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Verfahren zum Herstellen von Glasfäden oder Jasern aus stranggepreßtem
gepulvertem glasbildendem Material Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Herstellen von Glasfäden oder -fasern aus stranggepreßtem gepulvertem glasbildendem
Material.
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Es ist ein Verfahren zum Herstellen von Glasgegenständen bekannt,
bei dem glasbildende Stoffe, gegebenenfalls mit einem Bindemittel gemischt, zu einem
Gegenstand geformt und dieser Gegenstand zu einer zusammenhängenden viskosen Masse
geschmolzen und abgekühlt wird, um_ einen festen Gegenstand zu ergeben.
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Es ist auch ein Verfahren zum Herstellen von Glasfäden bekannt, bei
dem aus Gernischen glasbildender Stoffe Glasstäbe vorgeformt und diese Stäbe dann
zu Glasfäden ausgezogen werden.
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Diesen','bekannten Verfahren gegenüber besteht das Verfahren zum Herstgeller#
von Glasfäden oder -faser'n nach der Erfindung darin, daß dasMaterial fortlaufend
in die Form eines ständig senlr'echt herabwandernden zusammenhängenden* frei hängenden
Stabes gepreßt, zwecks Zusammensinterns' der Teilchen fortlaufend senkrecht durch
eine-Beheizungszone hindurchgeleitet und fortlaufend senkrecht in eine weitere Beheizungszone
ein- und durch diese Zone hindurchgeführt wird, in der der Stab im wesentlichen
augenblicklich quer zu seiner Achse auf den Schmelzpunkt des Materials gebracht
und ein geschmolzenes Glas homogener Zusammensetzung erzeugt wird, und dann in die
Form fadenartiger Glasfasern gebracht wird, wobei der Stab während aller Verfahrensschritte
ständig frei aufgehängt ist. Dabei wird der Stab in der Beheizungszone mittels einer
Flamme, die eine Temperatur von über 1600' C hat, auf den Schmelzpunkt gebracht.
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Die Erfindung findet erfolgreiche Anwendung bei der Herstellung von
Glasformlingen mit sehr hohem Schmelzpunkt.
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Bei der Üblichen Glasherstellung, bei der die glasbildenden Stoffe
zu einer Schmelze verschmolzen werden, muß der Schmelzpunkt der Glassorte wegen
der praktischen Grenzen moderner Glasherstellung verhältnismäßig niedrig sein. Die
gewöhnlich in der Tridustrie verwendeten Glassorten, wie Fensterscheibenglas, Flaschenglas
tisw. werden bei einer Temperatur zwischen 1315 und 1537' C geschmolzen.
Diese Olassorten werden nachstehend als niedrigschmeizende Glassorten bezeichnet.
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Um geformte Glaserzeugnisse, z. B# Fasern sehr hohen Schmelzpunktes
von beispielsweise 16480 . C
(.)der höher, zu erhalten, wurden bisher Erzeugnisse
von verhältnismäßig niedrigschmelzendem Glas hergestellt' und ..die löslichen Bestandteile
mittels einer Lauge, entfernt, so daß die ungelösten Bestandteile zu# r.iick.bleiben.,
die einen 'sefir viel höhere'n,Schmel,-p.ahlzi als das"ürsprürigliche'Gtas haben.-TT(##stellung
',##hr hoch schmelzender Gläser, die einen Schmelzpunkt von etwa 1648'C oder höher
haben, unmittelbar durch Schmelzen der jeweiligen Bestandteile des Glases sowie
der Teilchen des Glases selbst.
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Diese Ergebnisse werden dadurch erhalten, daß die Teilchen der glasbildenden
Stoffe fein zerteilt werden. Diese Teilchen werden dann gründlich gemischt und zu
dem gewünschten Formteil, aneinandergekittet. Dieser Formteil wird dann auf so hohe
Temperatur erwärmt, daß die Teilchen zusammensintern. Werden Gemische verschiedener
Zusammensetzung verwendet, so wird, um ein Trennen der ' Bestandteile, z..B.
ein teilweises Schmelzen der Bestandteile und eine Zustands- oder Phasentrennung
zu v erhüten, eine so starke HeizeinrIchtung verwendet, daß die gesamte Masse schnell
Lind gleichförmig auf den Schmelzpunkt der Masse -ebracht wird. Die Miasse' schmilzt
dabei zu einer homogenen Flüssigkeit gleichföriiger Zusammensetzung, die frei von
abgetrennten festen Phasen ist und die gleiche chem-ische' . Zusammensetzung
hat wie" das'erstarrte Glas"e"rze*ug'nis'- aus dieser Mass'.
