DE102020007632A1 - Verfahren zur Aufbringung von geprägten Strukturen auf eine Oberfläche eines Objekts - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung von geprägten Strukturen auf eine Oberfläche eines Objekts, wobei die geprägten Strukturen insbesondere Reibungsverluste in Luft oder Wasser verringern und/oder eine Anhaftung von Eis, Schmutz und/oder Organismen an dem Objekt mindestens teilweise verhindern.Erfindungsgemäß wird eine härtbare Lackschicht auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht, die ohne die Lackschicht mit Wasser oder Außenluft in Kontakt kommen würde. Die Lackschicht weist eine erste Seite auf, die auf das Objekt aufgebracht wird, und weist eine zweite Seite auf, die der ersten Seite gegenüberliegt. Die geprägten Strukturen werden mit einer Prägefolie in die zweite Seite der Lackschicht eingebracht, wobei die Prägefolie auf ihrer Oberfläche eine Prägestruktur aufweist, die invertiert zu den geprägten Strukturen ausgebildet ist, und wobei die Prägefolie nach dem Einbringen der geprägten Strukturen in die zweite Seite der Lackschicht mit einem Lösungsmittel mindestens teilweise aufgelöst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung von geprägten Strukturen auf eine Oberfläche eines Objekts, wobei die geprägten Strukturen insbesondere Reibungsverluste in Luft oder Wasser verringern und/oder eine Anhaftung von Eis, Schmutz und/oder Organismen an dem Objekt mindestens teilweise verhindern.
  • Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Antifouling-Beschichtungen bekannt, die eine unerwünschte Besiedelung von Organismen an Strukturen verhindern sollen, beispielsweise die Besiedelung von Muscheln, Algen oder Schnecken an Schiffsrümpfen oder wasserbaulichen Anlagen. Die Organismen werden dabei entweder durch giftige oder lösliche Stoffe an der Besiedelung gehindert, die in der Antifouling-Beschichtungen gespeichert sind und über einen längeren Zeitraum aus der Oberfläche der Antifouling-Beschichtungen austreten.
  • Aus WO 2020/195987 A1 ist eine Beschichtung bekannt, die die Anhaftung von Schnee und Eis auf einer Struktur verhindern soll. Die Beschichtung besteht an ihrer Luft oder Wasser zugewendeten Außenseite aus einem Lack mit einer Öl-Komponente. Diese Öl-Komponente tritt unterhalb einer bestimmten Temperatur aus und verhindert damit die Anhaftung von Schnee und Eis.
  • Aus WO 2020/195907 A1 ist eine Antifouling-Beschichtung bekannt, die über einen langen Zeitraum eine hohe Antifouling-Wirkung haben soll. Diese Antifouling-Beschichtung besteht aus einem hydrolysierbaren Polymer (A) mit einer Metall Ester Gruppe, Zinkphosphat (B) und Zinkoxid (C), wobei das Massenverhältnis zwischen Zinkphosphat (B) und Zinkoxid (C) zwischen 20:80 bis 75:25 beträgt.
  • Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Herstellungsverfahren und Produkte zur Oberflächenstrukturierung bekannt, die eine Verringerung von Reibungsverlusten von bewegten Körpern in Luft oder Wasser bewirken, indem sie beispielsweise das Strömungsverhalten der Flüssigkeit oder des Gases an der Grenzfläche optimieren oder eine Vereisung oder eine Verunreinigung durch Mikroorganismen oder Schmutz reduzieren oder verhindern. Eine derartige Oberflächenstrukturierung wird beispielsweise bei Windkraftanlagen oder Verkehrsmitteln wie Flugzeugen, Straßenfahrzeugen, Schiffen oder Zügen oder an Wänden und Klimaschachten verwendet und ist beispielsweise unter dem Begriff „Haifischhaut“ bekannt.
  • Die Strukturierung von Schiffs- oder Flugzeugoberflächen geschieht dabei über spezielle UV-Prägeroboter, die eine mobile UV-Prägeeinheit umfassen. UV-Prägeroboter haben jedoch den Nachteil, dass sie mit hohen Anschaffungskosten verbunden sind. Des Weiteren können Ecken, Kanten oder beliebig geformte Oberflächen nicht oder nur bedingt mittels einem starren Prägewerk des UV-Prägeroboters beschichtet werden. Zudem sind die freiliegenden Prägestrukturen anfällig für die Anlagerung von Organismen, so dass sie durch die Verschmutzung nicht mehr formtreu und damit unwirksam sind.
