DE60006961T2 - Verstärkter verbundwerkstoff aus vernetzter polymer/ton legierung - Google Patents

Verstärkter verbundwerkstoff aus vernetzter polymer/ton legierung Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft absorptionsfähige Materialien. Die Erfindung betrifft insbesondere einen verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff der beispielsweise verwendbar ist für Rückhalte(Containment)-Anwendungen, wie z. B. Deponie-Auskleidungen oder -Abdeckungen, Reservoir-Auskleidungen, Auskleidungen für unterirdische Vorratsbehälter, Auskleidungen für sekundäre Behältnisse und künstlich hergestellte Wasserreservoirs oder für absorptionsfähige Körperpflegeartikel, wie z. B. Windeln, Trainingshosen, Frauenhygieneprodukte, z. B. Damenbinden, Inkontinenz-Einrichtungen und dgl.
  • Technischer Hintergrund
  • Es gibt bereits eine Reihe von technischen Anwendungen für absorptionsfähige Materialien, wie z. B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, für Rückhalte(Containment)-Anwendungen als Mülldeponie-Auskleidungen oder -Abdeckungen, Reservoir-Auskleidungen, Auskleidungen für unterirdische Lagerbehälter, Auskleidungen für sekundäre Behälter und künstlich hergestellte Wasseraufnahmebehälter oder absorptionsfähige Körperpflegeartikel, wie z. B. Windeln, Trainingshosen, Frauenhygieneprodukte, beispielsweise Damenbinden, Inkontinenz-Einrichtungen und dgl. Obgleich die Anwendungen vielfältig sind, besteht ein Bedarf für ein Material mit einem verbesserten Wasserabsorptionsvermögen und/oder verbesserten Flüssigkeitssperrschicht-Eigenschaften.
  • So können beispielsweise in Abfallbehälter-Anwendungen hydraulische Sperrschichten das Entweichen oder Lecken von schädlichen Laugen in Oberflächen- und Grundwasser vermindern. In künstlich hergestellten Gewässern dient eine hydraulische Sperrschicht dem Rückhalten des Wassers innerhalb einer Begrenzung oder eines definierten Staubereiches.
  • Bei einem Auskleidungs-Typ werden hydraulische Sperrschichten häufig aus Beton hergestellt. Insbesondere wird Bentonit mit Erde gemischt, die den Wasserrückhaltebereich bildet. Beim Kontakt des Bentonits mit Wasser quillt der Bentonit auf und füllt dadurch die Hohlräume, die in Erde zu finden sind. Das Wasserabsorptionsvermögen von Bentonit allein ist jedoch häufit nicht ausreichend für die Aufnahme von wasserlöslichen Abfällen.
  • In US-A-3 949 560 (Clem, 13. April 1976) ist eine Bodenversiegelungs-Zusammensetzung beschrieben, die eine trockene Mischung mit Erde darstellt. Die Bodenversiegelungs-Zusammensetzung besteht aus Bentonit, einem wasserlöslichen Dispergiermittel und einem vorher hergestellten wasserlöslichen Polymer. Das wasserlösliche Dispergiermittel ist ein Phosphorsäuresalz, ein Sulfat von ROSO3X (R steht für einen C8-C32-Kohlenwasserstoff, X steht für ein Alkalimetall oder für Ammonium) oder ein Leonardit-Salz. Bei dem vorher hergestellten wasserlöslichen Polymer handelt es sich um Polyacrylsäure, um wasserlösliche Salze der Polyacrylsäure, hydrolysiertes Polyacrylnitril, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Copolymere der vorgenannten Verbindungen oder um ein Copolymer von Acrylsäure und Maleinsäureanhydrid. Aus der Mischung aus Erde und Bodenversiegelungsmaterial wird ein Wasseraufnahme-Behälter hergestellt und mit Wasser in Kontakt gebracht, um den Bentonit zu hydratisieren. Der resultierende hydratisierte Behälter wird verwendet für die Aufnahme von Wasser, das mit Industrieabfällen verunreinigt ist. Zusammen mit der Mischung aus Erde und Bodenversiegelungsmittel wird kein Verstärkungsmittel verwendet.
  • In US-A-4 048 373 (Clem. 13. September 1977), US-A-4 103 499 (Clem, 1. August, 1978) und US-A-4 139 588 (Clem, 13. Februar, 1979) ist eine Wassersperrschicht-Platte oder eine feuchtigkeitsundurchlässige Platte beschrieben, die besteht aus einem Bodenversiegelungsmittel, das sandwichartig zwischen zwei Pappkarton-Lagen angeordnet ist. Insbesondere ist die Platte hergestellt aus einem Wellpappe-Träger oder einer Form, die ein Paar von im Abstand voneinander angeordneten einander gegenüberliegenden Kartonlagen umfasst, die durch einen Wellpappe-Streifen miteinander verbunden sind unter Ausbildung einer Vielzahl von Hohlräumen. Die Hohlräume werden mit der Erdbodenversiegelungs-Zusammensetzung, wie sie in US-A-3 949 560 beschrieben ist, gefüllt und die Ränder der Platte können mit Wachs, mit einem Klebestreifen oder mit wasserlöslichem Gummi versiegelt werden. Beim Kontakt mit Wasser passiert die Feuchtigkeit die Karton-Lage bis zu der Erdbodenversiegelungs-Zusammensetzung, in welcher der Bentonit aufquillt.
  • Neuerdings sind so genannte geosynthetische Tonauskleidungen ("GCL") für die Verwendung als hydraulische Sperrschichten relativ weit verbreitet. Eine GCL weist eine Schicht aus Bentonit auf, die von einem Geotextil- oder einem Geomembran-Material getragen wird, wobei das Ganze durch Nadeln, Heften oder chemische Klebstoffe mechanisch zusammengehalten wird. Ein Beispiel für eine GCL, die mit einem chemischen Klebstoff hergestellt ist, ist in US-A-4 467 015 (Clem, 21. August 1984) beschrieben. In diesem Patent ist eine Wasserabdichtungsstruktur oder ein wasserundurchlässiges Folienmaterial beschrieben, das besteht aus Schichten aus flexiblen Trägerfolien, die mit einer in Wasser quellbaren Zusammensetzung beschichtet sind. Bei der in Wasser quellbaren Zusammensetzung handelt es sich um Ton oder eine trockene körnige Mischung aus Ton, einem vorher hergestellten wasserlöslichen Polymer wie z. B. Polyacrylsäure und einem wasserlöslichen Salz. Die Zusammensetzung wird durch Verwendung eines Klebstoffes zusammengehalten, wobei es sich dabei um einen in Wasser löslichen oder in Wasser unlöslichen oder um einen in einem Lösungsmittel löslichen oder in einem Lösungsmittel unlöslichen Klebstoff handelt. Ein Nachteil dieses Laminat-Typs besteht darin, dass der Ton in der GCL zusammen mit der Lauge, die durch die Auskleidung fließt, noch aus der GCL abwandern kann, wenn auch sehr langsam.
  • In US-A-4 810 573 (Harriet, 7. März 1989) ist ein Laminat-Verbundwerkstoff beschrieben, bei dem eine Tonzusammensetzung an einer für Wasser undurchlässigen Folie haftet. Die Tonzusammensetzung ist eine innige Mischung aus einem in Wasser quellbaren Ton und einem vorher hergestellten Elastomer, beispielsweise Polypropylen und/oder Polybuten. Die innige Mischung aus Ton und Elastomer wird hergestellt, indem man Ton mit vorher hergestellten Elastomeren in einem Sigma-Mischer mischt, um das Elastomer damit zu verkneten. Die Tonzusammensetzung wird mit der für Wasser undurchlässigen Folie haftend verbunden durch Aufwalzen unter Bildung eines Laminats. In US-A-5 580 630 (Byrd, 3. Dezember 1996) ist ein Mehrschichten-Gegenstand beschrieben, in dem die gleiche Tonzusammensetzung wie von Harriet verwendet wird.
  • JP 62/243 606 (Kobayashi et al.) und JP 63/028 639 (Watanabe et al.) beschreiben ein absorptionsfähiges Verbundwerkstoff-Laminat, das hergestellt wird durch Aufbringen einer wässrigen Monomerlösung durch Siebdruck, Gravürbeschichtung, Aufnebeln oder Aufblasen mit einer Sprüheinrichtung. In JP 62/243 606 ist ein Laminat beschrieben, bei dem eine Polymer-Klebstoffschicht an einer Substratschicht haftet. In JP 63/028 639 ist die Herstellung eines Klebstoffes zum Verbinden von zwei Substratschichten zur Herstellung eines Laminats beschrieben. In beiden Patentanmeldungen wird ein pulverisierter Füllstoff, wie z. B. Talk, Ton und Diatomeenerde, zugegeben, nachdem der Klebstoff hergestellt worden ist, nicht während dessen Herstellung (d. h. nicht während der Polymerisationsreaktion).
  • Wie oben angegeben, können die Schichten der GCL anstatt durch Verwendung eines chemischen Klebstoffes mechanisch auf andere Weise zusammengehalten werden, beispielsweise durch Heften und Nadelstanzen. So ist in US-A-4 565 468 (Crawford, 21. Januar 1986) eine für Feuchtigkeit undurchlässige Sperrschicht beschrieben, die aus zwei Gewebeschichten besteht, die miteinander versteppt (vernäht) sind. Auf einem Basisfolienelement mit einer Schicht aus Bentonit, der auf der oberen Oberfläche desselben ruht, ist ein Abdeckfolienelement angeordnet. Das Abdeckfolienelement ist an dem Basisfolienelement befestigt durch sich dazwischen erstreckende Absteppungen (Stiche). Durch die Versteppung entstehen entweder abgenähte Abteilungen oder längliche rippenförmige Abteilungen, die den Bentonit darin enthalten.
  • In DE-A-37 04 503 (Heerten et al.) ist ein Artikel mit zwei Gewebeschichten beschrieben, die sandwichartig eine Bentonittonschicht umschließen, wobei die beiden Gewebeschichten durch Nadelstanzen miteinander verunden sind. In US-A-5 174 231 (White, 29. Dezember 1992) ist ein Mehrschichten-Gegenstand beschrieben, der eine Zwischenschicht aus einem in Wasser quellbaren kolloidalen Ton enthält, die sandwichartig zwischen zwei Schichten aus einem flexiblen Material oder Gewebeschichten eingeschlossen ist. Die beiden Schichten sind strukturell miteinander verbunden über die Ton-Zwischenschicht, beispielsweise durch Nadelstanzen, Vernähen, Absteppen, oder Verweben mittels einer Nadel, um die Fasern einer Gewebeschicht mit denjenigen der anderen Gewebeschicht an im Abstand voneinander angeordneten Stellen über praktisch die gesamten Oberflächenbereiche der beiden Schichten miteinander zu verbinden.
  • In diesen GCLs sind somit die Tonteilchen entweder mit dem Geotextilmaterial oder der Geomembran haftend verbunden oder sie sind physikalisch eingeschlossen zwischen einander gegenüberliegenden Schichten aus einem Geotextilmaterial oder einer Geomembran. Die einander gegenüberliegenden Schichten aus Geotextilmaterial oder Geomembranen werden durch Einrichtungen, wie z. B. durch Vernähen, Versteppen und Vernadeln mechanisch zusammengehalten, wodurch die Bewegung der Tonteilchen dazwischen eingeschränkt ist. Die Tonteilchen in dem für diese Zwecke verwendeten körnigen Bentonit haben jedoch in der Regel eine Größe von einigen μm oder weniger im Durchmesser. Außerdem sind die leeren Hohlräume in den Geotextilien oder Geomembranen und die Abstände zwischen den Stichen oder Vernadelungen größer als die Größe der Tonteilchen. Es ist somit möglich, dass die Tonteilchen in der GCL aus der Auskleidung auswandern, insbesondere dann, wenn sie unter einen hydraulischen Druckgradienten gesetzt werden, wenn auch langsam.
  • Es ist allgemein bekannt, dass Bentonit in frischem Wasser (Süßwaser) gut aufquillt, jedoch schlecht aufquillt in Salze und/oder Metalle enthaltendem Wasser, beispielsweise in Salzwasser, Meerwasser und in sauren Grubenabwässern und dgl. Daher sind GCLs zwar wirksame Sperrschichten für Süßwasser (Frischwasser), sie stellen jedoch unwirksame Sperrschichten dar für Wasser, das hohe Konzentration an Salz und gelösten Metallen enthält.
  • Ein anderes Problem, das bei den GCL auftritt, besteht darin, dass der Bentonit in der Regel trocken ist und daher Abwasser durch die GCL fließen kann, bis der Bentonit aufgequollen ist. Daher muss die GCL nach der Installation vorhydratisiert werden. Diese Vorhydratisierungsstufe kann beispielsweise bis zu 48 h dauern.
  • Noch ein anderes Problem, das bei der GCL auftritt, ist ihr Gewicht. In der Regel hat eine GCL ein Gewicht von mehr mehr als 5 kg/m2. Wegen ihres Gewichts sind die Transport- und Installationskosten beträchtlich.
  • Es besteht daher ein Bedarf für ein absorptionsfähiges Material (Absorbensmaterial) für Rückhalteanwendungen, insbesondere für Umwelt-Rückhalteanwendungen, das gegenüber Salzwasser und Verunreinigungen beständig ist. Außerdem besteht ein Bedarf für eine Sperrschicht-Auskleidung, die leichter ist als GCL, die jedoch im Wesentlichen vergleichbare oder sogar bessere Sperrschicht-Eigenschaften, verglichen mit GCL, aufweist. Darüber hinaus besteht ein Bedarf für ein absorptionsfähiges Material (Absorbensmaterial), das fest integrierte Komponenten aufweist, die nicht dispergieren und/oder nicht aus dem Produkt auswandern, insbesondere wenn sie Wasser ausgesetzt werden oder in Wasser eingetaucht werden, und das auf wirksame Weise auch Wasser, das Salz und/oder Metalle enthält, absorbieren kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes, das die Stufen umfasst:
    • (a) Herstellung einer Monomer/Ton-Mischung durch Mischen mindestens eines Monomers, von Tonteilchen, eines Vernetzungsmittels und einer Mischflüssigkeit in einem Behälter;
    • (b) Inkontaktbringen der Monomer/Ton-Mischung mit einem Verstärkungsmittel;
    • (c) Einwirkenlassen einer Polymerisationsinitiator-Einrichtung auf die Monomer/Ton-Mischung; und
    • (d) Polymerisieren der Monomer/Ton-Mischung in Gegenwart des Verstärkungsmittels, sodass ein verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff gebildet wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Produkt, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff, der eine netzwerkförmige Polymer/Ton-Legierung umfasst, wobei die Legierung eine chemisch integrierte Zusammensetzung aus einem Polymer und einem Ton ist und die Legierung mit einem Verstärkungsmittel eine feste Einheit bildet, sodass dann, wenn der Verbundwerkstoff bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 20 bis etwa 30°C in entionisiertes Wasser eingetaucht wird, die Legierung aufquillt, wobei sich praktisch kein Ton von dem Verbundwerkstoff abtrennt.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren, bei dem der verstärkte netzwerkförmige Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff als absorptionsfähiges Material (Absorbensmaterial) für ein Körperpflegeprodukt oder als Flüssigkeits-Sperrschicht in einem Grenzspannungsbereich von etwa 0 bis etwa 10000 kPa verwendet wird, wobei dann, wenn die Sperrschicht unter eine Null-Grenzspannung gesetzt wird, die Sperrschicht einen Durchfluss bzw. eine Durchflussmenge für entionisiertes Wasser von weniger als etwa 1 × 10–8 m3/m2/s aufweist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Der erfindungsgemäße verstärkte netzwerkförmige Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes sind besser verständlich unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und die beiliegenden Zeichnungen, wobei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung für die Verwendung zur Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes;
  • 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung für die Verwendung zur Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes;
  • 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung für die Verwendung zur Herstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes;
  • 4 eine graphische Darstellung der Ergebnisse des Durchflusstests in Beispiel 6 für eine 3,5 gew.-%ige NaCl-Lösung und des minimalen Durchflusses bei einer konventionellen GCL unter ähnlichen Salzwasser-Bedingungen, wie er durch die gestrichelte Linie angegeben ist;
  • 5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse des Durchflusstests in Beispiel 6 für künstliches Meerwasser und des minimalen Durchflusses bei einer konventionellen GCL unter ähnlichen Salzwasser-Bedingungen, wie er durch die gestrichelte Linie angezeigt ist;
  • 6 eine Abtastelektronenmikroskop (SEM)-Mikrofotografie in Form einer ebenen Draufsicht auf das in Beispiel 7 verwendete Verstärkungsmittel bei einer Vergrößerung von 140-fach;
  • 7 eine SEM-Mikrofotografie eines hydratisierten Polymers, das zum Vergleich in Beispiel 7 verwendet wurde, bei einer Vergrößerung von 7000-fach;
  • 8 eine SEM-Mikrofotografie eines Querschnitts eines in Beispiel 7 hergestellten verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes bei einer Vergrößerung von 50-fach;
  • 9 eine SEM-Mikrofotografie eines Querschnitts eines in Beispiel 7 hergestellten verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes bei einer Vergrößerung von 270-fach;
  • 10 eine SEM-Mikrofotografie eines Querschnitts eines in Beispiel 7 hergestellten, in Wasser aufgequollenen verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes bei einer Vergrößerung von 500-fach;
  • 11 eine SEM-Mikrofotografie eines Querschnitts eines in Beispiel 7 hergestellten, in Wasser aufgequollenen verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes bei einer Vergrößerung von 4500-fach;
  • 12 eine SEM-Mikrofotografie eines Querschnitts eines in Wasser auf gequollenen Polymers ohne Ton bei einer Vergrößerung von 650-fach;
  • 13A und 13B zeichnerische Darstellungen, die auf Fotografien basieren, die von der Probe A des Beispiels 8 vor dem Eintauchen in entionisiertes Wasser (13A) und nach 3-stündigem Eintauchen in entionisiertes Wasser (13B) aufgenommen wurden;
  • 14A und 14B Zeichnungen, die auf Fotografien basieren, die von der Probe D in Beispiel 8 vor dem Eintauchen in entionisiertes Wasser (14A) und nach 3-stündigem Eintauchen in entionisiertes Wasser (14B) aufgenommen wurden; und
  • 15A und 15B Zeichnungen, die auf Fotografien basieren, die von der Probe G in Beispiel 8 vor dem Eintauchen in entionisiertes Wasser (15A) und nach 3-stündigem Eintauchen in entionisiertes Wasser (15B) aufgenommen wurden.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Definitionen
  • Ein "Monomer" ist ein organisches Molekül, das sich mit eine Reihe gleicher oder unterschiedlicher Moleküle verbinden kann unter Bildung eines großen Moleküls mit wiederkehrenden Monomer-Einheiten, wobei die wiederkehrenden Monomer-Einheiten eine ähnliche chemische Struktur und Atom-Zusammensetzung wie die monomeren Einheiten haben.
