NO812679L - Selvherdende substans og kapsel inneholdende samme - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en kapsel som inneholder selvherdende substanser med liten brennbarhet,

samt selve substansene. Typisk inneholder substansene to komponenter som reagerer med hverandre, såsom en uherdet harpiks og en herder for denne. Harpiksen kan være polyester-, epoksy- eller polyuretanharpiks. Harpikskomponenten inneholder generelt harpiksen, et harp ikstve rrbindingsmidde 1, f.eks. styren når det gjelder polyester, samt inerte fyllstoffer. Herderen inneholder vanligvis en polymerisasjonskatal'ysa-tor, f.eks. et peroksyd av en organisk syre, for å katalysere fornetningsreaksjonen, og den kan også inneholde fyllstoffer og modi fiseringsmid1er.

Substansens to komponenter som reagerer med hverandre

kan leveres i løs masse, men det er mer vanlig å fremstille kapsler som har to kamre som hvert inneholder en separat komponent. I en anvendelse anbringes kapselen i et borehull i et underlag, og et armeringse1 ement, såsom en forankrings-bo11 drives inn i hullet under omdreining for å rive opp kapselen og blande komponentene med hverandre til dannelse av den selvherdende substans som herder og forankrer bolten.

Et slikt system anvendes nå mye innen bygningsindustrien,

ved anleggsarbeid, innen byggeteknikk samt gruveindustr ien til forankring, stratakontrol1 og liknende prosesser.

Ved visse anvendelser er det en risiko forbundet med anvendelsen av harpikssubstansene. Ved gruvedrift f.eks.

kan harpiksene være farligé på grunn av deres brennbarhet eller brennbarheten til noen av deres bestanddeler, f.eks. styren. Dette problem har vært iakttatt, og det er kjent å erstatte styren som vanligvis anvendes med et organisk materiale som har et høyere flammepunkt såsom vinyltoluen. Slike materialer har ulemper, f.eks. at de ikke slukker av

seg selv og er kostbare. Der er således et behov for en bedre selvherdende substans med lav brennbarhet, særlig for anvendelse i en kapsel.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å frembringe en kapsel som inneholder en selvherdende substans som er formulert slik at den har lav brennbarhet uten tap av forankringsstyrke .

Ifølge oppfinnelsen er det frembrakt en kapsel som

i separate kamre inneholder selvherdende substanskomponen-ter som reagerer med hverandre, f.eks. en uherdet harpiks og en herder for denne, hvorved minst den ene av komponentene omfatter et brennbart materiale. Kapselen kjennetegnes ved at den inneholder tilstrekkelig vann til å undertrykke flammen når kapselen utsettes for varme, og at noe av vannet er i form av et hydratisert salt.

Det er et trekk ved oppfinnelsen at vannet kan foreligge som fritt vann og som kjemisk bundet vann i form av et hydratisert salt. Dersom det bare foreligger fritt vann, f.eks. i form av et fuktet filter, kan flammen bli undertrykket, men substansen vil ikke ha tilstrekkelig styrke, og vannet vil ha tendens til å skilles ut ved lagring. Dersom bare det hydratiserte salt er nærværende er det ikke mulig å undertrykke flammen under alle betingelser. Av denne årsak er ifølge oppfinnelsen begge former til stede, og det er funnet et kompromiss mellom f1 ammeundertrykke1se og styrke.

Det er også viktig å ta hensyn til viskositeten for komponentene som reagerer med hverandre. Dersom viskositeten er for lav vil blandingen flyte fra et oppadrettet hull,

mens dersom den er for høy vil blandingen være for stiv til at et forankringselement kan tvinges inn i den ved manuelt arbeid. I praksis bør komponentens viskositet være 5000 - 7500 P ved 20°C målt med et Brookfield RVF Helipath viskosimeter, og begge komponenters viskositet bør være stort sett den samme, ellers vil tilstrekkelig blanding kanskje ikke finne sted.

