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Verfahren zur Bodenbefestigung und Asphaltemulsionen hierfür Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Bodenverfestigung und zum Undurchlässigmachen
für Wasser durch Einspritzen einer Asphaltemulsion, welche bricht, nachdem die Emulsion
an die richtige Stelle gelangt ist, sowie auf eine Asphaltemulsion zur Verwendung
bei diesem Verfahren. Speziell betrifft die Erfindung ein neues Verfahren zur Herbeiführung
des Brechens im richtigen Zeitpunkt mit Hilfe bestimmter Arten von Koagulationsmitteln.
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Es ist bereits bekannt, undurchlässige und/oder verfestigte Untergrundmassen
oder Bodenschichten herzustellen, indem man wässerige Dispersionen bituminöser Stoffe
in den Boden eindringen läßt und dort eine Koagulation der Dispersionen herbeiführt.
Stoffe, welche zur Koagulation geeignet sind, können den Dispersionen vor ihrer
Anwendung zugesetzt werden, um den Zeitpunkt der Koagulation zu regeln.
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Um eine solche Behandlung wirksam zu machen, ist es gewöhnlich notwendig,
daB die Emulsionen . eine Strecke von der Größenordnung eines Meters oder mehr durch
das Erdreich hindurchfließen und erst dann brechen. Wenn das Brechen eintritt, wird
die durchschnittliche Teilchengröße in der Emulsion vergrößert, so daß diese festgelegt
wird, wodurch eine Bodenschicht entsteht, die für Wasser mehr oder weniger undurchlässig
ist.
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Für dieses Verfahren brauchbare Asphaltemulsionen sind schwer herzustellen,
weil einerseits die
Asphaltteilchen am Anfang äußerst fein dispergiert
sein müssen, d.li. ihre durchschnittliche Teilchengröße soll a bis 3 Mikron nicht
überschreiten und der Durchmesser der größten Teilchen soll nicht über etwa 6 Mikron
betragen, so daß sie durch den Boden wandern können; andererseits muß die Emulsion
eine ausbalancierte Stabilität haben, die groß genug ist, um das Pumpen der Emulsion
in und durch die Bodenschicht ohne Brechen zu ermöglichen, die aber gleichzeitig
so gering ist, daß das erforderliche Brechen eintritt, wenn die Emulsion ihren Bestimungsort
erreicht hat. Ein praktisch ausreichend rasches Brechen nach dem Einpumpen ist besonders
wichtig, wenn Grundwasser abgehalten werden soll, welches die Emulsion wegspült,
wenn hierfür genügend Zeit zur Verfügung steht. Eine bevorzugte Methode zur Festlegung
der Zeit für das Brechen besteht darin, daß Natriumaluminat und gewisse Ester, wie
Äthyl- oder Methylformiat, der wässerigen Phase der Asphaltemulsion einverleibt
werden, in welcher als Emulgiermittel eine wasserlösliche Seife, wie Natriumoleat,
-naphthenat usw., vorhanden ist. Der Ester wird allmählich hydrolysiert und macht
Ameisensäure frei, welche dann das Brechen herbeiführt.
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Es ist bekannt, daß geeignete Asphaltemulsionen im allgemeinen nicht
nur einen Emulgator, wie eine Alkalifettsäureseife, sondern zusätzlich auch einen
Stabilisator, wie Kasein, enthalten müssen. Wenn die letztgenannte Komponente nicht
vorhanden ist, brechen die Emulsionen beim Hindurchfließen durch verhältnismäßig
dünne Bodenschichten sofort. Dies würde in den meisten Fällen verhindern, daß die
Emulsion in die gewünschte Bodentiefe eindringt.
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Die Stabilisatoren haben jedoch den Nachteil, daß sie ein vollständiges
Brechen bei Verwendung der bisher benutzten, die Zeit bestimmenden Koagulationsmittel
verhindern, da das Brechen nur zu einer Agglomeration mehrerer Asphaltteilchen zu
größeren Trauben führt, ohne daß ein zusammenhängender Asphaltfilm gebildet wird.
