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ERFINDUNGSGEGENSTAND
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Die Erfindung betrifft schaumbildende
Kompositionen mit blastunterdrückenden/eindämmenden
Eigenschaften
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Behelfsmäßige Sprengvorrichtungen (IEDs
= Improvised Explosive Devices) stellen eine zunehmend gefährliche
Bedrohung unserer Gesellschaft dar, insbesondere wenn sie ein toxisches
chemischbiologisches Mittel [CB-Kampfmittel] enthalten. Es ist von
ausschlaggebender Bedeutung, sowohl die Blastwirkung (Druckwellen,
Hitzeentwicklung und Schrapnell) als auch die beim Einsatz derartiger
Mittel freigesetzten, das CB-Mittel enthaltenden Aerosole einzudämmen. Außerdem stellen
die CB-Mittel ein Dekontaminationsproblem dar, wenn sie auf die
Oberfläche
von Geräten
und Fahrzeugen gelangen oder auf dem Boden verschüttet werden.
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In den letzten zehn Jahren sind zahlreiche
Patente und Schriften über
die Anwendung von Schaum zur Unterdrückung der Blastwirkung erschienen.
So beschreibt z.B. Clark in den US-Patenten 4,451,947 und 4,5898,341
ein verbessertes Blastunterdrückungsverfahren
mit Brandbekämpfungsschäumen, die
in einem rohrförmigen
Sperrkörper
eingeschlossen sind. Typischerweise haben die Schäume ein
Expansionsverhältnis von
50 : 1 bis zu 1000 : 1, aber es fehlen Angaben zu ihrer Komposition.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es hauptsächlich um die Methodik, den
Schaum an einer günstigen
Stelle einzudämmen.
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In dem der Firma Broken Hill Ltd.
zugeschriebenen US-Patent 4,964,329 wird eine Komposition beschrieben,
die eine Mischung aus einer verschäumbaren Flüssigkeit und einem Zusatzmittel
aus Feststoffteilchen darstellt, das als Dispersion im Schaum mitgeführt wird.
Es wird geltend gemacht, die Dispersion habe eine schalldämpfende
und Schockwellen dispergierende Wirkung.
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Das US-Patent 4,442,018 von P. Rand
beschreibt eine Schaumkomposition, die sich als blastunterdrückend erweist.
Derartige Kompositionen enthalten eine Kombination aus wasserlöslichem
Polyacrylsäure-Polymer,
einem Schaumstabilisator aus Docedylalkohol, einem Tensid und einem
Lösungsmittel.
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Das sehr interessante US-Patent 5,434,192
beschreibt eine Komposition aus Tensiden und Stabilisatoren, die
aus einer Mischung eines modifizierten natürlichen und synthetischen Polymers
und Lösungsmitteln besteht
und in der Lage ist, Schaum zu erzeugen, der bei Temperaturen zwischen
ca. 22° C
und 40° C
zwölf Stunden
bis mehrere Tage lang beständig
bleibt. Ein solcher Schaum wird dazu verwendet, die Emission von flüchtigen
Gasen und Dämpfen
zu unterdrücken.
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Es steht eine Anzahl von Containment-Optionen
zur Verfügung.
Ursprünglich
unternahmen wir Blasttests mit dem Schaumprodukt AFFF, das wir in
Nylonglockenzelten eindämmten,
die über
der bedrohten Stelle aufgestellt wurden. Die Ergebnisse waren sehr
ungleichmäßig. Der
Schaum löste
sich sehr schnell auf, denn er war entweder zu wässrig oder zu leicht und luftig.
Zu den in dieser Phase gewonnenen Erfahrungen gehörte die
Erkenntnis, dass die physikalische Form des Schaumes sehr stark
von der Durchsatzleistung, den Tensidanteilen und der Düseneinstellung
abhängt.
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Diese Arbeiten führten zur Entwicklung des Containment-Systems,
das in dem von selben Erfinder am 12. Dezember 1997 angemeldeten
US-Patent 60/069,533
beschrieben wird. Zu jenem System gehört eine zeltartige Umfassung,
die über
einer behelfsmäßige Sprengvorrichtung
aufgestellt und mit einem luftaspirierten wässrigen Schaummaterial gefüllt wird,
das wir Dispersionsunterdrückungs-Schaum
[DSF = Dispersal Suppressant Foam] nennen. Danach wird die IED detoniert,
und das dabei entstehende Schrapnell innerhalb der Umfassung eingedämmt (contained).
Das damals von uns verwendete Schaummaterial war ein Produkt, das unter
dem Warenzeichen SILVEX gehandelt wird. Seine Formulierung wird
in US-Patent 4,770.794 beschrieben, das am 13. September 1988 erteilt
wurde.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird eine schaumbildende Komposition mit blastunterdrückenden Eigenschaften
vorgesehen, bestehend aus (a) einem Tensid (40–80 Gew.-%), (b) einem Schaumstabilisator (0–7 Gew.-%),
(c) einem Polyalkylenglykol (10-30 Gew.-%) und (d) Wasser (Rest
bis zu 100 %).
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist das Polyalkylenglykol die chemische Formel R1-(OCH(CH3)CH2)n-OR2 auf, wobei R1 und
R2 unabhängig
aus H, einem Alkyl oder einer Estergruppe und n > 1 besteht. Die Alkylgruppe kann aus einer
Methyl-, Ethyl-, Propyloder Butylgruppe oder einer Mischung derselben
bestehen. In einem Ausführungsbeispiel
ist R1 oder R2 Wasserstoff.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
sind sowohl R1 als auch R2 Wasserstoff.