  • Für die Aufbringung der Prägestrukturen mit dem UV-Prägeroboter werden derzeit UV-härtende Lacke verwendet. Diese sind jedoch in der Regel so beschaffen, dass sie das Algenwachstum und Verschmutzung nicht unterbinden. Zweikomponenten- bzw. 2K-Lacke eignen sich zwar besser als Antifouling-Lacke, bei ihnen dauert die Aushärtung jedoch Minuten bis Stunden. Da die Härtung des Lacks jedoch zum Zeitpunkt der Aufbringung auf ein Objekt erfolgen muss, können 2K-Lacke nicht mit dem UV-Prägeroboter appliziert werden.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren zur Oberflächenstrukturierung von bevorzugt großen Objekten derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik behoben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß wird eine härtbare Lackschicht auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht, die ohne die Lackschicht mit Wasser oder Außenluft in Kontakt kommen würde. Die Lackschicht weist eine erste Seite auf, die auf das Objekt aufgebracht wird, und weist eine zweite Seite auf, die der ersten Seite gegenüberliegt. Die geprägten Strukturen werden mit einer Prägefolie in die zweite Seite der Lackschicht eingebracht, wobei die Prägefolie auf ihrer Oberfläche eine Prägestruktur aufweist, die invertiert zu den geprägten Strukturen ausgebildet ist, und wobei die Prägefolie nach dem Einbringen der geprägten Strukturen in die zweite Seite der Lackschicht mit einem Lösungsmittel mindestens teilweise aufgelöst wird.
  • Die Prägestrukturen werden in die Prägefolie besonders bevorzugt durch UV-Prägen oder Heißprägen oder Prägen während eines Folienextrusionsprozesses eingebracht.
  • Bei der härtbaren Lackschicht kann es sich beispielsweise um einen Einkomponentenlack (dessen Aushärtungsreaktion beispielsweise durch Wasser oder Sauerstoff initiiert wird), einen Zweikomponentenlack, einen strahlungshärtenden Lack wie beispielsweise einen UV- oder IR-härtenden Lack oder einen lösungsmittelhaltigen Lack handeln. Im letzteren Fall muss die Prägefolie durchlässig für das Lösungsmittel sein. Bevorzugt weist die härtbare Lackschicht mindestens eine der folgenden Materialeigenschaften aufweist: antifouling, antihaft, eisabweisend, kratzfest, antibakteriell, Wasserdampfabweisend bzw. antibeschlag, korrosionshemmend oder antimikrobiologisch.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird in einem ersten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht auf die Prägestrukturen der Prägefolie und/oder die Oberfläche des Objekts aufgebracht, werden in einem zweiten Verfahrensschritt die Prägefolie und die Oberfläche des Objekts zusammengeführt, wird in einem dritten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht gehärtet, wobei sich im zweiten bzw. dritten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht zwischen der Prägefolie und der Oberfläche des Objekts befindet, und wird in einem vierten Verfahrensschritt die Prägefolie mit einem Lösungsmittel mindestens teilweise aufgelöst. Vor dem zweiten Verfahrensschritt kann auf die Oberfläche des Objekts ein Primer, ein Klebstoff oder ein Haftvermittler aufgebracht werden.
  • Die Prägefolie und/oder die Oberfläche des Objekts werden dabei vor Ort mit der härtenden Lackschicht beschichtet, beispielsweise durch Streichen oder Sprühen, und zusammengeführt. Während der Aushärtung des Lacks befindet sich dieser zwischen der Oberfläche des Objekts und der Prägefolie. Somit wird eine gute Bindung des ausgehärteten Lacks zur Oberfläche des Objekts und ein genaue Abformung der Prägefolienstruktur durch den Lack erreicht.
  • Gemäß einer zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform wird in einem ersten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht auf die Prägestrukturen der Prägefolie aufgebracht, in einem zweiten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht gehärtet, in einem dritten Verfahrensschritt die Lackschicht mit der Prägefolie auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht und in einem vierten Verfahrensschritt die Prägefolie mit einem Lösungsmittel mindestens teilweise aufgelöst. Vor dem dritten Verfahrensschritt kann auf die gehärtete Lackschicht und/ oder auf die Oberfläche des Objekts ein Primer, ein Klebstoff und/oder ein Haftvermittler aufgebracht werden.
