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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine zur raschen Absorption von Wasser
befähigte,
hochfeste, superabsorbierende Beschichtungsmasse, die sich zur Beschichtung
von Verstärkungsfasern
oder zur Beschichtung von Gegenständen, die Verstärkungsfasern
enthalten, wie verstärkten
Stäben
und Kabeln, eignet. Insbesondere ist die Beschichtungsmasse aus
einer Zusammensetzung gebildet, die einen superabsorbierenden Polymervorläufer, der
bei Härtung
ein Polymeres mit hohem Wasserquellvermögen bildet, ein filmbildendes Polymeres
und ein viskositätsmodifizierendes
Mittel, um die Beschichtungsmasse für pultrudierte Gegenstände geeignet
zu machen, umfasst.
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Die
Erfindung betrifft ferner Gegenstände, die mit der superabsorbierenden
Beschichtungszusammensetzung beschichtet sind, z. B. Glasstäbe, sowie
Verfahren zum Aufbringen derartiger Beschichtungsmassen. Die erfindungsgemäße Beschichtungsmasse
zeigt ein hohes Maß an
Wasserabsorption in Süß- und Salzwasserumgebung
und eine hervorragende Verteilungs- und Beschichtungsfähigkeit
beim Auftragen auf ein Substrat.
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Beeinträchtigungen,
die durch Eindringen von Feuchtigkeit unter die freiliegenden Oberflächen von Gegenständen, die
im Außenbereich
eingesetzt werden, verursacht werden, stellen ein bekanntes Problem dar.
Zu diesen Beeinträchtigungen
gehören
eine oxidative Beeinträchtigung
aufgrund der Umsetzung von Wasser mit den Oberflächen von Verstärkungsfasern,
die in diesen Gegenständen
eingesetzt werden, sowie eine durch Wasser induzierte Korrosion.
In einer marinen Umgebung sind die mit einer Durchtränkung mit Wasser
verbundenen Probleme aufgrund des Salzgehalts der Umgebung besonders
ausgeprägt.
Die Anwesenheit von Salz in derartigen wässrigen Umgebungen beschleunigt
die oxidative Zersetzung.
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Zu
Gegenständen,
die der vorstehend beschriebenen Beeinträchtigung ausgesetzt sind, gehören Verstärkungsfasern
aus Glas, Kohlenstoff, Polymeren oder Gemischen davon oder Gegenstände, die
derartige Verstärkungsfasern
enthalten. Der hier verwendete Ausdruck "Gegenstände" soll speziell bekannte Verstärkungsfasermaterialien
sowie Produkte, die unter Verwendung von einer oder mehrerer dieser
Fasern im Verbund hergestellt sind oder die innerhalb einer Matrix
eines beliebigen Typs verteilt sind, umfassen. Der Ausdruck umfasst
ferner Gegenstände,
die unter Verwendung von verstärkten
Faserprodukten hergestellt sind, z. B. Baumaterialien oder Ausrüstungsgegenstände. Zu
Beispielen für
derartige Gegenstände
gehören
verstärkte
Stäbe und
Kabel, z. B. Faseroptikkabel oder Telekommunikationskabel. Diese
Telekommunikationskabel werden häufig
in Situationen verwendet, bei denen sie über weite Strecken hinweg unterirdisch
oder unter Wasser verlegt werden. Somit ist der Schutz gegen eine
Schädigung
durch Wasser von kritischer Bedeutung für den strukturellen Zusammenhalt
dieser Kabel und für
die erfolgreiche Ausübung
der Funktionen, für
die sie vorgesehen sind. Beispielsweise kann ein Telekommunikationskabel
einen Kern umfassen, der einen Glasstab enthält, der als Versteifungs- oder
Verstärkungselement
wirkt. Dieser Stab trägt
zur Steifigkeit des Kabels bei. Wenn Wasser eindringt und mit dem
Kernelement des Kabels in Kontakt tritt, kann es zu einer Korrosion
oder chemischen Beeinträchtigung
der Kabelinfrastruktur kommen.
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Um
die Probleme, die mit der Durchtränkung mit Wasser verbunden
sind, zu bekämpfen,
wurden mehrere Strategien entwickelt, mit denen versucht wird, den
Kabeln und anderen verstärkten
Gegenständen
eine wasserfeste Beschaffenheit zu verleihen und ihre empfindlichen
inneren Oberflächen
gegen einen Kontakt mit Wasser oder Wasserdampf, die in der Umgebung
vorhanden sind, zu schützen.
Diese Techniken zur wasserabstoßenden
Ausrüstung
von Gegenständen
umfassen das Einhüllen
der Gegenstände
in einem schützenden Umhüllungsmaterial
oder das Versiegeln der zu schützenden
Oberfläche.
Versiegelungstechniken können eine
chemische Bearbeitung der Oberflächenschicht
des Gegenstands, um diesen gegenüber
einer Wasserabsorption beständig
zu machen, oder das Auftragen einer abstoßenden Beschichtung umfassen.
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Bei
der Technik zum Bedecken der Oberfläche mit einem schützenden
Umhüllungsmaterial
handelt es sich um eine herkömmliche
Technik. Hierzu wird beispielsweise ein Einwickelmaterial oder Band
aus einem undurchlässigen
Polymeren mit Sperrwirkung gegen Wasser verwendet oder das Einwickelmaterial
wird mit einer Emulsion oder Lösung
eines Polymeren mit Sperrwirkung gegen Wasser behandelt. Das Einhüllverfahren
erfordert nicht das Auftragen einer chemischen Verbindung oder die
Behandlung der Oberfläche
des Gegenstands, vielmehr ergibt sich der Schutz nur aus der Bedeckung
mit dem Umhüllungsmaterial.