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Alternativ ist das Polypropylenglykol
ein partiell ätherisiertes
Polypropylenglykol-Derivat derselben Formel R1-(OCH(CH3)CH2)n-OR2, wobei jedoch entweder R1 oder
R2 unabhängig
H oder eine Alkylgruppe und n > 1
darstellen kann. Auch hier kann die R1 oder
R2 darstellende Alkylgruppe aus einer Methyl-,
Ethyl-, Propyl- oder Butylgruppe oder einer Mischung derselben bestehen.
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In einer Ausführungsform besteht das Tensid
aus einer Komposition der Formel [R(OCH2CH2)nX]aMba, wobei R eine Alkylgruppe mit zwischen
acht und achtzehn Kohlenstoffatomen darstellt, n eine ganze Zahl
zwischen 0 und 10 darstellt, X aus der Gruppe SO3
2–,
SO4
2–, CO3
2– und
PO4
3– gewählt ist, M ein Alkalimetall,
ein alkalines Erdmetall, ein Ammonium- oder Aminderivat darstellt,
a die Valenz von M und b die Valenz von [R(OCH2CH2)nX] darstellt; oder aus einer Komposition
nach der Formel [R-CH=CH(CH2)m-X]aMb, wobei R eine Alkylgruppe mit acht bis
achtzehn Kohlenstoffatomen darstellt, m eine ganze Zahl zwischen
0 und 3 darstellt, X aus der Gruppe SO3
2–,
SO4
2–, CO3
2– und
PO4
3
–gewählt ist,
M ein Alkalimetall, ein alkalines Erdmetall, Ammonium- oder Aminderivat
darstellt, a die Valenz von M und b die Valenz von [R-CH=CH(CH2)m-X] darstellt; oder aus
einer Komposition derselben.
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NÄHERE ERLÄUTERUNG ANHAND DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine grafische Darstellung der Verschäumungseigenschaften in Abhängigkeit
von der Tensidkonzentration;
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2 ist
eine grafische Darstellung der Schaumstabilität ausgewählter Tenside und Tensidmischungen;
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3 ist
eine grafische Darstellung der Schaumstabilität in Abhängigkeit von den Laurylalkoholanteilen
in der Lösung;
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4 ist
eine grafische Darstellung der Schaumexpansion in Abhängigkeit
der Haftmittelanteile in der Lösung;
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5 ist
eine grafische Darstellung der Schaumstabilität in Abhängigkeit der Haftmittelanteile
in der Lösung;
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6 ist
eine Darstellung der Konzentrationswerte von Methylsalicylat (Gelbkreuzsimulat)
in den Versuchskammern nach zwei Referenzschüssen (ohne Umfassung) und drei
Testvorrichtungsschüssen
(Umfassung mit Schaum + Zelt über
der Vorrichtung und anschließender
DSF-Einspritzung). Mehr als 90 % des Kampfmittels wurden erfasst
und eingedämmt;
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7 ist
eine Darstellung des im Laufe von 30 Minuten in der Versuchskammer
gemessenen Konzentrationsanstiegs.
Zu beachten: Es handelt
sich um dieselben Schüsse
wie in 6, aber die Referenzschüsse sind
des größeren Maßstabs wegen
nicht dargestellt;
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8 ist
ein Vergleich zwischen unmitigierten Referenzschüssen und Testschüssen. Das
Simulat bildete ein feines Aerosol, das sich wie ein biologisches
Kampfmittel verhielt. Etwa 95 % des Simulats wurden erfasst;
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9 zeigt
die mit einem auf 1,5 m Abstand angebrachten Druckmessgeber gemessenen Überdruckwerte.
Die Referenzschüsse
waren zwischen 6 und 7 PSI [ca. 0,4–0,5 kPa]. Die Testschusswerte
waren nahezu unbedeutend. Die Umfassung zerriss nicht, und der gesamte
Inhalt blieb im Zelt;
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10 zeigt
die Konzentrationen eines Simulats in der Versuchskammer nach einem
unmitigierten Referenzschuss und einem eingedämmten Schuss. Ebenfalls gezeigt
wird die Letalstufe von Sarin nach einer Einwirkungszeit von 1 min.
Ein hoher Anteil an Simulat wurde erfasst;
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11 zeigt
die Überdruckwerte
bei angegebenen Abständen
von der Vorrichtung für
einen unmitigierten und einen eingedämmten Schuss. Die Ergebnisse
zeigten ein Überdruck-Containment
von ca. 90 %;
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12 zeigt
die mit DAAMS-Tuben-Probenehmern in einem nach 13 im Freien durchgeführten Test ermittelten Luftkonzentrationen
des Simulats. Hiermit wurde eine außerhalb eines Gebäudes ausgelöste Vorrichtung
simuliert. Die mit dem Testschusses ermittelten Daten weisen auf
ein Containment von mehr als 95 % hin;
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13 zeigt
die Aufstellung der DAAMS-Tuben-Probenehmer auf dem Schießplatz;
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14 zeigt
die bei zwei Tests (einem unmitigierten und einem eingedämmten Test)
ermittelten Überdruckwerte.
