DE10112874A1 - Streichfarbe, Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zu ihrem Auftrag auf Papier - Google Patents
Streichfarbe, Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zu ihrem Auftrag auf PapierInfo
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- D21H19/00—Coated paper; Coating material
- D21H19/36—Coatings with pigments
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Streichfarbe zum Streichen von Rohpapier. Während bislang Streichfarbe zum Einsatz kam, die im wesentlichen aus anorganischen Pigmenten, Bindemitteln und Additiven bestand, wird hier erfindungsgemäß eine vollständig neuartige Streichfarbe unter Schutz gestellt, die im wesentlichen aus einer Microblasen bildenden Komponente besteht.
Description
Die Erfindung betrifft eine Streichfarbe zum Streichen von Papier.
Die konventionell eingesetzten Streichfarben zur Herstellung von gestrichenen Pa
pieren bestehen im wesentlichen aus Pigmenten oder Pigmentmischungen, Binde
mitteln bzw. Bindemittelkombinationen, Zusatzstoffen zur Einstellung der Verarbei
tungseigenschaften und Qualitätseigenschaften sowie selbstverständlich Wasser.
Den Hauptbestandteil des Strichs stellt bei den bekannten Streichfarben das Pig
ment dar, das etwa 75% bis 95% des Feststoffgehaltes der Streichmasse aus
macht. Mit der Auswahl eines Pigments werden wesentliche Eigenschaften des
gestrichenen Papiers bestimmt. Dazu gehören insbesondere der Glanz, die Glätte,
die Opazität, die Weisse, die Saugfähigkeit und die Rupffestigkeit. Die Pigmente
bestehen aus anorganischen Materialien, wie Kaolin, natürliches Calciumcarbonat,
Talkum, Satinweiß, gefälltes Calciumcarbonat, Titandioxid oder Aluminiumhydroxid.
Das Streichen von Papier mit der bekannten Streichfarbe führt zu folgendem übli
chen Verfahrensablauf:
- 1. Herstellen einer Pigmentdispersion bei möglichst hohem Feststoffgehalt;
- 2. Vorbereitung und Zugabe eines Bindemittels;
- 3. Zugabe von Hilfsmitteln und Additiven, z. B. optische Aufheller;
- 4. Filtrieren;
- 5. Auftragen der Streichfarbe auf das Rohpapier (üblicherweise mittels einer Walze oder Düse im Überschuß);
- 6. Dosieren und Egalisieren der Streichfarbe auf dem Papier (üblicherweise über ein Messer (blade coating));
- 7. Trocknen;
- 8. Kalandrieren (sogenannte Satinage);
- 9. Aufrollen oder Formatieren.
Zur Erzielung bestimmter Qualitätseigenschaften ist nun die richtige Auswahl der
geeigneten Bestandteile der Streichfarbe ebenso erforderlich wie die entsprechen
de Verfahrenstechnik zur Aufbereitung und Verarbeitung der Streichfarbe. So führt
beispielsweise erst die Satinage zu der notwendigen Glätte, dem Glanz und der
Bedruckbarkeit, während der Glanz, der Weißgrad und die Opazität des fertigen
Papiers entscheidend von der Form, Größe, Weisse und Lichtbrechung der Pig
mentteilchen abhängen, wie es von den Grundlagen her wie folgt erläutert werden
kann.
Die optischen Eigenschaften eines gestrichenen Papiers, also Weisse und Opazi
tät, hängen nach Kubelka-Munk vom Adsorptionskoeffizienten K sowie dem Streu
koeffizienten S ab.