  • Dabei wird also der zu härtende Lack auf die strukturierte Seite der Prägefolie aufgebracht, beispielsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess mittels Druck, Schlitzdüse oder Sprühen, und im selben Arbeitsgang gehärtet, beispielsweise durch Trocknung, Heizung oder UV-Härtung. Dabei wird die Struktur der Prägefolie auf den Lack übertragen. In einem anschließenden Schritt wird der Verbund aus Prägefolie und ausgehärteter Lackschickt auf das Objekt geklebt. Falls der Verbund keine Kleberschicht umfasst, kann ein Kleber und/oder Haftvermittler vor Ort auf das Objekt und/oder den Folienverbund aufgetragen werden. Falls der Verbund eine Kleberschicht umfasst, kann der Einsatz eines Liners notwendig werden, um ein Verblocken beim Aufwickeln des Verbundes zu vermeiden.
  • Bei allen Ausführungsformen können sich die Prägefolien in ihrem Aufbau und Herstellungsverfahren unterscheiden. Zum einen wird bevorzugt eine vollständig auflösbare Prägefolie verwendet. Diese vollständig auflösbare Prägefolie wird mittels Heißprägen einer Folie oder Prägen während eines Folienextrusionsprozesses hergestellt. Alternativ wird eine solche vollständig auflösbare Prägefolie durch UV-Prägen oder Heißprägen in eine lösliche Prägeschicht, die auf einer löslichen Trägerfolie aufgebracht wird, hergestellt, wobei sich die Trägerfolie und Prägeschicht chemisch unterscheiden.
  • Zum anderen wird bevorzugt eine teilweise auflösbare Prägefolie verwendet. Diese teilweise auflösbare Prägefolie wird durch UV-Prägen oder Heißprägen in eine lösliche Prägeschicht hergestellt, die auf einer nicht löslichen Trägerfolie aufgebracht wird. Diese teilweise auflösbare Prägefolie ist so beschaffen, dass sich die Trägerfolie nach dem Strukturierungsprozess der Objektoberfläche von der Prägeschicht abziehen lässt.
  • Unabhängig von der gewählten Methode wird in dem jeweils letzten Prozessschritt die lösliche Prägefolie mittels eines Lösungsmittels gelöst und somit entfernt. Das Lösungsmittel ist dabei bevorzugt ein organisches Lösungsmittel oder Wasser.
  • Von besonderem Interesse sind dabei wasserlösliche Prägefolien und insbesondere biologisch unbedenkliche und biologisch abbaubare Prägefolienmaterialen. Diese Folien können wirtschaftlich, umweltfreundlich und positiv in Bezug auf Arbeitsschutz eingesetzt werden. Zu den bevorzugten wasserlöslichen Materialien gehören dabei modifizierte Stärke, Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyvinylalkohol (PVA), Derivate von Polyacrylaten (PA), Polylactiden (PLA) oder ein wasserlöslicher UV-Lack.
  • Wasserlösliche Prägefolien haben auch einen weiteren Vorteil, da sie oft kompatibel mit organischen Lösungsmitteln sind, die sich in den zu strukturierenden Lacken befinden können, d.h. diese Lösungsmittel lösen nicht die wasserlöslichen Materialien an und führen nicht zu einem Verlust der Prägestrukturen.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der breiten Anwendungsmöglichkeit, da auch bereits bestehende bzw. aus dem Stand der Technik bekannte Farb- und Lackformulierungen strukturiert werden können. Beispielsweise können Schiffsrümpfe mit der sogenannten Haifischhaut bzw.
  • Haifischstruktur ausgestattet werden. Bestehen die Haifischstrukturen jedoch nicht aus einem speziellen Antifouling-Lack, so werden die Strukturen innerhalb kürzester Zeit im Meerwasser durch eine dicke Schicht aus Organismen oder eine Schmutzschicht überdeckt und sind unwirksam. Die Entwicklung eines entsprechenden Antifouling-UV-Lacks, der sich mittels eines UV-Prägeroboters aufbringen lasst, würde im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Verfahren Jahre dauern und immense Kosten verursachen.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass wasserlösliche Prägefolien sich erst dann selbstständig auflösen, wenn die Flugzeuge oder Schiffe den Flugzeughangar oder das Trockendock verlassen und mit Wasser in Berührung kommen. Bis dahin sind die geprägten Strukturen durch die Prägefolie vor mechanischen und chemischen Beschädigungen geschützt.