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Beschichtungsmassen,
die zum Abstoßen
von Wasser verwendet werden, sind traditionell aus Substanzen zusammengesetzt,
die in Wasser unlöslich
sind und in die Wasser nicht eindringen kann, so dass sie eine physikalische
Barriere gegen eindringende Feuchtigkeit darstellen. Derartige Barrierebeschichtungen umfassen
Materialien, wie Fette oder Gele. Im Fall von Kabeln werden diese
Beschichtungsmassen durch Extrusion unter Druck aufgetragen. Mit
dieser Art von Beschichtung sind jedoch verschiedene Nachteile verbunden.
Fette oder Gele sind aufgrund ihrer schlüpfrigen Beschaffenheit schwer
handhabbar und tragen zu einem unangenehmen Griffgefühl des beschichteten
Gegenstands bei. Dies stellt einen wichtigen Faktor dar, der beim
Herstellungsverfahren zu berücksichtigen
ist, da er insbesondere die leichte Handhabung des Kabels bei Spleißvorgängen beeinträchtigt.
Fette und Gele unterliegen ferner einer Veränderung ihrer Viskosität bei niedrigen
oder hohen Temperaturen. Diese Viskositätsänderungen können das Einfrier-/Auftauverhalten
und damit die Stabilität
der Beschichtung beeinflussen. Ein schlechtes Verhalten in dieser
Hinsicht beeinträchtigt
daher die Stabilitätseigenschaften
der Kabel.
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In
neuerer Zeit wurden fettfreie, wasserbeständige, trockene Beschichtungsmassen
konzipiert, die selbst ein gewisses Maß an Wasserabsorptionsvermögen besitzen.
Diese Fähigkeit
zur Absorption von Wasser ermöglicht
es der Beschichtung, Feuchtigkeit, die in Kontakt mit dem Gegenstand
kommt, zu absorbieren, während
ein direkter Kontakt mit den empfindlichen Oberflächen verhindert
wird. Bei der absorbierenden Komponente in diesen trockenen Beschichtungsmassen
mit Wasserabsperrwirkung handelt es sich um ein trockenes, granuliertes,
superabsorbierendes Polymeres, das bei Kontakt mit Wasser quillt
und das Wasser absorbiert. Die superabsorbierenden Polymeren werden
im allgemeinen in Bezug auf ihre Quellrate, ihr Quellvermögen und
ihre Gelfestigkeit charakterisiert. Zu herkömmlichen Anwendungsgebieten
für diese
trockenen, superabsorbierenden Polymeren gehören vorwiegend Produkte für die Körperhygiene,
Verpackungsartikel für
Nahrungsmittel und Reinigungszusammensetzungen für ausgelaufene Chemikalien,
wobei aber aufgrund von neueren Untersuchungen diese trockenen Polymeren
auch zur Bildung von Beschichtungen für andere Gegenstände, wie
verstärkte
Kabel, verwendet werden. Beispielsweise beschreibt US-5 689 601
eine trockene Beschichtungsmasse mit Wasserabsperrwirkung für Gegenstände mit
Verstärkungsfasern,
wobei ein pulverförmiger
oder granulierter, wasserlöslicher,
trockener Blockierungsbestandteil verwendet wird, der in einer oder mehreren
dünnen
Schichten eines umhüllenden
Polymeren eingeschlossen ist. Dieses Einschließen schränkt den Grad der Wasserabsorption,
der durch das granulierte Polymere erreicht werden kann, ein und
demzufolge ergibt sich ein beschränktes Quellvermögen dieser
Beschichtung.
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Die
superabsorbierenden Polymeren, die herkömmlicherweise in trockenen,
Kabelbeschichtungsanwendungen mit Wasserabsperrwirkung verwendet
werden, sind trockene, granulierte Polymere, die verschiedenen Substraten,
wie Garnen, Bindemitteln und Bändern,
einverleibt werden. Diese Substrate enthalten typischerweise ebenfalls
Glasfasern als eine Form der Verstärkung. Wie jedoch vorstehend
erörtert,
leiden die mit trockenen, granulierten Blockierungsmitteln gebildeten
Beschichtungen an einer Beschränkung
des Wasserquellvermögens
und der Quellrate als eine notwendige Konsequenz der Optimierung
der Gelfestigkeit. Im Zusammenhang mit Oberflächenbeschichtungen ist die
Gelfestigkeit als die Fähigkeit
definiert, die Dochtwirkung entlang der Kabelachse nach unten zu
verhindern, insbesondere wenn Kabel in wässrigen Umgebungen verwendet
werden, bei denen sie erhöhten
Wasserdrücken
ausgesetzt sind. Das Quellvermögen
steht in direktem Zusammenhang mit dem Vernetzungsgrad des superabsorbierenden
Polymeren. Mit zunehmendem Vernetzungsgrad steigt die Gelfestigkeit,
womit aber eine Abnahme der Quellrate und des Quellvermögens des
Polymeren einhergeht. Die Quellrate definiert die Menge an Wasser,
die von der Beschichtung innerhalb einer festgelegten Zeitspanne
absorbiert wird. Das Quellvermögen
bezeichnet die maximale Menge an Wasser oder Flüssigkeit, die von der Beschichtung
absorbiert wird, wobei sich dieser Wert auf das Trockengewicht der
Beschichtung bezieht. Infolgedessen zeigen Beschichtungen aus einem
trockenen, granulierten, wasserunlöslichen Polymeren ein beschränktes Wasserabsorptionsvermögen, gemessen
als Quellrate und Quellvermögen.
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Im
allgemeinen werden Beschichtungsmassen für Verstärkungsfasern, Stränge und
Gegenstände, wie
Kabel, die aus diesen faserartigen Materialien hergestellt sind,
auf die Oberfläche
des faserigen Materials aufgetragen und sodann vor einer eventuellen
Weiterverarbeitung gehärtet.