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'Die zusanirrietisetzung des-,jel#Veiligeh Gemisches hängt vori der
Art.des gewünichten' Gf a . s'es rab. Besteht das ,Glas, a ti 's hlür einem'B,"'tat#at(#'l
es eihe pulverförmige a#s#I Z'
Aier 'Kör"n",äröße"' l'"on '005'hi'ff j)u I
i# chm e# s er oder öder Wena
ei]) z. B. Glas oder ein andere";
S VCI-3N"CII(1('t wird, so wird dieses vernendet. Soll .i(-(locli da> Gla
au-; (#incin Gumisch von glasbildenden Stoff(-ii Verschiedener gebildet werden,
so werden Su##C züi ciiietii"feinen Pulver gemahlen lind dann griindlIch
Uni die ge-1-Tniiingeiiitiit der zu erhalten und züi vermeiden, muß das
Gemisch möglichst gleichf#Willig sein.
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Die 'Stoff(# danti zu der gewünschten Ge-
stalt, z. B. eiii##iii
#,tab, #-chelbe od. dgl. geformt. Es l#ann ein Blii(Iciiiittcl #-er"vendet Nv(-rden,
das bei der TciiiI3(,j##itiii- stabil ist, auf die der Glasformling während
seiner Schinelzstufe gebracht wird. So ],-arm eine ,#-erdünnte Natriunisilikatlösung
oder Kaliunisilikatlösung verwendet werden, wenn die Silik-ate, sohald sie in den
zum Anfeuchten der Teilchen notwendigen verwendet werden, der Glasmasse nicht schäd-]ich
sind. je nach der Glasi-nasse und ihrem '\#7erhalteii züi dein Bindemittel werden
Ton, Portlandzemünt und andere Zemente als Bindernittel verweridet, wobei so viel
Wasser zugegeben "vird, daß eine gut zusammenhängende und im Strang preßbare
Masse entsteht. Es kann Wasser oder ein organisches Bindernittel oder es können
aus Kunststoff bestehende Klebinittel der wärrneplastischen oder wärmehärtharen
Art verwendet werden. Kunststoffmassen dieser Art sind in der Technik- bekannt.
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Viele der Bindennttel sind unstabil und werden gelöst, wenn sie Feuchtigkeit
enthalten, oder brennen ab, wenn sie organische Stoffe enthalten, oder verlieren
ihre Bindeeigenschaften bei Temperaturen bei oder unter der Schmelztemperatur der
zu bildenden Glassorte. In diesem Falle werden noch Anfangsflußinittel eingelagert,
die beim Schnielzen oder beim Umsetzen mit den Oberflächen der TeilchA der glasbildenden
Stoffe eine Oherflächenverbindung zwischen den Teilchen der glasbildenden Stoffe
in dem geformten Gegenstand herstellen, Diese Flußmittel werden in solchen
Nfengen ver--wendet, daß die Oberflächeribindung entweder durch Schmelzen oder durch
Sintern der glasbildenden Teilchen eintritt. Soll der Schmelzpunkt des Glases, das
aus den glasbildenden Stoffen erhalten wird, durch die Flußrilittel nicht geändert
w erden, so werden möglichst kleine Mengen dieser Flußmittel benutzt, um eine unerwünschte
Änderung der 'Masse und des Schmelzpunktes des erhaltenen Glases zu verhüten. Beispiele
solcher Flußmittel sind: Natriummetaborat, Natriumtetraborat, Borsäure, Borsesquioxyd,
NTatriumkarbonat, Kaliumkarbonat, Lithiumkarbonat, l\ atriumnitrat, Kaliumnitrat,
Lithiumnitrat, geschmolzene Mischungen der Nitrate, beispielsweise Gemische aus
Natrium-und Kallumnitrat, Nlatrium- und Kaliumphosphat, und gleichmolare Gemische
aus Kalium- und Lithlumfluorid.
