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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen den Stand der Technik von hydrophilen Beschichtungen.
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In den meisten Umgebungen ist es wünschenswert, Ressourcen einzusparen. Eine derartige Einsparung kann in Umgebungen, in denen die Ressourcen begrenzt sind, wünschenswerter sein. Beispielsweise kann Wasser auf einem Raumschiff relativ begrenzt vorhanden sein. In dieser Hinsicht kann es wünschenswert sein, Wasser an Bord eines solchen Raumschiffs einzusparen.
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Raumschiffe können Wärmetauscher beinhalten, die Wärme von der Umgebungsluft weg übertragen. Aufgrund der relativ kühlen Temperatur der Komponenten der Wärmetauscher kann Feuchtigkeit auf derartigen Komponenten kondensieren. In dieser Hinsicht kann eine hydrophile Beschichtung auf den Wärmetauscher aufgebracht werden, um das Sammeln der kondensierten Feuchtigkeit zu erleichtern, sodass die Feuchtigkeit als Trinkwasser oder anderes Wasser wiederverwendet werden kann.
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Hierin ist eine hydrophile Beschichtung offenbart. Die hydrophile Beschichtung enthält ein Haftmittel; einen Härter zum Härten des Haftmittels; Titandioxid; und ein Metalloxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid und Kombinationen davon.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen wird das Metalloxid aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid und Kombinationen davon ausgewählt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen ist das Metalloxid Silberoxid.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen beinhaltet das Haftmittel Kaliumsilikat und der Härter beinhaltet Zinkoxid.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen liegt das Titanoxid in einer Menge von 10 bis 25 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der hydrophilen Beschichtung vor.
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Ebenfalls offenbart ist ein Kondensationswärmetauscher mit Wärmeübertragungsflächen, die mit einer hydrophilen Beschichtung beschichtet sind. Die hydrophile Beschichtung enthält ein Haftmittel; einen Härter zum Härten des Haftmittels; Titandioxid; und ein Metalloxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid und Kombinationen davon.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen wird das Metalloxid aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid und Kombinationen davon ausgewählt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen ist das Metalloxid Silberoxid.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen beinhaltet das Haftmittel Kaliumsilikat und der Härter beinhaltet Zinkoxid.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen liegt das Titanoxid in einer Menge von 10 bis 25 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der hydrophilen Beschichtung vor.
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Ebenfalls offenbart ist ein Verfahren zum Beschichten von Wärmeübertragungsoberflächen eines Kondensationswärmetauscher mit der hierin vorstehend beschriebenen Beschichtung. Das Verfahren beinhaltet Strömen oder Sprühen der Beschichtung in Form einer Aufschlämmung und Ermöglichen, dass die Aufschlämmung die Wärmeübertragungsflächen unmittelbar berührt und beschichtet; und Erhitzen der beschichteten Wärmeübertragungsflächen, um die Aufschlämmung zu trocknen und auszuhärten. Die Beschichtungsaufschlämmung enthält ein Haftmittel; einen Härter zum Härten des Haftmittels; Titandioxid; und ein Metalloxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid und Kombinationen davon.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen wird das Metalloxid aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid und Kombinationen davon ausgewählt.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen ist das Metalloxid Silberoxid.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen beinhaltet das Haftmittel Kaliumsilikat und der Härter beinhaltet Zinkoxid.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen liegt das Titandioxid in einer Menge von 10 bis 15 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung vor.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen liegt das Haftmittel in einer Menge von 10 bis 30 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung vor.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen liegt der Härter in einer Menge von 2 bis 8 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung vor.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen liegt das Metalloxid in einer Menge von 2 bis 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung vor.
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Zusätzlich zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale oder als Alternative zu einer beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen weisen das Titandioxid, der Härter und das Metalloxid eine mittlere Partikelgröße von 6 bis 14 Mikrometern auf.
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Die folgenden Beschreibungen sollten in keiner Weise als einschränkend angesehen werden. Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen sind gleiche Elemente gleich nummeriert:
- 1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Wärmetauschers; und
- 2 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Einsaugstabs des Wärmetauschers aus 1.
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Eine detaillierte Beschreibung von einer oder mehreren Ausführungsformen der offenbarten Einrichtung und des offenbarten Verfahrens sind in dieser Schrift mittels Erläuterung anhand von Beispielen und nicht Einschränkung unter Bezugnahme auf die Figuren vorgestellt.