Die Mittel zum Auftragen von Beschichtungsmassen unterscheiden sich
im allgemeinen, je nachdem ob eine flüssige Beschichtungsmasse verwendet
wird oder ob eine feste, teilchenförmige Beschichtungsmasse aufgetragen
wird.
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Im
Fall von pulverförmigen
Beschichtungsmassen beinhaltet der Beschichtungsvorgang unter Verwendung
von granulierten Mitteln mit Wasserabsperrwirkung einige zeitaufwändige und
arbeits- und einrichtungsintensive Schritte, die direkt mit der
Verwendung eines granulierten Polymeren verbunden sind. Diese Schritte
umfassen die Notwendigkeit einer oder mehrerer Behandlungen mit
einem Bindemittelharz und das einmalige oder mehrfache Auftragen
eines pulverförmigen
Harzes an den Pulverbeschichtungsstationen unter Verwendung einer
Vorrichtung, z. B. eines Wirbelschichtbettes.
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Zu
den Maßnahmen
zum Auftragen von flüssigen
Beschichtungsmassen gehören
beispielsweise das Fluten oder Tauchen der Fasern oder Kabel in
einem Harzbad und das anschließende
Entfernen von überschüssigem Harz
sowie die Bildung einer dickflüssigen
Schicht auf der behandelten Oberfläche. Im Fall von Strängen, Rovings
oder Kabeln liegt das Produkt in Form eines endlosen Filaments vor
und kann daher zur Entfernung des überschüssigen Harzes durch ein Abstreifwerkzeug
geführt
werden. Alternativ kann die Beschichtungsmasse auf die Oberfläche des
Gegenstands gespritzt werden. Um eine Überzugsschicht zu bilden, deren
Dicke zur Erzielung einer guten Bedeckung und zu einem Schutz gegen
Eindringen von Wasser ausreicht, muss die Beschichtungszusammensetzung
ausreichend dick sein, dass sie in angemessener Weise den Gegenstand
in einem Durchgang durch die Beschichtungsvorrichtung beschichtet.
Abgesehen von der ausrreichenden Dicke muss die Zusammensetzung
auch ein ausreichendes Fließvermögen aufweisen,
um die leichte Bildung einer gleichmäßigen Beschichtung auf der
Oberfläche
des Gegenstands zu ermöglichen
und um ein Verstopfen der Beschichtungsvorrichtung, der Werkzeugdüsen und
anderer Maschinenteile, die zur Herstellung von polymerbeschichteten
faserigen Gegenständen
verwendet werden, zu verhindern. Zur Modifikation der Viskosität von flüssigen Beschichtungszusammensetzungen
werden herkömmlicherweise
trockene, teilchenförmige
Bestandteile, wie flockenförmige
Polymere oder Stärke,
verwendet. Die Schwierigkeit bei derartigen Zusammensetzungen besteht
darin, dass die nach Zugabe der festen Bestandteile entstehende
Zusammensetzung nicht homogen ist. Vielmehr enthält die Zusammensetzung variierende
Konzentrationen an teilchenförmigem
Material, was die Handhabung erschwert und ferner die Verteilbarkeit
der Zusammensetzung beeinträchtigt.
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Somit
besteht gemäß dem Stand
der Technik ein Bedürfnis
nach einer Beschichtungszusammensetzung mit Wasserabsperrwirkung,
die eine hervorragende Beschaffenheit in Bezug auf Gelfestigkeit
und Dochtwirkung sowie ferner ein hohes Maß an Wasserabsorption und gleichzeitig
eine rasche Quellrate aufweist. Gleichzeitig besteht außerdem gemäß dem Stand der
Technik ein Bedürfnis
nach einer Beschichtungszusammensetzung, die kein pulverförmiges Polymeres
enthält
und für
die infolgedessen kein kosten- und arbeitsaufwändiges Auftrageverfahren erforderlich
ist. Gleichzeitig besteht ein Bedürfnis dahingehend, dass eine
derartige Beschichtungszusammensetzung günstige Verteilungseigenschaften
aufweist und eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit ergibt.
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WO-96/23024
beschreibt ein Substrat, das mit einem superabsorbierenden Material
versehen ist, das hergestellt wird, indem man geeignete Monomere
in Gegenwart eines Katalysators unter Bildung einer Polymerlösung polymerisieren
lässt,
die Polymerlösung
unter Bildung einer pastösen
Zusammensetzung mit einem Vernetzungsmittel versetzt, anschließend die
Zusammensetzung auf oder in ein Substrat gibt und die aufgetragene
Zusammensetzung trocknen und vernetzen lässt, wodurch man ein Substrat
mit dem superabsorbierenden Material erhält. Die Substrate können als
Umhüllungsmaterial
für Kabel,
für Hygieneprodukte,
wie Babywindeln, Monatsbinden und Inkontinenzprodukte, in oder als
Verpackungen und Verpackungsmaterialien sowie in landwirtschaftlichen
Substraten Verwendung finden.
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Das
US-Patent 5 071 681 beschreibt eine faserige Bahn mit einem erhöhten Wasserabsorptionsvermögen, die
durch Imprägnieren
eines absorbierenden textilen Werkstoffes mit einem Polymeren oder
Copolymeren, das durch Vernetzung zur Bildung eines absorbierenden
Polymeren oder Copolymeren befähigt
ist und anschließendes
Erwärmen
des behandelten textilen Werkstoffes zur Durchführung einer Vernetzung des
Polymeren unter Bildung eines absorbierenden Polymeren hergestellt
wird. Das Produkt kann eine ungewebte faserige Bahn oder Matte mit
einem wasserunlöslichen
Bindemittel auf einer Oberfläche
und einem vernetzten hydrophilen Polymeren oder Copolymeren auf
der gegenüberliegenden
Oberfläche
aufweisen und findet Verwendung als absorbierendes Kissen oder als
Babywindel.
