DE69219781T2 - Zusammensetzung zum verschaffen einer grenzschicht zwischen einem substrat und der atmosphäre und verfahren zu deren verwendung - Google Patents
Zusammensetzung zum verschaffen einer grenzschicht zwischen einem substrat und der atmosphäre und verfahren zu deren verwendungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Zusammensetzung, die speziell zur Herstellung einer verbesserten Schaumbarriereschicht zwischen einem Substrat und der Atmosphäre ausgelegt ist, und das Verfahren zur Anwendung der Zusammensetzung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine derartige Zusammensetzung, die sich in Form eines Konzentrats herstellen, transportieren, lagern und handhaben und sich bei Verdünnung mit Wasser in einen außergewöhnlich dicken und beständigen Schaum umwandeln läßt.
- In der früheren, eigenen US-PS 4,874,641 werden Zusammensetzungen zur Erzeugung von Schaum, die zur Herstellung einer preisgünstigen zeitweiligen Barriereschicht zwischen einem Substrat, wie einer in einer Deponie abgelagerten Abfallschicht, und der Atmosphäre ausgelegt sind, beschrieben. Wie dort ausgeführt wird, könnte eine derartige Barriereschicht dazu dienen, die Atmosphäre vor Schadstoffen zu schützen, die aus dem Substrat entweichen würden, wie Gerüche und fliegender Abfall aus Deponien, Staub oder schädliche Dämpfe von Verschüttungen, und dergleichen. Gemäß weiteren Ausführungen wäre eine solche Grenzschicht auch dazu verwendbar, ein Substrat gegen widrige Bedingungen in der Atmosphäre zu schützen, wie beim Schutz von wachsendem Obst, Gemüse und Pflanzen gegen außergewöhnlichen Frost. Es bleibt hinzuzufügen, daß in Verbindung mit der letztgenannten Situation ein derartiger Schaum, insbesondere ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter Schaum, auch bei der Bekämpfung von Bränden in Minen, insbesondere in verlassenen Minen, verwendet werden könnte, wo man den Schaum unter Druck untertage einspritzen kann. Bei dieser Anwendung würde der Schaum vier grundlegende Funktionen ausüben: (1) Verdrängung von Verbrennungsluft und gasförmigen Verbrennungsprodukten; (2) Löschen der aktiv brennenden Bereiche; (3) Ableitung von Wärme aus den umgebenden Schichten und (4) Einbringung von bekannten chemischen feuerlöschenden Bestandteilen (beispielsweise Harnstoff) zwecks Minimierung der mit Wiederentzündung verbundenen Probleme.
- Die US-PS 4,421,788 und 4,519,338 betreffen die Verwendung eines härtbaren Kunststoffschaums zum Ersatz der täglich verdichteten Erdabdeckung auf einer Deponie. Der gemäß diesen Patentschriften eingesetzte Schaum wird unter Verwendung eines Schaumbildners und eines flüssigen Kunstharzes, wie z.B. einem Vorkondensat aus Harnstoff und Formaldehyd, hergestellt. Die US-PS 4,421,788 beschreibt die Abdeckung aufeinanderfolgender Abfallschichten mit geschäumten Harzen auf Polyurethan-, Polyether- oder Polyesterbasis.
- Seit der Entwicklung der Schaumzusammensetzung gemäß der früheren eigenen Patentschrift haben bestimmte Regierungsbehörden strengere Vorschriften über geordnete Deponien und dergleichen erlassen. Beispielsweise gibt es die Anforderung, daß die tägliche Schaumabdeckung der geordneten Deponie 15 cm (sechs Zoll) dick sein und darüber hinaus allen anderen herkömmlichen Anforderungen genügen muß, wozu u.a. gehört, daß die Abdeckung zur Versiegelung von vom Abfall ausgehenden Gerüchen und zur Verhinderung des Zugangs von Insekten zum Abfall bei gleichzeitiger Umweltfreundlichkeit wirksam ist. Der aus der Zusammensetzung gemäß der früheren eigenen Patentschrift hergestellte Schaum war nicht steif genug, um sich zu 15 cm (sechs Zoll) Dicke "stapeln" zu lassen, insbesondere auf einem Abhang und bei tiefen Temperaturen.