  • Ein "Polymer" ist ein großes Molekül, das aus gleichen oder unterschiedlichen wiederkehrenden Monomer-Einheiten aufgebaut ist und es hat in der Regel ein Molekulargewicht in dem Bereich von etwa 10000 bis etwa 20000000. Der hier verwendete Ausdruck "Polymer" umfasst auch ein Polymer, das aus zwei oder mehr verschiedenen wiederkehrenden Einheiten aufgebaut ist, wie z. B. Copolymere (d. h. solche, die zwei verschiedene Monomer-Einheiten umfassen), Terpolymere (d. h. solche, die drei verschiedene Monomer-Einheiten umfassen), Tetrapolymere (d. h. solche, die vier verschiedene Monomer-Einheiten umfassen) und dgl. Darüber hinaus können die wiederkehrenden Monomer-Einheiten sich in ihrer Aufeinanderfolge abwechseln (z. B. A-B-A-B), einen Block bilden (z. B. A-A-B-B), ein Random-Muster haben (A-B-B-A-B-A) oder Kombinationen davon sein.
  • Ein "Oligomer" ist ebenfalls aus gleichen oder verschiedenen wiederkehrenden Monomer-Einheiten aufgebaut, es ist jedoch ein kleineres Molekül als ein Polymer und hat in der Regel ein Molekulargewicht in dem Bereich von etwa 200 bis zu etwa 9 000.
  • Unter dem Ausdruck "Polymerisationsinitiator-Einrichtung" ist eine chemische Substanz, γ-Strahlung, Röntgenstrahlung, eine Strahlung aus energiereichen subatomaren Teilchen, wobei jeder Strahlungstyp eine Wellenlänge von weniger als etwa 10 nm aufweist (allgemein als energiereiche Strahlung bezeichnet), und Kombinationen davon, zu verstehen, wodurch die Reaktionsfähigkeit eines Monomers erhöht werden kann, sodass eine Polymerisations- oder Oligomerisations-Kettenreaktion zwischen den Monomeren initiiert wird und ein Polymer oder Oligomer gebildet wird. Bei der geeigneten Temperatur werden bestimmte chemische Substanzen entweder zu Ionen- oder Freiradikal-Species, die mit einem Monomer allein reagieren können unter Bildung von Ionen- oder Freiradikal-Monomer-Species, die ihrerseits mit einem anderen Monomer reagieren können, wodurch eine Polymerisationsreaktion initiiert wird. Außerdem kann energiereiche Strahlung dazu verwendet werden, eine Ionen- oder Freiradikal-Monomer-Species aus einem Monomer und/oder einer anderen chemischen Substanz als einem Monomer zu bilden, um eine Polymerisationsreaktion zu initiieren.
  • Unter dem Ausdruck "Vernetzungsmittel" sind zu verstehen eine chemische Substanz, Protonen, die durch eine Strahlungsquelle gebildet werden, und Kombinationen davon, welche die Bildung eines Brückenrestes zwischen zwei oder mehr Grundgerüst-Strukturen unterstützen, die durch mehrere Monomer-Einheiten (beispielsweise oligomere oder polymere Einheiten) gebildet werden. Ein Vernetzungsmittel kann somit oligomere oder polymere Species während oder nach ihrer Bildung miteinander verknüpfen.
  • Ein "netzwerkförmiges Polymer" ist ein sehr großes Polymer-Molekül, das durch Vernetzung von mehreren Oligomeren und/oder Polymeren gebildet wird unter Ausbildung eines zusammenhängenden Polymer-Netzwerks. Ein netzwerkförmiges Poly mer kann Vernetzungs-Reste zwischen den Oligomeren und/oder Polymeren aufweisen, wobei die Reste gebildet werden entweder durch das Vernetzungsmittel selbst, durch Verzweigungen, die an das Grundgerüst jedes Oligomers und/oder Polymers gebunden sind, oder durch Kombinationen davon.
  • Eine "netzwerkförmige Polymer/Ton-Legierung" ("NPC-Legierung") ist eine chemisch integrierte Zusammensetzung aus einem Polymer und einem Ton. Die Tonteilchen bilden eine neuartige chemische Kombination mit dem netzwerkförmigen Polymer, wenn dieses sich gebildet hat. Die chemische Kombination kann beispielsweise erzielt werden, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch eine Wasserstoffbindung, durch eine Ionenbindung, durch eine Van der Waals/Dipol-Bindung, durch eine Affinitäts-Bindung, eine kovalente Bindung und Kombinationen davon.
  • Ein "Verstärkungsmittel" ist ein Material, das eine ausreichend poröse oder durchlässige Struktur hat, sodass ein netzwerkförmiges Polymer und/oder eine NPC-Legierung sich um das Material herum und/oder in der Struktur des Materials bilden kann, wodurch zusätzlich ein Träger für das oben genannte netzwerkförmige Polymer oder die Polymer/Ton-Zusammensetzungen entsteht und/oder diese verstärkt werden.
  • Ein "verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff' ("verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff") ist eine makroskopische Kombination, die ein Verstärkungsmittel und eine NPC-Legierung umfasst. Es besteht eine inninige dreidimensionale integrierte Kombination zwischen den Komponenten des Verbundwerkstoffes im Gegensatz zu einem einfachen zweidimensionalen Laminat-Verbundwerkstoff, bei dem keine Integration entlang einer dritten Dimension vorliegt.
  • Allgemeine Diskussion
  • Ein erfindungsgemäßer verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff ist ein absorptionsfähiges Material, das verwendbar ist beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, für Einschluss(Containment)-Verwendungszwecke, wie z. B. für Deponie-Auskleidungen oder -Abdeckungen, für Reservoir-Auskleidungen, für Auskleidungen von unterirdischen Vorratstanks, für sekundäre Einschluss-Auskleidungen und für Auskleidungen für künstlich hergestellte Wasservorratsbehälter oder für absorptionsfähige Körperpflegeartikel, wie z. B. Windeln, Trainingshosen, Frauenhygieneprodukte, insbesondere Damenbinden, Inkontinenz-Einrichtungen und dgl.
  • Bei Einschluss(Containment)-Anwendungen absorbiert das Verbundwerkstoff-Material vorzugsweise Wasser unber Ausbildung einer Sperrschicht, die dann eine verhältnismäßig geringe Durchlässigkeit für Wasser, Öl und andere Flüssigkeiten hat. In Körperpflegeartikeln weist das Verbundwerkstoff-Material vorzugsweise eine hohes Wasserabsorptionsvermögen auf. Wie weiter unten näher erläutert, können die Eigenschaften des verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes auf die jeweilige Anwendung eingestellt werden.
  • Der erfindungsgemäße verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff weist eine verbesserte Beständigkeit gegen Chemikalien, gegen elektromagnetische Strahlung und biologischen Abbau unter den Bedingungen an der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche auf. Unter einer verbesserten Beständigkeit gegen chemischen Abbau ist zu verstehen, dass der Verbundwerkstoff eine verbesserte Beständigkeit gegenüber beispielsweise Salzwasser und Drainage(Entwässerungs)-Flüssigkeiten mit einem hohen Schwermetall-Gehalt und/oder einem sauren pH-Wert aufweist, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist. Unter einer verbesserten Beständigkeit gegen elektromagnetischen Abbau ist zu verstehen, dass der Verbundwerkstoff eine verbesserte Beständigkeit gegen ultraviolette (UV-)Strahlung und andere potentiell schädliche elektromagnetische Strahlung aufweist. Unter einer verbesserten Beständigkeit gegen biologischen Abbau ist zu verstehen, dass die NPC-Legierung beständiger ist gegenüber bakteriellem Angriff nach der Installation, verglichen mit einem Polymer ohne Ton.
  • Beispielsweise wird die Durchlässigkeit bzw. Permeabilität einer Auskleidung, die aus dem verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff hergestellt ist, durch Salzwasser oder andere wässrige Lösungen, die Schwermetalle enthalten und/oder einen sauren pH-Wert haben, nicht signifikant beeinflusst. Der Verbundwerkstoff stellt somit eine Verbesserung gegenüber einer konventionellen GCL-Auskleidung dar, die in der Regel ihre Wirksamkeit verliert, wenn sie Salzwasser ausgesetzt ist.
  • Als ein weiteres Beispiel ist Polyacrylamid beständig gegenüber den Bedingungen an der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche. Es unterliegt jedoch einem chemischen und UV-Abbau. Der Ton vermindert den Abbau in der NPC-Legierung, indem er das Polymer schützt. Außerdem ist die NPC-Legierung beständiger gegen biologischen Abbau als beispielsweise Polyacrylsäure allein.
  • Bei Verwendung für Sperrschicht-Zwecke wiegt der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff weniger als eine konventionelle GCL pro Einheitsfläche. Außerdem kann der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff ohne Vorhydratation verwendet werden, wie sie häufig für konventionellen GCLs erforderlich ist.
  • Ein verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff wird hergestellt durch gleichmäßige Verteilung einer Mischung aus einem Monomer, Tonteilchen, einem Vernetzungsmittel und einer Mischflüssigkeit (d. h. einer MCX-Mischung) in, auf und/oder zwischen einem Verstärkungsmittel, beispielsweise einem porösen Substrat oder nicht-aggregierter Fasern. Unter dem Ausdruck "gleichmäßige Verteilung" oder "gleichmäßig verteilt" ist zu verstehen, dass eine MCX-Mischung über das poröse Substrat oder nicht-aggregierte Fasern so verteilt ist, dass ein wesentlicher Teil der Oberflächen, Hohlräume und interstitiellen Räume der und/oder zwischen den Fasern oder des Substrats mit der MCX-Mischung bedeckt und/oder ausgefüllt ist. Vorzugsweise ist die MCX-Mischung im Wesentlichen über die Dicke der Verstärkungsmittels gleichmäßig verteilt.
  • Nachdem die MCX-Mischung in, auf und/oder zwischen dem Verstärkungsmittel gleichmäßig verteilt ist, wird die MCX-Mischung polymerisiert. Die Tonteilchen werden mit dem netzwerkförmigen Polymer chemisch verbunden, wenn sich dieses gebildet hat, unter Ausbildung einer NPC-Legierung. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der MCX-Mischung bildet die NPC-Legierung mit dem Verstärkungsmittel eine feste Einheit.
  • Das Polymer und der Ton in der NPC-Legierung kooperieren physikalisch und chemisch (d. h. physikalisch-chemisch) miteinander, sodass der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff für Wasser absorptionsfähig wird. Auf diese Weise kann der Verbundwerkstoff als integrale Einheit beträchtlich aufquellen, wobei sich nur vernachlässigbar geringe Mengen Ton, falls überhaupt (d. h. praktisch kein Ton), von dem Verbundwerkstoff abtrennen, wenn dieser in entionisiertes Wasser eingetaucht wird bei Temperaturen in dem Bereich von etwa 1 bis etwa 60°C.
  • Monomer/Ton-Mischung
  • Die zur Herstellung der NPC-Legierung verwendete Monomer/Ton-Mischung umfasst, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, ein Monomer, Tonteilchen, ein Vernetzungsmittel und eine Mischflüssigkeit. Der Einfachheit halber wird die Mischung von Monomer, Ton, Vernetzungsmittel und Mischflüssigkeit nachstehend als "MCX" bezeichnet.
  • Das Monomer ist in der Mischflüssigkeit mindestens teilweise löslich. Ein in der Mischflüssigkeit lösliches Monomer kann mit anderen (weiteren) Momeren gemischt werden, die in der Mischflüssigkeit löslich oder unlöslich sind. Vorzugsweise hat mindestens ein wasserlösliches Monomer die folgende allgemeinen Formel:
    Figure 00150001
    worin:
    X ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus OM, OR4 und NR5R6, worin M für ein Alkali- oder Erdalkalimetallion oder NH4 + steht,
    R1, R2, R3, R5, R6 und R7 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2CH2CH3 und CN, und OR4 ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus OH, OCH3, OCH2CH3, OCH2CH2CH3, OCH(CH3)2, OCH2CH2CH2CH3, OCH2CH2OH und (OCH2CH2)mOH,
    n für eine Zahl von 0 bis etwa 10 und m für eine Zahl von 1 bis etwa 10 stehen.
  • Besonders bevorzugt ist das Monomer ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Acrylsäure (worin R1 = H, R2 = H, R3 = H, n = 0, X = OR4, R4 = H), Acrylamid (worin R1 = H, R2 = H, R3 = H, n = 0, X = NR5R6, R5 = H, R6 = H), Natriumacrylat (worin R1 = H, R2 = H, R3 = H, n = 0, X = OM, M = Na), Kaliumacrylat (worin R1= H, R2 = H, R3 = N, n = 0, X = OM, M = K), Methacrylsäure (worin R1 = H, R2 = H, R3 = CH3, n = 0, X = OR4, R4 = H), N-Isopropylacrylamid (worin R1 = H, R2 = H, R3 = H, n = 0, X = NR5R6, R5 = CH(CH3)2, R6 = H) und Kombinationen davon.
  • Ein Beispiel für ein Monomer, das mit einem Monomer der oben angegebenen allgemeinen Formel copolymerisiert werden kann, ist ein Vinylester, beispielsweise Vinylacetat. Vinylacetat ist leicht copolymerisierbar und kann als Vinylacetat-Rest aufrechterhalten werden oder es kann anschließend zu dem entsprechenden Vinylalhohol hydrolysiert werden.
  • Die Tonteilchen können aus quellbaren oder nicht quellbaren Tonen bestehen. Zu geeigneten quellbaren Tonteilchen gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, solche aus Montmorillonit, Saponit, Nontronit, Laponit, Beidellit, Eisensaponit, Hectorit, Sauconit, Stevensit, Vermiculit und Kombinationen davon. Zu Beispielen für geeignete nicht quellbare Tonteilchen gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, solche aus Kaolinmineralien (z. B. Kaolinit, Dickit und Nacrit), Serpentinmineralien, Glimmermineralien (z. B. Illit), Chloritmineralien, Sepiolit, Palygorskit, Bauxit, Siliciumdioxid und Kombinationen davon.
  • Vorzugsweise ist der Ton ein quellbarer Ton, wie z. B. die Tone vom Smectit- und Vermiculit-Typ. Besonders bevorzugt ist der Ton ein Ton vom Smectit-Typ. Zu Beispielen für geeignete Smectite gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Montmorillonit (gelegentlich auch als Bentonit bezeichnet), Beidellit, Nontronit, Hectorit, Saponit, Sauconit und Laponit. Bentonit ist ein Beispiel für in der Natur vorkommende Kombination von Tonteilchen. Bentonit ist ein Gestein, das reich an Montmorillonit ist und es kann auch andere Smectite sowie andere Nicht-Ton-Mineralbestandteile enthalten. Infolgedessen werden Montmorillonite oder ihre Mischungen mit anderen Smectiten häufig auch einfach als Bentonit bezeichnet. Bentonittone sind feine Kristalle oder Teilchen, in der Regel mit einer plättchenförmigen Gestalt mit einer Längendimension von bis zu 2 μm und einer Dicke in dem Bereich von einigen wenigen bis zu 10 nm.
  • Quellbare Tone haben die Fähigkeit, Wasser zu absorbieren und sind weniger teuer als Monomere. Daher ist der erfindungsgemäße verstärkte netzwerkförmige Polymer-Verbundwerkstoff weniger teuer als ein solcher, der ohne Ton hergestellt worden ist. Darüber hinaus sind die Tonteilchen beständig gegen Abbau für Langzeit-Umweltanwendungen, wobei sie dennoch ihr Wasserabsorptionsvermögen über lange Zeiträume hinweg beibehalten.
  • Nicht quellbare Tone würden dem verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff eine höhere Beständigkeit gegen Salzwasser verleihen. Auch nicht quellbare Tone sind ebenso wie quellbare Tone billiger als Monomere und würden die Herstellungskosten für den Verbundwerkstoff verringern.
  • Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis zwischen Ton und Monomer in der MCX-Mischung in einem Bereich von etwa 0,05 : 1 bis etwa 19 : 1. Besonders bevorzugt liegt das Gewichtsverhältnis von Ton zu Monomer in der MCX-Mischung in einem Bereich von etwa 0,5 : 1 bis etwa 3 : 1.
  • Zu geeigneten chemischen Substanzen für die Verwendung als Vernetzungsmittel gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, N,N'-Methylenbisacrylamid, Phenolformaldehyd, Terephthalaldehyd, Allylmethacrylat, Diethylenglycoldiacrylat, ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat, Ethylencarbonat, Ethylenglycoldiglycidale ther, Tetraallyloxyethan, Triallylamin, Trimethylolpropantriacrylat und Kombinationen davon.
  • Als allgemeine Regel gilt, dass je nach der ausgewählten Polymerisationsreaktionszeit und -temperatur ein höheres Verhältnis von Vernetzungsmittel zu Monomer im Allgemeinen eine niedrigere Konzentration an restlichem Monomer ergibt, jedoch kann das Wasserabsorptionsvermögen (WAC) des netzwerkförmigen Polymers abnehmen, wenn das Verhältnis zu hoch wird. Das Gewichtsverhältnis von Vernetzungsmittel zu Monomer liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,05 : 100 bis etwa 1,5 : 100. Besonders bevorzugt liegt das Gewichtsverhältnis von Vernetzungsmittel zu Monomer in einem Bereich von etwa 0,05 : 100 bis etwa 0,7 : 100. Am meisten bevorzugt liegt das Gewichtsverhältnis von Vernetzungsmittel zu Monomer in einem Bereich von etwa 0,1 : 100 bis etwa 0,5 : 100.