Die mit dem eingedämmten
Schuss ermittelten Werte waren kaum messbar (< 1 PSI = ca. 0,07 kPa);
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15 zeigt
einen unmitigierten Referenzschuss und drei eingedämmte Testschüsse mit
verschiedenen Explosivstoffmengen (wie aufgeführt). Aufstellung der Probenehmer
wie in 13. Das erzielte
Containment war mehr als 95 %;
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16 zeigt
die im Abstand von 1,5 m von der Testvorrichtung gemessenen Überdruckwerte
bei einem unmitigierten und drei eingedämmten Schüssen, jeweils mit verschiedenen
Explosivstoffladungen (wie aufgeführt). Die Überdruckwerte wurden um mehr
als 95 % verringert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die erfindungsgemäße Blastunterdrückungs-Komposition
enthält:
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- A. Schaumbildner/Tenside
- B. Schaumstabilisatoren
- C. Haftmittel/Lösemittel.
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A. SCHAUMBILDNER/TENSIDE
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Zu den erforderlichen Eigenschaften
gehören:
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- 1) sie müssen
qualitativ hochwertige Schäume
in einem weiten pH-Bereich erzeugen;
- 2) sie müssen
mit anderen Tensiden und Tensidmischungen kompatibel sein;
- 3) sie müssen
mit hartem Süßwasser
sowie mit Salzwasser verträglich
sein;
- 4) sie müssen
eine gute emulgierende Wirkung haben.
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Beispiele:
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- 1) Alkylsulfate;
- 2) Alkyläthersulfate;
- 3) Alkylpolyglykoside;
- 4) α-Olefinsulfonate;
- 5) Alkylsulfosuccinate.
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B. STABILISATOREN
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Es ist bekannt, dass langkettige
Fettalkohole dem Schaum generell eine hohe Stabilität verleihen.
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C. HAFTMITTEL/LÖSEMITTEL
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Haftmittel solubilisieren die Tenside,
verbinden sie mit den Stabilisatoren und wirken schaumfördernd und
stabilisierend. In bekannten Schäumen
sind die Haftmittel Glykoläther.
In der vorliegenden Erfindung werden sie wie nachstehend erläutert durch
Verschnittmittel ersetzt.
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A. SCHAUMBILDNER
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Die für jedes Tensid prozentuale
Lösungsmenge
für die
optimale Verschäumbarkeit
wurde ermittelt, indem das erzeugte Schaumvolumen als Funktion der
prozentualen Konzentration aufgetragen wurde. Die fünf vorstehend
genannten Tensidarten wurden untersucht, und die Ergebnisse in 1 dargestellt.
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Diese Ergebnisse führten zur
Feststellung, dass die verschiedenen Tensidklassen bei einem sehr
engen Konzentrationsbereich ein sehr ähnliches Verschäumbarkeitsverhalten
zeigen.
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Die Alkyläthersulfatgruppe, insbesondere
die C12-C14-Alkyläthersulfate
und die kürzerkettigen C8-C-10-Analoge
bewährten
sich gut in Süßwasser
wie auch in Salzwasser.
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Die bevorzugten Alkyläthersulfate
gehören
zu zwei Gruppen:
1.) RnH2n+1(OCH2CH2On)mSO4 –M+, wobei
R = C8–C18, aber
hauptsächlich C12 und
C14; n = 0–10; m = 2–3, aber im Durchschnitt 2,3;
und M = Na+ oder NH4
+; und
2.) zur selben Gruppe wie 1.)
gehörig,
wobei aber R nur = C8-C10 ist.
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Es war auch interessant, festzustellen,
dass die 50/50-Mischung aus C8-C10-Alkyläthersulfaten
und C12-C14-Alkyläthersulfaten
in Salzwasser nicht an Verschäumbarkeit
verlor. Es wäre
denkbar, dass die Mizellen der kürzerkettigen
Tenside die längerkettigen
Analoge solubilisieren. Es wurde ferner festgestellt, dass sich bei
Verwendung von zwei verschiedenen Bestandteilen die Salzwasserverträglichkeit
verbesserte. Auch diese Erscheinung dürfte auf die Solubilität der gemischten
Mizellen zurückführbar sein.
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Es war interessant, festzustellen,
dass das aus gemischten Tensiden bestehende System eine gute zeitliche
Stabilität
der verdünnten
Lösung
zeigt (2). Wie in 2 dargestellt wird, ist
bekannt, dass die Verschäumbarkeit
eines einzigen Tensidsystems typischerweise mit der Zeit nachlässt. Das
liegt daran, dass sich mit der Zeit ein Äquilibrium einstellt. Es scheint,
dass sich dieses Äquilibrium
bei Verwendung von zwei Tensidsystemen beschleunigt einstellt.
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B. STABILISATOREN
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Langkettige, oft wasserunlösliche polare
Verbindungen mit geradkettigen Kohlenwasserstoffgruppen von etwa
derselben Länge
wie die hydrophobische Tensidgruppe, d.h. langkettige Fettalkohole.
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Der allgemein als „Laurylalkohol" bekannte Fettalkohol
(C12-C14-Linearalkohol
70:30) ergab den besten Stabilisator für die untersuchte Tensidgruppe.
Es wurde festgestellt, dass die maximale Schaumstabilität mit einer
ca.15±2
Tensidgewichts- % entsprechenden Laurylalkohol-Konzentration (auf aktiver Basis) erzielt werden
konnte. Die Verwendung von höheren
Laurylalkoholmengen hatte eine erhebliche Verringerung der Schaumexpansion
zur Folge (3).
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C. DIE WIRKUNG VON HAFTMITTELN/LÖSEMITTELN
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Allgemein läßt sich feststellen, dass bei
jeder Tensidkonzentration mit der Haftmittelmenge nicht nur die
Verschäumbarkeit
steigt, sondern dass – wie
in 4 und 5 gezeigt wird – auch die Schaumstabilität zunimmt.