Der Quotient
K/S
kann entsprechend Gleichung 1
durch Messung der Lichtrückstreuung an einem praktisch unendlich dicken Papier
stapel bestimmt werden. Die Rückstreuung hängt physikalisch von den Bre
chungsindizes der jeweils verwendeten Pigmente ab und kann nach Fresnel in
Gleichung (2) dargestellt werden durch
Eine möglichst hohe Differenz der Brechungsindizes ergibt eine hohe Rückstreuung
des eingestrahlten Lichtes
Die Brechungsindizes der wichtigsten Rohstoffe bei der Herstellung gestrichener
Papiere sind:
Luft 1.00
Wasser 1.33
Stärke 1.53
Kaolin 1.55
Calciumcarbonat 1.56
Talk 1.57
Antanas 2.55
Luft 1.00
Wasser 1.33
Stärke 1.53
Kaolin 1.55
Calciumcarbonat 1.56
Talk 1.57
Antanas 2.55
Der andere physikalische Parameter, welcher die Rückstreuung bestimmt, ist die
Partikelgrösse.
Der Streukoeffizient hängt damit sowohl von der Partikelgrösse als auch dem Bre
chungsindex ab.
Wie Fig. 1 zeigt, kann der Streukoeffizient, der in m2/kg also "streuender Oberflä
che" angegeben wird, nur bis zu einem Optimum durch eine Reduzierung der Teil
chengrösse erhöht werden. Bei Überschreiten einer Teilchengrösse von 0.3 bis 0.4 µm
erfolgt ein rasanter Abfall des Streukoeffizienten.
Da Pigmente immer abgebunden werden müssen, vermindert sich ηr wenn z. B.
Bindemittel wie Stärke oder Kunststoffdispersionen mit η-Werten von 1.43 bzw. 1.5
eingesetzt werden.
Strichformulierungen, die Kaolin/Calciumcarbonat/Talk als hauptsächliche Pig
mente enthalten, ergeben deshalb bei praktisch möglichen Strichgewichten von bis
zu 30 g/m2 keine ausreichende Abdeckung dunkler Substrate. Dies führt zu oft
mangelnder Weisse- und Helligkeit des Gesamtproduktes:
Gemahlenes CaCO3 | 100-190 m2/kg |
Kaolin | 140-170 m2/kg |
Antanas | 400-550 m2/kg |
Rutil | 530-700 m2/kg |
Verbesserte Abdeckung, z. B. von altpapierhaltigen Substraten bei der Herstellung
von Verpackungskarton, lässt sich nur durch Zusatz von Antanas bzw. noch besser
Rutil erreichen. Titandioxidpigmente sind jedoch sehr teuer, erfordern viel Disper
gieraufwand bei der Herstellung der Streichfarbenformulierungen und ergeben
verminderten Glanz der Beschichtungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Streichfarbe zu entwickeln, die
bereits bei vergleichsweise geringen Auftragsgewichten eine hohe Streufähigkeit
besitzt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination der Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Diese Lehre beruht auf der Erkenntnis, daß eine Matrix mit
Hohlräumen, geeigneter Häufigkeit und Geometrie ähnliche Effekte zeigt wie in
Polymere eingebundene Pigmente, also übliche Streichfarben. Diese Matrix mit
Hohlräumen kann durch eine Mikrohohlräume bildende Komponente erzielt werden.
Solche Hohlraumsysteme können prinzipiell auf unterschiedliche Weise erzeugt
werden, z. B. durch die Verdampfung des Wassers aus einer applizierten
Öl/Wasser-Emulsion, der Mischung von Polymeren unterschiedlichen Wasserge
halts, z. B. Polyacrylsäure, Fällung durch Ladungs-Neutralisation oder gesteuerter
Erzeugung von Rissen beim Trocknen eines applizierten Gels.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den
Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
Demnach besteht die die Mikrohohlräume bildende Komponente vorteilhaft aus Hy
drocolloiden, die beispielsweise aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen kön
nen, wie z. B. Stärke. Gebildet werden die Mikrohohlräume vorteilhaft aus einer
quellfähigen Dispersion, wobei die quellfähige Dispersion wiederum gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsvariante auf der Basis vernetzter Acrylestercopolymere
gebildet sein kann.
