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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sprühvorrichtung für ein Reaktivharz und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Die Verwendung unterschiedlicher Reaktivharze zur Herstellung beispielsweise von Formteilen ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Wenn ein Reaktivharz auf ein Substrat aufzubringen ist, hat sich zumeist das Sprühen als Auftragstechnik durchgesetzt. Als Reaktivharze werden häufig Polyurethane verwendet, wobei die beschriebenen Techniken auch für andere Reaktivharze beispielsweise auf Basis von Epoxy-, Phenol-, Isocyanat- und Isocyanuratharzen anwendbar sind.
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Im Kunststoffhandbuch Band 7 Polyurethan, Carl Hanser Verlag sind bezüglich solcher Sprühtechniken diverse Anwendungsbeispiele beschrieben.
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Die Vermischung flüssiger Reaktivkomponenten erfolgt üblicherweise in einem Mischkopf, wobei hier zwischen Hochdruck- und Niederdruckvermischung unterschieden werden kann. Der Sprühauftrag wird in beiden Fällen über nachgeschaltete Zerstäubersysteme realisiert.
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Beim Niederdruckmischverfahren wird die zur Vermischung der Reaktivkomponenten notwendige Mischenergie über dynamische Rührwerke oder statische Mischelemente eingebracht. Die Volumen der Mischkammern sind im Vergleich zu Mischköpfen der Hochdruckvermischung relativ groß und müssen nach Beendigung des Mischprozesses mit geeigneten Spülmitteln oder Druckluft gereinigt werden. Insbesondere bei der Verarbeitung hochreaktiver Harze neigen solche Niederdruckmischköpfe bauartbedingt zu Mischkammerablagerungen und somit nach längerem Betrieb zum Verstopfen.
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Beim Hochdruckmischverfahren wird die Druckenergie der Reaktivkomponenten über Düsen in kinetische Energie umwandelt. Durch Eindüsen der Reaktivkomponenten in eine vergleichsweise kleine Mischkammer wird die kinetische Energie räumlich konzentriert und zur Vermischung genutzt. Die Reinigung der Mischkammer erfolgt üblicherweise durch mechanische Stößel, wodurch kurzfristige Unterbrechungen des Sprühprozesses möglich sind. Dieser Vorzug ist ein Merkmal der Hochdruckmischköpfe und entscheidend für die Ausbildung gleich bleibender Schichtstärken bei robotergeführten Sprühprozessen, da sich unmittelbar vor den Wendepunkten der Roboterbahnen die Verfahrgeschwindigkeiten reduzieren und sich somit das Flächen-/Austragsverhältnis verändert. Die Möglichkeit einer kurzzeitigen Unterbrechung des Sprühauftrags erlaubt die Verlegung der Wendepunkte auf die Außenbereiche der zu besprühenden Flächen.
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Die dem Mischprozess nachgeschalteten Zerstäubersysteme dienen der Zerteilung des Reaktionsgemisches in Einzeltropfen. Für die Zerstäubung kommen Einstoffdüsen (Airless-Hochdruckzerstäubung) wie auch Zweistoffdüsen äußerer und innerer Mischung (Druckgas-Zerstäubung) zum Einsatz.
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Aus
DE 27 00 488 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, in der aus zwei Zuführungsleitungen gegebenenfalls Reaktionsteilnehmer in ein Mischrohr geleitet. Das Mischrohr weist eine Reihe von Düsen B1, D1, B2 und D2 auf, die durch ein Hochdruckmedium, beispielsweise ein Gas, aber auch Komponenten des Hauptflüssigkeitsstroms in das Rohr eingebracht werden, die mit dem Hauptflüssigkeitsstrom gemischt werden. Die Düsen werden gegenläufig montiert, so dass eine Verwirbelung in dem Mischrohr stattfindet.
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Die in
US-A-3563459 beschriebene Vorrichtung beschreibt eine Mischkammer in Form eines Rohres. In dieses münden in Strömungsrichtung von oben Rohre, welche die Reaktivkomponenten transportieren. Parallel zur Mischkammer verlaufen seitlich zwei Rohre, welche über tangential angebrachte Leitungen mit der Mischkammer verbunden sind. Über diese seitlichen Rohre wird ein Luftstrom in die Mischkammer eingebracht. Dies führt zur Durchmischung der Komponenten in der Mischkammer.