  • Die Mischflüssigkeit ist ein polares Lösungsmittel. Zu Beispielen für geeignete Mischflüssigkeiten gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschgränkt ist, Wasser, Alkohol, Sauerstoff enthaltende organische Lösungsmittel und Kombinationen davon, in denen das Monomer mindestens teilweise gelöst werden kann. Zu Beispielen für geeignete Sauerstoff enthaltende organische Lösungsmittel gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Alkohole, Glycole, Polyole, Sulfoxide, Sulfone, Ketone und Kombinationen davon. Vorzugsweise handelt es sich bei der Mischflüssigkeit um Wasser, Alkohol oder eine Kombination davon. Am meisten bevorzugt ist die Mischflüssigkeit Wasser.
  • Vorzugsweise liegt die Menge der Mischflüssigkeit in der MCX-Mischung in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 90 Gew.-%. Besonders bevorzugt liegt die Menge der Mischflüssigkeit in der MCX-Mischung in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 80 Gew.-%. Am meisten bevorzugt liegt die Menge der Mischflüssigkeit in der MCX-Mischung in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 60 Gew.-%.
  • Zusätzlich umfasst die MCX-Mischung vorzugsweise ein oder mehr Additive. Als Additive können Puffer und/oder Neutralisationsmittel verwendet werden, um den pH- Wert der Mischung in einem vorgegebenen Bereich zu halten und/oder saure und/oder basische Monomere zu neutralisieren.
  • Auch Metallkomplexbildner können als Additive verwendet werden zur Bildung von Metallkomplexen, um dadurch Metallionen, welche sonst die Bildung der NPC-Legierung stören könnten, zu entfernen. Beispielsweise wird ein Acrylamid-Monomer in der Regel hergestellt mit Kupfer(II)-Salzen als Stabilisator (beispielsweise um die Polymerisation während des Versandes oder während der Lagerung zu hemmen). Somit kann ein Metallkomplexbildner, wie z. B. Natriumcarbonat oder Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), der MCX-Mischung zugesetzt werden, um das Metallion komplex zu binden und dadurch das Metall zu entfernen (zu sequestrieren). Es ist klar, dass einige Additive verwendet werden können, um mehrere Funktionen zu erfüllen. Beispielsweise können Natriumcarbonat (Na2CO3) und Natriumbicarbonat (NaHCO3) sowohl als Puffer fungieren (d. h. einen pH-Wert aufrechterhalten) als auch als Neutralisationsmittel fungieren (d. h. saure Monomere neutralisieren), während sie außerdem auch als Metallkomplexbildner wirksam sind. Es ist daher für den Fachmann auf diesem Gebiet klar, dass ein oder mehrere Additive verwendet werden können zur Herstellung einer NPC-Legierung, je nach dem verwendeten Monomer und dem verwendeten Vernetzungsmittel, dem Typ des Stabilisators, der mit dem Monomer gemischt wird, dem Typ der Polymerisationsreaktion und dem gewünschten Reaktions-pH-Wert und der gewünschten Reaktionstemperatur.
  • Zu Beispielen für Puffer und/oder Neutralisationsmittel gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Ammoniumhydroxid, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat, Kaliumcarbonat, Kaliumbicarbonat, Oxylat enthaltende Verbindungen, Sulfat enthaltende Verbindungen, Phosphat enthaltende Verbindungen und Kombinationen davon.
  • Zu Beispielen für Metallkomplexbildner gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat, Kaliumcarbonat, Kaliumbicarbonat, Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), EDTA-Salze, Orthophosphat, Pyrophosphat, Metaphosphat, Hydrogenphosphat und Kombinationen davon.
  • Jede der Komponenten der MCX-Mischung kann in jeder beliebigen Reihenfolge zugegeben werden. Vorzugsweise werden jedoch die Mischflüssigkeit und das Monomer mit irgendeiner anderen erwünschten Komponente gemischt, woran sich die Zugabe eines chemischen Initiators und danach die Zugabe des Tons anschließen. Außerdem sollte das Vermischen einer Mischung von Komponenten vorsichtig durchgeführt werden, um signifikante Exothermien zu vermeiden. Im übrigen sollte man eine signifikante Exothermie abkühlen lassen. Eine große Exothermie aus dem Vermischen der Komponenten könnte ansonsten zu einer vorzeitigen Polymerisation kurz nach der Zugabe des Initiators führen, bevor die Mischung gleichmäßig verteilt ist in, auf und/oder zwischen dem Verstärkungsmittel und unter kontrollierten Bedingungen erhitzt worden ist.
  • Die MCX-Mischung bildet eine Mischung vom Aufschlämmungs-Typ, die durchmischt werden sollte, bis sie im Wesentlichen homogen ist.
  • Verstärkungsmittel
  • Das Verstärkungsmittel kann umfassen nicht-aggregierte Fasern oder ein Substrat mit einer porösen Struktur. Zu Beispielen für poröse Substrate gehören gewirkte, gewobene und nicht-gewobene, natürliche und synthetische Fasern. Zu geeigneten synthetischen Fasern als einem Typ von Verstärkungsmittel gehören beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Polypropylen-, Polyester-, Polyamid-, Polyethylen-Fasern und Kombinationen davon. Zu Beispielen für geeignete natürliche Fasern gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Holzzellstoff-, Baumwoll-, Hanf-, Flachs- und Asbest-Fasern und Kombinationen davon.
  • Zu bevorzugten porösen Substraten für Deponie-Anwendungen gehören geotextile Materialien. Beispiele für geeignete nicht-gewobene Geotextilien sind, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, PETROMATTM 4597 (Amoco), AMOCO 4551TM, AMOCO 4553TM, AMOCO 4506TM, GEOTEX® (Synthetic Industries, Inc., Chattanooga, TN, USA) und TERRAFIX® 270R-A (Terrafix Geosynthetics Inc., Toronto, Onta rio, Canada). Bevorzugte Geotextilien haben ein Flächengewicht (Einheitsgewicht) in dem Bereich von etwa 0,1 bis 0,8 kg/m2.
  • Ein anderes bevorzugtes poröses Substrat ist ein geotextiles Material, das an eine Geomembran gebunden ist. Derzeit ist ein Typ eines Geotextil-Geomembran-Laminats im Handel erhältlich von der Firma Vernon Plastics, Haverhill, MA, USA.
  • Alternativ kann das Geotextil-Geomembran-Laminat nach einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden durch Verbinden eines Geomembran-Materials mit einem geotextilen Material. Beispiele für geeignete Geomembran-Materialien sind, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen mit hoher Flexibilität (VFPE), flexibles Polypropylen (fPP), chlorsulfoniertes Polyethylen (CSPE) und Kombinationen davon. Die Geomembran kann beispielsweise durch Anwendung von Wärme, Klebstoff und Kombinationen davon an das Geotextilmaterial gebunden sein, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist.
  • Das Geomembran-Material kann auf das poröse Substrat-Material aufgebracht werden entweder bevor oder nachdem das Substrat-Material mit der Polymer/Ton-Legierungs-Mischung gemischt worden ist zur Bildung des NPC-Legierungs-Werkstoffes. Vorzugsweise wird jedoch die Polymer/Ton-Legierungs-Mischung in dem Substrat-Material unter Verwendung einer Walze oder eines Kolbens dispergiert.
  • Die Verwendung eines Geotextil-Geomembran-Laminats als Verstärkungsmittel ist besonders vorteilhaft bei einigen Anwendungen, wie z. B. bei Mülldeponie-Anwendungen, bei denen es erwünscht ist, sowohl eine primäre Auskleidung (häufig eine Geomembran) als auch eine sekundäre Auskleidung (beispielsweise ein GCL) zu verwenden. Durch Verwendung eines Geotextil-Geomembran-Laminats als Verstärkungsmittel kann ein verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff in einer Stufe eingebaut werden.
  • Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für Mülldeponie-Auskleidungen und – Abdeckungen, kann es wünschenswert sein, ein Verstärkungsmittel zu verwenden, das gegen biologischen Abbau beständig ist. Für andere Anwendungszwecke, beispielsweise für absorptionsfähige Körperpflegeartikel, kann es wünschenswert sein, ein Verstärkungsmaterial zu verwenden, das innerhalb eines ausgewählten Zeitraums biologisch abgebaut wird.
  • Unabhängig davon, ob das Verstärkungsmittel ein poröses Substrat ist oder nicht-aggregierte Fasern darstellt, entsteht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein nicht-laminierter, jedoch fest integrierter Verbundwerkstoff zwischen dem Verstärkungsmittel und der NPC-Legierung. Vorzugsweise ist das Verstärkungsmittel innerhalb der NPC-Legierung homogen verteilt. Ein Teil der NPC-Legierung kann jedoch so gebildet werden, dass er im Wesentlichen frei von einem Verstärkungsmittel ist (d. h. eine nicht-verstärkte NPC-Legierung ist). In der Regel ist ein angrenzender Teil der nicht-verstärkten NPC-Legierung integral verbunden mit der verstärkten NPC-Legierung und auf einer Seite des Verbundwerkstoffes, in der Regel auf der Oberseite, ausgebildet. In dem Maße, in dem der Verbundwerkstoff hergestellt wird mit einem angrenzenden Teil aus einer nicht-verstärkten NPC-Legierungs-Schicht, ist der nicht-verstärkte angrenzende Teil vorzugsweise weniger als etwa 2,5 mm dick (tief). Besonders bevorzugt ist der nicht-verstärkte angrenzende Teil weniger als etwa 1 mm dick (tief) und am meisten bevorzugt ist er weniger als 0,5 mm dick (tief).
  • Außerdem können die Teile aus der gebildeten nicht-verstärkten NPC-Legierung nicht-angrenzend sein. In diesem Fall sollte jedoch der Prozentsatz der nicht-angrenzenden nicht-verstärkten Teile beschränkt sein, sodass die Gesamtstrukturintegrität, die der Verbundwerkstoff für die spezifische Anwendung haben muss, nicht beeinträchtigt wird.
  • Wenn das Verstärkungsmittel ein Substrat mit einer porösen Struktur umfasst, wird die MCX-Mischung dem porösen Substrat so zugesetzt, dass eine gleichmäßige Verteilung der Mischung in und/oder auf dem Substrat erzielt wird. Wenn die MCX-Mischung polymerisiert wird, kann eine Schicht aus NPC-Legierung auf der Obersei te des Substrats gebildet werden. Da jedoch die MCX-Mischung in und/oder auf dem Substrat gleichmäßig verteilt ist, ist die Schicht auf der Oberseite des Substrats außerdem ein integraler Teil der NPC-Legierung in dem Substrat und deshalb ein integraler Teil des Verbundwerkstoffes.
  • Wenn das Verstärkungsmittel nicht-aggregierte Fasern umfasst, wird das Verstärkungsmittel in die MCX-Mischung eingemischt. Die MCX/Fasermischung wird dann vor Durchführung der Polymerisation in einer Form verteilt. Alternativ können nicht-aggregierte Fasern in einer Form verteilt werden und die MCX-Mischung wird dann auf die Fasern aufgegossen. Die Form kann so sein, dass ein folienartiges Material oder ein Material mit einer anderen geeigneten Form für andere Anwendungszwecke gebildet wird. Die MCX/Fasermischung kann in einer Form verteilt werden, beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch Anwendung von Vibrationen, einer hydraulischen Belastung, einer Druckbelastung und Kombinationen davon.
  • Die MCX-Mischung kann in und auf dem porösen Substrat gleichmäßig verteilt werden, beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch Anwendung von Vibrationen, durch Walzen, Reiben, Aufsprühen, durch Anwendung einer hydraulischen Belastung, einer Druckbelastung, durch Anlegen eines Vakuums und Kombinationen davon.
  • Es ist klar, dass dann, wenn eine vorher hergestellte geosynthetische Doppelauskleidung verwendet wird oder wenn die Geomembran vor Durchführung der Polymerisation damit verschmolzen wird, eine andere innige Verteilungs-Einrichtung als ein Vakuum angewendet wird, um die MCX-Mischung in und auf dem porösen Substrat gleichmäßig zu verteilen.
  • Polymerisation
  • Nachdem die MCX-Mischung in, auf und/oder innerhalb des Verstärkungsmittels gleichmäßig verteilt worden ist, beginnt der Polymerisationsprozess, während das Vernetzungsmittel, das zusammen mit dem Polymerisationsprozess wirkt, die Ausbildung einer netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Struktur unterstützt, die fest integriert ist mit dem Verstärkungsmittel. Die Polymerisation der MCX-Mischung wird initiiert durch eine Polymerisationsinitiator-Einrichtung zur Erzeugung ionischer oder freiradikaler Monomer-Species. Die Initiierung kann erzielt werden durch Zugabe einer geeigneten chemischen Substanz zu der MCX-Mischung. Außerdem kann eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 10 nm oder weniger allein oder in Kombination mit einem chemischen Initiator verwendet werden.
  • Zu geeigneten chemischen Substanzen für die Initiierung der Polymerisation gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Freiradikalinitiatoren, Carbanionen, Carboniumionen und Kombinationen davon.
  • Zu Beispielen für Freiradikalinitiatoren gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, thermische Initiatoren und Redoxsysteme, bei denen es sich in der Regel um zwei oder mehr Chemikalien handelt, die gleichzeitig in Form von unterschiedlichen Lösungen zugegeben werden.
  • Zu Beispielen für thermische Initiatoren gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist,
    • (1) Alkalimetallsalze von Sulfat, Bisulfit, Persulfat, Benzoylperoxid und Kombinationen davon,
    • (2) Ammoniumsalze von Sulfat, Bisulfit, Persulfat, Benzoylperoxid und Kombinationen davon,
    • (3) 2,2'-Azobis-(2-amidinopropan)dihydrochlorid,
    • (4) 2,2'-Azobis-(4-cyanopentansäure) und Kombinationen davon.
  • Die gewünschte Polymerisationstemperatur für die Bildung eines NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes hängt hauptsächlich vom Typ und der Konzentration der ausgewählten Initiator-Einrichtung ab. Beispielsweise können niedrigere Polymerisationstemperaturen angewendet werden, wenn ein thermischer Initiator, der zur Bildung von freien Radikalen bei einer niedrigeren Temperatur (beispielsweise etwa 40 bis etwa 50°C) neigt, verwendet wird. Wenn die Polymerisationsreaktion, die zur Herstellung der NPC-Legierung angewendet wird, mit einem thermischen Initiator initiiert wird, wird die Reaktion vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 40 bis etwa 95°C durchgeführt. Besonders bevorzugt liegt die Reaktionstemperatur jedoch in einem Bereich von etwa 60 bis etwa 85°C und am meisten bevorzugt liegt sie in einem Bereich von etwa 65 bis etwa 80°C. Wenn eine energiereiche Strahlungsquelle, wie z. B. Gammastrahlung, verwendet wird, kann die Polymerisationsreaktion auch bei etwa Umgebungstemperatur, beispielsweise bei etwa 20°C, durchgeführt werden.
  • Die Polymerisationsreaktionszeit hängt ebenfalls hauptsächlich vom Typ der verwendeten Initiator-Einrichtung und ihrer Konzentration ab. Zu anderen Faktoren, welche die gewünschte Reaktionszeit ebenfalls beeinflussen, gehören jedoch der Monomer-Typ und seine Konzentration, die Tiefe (Dicke) der MCX-Mischung und die Menge des Verstärkungsmittels (beispielsweise die Dicke der MCX-Mischung, wie sie auf das Substrat aufgebracht wird, oder das Volumen der nicht-aggregierten Fasern in der MCX-Mischung). Wenn einmal die Polymerisationsreaktion initiiert ist, wird sie auch bei einem scharten Temperaturabfall im Allgemeinen nicht beendet. Wenn beispielsweise die MCX-Mischung der gewünschten Initiierungs-Temperatur ausgesetzt wird, läuft die Polymerisationsreaktion für eine gewisse Zeit danach ab, je nach der gewählten Reaktionstemperatur, der Zeitdauer, innerhalb der die MCX-Mischung der ausgewählten Temperatur ausgesetzt ist (d. h. der Wärmeinwirkungsdauer) und der Wärmeretention des Verbundwerkstoffes. Es wurde außerdem gefunden, dass höhere Initiator-Konzentrationen im Allgemeinen restliche Monomer-Konzentrationen von etwa 200 ppm oder weniger ergeben. Diese höheren Initiator-Konzentrationen neigen jedoch mehr dazu, eine vorzeitige Polymerisation zu fördern, wenn die Temperatur nicht ausreichend unter 40°C gehalten wird. Es ist daher wichtig, dass die MCX-Mischung unter 40°C gehalten wird, bevor die Mischung in, auf und/oder zwischen dem Verstärkungsmittel verteilt wird, sodass die Viskosität der Mischung ausreichend niedrig ist, um die gleichmäßige Verteilung der Mischung in, auf und/oder zwischen dem Verstärkungsmittel zu gewährleisten.
  • Die Zeitspanne, während der die MCX-Mischung der ausgewählten Reaktionstemperatur ausgesetzt ist, kann in einem Bereich von nur etwa 1 min bis zu etwa 24 h liegen. Wenn beispielsweise eine MCX-Mischung mit einem Ton: Monomer-Verhältnis von etwa 2 : 1 in ein poröses Substrat bis zu einer Tiefe von etwa 2 bis 3 mm hineingepresst wird, Kaliumpersulfat als thermischer Initiator verwendet wird und die ausgewählte Temperatur etwa 80°C beträgt, liegt die Dauer der Wärmeeinwirkungszeit vorzugsweise in einem Bereich von etwa 2 min bis etwa 60 min. Besonders bevorzugt liegt unter ähnlichen Bedingungen die Dauer der Wärmeeinwirkungszeit in einem Bereich von etwa 2 min bis etwa 45 min und am meisten bevorzugt in einem Bereich von etwa 3 min bis etwa 30 min.