Besonders gute Streuwirkung wird erzielt, wenn die Mikrohohlräume einen Durch
messer von 0,2 bis 0,6 µm aufweisen. Polymerfilme auf Basis Stärke, PVOH, aber
auch filmbildender Dispersionen, welche Mikrohohlräume mit einem Durchmesser
in dem vorgenannten Bereich enthalten, erlauben es, eine Größenordnung des
Streukoeffizienten zu erreichen, welche den von Rutil übertrifft.
Damit können Beschichtungen mit niedrigem Auftragsgewicht aber extrem hoher
Rückstreuung formuliert werden, welche eine perfekte Abdeckung auch sehr dunk
ler Substrate z. B. auf Altpapierbasis ermöglichen. Auftragsgewichte von unter 1 bis
15 g/m2 sind ohne weiteres erreichbar.
Zur Herstellung von Beschichtungen mit Mikrohohlräumen sind verschiedene Ver
fahren möglich. Besonders vorteilhaft ergibt sich das Verfahren gemäß Anspruch 6.
Dieses besteht in der Kombination quellbarer Micropartikel mit Filmbildnern, insbe
sondere Stärke bzw. Stärkederivaten. Als Microgelpartikel eignen sich besonders
quellbare, vernetzte, stark carboxylierte Acrylatdispersionen, welche in Form einer
feinteiligen Dispersion hergestellt werden können. Werden diese Dispersionen auf
einen pH-Wert von 7 bis 8,5 eingestellt, quillt das vernetzte Partikel stark an, bis je
nach Grad der Vernetzungsdichte der Quellvorgang zum Stehen kommt und ein
Gelpartikel bestimmter Größe entstanden ist. Die Herstellung einer Dispersion von
Gelpartikeln in Stärke kann z. B. direkt durch Einmischen der Dispersion in die Stär
kelösung und Einstellen des pH-Wertes auf ca. 8,0 (7,8 bis 8,2) durchgeführt wer
den. Beim Trocknen des Auftrags aus Gelpartikeln in Stärke entsteht durch die Sy
närese des Gelpartikels ein Hohlraum im Stärkefilm, welcher als Streuzentrum fun
giert.
Vorteilhafte Verfahren zum Auftragen der Streichfarbe ergeben sich aus den An
sprüchen 7 bis 9. Demnach kann die Streichfarbe berührungslos auf das Rohpapier
aufgetragen werden. Dabei kann das bereits grundsätzlich zum Auftragen von
Streichfarben bekannte Curtain-Coating-Verfahren, bei dem die Streichfarbe auf die
Papieroberfläche aufdosiert wird, verwendet werden. Dieses hat den Vorteil, daß
das Papier nicht nochmals mechanisch durch das Abstreifmesser beansprucht
wird. Es wird hier auch kein Überschuß von Streichfarbe abgestrichen. Vielmehr
wird die Streichfarbe unmittelbar in der gewünschten Menge auf die Papieroberflä
che aufgetragen. Die im Überschuß aufgetragene Streichfarbe braucht bei dem
neuen Verfahren also nicht abgestrichen und zurückgeführt werden. Zwar kann die
nach konventionellem Rakelverfahren im Überschuß vom 15 bis 25 aufgebrachte
Streichfarbe nach dem Abrakeln zurückgeführt und wieder eingesetzt werden. Die
ses herkömmliche Verfahren beinhaltet aber den Nachteil, daß sich die abgerakelte
Streichfarbe ihre Zusammensetzung gegenüber der ursprünglich aufgebrachten
Streichfarbe je nach dem Wasserrückhaltevermögen verändern kann. Nach dem
Aufbringen der Streichfarbe setzt nämlich ein Trennvorgang ein, bei dem Wasser
oder andere leicht bewegliche Bestandteile in das Papier aufgesogen werden und
somit die obere später abgerakelte Schicht der Streichfarbe an diesen Bestandtei
len verarmt. Weiterhin wird die Streichfarbe durch die hohe Scherbelastung wäh
rend des Abrakens durch das Abstreichmesser mechanisch beansprucht und
ebenfalls in ihrer physikalischen Eigenschaft geändert. Diese Nachteile können
durch das Aufbringen mittels des Curtain-Coating-Verfahrens wirksam verhindert
werden.