Eksempler på egnete hydratiserte salter er aluminiumsulfat (Al2(S04) . 18H20) , ammoniuma 1uminiumsu1 fat (NH4A1(S04)2

.12H 0), natriumaluminiumsulfat (NaA1(S04 ) . 12H20) , kalium-aluminiumsulfat (KAI(S04) . 12H20) , natriumsu1 fat (Na2S04<

10H20), gips (CaS04.2H20) samt kobbersulfat (CuSC>4 . 5H20) . Det er ønskelig at det hydratiserte salt frigjør i det minste noe av dets vann ved en forholdsvis lav temperatur, fortrinnsvis'

i størrelsesorden 150°C eller lavere.

Hydratisert aluminiumsulfat er særlig egnet på grunn av at det begynner å miste dets kjemisk bundete vann ved en temperatur på så lav som 40°C. Av de andre salter som er angitt ovenfor frigjør hydratisert ammoniumaluminiumsulfat ti av dets tolv molekyler vann ved 120°C, natriumsulfat frigjør alle ti molekyler ved 100°C, kobbersulfat frigjør fire av dets fem molekyler ved 1100 C , og gips frigjør lVzmolekyl vann ved 128°C.

Det foretrekkes å optimalisere forholdet mellom vann som er til stede som hydratisert salt og vann som er til stede som fritt vann for å oppnå optimal substansviskositet og styrkeegenskaper etter herding.

Den se.lvherdende substans vil ha en ønsket grad av styrke etter herding, dvs. at styrken vil ikke bli minsket urimelig sammenliknet med en kapsel som har tilsvarende brennbare bestanddeler. Generelt bør trykkfastheten overskride 20 N/mm2 . Av denne årsak er det hydratiserte salt fortrinnsvis et som når det er til stede i den mengde som er nødvendig for å undertrykke brenningen av den brennbare komponent ikke påvirker substansens styrke etter herding vesentlig. Det hydratiserte salt utgjør fortrinnsvis 10-50% av den totale substans, og kan utgjøre en del av fy11sto ffande1en. Den andre fy11stoffande1 kan bestå av en eller flere av formalt ildfast murstein eller kalkstein, sand, kiselpulver, ski ferpu1ver, flygeaske, en leire eller liknende.

Med hydrat i. sert aluminiumsulfat og en substans som inneholder 75% skiferpulver som fyllstoff er det ønskelig å erstatte ca. 50% av skiferpulveret med det hydratiserte aluminiumsulfat. Det er mulig å anvende fritt vann i substansen, fortrinnsvis absorbert på ett av de ovenfor angitte fyllstoffer under forutsetning av at dets konsentrasjon ikke er så høy at den herdete substans styrke svekkes til et uakseptabelt nivå.

Den brennbare komponent i den selvherdende substans kan f.eks. være en uherdet harpiks, såsom en polyester, en epoksy-harpiks eller en polyuretan. Med polyesterharpiks kan substansen bestå av, som den ene av komponentene som reagerer med hverandre, en umettet polyesterharpiks, særlig en tiksotro-pisk harpiks, en styren som tverrbindingsmidde 1, en akselerator, såsom dime ty1ani 1 in eller koboltnaftenat, samt fyllstoffer. Som den andre komponent kan herderen omfatte benzoylperoksyd eller mety 1ety 1ketonperoksyd, mykgjørere samt fyllstoffer. Det hydratiserte salt og vannet kan foreligge i ■ begge eller bare den ene av komponentene som reagerer med hverandre.

Patronen kan være av den type som er kjent fra GB-patentskrifter 1.460.588 og 143.469.

Ifølge et meget foretrukket trekk ved oppfinnelsen inneholder den selvherdende substans et filmdannende materiale som vil danne en flammeundertrykkende film på overflaten av et brennende materiale. Den filmdannende bestanddel er fortrinnsvis en voks, mest hensiktsmessig en parafinvoks. Andre filmdannende bestanddeler er stearin. Når en kapselvegg er brutt og den brennbare styren unnslipper vil denne filmdannende bestanddel danne en film og forsegle veggen. Dersom kapselveggen brennes bort vil den filmdannende bestanddel forsegle det blottede materiale. Den filmdannende bestanddel er vanligvis til stede sammen med harpikskomponenten, men kan være til stede i katalysatorkomponenten. Andelen filmdannende bestanddel vil være avhengig av konsentrasjonen av den brennbare bestanddel. Når det gjelder styren i nneho1dende substanser er 5000 - 10.000 ppm av harpiksen anvendbart.

