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Als Bindemittel geeignete Zusammensetzungen.
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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Bindeiiiittel-Zusaniniensetzung
von der Art, die bei der Bildung von Isolierbeschichtungen mit Wasser- und insbesondere
Salzwasser-, dl-und Abriebs- bzw. Abnutzungs-beständigen Eigenschaften Verwendung
findet. Ein Beispiel der Verwendung solcher Beschichtungen ist das Versiegeln von
Betonarbeiten oder Metallkonstruktionen, insbesondere von orthotropischen Platten.
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Die Probleme, die mit der Bildung solcher Beschichtungen verbunden
sind, sind dem Fachmann bekannt. Bis jetzt ist keine zufriedenstellende Lösuny im
Hinblick sowohl auf die Isolierbeschichtungen als auch deren Abnutzungseigenschaften
gefunden worden. Bekannte Lösungen im Falle des Versiegelns von Stahl und Beton
können in zwei Gruppen unterteilt werden.
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Die eine Gruppe besteht in der Verwendung von Adhäsionsisolierbeschichtungen,
die allgemein hitzehärtbare Epoxyharze umfassen, und diese zweite Gruppe verwendet
nicht-haftende, sogenannte "unabhängige" Isolierbeschichtungen, die allgemein Asphalt
oder Bitumenmaterialen umfassen. Beide Arten von Isolierbeschichtungen werden oft
mit einer bitumenartigen oberen Betonschicht versehen, die als Abriebsschutzlage
dient.
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Beide der erwähnten Gruppen von Isolierbeschichtungen besitzen ihre
besonderen Nachteile, z. B.: Materialwanderung der bitumenartigen Beschichtung über
der Isolierbeschichtung (insbes.
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bei Isolierbeschichtungen, die eine Epoxy-Schicht umfassen, die an
der beschichteten Struktur haftet); Deformierung der Isolierschicht unter.Belastung
(bei Verwendung unabhängiger Asphaltschichten, die nicht an der beschichteten Struktur
haften); Bildung von Blasen zwischen der Isolierbeschichtung und der gegen Abnutzung
schützenden Lage (dies tritt häufig bei Asphalt-Isolierbeschichtungen auf) sowie
das Rissigwerden der Isolierbeschichtung, insbesondere bei niedrigen Temperaturen.
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Dieser letzte Nachteil ist bei beiden Gruppen von Isolierbeschichtungen
häufig, da sie bei niedrigen Temperaturen sehr starr werden und, im Falle von Asphalt,
wo die Unabhängigkeit der Asphaltschicht von dem Bauteil mehr theoretisch als tatsächlich
vorhanden ist, die Reibungskräfte häufig die Reiß-
festigkeit der
Asphaltschicht übersteigen. In letzterem Falle ist der Verlust der Isolierkapazität
besonders schwerwiegend. Zum Beispiel kann Wasser unter die Isolierbeschichtung
eindringen und alle Risse im Bauteil erreichen.
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Bei Isolierbeschichtungen, die eine Schicht Epoxyharz umfassen, kann
der Unterschied im Ausmaß der Dehnung zwischen der zu starren Harzschi cht und der
schwächeren Zementschicht ein Abstreifen und Reißen der letzteren verursachen.
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Schließlich sind bituminöse Beschichtungen oft unbefriedigend.
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Sind diese Beschichtungen kompakt, neigen sie unter lokaler Belastung
zur Deformierung; sind sie weniger kompakt, könnte Wasser eindringen, das sich zwischen
der Isolierbeschichtung und der Abriebsschuzlage sammelt und so die Zerstörung der
letzteren Schicht verursacht.
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In der britischen PS 1 418 493 ist eine Isolierbeschichtung beschrieben
worden, die Kunststoffschichten mit einer Glasfaserverstärkung auf beiden Oberflächen
und außen eine biumenartige Schicht umfaßt. In der französischen PS 2 321 013 ist
eine elastische Platte beschrieben worden, die auf beiden Seiten mit einem nicht-gewebten
Material verstärkt ist und die mithilfe eines bitumen- oder teerartigen Bindemittels
an den zu beschichtenden Bauteilen haftet. Diese beiden Arten von Isolierbeschichtungen
weisen zwei Hauptnachteile auf: Der erste liegt in der Schwierigkeit des Befestiyens
der Materiallagen, insbesondere über bogenförmige Strukturen wie z. B. Brücken.
Der zweite liegt in der Schwierigkeit, Haftfähigkeit entlang der Rundungen an den
Rändern der zu beschichtenden Strukturen zu erreichen.