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Für viele Anwendungen ist es jedoch notwendig, dem Reaktivharz zusätzliche Komponenten beizumischen. Dies können zum einen Fasern sein, welche eine höhere Stabilität des Produktes ermöglichen. Die Zumischung fester, flüssiger und/oder gasförmiger Komponenten in das Reaktivgemisch ist im Stand der Technik auf unterschiedliche Weise beschrieben. In
WO 03/037528 A2 werden in einem Mischkopf die Polyol und die Isocyanat-Komponente zusammen mit einem Füllstoff vermischt. Hierdurch wird eine Vermischung nicht nur der Polyurethankomponenten miteinander sondern auch mit dem Füllstoff ermöglicht. Nachteilig ist hier jedoch, dass der Mischkopf durch den Füllstoff geschädigt werden kann. Auch können durch eventuell auftretende Scherkräfte im Mischkopf die Füllstoffe selbst geschädigt werden.
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Als Alternative hierzu kann auch dem Reaktivharz nach der Vermischung ein entsprechender Zusatz beigefügt werden. Dies erfolgt häufig durch die Vermischung des Sprühstrahls des Reaktivharzes mit einem Sprühstrahl des entsprechenden Füllstoffs. Dies ist beispielsweise aus
DE 25 17 864 A1 ,
US-A-3,302,891 ,
WO 2009/052990 A1 oder
EP 1 458 494 B1 bekannt. In den hier beschriebenen Verfahren wird der Mischkopf nicht mehr durch die Füllstoffe geschädigt. Auch kommt es zu keiner Schädigung der Füllstoffe selbst. Allerdings ist hier die Benetzung der Füllstoffe mit dem Reaktivharz oft nur unzureichend.
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In
WO 2009/106236 A1 ist ein neu entwickeltes Verfahren zum Einbringen von Feststoffen in einen druckgaszerstäubten Polyurethan-Sprühstrahl beschrieben. Das Einleiten der Feststoffpartikel erfolgt mit Hilfe eines Sprühgases als Partikelträger in das noch im Sprühvorsatz befindliche flüssige Reaktivharz (Reaktionsstrahl). Eine Vorrichtung, mit welcher ein entsprechendes Verfahren möglich ist, ist beispielsweise in
WO 2009/143979 A1 beschrieben. Über einen dem Mischkopf nachgeschalteten Vorsatz mit einer integrierten Mischebene wird das Gas-Feststoffgemisch dem flüssigen Reaktionsgemisch tangential zugeführt, mittels des resultierenden Rotationsdralls vermischt und erst anschließend als Mehrphasengemisch über einen Zerstäuber als Sprühstrahl ausgetragen.
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In der noch nicht veröffentlichten
PCT/EP2010/004964 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Schichten und Formteilen aus einem Reaktivkunststoff beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Sprühkanal, welcher über eine Wand von einem Gasraum getrennt ist. Der Gasraum kann den Sprühkanal umgeben oder sich in Form eines Hohlzylinders im Inneren des Sprühkanals angeordnet sein. Über Gaskanäle wird vom Gasraum ein Mischgas in den Sprühkanal geleitet, wodurch zur Durchmischung der im Sprühkanal befindlichen Reaktivkomponenten kommt.
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Vor dieser Verfahrensentwicklung war ein Zuführen und Einmischen von Feststoffen über die Gasstromversorgung von Zweistoffdüsen innerer Mischung bei Polyurethansprühverfahren nicht vorgesehen. Die Sprühvorrichtungen hatten lediglich die Funktion eines Druckgaszerstäubers, wobei kurze Verweilzeiten der Reaktionsgemische im Sprühvorsatz wie auch barriere- bzw. totraumfreie Kanalgeometrien aus Gründen der Reinhaltung bevorzugt wurden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber in der Bereitstellung einer Sprühvorrichtung für ein Reaktivharz, mit welcher unterschiedliche Reaktivharze verarbeitet werden können. Das Zudosieren und eine gleichmäßige Benetzung von Füllstoffen sollen weiterhin möglich sein. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Reaktivharzes.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Sprühvorrichtung für ein Reaktivharz gelöst, welche die folgenden Bestandteile umfasst:
- (a) einen Strömungskanal 6 zum Transport und Vermischen wenigstens einer fließfähigen Reaktivkomponente mit einem Trägergas und gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen,
- (b) einen Reinigungsstößel 2,
- (c) wenigstens einen Gaseinlass 1 für das Trägergas,
- (d) nachfolgend in Strömungsrichtung wenigstens einen Einlasskanal 4, 5 für wenigstens eine fließfähige Reaktivkomponente und
- (e) weiter nachfolgend in Strömungsrichtung wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 für wenigstens einen Mischgasstrom.