- Die schaumbildende Zusammensetzung muß sich in Form eines Konzentrats herstellen, transportieren, lagern und handhaben lassen, damit man keine großen Volumina an hauptsächlich aus Wasser bestehenden Flüssigkeiten handhaben muß. Das Konzentrat ist natürlich stark unterschiedlichen Atmosphärentemperaturen ausgesetzt, einschließlich sehr tiefen Temperaturen. Versuche, die frühere Schaumzusammensetzung so zu modifizieren, daß sie die neuen technischen und gesetzlichen Anforderungen erfüllt, führten zu anderen Problemen.
- Die Löslichkeitseigenschaften von Komponentenkombinationen einer schaumbildenden Zusammensetzung sind widersprüchlich. Kaliumseifen sind im allgemeinen viel besser wasserlöslich als Natriumseifen, und höhermolekulare Fettsäuren wie Palmitin- und Stearinsäure, ergeben dichtere, stabilere Schäume als ihre niedermolekularen Homologen. Zur Erzielung der Steifigkeits- und Ablaufzeitleistung (Schaumbeständigkeit) ist es jedoch wünschenswert, über den Schaum im "unlöslichen" Modus zu verfügen, wohingegen die Materialien andererseits zur Bereitstellung einer Schäumzusammensetzung in Konzentratform im "löslichen" Modus vorliegen sollten, so daß die Wirkstoffe nicht ausfallen und dem System verlorengehen. Die Löslichkeit ist auch für die letztendliche Schäumleistung wichtig. Nach gangiger Lehrmeinung schäumen Seifen in heißem Wasser gut, in Wasser bei Raumtemperatur mäßig und in kaltem Wasser gar nicht. Schäume des Typs, auf den die vorliegende Erfindung gerichtet ist, werden jedoch im allgemeinen bei Umgebungstemperaturen eingesetzt, die von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts bis zu 32-38ºC (90-100ºF) reichen.
- Daher besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, neue und verbesserte schaumproduzierende Zusammensetzungen zwecks Schaffung einer Barriere zwischen einem Substrat und der Atmosphäre bereitzustellen.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neue schaumproduzierende Zusammensetzung bereitzustellen, die sich selbst bei sehr tiefen Atmosphärentemperaturen in Form eines Konzentrats herstellen, transportieren, lagern und handhaben läßt und die bei Verdünnung mit Wasser einen die technischen und gesetzlichen Anforderungen erfüllenden Schaum erzeugt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Verfahren zur Schaffung einer Schaumbarriereschicht zwischen einem Substrat und der Atmosphäre unter Verwendung der neuen Zusammensetzung bereitzustellen.
- Die erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Herstellung eines biologisch abbaubaren Schaums zur Auftragung auf ein Substrat zwecks Schaffung einer Barriere zwischen dem Substrat und der Atmosphäre formuliert man aus einer Mischung von: (A) einem Natriumsulfonat der Formel
- worin R für eine Alkyl-, Alkylen- oder Alkarylgruppe mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen steht; (B) einer Carbonsäure R&sub1;COOH, worin R&sub1; für eine Alkylgruppe mit 8 bis 30 Kohlenstoffatomen steht; (C) Kaliumhydroxid; (D) Kaliumsilicat, wobei der Anteil an C plus D zu B zur weitgehend vollständigen Neutralisation zur Bildung des Kaliumsalzes von B ausreicht und der Anteil von B zu A ein Molverhältnis von B zu A über 1:1 und bis zu 2:1 liefert; (E) einem nichtionischen, festen, organischen, wasserlöslichen Material, wie Saccharose oder Harnstoff, und (F) einem hydroxylischen Lösungsmittel für das Kaliumsalz von B in Wasser. Im Fall von hartem Wasser kann man auch noch ein Wasserkonditionierungsmittel (G), wie z.B. Kaliumtripolyphosphat, einarbeiten. Bevorzugte Kombinationen sind in den beigefügten Unteransprüchen 2-7 dargestellt.
- In der oben beschriebenen Zusammensetzung spielt jede der Komponenten bei der Bereitstellung der Gesamteigenschaften des fertigen Schaums sowie der konzentrierten und verdünnten Form der Zusammensetzung eine wichtige Rolle. Auf diese Rollen wird nachstehend im Zusammenhang mit der Besprechung jeder einzelnen Komponente eingegangen. Darüber hinaus resultiert die Zusammensetzung aus dem Vermischen der Komponenten (A) bis (F) in Wasser, so daß beBtimmte Komponenten beispielsweise durch Ionenaustausch und Neutralisation ihre eigentliche Identität verlieren können.