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In der britischen PS 1 509 108 ist eine Isolierbeschichtung beschrieben
worden, die zur Verwendung als abnutzungsfeste Oberfläche für "All-Wetter"-Sportböden
bestimmt ist. Man erhält die Beschichtunge durch Mischen eines Bindemittels mit
einem federnden Material, wobei das Bindemittel unmittelbar vor Gebrauch hergestellt
wird aus (A) einem Vorpolymeren aus Polyurethan mit mindestens zwei Isocyanat-Endgruppen,
die jeweils durch ein Phenol "blockiert (blocked"j sind und
(B)
einem flüssigen Polyamin.
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Es wurde nun eine neue Bindemittelzusammensetzung geschaffen, die
zur Verwendung als Isolierbeschichtung oder als Bestandteil von dieser geeignet
ist. Die Zusammensetzung umfaßt das Reaktionsprodukt einer ersten Komponente, die
aus einem flüssig gen Epoxyharz und einem blockierten Polyisocyanat-Vorpolymer besteht,
sowie eine zweite Komponente, die ein aliphatisches oder cycloaliphatisches Polyamin
umfaßt. Die Komponenten können separat formuliert und zum Zeitpunkt des Gebrachs
gemischt werden.
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Eine erfindungsgemäße Isolierbeschichtung kann auch aus einer gehärteten,
wie oben definierten Bindemi ttelzusammensetzung oder einem Grundgefüge ("matrix"),
das mit einer solchen Zusammensetzung imprägniert wurde, bestehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung einer Isolierbeschichtung
auf einem Substrat, einer Struktur bzw. einem Bauteil, das eine besonders bevorzugte
Isolierbeschichtung schafft, umfaßt das Verteilen einer Bindemittelschicht über
dem Substrat, das Aufbringen eines Grundgefüges über dieser Bindemittelschicht und
das Verteilen einer erfindungsgemäßen Bindemittelzusammensetzung über dem Grundgefüge,
wobei dieses imprägniert wird.
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Bei Betonsubstraten kann wegen der vorhandenen Feuchtigkeit die Haftfähigkeit
mancher Beschichtungen beeinträchtigt werden. Unter diesen Umständen sollte die
Bindemittelschicht am vorteilhaftesten aus einer flüssigen Epoxyharz-Emulsion bestehen,
die in Megen von etwa 400 - 800g/m2 aufgetragen werden kann. Das Epoxyharz imprägniert
den Beton und verstärkt dessen Oberfläche, schafft gute Haftfähigkeit und bildet
eine Haftschicht für das nachfolgend aufzutragende Grundgefüge.
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Bei Metallsubstraten jedoch braucht keine Epoxy-Emulsion verwendet
zu werden; dort kann die Bindemittelschicht aus einer erfindungsgemäßen Bindemittelzusammensetzung
bestehen, und zwar in einer Menge von etwa 700 - 1500 g/m2
Das erfindungsgemäße
Verfahren schafft eine festhaftende Isolierbeschichtung, die das mögliche Eindringen
von Wasser unter die Isolierfläche verhindert, die die Fähigkeit der Weitergabe
von Spannungen auf das beschichtete Bauwerk besitzt und die, gegebenenfalls unter
Zusatz von Kohleteerasphalt, eine Dehnfähigkeit von über 50 % (ISO) bei niedrigen
Temperaturen (-20° C) aufweist. Bei der gleichen Temperatur ist die Dehnfähigkeit
des bisher verwendeten Epoxyharzes zu gering um meßbar zu sein.
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Wenn besonders gute Dichtungs- und Verstärkungseigenschaften erzielt
werden sollen, kann eine bereits aufgebrachte Beschichtung mit einem zusätzlichen
Grundgefüge bedeckt werden, gefolgt von einer nochmaligen Bindemittelschicht wie
z. B.
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der neuen Bindemittelzusammensetzung. Die Grundgefüge werden vorzugsweise
orthogenal zueinander aufgebracht.
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Sofern ein Grundgefüge verwendet wird, ist dieses gewöhnlich faserartig,
vorzugsweise ein Faservlies, insbesondere aus synthetischen Fasern wie Polyester,
Polypropylen oder Polyamid.
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Ein Faservlies-Grundgefüge hat vorzugsweise ein Gewicht von etwa 80
- 200 g/m2 und besitzt vorzugsweise eine Bruchdehnung von über etwa 40 % in allen
Richtungen. Die Menge an Imprägniermaterial, d. h. an Bindemittelzusammensetzung,
beträgt vorzugsweise etwa 1,5 - 2,5 kg/m2. Wenn bei einer erfindungsgemäßen Isolierbeschichtung
ein imprägniertes Faservliesmaterial verwendet wird, dann kann dieses die Isolierbeschichtung
verstärken und deren Reißfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit beträchtlich erhöhen,
die Spannungen absorbieren, die sich aus der unterschiedlichen Dehnung von Harz
und Beton ergeben und Löcher der Harzschicht durch Sand und Zuschlagstoffe verhindern,
die vor der endgültigen Polymerisation über die Harzoberfläche verteilt auftreten
können.