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Das
US-Patent 5 236 982 beschreibt wässrige
Beschichtungszusammensetzungen, die eine Polyurethan/Isocyanat-Emulsion,
ein Homopolymeres von Acrylsäure,
ein Aminosilan und Wasser enthalten. Die Zusammensetzungen werden
als Schlichtemittel zur Behandlung von Glasfasern für die Verstärkung von
Polyamidharzen verwendet.
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Das
US-Patent 4 214 531 beschreibt wässrige
Lösungen
zur Behandlung von mit Bildern versehenen lithographischen Platten.
Diese Lösungen
enthalten als aktive Polymerkomponente:
- (a)
ein Polymeres auf der Basis von Polyacrylamid, wobei es sich bei
etwa 3 bis etwa 70% der Carbonylstellen um Carboxylgruppen handelt
und es sich beim Rest dieser Stellen um Amidgruppen handelt;
- (b) ein physikalisches Gemisch aus etwa 97 bis etwa 30 Gew.-%
Polyacrylamid und etwa 3 bis etwa 70 Gew.-% Polyacrylsäure oder
ein Alkalimetall- oder Ammoniumsalz davon;
- (c) ein physikalisches Gemisch aus Polyacrylamid oder Polyacrylsäure oder
einem Alkalimetall- oder Ammoniumsalz davon und mindestens einem
Polymeren auf der Basis von Polyacrylamid gemäß (a), wobei die Polymeren
in solchen Verhältnissen
verwendet werden, dass die im Gemisch vorhandenen gesamten Carbonylstellen
etwa 3 bis etwa 70% der Carboxylgruppen ausmachen und es sich beim
Rest um Amidgruppen handelt;
- (d) ein Gemisch aus beliebigen zwei oder mehr der vorstehenden
Bestandteile; oder
- (e) ein Gemisch aus einem oder mehreren der vorstehenden Bestandteile
mit bis zu etwa 30 Gew.-% Hydroxypropylmethylcellulose.
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Es
wurde nunmehr überraschenderweise
festgestellt, dass sich hochgradig absorbierende, wasserabsperrende
Beschichtungsmassen mit hervorragendem Wasserquellvermögen und
einer raschen Quellgeschwindigkeit bilden lassen, indem man eine
Lösung
eines Vorläufers
eines superabsorbierenden Polymeren in eine wässrige Lösung, die zur Beschichtung
von glasfaserverstärkten
Gegenständen,
wie Kabeln oder Stäben,
verwendet wird, einbringt. Der Polymervorläufer bildet bei der Härtung ein
superabsorbierendes Polymeres. Die dieses superabsorbierende Polymere
enthaltenden Beschichtungen sind bei Einwirkung einer wässrigen
Umgebung zu einer praktisch momentanen Wasserabsorption befähigt.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr
eine flüssige
Beschichtungszusammensetzung für
ein Verstärkungsmaterial
oder einen ein Verstärkungsmaterial
aufweisenden Gegenstand bereitgestellt, wobei die Zusammensetzung
eine wässrige
Lösung
aus folgenden Bestandteilen enthält:
ein
wasserlöslicher
Vorläufer
eines superabsorbierenden Polymeren, wobei der Vorläufer in
einem wasserlöslichen
Polyacrylat besteht, das bei Aushärtung bei einer Temperatur
unter 149°C
(300°F)
das superabsorbierende Polymere bildet, dessen Wasserabsorptionskapazität wenigstens
50-mal so groß ist
wie sein ursprüngliches
Trockengewicht;
ein wasserlösliches,
viskositätsmodifizierendes
Mittel aus Alkylcellulosen, Acrylamidpolymeren oder Mischungen davon;
und
ein filmbildendes Bindemittel, das unter Polyestern, Polyurethanen,
Polyepoxiden, Acryl-Latices, Styrol-Butadien-Latices oder Mischungen
davon ausgewählt
ist.
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Die
Eigenschaften der absorbierenden Beschichtungsmassen werden durch
Zusatz eines viskositätsmodifizierenden
Mittels verbessert. Wenn beispielsweise die Beschichtungszusammensetzung
auf Stäbe,
die Glas, Kohlenstoff, Polymere oder Gemische davon umfassen, aufgetragen
wird, verleiht das viskositätsbeeinflussende
Mittel der Zubereitung eine hervorragende Verlauffähigkeit.
Bei diesem viskositätsmodifizierenden Mittel
handelt es sich nicht um eine unlösliche, pulverisierte Komponente,
sondern um eine polymere Lösung oder
Dispersion, die leicht der Beschichtungszusammensetzung einverleibt
werden kann. Daher liegt im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik
bekannten wasserabsperrenden Beschichtungsmassen die erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung
in Form einer echten Lösung
vor, die im wesentlichen keine teilchenförmigen Komponenten aufweist.
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Bilden einer
Beschichtung auf Fasern oder Strängen
eines Verstärkungsmaterials.