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DIE WAHL DER INGREDIENZEN
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A. SCHAUMBILDNER
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Nach der vorläufigen Untersuchung wurde entschieden,
die Ingredienzen weiter einzuengen und auf folgende spezifische
Tenside zu beschränken:
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- 1) Alkyläthersulfate
C8-C10: Cedepal®FA-406
und C12-C 14: Cedepal®TD-407 von Stepan Co.
- 2) α-Olefinsulfonate:
Bio-Terge® AS-90
und Stepantan® AS-12,
ebenfalls von Stepan Co.
- 3) Dialkylnatriumsulfosuccinat: Aerosol®-OT.
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B. STABILISATOREN
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- 1) Dodecanol: Lorol® 70:30,
eine Mischung aus C12-C14-Aliphatenalkoholen
im Verhältnis
von 70/30.
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C. LÖSEMITTEL
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Um die Leistungsfähigkeit der Formulierung zu
erhöhen,
wurde entschieden, das Lösemittel
in der Formulierung durch ein Verschnittmittel zu ersetzen. In diesem
Sinne bedeutet der Begriff Verschnittmittel Chemikalien auf organischer
Basis, die CB-Kampfmittel solubilisieren können, z.B. aus alkydbeschichteten
(lackierten) Oberflächen.
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Das Verschnittmittel wurde einigen
Formulierungen beigefügt,
und die so entstehenden Verschäumungseigenschaften
wurden beurteilt. Allgemein läßt sich
feststellen, dass das Verschnittmittel die Verschäumungseigenschaften
(Schaumexpansion und Dränage)
nicht erheblich unterdrückte.
Es wurde daher entschieden, das Verschnittmittel als Lösemittel
einzusetzen statt einen Ersatz für
die Glykoläther
zu suchen und den Prüfungsvorgang
wiederholen zu müssen.
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Wie in Tabelle 1 angegeben, wurden
fünf Formulierungen
angefertigt.
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Tabelle
1
Anteilige Komposition der Bestandteile in neu zu prüfenden Schaumformulierungen.
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Diese zu prüfenden Formulierungen erfüllen alle
oben genannten Anforderungen. Das Verschnittmittel ist ein Polyalkylenglykol
wie z.B. Polypropylenglykol-Monomethyläther (PPG 425).
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- 1) Sie alle zeigen gute Verschäumungseigenschaften in einem
weiten pH-Bereich (von 6 bis 9) in Süßwasser und in Salzwasser.
Zitronensäure
wird dazu verwendet, den pH-Wert zu verändern.
- 2) Die verdünnte
Lösung
und das Konzentrat sind eine Zeit lang stabil.
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Bio-Terge AS-90, ein Natriumsalz
von C14-C16-α-Olefinsulfonat,
kann Stepantan AS-12 ersetzen, das ebenfalls ein C14-C-16-α-Olefinsulfonat
derselben Konzentration darstellt. Zweitens könnte FA-406, ein Ammoniumalkyl-(C8-C10)-Äthersulfat,
bei einer etwas stärkeren
Konzentration (z.B. 30,0 Vol.-%) TD-407 ersetzen, das ein Natriumalkyl(C12-C14)-Äthersulfat
darstellt. Weiterhin könnte
Steol CS-460, ein Natriumsalz eines linearen Fettalkoholäthersulfats,
TD-407 ebenfalls bei 30 Gew.-% ersetzen.
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Es wurden daher die drei in Tabelle
2 aufgeführten
Formulierungen zur weiteren Untersuchung ausgewählt.
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Man sollte erwarten, dass verwandte
PPGs mit etwas anderen Molekulargewichten ebenso wirksam wären.
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Die bevorzugte Formulierung (GCE-3)
wird in Tabelle 3 angegeben. Tabelle
3
INGREDIENZEN | Vol.-% |
Alkyläthersulfat
(Steol CS-460) | 30,0 |
α-Olefinsulfonat
(Bio-Terge AS-90) | 15,5 |
Laurylalkohol
(Mischung von C 12-C 14, 70/30) | 5,0 |
Polypropylenglykol-Monomethyläther (PPG
425) | 20,0 |
Zitronensäure bis
zu pH 7,5 | |
Wasser
q.s. bis zu 100% | |
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LANGZEITSTABILITÄT
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A. KONZENTRAT
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Das optimierte Konzentrat mit GCE-3
wurde in einem Ofen bei 65° C
30 Tage lang gealtert und danach untersucht. Es bestanden keine
Anzeichen von Schichtung oder Phasentrennung. Das Material wurde
auf 1 % verdünnt,
und die Verschäumungseigenschaften
blieben unverändert.
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B. VERDÜNNTE LÖSUNG
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Eine 1-%ige Lösung des optimierten Konzentrats
mit GCE-3 wurde 24 Stunden lang gealtert, und die Verschäumungsmerkmale
wurden untersucht. Die Verschäumungseigenschaften
verringerten sich ca. vier Stunden lang gar nicht; danach ließen sie
etwas ab (um weniger als 5 %), und über Nacht stabilisierten sie
sich.
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Zur Kennzeichnung der Schaummerkmale
(Expansions- und Dränagewerte)
wurde eine modifizierte Formulierung benutzt: GCE-2 auf 1 % in Leitungswasser
verdünnt.
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KORROSION
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Es ist bekannt, dass sich Tensidmischungen,
insbesondere in verdünnter
Form, auf gewisse Metalle und Legierungen korrodierend auswirken.