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Wenn die erfindungsgemäße Bindemittelzusammensetzung als Isolierbeschichtung
oder Imprägniermittel für durch das Grundgefüge verstärkte Isolierbeschichtungen
verwendet wird, können vor der Poly,rlerisation der Zusammensetzung Zuscillaystoi-fe
silber
die nocht nicht vollständig gehärtete Bindemittelschicht verteilt werden. Wenn nachfolgend
keine gegen Abnutzung schützende Lage aufgebracht wird, können die Zuschlagstoffe
mit einer Teilchengröße von etwa 0,5 - 3- mm in einer Menge von etwa 3 - 6 kg/m2
verwendet werden. Es können anorganische Zuschlagstoffe, vorzugsweise eine Mischung
aus Sand und gemahlenem Kies, verwendet werden.
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Die erste Komponente der erfindungsgemäßen Bindemittelzusammensetzung
kann z. B. aus etwa 15 - 50 Gew.-% eines herkömmlichen flüssigen Epoxyharzes bestehen
wie z. B. von der Art, wie es im Handel unter der Bezeichnung Epikote 828 oder DX
214 (Shell) oder DER 7475 (Dow Chemical) erhältlich ist, und aus etwa 85 - 50 Gew.-%
eines Polyisocyanat-Vorpolymeren, der Phenol-blockierte Isocyanatgruppen umfaßt.
Der Zweck der Phenol-"Blockierung" ist es, das Produkt unempflindlich gegen Feuchtigkeit
zu machen, was offensich-tlich von fundamentaler Wichtigkeit bei der Herstellung
von Isolierbeschichtungen im Freien ist.
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Beispiele geeigneter Polyisocyanate sind Vorpolymere von Toluoldiisocyanat
oder Diphenylmethandiisocyanat und Polyäther, vorzugsweise geradkettige Polyäther
mit einem Molekulargewicht von 600 - 2.500 auf der Grundlage von Polyoxypropylen,
Polyoxybutylen oder Mischpolymeren von Polyoxypropylen und Polyoxybutylen mit Polyoxyäthylenen.
Die Anteile der Polyäther und der Diisocyanate sind vorzugsweise derart, daß nach
der Umsetzung der Gehalt an freien NCO-Gruppen 1,5 - 6 Gew.-% vor der Blockierung
mit Phenol beträgt.
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Es ist dem Fachmann bekannt, daß die Vielfalt möglicher Ketten praktisch
unbegrenzt ist. Die gewünschte Auswahl erfolgt aufgrund von Erwägungen hinsichtlich
der Verarbeitungsfähigkeit, insbesondere in Bezug auf die Viskosität des Produktes,
das man nach der Blockierung erhält. Viskositätswerte zwischen etwa 3.000 und 20.000
cps bei 200 C werden bevorzugt, da diese eine gute Verarbeitung unter den beschriebenen
Bedingungen ermöglichen.
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Beispiele geeigneter Phenole sind Phenol als solches, Kresole und
tert.-Butylphenol.
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Gegebenenfalls können Weichmacher wie Dibutylphthalat, Butyladipat,
Octyladipat,von Petroleum abgeleitete Weichmacher wie Dutrex (Shell) in die erste
und/oder zweite Komponente der Bindemittelzusammensetzung eingebracht werden. Die
bevorzugte Menge an Wleichmachern beträgt zwischen etwa 5 und 20 Gew,-, bezogen
auf das Gesamtgewicht des Bindemittels.
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Die zweite Komponente der neuen Bindemittelzusammensetzung umfaßt
ein Polyamin, welches im allgemeinen flüssig ist. Vorzugsweise besitzt dieses Polyamin
zwei primäre oder sekundäre Aminogruppen, wobei ein oder mehrere bewegliche Wasserstoffatome
die Phenol-blockierende Gruppe, bei etwa 0 bis 1000C, insbesondere 5 bis 500 G,
vorzugsweise 8 bis 400C, ersetzen können. Das Amin ist ein aliphatisches oder cycloaliphatisches
Polyamin wie z.B. Trimethylhexamethylendiamin, N-(2-Aminoäthylpiperazin, Isophorondiamin,
Bis-(4-aminocyclohexyl)methan oder 3,3'-Dimethyl-4,41-diaminodicyclohexylmethan.