Når det foreligger en voks omfatter en foretrukket har-piksbasis: a) et fyllstoff som omfatter et hydratisert salt og andre fyllstoffer, såsom formalt kalkstein og sand, i et forhold på 1:10 - 10:1, fortrinnsvis 1:1, hvorved fyllstoffene er fuktet med vann, typisk i et vektforhold mellom fyllstoff og vann på 0,1 - 3:1, fortrinnsvis 0,1:1, b) en umettet polyesterharpiks, fortrinnsvis en tikso-tropisk polyesterharpiks, i et forhold på 1/4 - 1:1 av det

fuktede fyllstoff, fortrinnsvis 1:4,

c) en parafinvoks, ca. 5000 ppm av harpiksen, samt eventuelt d) en akselerator, såsom dimetylanilin eller koboltnaftenat.

En foretrukket herder for denne inneholder

i) en peroksydkatalysator, såsom benzoylperoksyd , metyl-etylketonperoksyd eller cykloheksanonperoksyd, i en vektpro-sent—andel på 4-60, fortrinnsvis ca. 25, av katalysatorkomponenten,

ii) et fyllstoff eller en blanding av fyllstoffer, såsom formalt kalkstein, gips, kaolin, i en vektprosentande1 på 6-60, fortrinnsvis ca. 50,

iii) vann i en vektprosentande1 på 2-30, fortrinnsvis

ca. 20, samt

iv) en mykgjører, såsom dibuty 1 fta1 at, i en vektpro-sentandel på 0-50 deler, fortrinnsvis 1 del.

Harpikskomponenten blandes med herderkomponenten i et vektforhold på 2-5:1, fortrinnsvis 8-15:1.

Kapslene ifølge oppfinnelsen har meget lav brennbarhet

og har vist seg å tilfredsstille Storbritannias nasjonale kullkomhi sjons strenge brennbarhetsprøver for produkter som skal anvendes i gruver. Selv om substansene vil underholde en flamme når de eksponeres for en ytre flamme, slukker flammen i løpet av sekunder når den ytre flamme fjernes.

Oppfinnelsen omfatter som en separat substans den ovenfor beskrevne selvherdende substans, for anbringelse i en kapsel eller som en selvherdende substans i løs masse og en tørr komponent som er kjennetegnet ved nærværet av et hydratisert salt i minst en av komponentene som reagerer med hverandre.

Oppfinnelsen vil bli belyst i de etterfølgende eksempler hvor alle deler er vektdeler med mindre noe annet er angitt .

Eksempe1_1

En serie evalueringer ble utført for å bestemme virk-ningen av definerte tilsetningsmidler på brennbarheten av komponenter som reagerer med hverandre i et selvherdende poly-estersystem. Den ene av komponentene som reagerer med hverandre var harpiks som omfattet brennbar styren, og den andre var en katalysatorkomponent som inneholdt^ brennbart benzoy1-peroksy. I hvert tilfelle ble det fremstilt en blanding hvor konsentrasjonen av harpiks, fyllstoffer og ti 1setningsmidde1 ble regulert for å gi blandingen en viskositet på ca. 5000 P ved 20°C, målt med et Brookfield RVF Helipath viskosimeter.

De anvendte mengder er vist i tabellen nedenfor. Hver blanding ble separat underkastet en brennbarhetstest ved å anbrin-ge en flamme fra en brenner på en blottlagt overflate av en prøve av blandingen og måle det tidsrom i sekunder hvor flammen fortsatte etter fjerning av brenneren. I en annen test ble harpiks- og katalysatorkomponentene blandet i et vektforhold på 10:1 og herdet. Trykkfastheten ble bestemt i N/mm2 . Resultatene er angitt i tabellen. Resultatene viser at fritt vann og et hydratisert salt begge minsker brennbarheten til begge komponenter, men dette fører til en nedsettel-se av trykkfastheten i forhold til en kontro11substans. Når både det frie vann og saltet er til stede, minskes brennbarheten til et akseptabelt nivå, og trykkfastheten er tilstrekkelig. For de fleste formål bør flammen ikke fortsette i mer enn ca. 5 sekunder, og en trykkfasthet på over 20 N/mm<2>

er nødvendig dersom det skal oppnås en tilstrekkelig uttrek-kingsstyrke for en forankr ingsbo11.