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In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Sprühvorrichtung gezeigt. Der zentral verlaufende Strömungskanal 6 eignet sich sowohl zum Transportieren als auch zum Vermischen wenigstens einer Reaktivkomponente eines Reaktivharzes mit einem Trägergas. In Fließrichtung weist der Strömungskanal 6 an seinem oberen Ende einen Reinigungsstößel 2 auf. Dieser ermöglicht eine einfache Reinigung des vollständigen Strömungskanals.
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Am anderen Ende weist der Strömungskanal 6 eine Auslassöffnung 7 auf. Über diese tritt das Reaktivharz aus.
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In den Strömungskanal 6 mündet wenigstens ein Einlasskanal 4, 5. Über diesen wenigstens einen Einlasskanal 4, 5 kann wenigstens eine fließfähige Reaktivkomponente in den Strömungskanal 6 eingeleitet werden. Fließfähige Reaktivkomponenten im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen sowohl flüssige als auch feste, rieselfähige Reaktivkomponenten.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann lediglich einen Einlasskanal 4 oder 5 aufweisen. In Strömungsrichtung mündet dann in den Strömungskanal 6 zunächst wenigstens ein Gaseinlass 1, über welchen ein Trägergas eingeleitet wird. Anschließend wird über den Einlasskanal 4 oder 5 die wenigstens eine fließfähige Reaktivkomponente in den Strömungskanal eingebracht. Nachfolgend weist der Strömungskanal 6 dann wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 für wenigstens einen Mischgasstrom auf. Durch Einleiten des Mischgasstroms kommt es zu turbulenten Verwirbelungen im Inneren des in den Strömungskanal 6, wodurch die über den wenigstens einen Gaseinlass 1 und den Einlasskanal 4 oder 5 eingeleiteten Komponenten durchmischt werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Einlasskanäle 4 und 5 aufweist, welche sich bevorzugt auf unterschiedlichen Ebenen befinden. In diesem Falle ist es bevorzugt, dass die Einlasskanäle 4 und 5 entlang der Strömungsrichtung am Strömungskanal 6 alternierend angeordnet sind. Befinden sich mehrere Einlasskanäle 4, 5 in unterschiedlichen Ebenen am Strömungskanal 6, 50 befindet sich zwischen diesen Ebenen bevorzugt wenigstens eine weitere Ebene, auf welcher eine Zufuhreinrichtung 3 in den Strömungskanal 6 mündet.
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Bei einer solchen Ausführungsform wird, wie zuvor beschrieben, in Strömungsrichtung zunächst über wenigstens einen Gaseinlass 1 ein Trägergas in den Strömungskanal 6 eingeleitet. Anschließend wird über einen Einlasskanal 4 wenigstens eine fließfähige Reaktivkomponente in den Strömungskanal 6 eingebracht. Weiter nachfolgend in Strömungsrichtung weist der Strömungskanal 6 wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 für wenigstens einen Mischgasstrom auf. Der weitere Einlasskanal 5 ist dann in Strömungsrichtung nach der wenigstens einen in Strömungsrichtung ersten Zufuhreinrichtung 3 am Strömungskanal 6 angebracht. Sollten weitere Einlasskanäle 4, 5 am Strömungskanal 6 angebracht sein, sind auch diese bevorzugt alternierend an einander gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals 6 angeordnet.
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Weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei oder mehr Einlasskanäle 4, 5 auf, so können über diese die gleiche oder verschiedene Reaktivkomponente in den Strömungskanal 6 eingebracht werden.