Mit anderen Worten, nach dem Brechen bleibt die Emulsion noch in emulgierter Form,
obwohl die gebrochene Emulsion viel gröber ist als die ursprüngliche; man kann dieses
Brechen als ein schwaches oder weiches Brechen bezeichnen. Es wäre sehr erwünscht,
ein scharfes Brechen herbeizuführen, d. h. eine mehr oder weniger vollständige Trennung
zwischen dem Asphalt und dem Wasser zu erzielen und einen zusammenhängenden Asphaltfilm
zu erzeugen, weil es nur dann möglich ist, daß der Asphalt sich an die Bodenteilchen
anheftet, wodurch sein höchster stabilisierender und undurchlässigmachender Effekt
erzielt wird.
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Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, Asphaltemulsionen
herzustellen, welche sehr fein und stabil genug sind, um durch gewöhnliche lockere
Bodenformationen, wie nasser Sand,- hindurchzudringen, und nach einer gewissen Zeidauer
brechen. Ein anderes Ziel der Erfindung liegt darin, solche Emulsionen zu schaffen,
in welchen das Brechen viel vollständiger ist, als dies bisher möglich war, wodurch
die Stabilität und das Wider-
| standsvermögen der undurchlässig; gemachten |
| Sandmassen gegen Erosion stark verbessert wird. |
| Es ist gefunden worden, daß Asphalt-in-Wasser- |
| Ernulsionen, welche tief durch die Bodenschichten |
| hindurchdringen können und die gewünschte zeit- |
| weilige Beständigkeit haben, hergestellt werden |
| können, indem man Wasser und Asphalt mit einem |
| Emulgator emulgiert, der eine Alkaliseife darstellt, |
| und wobei man gewünschtenfalls Stabilisatoren, |
| wie Kasein, verwenden kann. Der .=lsplialt enthält |
| dabei ein Koagulationsmittel in 'Mengen von o,5 |
| bis io Gewichtsprozent, gerechnet auf das Gewicht |
| des Alphalts, in Form einer öllöslichen Verbindung |
| gelöst, welche ein lfolgewiclit über 3oo hat und |
| eine kationoberflächenaktive organische Base oder |
| ein Salz einer solchen darstellt. |
| Oberflächenaktive Verbindungen sind im all- |
| gemeinen Elektrolyte, die gekennzeichnet sind durch |
| die Eigenschaft, daß sie die Oberflächenspannung |
| von reinem Wasser, wenn sie in geringen Mengen, |
| z. B. in Mengen von einigen Zehnteln Prozent, zu- |
| gesetzt werden, stark verringern. Bei kationober- |
| flächenaktiven Verbindungen ist es das Kation, |
| welches bezüglich dieser Verringerung der Ober- |
| flächenspannung wirkt, olnvohl auch das Anion |
| gewünschtenfalls oberflächenaktiv sein kann. |
| Die bei dem Verfahren nach der Erfindung ver- |
| wendeten kationaktiven organischen Basen sind |
| gewöhnlich verhältnismäßig starke organische |
| Basen; vorzugsweise werden aber die Salze solcher |
| Basen verwendet. Die benutzten Verbindungen |
| haben Molgewichte über 300 und vorzugsweise |
| über 330 oder 400. Die Öllöslichkeit setzt für das |
| Molekulargewicht gewisse obere Grenzen. Diese |
| oberen Grenzen können jedoch je nach der Art der |
| verwendeten Verbindungen innerhalb eines sehr |
| weiten Bereiches schwanken. |
| Der Anteil des Koagulationsmittels, berechnet |
| auf das Gewicht des Asphalts, liegt zwischen o,5 |
| und io Gewichtsprozent und gewöhnlich zwischen |
| i und 5 Gewichtsprozent, wobei der genaue Anteil |
| innerhalb dieses Bereiches je nach der Art der |
| Emulsion schwankt. |
| Die erfindungsgemäß verwendeten Koagulations- |
| mittel haben gegenüber den bisher benutzten ver- |
| schiedene Vorteile. An erster Stelle können sie, da |
| sie im Asphalt löslich sind, dem Asphalt lange vor |
| der Emulgierung desselben einverleibt werden. |