Alternativ kann die Streichfarbe auch über Filmpressen aufgetragen werden. Auch
diese Verfahrensvarianten sparen den anschließenden Abstreichvorgang über das
Messer (sogenanntes blade) ein.
Alternativ können auch volumetrische Dosierverfahren mittels gewickelter oder ge
fräster Rollrakel eingesetzt werden.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Streichfarbe und das entsprechen
de Auftragsverfahren kann der zusätzliche Kalandrierschritt, die sogenannte Sati
nage, eingespart werden. Soweit ein derartiger Verfahrensschritt jedoch zur weite
ren Qualitätsverbesserung des Papiers Anwendung finden soll, kann er bei Einsatz
der erfindungsgemäßen Streichfarbe bei wesentlich geringeren Temperaturen, also
insgesamt bei "milderen" Bedingungen durchgeführt werden.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Streichfarbe und das Auftragen dieser
Streichfarbe mit dem vorgenannten Verfahren führen zu einem niedrigerem Ver
schleiß aller farben- bzw. papierberührten Teile und Bespannungen der Papierer
zeugungsanlage und der Anlagen zur Papierverarbeitung, da auf die für die Abbra
sivität von Streichfarben maßgeblichen Pigmente vollständig verzichtet werden
kann. Die verbesserte Gefügeabdeckung erlaubt es, preisgünstigere, weniger wei
sse Faserstoffe einzusetzen. Hier können ggf. die teuren und ökologisch nicht im
mer unbedenklichen Bleichverfahren vollständig vermieden werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher er
läutert.
Eine Monomeremulsion, bestehend aus 1.5 Teilen Laurylsulfat, 2 Teilen C 13/C 15
verzweigtes Fettalkoholethoxylat mit einer EO-Zahl von 9, vierzig Teilen Acrylsäure,
1.5 Teilen Polyethylenglykoldiacrylat, mit einem PEO-MG von ca. 350 sowie 27.5
Teilen Vinylacetat und 27.5 Teilen Butylacrylat werden in demineralisiertem Wasser
emulgiert.
Eine Initiatorlösung bestehend aus 0.5 Teilen Ammoniumpersulfat in 49.5 Teilen
demineralisiertem Wasser wird hergestellt.
In einem Reaktor mit N2-Spülung werden 10 Teile Monomeremulsion vorgelegt und
mit 10 Teilen Initiatorlösung auf 70°C erwärmt. Anschliessend lässt man die Mono
meremulsion gemeinsam mit der Initiatorlösung bei 70°C Reaktionstemperatur
während eines Zeitraums von 120 min zulaufen. Nach Abschluss des Monomerzu
laufs wird die Dispersion 60 min auf 85°C erwärmt.
Nach Abkühlen auf Raumtemperatur entsteht eine leicht milchige Dispersion mit
einem Festkörpergehalt von 25% und einem pH-Wert von ca. 4.5.
20 Teile einer mittelviskosen hydroxipropilierten Kartoffelstärke werden in 80 Teilen
Wasser durch Erhitzen auf 90°C gelöst. Die Mischung wird abgekühlt und 10 Teile
otro obenstehender Dispersion zugesetzt. Die Mischung wird unter starkem Rühren
auf einen pH-Wert von 8.5 eingestellt. Durch die pH-Wert Anhebung steigt die
Brookfieldviskosität auf ca. 1500-2000 mPas an. Die Formulierung kann in dieser
Form direkt auf ein zu beschichtendes Substrat aufgebracht werden.