- Komponente A ist ein Natriumsulfonat der angegebenen Formel. Es handelt sich dabei um den oberflächenaktiven Schaumbildner. Bevorzugt ist A ein Natrium-alpha- olefinsulfonat mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen, insbesondere ein Gemisch, das hauptsächlich 14 bis 16 Kohlenstoffatome enthält.
- Die Carbonsäure (Komponente B) liefert bei Neutralisation zu ihrem Kaliumsalz den Seifen-Schaumbildncr. Vorzugsweise handelt es sich bei R&sub1; um eine geradkettige Alkylgruppe mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen, insbesondere Stearin- und Palmitinsäure. In einem derartigen Gemisch können die relativen Anteile von Stearin säure zu Palmitinsäure zwischen 45 und 55 Gew.-% der ersteren bis zu zwischen 55 und 45 Gew.-% der letzteren und bevorzugt etwa 50:50 liegen.
- Zur Lieferung des gewünschten Kaliumionengehalts bedient man sich zweier Quellen: Komponente C, Kaliumhydroxid, und Komponente D, Kaliumsilicat. Silicat benötigt man beispielsweise zur Minimierung der Carbonsäuresalz-Ausfällung. Verwendet man jedoch als Quelle für die neutralisierenden Kaliumionen Kaliumsilicat, so fällt ein komplexes Silicat aus. Wie oben bereits angegeben, reicht der Anteil von C plus D zu Carbonsäure (B) zur weitgehend vollständigen Neutralisation zum Kaliumsalz von B aus. Außerdem liegen C und D in der Regel in einem solchen Anteil vor, daß 50 bis 90% der Kaliumbase vom Kaliumhydroxid (C) und 50 bis 10% der Kaliumbase vom Kaliumsilicat (D) geliefert werden. Das bevorzugte Molverhältnis beträgt 4 mol Kaliumbase aus dem Kaliumhydroxid (C) zu 1 mol Kaliumbase aus dem Kaliumsilicat (D).
- Zur Erhöhung der Steifigkeit des erhaltenen Schaums durch Erhöhung des Feststoffgehalts ohne Störung des Ionengleichgewichts der Zusammensetzung arbeitet man ein festes, nichtionisches, organisches, wasserlösliches Material wie Saccharose oder Harnstoff (Komponente E) ein. Auf der Basis der Ablaufzeit, der physikalischen Eigenschaften des Konzentrats und der Schaumsteifigkeit ist Saccharose bevorzugt.
- Bei sehr tiefen Temperaturen kann die Viskosität der die Komponenten A bis E enthaltenden Zusammensetzung immer noch Probleme bereiten. Die Viskosität des Konzentrats ist selbst bei 30-40ºC höher, als es für eine einfache Herstellung, einfachen Transport, einfache Lagerung und einfache Handhabung erforderlich ist, wobei das Risiko der Verfestigung bei weiterer Temperatursenkung hoch ist. Die Viskosität des Konzentrats beträgt bevorzugt 200-300 mPas (cPs) bei 30ºC, so daß es sich leicht in einem Großlager-Verdünnungs-System handhaben läßt. Aus diesem Grund wird Komponente F eingearbeitet, ein Lösungsmittel für das Kaliumsalz der Carbonsäure (B). Dabei handelt es sich um ein hydroxylisches Lösungsmittel, wie z.B. Methanol, Isopropanol, Ethylenglykol, Propylenglykol, Glykolether und dergleichen. Unter diesen sind die Glykolether bevorzugt, insbesondere Ethylenglykolmonobutylether und Diethylenglykolmonobutylether, besonders letzterer.
- Der Härtegrad des zur Herstellung der Zusammensetzung sowohl in Konzentrat- als auch in verdünnter Form verwendeten Wassers kann sich auf die Beständigkeit und die Qualität des erhaltenen Schaums auswirken. Zur Anpassung an Wasser verschiedener Härtegrade aus unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Quellen kann man ein die Härte regulierendes Mittel, Komponente G, einarbeiten. Die Härte regulierende Mittel, wie z.B. Ethylendiamintetraessigsäure oder Kaliumphosphate kommen zwar in Betracht, jedoch ist das bekannte Dispergiermittel Kaliumtripolyphosphat bevorzugt, da es die physikalischen Eigenschaften des Konzentrats verbessert. Bei der Herstellung des Konzentrats setzt man dem Wasser das die Härte regulierende Mittel (G) bevorzugt unmittelbar nach der Zugabe des Natrium-alpha- olefinsulfonats (A) zu.