| Dies ist von einer gewissen Bedeutung, weil die |
| Emulsionen an oder in der Nähe der Stelle ihrer |
| Verwendung hergestellt werden müssen, da ihre |
| Stabilität zeitlich 1>escliränkt ist. Alles, was das |
| Arbeiten im freien Feld vereinfacht, ist von Vorteil, |
| weil die Kontrolle bei Herstellung der Ansätze, |
| wie sie an Ort und Stelle verwendet werden, oft |
| schwierig und eine Einstellung der Stabilitätszeit |
| der für die Bodenverfestigung verwendeten Emul- |
| sion wichtig ist. ' |
| Ein anderer Vorteil, welcher für die oben be- |
| schriebenen Salze besonders kennzeichnend ist, |
| liegt darin, daß sie ein scharfes Brechen herbei- |
| führen, welches so vollständig sein kann, daß ein |
| zusammenhängender Asphaltfilm gebildet wird. |
Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, daß die Wirksamkeit
der hei dem Verfahren nach der Erfindung verwendeten Koagulationsmittel im allgemeinen,
wenn überhaupt, durch die Anwesenheit von Kasein und anderen Stabilisatoren wenig
beeinflul3t wird.
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KationaktiveVerhindungen, welche an sich, wenn ihr llolgewiclit hoch
genug ist, oder in Form ihrer Salze, mit genügend hohem Molgewicht für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen z. 13. die meisten
quartären Ammoniumbasen und primäre, sekundäre und tertiäre Ainine, welche alle
aliphatisch, alicyclisch, aromatisch oder gemischt sein können und mindestens einen
aliphatischen gesättigten Kohlenwasserstoffrest mit mindestens 12 hohlenstoffatomen
enthalten sollen und außerdem polare Substitutionsradikale, wie Chlor, Hydroxyl,
Äther, Ester, Sulfid, Hydrosulfid und Sulfogruppe enthalten können; ferner entsprechende
Schwefel-, Phosphor-, Arsen- und Antimonverbindungen, d. h. Verbindungen, in welchen
das quartäre Stickstoffatom durch Schwefel, Phosphor, Arsen oder Antimon ersetzt
ist. Beispiele für solche Verbindungen sind Paraffinwachsamin (hergestellt durch
Chlorieren von Paraffinwachs und Ersatz des Cl durch NU.),
Monoalkylamine,
wie Lauryl-, Myristyl-, Cetyl-, Stearyl- und Chlorcetylamin und andere primäre Amine;
sekundäre Amine wie Methylcetyl-, Äthylstearyl- und Laurylstearylamin; tertiäre
Amine, wie Dimethyllauryl-, Dimethylcetyl-, Methyläthylstearyl- und Tristearylamin;
quartäre Basen, wie Trimethylcetylammoniumhydroxyd, Laurylpyridiniumhydroxyd, Dimethylphenylstearylammoniumhydroxyd
und Dimethylbenzylcetylammoniutnhydroxyd; Fettsäureester von Äthanolamin, in welchen
die Fettsäure Laurin-, Palmitin- oder Stearinsäure sein kann.
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Salze dieser Basen sind im allgemeinen wesentlich wirksamer als die
freien Basen. Wenn auch Salze mit anorganischen Säuren, wie Sulfate, Chloride, Fluoride
und Phosphate, oft brauchbar sind, so sind doch Salze mit organischen Säuren, insbesondere
solchen von verhältnismäßig hohem Molgewicht, gewöhnlich wirksamer. Geeignete organische
Säuren sind: Fettsäuren, einschließlich der niedrigen Glieder, z. B. Essig-, Propion-
und Buttersäure, vorzugsweise aber die höheren Fettsäuren mit ro oder mehr Kohlenstoffatomen
im Molekül, z. B. Laurin-, Myristin-, Palmitin-, Stearin-, Arachin- und Olsäure;
aromatische Carbonsäuren,wie Benzoe-, Toluyl-, Naphtoe- und Salicylsäure; Dicarbonsäuren,
wie Bernstein-, Sebacin-und Phthalsäure sowie Alkylderivate dieser; Sulfonsäuren,
wie Phenylsulfon-, Naphthylsulfon-, Alkylphenylsulfon- und Petroleumsulfonsäuren;
Alkylschwefelsäuren, wie Lauryl-, Cetyl- und Stea-rylschwefelsäure.