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Über den wenigstens einen Gaseinlass 1 wird ein Trägergas in den Strömungskanal 6 eingeleitet. Als Trägergas wird bevorzugt ein inertes Gas verwendet, welches nicht mit der Reaktivkomponente reagiert. Insbesondere findet Luft Verwendung als Trägergas, da dieses mit der eingesetzten Reaktivkomponente nicht reagiert. Unter Trägergas im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist auch ein Gas oder Gasgemisch zu verstehen. Dieses Gas oder Gasgemisch kann einen oder mehrere rieselfähige Füllstoffe enthalten.
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Rieselfähige Füllstoffe können dabei solche Füllstoffe sein, die dem herzustellenden Reaktivharz gewünschte Eigenschaften verleihen. Beispielsweise ist es möglich Fasern oder andere aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannte Füllstoffe mit Hilfe des Transportgases über den wenigstens einen Gaseinlass 1 in den Strömungskanal 6 einzuleiten. Befindet sich der wenigstens eine Füllstoff im Strömungskanal 6, so wird als nächstes in Strömungsrichtung über den wenigstens einen Einlasskanal 4, 5 wenigstens eine Reaktivkomponente in den Strömungskanal 6 eingebracht. Füllstoff und Reaktivkomponente werden dann im weiteren Verlauf des Strömungskanals 6 durch den durch die wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 eingebrachten Mischgasstrom durchmischt, wodurch eine gleichmäßige Benetzung des wenigstens einen Füllstoffs mit der wenigstens einen Reaktivkomponente erreicht wird.
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Es ist weiterhin möglich, dass das Transportgas als rieselfähigen Füllstoff eine feste Reaktivkomponente aufweist. Wird die wenigstens eine feste Reaktivkomponente mit Hilfe des Transportgases in den Strömungskanal 6 eingebracht, so findet auch hier eine gleichmäßige Durchmischung mit der wenigstens einen fließfähigen Reaktivkomponente statt, welche über den wenigstens einen Einlasskanal 4, 5 in den Strömungskanal 6 eingebracht wird.
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Die gleichmäßige Benetzung eventuell vorhandener rieselfähiger Füllstoffe mit der wenigstens einen fließfähigen Reaktivkomponente wird auch durch den wenigstens einen Mischgasstrom sichergestellt, der über die wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 in den Strömungskanal 6 eingebracht wird. Durch die Einleitung des Mischgases in den Strömungskanal kommt es zu einer turbulenten Vermischung der über den wenigstens einen Einlasskanal 4 eingeleiteten wenigstens einen fließfähigen Reaktivkomponente und dem zusammen mit dem Trägergas über den Gaseinlass 1 eingebrachten Füllstoff.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung schließen der wenigstens eine Einlasskanal 4, 5, die wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 und der wenigstens eine Gaseinlass 1 jeweils mit dem Strömungskanal 6 einen Winkel α von > 0° bis < 180° miteinander ein. Der Winkel α entspricht dem Winkel den der Strömungskanal 6 mit den entsprechenden Einlässen in Strömungsrichtung einschließt, wie in 2 schematisch dargestellt.
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Bevorzugt weisen der wenigstens eine Einlasskanal 4, 5, die wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 und/oder der wenigstens eine Gaseinlass 1 jeweils mit dem Strömungskanal 6 einen spitzen Winkel α von > 25° bis einschließlich 90° ein. In diesem Bereich ist eine gute Durchmischung der einzelnen Komponenten sichergestellt. Die Reaktivkomponenten werden in Strömungsrichtung oder senkrecht, dazu in den Strömungskanal 6 eingebracht. Hierdurch wird die grundsätzliche Fließrichtung im Strömungskanal 6 nicht gestört. Eine Durchmischung ist dennoch sichergestellt.
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Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 zum Einbringen eines Mischgasstroms auf. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass man einen oder mehrere rieselfähige Füllstoffe und/oder wenigstens eine feste Reaktivkomponente über die Zufuhreinrichtung 3 dosiert. Zusammen mit dem Mischgas werden diese in den Strömungskanal 6 eingeleitet.
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Bevorzugt sind mehrere Zufuhreinrichtungen 3 auf unterschiedlichen Ebenen am Strömungskanal 6 angebracht. Befinden sich wenigstens zwei Zufuhreinrichtungen 3 auf einer Ebene, so können diese tangential oder einander gegenüberliegend angebracht sein.