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1 zeigt ausgewählte Teile eines beispielhaften Wärmetauschers 10. In diesem Beispiel beinhaltet der Wärmetauscher 10 Einsaugstäbe 12 in alternierender Konfiguration mit Kühlrohren 14. Die Rippen 16 trennen die Einsaugstäbe 12 und die Kühlrohre 14. Die Einsaugstäbe 12 sammeln Feuchtigkeit aus der durchströmenden Luft und leiten die Feuchtigkeit von einem Luftstrom durch den Wärmetauscher 10 weg, um Kondensation und Bildung von Wassertröpfchen zu verhindern. Die Einsaugstäbe 12 stehen in Fluidverbindung mit einer Vakuumquelle 18, die auf eine bekannte Weise über einen Vakuumanschluss 20 mit dem Wärmetauscher 10 verbunden ist. Kühlmittel zum Kühlen von Wärme erzeugenden Einheiten innerhalb eines Raumschiffs (wie etwa einer Raumstation oder eines Raumfahrzeugs) fließt beispielsweise durch den Wärmetauscher 10 durch die jeweiligen Einlass- und Auslassanschlüsse 22 und 24.
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Unter Bezugnahme auf 2 enthalten die Einsaugstäbe 12 jeweils Öffnungen 26, die einen Durchgang 28 mit dem durchströmenden Luftstrom fluidisch verbinden. Die Vakuumquelle 18 (1) entleert den Durchgang 28. Eine Außenfläche 30 und eine Innenfläche 32 des Durchgangs sind mit einer hydrophilen Beschichtung 34 beschichtet, die die Kondensation und den Transport von Feuchtigkeit fördert. Die hydrophile Beschichtung 34 wird in einer Aufschlämmung hergestellt. Der Körper des Wärmetauschers 10 (d. h. das innere Rippenmaterial) wird mit einem Füll- und Entleerungsvorgang unter Verwendung der Aufschlämmung beschichtet, und die Innen- und Außenflächen der Einsaugstäbe 12 werden vor dem Schweißen an den Wärmetauscher 10 sprühbeschichtet. Nach den Beschichtungen wird die hydrophile Beschichtung 34 ausgehärtet (d. h. sie wird über einen Zeitraum erhitzt).
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Obwohl die hydrophile Beschichtung hierin unter Bezugnahme auf die Beschichtung von Wärmeübertragungsflächen in einem Kondensator beschrieben wird, ist sie nicht darauf beschränkt. Diese Beschichtung kann auf einer beliebigen Oberfläche verwendet werden, auf der Benetzung und Transport und gegebenenfalls die Hemmung der mikrobiellen Proliferation erwünscht sind.
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Die hydrophile Beschichtung 34 enthält ein Haftmittel; einen Härter zum Härten des Haftmittels; Titandioxid; und ein Metalloxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid und Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Metalloxid Silberoxid, Kupferoxid oder eine Kombination davon. In einigen Ausführungsformen ist das Metalloxid Silberoxid.
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Das Titandioxid erhöht die Oberflächenenergie der Wärmeübertragungsflächen in einem Kondensator und stellt dadurch die hydrophilen Eigenschaften der Beschichtung bereit. Insbesondere verleiht das Titandioxid der Beschichtung eine sehr hohe Oberflächenenergie oder Polarität, wodurch eine „Anziehung“ für Anionen wie etwa Hydroxyl-Ionen induziert wird. Infolgedessen verursacht diese polare Oberfläche eine geringe Grenzflächenenergie zwischen dem Kondensat und den Wärmeübertragungsoberflächen, wodurch die gewünschte Benetzung bewirkt wird. Nachdem die Oberfläche benetzt ist, wird das Wasser darauf durch Kapillarwirkung in die inhärent poröse Beschichtung geleitet. Das in die Poren der Beschichtung gezogene Wasser zieht durch intermolekulare Anziehung andere Wassermoleküle in die Beschichtung.
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Die Verwendung von Titandioxid führt zu mehreren Vorteilen. Hydrophile Titandioxidbeschichtungen weisen eine bessere Haftung als Siliciumdioxidbeschichtungen auf dem Stand der Technik auf. Dies zeigt sich daran, dass statische Auflösungstests kein nachweisbares Titandioxid im Kondensat zeigen. Dies verringert die Möglichkeit einer nachgeschalteten Verstopfung erheblich und verlängert die Lebensdauer der Beschichtung. Hydrophile Beschichtungen auf Titandioxidbasis zeigen auch eine erhöhte Beständigkeit gegenüber hydrophoben Verunreinigungen, insbesondere Octansäure und Diethylphthalat. Beschichtungen auf Siliciumdioxidbasis können nach Einwirkung dieser Verunreinigungen hydrophob werden. Hydrophile Beschichtungen auf Titandioxidbasis zeigen im Vergleich zu hydrophilen Beschichtungen auf Siliciumdioxidbasis um eine Größenordnung verbesserte Adhäsionseigenschaften. Bei der Prüfung nach ASTM D3359-17 zeigt die Beschichtung auf Siliciumdioxidbasis einen Massenverlust von 1 %-2%. Die Beschichtung auf Titandioxidbasis zeigt einen Massenverlust von 0,1 %. Eine verbesserte Haftung verlängert die Lebensdauer der Beschichtung und schützt nachgeschaltete Komponenten.