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Eine detaillierte Korrosionsuntersuchung
kann sehr zeitraubend sein. Aus diesem Grund wurde das vom USDA
Forest Service herausgegebene Protokoll als Richtlinie benutzt.
Es wird hier auf das im USDA-Protokoll beschriebene Verfahren zur
Beurteilung der Korrosion Bezug genommen. Es werden Metall- bzw.
Legierungsprobestreifen in ein Schaumkonzentrat oder seine verdünnte Lösung getaucht
und darin bei 65° C
mindestens 30 Tage lang gehalten. Danach wird die Flüssigkeit
auf Verfärbung
und/oder Gelbildung untersucht. Die Streifen werden gewaschen und
gereinigt und auf Lochfraß und/oder
Oberflächenschaden
und/oder Gewichtsverlust untersucht.
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Folgende Metalle bzw. Legierungen
wurden untersucht:
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- 1. Weichstahl AISI 4130;
- 2. Gelbguss;
- 3. Aluminium 2024-T3;
- 4. Magnesium AZ-31-B.
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ERGEBNISSE:
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Beide Konzentrate und die verdünnten Lösungen führten zu
leichter bis übermäßiger Korrosion
in allen Metallstreifen.
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Durch Beigabe folgender Ingredienzen
zu dem GCE-3-Konzentrat wurde die Korrosivität der beiden Konzentrate und
der verdünnten
Lösungen
in Weichstahl, Gelbguss und Aluminium völlig eliminiert, während Magnesium
weiterhin angegriffen wurde.
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- 1) Zum Schutz von Kupfer, Messing, Bronze und
in geringerem Maße
von Stahl, Gusseisen, Cadmium und Zink wurde Natriumtolyltriazol
in einer Konzentration von 0,05 Gew.-% beigefügt.
- 2) Zum Schutz von Weichstahl und Gusseisen wurde Dimolybdat
in einer Konzentration von 0,2 Gew.-% zusammen mit Natriumpentahydratsilikat
in einer Konzentration von 0,05 Gew.-% beigefügt.
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Es wird daher empfohlen, diese drei
Ingredienzen der endgültigen
Konzentration beizufügen.
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Die empfohlene Formulierung besteht
aus den in Tabelle 4 aufgeführten
Ingredienzen. Tabelle
4
INGREDIENZEN | Gew.-% |
Alkyäthersulfat
Na4
+– (z.B.
Steol CS-460) | 30,0 |
α-Olefinsulfonat
Na-Salz (z.B. Bio-Terge AS-90) | 15,5 |
Docecanol,
(Laurylalkohol) (z.B. Lorol C70/30 %) | 15,5 |
Polypropylenglylcol-Monomethyläther (PPG
425) | 20,0 |
Natriumtolyltriazol | 0,05 |
Ammoniumdimolybdat | 0,20 |
Natriumpentahydratsilikat | 0,05 |
Zitronensäure bis
zu pH 7,5 | |
Wasser
q.s. bis zu 100% | |
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UNTERSUCHUNGSAUFBAU
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In den Jahren 1994-96 wurden zwei
Testserien (1 und 2) durchgeführt,
um die Mitigationsfähigkeit
dieses Schaumsystems zum Containment von CB-Kampfmitteln zu ermitteln. Die erste
Testserie (Serie 1, unten) im Jahre 1994 wurde mit nichtsplitterbildenden
Explosionsstoff dispergierenden Modellen durchgeführt, die entworfen
wurden, um CB-Simulate zu projizieren. Bei der zweiten Serie (Serie
2, unten) im Jahre 1996 wurde die Leistungsfähigkeit des Systems untersucht,
wenn es von nichtexplosiven Dispersionsmodellen sowie Hochenergievorrichtungen
herausgefordert wurde. Die Dispersionsmodelle für explosive Hochenergievorrichtungen
lieferten Hinweise für
die obere Grenze für
Vorrichtungen, die sich eindämmen
ließen.
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Im Laufe des Entwicklungsstadiums
begannen wir, das in Testserie 1 (unten) verwendete Nylon zu verstärken, indem
wir über
der verschäumten
Umfassung eine Lage von ballistischem Material anbrachten. Es wurden
zwei ballistische Stoffe getestet: DYNEEMA und KEVLAR. Jedes Gewebe
wurde allein sowie in Kombination miteinander getestet. Wir wählten Dyneema
als das in unserer Containmentstruktur zu verwendende Gewebe, da
es überragende
Eigenschaften dazu aufwies, Bombensplitter von hoher Geschwindigkeit
aufzufangen. Diese Kuppelzeltausführung hat sich zu einer Basiseinheit
entwickelt, die aus 3 Lagen DYNEEMA sowie einer äußeren und einer inneren Lage
von reißfestem
Nylon hergestellt ist. Es gibt zwei Größen von Containmentstrukturen,
eine von ca. 2,75 m Durchmesser, die andere von ca. 2 m Durchmesser,
die in Testserie 2, unten, verwendet wurde. Dieses Dekontaminationssystem
ist Gegenstand des ebenfalls von uns angemeldeten US-Patents mit
Seriennummer 60/069,533 (Anmeldedatum: 12. Dezember 1997).
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Testserie 1
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Diese Testserie wurde im Herbst 1994
im F&E-Institut
Edgewood Research, Development and Engineering Center auf dem US-Militärstandort „Aberdeen
Proving Grounds" in
Edgewood (Maryland) durchgeführt.