  • Zu Beispielen für Redoxsysteme gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Persulfat/Bisulfit-, Persulfat/Thiosulfat-, Persulfat/Ascorbat-, Wasserstoffperoxid/Ascorbat-Paare und Kombinationen davon. In der Regel ist eine zusätzliche Wärmezufuhr nicht erforderlich, wenn ein Redoxsystem-Initiator verwendet wird, weil die Reaktionen häufig exotherm sind, sodass diese Systeme wirksam arbeiten bei Temperaturen in einem Bereich von etwa dem Gefrierpunk der MCX-Mischung bis zu dem Siedepunkt der Mischflüssigkeit. In der Regel ist die Temperatur Umgebungstemperatur, d. h. etwa 20°C.
  • Alternativ kann die Polymerisation durch elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb etwa 10 nm initiiert werden, beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch Gammastrahlen, Röntgenstrahlen oder energiereiche subatomare Teilchen. In einem solchen Fall wird die Polymerisationsreaktion in der Regel bei Umgebungstemperaturen durchgeführt. Die Temperatur kann aber auch höher oder niedriger sein.
  • Es ist jedoch dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt, dass UV-Strahlung mit Wellenlängen in dem Bereich von etwa 200 bis 390 nm für die Polymerisationsinitiierung der MCX-Mischung nicht geeignet ist, weil der Ton die Fähigkeit der UV-Strahlung, in die Probe einzudringen, stört und dadurch die Polymerisationsreaktion nicht initiiert wird, auch wenn ein Fotoinitiator vorhanden ist. Insbesondere wird angenommen, dass der Ton vorzugsweise das UV-Licht absorbiert, wodurch die Wirksamkeit von UV-Strahlung als Initiatoreinrichtung inhibiert wird.
  • Gegebenenfalls kann dann, wenn die Polymerisation einmal durchgeführt worden ist, die gesamte Mischflüssigkeit oder ein Teil derselben, die in dem verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff-Produkt verbleibt, entfernt werden, beispielsweise durch Trocknen bei Raumtemperatur oder Trocknen im Ofen. Beim Trocknen in einem Ofen sollte der Verbundwerkstoff bei einer Temperatur getrocknet werden, die keinen nachteiligen Einfluss auf die Eigenschaften oder Charakteristika des Produktes hat, beispielsweise bei einer Temperatur von weniger als etwa 110°C.
  • Der Feuchtigkeitsgehalt des verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff-Produkts hängt von dem Verwendungszweck und anderen Faktoren ab. Beispielsweise führt ein höherer Feuchtigkeitsgehalt des Verbundwerkstoffes zu einer größeren Flexibilität und zu einer niedrigeren anfänglichen Permeabilität. Bei einem niedrigeren Feuchtigkeitsgehalt kann jedoch der Verbundwerkstoff geringere Transportkosten mit sich bringen. Infolgedessen wird der gewünschte Feuchtigkeitsgehalt bestimmt durch die Umgebung, in welcher der Verbundwerkstoff verwendet werden soll und durch die maximal akzeptablen Transportkosten.
  • Daher liegt für ein Verbundwerkstoff-Produkt mit mindestens einer gewissen Flexibilität der Feuchtigkeitsgehalt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 75 Gew.-%.
  • Verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff
  • Bei der Verwendung quillt die NPC-Legierung beim Kontakt mit Wasser auf, wenn die Legierung Wasser absorbiert. Die expandierte NPC-Legierung quillt auf in dem und/oder um das Verstärkungsmittel herum. Es wird angenommen, dass die Legierung aufquillt und sich ausdehnt in die interstitiellen Räume, die von der NPC-Legierung nicht ausgefüllt worden sind bei der Bildung des Verbundwerkstoffes. Es wird außerdem angenommen, dass sich die Legierung um das Verstärkungsmittel selbst herum ausdehnt. Infolgedessen quillt der Verbundwerkstoff beträchtlich auf als eine integrale Einheit, während nur vernachlässigbar geringe Mengen Ton, falls überhaupt (d. h. praktisch kein Ton), sich von dem Verbundwerkstoff trennt, wenn er in Wasser eingetaucht wird bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 1 bis etwa 60°C, unabhängig davon, ob das Wasser eine Salzlösung ist oder nicht.
  • Es ist für den Fachmann auf diesem Gebiet klar, dass das Ausmaß, in dem die NPC-Legierung netzwerkförmig wird, die Fähigkeit der Legierung, Wasser zu absorbieren, beeinflusst. Wenn eine unzureichende Menge an Vernetzungsmittel verwendet wird, kann natürlich die NPC-Legierung unter bestimmten Bedingungen wasserlöslich werden und der Ton kann sich dann in beträchtlichem Umfang von der Legierung trennen. Wenn andererseits übermäßig hohe Mengen an Vernetzungsmittel verwendet werden, kann die NPC-Legierung so unflexibel sein, dass sie nicht in der Lage ist, ausreichende Mengen Wasser zu absorbieren und dadurch entweder die gewünschte Flüssigkeitpermeabilität und/oder das gewünschte Wasserabsorptionsvermögen nicht erreicht wird.
  • Bei Einschließ- bzw. Rückhalte-Anwendungen steht das verstärkte NPC-Legierung-Verbundwerkstoff-Produkt häufig unter einer Grenzspannung als Folge einer Überlastung (Überladung). Unter einer wirksamen Standard-Grenzspannung von 20 kPa oder 2,9 psi beträgt die Durchflussrate (d. h. die Wassermenge, die bei dem angegebenen Druck fließt) des Verbundwerkstoffes etwa 10–8 m3/m2/s oder weniger, bestimmt nach ASTM 5887-95. Wenn die Grenzspannung zunimmt mit einer zusätzlichen Überlastung, nimmt der Durchlässigkeitswert (die hydraulische Leitfähigkeit) des Verbundwerkstoffes ab, weil der Verbundwerkstoff zusammengepresst wird.
  • Abdeckfolie
  • Eine Abdeckfolie (Decklage) wird vorteilhaft angewendet, um
    • (1) die Verteilung der MCX-Mischung, beispielsweise bei Anwendung eines Vakuums, zu unterstützen,
    • (2) die Verdampfung und/oder das Sieden der Mischflüssigkeit oder anderer Komponenten in der MCX-Mischung während der Polymerisation zu verringern und/oder
    • (3) die Handhabung, beispielsweise das Auswalzen und die Lagerung der Verbundwerkstoffes, zu unterstützen.
  • Bei einer Ausführungsform kann eine Abdeckfolie (Decklage) mit der MCX-Mischung in Kontakt stehen entweder während oder kurz nachdem die Mischung mit der Verstärkungsmittel in Kontakt gebracht worden ist. Darüber hinaus kann die Abdeckfolie auf eine oder auf beide Seiten des mit der MCX-Mischung in Kontakt stehennden Verstärkungsmittels aufgebracht werden. Vorzugsweise wird jedoch die Abdeckfolie nur auf eine Seite aufgebracht und besonders bevorzugt wird die Abdeckfolie auf die Seite aufgebracht, auf welche die Einrichtung zur Verteilung der MCX-Mischung (beispielsweise das Vakuum, die Walze, der Druck und dgl.) einwirkt. Am meisten bevorzugt ist es, dass die Abdeckfolie gleichzeitig mit der MCX-Mischung und dem Verstärkungsmittel in Kontakt steht, während ein Vakuum an die gegenüberliegende Seite angelegt wird und damit die Mischung gleichmäßig verteilt wird in, auf und/oder zwischen dem Verstärkungsmittel.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann die Abdeckfolie auf eine oder auf beide Seiten des verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes nach der Polymerisation aufgebracht werden. Gewünschtenfalls kann die Abdeckfolie an dem Verbundwerkstoff selbst-haftend sein oder sie kann beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch Wärmebindung oder mittels eines Klebstoffess mit dem Verbundwerkstoff haftend verbunden werden.
  • Zu Beispielen für geeignete Abdeckfolie gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, ein Polyethylenfilm, Sulfit- und Sulfat-Papiere, Kraft-Papiere, Holzschliff-Papiere, Filterpapiere, gewobene und nicht-gewobene natürliche und synthetische Fasern, Glasfasern und Kombinationen davon. Die Abdeckfolie kann nach der Polymerisation entfernt werden oder sie kann an Ort und Stelle belassen werden, je nach Verwendungszweck des schließlich erhaltenen Verbundwerkstoffes.
  • Erläuterung des Verfahrens
  • Die 1 bis 3 erläutern ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes 10. Ein Verstärkungsmittel, in diesem Fall ein poröses Substrat 12, wird einer Fördereinrichtung 26, in der Regel Zuführungswalzen 28, 30, zugeführt.
  • Eine MCX-Mischung 14 wird in einem Behälter 16 hergestellt durch Mischen mindestens eines Monomers, von Tonteilchen, eines Vernetzungsmittels und einer Mischflüssigkeit, bis die Mischung im Wesentlichen homogen ist. Vorzugsweise wird die MCX-Mischung 14 in dem Behälter 16 bei einer Temperatur unterhalb etwa 40°C gehalten, um eine vorzeitige Polymerisation des Monomers zu verringern.
  • Die MCX-Mischung 14 wird aus dem Behälter 16 dosiert abgegeben und mit dem porösen Substrat 12 in Kontakt gebracht, während diese sich entlang der Fördereinrichtung 26 bewegt. Eine Abdeckfolie 24 wird auf die Oberseite der MCX-Mischung 14 aufgebracht unter Verwendung einer Führungswalze 36.
  • Bei einer Ausführungsform, wie sie in 1 erläutert ist, wird das poröse Substrat 12 mit der MCX-Mischung 14 unter Verwendung einer Walze 18 in Kontakt gebracht, bis die Mischung 14 in und auf dem Substrat 12 verteilt ist.
  • Bei der in 2 erläuterten Ausführungsform wird das poröse Substrat 12 mit der MCX-Mischung 14 unter Verwendung eines Kolbens in Kontakt gebracht, bis die Mischung 14 in und auf dem Substrat 12 gleichmäßig verteilt ist. Bei dem Kolben 20 kann es sich um einen mechanischen Kolben oder einen Gaskolben handeln.
  • Bei der in 3 erläuterten Ausführungsform wird das poröse Substrat 12 mit der MCX-Mischung 14 unter Verwendung einer Vakuum-Einrichtung 32 in Kontakt gebracht, bis die Mischung 14 in und auf dem Substrat 12 gleichmäßig verteilt ist.
  • Bei allen erläuterten Ausführungsformen wird die MCX-Mischung 14, nachdem sie in und/oder auf dem porösen Substrat 12 gleichmäßig verteilt worden ist, entsprechend der weiter oben angegebenen Diskussion innerhalb und auf dem Substrat 12 polymerisiert durch Erhitzen der Kombination aus dem Substrat 12 und der Mischung 14 in einer Erhitzungszone 22 zur Bildung des verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes 10. Der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff 10 kann gewünschtenfalls für die nachfolgende Handhabung und für den nachfolgenden Transport gewalzt und verpackt werden.
  • Die in den nachfolgenden nicht beschränkenden Beispielen beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die erfindungsgemäß hergestellt und verwendet werden können, dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung.
  • Beispiel 1
  • Einfluss des Ton/Monomer-Verhältnisses auf das Wasserabsorptionsvermögen NPC-Legierungs-Herstellung
  • Sieben MCX-Mischungen wurden in den in der Tabelle 1 angegebenen Mengen hergestellt. Die Ton/Monomer-Gewichtsverhältnisse lagen in den sieben MCX-Mischungen in dem Bereich von 0,1 bis 9,62. Der in den MCX-Mischungen verwendete Ton war NATURAL GELTM, ein natürlicher quellbarer Ton, der häufig als Wyoming-Bentonit bezeichnet wird, im Handel erhältlich von der Firma American Colloid. Das Monomer war Acrylamid, erhältlich von der Firma Cytec, West Paterson, NJ. Eine Kontrollprobe wurde hergestellt unter Verwendung von Acrylamidmonomer ohne zugesetzten Ton.
  • Wasser, Natriumhydroxid (NaOH), Natriumbicarbonat (NaHCO3), EDTA, Acrylamid, N,N'-Methylenbisacrylamid (NBAM) und Kaliumpersulfat (K2S2O8) wurden in einer 250 mL HDPE-Flasche miteinander gemischt. Vor der Zugabe des Tons wurde die wässrige Lösung gut durchmischt. Es wurde der Ton zugegeben und es wurde erneut gemischt zur Bildung einer homogenen MCX-Mischung. Alle MCX-Mischungen waren vor der Polymerisation viskos, jedoch fließfähig.
  • Tabelle 1
    Figure 00320001
  • Die Kontrollprobe und die MCX-Mischungen wurden über Nacht bei 65°C in einem Ofen stehen gelassen zur Durchführung der Polymerisation. Nach der Polymerisation wurden die Kontrollprobe und die NPC-Legierungen auf Glasschalen überführt und 48 h lang bei 105°C getrocknet.
  • Wasserabsorptionsvermögen (WAC) von NPC-Legierungen
  • Etwa 1 g jeder NPC-Legierung und der Kontrollprobe wurde in eine 500 mL HDPE-Flasche mit 400 ml destilliertem Wasser gegeben. Nach 48 h wurde das freie Wasser von der aufgequollenen NPC-Legierung unter Verwendung eines 150 Maschen-Siebs abdekantiert.
  • Die aufgequollene NPC-Legierung wurde gewogen und das Wasserabsorptionsvermögen (WAC) wurde unter Verwendung der folgenden Gleichung errechnet:
  • Figure 00320002
  • Außerdem wurde ein geschätzes (geplantes) WAC, WACprj, bezogen auf das Kontroll-WAC und den ton-Gehalt unter Anwendung der folgenden Gleichung errechnet:
    Figure 00330001
    worin das Kontroll-WAC = 352 und das maximale geschätzte WAC für Ton = 10. Wenn beispielsweise zur Herstellung der NPC-Legierung ein Ton : Monomer-Verhältnis von 1 : 3 angewendet wird, beträgt das WACprj der NPC-Legierung [(3/4) × 352] + (1/4)10 = 266. In entsprechender Weise beträgt dann, wenn ein Ton : Monomer-Verhältnis von 2 : 1 angewendet wird, das WACprj der NPC-Legierung [(1/3) × 352] + (2/3) 10 = 124.
  • Schließlich wurde das Monomer-WAC (WACm) ebenfalls errechnet zur Bestimmung des Wasserabsorptionsvermögens, bezogen auf die Monomermenge, die verwendet wurde zur Herstellung der getesteten Polymer/Ton-Legierungsprobe. Das WACm wurde unter Anwendung der folgenden Gleichung errechnet:
  • Figure 00330002
  • Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.
  • Tabelle 2
    Figure 00330003
  • Wie in der Tabelle 2 angegeben, beträgt das WAC für die NPC-Legierungsproben 1 und 2 339 bzw. 332. Dies bedeutet, dass die NPC-Legierung das 339-fache bzw. das 332-fache seines Eigengewichtes an Wasser für diese beiden Proben absorbiert gegenüber einem WAC von 352 für die Ton-freie Kontrollprobe. Bentonit-Ton weist in der Regel eine pastenförmige Konsistenz auf bis zu einer Wasserabsorption von dem 5- bis 10-fachen seines Gewichtes, danach wird der Ton in Wasser dispergiert unter Bildung einer Aufschlämmung. Da Bentonit-Ton nicht dafür bekannt ist, dass er ein hohes Absorptionsvermögen, bezogen auf die Einheitsmasse, aufweist, verglichen mit einem Wasser absorbierenden Polymer, ist der Abfall des WAC, wie in der Tabelle 2 dargestellt, mit steigendem Ton : Monomer-Verhältnis ein überraschendes und nicht erwartetes Ergebnis.
  • Beispielsweise konnte der Fachmann auf diesem Gebiet für ein 1 : 1-Verhältnis ein WAC erwarten, das geringfügig höher war als das 0,5-fache des WAC der Kontrollprobe, weil nur die Hälfte der NPC-Legierung ein netzwerkförmiges Polymer darstellt. Wenn man die Wasserabsorption für Ton allein (d. h. etwa 5 bis 10) berücksichtigt, so war bei einem Ton : Monomer-Verhältnis von 1 : 1 in einer NPC-Legierung bestenfalls etwa 1/2 des WAC der Kontrollprobe (d. h. 176) plus 5 für die erwartete Wasserabsorption des Tons für ein WACprj von 181 zu erwarten. Die Probe 4 mit einem Ton Monomer-Verhältnis von 1 : 1 weist jedoch ein WAC von 207 auf, das um 14,4 höher ist als erwartet. In entsprechender Weise beträgt bei einem Ton : Monomer-Verhältnis von 2 : 1 das WACprj etwa 124, während die Probe 5 ein WAC von 134 ergab, das um 8,1% höher ist als erwartet. Der generelle Trend ist der, dass das WAC über einen breiten Bereich der Ton : Monomer-Verhältnisse im Wesentlichen vergleichbar ist, wenn nicht sogar geringfügig besser ist als das WAC der tonfreien Kontrollprobe, bis eine signifikant hohe Ton-Beladung in der NPC-Legierung erreicht ist. Bei einer signifikant hohen Ton-Beladung scheint es, dass die Polymer-Beladung so niedrig ist, dass das Eigen-WAC des Tons überwiegt.
  • Dies ist ein überraschendes und nicht erwartetes Ergebnis, insbesondere bei hohen Ton : Monomer-Verhältnissen von 2 : 1 und 3 : 1. Ogawa et al ("Preparation of Montmorillonite-Polyacrylamide Intercalation Compounds and the Water Absorbing Property" in "Clay Science" 7: 243–251; 1989) geben auf Seite 250 an, dass Ton als Vernetzungsmittel fungiert. Ogawa et al nehmen somit an, dass Ton in Verbindung mit einem Vernetzungsmittel in einer MCX-Mischung so wirkt, dass ein Polymer, das aus dieser Mischung gebildet wird, stark eingeschränkt wird. Darüber hinaus erläutern die Ergebnisse in Beispiel 2, dass eine Konzentration des Vernetzungsmittels von nur etwa 0,1 Gew.-% eine übermäßige Vernetzung eines Polymers bewirken kann, wodurch sein Wasserabsorptionsvermögen beträchtlich vermindert wird. Die Empfindlichkeit des WAC gegen einen Überschuss an Vernetzungsmittel und Ogawa et al lassen somit vermuten, dass eine Erhöhung des Ton-Gehaltes eine stark eingeschränkte NPC-Legierung mit einem inhibierten WAC-Wert ergeben würde. Infolgedessen ist es überraschend und unerwartet, dass bei Verwendung einer MCX-Mischung, die sowohl ein Vernetzungsmittel als auch Ton enthält, beispielsweise bei einem Ton : Monomer-Verhältnis von 2 : 1, eine NPC-Legierung gebildet wird mit einem vergleichbaren oder geringfügig besseren Leistungsvermögen als die tonfreie Kontrollprobe.