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Das Titandioxid liegt in einer Menge von 8 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung in Form einer Beschichtungsaufschlämmung, vor. Eine Beschichtungsaufschlämmung ist definiert als enthaltend ein Haftmittel; einen Härter zum Härten des Haftmittels; Titandioxid; Silberoxid und Wasser oder ein Lösungsmittel auf Wasserbasis. In einigen Ausführungsformen beträgt die Konzentration von Titandioxid 10 bis 15 Gew.-%, oder 11 bis 13 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung. Der Titandioxidgehalt in der ausgehärteten Beschichtung kann 10 bis 20 Gew.-% betragen.
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Das Titandioxid kann eine mittlere Partikelgröße von 6 bis etwa 14 Mikrometer oder 8 bis 10 Mikrometer aufweisen. Partikelgrößen innerhalb dieser Bereiche erhöhen die Lebensdauer der Aufschlämmung, verringern die Trennung der Komponenten der Aufschlämmung und vereinfachen das Mischen der Aufschlämmung.
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Das Haftmittel kann Kaliumsilikat, Blei-Borosilikat oder eine Kombination davon sein. Ein derartiges Haftmittel ist Kasil® #1, hergestellt von Philadelphia Quartz Co., Philadelphia, USA, Pa. Kasil® #1 enthält 20,8 Gew.-% Siliciumdioxid, 8,3 Gew.-% Kaliumoxid und als Rest Wasser. Das Haftmittel kann in einer Menge von 10 bis 30 Gew.-% oder 15 bis etwa 25 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung, vorhanden sein.
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Während der Herstellung der Beschichtung liegt das Haftmittel im Allgemeinen in Form eines wasserlöslichen Materials vor. Infolgedessen erfordert die Beschichtungsvorbereitung die Umwandlung des Haftmittels von einem wasserlöslichen Material in ein wasserunlösliches Material mit einem Härter, der die Beschichtung nicht nachteilig beeinflusst. Der Härter kann eine mittlere Partikelgröße von 6 bis 14 Mikrometer oder 8 bis 10 Mikrometer aufweisen.
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Beispielhafte Härter beinhalten unter anderem Silicofluoride (SiF6) von Natrium, Kalium, Barium, Mangan und Gemischen davon, und anorganische Oxide wie etwa Zinkoxid. Ein derartiges anorganisches Oxid ist Kadox® 15, 99 % reines Zinkoxid, hergestellt von New Jersey Zinc Co., Ogdensborg, NJ, USA. Insbesondere mit den Silicofluorid-Härtern kann Natriumhydroxid als kolloidales Dispergiermittel verwendet werden. Der Härter liegt in einer Menge von 2 bis etwa 8 Gew.-% oder 3 bis etwa 6 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung, vor.
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Während der Herstellung der hydrophilen Beschichtung wird das Titandioxid mit dem Haftmittel und dem Härter in einem Lösungsmittel kombiniert, das die endgültige Beschichtung nicht nachteilig beeinflusst, um eine Aufschlämmung zu bilden. Dieses Lösungsmittel ist typischerweise Wasser oder ein Lösungsmittel auf Wasserbasis. Das Lösungsmittel liegt in einer Menge von 50 bis 70 Gew.-% oder 55 bis 65 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aufschlämmung, vor.
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Die hydrophile Beschichtung umfasst ferner ein Metalloxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silberoxid, Kupferoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid und Kombinationen davon. Das Metalloxid verleiht der Beschichtung biozide Eigenschaften. Um die Mikrobenverbreitung zu verhindern, insbesondere während längerfristiger Weltraummissionen, löst sich das Metalloxid langsam im Kondensat auf und hemmt das Wachstum von Mikroben. Es wird angenommen, dass das Metalloxid das mikrobielle Wachstum hemmt, indem es die zelluläre DNA von Mikroorganismen angreift.