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Amide, welche sich beispielsweise zwischen primären Aminen und Carhonsäuren
bilden können, sind im allgemeinen bezüglich Herbeiführung eines Brechens der Emulsion
unwirksam, und beim Auflösen von Aminen und Carbonsäuren in Asphalt muß dafür gesorgt
werden, daß die Bildung von sauren Amiden vermieden wird.
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Seifen, welche in dem hier beschriebenen Sinn als Emulgatoren verwendet
werden können, sind die Alkali- (gewöhnlich Na- oder K-) Salze von Fettsäuren, Naphthensäuren,
Asphaltsäuren, Harzsäuren, Wollfettsäuren, Säuren, die durch Oxydation von Paraffinwachs
hergestellt sind, öllöslichen Sulfonsäuren, wie öllösliche Erdölsulfonsäuren. Gewünschtenfalls
können sie geringe Mengen von freiem Alkali enthalten. Andere Stabilisatoren außer
Kasein sind z. B. Blutalbumin und Gelatine. Der Stabilisator kann durch Zusatz von
etwas Formaldehyd gegen Fäulnis geschützt werden.
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Der Gehalt an Seife und Stabilisator in der Emulsion schwankt normalerweise
zwischen o,5 und 2 Gewichtsprozent bzw. 0,5 und 5 Gewichtsprozent, berechnet auf
das Gewicht des Asphalts.
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Die Mengen des dem Asphalt einverleibten, die Zeit bestimmenden Koagulationsmittels
schwanken zwischen ziemlich weiten Grenzen, die in erster Linie von den folgenden
Faktoren abhängen: z. Länge der zur Herbeiführung des Brechens erforderlichen Zeit
- je kürzer die geforderte Zeit ist, um so höher muß die Konzentration sein -; 2.
die Viskosität des Asphalts bei der durchschnittlichen Temperatur, bei welcher die
Emulsion verwendet wird, wobei verhältnismäßig hohe Viskositäten größere Mengen
des gleichen Koagulationsmittels für die gleiche Zeit bis zum Brechen erfordern
als niedrigere Vi-skositäten; 3. das Mengenverhältnis der dispersen (Asphalt-)Phase
zu der zusammenhängenden (Wasser-)Phase in der Emulsion; 4. die Natur des Koagulationsmittels
selbst, einschließlich seines Molgewichts; und 5. Größe der Asphaltteilchen in der
Emulsion, wobei feine Emulsionen normalerweise rascher brechen als gröbere.
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Im Hinblick auf die zahlreichen Faktoren, welche das Verhältnis zwischen
der bis zum Brechen verlaufenden Zeit und der Menge des Koagulationsmittels beeinflussen,
ist es unmöglich, die genaue erforderliche Menge zu berechnen, welche in einer bestimmten
Zeit zum Brechen führt. Es ist dagegen leichter und genauer, die erforderliche Menge
für einen bestimmten Asphalt unter den im Freien zu verwendenden Emulgierungsbedingungen
experimentell im voraus zu bestimmen.