  • Bei der Berechnung auf der Basis einer äquivalenten Menge des Acrylamid-Monomers, das zur Herstellung einer Legierung verwendet wurde, ist das WACm der Polymer/Ton-Legierungen der Proben 1 bis 5 ähnlich demjenigen der Kontrollprobe. Wie oben angegeben, sind Monomere teurer als Ton. Die WACm-Ergebnisse zeigen somit die wirtschaftlichen Vorteile der NPC-Legierung.
  • Die Tabelle 2 zeigt, dass gute WAC-Ergebnisse erhalten wurden mit der in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung bei einem Ton : Monomer-Verhältnis von etwa 0,3 bis etwa 3,0. Das optimale Ton : Monomer-Verhältnis hängt von dem vorgesehenen Verwendungszweck der Zusammensetzungen ab, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen. So kann beispielsweise außer der Einstellung des Ton Monomer-Verhältnisses, die in dem folgenden Beispiel 2 näher dislkutiert wird, auch das Verhältnis von Vernetzungsmittel zu Monomer eingestellt werden, um das WAC auf den gewünschten Wert zu erhöhen oder zu senken.
  • So braucht beispielsweise bei der Verwendung als Deponie-Auskleidung das WAC eines verstärkten NPC-Legierung-Verbundmaterials nur hoch genug zu sein, um sicherzustellen, dass die NPC-Legierung ausreichend aufquillt, um alle interstitiellen Räume auszufüllen, die von der NPC-Legierung bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes nicht ausgefüllt wurden. Dieser Grad der Aufquellung stellt sicher, dass der Verbundwerkstoff eine ausreichend niedrige Permeabilität (Durchlässigkeit) für Wasser und andere Flüssigkeiten aufweist. Beispielsweise kann das WAC für eine NPC-Legierung, die in einem Deponie-Auskleidungs-Verbundwerkstoff verwendet wird, nur etwa 5 betragen. Natürlich kann auch ein höheres WAC von bis zu etwa 500 in einem Depoie-Auskleidungs-Verbundwerkstoff verwendet werden. Ein WAC, das signifikant viel höher ist als 50, würde jedoch die Strukturintegrität des Verbundwerkstoffes wegen des Wasserüberschusses verringern.
  • Infolgedessen ist bei der Verwendung in Körperpflegeprodukten, bei denen die Strukturintegrität des Verbundwerkstoffes ebenfalls ein wichtiger Faktor ist, ein WAC in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 100 der am meisten erwünschte Wert für den Verbundwerkstoff.
  • Die obigen Daten zeigen daher, dass die neuartige Polymer/Ton-Legierung eine wirksame Wasserabsorption für einen verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff ergeben kann. Außerdem stellt die Ton-Komponente in der NPC-Legierung ein wirtschaftliches Mittel dar, um einen verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff herzustellen, der die für den vorgesehenen Verwendungszweck gewünschten Wasserabsorptions- und/oder Wasserpermeabilitäts-Eigenschaften ergibt.
  • Beispiel 2
  • Einfluss des Vernetzungsmittel : Monomer-Verhältnisses auf das WAC
  • Herstellung einer NPC-Legierung
  • Es wurden drei MCX-Mischungen in den in der Tabelle 3 angegebenen Mengen hergestellt. Die Vernetzungsmittel : Monomer-Gewichtsverhältnisse lagen bei den drei MCX-Mischungen in dem Bereich von 1,10 × 10–3 bis 9,41 × 10–3. Das Gewichtsverhältnis von Ton zu Monomer wurde bei etwa 1 : 1 konstant gehalten. Der in den MCX-Mischungen verwendete Ton war NATURAL GELTM. Das Monomer war eine Mischung von Acrylsäure (Aldrich) und Acrylamid (Cytec) in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 4.
  • Wasser, NaOH, Natriumcarbonat (Na2CO3), Acrylsäure, Acrylamid. NBAM und K2S2O8 wurden in den in der Tabelle 3 angegebenen Mengen in einem 2-L Erlenmeyerkolben miteinander gemischt. Die wässrige Lösung wurde vor der Zugabe von Ton gründlich durchgemischt. Es wurde Ton zugegeben und erneut gemischt zur Bildung einer homogenen MCX-Mischung. Alle MCX-Mischungen waren vor der Polymerisation viskos, jedoch fließfähig.
  • Tabelle 3
    Figure 00370001
  • Die MCX-Mischungen wurde in einem Ofen über Nacht bei 65°C stehen gelassen zur Durchführung der Polymerisation. Nach der Polymerisation wurden die NPC-Legierungen in Glasschalen überführt und 48 h lang bei 105°C trocknen gelassen.
  • Wasserabsorptionsvermögen (WACH von Polymer/Ton-Legierungen Etwa 1 g der NPC-Legierungsprobe 8 wurde zusammen mit 400 ml destilliertem Wasser in eine 500 mL-HDPE-Flasche eingeführt. Nach 48 h wurde das freie Wasser von der aufgequollenen NPC-Legierung unter Verwendung eines 115 Maschensiebs abdekantiert.
  • Die aufgequollene NPC-Legierung wurde gewogen und das Wasserabsorptionsvermögen (WAC) wurde wie in Beispiel 1 beschrieben errechnet. Die Proben 9 und 10 wurden auf die gleiche Weise behandelt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 zusammengefasst.
  • Das Monomer-WAC (WACm) wurde ebenfalls errechnet, um das Wasserabsorptionsvermögen auf der Basis der Monomermenge zu berechnen, die zur Herstellung der getesteten NPC-Legierungsprobe verwendet wurde. Diese Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 4 angegeben.
  • Tabelle 4
    Figure 00380001
  • Wie in Tabelle 4 angegeben, nimmt das WAC der NPC-Legierung zu, wenn das Verhältnis von Vernetzungsmittel zu Monomer abnimmt von 9,41 × 10–3 auf 3,03 × 10–3. Es wird jedoch angenommen, dass eine weitere signifikante Abnahme des Vernetzungsmittel : Monomer-Verhältnisses (beispielsweise auf etwa 0,10 × 10–3) die mechanische Festigkeit des netzwerkförmigen NPC-Legierungs-Polymers ausreichend verringert würde und dadurch die Fähigkeit der NPC-Legierung, Wasser zu absorbieren und zurückzuhalten, eingeschränkt würde.
  • Natürlich löst sich das Polymer in Wasser auf, soweit das Polymer nicht vernetzt ist. Außerdem kann bei niedrigen Vernetzungsgraden das Polymer zerfallen und wasserlöslich werden. Wenn jedoch der Grad der Vernetzung zu hoch ist, ist die Spannung auf dem Polymer zu hoch und sein Wasserabsorptionsvermögen nimmt ab.
  • Die oben genannten Daten zeigen daher, dass die neuartige NPC-Legierung einem verstärkten NPC-Legierung-Verbundwerkstoff eine wirksame Wasserabsorption verleihen kann. Außerdem stellt die Kontrolle des Vernetzungsmittel : Monomer-Verhältnisses allein oder in Kombination mit dem Ton : Monomer-Verhältnis eine Maßstab zur Einstellung der gewünschten Wasserabsorptions- und/oder Wasserpermeabilitäts-Eigenschaften des Verbundwerkstoffes für den vorgesehenen Verwendungszweck dar.
  • Beispiel 3
  • Durchlässigkeitswert (hydraulische Leitfähigkeit) eines verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierunqs-Verbundwerkstoffes
  • Herstellung einer Monomer/Ton-Mischung
  • Es wurden zwei MCX-Mischungen in den in der Tabelle 5 angegebenen Mengen hergestellt. Die Ton : Monomer-Gewichtsverhältnisse betrugen jeweils 1 : 1 und 2 : 1 in den Proben 11 und 12. Der in den MCX-Mischungen verwendete Ton war NATURAL GELTM. Das Monomer war Acrylamid.
  • Wasser, NaOH, NaHCO3, EDTA, Acrylamid, NBAM und K2S2O8 wurden in den in der Tabelle 5 angegebenen Verhältnissen in einem 2L-Ertenmeyer-Kolben miteinander gemischt. Die wässrigen Lösungen wurden gut durchmischt, bevor Ton zugegeben wurde. Es wurde Ton zugegeben und erneut gemischt zur Bildung einer homogenen MCX-Mischung. Die MCX-Mischungen waren vor dem Inkontaktbringen mit dem Verstärkungsmittel viskos, jedoch fließfähig.
  • Tabelle 5
    Figure 00400001
  • Herstellung eines verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes
  • Als Verstärkungsmittel wurden PETROMATTM 4597- und AMOCO 4551TM (Amoco)-Geotextilien verwendet. Diese handelsüblichen Geotextilien stellen Nonwoven-Gewebe dar, die Polypropylen-Fasern umfassen. Das Flächengewicht für PETRO-MATTM 4597 und AMOCO 4551TM beträgt 0,14 kg/m2 bzw. 0,2 kg/m2. Die Geotextilien waren etwa 1 bis 3 mm dick. Die Dicke variiert in der Regel bei einem Nonwoven-Geotextil und es ist schwierig, die Dicke zu messen wegen der Fasern. Es wurde eine verstärkte Probe A1 hergestellt durch Gießen der Probe 11-MCX-Mischung in einer Dicke von etwa 2,5 mm auf ein 20 cm × 20 cm großes Stück aus PETROMATTM 4597- Geotextil-Material, was eine Beladung von etwa 2,5 kg/m2 darstellt. Die MCX-Mischung wurde gleichmäßig in und auf dem Geotextil-Material unter Verwendung eines hölzenen Wälzstabes verteilt.
  • Die verstärkte Probe A2 wurde auf die gleiche Weise wie die Probe A1 hergestellt unter Verwendung der Probe 12-MCX-Mischung und des AMOCO 4551TM- Geotextil-Materials.
  • Eine verstärkte Probe A3 wurde hergestellt unter Verwendung der Probe 11-MCX-Mischung und von zwei Schichten aus dem AMOCO 4551TM- Geotextil-Material. Die MCX-Mischung wurde auf eine Schicht des Geotextil-Materials (d. h. die untere Schicht) gegossen und dann mit der zweiten Schicht aus dem Geotextil-Material (d. h. der Deckschicht) bedeckt. Die MCX-Mischung wurde in und auf beiden Schichten unter Verwendung eines hölzernen Wälzstabes gleichmäßig verteilt, obgleich die Mischung hauptsächlich innerhalb der unteren Schicht eingebettet war.
  • Die verstärkten MCX-Mischungsproben wurden zwischen zwei Glasplatten gelegt und 2 h lang in einen Ofen von 75°C gestellt zur Durchführung der Polymerisation. Zwischen den Glasplatten wurden Abstandhalter angeordnet, sodass die polymerisierten Proben eine im Wesentlichen einheitliche Dicke hatten, ohne Anwendung eines Druckes während der Polymerisation. Die Glasplatten verminderten auch die Verdampfung der MCX-Mischungs-Komponenten während der Polymerisation.
  • Die verstärkten Proben A1 und A2 wurden über Nacht in einem Ofen von 80°C getrocknet. Die A3 wurde nicht getrocknet, sondern direkt nach der Polymerisation in einem Polyethylen-Beutel gelagert. Obgleich die Proben A1 und A2 getrocknet wurden, ist es bevorzugt, den verstärkten NPC-Legierung-Verbundwerkstoff in einem nicht-getrockneten Zustand zu verwenden wie die Probe A3.
  • Test zur Bestimmung des Durchlässigkeitswertes (hydraulischer Leitfähigkeitest)
  • Die Wasserdurchflussmenge durch eine Schicht aus den verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff-Proben unter einem hydraulischen Gradienten wurde nach ASTM 5887-95 gemessen.
  • Bei ASTM 5887-95 handelt es sich um ein Standard-Verfahren zur Messung des Durchflusses oder des Stromes von Wasser pro Einheitsfläche durch die Probe. Die Testprobe wurde in einem Permeameter mit einer flexiblen Wand angeordnet, einer Gesamtspannung von 550 kPa und einem Gegendruck (Staudruck) von 515 kPa 48 h lang ausgesetzt. Das Fließen von entionisiertem Wasser wurde initiiert durch Erhö hung des Druckes auf der Zuflussseite der Testprobe auf 530 kPa. Dadurch wird eine wirksame Grenzspannung auf die Probe von etwa 20 kPa ausgeübt. Alle Proben wurden bei 20 kPa getestet mit Ausnahme der Probe A2, die bei 120 kPa getestet wurde. Die Durchflussmenge wurde bestimmt, wenn der Zulauf und der Ablauf etwa gleich waren.
  • Da die Dicke der Probe einen Einfluss auf ihren Durchlässigkeitsbeiwert hat, wurde die Durchflussmenge, bestimmt nach dem ASTM 5887-95 Test, verwendet zur Berechnung des Durchlässigkeitsbeiwertes, bezogen auf die jeweils unterschiedliche Dicke der Probe. Die Ergebnisse bezüglich des Durchlässigkeitsbeiwertes in der Tabelle 7 wurden wie folgt berechnet: k/μ = (Q/A)(ΔL/Δρ) K = ρg(k/μ)worin k steht für die Durchlässigkeit (Permeabilität), μ steht für die Fließviskosität, (Q/A) steht für die Durchflussmenge, (ΔL/Δρ) steht für den Kehrwert des Druckgradienten, der den Änderungen der Dicke der Probe Rechnung trägt und dadurch k/μ und somit K normalisiert, wobei K für den Durchlässigkeitsbeiwert, p für die Flüssigkeitsdichte und g für eine Gravitationskonstante stehen.
  • Außerdem wurde die Änderung der Probendicke gemessen und für die Berechnung des Prozentsatzes der Aufquellung während des Tests verwendet.
  • Die Ergebnisse der Durchlässigkeitsbeiwert-Tests sind in der Tabelle 7 zusammengefasst. Als Vergleichsprobe wurde BENTOMAT® ST (CETCO, Arlington, Illinois) verwendet. BENTOMAT® ST ist eine GCL, die besteht aus einer Natriumbentonit-Schicht (etwa 4,9 kg/m2) zwischen gewobenen und nicht-gewobenen Geotextil-Materialien, die durch Nadelstanzen miteinander verbunden sind.
  • Die Dicke am Anfang und am Schluss sind jeweils in der Tabelle 7 als To und Tf angegeben. Das Einheitsgewicht (Flächengewicht), das in der Tabelle 7 für die Proben A1 und A2 angegeben ist, ist auf eine feuchtigkeitsfreie Basis bezogen. Die Probe A3 wurde nach der Polymerisation nicht getrocknet und deshalb ist die genaue Beladung auf einer feuchtigkeitsfreien Basis nicht bekannt. Es wird jedoch angenommen, dass das Einheitsgewicht (Flächengewicht), bezogen auf eine feuchtigkeitsfreie Basis, weniger als 0,75 kg/m2 beträgt.
  • Zur Vereinfachung sind in der Tabelle 6 die für jede Probe verwendete MCX-Mischung und das für jede Probe verwendete Geotextil-Material zusammengefasst.
  • Tabelle 6
    Figure 00430001
  • Tabelle 7
    Figure 00430002
  • Der Wasserstrom durch die Proben A1 und A3 war ähnlich dem Wasserstrom durch die Vergleichsprobe bei einer wirksamen Grenzspannung von 20 kPa. Selbst bei dieser sehr niedrigen NPC-Legierungs-Beladung (von nur 0,64 kg/m2, wobei das Gewicht der NPC-Legierung auf eine wasserfreie Basis bezogen ist) war der verstärkte Verbundwerkstoff ebenso wirksam wie die GCL mit 4,9 kg/m2 Bentonit. Der durchschnittliche Durchlässigkeitsbeiwert (K) für die Proben A1 und A3 betrug 1,1 × 10–9 cm/s, was eine Verbesserung um etwa 50% darstellt gegenüber dem K-Wert der Vergleichsprobe von 2,0 × 10–9 cm/s. Dieser verbesserte K-Wert ist besonders signifikant, da der Durchlässigkeitsbeiwert die Neigung hat, anzusteigen, wenn die Grenzspannung sich dem Wert 0 nähert, wie weiter unten in Beispiel 5 näher diskutiert. Diese Daten zeigen jedoch die überraschende und nicht erwartete Fähigkeit des Verbundwerkstoffes, einen verhältnismäßig gleichförmigen Durchlässigkeitsbeiwert sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Grenzspannungs-Bedingungen zu ergeben.
  • Der Strom durch die Probe A2 wurde bei einer Grenzsspannung von 120 kPa getestet, um den Einfluss der Grenzsspannung auf den Strom und dementsprechend den Durchlässigkeitsbeiwert zu bestimmen. Der Strom durch die Probe A2 war ähnlich dem Strom durch die Proben A1 und A3 und der Durchlässigkeitsbeiwert war ähnlich demjenigen der Probe A3. Es trat daher nur eine geringfügige Änderung auf, wenn die Grenzsspannung von 20 kPa auf 120 kPa erhöht wurde.
  • Der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff ergibt somit einen Durchlässigkeitsbeiwert, der mindestens vergleichbar ist, wenn nicht gar besser ist, als derjenige einer konventionellen GCL, jedoch weniger wiegt als die GCL und ein dramatisch besseres Tonrückhaltevermögen als die GCL aufweist, wenn er Wasser ausgesetzt wird. Dies trägt seinerseits signifikant zu dem Langzeit-Durchlässigkeitsbeiwert des Verbundwerkstoffes bei, der über einen langen Zeitraum hinweg relativ stabil bleibt und gegenüber der Einwirkung von Wasser aus der Umgebung konstant bleibt. Unter ähnlichen Umgebungs-Bedingungen nimmt der Durchlässigkeitsbeiwert für GCL mit dem Ablauf der Zeit ab, wenn Tonteilchen durch die GCL-Gewebeschicht wandern, wie dies in dem weiter unten folgenden Beispiel 8 näher diskutiert wird.