Das Beschichtungsverfahren kann ferner auf Produkte, die verstärkte Fasermaterialien
enthalten, angewandt werden, z. B. auf Stäbe oder Kabel, die durch ein
Verbundverfahren, wie Pultrudieren oder Spritzgießen, hergestellt
worden sind. Im allgemeinen umfasst dieses Verfahren folgende Stufen:
Auftragen der Beschichtungszusammensetzung auf die Oberfläche der
Fasern, Stränge oder
Gegenstände,
Durchführen
der beschichteten Produkte durch ein Abstreifwerkzeug, um überschüssige Beschichtungsmasse
zu entfernen und anschließend
Trocknen oder Härten.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
betrifft ferner Gegenstände,
die Verstärkungsfasern
aus Glas, Polymeren, Kohlenstoff oder natürlichen Fasern enthalten und
die unter Verwendung der erfindungsgemäßen wasserabsorbierenden Beschichtungsmassen
hergestellt worden sind. Derartige Gegenstände umfassen Verstärkungsfasern,
Stränge,
Stäbe,
Rovings und dergl. in Endlosform oder als gehackte Fasern, Stränge oder
Pellets; textile Werkstoffe aus Glas, Polymeren oder natürlichen
Fasern; und durch Pultrusion hergestellte Gegenstände, wie
Stäbe oder
Kabel. Die pultrudierten Gegenstände
können
aus Glas, Kohlenstoff, einem oder mehreren Polymeren und Gemischen
davon bestehen. Ferner kann die Beschichtungsmasse auf gerippte
metallische Rohre und Bänder,
die zum Schutz gegen Nagetiere in faseroptischen Kabeln verwendet
werden, eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung eignet sich
zur Bildung einer superabsorbierenden Beschichtung auf der Oberfläche von
Faserverstärkungen
und faserigen Produkten oder Gegenständen, die unter Verwendung
dieser Verstärkungen
hergestellt worden sind. Die Produkte, auf die die Zusammensetzung angewandt
werden kann, lassen sich in die breiten Kategorien von Faserverstärkungen,
wie endlosen Strängen
oder Verbundgegenständen,
die Faserverstärkungen
und eine oder mehrere andere Komponenten enthalten, einteilen. Die
Bestandteile, die in der superabsorbierenden Beschichtungszusammensetzung
enthalten sind, hängen
vom Typ des Produkts, auf die die Zusammensetzung aufgebracht wird,
ab.
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Gemäß einer
Ausführungsform
gehören
zu Beispielen von faserigen Verstärkungsprodukten der vorerwähnten ersten
Kategorie Stränge
oder Rovings aus faserbildenden Materialien, wie Glas, Kohlenstoff,
Polymere oder Gemische davon. Die Beschichtungszusammensetzung für diese
Produkte enthält
vorzugsweise eine geringe Menge eines Gleitmittels.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfassen die Verbundgegenstände
der zweiten Kategorie Gegenstände,
die ein verstärkendes
Fasermaterial als mindestens eine Komponente enthalten. Zu Beispielen gehören Gegenstände, die
bei einem Pultrusionsverfahren entstehen. Beispielsweise lassen
sich die erfindungsgemäßen Beschichtungsmassen
in erfolgreicher Weise auf pultrudierte Stäbe oder Kabel, die zumindest teilweise
aus einem Verbundstoff aus Verstärkungsglasfasern
und einem Polymeren bestehen, auftragen. Zu Polymeren, die zur Bildung
dieser pultrudierten Gegenstände
verwendet werden können,
gehören
hitzehärtende
Harze, wie Epoxyharze, Polyester und Vinylester. Bei der Polymerkomponente
des pultrudierten Gegenstands kann es sich auch um ein thermoplastisches
Harz handeln, das einer Wärmebehandlung
unterzogen worden ist, wobei jedoch ein hitzehärtendes Harz bevorzugt wird.
Beispielsweise kann ein hitzehärtendes
Epoxyharz, z. B. ein Vinylester, mit Glassträngen in einem Pultrusionsverfahren
zur Bildung eines Stabes kombiniert werden, der als Versteifungselement
in einem Telekommunikationskabel Verwendung findet.
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Die
wasserabstoßenden
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Beschichtungsmassen
werden erzielt, indem man eine Lösung
eines nicht-toxischen,
unter Umweltsgesichtspunkten sicheren, superabsorbierenden Polymervorläufers mit
dem Bindemittelharz, das zur Beschichtung der Substratgegenstände verwendet
wird, vereinigt. Das durch diesen Vorläufer gebildete superabsorbierende
Polymere besitzt eine überraschend
hohe Kapazität
zur Absorption von Wasser und führt
als Ergebnis einer verstärkten
Vernetzung gleichzeitig zur Aufrechterhaltung einer hohen Gelfestigkeit
in der gehärteten
Beschichtung. Wie vorstehend erwähnt,
bewirkt dieses Polymere eine einzigartige wasserfeste Beschaffenheit,
indem es große
Mengen an Wasser absorbiert. Da Wasser in Kontakt mit der beschichteten
Oberfläche
des zu schützenden
Gegenstands kommt, absorbiert die Beschichtung Wasser und erfährt eine
Quellung ihres Volumens. Durch die Absorption des Wassers beseitigt
die Beschichtung in wirksamer Weise aufgrund von Dochtwirkung die
Feuchtigkeit und verhindert somit, dass die Feuchtigkeit in Kontakt
mit den inneren Oberflächen
des geschützten
Gegenstands kommt. Infolgedessen bleiben die empfindlichen inneren
Oberflächen
trocken und werden gegen eine Durchtränkung mit Wasser geschützt. Die
erfindungsgemäßen Beschichtungsmassen
ergeben in einzigartiger Weise einen Schutz gegen Wasser, indem
sie Wasser absorbieren und das Eindringen von Feuchtigkeit unter
die Überzugsschicht
verhindern. Diese Funktion unterscheidet sich deutlich von der Art
des Schutzes, der durch aus dem Stand der Technik bekannte Sperrüberzüge erreicht
wird, die das Substrat durch Bildung einer undurchlässigen Sperre
schützen.
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Der
nicht-toxische, unter Umweltgesichtspunkten sichere, superabsorbierende
Polymervorläufer,
der in den erfindungsgemäßen Beschichtungsmassen
verwendet wird, kann unter beliebigen derartigen Polymeren ausgewählt werden,
die zur Bildung einer wässrigen
Lösung
zur Verwendung in einem Beschichtungsgemisch befähigt sind und die nach Härtung ein
Quellvermögen
und eine Quellgeschwindigkeit aufweisen, die eine rasche Absorption
von großen
Mengen an Wasser ermöglichen,
wonach sich beim Trocknen der Beschichtung eine Desorption ohne
Verlust des Polymeren selbst anschließt. Ein zur Verwendung in der
Beschichtungsmasse geeignetes Polymeres weist ein Quellvermögen bis
zum 400-fachen seines ursprünglichen Trockengewichts
auf, wenn die Beschichtungsmasse auf verstärkende Fasern oder Stränge aufgebracht
und gehärtet
wird.