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Die Methoden der Emulgierung sind die üblichen. Der Asphalt wird über
seinen Schmelzpunkt erhitzt, und das Koagulationsmittel wird in der geeigneten Menge
aufgelöst. Eine wäßrige Seifenlösung kann getrennt erhitzt werden, und man kann
die beiden Lösungen dann in einer Kolloidmühle oder einer sonstigen geeigneten Emulgiermühle
zusammenbringen. Die seifenbildende Säure kann auch dem Asphalt neben dem Koagulationsmittel
zugesetzt werden, worauf der Asphalt mit einer wäßrigen Lösung von Natrium- oder
Kaliumhydroxyd emulgiert wird. Eine bevorzugte Arbeitsweise zum Vermischen besteht
darin, daß man das für die Emulgierung erforderliche Wasser in zwei Teile trennt.
Der Asphalt wird zuerst mit einem Teil emulgiert,
so daß eine konzentrierte
Emulsion erhalten wird, die etwa 20 bis 30% Wasser enthält. Dann wird diese Emulsion
mit dem Rest des Wassers auf den gewünschten Asphaltgehalt verdünnt, welcher normalerweise
zwischen etwa 25 und 6o0/0 liegt. Die Menge der erforderlichen Seife oder des Ätzalkalis
kann gewünschtenfalls vollständig mit dem ersten Wasseranteil eingeführt werden;
sie kann aber auch mit dem Wasser aufgeteilt werden.
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Durch Anwendung der Emulgierung mit aufgeteilten Wassermengen kann
eine feinere Emulsion erhalten werden, als durch das einstufige Verfahren. Eine
feinere Emulsion ist normalerweise ein wesentliches Erfordernis, um ein freies Hindurchfließen
der Emulsion durch eine Bodenschicht ohne vorzeitiges Verstopfen zu ermöglichen.
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Die Wirkung des Koagulationsmittels tritt durch Diffusion in die Asphalt-Wasser-Grenzfläche
ein. Wenn die Emulsion frisch hergestellt ist, ist das Koagulationsmittel gleichmäßig
durch das Asphaltteilchen verteilt. Unmittelbar darauf beginnt jedoch eine Wanderung
zur Peripherie des Teilchens, weil das Koagulationsmittel infolge seiner polaren
Natur die Tendenz hat, sich an der =@splialt-Wasser-Grenzfläche anzureichern. Wenn
das Koagulationsmittel diese Grenzfläche erreicht, beginnt es dem Emulgator entgegenzuwirken,
indem es eine Gegenkraft ausübt, welche darauf hinzielt, die elektrischen Ladungen
an der Grenzfläche umzukehren. Wenn eine genügende 'Menge des Koagulationsmittels
dieses Gebiet erreicht hat, bricht die Emulsion.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung noch näher.
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Es wurden verschiedene 1?inulsionen mit einem flüssigen Asphalt, der
eine Sayl>olt-Furfurol-ViskOsität von
350 Sek. bei 99° aufwies und verschiedene
Koagulationsmittel in verschiedenen Mengen enthielt, hergestellt. Bei der Herstellung
wurden 6 Teile des Asphalts mit etwa 2 bis 3 Teilen der Seifenlösung in einer Kolloidmühle
emulgiert. Das erhaltene Emulsionskonzentrat wurde entweder mit Wasser oder mit
Kaseinlösung verdünnt. Die fertige Emulsion wurde dann zur Beobachtung stehengelassen.
Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen zusammengeiaßt.