  • Beispiel 4
  • Alternative Herstellung eines verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes
  • Herstellung eines verstärkten NPC-Legierungss-Verbundwerkstoffes
  • Verstärkte Proben B1 und B2 wurden auf die gleiche Weise wie die verstärkte Probe A3 des Beispiels 3 hergestellt unter Verwendung der Probe 11-MCX-Mischung (vgl. Beispiel 3) und von zwei Schichten aus dem AMOCO 4551TM Geotextil-Material. Das Geotextil-Material wurde unter Verwendung eines mit TEFLONTM beschichteten Kolbens mit der MCX-Mischung in innigen Kontakt gebracht unter Anwendung eines Druckes von Hand, bis die Mischung innerhalb des Materials gleichmäßig verteilt war. Es scheint, dass die MCX-Mischung bei Verwendung des Kolbens gleichmäßiger verteilt war als mit dem in Beispiel 3 verwendeten hölzernen Wälzstab.
  • Die verstärkten MCX-Mischungsproben wurden 2 h lang in einen Ofen von 65°C gestellt zur Durchführung der Polymerisation. Die verstärkten Proben wurden direkt nach der Polymerisation in einem Polyethylen-Beutel gelagert.
  • Durchlässigkeitsbeiwert-Test
  • Die zur Messung des Durchlässigkeitsbeiwertes angewendeten Testverfahren waren die gleichen wie in Beispiel 3. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 8 zusammen mit den Ergebnissen für die in Beispiel 3 verwendete gleiche Vergleichsprobe angegeben.
  • Tabelle 8
    Figure 00450001
  • Der Wasser-Durchfluss und K bei den Proben B1 und B2 waren ähnlich dem Durchfluss und dem K bei der Vergleichsprobe bei einer wirksamen Grenzsspannung von 20 kPa. Selbst bei dieser sehr niedrigen NPC-Legierungsbeladung (< 0,75 kg/m2, wobei das Gewicht der NPC-Legierung auf eine wasserfreie Basis bezogen ist) war der verstärkte Verbundwerkstoff ebenso wirksam wie die GCL mit 4,9 kg/m2 Bentonit (Trockengewicht).
  • Der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff ergibt demnach einen Durchlässigkeitsbeiwert, der mindestens vergleichbar ist, wenn nicht sogar besser ist als derjenige einer konventionellen GCL, er wiegt jedoch wesentlich weniger als die GCL und er weist ein dramatisch verbessertes Ton-Rückhaltevermögen auf gegenüber der GCL, wenn er Wasser ausgesetzt wird. Dies trägt seinerseits bei in signifikantem Ausmaß zu dem Langzeit-Durchlässigkeitsbeiwert des Verbundwerkstoffes, der verhältnismäßig stabil bleibt über einen langen Zeitraum hinweg und der beständig bleibt gegen Einwirkung von Wasser der Umgebung. Unter ähnlichen Umgebungsbedingungen wird der Durchlässigkeitsbeiwert für GCL jedoch mit dem Ablauf der Zeit schlechter, da Tonteilchen durch die GCL-Gewebeschicht wandern, wie in Beispiel 8 näher erläutert.
  • Beispiel 5
  • Durchflußmenge bei einer Null-Grenzspannung
  • Herstellung der Proben
  • Unter Verwendung der nachstehend angegebenen MCX-Mischung mit einem Ton Monomer-Verhältnis von 2 : 1 wurden Proben hergestellt:
    100,8 g (1,52 Gew.-%) Acrylsäure
    400,5 g (6,04 Gew.-%) Acrylamid
    55,1 g (0,83 Gew.-%) NaOH
    51,5 g (0,78 Gew.-%) Na2CO3
    1,62 g (0,02 Gew.-%) NBAM
    12,8 g (0,19 Gew.-%) Kaliumpersulfat
    1000,8 g (15,09 Gew.-%)Ton
    5009,9 g (75,53 Gew.-%) Wasser
  • Es wurden verstärkte NPC-Legierung-Verbundwerkstoffe hergestellt unter Verwendung der MCX-Mischung und eines TERRAFIX® 270R-A Geotextil-Materials.
  • In einem halbkontinuierlichen Verfahren, wie oben in Bezug auf die 3 diskutiert und erläutert, wurden Proben hergestellt, wobei die MCX-Mischung in dem Geotextil-Material verteilt wurde, zur Herstellung des Verbundwerkstoffes. Die MCX-Mischung wurde für jede Gruppe von Proben wie nachstehend angegeben auf das Geotextil-Material aufgebracht. Eine Polyethylenfilm-Abdeckfolie wurde auf die Oberseite der MCX-Mischung aufgelegt und es wurde ein Vakuum an die Probe angelegt an die gegenüberliegende Seite des Geotextil-Materials. Die MCX-Mischung wurde in und auf dem Geotextil-Material durch Anlegen des Vakuums gleichmäßig verteilt. Die Abdeckfolie verminderte eine Kanalbildung in der Probe und die MCX-Mischung wurde über das Geotextil-Material gleichmäßiger verteilt, verglichen mit einer Probe, die ohne eine Abdeckfolie hergestellt wurde.
  • Zur Herstellung der Proben 13 und 14 wurde die MCX-Mischung in einer Dicke von etwa 3,5 mm auf ein 0,95 m × 0,97 m großes Stück Geotextil-Material gegossen. Eine zweite Schicht des Geotextil-Materials wurde auf die Oberseite der MCX-Mischung aufgebracht. Auf die Oberseite der zweiten Geotextil-Material-Schicht wurden eine Polyethylenfilm-Abdeckfolie gelegt und es wurde ein Vakuum von etwa 20 kPa an die gegenüberliegende Seite der ersten Geotextil-Materialschicht angelegt.
  • Zur Herstellung der Proben 15 und 16 wurde die MCX-Mischung in einer Dicke von etwa 2,5 mm auf ein 0,95 m × 0,50 m großes Stück Geotextil-Material gelegt. Eine Polyethylenfilm-Abdeckfolie wurde auf die Oberseite der MCX-Mischung gelegt und es wurde ein Vakuum mit einem Druck von etwa 16 kPa an die gegenüberliegende Seite des Geotextil-Materials angelegt.
  • Die Proben 17 und 18 wurden im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die Proben 15 und 16 hergestellt, jedoch unter Anwendung eines Vakuumdruckes von etwa 15 kPa anstelle von 16 kPa.
  • Alle Proben wurden in einem halbkontinuierlichen Verfahren unter Verwendung einer CATA-DYNETM Infrarot-Heizeinrichtung (die etwa 500 mm oberhalb der Probe angeordnet war) 10 min lang auf eine Temperatur von etwa 80°C erhitzt zur Bildung des verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes.
  • Die Proben wurden zu Scheiben mit einem Durchmesser von 9,0 cm zugeschnitten unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Schneidbrohrers und gewogen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 9 angegeben.
  • Tabelle 9
    Figure 00480001
  • Tests zur Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes
  • Es wurden Tests zur Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes angewendet zur Bewertung der Proben 13 bis 18 auf der Basis eines modifizierten ASTM 5887-95-Tests. Die für die Durchführung des Tests verwendete Vorrichtung war eine Baroid-Filterpresse. Zum Anlegen eines Druckes an eine Druckleitung wurde Druckluft verwendet. Anders als bei ASTM 5887-95 wird bei diesem Durchlässigkeitsbeiwert-Test keine Grenzsspannung an die Probe angelegt. Wie weiter oben erwähnt, nimmt der Durchlässigkeitsbeiwert einer Auskleidung im Allgemeinen mit steigender Grenzspannung ab. Die Durchlässigkeitsbeiwerte, wie sie in diesem Beispiel erläutert sind, mit einer angelegten Null-Grenzspannung repräsentieren ein "Worst Case-Szenario", bei dem die Auskleidung mindestens am Beginn ihrer Gebrauchsdauer, Grenzsspannungen ausgesetzt ist, die niedrig sind oder nahe bei Null liegen.
  • Die Proben wurden auf den Boden der Filter-Vorrichtung gelegt, darauf folgte eine Gummidichtung, eine Zelle und eine Kappe. Die Anordnung wurde in den Trägerstand eingeführt und durch Aufschrauben einer "T"-Schraube versiegelt und dann an die Druck-Rohrleitung angeschlossen. Die Testflüssigkeit wurden dann in die Zelle eingeführt und die Probe wurde 2 h lang bei Atmosphärendruck in der Testflüssigkeit vorimprägniert.
  • Nach 2 h wurde ein Strömungsdruck von 15 kPa angelegt. Der Abstrom wurde gewogen in einem Minuten-Abstand ab Beginn des Tests und mehrere Stunden danach.
  • Die Abstrommenge wurde verwendet zur Berechnung der Durchflussmenge durch die Probe unter Verwendung einer wirksamen Strömungsfläche von 7,7 cm im Durchmesser.
  • In diesem Beispiel wurde entionisiertes Wasser als Testflüssigkeit verwendet.
  • Der Wasserdurchfluss durch die Proben wurde nach 48 h gemessen. Die dabei erhaltenen Wasserdurchfluss-Ergebnisse sind in der Tabelle 10 angegeben.
  • Tabelle 10
    Figure 00500001
  • Wie in der Tabelle 10 angegeben, ist der Wasserdurchfluss durch die Proben 13 bis 18 bei Verwendung von entionisiertem Wasser bei einer Null-Grenzspannung ähnlich den Ergebnissen für die verstärkten NPC-Legierungsverbundmaterialproben, die getestet wurden in Beispiel 6 (Salzwasser, Null-Grenzspannung), Beispiel 3 (entionisiertes Wasser, 20 kPa und 120 kPa Grenzspannung) und Beispiel 4 (entionisiertes Wasser, 20 kPa Grenzspannung).
  • Im Gegensatz dazu ist der Durchlässigkeitsbeiwert für Wasser durch eine konventionelle GCL signifikant erhöht, wenn die Grenzspannung herabgesetzt wird. Darüber hinaus ist, wie in der Diskussion des Beispiels 6 erwähnt, der Salzwasserstrom durch GCL bekanntlich viel höher als 1 × 10–8 m3/m2/s. Es wurden mehrere konventionelle GCLs mit frischem Wasser in einem Papier von D. E. Daniel ("Geosynthetic clay liners, part two: hydraulic properties" in "Geotechnical Fabrics Report" 14: 5, 22; Juni bis Juli 1996) getestet. Bei einer Grenzspannung in dem Bereich von 100 bis 1000 kPa weisen konventionelle GCLs einen Durchlässigkeitsbeiwert-Bereich von 3 × 10–10 bis 1 × 10–9 cm/s auf. Der Durchlässigkeitsbeiwert nimmt zu auf einen Bereich von 6 × 10–10 bis 6 × 10–9 cm/s, wenn die Grenzspannung in dem Bereich von 10 bis 100 kPa liegt. Für eine Grenzspannung unter 10 kPa wurde nur ein Datenpunkt angegeben. Der Durchlässigkeitsbeiwert betrug 2 × 10–9 cm/s für eine Grenzspannung von 7 kPa. Dieser Wert wurde extrapoliert, um einen Durchlässigkeitsbeiwerts-Bereich von 6 × 10–9 cm/s bis etwa 1 × 10–7 cm/s zu zeigen, wenn die Grenzspannung auf 1 kPa abnimmt. Dementsprechend weisen konventionelle GCLs einen Durchlässigkeitsbeiwert von mindestens 1 × 10–7 cm/s oder höher auf, was die Durchlässigkeitsbeiwert-Testergebnisse des Verbundwerkstoffs von etwa 2,5 × 10–9 cm/s bei einer Null-Grenzspannung besonders überraschend und unerwartet macht.
  • Beispiel 6
  • Salzwasserdurchfluss-Tests
  • Ein Problem unter anderen, das bei konventionellen Sperrschicht-Auskleidungen, wie z. B. GCL, auftritt, besteht darin, dass ihre hydraulischen Sperrschicht-Eigenschaften unter der Einwirkung von Salzwasser schlechter werden, insbesondere bei der Einwirkung von Salzwasser mit einer Salz-Konzentration von etwa 3 Gew.-% oder höher. Beispielsweise weist eine konventionelle GCL einen Durchfluss von etwa 1 × 10–8 m3/m2/s bei Verwendung von Leitungswasser auf. Der Salzwasser-Durchfluss durch GCL ist jedoch bekanntlich viel höher als 1 × 10–8 m3/m2/s, beispielsweise beträgt er etwa 1 × 10–7 bis etwa 1 × 10–6 m3/m2/s. Das Beispiel zeigt, wie ein verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff seine niedrige Durchlässigkeit bei Einwirkung von Salzwasser im Wesentlichen beibehält.
  • Probenherstellung
  • Es wurden Proben 19 und 24 hergestellt unter Verwendung der nachstehend angegebenen MCX-Mischung (Ton: Monomer-Verhältnis = 2 : 1), unter Anwendung des in Beispiel 5 beschriebenen halbkontinuierlichen Verfahrens.
    100,8 g (1,52 Gew.-%) Acrylsäure
    400,5 g (6,04 Gew.-%) Acrylamid
    55,1 g (0,83 Gew.-%) NaOH
    51,5 g (0,78 Gew.-%) Na2CO3
    1,62 g (0,02 Gew.-%) NBAM
    12,8 g (0,19 Gew.-%) Kaliumpersulfat
    1000,8 g (15,09 Gew.-%) Ton
    5009,9 g (75,53 Gew.-%) Wasser
  • Es wurden Proben 20 bis 23 hergestellt unter Verwendung der nachstehend angegebenen MCX-Mischung (Ton : Monomer-Verhältnis = 2 : 1), die im Wesentlichen derjenigen der Proben 19 und 24 entspricht, jedoch eine kleinere Chargengröße ist und im Rahmen eines nachstehend beschriebenen Batch-Verfahrens aufgebracht wurde:
    50,9 g (1,54 Gew.-%) Acrylsäure
    200,5 g (6,05 Gew.-%) Acrylamid
    27,55 g (0,83 Gew.-%) NaOH
    25,8 g (0,78 Gew.-%) Na2CO3
    0,81 g (0,02 Gew.-%) NBAM
    6,48 g (0,19 Gew.-%) Kaliumpersulfat
    500 g (15,09 Gew.-%) Ton
    2502 g (75,50 Gew.-%) Wasser.
  • Es wurden verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffe hergestellt unter Verwendung der vorstehend angegebenen MCX-Mischungen und unter Verwendung eines TERRAFIX® 270R-A Geotextil-Materials, eines Nonwoven-Polypropylen-Faser-Geotextil-Materials, mit einer Dicke von etwa 2,0 bis 2,5 mm.
  • Zur Herstellung der Proben 20 bis 23 wurde die MCX-Mischung in einer Dicke von 2 mm auf ein Stück aus dem Geotextil-Material mit einem Durchmesser von 120 mm gegossen. Auf die Oberseite der MCX-Mischung wurde eine Polyethylenfilm-Abdeckfolie gelegt und es wurde ein Vakuumdruck in dem Bereich von etwa 16 bis etwa 30 kPa an die Probe angelegt von der gegenüberliegenden Seite des Geotextil-Materials her. Die MCX-Mischung wurde in und auf dem Geotextil-Material durch Anlegen des Vakuums gleichmäßig verteilt. Die Abdeckfolie verminderte die Kanalbildung in der Probe und die MCX-Mischung wurde durch das Geotextil-Material gleichmäßiger verteilt, verglichen mit einer Probe, die ohne eine Abdeckfolie hergestellt wurde.
  • Die Proben wurden unter Verwendung von zwei 320 W-Infrarotlampen (die etwa 250 mm oberhalb der Probe angeordnet waren) 10 min lang auf eine Temperatur von etwa 80°C erhitzt, um die MCX-Mischung zu polymerisieren.
  • Die Proben 19 und 24 wurden auf ähnliche Weise hergestellt. Das Vakuum wurde in dem halbkontinuierlichen Verfahren angelegt, wie es in Beispiel 5 beschrieben ist, und dann wurde das Ganze unter der CATA-DYNETM Infrarot-Heizeinrichtung hindurchgeführt.
  • Die Proben wurden zu Scheiben mit einem Durchmesser von 9,0 cm geschnitten unter Verwendung eines Schneidbohrers und gewogen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 11 angegeben.
  • Tabelle 11
    Figure 00530001
  • Durchlässigkeitsbeiwert-Tests
  • Die Durchlässigkeitsbewert-Tests basierten auf dem ASTM 5887-95-Test, wie er in Beispiel 5 beschrieben ist.
  • Der Durchfluss wurde getestet unter Verwendung von zwei verschiedenen Lösungen. Die erste Lösung war eine 3,5 gew.-%ige NaCl-Lösung. Die zweite Lösung war künstliches Meerwasser mit der folgenden Zusammensetzung: 0,46 M NaCl, 0,035 M MgCl2, 0,028 M MgSO4 und 0,01 M KCl. Die Zusammensetzung des künstlichen Meerwassers ähnelt der Zusammensetzung von natürlichem Meerwasser, wie es in "Introduction to Geochemistry" (K. B. Krauskopf, McGraw-Hill, Seite 324; 1967) vorgeschlagen worden ist.
  • Die Ergebnisse der Durchflusstests für die 3,5 gew.-%ige NaCl-Lösung und die künstliche Meerwasser-Lösung sind in den 4 und 5 jeweils graphisch dargestellt.