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Es kann die übliche Strangpreßeinriclitung zum Formen des Gegenstandes
verwendet werden. Der geforrnte Gegenstand wird zuerst einer Härteternperatur unterworfen,
um die notwendige mechanische Festigkeit des geformten Gegenstandes zu erhalten,
die auf den Bindemitteln für niedrige Temperatur beruht. Wenn die oben beschriebenen
Flußmittel verwendet werden, können Änderungen im Umriß des Gegenstandes auftreten.
Der geformte Gegenstand wird in einer Zone erwärmt, in der das Schmelzen der Flußmittel
beginnt. Zu diesem Zweck wird die in dieser Zone herrschende Temperatur geregelt
und dadurch ein Verkitten der Teilchen des geformten Gegenstandes bewirkt. Der geformte
Gegenstand wird dann in eine Zone eingeführt, in der fast augenblicklich die hohe
Temperatur zur Einwirkung gebracht wird. Die Masse wird also schnell auf Schmelztemperatur
erwärmt, und es erfolgt eine Verschmelzung zu einem flüssigen Erzeugnis.
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Wird das erfindungsgernäße Verfahren zur Herstc)-lung von Fäden oder
Fasern aus hochschrnelzendern Glas verwendet, so schmilzt das Glas züi einem langgestreckten
stabähnlichen Gebilde von hoher Viskosität oder Plastizität. Das Glas fließt dann
als viskoser Faden durch eine Zone hoher Temperatur genügend lange Zeit hindurch,
so daß sich ein Faden von im wesentlichen gleichförmiger Zusammensetzung bildet.
Falls erforderlich, kann die Temperatur des Fadens in einer Zone hoher Temperatur
erhöht Nverden, uni die ViskositÄt herabzusetzen, so daß der Faden verdünnt werden
kann, wobei die Viskosität jedoch immer noch so hoch ist, daß ein zusammenhängendes
und aus einem 'Stück bestehendes fadenähnliches Gebilde besteht. Der Faden tritt
darin in eine Zone niedriger Temperatur ein, in der er schnell unter den Schmelzpunkt
und Klebpunkt der Faser abkühlt, so daß sich ein festes, glasähnliches, nichtklebendes
faserartiges Gebilde ergibt, Der Faden kann dann in der jetzt üblichen Weise zur
Behandlung von Glasfäden beliebig aufgefangen, geblasen oder aufgehaspelt werden.
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Die vorstehenden Ziele sowie andere Ziele der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung an Hand der Zeichnungen. In den Zeichnungen ist Fig.
1 ein Teilschnitt einer schematisch dargestellten Ausführungsforrn der Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 ein Schnitt nach Linie 2-2 der Fig.
1,
Fig. 3 ein Tellschnitt einer schematisch dargestellten anderen Ausführungsform
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Fig. 4 ein Teilschnitt '#2'erfalirens durch
und eine ' schematisch dargestellte Abänderung einer Vorrichtung zur Durchfübrung
eines geänderten erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die fortlaufend arbeitende Strangpresse 1 üblicher Ausführung
besitzt die Düse 2. Über einem Ofen 4 liegt ein Führungsrohr 3 beliebiger
Länge. Das im Strang zu pressende Material wird in die Strangpresse 1 eingebracht,
durch die Düse 2 gedrückt und läuft dann durch das Führungsrohr3 und die Öffnung4
in den Kopf 5 des Ofens ein. Die Öffnung 12 wird durch einen Flanschring
13 geschlossen, der mit dein Führungsrohr 3 #,erbunden ist. Die verbreiterte
Kanirner6 kann gewünschtenfalls durch die aus dein Brenner5 austretenden Verbrennungsgase
und auch durch die aus den Brennern9 und 10 austretenden #'-'e,rl)reniiuligsgase
geheizt werden. Die Verbrennungs-,-ase strömen durch das Austrittizrohr 14 aus.
Ini oberen Abschnitt des Ofens wird der als Strang gepreßte Stab11 getrocknet und
gehärtet, um einen Stab von so großer mechanischer Festigkeit herzustellen, daß
er lotrecht durch den Ofen hindurch nach unten sich bewegt. Zu diesem Zweck wird
die Temperatur entsprechend geregelt.