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Der
superabsorbierende Polymervorläufer
zur erfindungsgemäßen Verwendung
wird aus der Gruppe der wasserlöslichen
Polyacrylate ausgewählt,
die im gehärteten
Zustand die erforderliche Fähigkeit
zur Absorption und Desorption von großen Mengen an Wasser aufweisen,
wie bereits erwähnt
wurde. Der superabsorbierende Polymervorläufer wird vorzugsweise in seiner
anionischen Form als Salz eines entsprechenden alkalischen Produkts
oder als Alkalimetallsalz verwendet. Das Polymersalz liegt in Form
einer wässrigen
Lösung
vor, die entweder klar oder geringfügig getrübt ist. Ein wünschenswerter
Feststoffgehalt liegt im Bereich von 30–35 Gew.-%. Die Lösung weist
ferner ein spezifisches Gewicht von etwa 1,1 g pro Milliliter und
eine Viskosität
von etwa 100 mPas bei 20°C
auf. Die Lösung
ist typischerweise geringfügig
anionisch und weist einen pH-Wert von 6 bis 8 auf. Ein Beispiel
für einen
akzeptablen superabsorbierenden Polymervorläufer ist ein wasserlösliches
anionisches Polyacrylat in wässriger
Lösung.
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Da
die Beschichtungsmasse auf pultrudierte Gegenstände aufgebracht werden kann,
wird der Beschichtungszusammensetzung ein viskositätsmodifizierendes
Mittel zugesetzt. Die Rolle dieses viskositätsmodifizierenden Mittels besteht
darin, eine verlauffähige
Beschaffenheit zu erzeugen, die eine angemessene Beschichtung des
pultrudierten Gegenstands nach Durchlaufen eines Abstreifwerkzeugs
ermöglicht.
Das viskositätsmodifizierende
Mittel ergibt ferner eine gute Fließfähigkeit und verhindert ein
Verstopfen der Beschichtungsvorrichtung und der Düsenöffnungen.
Viskositätsmodifizierende
Mittel, die zur Bildung einer echten Lösung befähigt sind, z. B. Alkylcellulose
oder Acrylamidpolymere, können
in den erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzungen
verwendet werden. Ein bevorzugtes viskositätsmodifizierendes Mittel zur
Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein Polyacrylamid in
wässriger
Lösung.
Die Polyacrylamidlösung
ist aufgrund ihrer Verträglichkeit
mit der Lösung
des superabsorbierenden Polymeren und der filmbildenden Bindemittelkomponente
besonders geeignet.
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Die
in der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung
verwendete Bindemittelkomponente kann beliebige polymere Materialien
umfassen, die üblicherweise
als Bindemittel in Beschichtungszusammensetzungen für Verstärkungsfasern
enthaltende Produkte verwendet werden. Das Bindemittel umfasst vorzugsweise
ein filmbildendes Polymeres oder einen Polymerlatex, d. h. ein hitzehärtendes
Harz oder ein hitzehärtendes
Harz mit gewissen thermoplastischen Eigenschaften zur Verstärkung der
Flexibilität
der Beschichtung. Das filmbildene Bindemittel muss ferner mit dem
wasserabsorbierenden Polymeren und dem viskositätsmodifizierenden Mittel insofern
verträglich
sein, als es die Vereinigung der Bestandteile in der Beschichtungszusammensetzung
fördert
und das Haften der Beschichtungsmasse an der Oberfläche nach
dem Auftrag erleichtert. Der Filmbildner ergibt ferner einen zähen Film,
der nach der Härtung
vorzugsweise keine Oberflächenklebrigkeit
aufweist oder von der Beschichtung abblättert. Beim filmbildenden Polymeren,
das im Bindemittel enthalten ist, kann es sich um einen Polyester,
ein Urethan, ein Epoxyharz, einen Latex oder um Gemische davon handeln.
Der Latex kann seinerseits unter einem Acryllatex, einem Styrol-Butadien-Latex
oder Gemischen davon ausgewählt
werden. Vorzugsweise handelt es sich beim Bindemittel um ein filmbildendes
Urethan, das nach der Trocknung die Haftung des wasserabsorbierenden
Polymeren an der behandelten Oberfläche fördert. Ein Beispiel für ein bevorzugtes
filmbildendes Bindemittel ist Witcobond® W320,
bei dem es sich um einen Polyurethan-Filmbildner der Fa. Witco Chemical
Co. handelt.
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Gegebenenfalls
kann die Beschichtungszusammensetzung auch ein oder mehr Additive
enthalten, die aus der Gruppe der Gleitmittel und Netzmittel ausgewählt sind.
Gleitmittel werden zugesetzt, um die Handhabung des polymerimprägnierten
Stranges bei der anschließenden
Bearbeitung zu verbessern. Beim Auftragen der Beschichtungsmasse
auf Faserverstärkungen,
wie Glasstränge,
wird vorzugsweise ein Gleitmittel zugesetzt, um die Haftung der
Beschichtungsmasse am Strang zu verbessern.
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Das
Netzmittel wird zugesetzt, um den Kontakt zwischen der Dispersion
und der Faseroberfläche
zu erleichtern. Beliebige herkömmliche
Netzmittel, die mit den übrigen
Bestandteilen der Schlichtemittelzusammensetzung verträglich sind,
können
verwendet werden.