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Das Metalloxid liegt in einer Menge von 2,0 bis 10,0 oder 2,0 bis 5,0 oder 2,0 bis 3,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung, vor. Diese Menge an Metalloxid ist größer als bisher für möglich gehalten. Die Kombination des Titandioxids und des Metalloxids ermöglicht einen höheren Metalloxidgehalt als bisher ohne Haftungsverlust möglich. Der höhere Metalloxidgehalt führt auch zu antimykotischen Eigenschaften. Dies steht in deutlichem Gegensatz zu Beschichtungen, bei denen Siliciumdioxid anstelle von Titandioxid verwendet wird. Beim Pilztest in der Hemmzone weist die Beschichtung auf Siliciumdioxidbasis eine kleine, schlecht definierte Hemmzone auf, während die Beschichtung auf Titandioxidbasis eine große und gut definierte Zone aufweist. Das Testverfahren war ASTM G22.
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Wie bei dem Titandioxid und dem Härter kann das Metalloxid eine mittlere Partikelgröße von 6 bis 14 Mikrometer oder 8 bis 10 Mikrometer aufweisen. Wie vorstehend angegeben, erhöhen Partikelgrößen in diesem Bereich die Lebensdauer der Aufschlämmung, Komponenten trennen sich nicht so schnell ab und die Aufschlämmung ist leichter zu mischen.
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Bei der Herstellung der vorliegenden erfindungsgemäßen Beschichtung werden die Aufschlämmungskomponenten gemischt, bis sie im Wesentlichen homogen sind, und dann vorzugsweise genutzt, bevor die Komponenten aggregieren oder agglomerieren und sich absetzen, wodurch komponentenreiche und komponentenfreie Bereiche in der Beschichtung erzeugt werden.
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Das Aufbringen der Beschichtung in Form einer Aufschlämmung auf Wärmeübertragungsoberflächen kann auf verschiedene Arten erfolgen, die alle herkömmlich sind. Diese herkömmlichen Verfahren umfassten das Eintauchen, Sprühen und Streichen der Wärmeübertragungsflächen mit der Aufschlämmung, das Strömen der Aufschlämmung durch den Kondensator und das Ermöglichen, dass eine ausreichende Zeitspanne zum Beschichten der Wärmeübertragungsoberflächen verbleibt, sowie andere allgemeine Beschichtungstechniken.
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Sobald die Beschichtung aufgebracht wurde, muss sie getrocknet und ausgehärtet werden. Letztendlich ist eine vollständige Entfernung des Wassers oder Lösungsmittels auf Wasserbasis und eine vollständige Aushärtung der Beschichtung erwünscht. Verschiedene Arten der Entfernung und Aushärtung von Wasser und Lösungsmittel auf Wasserbasis umfassen die Verwendung eines Vakuums, das Strömen trockener Luft über die Beschichtung und das Erhitzen der Beschichtung auf eine Temperatur, die eine Aushärtung ohne Sintern induziert, oder die herkömmliche Entfernungs- und Aushärtungstechniken von Wasser oder Lösungsmittel auf Wasserbasis. Da Wasser bei 100 °C verdampft, verdampft das Wasser schnell, wenn die Temperatur der Beschichtung schnell auf über 110 °C erhöht wird, wodurch Risse und Abplatzungen in der Beschichtung verursacht werden. Infolgedessen ist es bevorzugt, die Temperatur der Beschichtung nacheinander oder sehr langsam über einen Zeitraum von etwa 1 bis etwa 6 Stunden langsam zu erhöhen.
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Eine mögliche Aushärtungssequenz umfasst Erhitzen der Beschichtung auf 175 bis 185 °C für 20 bis 40 Minuten, Erhöhen der Temperatur auf 190 bis 210 °C für 60 Minuten und Erhöhen der Temperatur auf 215 bis 225 °C für 30 Minuten, dann Erhöhen der Temperatur auf 245 bis 255 °C, dann Erhöhen der Temperatur auf 290 bis 310 °C für 60 Minuten und schließlich Halten der Temperatur auf etwa 490 bis 510 °C für 2 Stunden.
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die vorliegende Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Einzahlformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Mehrzahlformen beinhalten, es sei denn, der Kontext gibt eindeutig etwas anderes vor. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein genannter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines bzw. einer oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließt.
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Wenngleich die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Entsprechungen durch Elemente davon ersetzt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmte Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste erwogene Art und Weise zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung offenbart ist, sondern dass die vorliegende Offenbarung alle Ausführungsformen beinhalten wird, die in den Umfang der Patentansprüche fallen.