  • Wie in der 4 dargestellt, nahm der Durchfluss der 3,5 gew.-%igen NaCl-Lösung durch die Proben 19, 20, 21 und 22 dramatisch und schnell innerhalb des ersten Test-Tages ab. Tatsächlich führten die ersten Test-Stunden zur dramatischsten Abnahme des Durchflusses. Daher sind mehrere Datenpunkte in der Nähe der Zeit 0 für diesen Proben angegeben. Die niedrigsten Durchflussdaten-Punkte in der Nähe der Zeit 0 auf der y-Achse betrugen für die Proben 19, 20, 21 und 22 jeweils 1 × 10–6, 6 × 10–8, 4 × 10–7 und 1,5 × 10–7 m3/m2/s. Als Referenzpunkt zeigt die gestrichelte Linie bei 1 × 10–7 m3/m2/s den niedrigsten Durchfluss an, der aus einer konventionellen GCL-Auskleidung auf Tonbasis zu erwarten war, wenn diese einer ähnlichen Salzlösung ausgesetzt wurde. Tatsächlich ist vernünftigerweise zu erwarten, dass viele konventionelle GCLs einen Salzwasser-Durchflusswert aufweisen, der signifikant höher ist als 1 × 10–7 m3/m2/s, der mindestens eine Größenordnung höher ist als der durchschnittliche Salzwasser-Durchflusswert, wie er für die erfindungsgemäßen Verbundmaterial-Proben nach etwa 5-tägiger Einwirkung von Salzwasser angegeben ist. Diese wesentliche Disparität in Bezug auf die Salzwasser-Durchflussmenge zwischen den konventionellen GCL-Zusammensetzungen und dem verstärkten NPC-Legierungs-Verbundmaterial ist sowohl überraschend als auch unerwartet. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die neuartigen physikalischchemischen Eigenschaften der NPC-Legierung möglicherweise eine synergistische Wechselwirkung zwischen dem Ton und dem netzwerkförmigen Polymer mit sich bringen, die, wie in dem folgenden Beispiel 7 näher erläutert, vorzugsweise in einem in natürlicher Weise hydratisierten Zustand vorliegt aufgrund der Herstellungsdaten und dadurch Rechnung trägt dem starken Durchflussabfall des Verbundwerkstoffes in den ersten Betriebsstunden sowie der Verbesserung um mindestens eine, wenn nicht zwei Größenordnungen in Bezug auf die Langzeit-Salzwasser-Durchflußmenge.
  • Wie in 5 dargestellt, betragen die anfänglichen Meerwasser-Durchflussergebnisse für die Proben 23 und 24 2 × 10–8 bzw. etwa 2 × 10–9 m3/m2/s, die signifikant niedriger sind als bei den Proben 19 bis 22. Wiederum ist als Bezugspunkt die gestrichelte Linie bei 1 × 10–7 m3/m2/s angegeben als der niedrigste Durchfluss, der von einer konventionellen GCL-Auskleidung auf Tonbasis bei der Einwirkung einer ähnlichen Salzlösung zu erwarten war. Diese beträchtliche Disparität in Bezug auf die Meerwasser-Durchflussmenge zwischen den konventionellen GCL-Zusammensetzungen und dem verstärkten NPC-Legierung-Verbundwerkstoff ist sowohl überraschend als auch unerwartet aus den vorstehend angegebenen Gründen.
  • Beispiel 7
  • SEM- und Röntgen-Analyse
  • Die nachstehenden SEM-Mikrofotografien und Röntgen-Analysen erläutern, dass
    • (1) in der NPC-Legierung der Ton mit dem Polymer chemisch verbunden ist,
    • (2) der Ton aus der NPC-Legierung nicht abgespalten wird, wenn das Polymer aufquillt,
    • (3) die NPC-Legierung mit dem Verstärkungsmittel in dem verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff fest integriert ist und
    • (4) der verstärkte NPC-Legierung-Verbundwerkstoff eine signifikante Menge an eingeschlossenem Wasser, das aus der Herstellung zurückgehalten wird, enthalten kann.
  • Herstellung einer Monomer/Ton-Mischung
  • Wie in der Tabelle 12 angegeben wurde eine MCX-Mischung hergestellt. Der in der MCX-Mischung verwendete Ton war NATURAL GELTM. Das Monomer war eine Mischung von Acrylsäure (Aldrich) und Acrylamid (Cytec) in einem Gewichtsverhältnis von 1: 4.
  • Wasser, NaOH, NaHCO3, Acrylsäure, Acrylamid, NBAM und K2S2O8 wurden in einem 10-LHDPE-Eimer miteinander gemischt. Die wässrige Lösung wurde gut durchmischt, bevor der Ton zugegeben wurde. Es wurde Ton zugegeben und erneut gemischt zur Bildung einer homogenen MCX-Mischung. Die MCX-Mischung war vor der Polymerisation viskos, jedoch fließfähig.
  • Tabelle 12
    Figure 00560001
  • Herstellung eines NPC-Legierung-Verbundwerkstoffes
  • Die MCX-Mischung wurde in einer Dicke von etwa 1,5 mm auf ein 0,95 m × 0,80 m großes Stück eines TERRAFIX® 270R-A-Geotextil-Materials als Verstärkungsmittel gegossen. Auf die Oberseite der MCX-Mischung wurde eine Polyethylen-Abdeckfolie gelegt und es wurde ein Vakuumdruck in dem Bereich von etwa 16 bis etwa 30 kPa an die Probe von der gegenüberliegenden Geotextil-Materialseite her angelegt. Die MCX-Mischung wurde in und auf dem Geotextil-Material durch Anlegen des Vakuums gleichmäßig verteilt.
  • Die verstärkte MCX-Mischungsprobe wurde 8 min lang unter eine Infrarot-Heizeinrichtung von 80°C gestellt zur Durchführung der Polymerisation. Der Feuchtigkeitsgehalt des verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes betrug etwa 75%.
  • Abtastelektronenmikroskopie (SEM)
  • Der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff wurde untersucht unter Verwendung eines Abtastelektronenmikroskops, JEOL Modell Nr. JSM 6301 FXV (SEM. Japan Electron Optics Limited, Japan), in der SEM-Anlage, Department of Earth & Atmospheric Sciences, der Universität von Alberta, Edmonton, Alberta, Canada, untersucht.
  • Proben wurden für die SEM-Untersuchung vorbehandelt, indem man die Proben in einem Halter anordnete und sie dann in flüssigen Stickstoff tauchte (d. h. bei etwa – 196°C). Wenn sie eingefroren waren, wurden die Proben aus dem flüssigen Stickstoff entnommen unter Verwendung einer Zange oder eines Messers, schnell zerbrochen oder zerschnitten, wie nachstehend angegeben, zur Herstellung einer Querschnittsansicht der Probe. Dann wurden die Proben schnell in die SEM-Vakuumkammer überführt, in der sie auf –40°C erwärmt wurden, um eine eventuelle Eiskristall-Oberfläche zu sublimieren. Danach wurden die Proben in eine Beschichtungskammer eingeführt, in der eine dünne Goldschicht auf die Probe aufgebracht wurde, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Die Proben wurden dann wieder in die SEM-Vakuumkammer eingeführt zur Durchführung der Überprüfung. Die Proben wurden während der Goldbeschichtung und der anschließenden SEM-Prüfung bei der oder in der Nähe der Temperatur von flüssigem Stickstoff gehalten. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Struktur der Probe beibehalten wird. Die Proben enthielten beträchtliche Mengen an Feuchtigkeit und mussten daher im eingefrorenen Zustand gehalten werden, um die SEM in geeigneter Weise durchführen zu können.
  • Die Proben in den 8 und 9 wurden vor der Befestigung mit einem Messer zugeschnitten. Beide Mikrofotografien zeigen die Schnittränder der Fasern des Verstärkungsmittels. Die aus der 9 ersichtlichen Teilchen sind Bruchstücke aus der Schneidestufe bei der Vorbehandlung der Probe für die SEM-Prüfung. Die Probe in den 10 und 11 wurde vor der Befestigung mit einem Paar Zangen anstelle eines Messers zerschnitten. Die 10 zeigt die Bruchränder der Fasern des Verstärkungsmittels und andere Bruchstücke, die beim Zerschneiden entstanden. Die SEM-Mikrofotografien der 6 bis 12 sind in der Tabelle 13 diskutiert.
  • Diskussion der SEM-Mikrofotografien
  • Zusammenfassend erläutern die SEM-Mikrofotografien, dass
    • (1) der Ton in der NPC-Legierung mit dem Polymer chemisch verbunden ist,
    • (2) der Ton von der NPC-Legierung nicht abgetrennt wird, wenn das Polymer aufquillt,
    • (3) die NPC-Legierung mit dem Verstärkungsmittel in dem verstärkten NPC-Legierung-Verbundwerkstoff eine feste Einheit bildet und
    • (4) der verstärkte NPC-Legierung-Verbundwerkstoff eine signifikante Menge von eingeschlossenem Wasser, das bei der Herstellung zurückgehalten wurde, enthalten kann.
  • Tabelle 13
    Figure 00580001
  • Figure 00590001
  • Wie im Vergleich zwischen der 10 (verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff) und der 7 (aufgequollenes Polymer ohne Ton) oder 12 (aufgequollenes Polymer ohne Ton in einem Verstärkungsmittel) deutlicher gezeigt wird, ist die offenzellige Struktur der aufgequollenen NPC-Legierung ähnlich derjenigen der Tonfreien Polymeren. Daher schränkt der Ton das Wasseraufquellungsvermögen der NPC-Legierung nicht ein. Im Hinblick auf Ogawa et al (wie in Beispiel 1 näher erläutert), die angeben, dass der Ton als Vernetzungsmtitel zur Herstellung von Wasser absorbierenden Polymeren fungiert, ist dies ein überraschendes und unerwartetes Ergebnisse. Auch im Hinblick auf die Vernetzungsmittel-Ergebnisse in Beispiel 2, die zeigen, dass eine Vernetzungsmittel-Konzentration von nur etwa 0,1 Gew.-% zu einer Übervernetzung eines Polymers führen kann, wodurch sein Wasserabsorptionsvermögen beträchtlich vermindert wird, sind diese Ergebnisse höchst überraschend und unerwartet bei einem verhältnismäßig hohen Ton : Monomer-Verhältnis von 2 : 1.
  • Röntgenanalyse
  • Die Energieverteilungs-Röntgen(EDX)-Analysen-Einrichtung der SEM sammelt Signale aus einer Fläche von 1 μm × 1 μm in einer Eindringtiefe von etwa 1 μm. Es wurde an zahlreichen Stellen der Probe der 11, welche die NPC-Legierung im Zentrum der 11 enthielt, eine Röntgenanalyse durchgeführt. An jeder Stelle traten stets die Peaks für Gold (2,1, 8,5 keV), Silicium (1,74 keV), Aluminium (1,49 keV), Natrium (1,04 keV), Magnesium (1,25 keV) und Eisen (0,615; 6,40 keV) auf. Der Goldpeak war das Ergebnis der Gold-Behandlung für die SEM-Prüfung. Die relativen Stärken und Positionen der Silicium- und Aluminium-Peaks in den EDX-Spektren stimmten mit denjenigen überein, die für Bentonitton erwartet wurden. Alle geprüften Stellen zeigten die Anwesenheit von Silicium, Aluminium, Natrium, Magnesium und Eisen. Diese Analyse zeigt, dass die NPC-Legierung über die gesamte Probe homogen ist, selbst bei dem 1 μm3-Wert. Der Ton in der NPC-Legierung ist daher mit dem Polymer chemisch verbunden.
  • Beispiel 8
  • Tonwanderungstests
  • Dieses Beispiel erläutert, dass dann, wenn der verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoft in Wasser eingetaucht wird, die NPC-Legierung aufquillt, wobei sich praktisch kein Ton von dem Verbundwerkstoff trennt.
  • Verstärkter NPC-Legierung-Verbundwerkstoff
  • Es wurde eine MCX-Mischung hergestellt durch Vermischen von 40,51 g Acrylsäure mit 500 g Wasser. Dann wurden unter Rühren 36,6 g Kaliumhydroxid und 0,624 g NBAM zugegeben. Nachdem das Kaliumhydroxid in Lösung gegangen war, wurden 24,39 g Kaliumcarbonat gelöst, danach wurden 160,33 g Acrylamid, 4,83 g Kaliumpersulfat und 500 g Wasser zugegeben. 594,07 g der Monomermischung wurden mit 199,79 g Bentonitton in einem Lebensmittel-Mischer gemischt zur Bildung einer cremeartigen Suspension.
  • Eine Schicht aus der MCX-Mischung wurde auf ein 2 cm × 2 cm großes Stück eines TERRAFIX® 270R-A Geotextil-Materials gegossen. Die MCX-Mischung wurde von Hand in und auf dem Geotextil-Material gründlich verteilt. Die MCX-Mischung wurde in dem Verstärkungsmittel durch 8-minütiges Erhitzen in einem Ofen von 75°C polymerisiert.
  • Dieser verstärkte NPC-Verbundwerkstoff wurde in den Tonwanderungstests als Probe A bezeichnet.
  • Vergleichsprobe B – kein Polymerisationsinitiator, kein Vernetzungsmittel
  • Die Monomer/Ton-Mischung für die Vergleichsprobe B wurde hergestellt durch Mischen von 18,7 g Acrylsäure, 6,1 g Natriumhydroxid, 34,9 g Ton und 18 g Wasser unter Bildung einer viskosen Paste. Dann wurde die Paste in ein 2 cm × 2 cm großes Stück aus TERRAFIX® 270R-A-Geotextil-Material hineingepresst. Die Monomer/Ton- Mischung konnte bei 100 kPa nicht in das Geotextil-Material eingebettet werden. So stellte sich einer der Erfinder mit einem Gewicht von etwa 80 kg auf ein Stück PLEXIGLASTM auf der Oberseite der Probe und stand darauf, wobei er sich hin- und herbewegte. Etwa die Hälfte der Monomer/Ton-Mischung wurde unter Anwendung dieses Verfahrens in das Gewebe gepresst. Der Monomer/Ton-Mischung wurde kein Polymerisationsinitiator und kein Vernetzungsmittel zugegeben.
  • Die Probe wurde 1 h lang in einem Ofen bei 75°C getrocknet.
  • Vergleichsprobe C – kein Polymerisationsinitiator
  • Eine Monomer/Ton-Mischung wurde hergestellt durch Mischen von 79,89 g Acrylamid, 20,56 g Acrylsäure, 0,3 g NBAM als Vernetzungsmittel, 9,995 g Natriumhydroxid, 9,962 g Natriumcarbonat und 1000 g Wasser. 552,8 g der Monomermischung wurde mit 100,55 g Bentonitton in einem Lebensmittel-Mischer gemischt unter Bildung einer cremigen Suspension. Der Monomer/Ton-Mischung wurde kein Polymerisationsinitiator zugesetzt.
  • Eine Schicht aus der Monomer/Ton-Mischung wurde auf ein 2 cm × 2 cm großes Stück aus einem TERRAFIX® 270R-A Geotextil-Material gegossen. Die Mischung wurde von Hand in und auf dem Geotextil-Material gründlich verteilt. Die Monomer/Ton-Mischung wurde in dem Verstärkungsmittel 1 h lang in einem Ofen von 70°C erhitzt.
  • Diese Probe wird in den Tonwanderungstests als Probe C bezeichnet.
  • Vergleichsprobe D – vorher hergestelltes Oligomer (MW 2 000)
  • Eine Vergleichsprobe D wurde hergestellt durch Mischen von 6,5 g vorher hergestellter Polyacrylsäure, 1,6 g Natriumhydroxid, 26 g Wasser und 10,70 g Ton. Die Polyacrylsäure mit einem Molekulargewicht von 2000 wurde von der Firma Aldrich Chemical Co. erhalten.
  • Eine Schicht aus der Mischung aus dem vorher hergestellten Oligomer und Ton wurde auf ein 2 cm × 2 cm großes Stück eines TERRAFIX® 270R-A Geotextil-Materials gegossen. Die Mischung aus dem vorstehend hergestellten Oligomer und Ton wurde von Hand in und auf dem Geotextilmaterial gründlich verteilt. Die Probe wurde 1 h lang in einem Ofen bei 75°C getrocknet.
  • Vergleichsprobe E – vorher hergestelltes Polymer (MW 450 000)
  • Eine Vergleichsprobe E wurde hergestellt durch Mischen von 4,74 g einer vorher hergestellten Polyacrylsäure, 1,44 g Natriumhydroxid, 96 g Wasser und 11,52 g Ton. Die Polyacrylsäure, die ein Molekulargewicht von 450000 hatte, wurde von der Firma Aldrich Chemical Co. bezogen.
  • Eine Schicht aus der Mischung aus dem vorher hergestellten Polymer und Ton wurde auf ein 2 cm × 2 cm großes Stück eines TERRAFIX® 270R-A Geotextil-Materials gegossen. Die Mischung wurde unter Verwendung eines hölzernen Wälzstabes in und auf dem Geotextil-Material gründlich verteilt. Die Probe wurde 1 h lang in einem Ofen bei 75°C getrocknet.
  • Handelsübliche Vergleichsprodukte
  • Es wurden auch zwei handelsübliche Produkte zu Vergleichszwecken in den Tonwanderungstests untersucht.
  • GUNDSEAL® (GSE Lining Technology, Inc., Houston. Texas) ist eine Bentonitton/Polyethylengeomembran-Auskleidung. Natriumbentonit wurde unter Verwendung eines Klebstoffes bei einer Beladung von 4,9 kg/m2 (1 lb/ft2) an einer Polyethylen-Geomembran befestigt. Die Probe war etwa 3 mm dick. Ein 2,5 cm × 2,5 cm großes Stück GUNDSEAL® wurde als Vergleichsprobe F bezeichnet.
  • BENTOMAT® DN (CETCO, Arlington, Illinois) ist eine geosynthetische Tonauskleidung, bestehend aus einer Natriumbentonitschicht zwischen zwei Schichten aus Geotextil-Material, die durch Nadeln miteinander verbunden sind. Ein 2,5 cm × 2,5 cm großes Stück BENTOMAT® DN wurde als Vergleichsprobe G bezeichnet.
  • Tonwanderungstestverfahren
  • Jede der Proben wurde in eine Glasflasche eingeführt. Dann wurden 100 mL entionisiertes Wasser von Raumtemperatur (etwa 20°C) in die Flasche gegossen.
  • Die Flasche wurde ohne Störung bei Raumtemperatur stehen gelassen. Die Probe wurde 3 h und 22 h lang nach der Zugabe von Wasser betrachtet, wie in der Tabelle 14 beschrieben.
