucht, um die Einfüllöcher zu verschließen; entsprechend wurden
die mit der Komponente B gefüllten Kapseln in eine Lösung der Komponente A getaucht.
Eine Mischung der mit der Komponente A und der mit der Komponente B gefüllten Makrokapseln
gleiche Mengenanteile wie im Bsp. 1) wurde dicht in eine Papierhülse gepackt (Papierdicke
o,7 mm, etwas weniger als 25 mm Durchmesser , 630 mm Hülsenlänge).
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Tonkissen der im Bsp. 3 beschriebenen Art (aber mit jeweils einem
Loch von o,125 mm an einem Ende und jeweils 19 mm Länge und 7,9 mm Durchmesser)
wurden mit der Komponente A und der Komponente B gefüllt, wie oben beschrieben,
und zwar unter Ein-
-setzen des oben beschriebenen Füll- und Verschließverfahrens.
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Eine Mischung der mit der Komponente A und der mit der Komponente
B gefüllten Kissen wurde, wie oben, dicht in eine Fapierhülse gestopft, um eine
zylindrische Anordnung der-Ki-ssen herzustellen; dann wurden die Enden der Papierhülse
mit Klebeband verschlossen.
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Drei Hülsen jeder Art, d.h. Makrokugeln und Tonkissen, wurden in 1220
mm tiefe Bohrlöcher mit 25 mm Durchmesser in der Stollendecke eines im Betrieb befindlichen
Kupferbergwerks eingesetzt. Bei einer Temperatur von 12 - 130C diente eine Joy-Bolzensetzmaschine
dazu, Standard-Deckenbolzen (19 mm Durchmesser, 1200 mm Länger in die Bohrlöcher
einzusetzen und durch die Hülsen zu schieben, so daß die Makrokapseln und die Kissen
aufbrachen und die Reaktion einleiteten. Bei keiner der Proben zeigte sich aus den
Löchern laufendes nichtumgesetztes Harz.
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Nach etwa einer Woche wurde auf die Bolzen mit einer Standard-Bolzenziehvorrichtung
Zug aufgebracht. Selbst bei einer Zugkraft von 11 Tonnen bogen die Bolzen sich 2,5
bis 5 mm durch, lösten sich jedoch nicht, was eine gute Bindung der Bolzen an das
Felsgatein beweist.
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Beispiel 6 Dieses Beispiel erläutert eine starre Verschlußpatrone
ohne Behälter, bei der die Kapseln miteinander -I zu einer starren Anordnung verbunden
sind. Tonkissen der im Bsp. 5 beschriebenen Art mit einem Durchmesser von 8 mm und
einer Länge von 19 mm und einer Wanddicke von'o,5 mm wurden mit der Komponente A
oder
der Komponente B gefüllt.
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Gewichtsteile Komponente A Polyäthertriol der Kom. A im Bsp. 1 367
25 gew.-%ige Lösung von Kaliumacetat in Diäthylenglycol 20 N,N-Dimethylcyclohexylamin
7,6 Die Komponente B war das Polymethylenpolyphenylisocyanat der Komponente B im
Bsp. 1. Die Kissen wurden teils mit der Komponente A, teils mit der Komponente B
unter Verwendung des Unterdruckverfahrens im Bsp. 1 gefüllt. Nachdem jede Kissensorte
mit der zugehörigen Mischung gefüllt' war, wurden die Kissen dicht verschlossen,
indem sie in die andere flüssige Komponente getaucht wurden, um eine dünne Schicht
über dem einzelnen Kissen auszubilden, wie in Fig. 5 beschrieben.
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Zwei Gewichtsteile der mit der Komponente A gefüllten Kissen wurden
sorgfältig (um Bruch zu vermeiden) mit drei Gewichtsteilen der mit der Komponente
B gefüllten Kissen gemischt, dann die Kissenmischung in einen vorgeformten Schlauch
aus o,1 mm dicken Polyäthylen (24 mm Durchmesser, 300 mm Länge) gegossen und der
gefüllte Schlauch in ein starrwandiges ROhr mit 25 mm Durchmesser eingefüllt, um
einen kreisrunden Querschnitt und eine gradlinige Achse beizubehalten. Ein Bindemittel
wurde durch den Polyäthylenschlauch gegossen, überzog dabei jedes Kissen und lief
schließlich aus dem Schlauch unten ab. Das
Bindemittel war eine
härtbare 2-Komponentenmischung folgender Zusammensetzung: Gewichtsteile Komponente
1 "Epon 815" Cvergl. Bsp. 3) 9o Phenylglycidyläther lo Komponente 2 Diäthylentriamin
lo Die abgelaufene Anordnung wurde 16 Std. bei 250C gehärtet, danach das starre
Formrohr abgenommen und die Polyäthylenfolie abgezogen. Durch das die Kissen ohne
Ausfüllen der Hohlräume zwischen ihnen zusammenhaltende Bindemittel war eine vollständig
selbsttragende zylindrische Anordnung aus Kissen mit einem Durchmesser von 24 mm
und einer Länge von 300 mm entstanden.
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Ein 200 mm langer Abschnitt dieser zylindrischen Anordnung wurde in
ein 200 mm tiefes Loch von 25 mm Durchmesser in einem Betonblock eingesetzt, dann
ein Eisenstab von 19 mm Durchmesser ohne Drehen in das Loch eingedrückt und den
letzten Teil der Bewegungslänge mit dem Hammer eingeschlagen. Innerhalb einer Minute
nach dem Einsetzen des Stabes erschien Schaum im Ringraum, was auf ein ausreichendes
Durchmischen und die Reaktion hinwies. Nach fünf Minuten war der Schaum hart; die
Reaktion war also abgeschlossen.
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Beispiel 7 Dieses Beispiel zeigt das Durchmischen, das man mit größeren
Makrokugeln erhält.
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Phenol-Makrokugeln der im Bsp. 1 beschriebenen Art, aber mit einem
Durchmesser von 12,7 + o,25 mm wurde zu zwei Gruppen aufgeteilt. Die Makrokugeln
der ersten Gruppe wurden mit einem Loch versehen und mit einer Injektionsspritze
mit einem fluoren zierenden Farbstoff (Rhodamin B) in Wasser gefüllt; die Makrokugeln
der zweiten Gruppe wurden auf die gleiche Weise mit Glycerol gefüllt. Insgesamt
24 Makrokugeln wurden dann in ein 305 mm langes Glasrohr mit einem Innendurchmesser
von 13,5 mm gefüllt, wobei beim Füllen abwechselnd Makrokugeln aus den beiden Gruppen
genommen wurden.
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Dann wurde ein Stahlstab mit 9,5 mm Durchmesser (der zum Armieren
von Zement verwendeten Art) in das Glasrohr und ohne Drehen durch die Kapseln gestoßen,
so daß die Kapseln aufbrachen. Eine Serie von Photographien zeigte ein gleichförmiges
Durchmischen der Farbstofflösung und des Glycerols. Füllt man die Makrokapseln anstelle
des Farbstoffs und des Glycerols mit zwei härtbaren Harzkomponenten, erhält man
ein gleich wirkungsvolles Durchmischen und ein Härten der Komponenten.