  • In aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist die Haftung des zu strukturierenden Lacks oder der Farbe auf der Prägefolie sehr stark. Dies führt dazu, dass bei dem mechanischen Entfernen oder Abziehen der Prägefolie von dem Prägelack die geprägten Strukturen im Prägelack mindestens teilweise zerstört werden. Die Erfindung hat demgegenüber den Vorteil, dass sich die Prägefolie durch den Prozess ihres Auflösens schonend von dem Prägelack löst, ohne dabei die Prägestrukturen zu zerstören.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, soweit dies von dem Schutzumfang der Ansprüche erfasst ist.
  • Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und der ergänzenden Figuren werden die Vorteile der Erfindung erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, auf die jedoch die Erfindung in keinerlei Weise beschränkt sein soll. Des Weiteren sind die Darstellungen in den Figuren des besseren Verständnisses wegen stark schematisiert und spiegeln nicht die realen Gegebenheiten wider. Insbesondere entsprechen die in den Figuren gezeigten Proportionen nicht den in der Realität vorliegenden Verhältnissen und dienen ausschließlich zur Verbesserung der Anschaulichkeit. Des Weiteren sind die in den folgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Ausführungsformen der besseren Verständlichkeit wegen auf die wesentlichen Kerninformationen reduziert. Bei der praktischen Umsetzung können wesentlich komplexere Muster oder Bilder zur Anwendung kommen.
  • Im Einzelnen zeigen schematisch:
    • 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel entsprechend Anspruch 2. Auf ein Objekt 3, beispielsweise der Rumpf eines Schiffes, soll dabei eine härtbare Lackschicht 2 mit geprägten Strukturen 5 aufgebracht werden, die die Anhaftung von Schmutz, Eis und/oder Organismen auf der Oberfläche des Objekts 3 mindestens teilweise, bevorzugt vollständig verhindern soll.
  • In einem ersten Verfahrensschritt wird gemäß 1a die härtbare Lackschicht 2 aus einem Zweikomponentenlack auf die Oberfläche des Objekts 3 aufgebracht. In einem zweiten Verfahrensschritt werden gemäß 1b die Prägefolie 1 und die härtbare Lacksicht 2 so zusammengeführt, dass die Prägestrukturen der Prägefolie 1 auf der Seite der härtbaren Lackschicht 2 aufgebracht wird, die ohne die Lackschicht 2 mit Wasser, Schmutz, sessilen Organismen oder Außenluft in Kontakt kommen würde. Zur Verbesserung der Haftung der Lackschicht 2 auf der Oberfläche des Objekts 3 kann zuvor auf der Oberfläche des Objekts 3 ein Klebstoff oder eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht sein. In einem dritten Verfahrensschritt wird gemäß 1c die Prägefolie solange auf der härtbaren Lackschicht 2 belassen bis die Lackschicht 2 aus dem Zweikomponentenlack ausgehärtet ist. Die Aushärtung kann beispielsweise durch einen Wärmeeintrag mittels IR-Strahlung 4 beschleunigt werden. In einem vierten Verfahrensschritt ist gemäß 1d die Prägefolie mit einem Lösungsmittel aufgelöst worden und nicht mehr auf der Lackschicht 2 vorhanden. Die geprägten Strukturen 5 liegen nun offen, können mit Wasser in Kontakt treten, die Reibungsverluste verringern und/oder die Anhaftung von Schmutz, Eis und/oder Organismen auf der Oberfläche des Objekts 3 mindestens teilweise, bevorzugt vollständig verhindern.
  • 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend Anspruch 4. Auch bei diesem Verfahren soll auf ein Objekt 3, beispielsweise der Rumpf eines Schiffes, eine härtbare Lackschicht 2 mit geprägten Strukturen aufgebracht werden, die Reibungsverluste verringern und/oder die Anhaftung von Schmutz, Eis und/oder Organismen auf der Oberfläche des Objekts 3 mindestens teilweise, bevorzugt vollständig verhindern soll.