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In der oberen Zone des Halses 8 wird der Stab einer so hohen
Temperatur unterworfen. daß die Flußmittel schmelzen, jedoch darf die Temperatur
nicht so hoch sein, daß ein Schmelzen der Masse zu Glas erfolgt. Die Masse wird
auf diese Weise auf ihrer Oberfläche ge-
schmolzen, ohne daß eine wesentliche
Änderung der Stabforrn erfolgt. Der Stab wird zuerst in den Hals 8
geschoben
(Fig. 1) und wird dann durch die unmittelbare Einwirkung der aus den Brennern
9 austretenden
Flammen kurzzeitig erhi ' t zt, so
daß die Temperatur des Stabes auf den Schmelzpunkt des Glases steigt. Die Flammentemperatur
und der kleine Querschnitt des Stabes ermöglichen eine sehr schnelle Erwärmung auf
die Schmelztemperatur, so daß ein geschmolzener Stab sich bildet. Der Stab behält
seine Form in allen dein Schnielzen vorausgehenden Stufen bei. Das Glas ist in dieser
Stufe sehr viskos und seine Viskosität Lann k " -ere-elt t' werden, indem die Temperatur
des Stabes mittels der Brenner9 und 10 eingestellt wird, die längs der Achse
des Stabes und des Fadens so aufgestellt sind, (laß der Stab und der Faden auf ihrer
Gesamtlänge auf der Verdünnungs- und Ziehtemperatur gehalten werden. Das Glas wird
geschmolzen, und die '#Tiskosität wird So ein-estellt. daß ein zusammenhängender
Faden entsteht, der sich unter der Wirkung der Schwerkraft verdünnt, was gewünschtenfalls
durch Aufwickeln auf den Haspel 15 unterstÜtzt wird. Der Faden
16 wird auf die gewünschte Abmessung des Durchmessers verdünnt. Um Wärmeverluste
-aus dem Faden während des Ziehens oder Verdünnens zu verhüten, bevor der Faden
den gewünschten Durchmesser besitzt, wird der Faden während des Verdünnens auf den
betreffenden Durchmesser völlig innerhalb der erwärmten Zone geführt. Der Faden
tritt nach Erreichen des gewünschten Durchmessers durch die Öffnung 17 hindurch
und verläßt den Ofen, worauf er schnell auf eine Erstarrungstemperatur abkühlt,
die unterhalb der Schmelztemperatur oder dem Punkt liegt, an dem der Faden klebri-
ist. Der Faden wird dann auf den Haspel 15 aufgewickelt. Die Formgebung des
Stabes ' und der Vorschub durch den Ofen hindurch erfolgt in dieser Weise
während des ganzen Zeitabschnittes, der erforderlich ist, um den Haspel oder mehrere
Haspeln mit Faden zu belegen.
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Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform wird
die Wärme durch unmittelbare Einwirkung der Flamme auf den Faden erzeugt.
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Bei dieser unmittelbaren l'-,inwirkung der Flamme auf den Glasfaden
besteht die Gefahr, daß der von dem Flammenwind erzeugte Stoß den Faden zerreißt
und den Faden in kleine Teilchen unterteilt. Um diesen .Nachteil zu beheben, werden
Flammen mit so geringer Geschwindigkeit verwendet, (laß der #Vind den Faden nicht
zerstö rt. Es kömien auch axial gerichtete Flamrnen verwendet werden, wobei die
Flammen in einer im wesentlichen parallel zum Faden verlaufenden Richtun- brennen.
Die Zahl der in einem Abstand axial des Stabes und des Fadens stehenden Flammen
wird so gewihlt, (laß die '#\'#rme im Ofen auf der geb ZD wünschten Temperatur gehalten
wird.
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Ermöglicht die vorgeschriebene Temperatur die b
Verwendung keramischer
'Muffeln, so kann der Stab oder der Faden durch eine Zone hoher Temperatur hindurchgeführt
werden, in der keine Flamme oder keine Verbrennungsgase in Berührung mit dem Stab
oder (lern Faden treten. Die Temperatur der __#luffel muß jedoch so hoch sein, (laß
die Temperatur des 'Stabes auf den Schmelzpunkt in der gleichen Weise ,f-elioben
wird, wie (lies bei der unmittelbaren Einwirkung der Flammen auf den Stab oder den
Faden beschrieben worden ist. Der Beginn des Schmeizens des Flußmittels muß vor
dem Eintritt des Stabes in die Nftiffel erfolgen.