| Tabelle i |
| Asphaltgehalt 6o % 6o % 6o % 30 0/0 6o % |
| der Emulsion |
| Emulgator ............ Harzseife Harzseife Naphthen- Naphthen- |
| Harzseife |
| Säureseife Säureseife |
| Kasein (in Prozent des |
| Asphalts) ... .. ....... kein kein kein kein kein |
| Koagulationsmittel: Art |
| und Menge in Prozent |
| des Asphalts . . . . . . . . . i '/,.Wachs- i °/0 Wachs- i
0/0 Wachs- i °; 0 Wachs- 2 0/0 Wachs- |
| amin) amin*) und amin*) und amin*) und amin*) Hy- |
| i °, /0 Stearin- i 0,0 Stearin- i °, " Stearin- drochlorid |
| säure säure säure |
| Verhalten beim Stehen . . In 13 Tagen Stehen über Stehen
über Stehen über verdickt in |
| eingedickt; Nacht, Nacht, Nacht, 24 Stunden |
| brach fast Emulsion Emulsion brach nicht, noch gieß- |
| vollständig wurde zu- vollständig aber agglo- fähig. |
| in i Monat sammen- gebrochen merierte, so In 48 Stunden |
| hängende daß nicht Hälfte der |
| Masse durch Probe wie |
| Wilmington- Quark. In |
| Sand filtrier- 144 Stunden |
| bar**) vollständig |
| gebrochen |
| *) Paraffinwachsamin, Molgewicht etwa 50o |
| **) Sand aus Wilmington-Hafen (Californien). Der Sand hat 43,1
0/0 Leerraum und folgende Siebanalyse: |
| Maschenweite o,42 mm gi,2 0!0 durchgehend |
| - 0297 mm 75,2 01`0 - |
| - 0,149 mm 21,8 0/0 - |
| - 0,074 mm 2,2 0/0 - |
| Tabelle II |
| Asphaltgehalt 6o % 6o % 6o % |
| der Emulsion |
| Emulgator . . .. .. ... .. . Harzseife Harzseife Harzseife |
| Kasein (in Prozent des |
| Asphalts) . . . . . . . . . . . . 20/0 2 0/0 20/0 |
| Koagulationsmittel: Art |
| und Menge in Prozent |
| des Asphalts . . . . . . . . . 2 0/0 Wachsamin) und 2 0j0 Wachsamin)
und 2 0/0 Wachsamin) und |
| '/a 0,'0 Stearinsäure % 0,!0 Stearinsäure I I/3 % Stearinsäure |
| Verhalten beim Stehen . . Verdickt in 14 Tagen Vollständig
gebrochen in Vollständig gebrochen in |
| 16 Stunden 16 Stunden |
| *) Paraffinwachsamin, Molgewicht etwa 500 |
| Tabelle III |
| Asphaltgehalt 6o % 6o % 6o % 6o % |
| der Emulsion |
| Emulgator . . . . . . . . . . . . . . Harzseife Harzseife Harzseife
Harzseife |
| Kasein (in Prozent des |
| Asphalts) ... .. .. ..... kein kein kein kein |
| Koagulationsmittel: Art |
| und Menge in Prozent |
| des Asphalts . . . . . . . . . 2 0/0 gemischte 2 0/0 Azetat
der 2 0/0 Stearat der 4 0/0 Stearat des |
| n-C,0 bis C,8 gemischten gemischten gemischten |
| aliphat. Amine n-C" bis C" n-C,0 bis C, e n-C,0 bis C,8 |
| aliphat. Amine aliphat. Amine aliphat. Amine |
| Verhalten beim Stehen . . Kein Brechen Kein Brechen verdickt
verdickt in |
| in i6. Stunden 16 Stunden, |
| mehr als bei |
| vorhergehender |
| Probe |
Aus Tabelle I gehen die nachfolgenden Tatsachen hervor: i. Die Salze der kationoberflächenaktiven
organischen Basen sind wirksamer als die freien Basen (vgl. Spalten i und 2). 2.
Der Koagulationsverlauf wird auch durch die Art des Emulgators beeinflußt (vgl.
Spalten 3 und 4). 3. Der Koagulationsverlauf ist weiter abhängig von dem Asphaltgehalt
der Emulsion (vgl. Spalten 4 und 5).
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Aus Tabelle 11 geht an erster Stelle hervor, daß Stabilisatoren
nicht imstande sind, die Wirkung des Koagulationsmittels zu verhindern. Überdies
ist aus dieser Tabelle ersichtlich, daß das Maß der Salzbildung der oberflächenaktiven
organischen Base die koagulierende Wirkung derselben beeinflußt (vgl. Spalten 2
und 3).
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Die in der Tabelle III erwähnten Versuchsergebnisse zeigen, daß das
Molgewicht der kationaktiven Verbindungen von großer Bedeutung für den Zweck der
Erfindung ist.