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C-Kampfstoffmodell (siehe 6 und 7)
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Hierbei handelte es sich um eine
einfache Vorrichtung bestehend aus einer Einliter-Laborflasche aus Polyäthylen hoher
Dichte und einem zentralen Zerleger mit ca. 125 g C-4-Explosivstoff,
der durch eine elektrische Sprengkapsel ausgelöst wird. Die Flasche war mit
ca. 950 ml Methylsalicylat, einem Simulat für den C-Kampfstoff Gelbkreuzgas,
gefüllt.
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B-Kampfstoffmodell (siehe 8 und 9)
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Für
dieses Modell wurde dieselbe Ausführung verwendet, aber das Methylsalicylat
wurde durch Calciumhydroxid, ein B-Kampfstoffsimulat, ersetzt.
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Beschreibung
der Testanlage
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Diese Testserie wurde in einer zylindrischen
ca. 6 m hohen Blasttestkammer von ca. 9,75 m Durchmesser durchgeführt.
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Schaum-Containmentvorrichtungen
zur Unterdrückung
der Dispersion
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Es handelt sich um ein kuppelförmiges Zweimann-Nylonzelt
von 2 m Durchmesser, das mit einem die Dispersion unterdrückenden
Schaum DSF (Dispersal Suppressant Foam) gefüllt ist. DSF ist ein SILVEX-Schaumkonzentrat,
das auf 1,7 Gew.-% in Wasser verdünnt wird. Es versteht sich
für den
Durchschnittsfachmann, dass diese Ergebnisse erfindungsgemäß auf andere
Schaumformulierungen übertragbar
sind, d.h. auf die oben beschriebenen Formulierungen, auf Grundlage
der Beurteilung verschiedener physikalischer Merkmale des mit diesen
Formulierungen erzeugten Schaums im Vergleich mit SILVEX-Schäumen und
eines Blasttests mit einer dieser Formulierungen (GCE-3) gegen eine
tatsächliche,
waffenfähiges
Material enthaltende behelfsmäßige Sprengvorrichtung,
wobei wir ähnliche
Blastmitigationseigenschaften beobachteten. Tests zur Bestätigung der
Ergebnisse sind im Gange. Diagnostische
Instrumente / Verfahren
Chemische
Konzentration | Miniatur-Infrarot-Gasanalysator
(MIRAN)TM |
Biologische
Konzentration | Erfassung
der Massenkonzentration atmosphärischer Aerosole |
Blast-Überdrücke | ENDEVCOTM – Piezoresistiver
Druckmessgeber und AndersonBlastmesser |
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Testserie II – 1996
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Diese Testserie wurde im Herbst 1996
im F&E-Institut
Edgewood Research, Development and Engineering Center auf dem US-Stützpunkt „Aberdeen
Proving Grounds" in
Edgewood (Maryland) durchgeführt.
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Vorrichtungsmodell
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In Serie I beruhte das Modell auf
einem Verfahren mit einer einfachen nichtsplitterbildenden Explosionsstoff
dispergierenden Vorrichtung. In dieser Testserie haben wir die Auswirkungen
von splitterbildenden Hochenergie-Vorrichtungen zur Dispersion von
Kampfstoffen untersucht, aber auch Dispersionssysteme von niedrigerer
Energie, d.h. zur Bildung von Hochdruckaerosolen, gewählt.
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Das gewählte Kampfstoffsimulat war
Methylsalicylat (MS). Wir haben keine Tests mit Bio-Simulaten durchgeführt, da
wir der Meinung waren, der C-Kampfstoff stelle als Herausforderung
für unsere
Mitigationssysteme den schlimmsten Fall dar und ein Bio-Schuss sei
lediglich eine unnötige
Duplikation.
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Wir benutzten die folgenden Vorrichtungen:
Vorrichtung
1 | 100
g C-4 zentraler Zerleger in Einliter-Plastiklaborflasche mit ca. 950 ml MS |
Vorrichtung
2 | 120
g Dispersionsladung am Boden einer Einliter-Laborflasche mit 1 Liter MS |
Vorrichtung
3 | MX – Stahlwerkzeugkasten
mit Batterien, Timer, Schaltvorrichtung, 500 ml MS-Simulat; X bedeutet Gramm
C-4, d.h. 115, 230, 345 g |
Vorrichtung
4 | Handelsüblicher
Gartensprüher
mit 1 Liter MS |
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Beschreibung
der Versuchsanlage
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Diese Testserie wurde in einer Testkammer
von 169 m3 (ca. 6 × 9,2 × 3 m) auf einem Schießstand des US-Militärstandorts
Aberdeen Proving Grounds durchgeführt.
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Schaum-Containmentvorrichtungen
zur Unterdrückung
der Dispersion
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Es handelt sich um eine mit ca. 570
Kubikfuß [ca.
16,1 m
3) DSF-Schaum gefüllte kuppelförmige Umfassung
aus fünf
Lagen Textilverbundstoff Die Außen-
und Innenlage besteht jeweils aus reißfestem Nylon und die drei
inneren Lagen bestehen aus DYNEEMA, einem ballistischen Gewebe.
Der DSF-Gehalt ist derselbe wie in Testserie 1. Diagnostische
Instrumente/Verfahren
Chemische
Konzentration – | Miniatur-Infrarot-Gasanalysator |
Kammer | (MIRAN)TM |
Chemische
Konzentration – | Aerosolsimulate
an der Luft des |
Bereich
(drei Proben pro Schuss | Standorts
gesammelt; |
wie
unten angegeben) | Überwachungssystem
(DAAMS) |
| Tuben
thermisch desorbiert in HP |
| 5890
GC/FID |
Blast-Überdrücke | ENDEVCO – Piezoresistiver
Druckmessgeber und Anderson-Blastmesser |
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Vom 25. bis 27. Mai 1999 wurde bei
DRES eine Versuchsreihe durchgeführt,
um die Bereitschaft und Leistungsfähigkeit der in Tabelle 4 beschriebenen „endgültigen" Fassung der DSF-Formulierung,
einschließlich
einem CB-Dekontaminationsmittel, zu verifizieren.