  • Tabelle 14
    Figure 00640001
  • Figure 00650001
  • Von einigen Fotografien, die während der Tonwanderungstests, die in Tabelle 14 zusammengefasst sind, angefertigt wurden, wurden Strichzeichnungen hergestellt.
  • Die Pobe A war eine verstärkter NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff. Die 13A zeigt die Probe A vor dem Eintauchen in entionisiertes Wasser. Die NPC-Legierung befindet sich in dem Verstärkungsmittel 40. Die 13B zeigt die Probe nach 3-stündigem Eintauchen in entionisiertes Wasser. Die aufgequollene NPC-Legierung 46 hatte ein blasenförmiges Aussehen. Es trennte sich praktisch kein Ton von dem Verbundwerkstoff. Außerdem bildete die aufgequollene NPC-Legierung 46 noch eine Einheit mit dem Verstärkungsmittel 40.
  • Die 14A zeigt die Vergleichsprobe D vor dem Eintauchen in entionisiertes Wasser. Eine Mischung aus dem vorher hergestellten Polymer und Ton befindet sich in dem Verstärkungsmittel 40. Die 14B zeigt die Probe nach 3-stündigem Eintauchen in entionisiertes Wasser. Das Polymer hatte sich in dem Wasser gelöst und der Ton 44 wanderte aus dem Verstärkungsmittel 40 aus und wurde in dem Wasser dispergiert. Es wurde ein teilweises Absetzen des Tons 44 am Boden der Flasche festgestellt.
  • Die 15A zeigt die Vergleichsprobe G vor dem Eintauchen in entionisiertes Wasser. Die Probe wies sandwichartig zwischen einem ersten Verstärkungsmittel 40 und einem zweiten Verstärkungsmittel 42 Ton auf. Die 15B zeigt die Probe nach 3-stündigem Eintauchen in entionisiertes Wasser. Der Ton 44 war aus dem Raum zwischen den beiden Verstärkungsschichten 40, 42 ausgewandert und hatte sich in dem Wasser dispergiert. Der Ton 44 der Probe G hatte sich in größerer Dichte als der Ton der Vergleichsprobe D abgesetzt, wie in 14B dargestellt.
  • Die Ergebnisse in der Tabelle 14 und der 13B erläutern, wie der Ton einen integralen Teil der NPC-Legierung darstellt. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die NPC-Legierung einen integralen Teil des Verbundwerkstoffes darstellt. In allen Vergleichsproben wanderte der Ton aus der Mischung und/oder dem Verstärkungsmittel aus. Außerdem wanderten das Monomer und das vorher hergestellte Polymer aus dem Verstärkungsmittel aus. Diest ist in den 14B und 15B klarer dargestellt.
  • Der verstärkte NPC-Legierung-Verbundwerkstoff bleibt im Wesentlichen intakt, wenn er entionisiertem Wasser von etwa 20°C ausgesetzt wird. Insbesondere trennte sich kein Ton von der NPC-Legierung ab. Darüber hinaus weist der Verbundwerkstoff ein im Wesentlichen ähnliches Verhalten in entionisiertem Wasser in einem Temperaturbereich von etwa 1 bis etwa 60°C auf. Dies stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber den konventionellen Verfahren dar.
  • Beispiel 9
  • Restlicher Monomer-Gehalt
  • Ein Problem bei der Verwendung von Acrylamid als ein Monomer zur Herstellung einer NPC-Legierung ist die Auslaugung des restlichen Monomers. Der FDA-Grenzwert für auslaugbares Acrylamid in Polyacrylamid beträgt 0,05% (500 ppm, 500 μm/g), wenn das Polyacrylamid für die Behandlung von Trinkwasser und für die Herstellung von Papier und Karton für Lebensmittelkontakt-Anwendungen verwendet wird (EPA/600/X-85/270, Juli 1985, PB88-170824).
  • Dieses Beispiel zeigt die restlichen Monomerdaten für ein Polymer und für eine NPC-Legierung. Im Allgemeinen hängt die Menge an restlichem Monomer von der Initiator-Konzentration, der Reaktionszeit und der Reaktionstemperatur ab. Zum Beispiel nimmt der Gehalt an restlichem Monomer im Allgemeinen mit steigender Temperatur, steigender Reaktionszeit und steigender Initiator-Konzentration ab.
  • Herstellung einer Probe
  • Es wurde eine Monomer-Mischung hergestellt durch Mischen von 20 g Acrylsäure, 80 g Acrylamid, 10 g Natriumhydroxid, 12 g Natriumcarbonat und 0.6 g Kaliumpersulfat in 1000 mL Wasser. Die Monomermischung wurde in drei Portionen aufgeteilt und es wurde NBAM als Vernetzungsmittel in einer Menge von jeweils 0,1 Gew.-%, 0,3 Gew.-% bzw. 0,9 Gew.-% zugegeben. Jede der drei Monomer-Mischungen wurde in drei Teile aufgeteilt. Einigen der Mischungen wurde Ton in einer Menge zugegeben, dass das Monomer : Ton-Verhältnis etwa 1 : 1 oder 1 : 2 betrug, wie in Tabelle 15 angegeben. Die MCX-Mischungen wurden in einem Lebensmittel-Mischer durchmischt zur Herstellung einer glatten homogenen Mischung.
  • Proben des Monomers und der MCX-Mischungen wurden in Kunststoffbecher überführt und 1 h lang in einen Ofen von 80°C gestellt zur Durchführung der Polymerisation. Die Proben wurden aus dem Ofen entnommen und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Proben wurden für einige Tage bei 95°C getrocknet.
  • Restliche Monomer-Analyse
  • Das restliche Acrylamidmonomer wurde nach dem EPA-Verfahren 8316 mit dem Titel "Acrylonitrile, Acrylamide and Acrolein by High Performance Liquid Chromatography (HPLC)" analysiert.
  • Eine ausgewogene Probe von getrocknetem Polymer oder Polymer/Ton-Legierung (1 bis 2 g) wurde zusammen mit etwa 200 mL Wasser in einen Polyethylen-Becher eingeführt und über Nacht bei Raumtemperatur (etwa 20°C) stehen gelassen. Das Po lymer und die NPC-Legierungsproben quollen auf und absorbierten einen Teil des Wassers. Das zurückbleibende Wasser wurde von jedem gequollenen Polymer und jeder gequollenen NPC-Legierung abdekantiert und analysiert zur Bestimmung seines Acrylamid-Gehaltes. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 15 angegeben.
  • Tabelle 15
    Figure 00680001
  • Die Menge an ausgelaugtem Arylamid, das durch das Wasser aus dem getrockneten Polymer und den NPC-Legierungsproben ausgelaugt wurde, lag bei allen Proben mit einer Ausnahme weit unterhalb des FDA-Grenzwertes von 500 ppm. Die Probe 29 führte zu einer sehr hohen Konzentration an ausgelaugtem Acrylamid. Wegen des ungewöhnlich hohen restlichen Monomer-Gehaltes scheint es, dass die Probe 29 nicht vollständig polymerisiert wurde. Die Probe 29 ist somit ein falscher Wert, insbesondere im Hinblick auf das Ergebnis der Probe 28, das ebenfalls auf einer 1 : 1-MCX-Mischung basiert, bei der jedoch nur 108 ppm restliches Acrylamid ermittelt wurden, und in Bezug auf das Ergebnis der Probe 26, einer tonfreien Monomer-Vernetzungsmittel-Mischung, bei der nur 128 ppm restliches Acrylamid festgestellt wurden. Es wurde angenommen, dass die Polymerisation möglicherweise nicht stark fortgeschritten war und deshalb die Menge an ausgelaugtem Acrylamid größer war für Proben, die Ton enthielten, insbesondere in höheren Mengen enthielten. Überraschenderweise war jedoch, wie die Tabelle 15 zeigt, die Menge an ausgelaugtem Acrylamid in den Proben 28 und 30 ähnlich (0,3% NBAM, Monomer : Ton-Verhältnis 1 : 1 bzw. 1 : 2) und in der Probe 26 (0,3% NBAM, kein Ton). Es ist anzunehmen, dass die Gehalte an restlichem Monomer für verstärkte NPC-Legierungs-Verbundwerkstoff-Proben ähnlich sein werden.
  • Diese und andere Beispiele, die hier beschrieben worden sind, zeigen die Vorteile des verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes gegenüber konventionellen GCLs, die für Flüssigkeits-Sperrschicht-Anwendungen und für Wasserabsorptions-Anwendungen eingesetzt werden.
  • Vorstehend wurden bevorzugte Zusammensetzungen und Verfahren zur Durchführung der Erfindung beschrieben, es ist jedoch klar, dass die vorstehenden Angaben die Erfindung lediglich erläutern und dass auch andere Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung eines verstärkten NPC-Legierungs-Verbundwerkstoffes angewendet werden können, ohne dass dadurch der Schutzbereich der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert ist, verlassen wird.

Claims (40)

  1. Verfahren zur Herstellung eines verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffes, das die folgenden Stufen umfasst: (a) Herstellung einer Monomer/Ton-Mischung durch Mischen mindestens eines Monomers, von Tonteilchen, eines Vernetzungsmittels und einer Mischflüssigkeit in einem Behälter; (b) Inkontaktbringen der Monomer/Ton-Mischung mit einem Verstärkungsmittel; (c) Einwirkenlassen einer Polymerisationsinitiator-Einrichtung auf die Monomer/Ton-Mischung; und (d) Polymerisieren der Monomer/Ton-Mischung in Gegenwart des Verstärkungsmittels, sodass ein verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verstärkungsmittel ein Substrat mit einer porösen Struktur umfasst und die Kontaktierstufe das Verteilen der Monomer/-Ton-Mischung auf und in dem Substrat umfasst, sodass ein beträchtlicher Teil der porösen Struktur von der Monomer/Ton-Mischung besetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Substrat ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus gewirkten, gewebten und nicht-gewebten natürlichen und synthetischen Fasern.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die synthetischen Fasern ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus Polypropylen-, Polyester-, Polyamid-, Polyethy lenfasern und Kombinationen davon.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, das außerdem eine im Wesentlichen nicht-poröse Schicht umfasst, die mit einer Seite des Substrats verbunden ist, die der Seite gegenüberliegt, auf der die Monomer/Ton-Mischung verteilt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die im Wesentlichen nicht-poröse Schicht hergestellt ist aus einem Polymer, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus HDPE, PVC, VFPE, fPP, CSPE und Kombinationen davon.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Monomer/Ton-Mischung durch Rütteln, Walzen, Reiben, Aufsprühen, hydraulisches Beladen, Druck, Vakuum und Kombinationen davon auf und in dem porösen Substrat verteilt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verstärkungsmittel nicht-aggregierte Fasern umfasst und die Kontaktierstufe das Einmischen des Verstärkungsmittels in die Monomer/Ton-Mischung umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, worin die Monomer/Ton/Faser-Mischung vor dem Polymerisieren in einer Form verteilt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, worin die nicht-aggregierten Fasern ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus Polypropylen-, Polyester-, Polyamid-, Polyethylen-Fasern und Kombinationen davon.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Polymerisationsinitiator-Einrichtung ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus einer chemischen Substanz, elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 10 nm und Kombinationen davon.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, worin die chemische Substanz ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Freiradikal-Initiatoren, Carbanionen, Carboniumio nen und Kombinationen davon.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, worin der Freiradikal-Initiator ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus (a) den Alkalimetallsalzen von Sulfit, Bisulfit, Persulfat und Benzoylperoxid; (b) den Ammoniumsalzen von Sulfit, Bisulfit, Persulfat und Benzoylperoxid; (c) 2,2'-Azobis-(2-amidino-propan)-dihydrochlorid; (d) 2,2'-Azobis-(4-cyanopentansäure) und Kombinationen davon.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Mischflüssigkeit ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Wasser, Alkohol, organischen Lösungsmitteln und Kombinationen davon.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Tonteilchen aufquellende Tonteilchen sind, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Montmorillonit, Saponit, Nontronit, Laponit, Beidellit, Eisen-Saponit, Hectorit, Sauconit, Stevensit, Vermiculit und Kombinationen davon.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Tonteilchen nicht-aufquellende Tonteilchen sind, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Kaolin-Mineralien, Serpentin-Mineralien, Glimmer-Mineralien, Chlorit-Mineralien, Sepiolith, Palygorskit, Bauxit, Siliciumdioxid und Kombinationen davon.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Gewichtsverhältnis von Ton zu Monomer in der Monomer/Ton-Mischung in einem Bereich von etwa 0,05 : 1 bis etwa 19 : 1 liegt.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Gewichtsverhältnis von Ton zu Monomer in der Monomer/Ton-Mischung in einem Bereich von etwa 0,5 : 1 bis etwa 3 : 1 liegt.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Monomer die folgende allgemeine Formel hat:
    Figure 00730001
    worin X ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus OM, OR4 und NR5R6, M steht für ein Alkali- oder Erdalkalimetallion oder NH4+, R1, R2, R3, R5, R6 und R7 unabhängig voneinander jeweils ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH3, CH(CN3)2, CH2CH2CH2CH3 und CN, und OR4 ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus OH, OCH3, OCH2CH3, OCH2CH2CH3, OCH(CH3)2, OCH2CH2CH2CH3, OCH2CH2OH und (OCH2CH2)mOH, n = 0 bis etwa 10 und m = 1 bis etwa 10.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Monomer ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Acrylsäure, Acrylamid, Natriumacrylat, Kaliumacrylat, Methacrylsäure, Isopropylacrylamid und Kombinationen davon.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Vernetzungsmittel ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus N,N'-Methylenbisacrylamid, Phenolformaldehyd, Terephthalaldehyd, Allylmethacrylat, Diethylenglycoldiacrylat, ethoxyliertem Trimethylolpropantriacrylat, Ethylencarbonat, Ethylenglycoldiglycidylether, Tetraallyloxyethan, Triallylamin, Trimethylolpropan-triacrylat und Kombinationen davon.
  22. Produkt, das nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist.
  23. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff, der umfasst eine netzwerkförmige Polymer/Ton-Legierung, in der die Legierung eine chemisch integrierte Zusammensetzung aus Polymer und Ton ist und die Legierung mit einem Verstärkungsmittel fest integriert ist, sodass dann, wenn der Verbundwerkstoff in entionisiertes Wasser mit einer Temperatur in dem Bereich von etwa 20 bis etwa 30°C eingetaucht wird, die Legierung aufquillt, ohne dass sich im Wesentlichen Ton von dem Verbundwerkstoff trennt.
  24. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin das Verstärkungsmittel ein Substrat mit einer porösen Struktur umfasst.
  25. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 24, worin das Substrat ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus gewirkten, gewebten und nicht-gewebten natürlichen und synthetischen Fasern.
  26. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 25, worin die synthetischen Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Polypropylen-, Polyester-, Polyamid-, Polyethylen-Fasern und Kombinationen davon.
  27. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin die Tonteilchen in der Legierung aufquellende Tonteilchen sind, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Montmorillonit, Saponit, Nontronit, Laponit, Beidellit, Eisen-Saponit, Hectorit, Sauconit, Stevensit, Vermiculit und Kombinationen davon.
  28. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin die Tonteilchen in der Legierung nicht-aufquellende Tonteilchen sind, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Kaolin-Mineralien, Serpentin-Mineralien, Glimmer-Mineraien, Chlorit-Mineralien, Sepiolith, Palygorskit, Bauxit, Siliciumdioxid und Kombinationen davon.
  29. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin das Gewichtsverhältnis von Ton zu Polymer in der Legierung in einem Bereich von etwa 0,05 : 1 bis etwa 19 : 1 liegt.
  30. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin das Gewichtsverhältnis von Ton zu Polymer in der Legierung in einem Bereich von etwa 0,5 : 1 bis etwa 3 : 1 liegt.
  31. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin das Polymer der Legierung ein Copolymer aus einem in Wasser unlöslichen Monomer und einem Monomer mit der folgenden allgemeinen Formel ist:
    Figure 00750001
    worin X ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus OM, OR4 und NR5R6, M steht für ein Alkali- oder Erdalkalimetallion oder NH4+, R1, R2, R3, R5, R6 und R7 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus N, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2CH2CH3 und CN, und OR4 ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus OH, OCH3, OCH2CH3, OCH2CH2CH3, OCH(CH3)2, OCH2CH2CH2CH3, OCH2CH2OH und (OCH2CH2)mOH, n = 0 bis etwa 10 und m = 1 bis etwa 10.
  32. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin die Legierung hergestellt worden ist durch Einwirkenlassen einer Energiequelle, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus thermischer Energie, elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 10 nm und Kombinationen davon.
  33. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, der außerdem eine im Wesentlichen nicht-poröse Schicht umfasst.
  34. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 33, worin die im Wesentlichen nicht-poröse Schicht ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus HDPE, PVC, VFPE, fPP, CSPE und Kombinationen davon.
  35. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin der Feuchtigkeitsgehalt in einem Bereich von etwa 25 bis etwa 75 Gew.-% liegt.
  36. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin der restliche Monomergehalt weniger als 200 Gew.-ppm des Polymers in der Legierung beträgt.
  37. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin dann, wenn er unter eine Null-Grenzspannung gesetzt wird, der Durchfluss von entionisiertem Wasser weniger als etwa 1 × 10–8 m3/m2/s beträgt.
  38. Verstärkter netzwerkförmiger Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoff nach Anspruch 23, worin dann, wenn er unter eine Null-Grenzspannung gesetzt wird, der Durchfluss einer 3,5 gew.-%igen NaCl-Lösung weniger als etwa 1 × 10–8 m3/m2/s beträgt.
  39. Verwendung des verstärkten netzwerkförmigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffs nach Anspruch 23 als Flüssigkeitssperrschicht in einem Grenzspannungsbereich von etwa 0 bis etwa 10000 kPa, wobei dann, wenn sie unter eine Null-Grenzspannung gesetzt wird, die Sperrschicht einen Durchfluss für entionisiertes Wasser von weniger als etwa 1 × 10–8 m3/m2/s aufweist.
  40. Verwendung des verstärkten netzwerkartigen Polymer/Ton-Legierungs-Verbundwerkstoffs nach Anspruch 23 als ein absorptionsfähiges Material, das in einem Körperpflegeartikel verwendet wird.
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