- Oben wurden bereits die proportionalen Anteile zwischen bestimmten Komponenten erwähnt. Im allgemeinen betragexi die Anteile der Komponenten jeweils in Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht der Komponenten A bis F auf wasserfreier Basis bezogen: 15 bis 20% A, bevorzugt 18- 19%; 25 bis 35% B, bevorzugt 30-32%; 2 bis 8% C, bevorzugt 5-6%; 2 bis 5% D, bevorzugt 3-4%; 15 bis 30% E, bevorzugt 23-24% und 10 bis 15% F, bevorzugt 13-14%.
- In das bevorzugte Konzentrat ist zusätzlich auch noch Kaliumtripolyphosphat (G) in einer Menge von 3 bis 7%, bevorzugt 5-6%, bezogen auf die Gesamtmenge der Komponenten A-G, eingearbeitet.
- Bereits erwähnt wurde auch schon die Herstellung der Zusammensetzung in Form eines Konzentrats nebst anschließender Verdünnung mit Wasser, die man in der Regel am Einsatzort vornimmt, zwecks Erzeugung von Schaum. Das Konzentrat kann eine Konzentration der Komponenten A bis F auf wasserfreier Basis von 10 bis 40 Gew.-%, bevorzugt von 23 bis 31 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Konzentrats, aufweisen. Zur Erzeugung von Schaum kann man ein derartiges Konzentrat mit 7 bis 9 Volumina Wasser pro Konzentratvolumen verdünnen, was eine Konzentration der Komponenten A bis F auf wasserfreier Basis von 1 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der verdünnten Zusammensetzung, ergibt.
- Die Erzeugung von Schaum aus der verdünnten Zusammensetzung erfolgt durch Bewegung in Gegenwart von Luft. In einer diesem Zweck dienenden Vorrichtung preßt man die schäumbare Mischung unter hohem Druck durch einen verengten Durchgang und spritzt hinter der Verengung Luft in die Zusammensetzung. Dann kann man den Schaum durch eine Düse auf das Substrat spritzen.
- Die Erfindung wird nun anhand des nachfolgenden speziellen Beispiels, das den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken soll, näher erläutert.
- Wasser mit Raumtemperatur wird der Reihe nach versetzt mit: (1) Natrium-alpha-olefinsulfonat (handelsübliche Qualität, enthaltend hauptsächlich 14 und 16 Kohlenstoffatome); (2) Zucker (Saccharose) und (3) Diethylenglykolmonobutylether. Nach Erwärmen auf 45 ºC werden die übrigen Substanzen in folgender Reihenfolge zugesetzt: (4) Kaliumhydroxid; (5) Kaliumsilicat (handelsübliche Qualität, "Kasil Nr. 1" von der PQ Corporation, Valley Forge, Pennsylvania, USA) und (6) ein handelsübliches Gemisch (etwa 50:50) aus Stearin- und Palmitinsäure ("Hystrene 5016" von der Fa. Witco, Abteilung Humko). Man erwärmt bis zur vollständigen Auflösung. Die Mengen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.
- Dieses Konzentrat kann bei Temperaturen über etwa 25ºC transportiert, gelagert und gehandhabt werden. Zur Erzeugung von Schaum wird es mit acht Volumina Wasser pro Konzentratvolumen verdünnt.
- Das verdünnte Konzentrat kann mit einer pneumatischen Schäumanlage der in der US-PS 4,474,680 vom 2. Oktober 1984 beschriebenen Art aufgeschäumt werden. Der Schaum wird aus der Schäumanlage mit einer Dicke von bevorzugt über sechs Zoll auf die Arbeitsfläche einer geordneten Deponie aufgetragen. Diese Dicke ist wohl die maximale in den Vereinigten Staaten geforderte Schaumschichtdicke. Der Schaum fließt in der Kälte nicht und zieht sich über Nacht nur geringfügig zusammen. Bei Aufbringung am späten Nachmittag oder frühen Abend mit einer Dicke von 15-18 cm (6 bis 7 Zoll) hat die Schaumschicht am Morgen in der Regel eine Dicke von 13-15 cm (5 bis 6 Zoll). Der Schaum ist sehr steif, trocknet aber nicht wie typische relativ ionische Schäume einschließlich Feuerlöschschäumen zu einem Staub aus. Der Schaum erbringt bei Verwendung von warmem Wasser (> 30ºC) zur Verdünnung die beste Leistung, die sich jedoch bei Herabsetzung der Temperatur des zur Verdünnung verwendeten Wassers in Richtung des Gefrierpunkts nur wenig verschlechtert.
