Aus der DE 34 33 928 C2 ist es bekannt, Polyurethanharzmischungen zum Verfestigen von geologischen Formationen im Steinkohlenbergbau zu verwenden. Dabei werden das kohleführende Gestein und auch die Kohle stabilisiert. In Einzelfällen ist es in Folge dieser Anwendungen zu Bränden gekommen. Das konnte man darauf zurückführen, dass die Reaktionswärme des aushärtenden Harzes den Selbstentzündungsprozess der Kohle begünstigt. Bei den Polyurethanharzmischungen ergibt sich die Reaktionswärme und die Reaktionstemperatur aus der Reaktion der Polyisocyanat-Komponente B und den OH-Gruppen der Polyolkomponente A und durch die Reaktion der Polyisocyanate mit Wasser. Konventionelle Polyurethanharze zum Verfestigen von geologischen Formationen weisen einen beträchtlichen Überschuss an NCO-Gruppen auf. So werden gemäß der DE 34 33 928 C2 vorzugsweise Reaktionsgemische mit einer Isocyanatkennzahl von 120 bis 140 vorgeschlagen. Als Reaktionstemperaturen können, ausgehend von circa 30°C, Temperaturen zwischen 130 und 150°C auftreten. Treten jedoch Wasser oder wasserhaltige Substanzen hinzu, so dass eine Isocyanatkennzahl von etwa 100 entsteht, d.h. stöchiometrischer Umsatz, so können die Temperaturen bis auf 180°C steigen.

Zur Reduzierung der Reaktionstemperatur sind prinzipiell verschiedene Möglichkeiten bekannt:

Eine Möglichkeit besteht darin, niedrigsiedende inerte Stoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, zuzusetzen, die durch die erzeugte Reaktionswärme verdampfen und durch die Verdampfungsenthalpie zu einer Erniedrigung der Reaktionstemperatur beitragen. Zusätzlich tritt noch ein „Verdünnungseffekt" auf. Bei dieser Verfahrensweise wird ein Polyurethan-Leichtschaum erzeugt, der aufgrund der niedrigen Festigkeiten für die Gebirgsverfestigung nicht geeignet ist.

Eine weitere Möglichkeit, die Reaktionstemperatur zu senken, ist der Zusatz von nicht flüchtigen Inertstoffen. Am einfachsten ist der Zusatz flüssiger Inertstoffe. In der Regel werden hierzu hochsiedende Weichmacher verwendet, wie sie in der Kunststoffchemie üblich sind. Sie können beiden Komponenten zugesetzt werden. Die mechanischen Eigenschaften des Polyurethanharzproduktes werden jedoch in den meisten Fällen verschlechtert, insbesondere die Härte der resultierenden Endprodukte nimmt ab. Bei höheren Konzentrationen neigt der Inertstoff dazu, aus der Polymermatrix auszuschwitzen. Dieser Effekt bewirkt vor allem eine unerwünschte Minderung der Haftfestigkeit.

Es können auch feste Füllstoffe, wie sie in der Kunststoffchemie üblich sind, zugesetzt werden. Während die druckbezogenen mechanischen Eigenschaften dadurch im allgemeinen verbessert werden, verschlechtern sich die zugbezogenen Eigenschaften, insbesondere die Haftfestigkeit der Harze. Für den praktischen Einsatz für die Gebirgsverfestigung ist die Neigung der festen Füllstoffe, sich aus der Flüssigphase abzusetzen, von großem Nachteil. Eine Homogenisierung solcher entmischter Systeme vor Ort ist in der Regel nicht möglich. Eine stabile Dispersion zu erreichen, ist vor allem angesichts der niedrigen Viskositäten schwierig, wie sie für die Pumpen- und Injektionstechnik erforderlich sind. Flüssigkeiten mit einer Viskosität von > 1000 mPa s können mit selbstansaugenden Pumpen, wie sie in der Injektionstechnik üblich sind, nicht mehr verarbeitet werden.

Eine weitere Möglichkeit der Temperaturerniedrigung ist die Reduzierung der Zahl der reaktiven Gruppen durch Einsatz von Komponenten mit höherem Molekulargewicht.

Dies kann gleichzeitig in beiden Komponenten durchgeführt werden, wobei auf der Polyolseite Polyole mit niedrigerem OH-Gehalt bzw. niedrigerer OH-Zahl und auf der Isocyanatseite Prepolymere, also Voraddukte zwischen Polyol und überschüssigem Isocyanat, eingesetzt werden können. Dadurch wird einerseits die Viskosität stark erhöht, andererseits werden die Stoffe weicher, so dass sie bei signifikanter Senkung der Reaktionstemperatur nicht mehr die für die Gebirgsverfestigung erforderliche Steifigkeit aufweisen.

Ausschlaggebend für die erzeugte Reaktionsenthalpie ist der molare Umsatz bezogen auf die Gesamtmasse der Komponenten. Der molare Umsatz wird begrenzt durch die Komponente, die die geringere Anzahl reaktiver Gruppen enthält. Reaktive Gruppen in einem stöchiometrischen Überschuss in der anderen Komponente tragen nicht zur Wärmeentwicklung bei. Erhöht man das Molekulargewicht nur einer Komponente, behält aber das Volumenverhältnis von 1 : 1 bei, so verändert sich das stöchiometrische Verhältnis, das durch die Isocyanat-Kennzahl ausgedrückt wird. Im allgemeinen liegt die Isocyanat-Kennzahl bei Gebirgsverfestigungssystemen bei 120 bis 200, das heißt es besteht ein Überschuss von Isocyanat, der entweder in Sekundärreaktionen (Allophanat- oder Biuret-Reaktion) oder in Reaktionen mit Wasser aus der Umgebung, sofern vorhanden, abgebaut wird oder als unreagierte Isocyanatgruppe erhalten bleibt.

Reduziert man die Zahl der reaktiven Gruppen auf der Polyolseite, zum Beispiel durch Einsatz von Polyolen mit niedrigerer OH-Zahl und erhöht damit die Isocyanat-Kennzahl, führt dies unter Laborbedingungen zu einer Temperaturerniedrigung. In der Praxis ist dies jedoch sehr problematisch, denn die Reaktion mit Wasser aus der Umgebung führt zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, die Isocyanat-Kennzahl so niedrig wie möglich zu halten.

Reduziert man andererseits die Zahl der reaktiven Gruppen auf der Isocyanatseite zum Beispiel dadurch, dass man Prepolymere einsetzt, so tritt, ausgehend von einer ursprünglichen Isocyanat-Kennzahl von 160 bis zum Erreichen einer Isocyanat-Kennzahl von 100 (also stöchiometrische Reaktion) keine Verminderung des chemischen Umsatzes und damit der Reaktionstemperatur ein. Erst bei geringeren Isocyanat-Kennzahlen tritt ein Temperaturerniedrigungseffekt ein. Die dabei erzeugten Produkte sind aber für eine Stabilisierung des Gebirges zu weich.