  • In einem ersten Verfahrensschritt wird gemäß 2a die härtbare Lackschicht 2 auf die Prägestrukturen der Prägefolie 1 aufgebracht. In einem zweiten Verfahrensschritt wird gemäß 2b die härtbare Lackschicht 2 durch beispielsweise UV-Strahlung 6 gehärtet. In einem dritten Verfahrensschritt wird gemäß 2c die Lackschicht 2 mit der Prägefolie 1 auf die Oberfläche des Objekts 3 aufgebracht, die ohne die Lackschicht 2 mit Wasser oder Außenluft in Kontakt kommen würde. Zur Verbesserung der Haftung der Lackschicht 2 auf der Oberfläche des Objekts 3 kann zuvor auf der Oberfläche des Objekts 3 und/oder der Lackschicht 2 ein Klebstoff oder eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht sein. In einem vierten Verfahrensschritt ist gemäß 2d die Prägefolie mit einem Lösungsmittel aufgelöst worden und nicht mehr auf der Lackschicht 2 vorhanden. Die geprägten Strukturen 5 liegen nun offen, können mit Wasser in Kontakt treten, die Reibungsverluste verringern und/oder die Anhaftung von Schmutz, Eis und/oder Organismen auf der Oberfläche des Objekts 3 mindestens teilweise, bevorzugt vollständig verhindern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2020/195987 A1 [0003]
    • WO 2020/195907 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Aufbringung von geprägten Strukturen auf eine Oberfläche eines Objekts, wobei die geprägten Strukturen insbesondere Reibungsverluste in Luft oder Wasser verringern und/oder eine Anhaftung von Eis, Schmutz und/oder Organismen an dem Objekt mindestens teilweise verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass eine härtbare Lackschicht auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht wird, die ohne die Lackschicht mit Wasser oder Außenluft in Kontakt kommen würde, wobei die Lackschicht eine erste Seite aufweist, die auf das Objekt aufgebracht wird, und eine zweite Seite aufweist, die der ersten Seite gegenüberliegt, wobei die geprägten Strukturen mit einer Prägefolie in die zweite Seite der Lackschicht eingebracht werden, wobei die Prägefolie auf ihrer Oberfläche eine Prägestruktur aufweist, die invertiert zu den geprägten Strukturen ausgebildet ist, und wobei die Prägefolie nach dem Einbringen der geprägten Strukturen in die zweite Seite der Lackschicht mit einem Lösungsmittel mindestens teilweise aufgelöst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht auf die Prägestrukturen der Prägefolie und/oder die Oberfläche des Objekts aufgebracht wird, in einem zweiten Verfahrensschritt die Prägefolie und die Oberfläche des Objekts zusammengeführt werden, in einem dritten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht gehärtet wird, wobei sich im dritten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht zwischen der Prägefolie und der Oberfläche des Objekts befindet, und in einem vierten Verfahrensschritt die Prägefolie mit einem Lösungsmittel mindestens teilweise aufgelöst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem zweiten Verfahrensschritt auf die Oberfläche des Objekts ein Primer, ein Klebstoff oder ein Haftvermittler aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht auf die Prägestrukturen der Prägefolie aufgebracht wird, in einem zweiten Verfahrensschritt die härtbare Lackschicht gehärtet wird, in einem dritten Verfahrensschritt die Lackschicht mit der Prägefolie auf die Oberfläche des Objekts aufgebracht wird und in einem vierten Verfahrensschritt die Prägefolie mit einem Lösungsmittel mindestens teilweise aufgelöst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem dritten Verfahrensschritt auf die gehärtete Lackschicht und/oder auf die Oberfläche des Objekts ein Primer, ein Klebstoff oder ein Haftvermittler aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägefolie aus modifizierte Stärke, Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyvinylalkohol (PVA), Derivate von Polyacrylaten (PA), Polylactiden (PLA) oder einem wasserlöslichen UV-Lack besteht und zumindest teilweise durch ein Lösungsmittel aufgelöst werden kann.
  7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägestrukturen in die Prägefolie durch UV-Prägen oder Heißprägen oder Prägen während eines Folienextrusionsprozesses eingebracht werden.
  8. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel oder Wasser ist.
  9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die härtbare Lackschicht aus einem Einkomponentenlack, einem Zweikomponentenlack, einem strahlungshärtenden Lack oder einem lösemittelhaltigen Lack besteht.
  10. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der härtbare Lack mindestens eine der folgenden Materialeigenschaften aufweist: antifouling, antihaft, eisabweisend, kratzfest, antibakteriell, antibeschlag, korrosionshemmend oder antimikrobiologisch.
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