- Die hier beschriebene Zusammensetzung kann auf verschiedene Art und Weise modifiziert werden. Beispielsweise kann man zusätzliche Bestandteile in die Zusammensetzung einarbeiten, wie z.B. geringe Mengen Ruß (bis zu 2 Gew.-%, bezogen auf das Konzentrat). Man kann die Zusammensetzung aber auch anderweitig modifizieren, ohne den in den nachfolgenden Ansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
Claims (10)
1. Zusammensetzung zur Herstellung eines biologisch
abbaubaren Schaums zur Auftragung auf ein Substrat zwecks
Schaffung einer Barriere zwischen dem Substrat und der
Atmosphäre, formuliert aus einer Mischung von: (A) einem
Natriumsulfonat der Formel
worin R für eine Alkyl-, Alkylen- oder Alkarylgruppe mit
10 bis 20 Kohlenstoffatomen steht; (B) einer Carbonsäure
R&sub1;COOH, worin R&sub1; für eine Alkylgruppe mit 8 bis 30
Kohlenstoffatomen steht; (C) Kaliumhydroxid; (D) Kaliumsilicat,
wobei der Anteil an C plus D zur weitgehend vollständigen
Neutralisation zur Bildung des Kaliumsalzes von B
ausreicht und der Anteil von B zu A ein Molverhältnis von B
zu A über 1:1 und bis zu 2:1 liefert; (E) einem nicht-
ionischen, festen, organischen, wasserlöslichen Material
und (F) einem hydroxylischen Lösungsmittel für das
Kaliumsalz von B
in Wasser.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei A für ein
Natrium-alpha-olefinsulfonat mit 10 bis 20
Kohlenstoffatomen steht; R&sub1; in B für eine geradkettige Alkylgruppe
steht; E Saccharose ist; F für einen Glykolether steht
und das Molverhältnis von durch C plus D geliefertem
Kalium zu von A geliefertem Natrium etwa 2:1 beträgt.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei A für ein
Natrium-alpha-olefinsulfonat steht, bei dem es sich um
ein Gemisch handelt, das hauptsächlich 14 bis 16
Kohlenstoffatome enthält; B ein Gemisch aus Stearin- und
Palmitinsäure ist; E Saccharose ist; F
Diethylenglykolmonobutylether ist und das Molverhältnis von durch C plus
D geliefertem Kalium zu von A geliefertem Natrium etwa
2:1 beträgt.
4. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Molverhältnis von B zu A etwa 2:1 beträgt und
die Anteile der Komponenten auf wasserfreier Basis
betragen: 15 bis 20% A; 25 bis 35% B; 2 bis 8% C; 2 bis
5% D; 15 bis 30% E und 10 bis 15% F, jeweils in
Gewichtsprozent auf das Gesamtgewicht der Komponenten A bis F auf
wasserfreier Basis bezogen.
5. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Molverhältnis von B zu A etwa 2:1 beträgt und
die Anteile der Komponenten auf wasserfreier Basis
betragen: 18-19% A; 30-32% B; 5-6% C; 3-4% D; 23-24% E
und 13-14% F, jeweils in Gewichtsprozent auf das
Gesamtgewicht der Komponenten A bis F auf wasserfreier Basis
bezogen.
6. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5
in Form eines Konzentrats mit einer Konzentration der
Komponenten A bis F auf wasserfreier Basis von 10 bis
40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Konzentrats.
7. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5
in Form eines Konzentrats mit einer Konzentration der
Komponenten A bis F auf wasserfreier Basis von 23 bis
31 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Konzentrats.
8. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei E
Saccharose oder Harnstoff ist.
9. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
enthaltend Kaliumtripolyphosphat.
10. Verfahren zur Schaffung einer Barriereschicht
zwischen einem Substrat und der Atmosphäre, bei dem man
auf das Substrat einen aus einer wäßrigen Zusammensetzung
nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten biologisch
abbaubaren Schaum aufträgt.
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