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Entscheidend für eine tangentiale oder einander gegenüber liegende Anordnung ist eine gewünschte gute Durchmischung der fließfähigen Reaktivkomponente mit dem wenigstens einen rieselfähigen Füllstoff und/oder der wenigstens einen festen Reaktivkomponente. Einflussgrößen für ein gute Durchmischung sind Durchmesser und Länge des Strömungskanals 6 in Strömungsrichtung nach den Einlässen 3, Fließgeschwindigkeiten der wenigstens einen fließfähigen Reaktivkomponente, des wenigstens einen rieselfähigen Füllstoffes und/oder der wenigstens einen festen Reaktivkomponente und, bei gleicher Partikelgröße, Dichte der wenigstens einen fließfähigen Reaktivkomponente, des wenigstens einen rieselfähigen Füllstoffes und/oder der wenigstens einen festen Reaktivkomponente. Ob eine tangentiale oder eine einander gegenüberliegende Anordnung zu bevorzugen ist, muss fallspezifisch nach diesen Einflussgrößen ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Reaktivharzes unter Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung, wobei man über den wenigstens einen Gaseinlass 1 ein Trägergas in den Strömungskanal 6 einleitet, über den wenigstens einen Einlasskanal 4, 5 wenigstens eine Reaktivkomponente dosiert und über wenigstens eine Zufuhreinrichtung 3 wenigstens ein Mischgas dosiert.
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Unter Mischgas im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Gas oder Gasgemisch verstanden, welches mit der wenigstens einen fließfähigen Reaktivkomponente nicht reagiert, diese jedoch mit eventuell eingefüllten Füllstoffen durchmischt. Durch das Einbringen des Mischgases in den Strömungskanal 6 kommt es zu turbulenten Vermischungen. Dabei reagiert das Mischgas selbst nicht mit der wenigstens einen fließfähigen Reaktivkomponente. Bei dem Mischgas handelt es sich bevorzugt um ein inertes Gas. Es kann als Mischgas das gleiche oder ein anderes Gas wie das Transportgas verwendet werden, wobei Luft bevorzugt als Mischgas verwendet wird, da Luft nicht mit den im Strömungskanal 6 vorhandenen Komponenten reagiert. Das Mischgas kann erfindungsgemäß einen oder mehrere rieselfähige Füllstoffe und/oder wenigstens eine feste Reaktivkomponente aufweisen.
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Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Mischgas Tröpfchen einer Reaktivkomponente eines Reaktivharzes aufweist. In einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, dass man das Mischgas mit Tröpfchen der gleichen oder einer anderen Reaktivkomponente, wie sie über den wenigstens einen Einlasskanal 4, 5 zugeführt wird, versetzt.
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Bevorzugt setzt man im erfindungsgemäßen Verfahren eine flüssige Reaktivkomponente ein, welche über den wenigstens einen Einlasskanal 4, 5 in den Strömungskanal 6 eingeleitet wird.
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Erfindungsgemäß kann über den wenigstens einen Gaseinlass 1 ein rieselfähiger Füllstoff zusammen mit dem Transportgas in den Strömungskanal 6 eingebracht werden. Unter rieselfähigem Füllstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man aus dem Stand der Technik bekannte Füllstoffe, wie beispielsweise Fasern. Es ist auch möglich über den Gaseinlass 1 eine feste Reaktivkomponente im Sinne eines rieselfähigen Füllstoffes in den Strömungskanal 6 zu dosieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen die Herstellung unterschiedlicher Reaktivharze, welche mit rieselfähigen Füllstoffen versetzt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3923253 A [0008]
- DE 102007016785 A1 [0008]
- US 6131823 A [0008]
- DE 2700488 A1 [0009]
- US 3563459 A [0010]
- WO 03/037528 A2 [0011]
- DE 2517864 A1 [0012]
- US 3302891 A [0012]
- WO 2009/052990 A1 [0012]
- EP 1458494 B1 [0012]
- WO 2009/106236 A1 [0013]
- WO 2009/143979 A1 [0013]
- EP 2010/004964 [0014]