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Wenn
die erfindungsgemäßen Beschichtungsmassen
auf die Oberflächen
von verstärkenden
Fasersträngen
aufgebracht und gehärtet
werden, zeigen sie ein Quellvermögen
bis zum 400-fachen des ursprünglichen
Trockengewichts des in Wasser quellbaren Polymeren. Vorzugsweise
beträgt
das Quellvermögen
bei diesem Anwendungstyp das 200- bis 400-fache des ursprünglichen
Trockengewichts des in Wasser quellbaren Polymeren. Beim Auftragen
der Beschichtungsmassen auf die Oberfläche von Gegenständen, wie
Stäben oder
Kabeln, und anschließendem
Härten,
beträgt
das Quellvermögen
bis zum 120-fachen des ursprünglichen Trockengewichts
des in Wasser quellbaren Polymeren. Dabei beträgt das Quellvermögen vorzugsweise
das 50- bis 100-fache des ursprünglichen
Trockengewichts des in Wasser quellbaren Polymeren.
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Ferner
soll auch die Quellrate der Beschichtung hoch sein. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen zeigen
eine außerordentlich
hohe Quellrate in der Größenordnung
von 300 bis 2 000 Gew.-% in der ersten Minute, bezogen auf das Gesamtgewicht
aus dem Polymeren und dem Fasersubstrat. Die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme
hängt vom Salzgehalt
der wässrigen
Umgebung, in der die Beschichtung verwendet wird, ab. In Süßwasser
ist die Quellrate höher
als in einer salzigen Umgebung, z. B. in Salzwasser. Jedoch ergibt sich
unabhängig
davon, ob die Beschichtung in Süßwasser-
oder Salzwasserumgebung verwendet wird, ein durch die Quellrate
gemessenes Verhalten, das nachweisbar besser ist, als es durch herkömmliche
trockene Beschichtungen mit Wasserabsperrwirkung erreicht werden
konnte.
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Beim
Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzungen
werden die Bestandteile zur Herstellung der Beschichtungslösung in
flüssiger
Form vereinigt. Eine Lösung
des superabsorbierenden Polymervorläufers wird zunächst zur
Gewährleistung
einer homogenen Beschaffenheit gerührt und sodann in einen Mischbehälter gegeben.
Der Behälter
wird anschließend
mit entionisiertem Wasser versetzt, wonach gegebenenfalls das Gleitmittel
zugegeben wird. Anschließend
wird das Polyurethan in Form einer wässrigen Emulsion in den Behälter gepumpt.
Das viskositätsmodifizierende
Mittel wird zunächst
unter Bildung einer 1%igen wässrigen
Lösung
vorgemischt. Eine ausreichende Menge dieser wässrigen Lösung wird sodann in den Mischbehälter gegeben.
In der letzten Stufe wird das Gemisch ohne Erwärmen gerührt. Die erahaltene Zusammensetzung
steht für
die Anwendung bereit.
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Die
Zusammensetzung wird mit der Oberfläche der zu beschichtenden Gegenstände unter
Zuhilfenahme einer geeigneten Einrichtung zum Auftragen einer flüssigen Beschichtungsmasse
in Kontakt gebracht. Beispielsweise kann die Beschichtungszusammensetzung
aufgetragen werden, indem man verstärkende Faserstränge durch
ein Harzbad führt.
Alternativ kann die Zusammensetzung auf einen zu beschichtenden
Gegenstand durch Spritzen, Fluten oder eine andere Maßnahme,
die den Kontakt der flüssigen
Beschichtungsmasse mit der gesamten Oberfläche des Gegenstands ermöglicht,
aufgebracht werden. Sodann kann eine weitere Behandlungseinrichtung
herangezogen werden, um eine gleichmäßige und angemessene Verteilung
der Überzugsschicht
zu gewährleisten.
Beispielsweise werden Faserstränge
oder Stäbe,
die mit der Beschichtungszusammensetzung beschichtet sind, durch
ein Abstreifwerkzeug geführt.
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Die
beschichteten Gegenstände
werden sodann getrocknet und gehärtet.
Der mit dem superabsorbierenden Polymervorläufer beschichtete Gegenstand
wird für
eine zur Verflüchtigung
eines wesentlichen Teils des Wassers ausreichende Zeitspanne auf
100°C (212°F) erwärmt. Anschließend wird
der mit dem Polymervorläufer
beschichtete Gegenstand auf etwa 138°C (280°F) erwärmt, um das Polymere durch
Vernetzung zu härten.
Typischerweise verlieren Polymere, die auf etwa 149°C (300°F) erwärmt worden
sind, die angestrebte superabsorbierende Eigenschaft. Die Trocknungs/Härtungsstufe
kann in einem nachgeschalteten Ofen (In-line-Ofen) durchgeführt werden. In einem 7,6 m
(25 ft) langen Ofen, der auf etwa 315°C (600°F) eingestellt ist, wird das
Polymere in einer Länge
von 116–150
m (380–490
ft) pro Minute und vorzugsweise in einer Länge von 134–142 m (440–465 ft) pro Minute gehärtet.
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Glasfaserverstärkte Gegenstände mit
der hier beschriebenen wasserbeständigen Beschichtung können auf
Anwendungsgebieten eingesetzt werden, wo die Wahrscheinlichkeit
zu einer Einwirkung von Wasser oder Wasserdampf besteht und wo die
Bildung einer dauerhaften, elastischen, flexiblen Beschichtung mit
guten wasserdichten Eigenschaften angestrebt wird. Die folgenden
Beispiele stellen repräsentative
Ausführungsformen
dar, die aber in keiner Weise den Schutzumfang der Erfindung beschränken sollen.
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Beispiele
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Beispielhafte
Beschichtungszubereitungen wurden durch Vereinigen eines filmbildenden
Bindemittelpolymeren, einer Lösung
eines wasserabsorbierenden Polymervorläufers und einer Polyacrylamidlösung hergestellt.
Die Beschichtungszusammensetzungen wurden sodann unter Anwendung
eines Flutungsverfahrens auf pultrudierte Glas-Vinylester-Stäbe aufgetragen.