Eksempel 2.

Harpiksdelen og katalysatorde1en ble i et forhold på 10:1 matet separat inn i en patron med to kamre og med dia-meter på 40 mm og lengde på 370 mm. Kapselen tilfredsstilte den strenge brennbarhetstest til Storbritannias nasjonale ku11kommisjon ved at den slukket av seg selv i løpet av 15 sekunder.

Eksempe1_3.

Et fy11sto ffnrateri a1e ble fremstilt ved blanding av:

En harpikskomponent ble fremstilt ved blanding av:

En katalysatorkomponent ble fremstilt ved blanding av:

Harpikskomponentene ble blandet med fyllstoffkomponenten

i et vektforhold på 1:3, og inhibitor, f.eks. catechol løst i styren ble tilsatt. Harpiksen/fyllstoffet og katalysatoren ble deretter separat tilført til en kapse1 fy11emaskin til dannelse av kapsler ifølge ovennevnte GB-patentskri ft 1.460.588.

Ved undersøkelser ble kapselen montert i en ramme, og en flamme ble rettet mot kapselen nedenfra. Flammen brente, og kap s e .1 veggen og det organiske materiale i denne tok fyr. Vannet fordampet og undertrykket flammen. Klumper av brennende materiale falt ned, og når de falt ned omsluttet voksfilmen dem og undertrykket flammen innen 5 sekunder.

Claims (13)

1. !• Kapsel som i separate kamre inneholder selvherdende sub-stanskomponenter som reagerer med hverandre, f.eks. en uherdet harpiks og en herder for denne, hvor minst den ene av komponentene omfatter et brennbart materiale, karakterisert v e d at den inneholder tilstrekkelig vann til å undertrykke flamme når kapselen utsettes for varme, og at noe av vannet er 1 form av et hydratisert salt.
2. 2 . Kapsel i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det hydratiserte salt er et salt som frigjør vann ved en temperatur på under 150°C.
3. 3. Kapsel i samsvar med krav 2, karakterisert ved at det hydratiserte salt er et salt som frigjør vann ved en temperatur på under 40°C.
4. 4. Kapsel i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det hydratiserte salt er valgt blant aluminiumsulfat, natriumaluminiumsulfat, kalium-aluminiumsulfat, natriumsulfat, gips og kobbersulfat.
5. 5. Kapsel i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at det hydratiserte salt er til stede i den ene eller begge av komponentene som reagerer med hverandre i en konsentrasjon på 10-50 vekt% av komponenten.
6. 6. Kapsel i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at fritt vann er til stede i den ene eller hver av komponentene som reagerer med hverandre i en konsentrasjon på under nivået hvor det vil forårsake vesentlig svekkelse av styrken til den herdete substans eller påvirke dennes viskositet vesentlig.
7. 7 . Kapsel i samsvar med krav 6, karakterisert v e d at den ene eller hver av komponentene som reagerer med hverandre inneholder et fyllstoff valgt blant formalt ildfast stein eller kalkstein, sand- eller liknende, og at det frie vann er absorbert i fyllstoffet.
8. 8. Kapsel i samsvar med krav 6 eller 7, karakterisert ved at komponentens viskositet er ca. 5000 P ved 20°C målt med et Brookfield RVF Helipath viskos i meter.
9. 9. Kapsel i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved at vannkonsentrasjonen er tilstrekkelig til å slukke flammen innen 5 sekunder.
10. 10. Kapsel i samsvar med et av de foregående krav, karakterisert ved nærvær av en filmdannende bestanddel til forsegling av dråper av brennende brennbart materiale.
11. 11. Kapsel i samsvar med krav 10, karakterisert ved at den filmdannende bestanddel er en voks.
12. 12. Selvherdende substans som omfatter en harpikskomponent som er innrettet til å reagere med en herderkomponent, hvor i det minste den ene av komponentene inneholder en brennbar substans, karakterisert ved at tilstrekkelig vann er til stede til å undertrykke flamme når komponentene som reagerer med hverandre utsettes for varme, og at noe av vannet er til stede i form av et hydratisert salt.
13. 13. Substans i samsvar med krav 12, karakterisert ved at det hydratiserte salt er til stede i den ene av komponentene som reagerer med hverandre og som er tørr.