Streuzentren können auch durch lokale Polymerkomplexbildungsreaktionen erzeugt
werden. Dazu können z. B. eine Kombination aus thermischer Gelierung sowie einer
pH-abhängigen Polymerkomplexbildungsreaktion eingesetzt werden. Als basische
Körper können für diesen Zweck polymere Lewisbasen, z. B. auf Basis von Po
lyvinylpyrrolidon, bzw. Polyvinylcaprolactam eingesetzt werden.
Polymere Lewisbasen bilden bei pH-Werten unter 7 bis 7.5 mit anionischen Poly
meren unlösliche Polymerkomplexe, bei höheren pH-Werten bleiben die Komplexe
löslich. Polymere Lewisbasen auf Basis von Vinylcaprolactam-
Polyvinyialkoholpfropfpolymerisaten, zeigen zudem bei Temperaturen um 40°C
thermische Assoziation ähnlich dem Trübungspunkt amphiphiler Materialien. Es
bilden sich durch thermische Assoziation aus der vorher klaren Lösung weissliche
Dispersionen.
Ein Pfropfpolymer bestehend aus 20 Teilen N-Vinylcaprolactam sowie 80 Teilen
PVOH wird als 20%-ige Lösung einer 30%-igen Lösung eines Stärkephosphate
sters auf Kartoffelstärkebasis zugesetzt. Die otro Menge Polymer, bezogen auf 100
Teile otro Stärke, liegt bei 10 Teilen. Die Mischung wird mit Ammoniak auf einen
pH-Wert von 8.5 eingestellt und auf etwa 40-45°C erwärmt.
Es bildet sich eine milchig weisse Formulierung, die in dieser Form direkt auf ein
Substrat aufgebracht werden kann. Die als Assoziate vorliegende polymere Lewis
base, bildet beim Trocknen durch Abdampfen des Ammoniaks, lokal Polymerkom
plexe mit der anionischen Stärke, die aufgrund ihres gelähnlichen Charakters beim
Trocknen, Mikrohohlräume mit regelmässiger Porenstruktur entwickeln.
Polymere mit unterschiedlichem, osmotischem Potential sind üblicherweise nicht
mischbar. Das Produkt mit höherem osmotischem Potential scheidet sich in Form
von kleinen Tröpfchen in der Polymerphase mit niedrigerem osmotischen Potential
ab. Die Tröpfchen enthalten aufgrund des höheren osmotischen Potentials mehr
Wasser als die umhüllende Phase. Werden die Polymertröpfchen zusätzlich ver
netzt, wird eine Koaleszenz und schnelle Phasentrennung weitgehend verhindert.
100 Teile teilverseifter Polyvinylalkohol, mit einer Viskosität von 5.5 ± 1 mPa.s/
4%-ige Lösung, werden in 300 Teilen Wasser durch Erwärmung auf 85°C unter
Rühren gelöst. In die PVOH-Lösung werden 100 Teile einer 25%-igen Polyacryl
säurelösung mit einem Molekulargewicht von 105 bis 1.5.105 unter Rühren einge
tragen und anschliessend mit hoher Scherung feinzerteilt. Es entsteht eine weiss
lich, trübe Emulsion von Polyacrylsäure in PVOH. Der Lösung werden 0.2 bis 1.5
Teile eines Polyglyzidethers wie Glyzerintriglyzidether oder Pentaerythrittetraglyzi
dether bei einem pH-Wert von 5.5 bis 6.5 zugesetzt.
Die Glyzidether reagieren bei Temperaturen von 70 bis 80°C innerhalb von ca. 60 min
mit der Polyacrylsäure ab, so dass Polyacrylsäuregelpartikel entstehen. Beim
Auftrag auf ein Papier oder Kartonsubstrat bildet die Mischung einen PVOH-Film
mit Mikrohohlräumen und damit guter Deckfähigkeit aus.