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DSF-Versuchssimulat
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Eine mit DEM (Diäthylmalonat) gefüllte 250-ml-Nalgeneflasche
wurde auf den Boden eines Stahl-Containmentblechs gesetzt, das sich
in einer mit Polyäthylen-Dampfsperrmaterial
abgedichteten Holzrahmenumfassung befand. Die Flasche war mit einer
18 cm langen Sprengschnur (150 Korn) und einem elektronischen Detonator
(Nr. 12) versehen. Die Maße
der Umfassung waren ca. 4 × 4 × 3 m. Auf
einer Bank innerhalb der Umfassung waren ein MIRAN-Analysator und
zwei C-Kampfstoffmonitoren
(CAMs = Chemical Agent Monitors) sowie andere Bauelemente des C-Kampfstoffdetektionssystems
CADS (Chemical Agent Detection System). Rings um die Umfassung und
außerhalb
derselben waren im Abstand von ca. 5 m vier CADS-Stationen und vier
MIRAN-Analysatoren
angebracht. Die MIRANs waren wie folgt eingestellt:
Wellenlänge | 8,65
Mikrometer (DEM) |
Weglänge | 20,25
m |
Schlitzbreite | 1
mm |
Bereich
der Absorptionsskala | 0,1
A |
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Die CAMs der CADS-Station waren auf
G-Modus eingestellt, da DEM in diesem Modus reagiert.
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Zwei Beamte der Kanadischen Bundespolizei
[RCMP] stellten das kleinere der beiden verfügbaren „Blast Guard"-Ballistikzelte,
die in dem ebenfalls von uns angemeldeten US-Patents mit Seriennummer 09/308,836
beschrieben werden, über
der Flasche auf und füllten
das Zelt mit fertiggemischtem, CB-Kampfmittel dekontaminierendem,
blastunterdrückendem
Schaum, der mit dem Irvin Aerospace-Pumpsystem geliefert wurde.
Die Betriebsparameter des Schaumeintrags sind ein Expansionsverhältnis von
20-25 und eine Durchflussrate von ca. 227 Liter [60 US-Gallonen]
in der Minute an der luftaspirierten Düse. Die Düse ist Gegenstand unseres ebenfalls
beantragten US-Patents mit Seriennummer 60/069,533. Nachdem das
Zelt gefüllt war
und das Personal die Anlage verlassen hatte, wurde die Flasche mit
einem ZEB-Zünder
durch Fernbedienung detoniert. Das Zelt dämmte alles Material ein und
erlitt keinen Blastschaden. Diese im Zelt stattfindende Detonation
erzeugte sehr wenig Geräusch.
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Nach Kontrolle der Anlage und des
Zeltes zur Vergewisserung, dass das Explosivmittel richtig funktioniert
hatte, wurde die Luft unter der Zeltkuppel und im Containmentraum
mit tragbaren CAMs und mit dem Hapsit-GC/MS-Analysator untersucht.
Diese Luftproben wurden 10 Minuten nach der Detonation der mit DEM gefüllten Flasche
entnommen. Die Temperatur unter der Zeltkuppel wurde mit einer tragbaren
Infrarot„Temperaturpistole" gemessen. Weitere
Messungen mit CAMs wurden 30 Minuten nach der Detonation durchgeführt.
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Das Zelt wurde geöffnet; und der Inhalt konnte
auf das Containmentblech auslaufen. Weitere CAM-Luftmessungen wurden
nahe an der Flüssigkeit
durchgeführt,
um festzustellen, ob Reste von DEM vorhanden waren.
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DSF-Test – Kampfmittel
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Dieselbe Versuchsanlage, die für den DEM-Simulattest
benutzt wurde (siehe oben), kam auch für den Test auf Gelbkreuzgas
zum Einsatz, jedoch mit folgenden Änderungen:
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- - die mit Gelbkreuzgas gefüllte 250-mg-Nalgeneflasche
wurde an einem Ringstand befestigt, der ca. 30 cm über dem
Boden des Containmentbleches statt auf dessen Boden angebracht war;
- - das größere der
beiden „Blast
Guard"-Ballistikzelte
wurde über
der Flasche aufgestellt;
- - die CAMs wurden auf H-Modus eingestellt;
- - die analytische Wellenlänge
jedes MIRAN-Analysators wurde auf 13,25 Mikrometer eingestellt.
Dies stellte sich nachträglich
als untauglich für
die Überwachung
von Gelbkreuzdämpfen
heraus (siehe Ergebnisse und Diskussion);
- - alle an dieser Erprobung Beteiligten trugen die persönliche Schutzausrüstung (IPE
= Individual Protective Equipment) der kanadischen Streitkräfte (NBC
Protective Ensemble) mit C4-Respirator
und ABC-Handschuhen und -Überschuhen.
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Zwei RCMP-Beamte füllten das
Zelt mit fertiggemischtem CBdekontaminierendem, blastunterdrückendem
Schaum, der aus dem Pumpensystem von Irvin Aerospace geliefert wurde.