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Das Hauptmerkmal solcher Amine ist, daß sie bei Umgebungstemperatur
nicht nur mit dem Epoxyharz reagieren, sondern auch das Phenol ersetzen und ein
Produkt ergeben, das man als Polyureid bezeichnen kann. Dies ist ein grundlegendes
Merkmal dieser Erfindung, weil das Erhitzen des Harzes zur Einleitung der Polymerisation
nicht wünschenswert und teuer wäre, wenn die Bindemittelzusammensetzung als eine
relativ dünne Schicht über große Flächen von mehreren hundert Quadratmetern verteilt
wird Es ist daher wichtig, daß die Polymerisation bei normaler Außentemperatur erfolgt.
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Das Polyamin sollte im wesentlichen in einer stoichiometrischen Menge
in Bezug auf die Gesamtmenge des Epoxyharzes und das Polyisocyanatvorpolymer der
ersten Komponente verwendet werden.
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Diese Menge beträgt für die vorstehend genannten bevorzugten relativen
Gewichisanteile an Epoxyharz und Polyisocyanat gesöhnlich von etwa 7 bis etwa 20
Gew.-%, bezogen auf das Gesamt-Gewicht des Epoxyharzes plus Polyisocyanatvorpolymer.
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In der zweiten Komponente können Streckmitttel zugegeben werden, um
die Kosten zu reduzieren, während gleichzeitig die Benetzbarkeit von Beton, Stahl-
und Faservliesoberflächen verbessert wird. Geeignete Streckmittel sind z. B. KohleLeerasphalt
und farbloses Pech auf Basis von Cumaron-, Indol- und
Cumaron-Indol-Harzen
wie sie z. e. im Handel unter der Bezeichnung Necires EXPL (Cindu Neville Chemie)
erhältlich sind.
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Die bevorzugte Menge an Streckmittel(n) in der zweiten Komponene beträgt
etwa 10 - 100 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Bindemittels und zwar beider
Komponenten. Kohleteerasphalt wird im aligemeinen in Hinblick auf dessen Kosten
sowie Netzei genschaft und wasserabstoßende Eigenschaften als Streckmittel bevorzuyt.
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Eine Vielzahl anorganischer Füllmittel kann der zweiten Komponente
zugegeben werden. Beispiele hierfür sind Kalkstein und siliziumartige Füllmittel,
die ein 100 mesh-Sieb passieren können. Die Menge an solchen Füllmitteln kann bis
zu etwa 40 Gew.- bezogen auf das Gesamtgewicht der Bindemittelzusammensetzung betragen,vorausgesetzt
eine solche Menge verursacht kein Anwachsen der Viskosität auf ein Niveau, das die
Handhabung der Zusammensetzung erschweren würde. Die anorganischen Füllmittel können
gegebenenfalls auf der Anwendungsstelle zugegeben werden, nachdem die erste und
zweite Komponente miteinander vermischt worden ist.
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Es wurde gefunden, daß eine Harzformulierung der beschriebenen Art
nicht nur die gleiche Anwendbarkeit und Verarbeitungsfähigkeit aufweist wie herkömmliches
Exopyharz,wie: ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit, Polymerisierbarkeit bei
Zimmertemperatur, Verwendbarkeit in flüssiger Form sowie ausgezeichnete Haftfähigkeit
an Beton, sondern auch überragende mechanische Eigenschaften sowie überragende Bruchdehnung
bei niedrigen Temperaturen aufweist, während die gute Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen
erhalten bleibt. Die Formulierungen der beschriebenen Art können Zugfestigkeitswerte
von über 20 bar bei 250 C sowie Bruchdehnung von über 50 % bei - 100C verleihen.
Die Haftfähigkeit an Beton ist lediglich durch die Zuyfestigkeit der Betonoberfläche
begrenzt.
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Die folgenden 2 Beispiele dienen der näheren Beschreibung der Erfindung.
Der darauf folgende Versuch ist ein Vergleichsversuch. Alle Anyaben von Teilen und
Prozenten beziehen sich
auf das Gewicht, sofern nicht anders angeyeben.
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Beispiel 1 Auf den Brückenoberbau einer Betonbrücke, die kräftig mit
einer Bürste gereinigt worden war, wurden 400 g/m2 einer wässerigen Epoxyharzemulsion
aufgetragen, die man durch Mischen von 300 g Wasser und 100 g einer 50:50-Mischung
von Eurepox 716 und Euredur 429 (Handelsbezeichnungen für ein Harz und ein Härtungsmittel
von Schering) erhielt.