Einer mittelviskosen Hydroxipropilstärkelösung, mit einem Festkörpergehalt von
25%, wird bezogen auf Stärke, ein Teil Lecithin und anschliessend unter starker
Scherung, bezogen auf Stärke, 10 Teile einer gereinigten Mineralölfraktion mit ei
nem Siedepunkt von 80 bis 100°C zugesetzt. Es entsteht eine weisse Emulsion, die
beim Auftragen auf Papier und Trocknen eine sehr gute Abdeckung des Substrats
ergibt.
Claims (11)
1. Streichfarbe zum Streichen von Rohpapier,
dadurch gekennzeichnet, daß
sie im wesentlichen aus einer Microhohlräume bildenden Komponente be
steht.
2. Streichfarbe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Micro
hohlräume bildende Matrix aus Hydrocolloiden, wie beispielsweise Stärke, be
steht.
3. Streichfarbe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrocolloi
de aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt sind.
4. Streichfarbe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die die Microhohlräume bildende Komponente aus einer quellfähigen Disper
sion besteht.
5. Streichfarbe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die quellfähige
Dispersion auf der Basis vernetzter Acrylestercopolymere gebildet ist.
6. Streichfarbe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Microhohlräume einen Durchmesser von 0,2 bis 0,6 µm aufweisen.
7. Verfahren zur Herstellung einer Streichfarbe zum Streichen von Rohpapier
nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ei
ne quellbare, vernetzte, stark carboxylierte Acrylatdispersion in Form einer
feinteiligen Dispersion hergestellt wird und auf einen pH-Wert von 7 bis 8,5
eingestellt wird, daß nach Quellen der vernetzten Partikel die so entstandene
Dispersion von Gelpartikeln in eine Stärkelösung eingemischt wird und daß
der pH-Wert anschließend auf ca. 8,0 eingestellt wird.
8. Verfahren zum Auftrag einer Streichfarbe nach einem der Ansprüche 1 bis 7
auf das Rohpapier, dadurch gekennzeichnet, daß die Streichfarbe berüh
rungslos auf das Rohpapier aufgetragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Streichfarbe
mittels eines Curtain-Coating-Verfahrens direkt auf die Papieroberfläche auf
dosiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streichfarbe
über Filmpressen aufgetragen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streichfarbe
mittels volumetrischer Dosierverfahren, beispielsweise mittels gewickelter
oder gefräster Rakel aufgetragen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001112874 DE10112874B4 (de) | 2001-03-16 | 2001-03-16 | Streichfarbe, Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zu ihrem Auftrag auf Papier |
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DE2001112874 DE10112874B4 (de) | 2001-03-16 | 2001-03-16 | Streichfarbe, Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zu ihrem Auftrag auf Papier |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10112874A1 true DE10112874A1 (de) | 2002-10-02 |
DE10112874B4 DE10112874B4 (de) | 2004-03-04 |
Family
ID=7677813
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10112874B4 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007055911A1 (en) * | 2005-11-04 | 2007-05-18 | Cargill, Incorporated | Lecithin-containing starch compositions, preparation thereof and paper products having oil and grease resistance, and/or release properties |
US8192845B2 (en) | 2005-11-04 | 2012-06-05 | Cargill, Incorported | Lecithin-containing starch compositions, preparation thereof and paper products having oil and grease resistance, and/or release properties |
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WO1999036269A1 (en) * | 1998-01-20 | 1999-07-22 | Kimberly-Clark Worlwide, Inc. | Coating composition containing beads of high refractive index |
EP0959176A1 (de) * | 1998-05-18 | 1999-11-24 | Rohm And Haas Company | Pigmentäre organische Hohlkugelteilchen für Papier oder Papierbeschichtungen |
-
2001
- 2001-03-16 DE DE2001112874 patent/DE10112874B4/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10112874B4 (de) | 2004-03-04 |
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