Nach dem Auftragen der Beschichtungszusammensetzung wurde der Stab
durch eine Abstreifvorrichtung mit gewünschter Düsengröße geführt, um die Menge der auf der
Oberfläche
des Stabes abgeschiedenen Beschichtungszusammensetzung zu kontrollieren.
Der Stab wurde sodann erwärmt,
um die Wasserkomponente zu verflüchtigen.
Anschließend
wurde er auf etwa 132°C (270°F) erwärmt, um
die Beschichtungsmasse zu härten
und den superabsorbierenden Polymervorläufer zu aktivieren.
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Beispiel 1
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In
diesem Beispiel wurde eine Beschichtungszusammensetzung zur Behandlung
von pultrudierten Glas/Polymer-Stäben durch Vermischen der nachstehend
aufgeführten
Bestandteile in den angegebenen Mengenverhältnissen zubereitet:
33,3
Gew.-% einer superabsorbierenden Polyacrylat-Vorläuferlösung (wässrig),
erhältlich
als Handelsprodukt Stockhausen® 63815 von der Fa. Stockhausen
Inc.;
25,0 Gew.-% des einen Urethanfilm bildenden Polymeren,
Witcobond® W290H,
Handelsprodukt der Fa. Witco Chemical Co.; und
41,7 Gew.-%
einer 1%igen wässrigen
Acrylamidlösung,
Drewfloc® 270,
Handelsprodukt der Fa. Ashland Chemical Inc.
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Beispiel 2
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In
dieser Beschichtungszusammensetzung für pultrudierte Stäbe wurden
die folgenden Bestandteile vereinigt:
28,6 Gew.-% Polyacrylat-Vorläuferlösung, Stockhausen® 63815;
35,7
Gew.-% eines einen Urethanfilm bildenden Polymeren, Witcobond® W320,
Handelsprodukt der Fa. Witco Chemical Co.; und
35,7 Gew.-%
einer 1%igen wässrigen
Lösung
von Drewfloc® 270.
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Beispiel 3
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Test auf Wasserfestigkeit
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Eine
beispielhafte Beschichtungszusammensetzung wurde auf folgende Weise
zubereitet:
40,0 Gew.-% superabsorbierende Polyacrylat-Vorläuferlösung, Stockhausen® 63815;
7,5
Gew.-% des einen Polyurethanfilm bildenden Polymeren Witcobond® W320;
2,0
Gew.-% Emerlube® 7440,
sulfoniertes Mineralöl
der Fa. Henkel Corp.;
2,0 Gew.-% einer 1%igen wässrigen
Lösung
von Drewfloc® 270;
und
48,5 Gew.-% entionisiertes Wasser.
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Die
Zusammensetzung wurde auf glasfaserverstärkte Stränge zur Verwendung in optischen
Kabeln aufgetragen. Die Verstärkungen
wurden sodann entweder in entionisiertes Wasser oder in eine 1%ige
Kochsalzlösung
getaucht. Die Quellrate sowohl in Süßwasser- als auch in Salzwasserumgebung
wurde durch Messen der prozentualen Quellung oder der Gewichtszunahme
in Zeitspannen von 0 bis 20 Minuten bestimmt. Zum Vergleich wurden
Stränge,
die mit einer trockenen, wasserabsperrenden Beschichtung unter Verwendung eines
granulierten Polymerpulvers beschichtet worden waren, ebenfalls
für die
gleiche Zeitspanne in Süßwasser
und Salzwasser getaucht.
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Die
erfindungsgemäß beschichteten
und in entionisiertes oder Süßwasser
getauchten Stränge
zeigten innerhalb der ersten Minute der Einwirkung eine Quellrate,
die bis 7-mal schneller als die Quellrate der Stäbe war, die mit dem trockenen,
granulierten Polymeren beschichtet waren. Das Quellvermögen oder
die gesamte Quellmenge waren im Vergleich zur trockenen Beschichtung
bis zu 270% höher.
In der Salzwasserumgebung zeigte die erfindungsgemäße Beschichtung
innerhalb der ersten Einwirkungsminute eine Quellrate, die 6-mal rascher
als bei der trockenen granulierten Beschichtung war. Die Beschichtung
zeigte ferner ein bis zu 50% höheres
Quellvermögen
als die trockene Beschichtung.
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Diese
Ergebnisse zeigen klar, dass die erfindungsgemäßen Beschichtungslösungen zu
einer überlegenen
Wasserabsorption und dementsprechend zu einer überlegenen Wasserbeständigkeit
führen,
wenn sie auf Gegenstände
aufgetragen werden, die über
längere
Zeiträume
hinweg einer Süßwasser-
oder Salzwasserumgebung ausgesetzt sind.
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Beispiele 4 und 5
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Die
erfindungsgemäßen Beschichtungsmassen
wurden ferner einer Untersuchung unterzogen, um ihre Wirksamkeit
beim Auftragen auf verstärkende
Fasermaterialien, wie Stränge
oder Rovings, zu bestimmen. Stränge
von Glasverstärkungsfasern
wurden erfindungsgemäß beschichtet.
Die prozentuale Quellung im Laufe der Zeit, berechnet aus dem Gesamtgewicht
der Beschichtung und der Fasern, wurde gemessen. Im Vergleich dazu
wurden auch Stränge,
die mit den trockenen, granulierten Beschichtungsmassen beschichtet
waren, getestet, um die Quellrate der Beschichtung festzustellen.
In Beispiel 4 wurden die Verstärkungen
in entionisiertes Wasser getaucht. In Beispiel 5 wurden die Verstärkungen
einer 1%igen Natriumchloridlösung
ausgesetzt. Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen 1
und 2 aufgeführt.
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Tabelle
1
Beispiel 4 – Wasserabsorption
in entionisiertem Wasser
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Tabelle
2
Beispiel 5 – Wasserabsorption
in 1%iger Natriumchloridlösung