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Als die so erhaltene Schicht klar zu werden begann, wurde 2 eine raservlies-Polyesterbahn
mit einem Gewicht von 120 g/m2 (erhältich unter der Bezeichnung Bidim von Rhone-Poulenc)
auf das noch klebrige Harz aufgebracht. Unmittelbar danach wurde ein zweites Harz
in einer Menge von 2 kg/m2 aufgetragen. Das zweite Harz enthielt 2 Komponenten:
Die erste Komponente bestand aus 100 Teilen Epkote DX 214Harz (Shell) und 100 Teilen
eines Vorpolymeren aus Toluoldiisocyanat und einem Polyäther auf Polyoxypropylen-Basis,
der 3,5 % tert.-Butylphenol-blockierte NCO-Gruppen enthielt. Die zweite Komponente
bestand aus 0 150 Teilen Kohleteerasphalt (Viskosität 30 EVT) und 26 Teilen N-(2-Aminoäthyl)piperazin.
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Das nach der Polymerisation erhaltene Bindemittel besaß eine 0 Bruchdehnung
von 60 % bei - 10 C und eine Zugfestigkeit von 40 bar bei 200 C.
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0,5/3mm-Sand wurde in einer Menge von 4 kg/m2 über der Beschichtung
verteilt, und zwar vor der vollständigen Polymerisation des Harzes.
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Beispiel 2 Auf das Betonbett, bestimmt für die Unterbringung des Tanks
eines Reaktors einer Kernkraftanlage, welches zuerst mit einer Schlagvorrichtung
abgeschürft worden war, wurden 600 g/m2 einer Epoxyharzemulsion aufgetragen, die
100 g DET 331-Harz (Dow Chemica) und 100 g Casamide (Akzo) sowie 400 g Wasser enthielt.
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Nach Klarwerden der Schicht wurde ein Faservliesmaterial der gleichen
Art wie in Beispiel 1 beschrieben aufgebracht und inmittelbar darauf 2,5 kg/m2 eines
zweiten Harzes. Bevor die
Polymerisation abgeschlossen war, wurde
diese Verfahren wiederholt, indem Bahnen von Faservliesmaterial kreuzweise aufgebracht
wurden und danach 2,5 kg/m2 des zweiten Harzes, um eine Beschichtung mit guten Eigenschaften
zu erhalten.
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Das zweite Harz umfaßte 2 Komponenten: Die erste Komponente bestand
aus 30 Teilen DER 7475-Epoxyharz (Dow) und 70 Teilen flüssigen Vorpolymers mit einem
Molekulargewicht von etwa 2000, das man durch Umsetzung von Toluoldiisocyanat mit
Polypropylenglycol, der 3 % Phenol-blockierte Isocyanat-Gruppen enthielt, erhalten
hatte; die zweite Komponente aus 15 Teilen Bis(4-aminocyclohexyl)methan, 45 Teilen
EVT 300 Teer und 5 Teilen Dibutylphthalat.
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Der Mischung dieser 2 Komponenten wurde vor dem Auftragen der Mischung
50 Teile trockenen, siliziumartigen Füllmittels zugegeben. In diesem Beispiel war
es nicht notwendig, Sand über die Harzoberfläche zu streuen.
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Die Mischung der zwei Komponenten besaß eine Zugfestigkeit von 40
bar bei 200 C und eine Bruchdehnung von mehr als 200 % bei - 100 C und mehr als
100 % bei - 200 C.
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Vergleichsbeispiel Eine herkömmliche Epoxyharz-Zusammensetzung wurde
aus 50 Teilen Harz DX214 (Shell), 40 Teilen 300 EVT-Pech und 10 Teilen N-(2-Aminoäthyl)piperazin
hergesteltt. Dieses Harz besaß eine Zugfestigkeit von mehr als 25 bar bei 200C;
die Bruchdehnung jedoch betrug weniger als 5 % bei 0° C und war bei 100 C nicht
meßbar.
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Eine erfindungsgemäße Isolierbeschichtung auf einem Betonblock wurde
mit geeigneten Apparaten auf die äußere Zugfestigkeit getestet, was einen Riß im
Beton zur Folge hatte.
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Bei einem Riß von 1,8 mm konnte kein Aufbrechen der Isolierbeschichtung
beobachtet werden, und auch das tausendfache öffnen und Schließen des Risses bei
.00 C hatte kein Aufbrechen der Isolierbeschichtung zur Folge.
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Als dieser gleiche Versuch mit der Beschichtung des Vergleichsversuchs
durchgeführt wurde, trat ein Riß von 0,6 mm bei 0° C auf; fünffaches Öffnen und
Schließen eines Risses von 0,4 mm reichten aus, die Schicht aufzubrechen.