Nachdem das Personal die Anlage verlassen hatte, wurde die Flasche
mit einem ZEB-Zünder
durch Fernbedienung detoniert. Das Zelt dämmte alles Material ein und
erlitt keinen Blastschaden. Diese im Zelt stattfindende Detonation
erzeugte sehr wenig Geräusch.
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Nach Kontrolle der Anlage und des
Zeltes zur Vergewisserung, dass das Explosivmittel richtig funktioniert
hatte, wurde die Luft unter der Zeltkuppel und im Containmentraum
mit tragbaren CAMs und mit dem Hapsit-GC/MS-Analysator 10 Minuten
nach dem Funktionieren der Dispersionsvorrichtung untersucht. Die Temperatur
unter der Zeltkuppel wurde mit der tragbaren Infrarot-„Temperaturpistole" gemessen. Eine zweite Messung
mit CAMs wurde 30 Minuten nach der Detonation durchgeführt. Der
Zeltinhalt wurde eine Stunde lang stehen gelassen, bevor das Zelt
geöffnet
wurde und der Inhalt auf das Containmentblech auslaufen konnte.
Die Luft über
der Restflüssigkeit
wurde erneut mit CAMS gemessen.
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ERGEBNISSE:
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DSF-Testsimulat
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Es waren weniger als 5 Minuten erforderlich,
um das für
diesen Test benutzte kleinere Zelt mit dem Pumpsystem von Irvin
Aerospace vollständig
zu füllen.
Das schaumgefüllte
Zelt konnte die Flaschenfragmente und das dispergierte DEM völlig eindämmen, wobei
es zu keinen sichtbare Anzeichen von Schaden oder Lecks kam. Die
Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen zeigten, dass sich das Zelt
zum Zeitpunkt der Auslösung
der Dispersionsvorrichtung sehr wenig bewegte.
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DSF-Testkampfmittel
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Es waren ca. 5 Minuten erforderlich,
um das für
diesen Test benutzte größere Zelt
mit dem Pumpsystem von Irvin Aerospace vollständig zu füllen. Das Personal hatte keine
Schwierigkeiten, das Zelt über
der auf dem Ringstand befestigten Dispersionsvorrichtung aufzustellen.
Das schaumgefüllte
Zelt konnte die Flaschenfragmente und das dispergierte Gelbkreuzgas
völlig
eindämmen,
wobei es keine sichtbaren Anzeichen von Schaden oder Lecks gab.
Die Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen zeigten, dass sich das Zelt
zum Zeitpunkt der Auslösung
der Dispersionsvorrichtung sehr wenig bewegte.
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Es versteht sich, dass die Gegenwart
des CB-Kampfmittel unterdrückenden
Dekontaminationsmittels in der Formulierung die Blastunterdrückungsleistung
nicht beeinträchtigt.
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Wir haben nun festgestellt, dass
die Formulierung ein weiches Gel bildet, das sich beim Rühren oder Pumpen
bei ca. 0° C
verflüssigt.
Keine Ingredienz ist allein dafür
verantwortlich. Wir haben die Formulierung entsprechend modifiziert.
Zunächst
modifizierten wir die Formulierung, indem wir die Tensidmengen halbierten und
die Verschnittmittelmenge erhöhten.
Obwohl bei Verwendung von PPG-Mengen zwischen 20 und 40 Gew.-% kein
wesentlicher Unterschied festgestellt werden konnte, fixierten wir
sie bei 25,0 Gew.-%.
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Dann verglichen wir die Verwendung
von aliphatischem Alkohol C12 als Stabilisator mit dem gegenwärtig verwendeten
aliphatischen Alkohol C12- C14,
wobei wir bei verschiedenen Alkoholkonzentrationen die Verschnittmittelmenge
auf 25,0 Gew.-% erhöhten.
Wir kamen zu dem Schluss, dass die Gelbildung auf den aliphatischen
Alkohol zurückzuführen ist
und eine Funktion seiner Konzentration darstellt. Sowohl der ursprüngliche
C12-C 14-Alkohol als auch der C 12-Alkohol ergab gute Leistungen
bei einer Konzentration von 0–1
Gew.-%. Diese geringfügige Änderung
der Formulierung führte
zu einem wesentlichen Abstieg der Gelatinierungstemperatur und zur
Veränderung
der Gelbeschaffenheit, bei der das Produkt bei Temperaturen um 0° C verwendet
werden kann.
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Die auf denselben Betriebsparametern
des Schaumeintrags (d.h. einem Expansionsverhältnis von 20-25 und einer Durchflussrate
von ca. 227 Liter [60 US-Gallonen] in der Minute an der Düse) beruhenden
Verschäumungseigenschaften
werden von dieser Modifikation nicht geändert. Die gealterte verdünnte Lösung zeigt
keine Veränderung
der Schaumeigenschaften. Das Konzentrat bewährt sich gut in Süßwasser
wie auch in Salzwasser.
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Es steht zu erwarten, dass sich der
aliphatische Alkohol C 10 ebenfalls gut bewähren wird.
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Die in Tabelle 5 gezeigte Komposition
hat einen geringen Vorteil gegenüber
derselben Formulierung mit 0 Gew.-% Alkohol, was die Gelbildung
anbelangt. Tabelle
5
INGREDIENZEN | GEW.-% |
Bioterge
AS 90 | 7,75
% |
Steol
SC 460 | 15,00
% |
PPG
425 | 25,00
% |
Aliphatischer
Alkohol C12 : 97 % | 1,0
% |
(+
Korrosionshemmende Mittel, wie oben beschrieben) | 0,3
% |
Wasser | in
genügender
Menge bis zu 100 % |