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Der stranggepreßte Stab 19 (Fig. 3) tritt aus der Strangpres-;#!
18 durch die erwärmte Nfuffel 21 hindurch, die innerhalb des Ofens 20 liegt
und durch die Breriner 22 erwärmt wird. Der Ofen und die NiItiffel müssen natürlich
hierbei den notwendigen Temperaturen widerstehen können, so daß infolgedessen die
Temperatur, die in der Muffel 21 herrschen kann, begrenzt ist. Der Faden ist aber
in einer Zone niederer Luftgeschwindigkeiten eing-e-schloS*sen und ist nicht den
schädlichen Wirkungen des Flammenwindes ausgesetzt.
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Sollen an Stelle eines langen Fadens kurze Stapelfasern gebildet werden,
so wird das untere Ende dez in Fig. 1 dargestellten Ofens in der aus Fig,
4 ersichtlichen Weise ausgebildet. Der Ofen ist an Seinenunteren Stirnende
' -eschlossen und besitzt eine Seiten öffnung 26, die in der einen
Wand gegenüber derr Brenner 27 liegt. Der Wind der aus dem Brenner 21 auftretenden
Flamme trifft auf den Stab 11 und zerbricht den Stab in kleine Teilchen,
die durch der Windstrahl 28 gegen das sich bewegende Sieb 29 geblasen werden,
das über einen Satigkasteii30 läuft, dei die Fasern gegen das sich bewegende Sieb
hält. Dic Flamme kühlt sich auf diesem Wege so ab, daß die Verbrennungsgase bei
ihrem Auftreffen auf das Sieh 29 unterhalb des Erstarrungspunktes der Glasfasern
liegen. Die Fasern werden in einer Schicht gestapelt. die durch das laufende Sieb
nach aufwärts getragen und von dem Sieb am Ablauf 31 abgenommen werden. Der
stranggepreßte Stab wird entweder stetig oder nur während gewünschter Zeitabschnitte
vorgeschoben.
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Die folgende Tabelle zeigt bekannte glasbildende Verbindungen, die
im erfindungsgemäßen Verfahren zusammen mit einem Bindemittel zur Herstellung sehr
hoch schmelzender Glasarten gewünschter Form durch unmittelbare Formung aus dem
Strang oder durch Verformen dieser Stoffe verwendet werden können.
| Masse Schmelzpunkt in C |
| SrO - A1203 2 Si02 t660 |
| 3 Ba,(P 0,)2 Ba F, 1670 |
| Fe0 - Cr20, ............... 1670 |
| M-0 2Ti02 1680 |
| 2 SrO Si 02 1700 |
| 3 CaO 5 A1203 1720 |
| BaC) - A12 03 " 2 Si 02 1720 |
| Bal(PO1)2 . ......... ........ t 727 |
| 5CaO - P.,0.5* Sio2 ......... 1760 |
| CaO 2A120.1 ----- * ---- I I - * * 11-65 |
| Beo zli 0 . ....... ....... t 75,5 |
| 2 Ca 0 - TI b . . # # ..... - # ....... 1800 |
| Coo .... ..................... t 800 |
| 3 Al, 0:, - 2 Si 02 ........... 1830 |
| TIO, - .............. 1830 |
| A1203 ' T102 1860 |
| Ba 0 - 6 A12 03 ............... - 1860 |
| 2#vIgo - si02 ............... - t 890 |
| BeO A1203 1890 |
| CaO TiO . ..... ....... 19is |
| ,\.lz, 0 Cr, 0, .... 2000 |
| A1203 l- . ............ 2000 bis 2030 |
| NiO - AI,203 2030 |
| 2CaO S102 ........ .... 2130 |
| 3 CaO Ti 02 2135 |
| M-0 A1203 .......... ... 2135 |
| Cao b 2345 |
| zro2'si02 - ............... 2430 |
| Cr,03 . # ....................... 2435 |
| Be0 # .......................... 2 52 0 |
| CaO ........................... 22 5 7 0 |
| Zr 0, (Baddeleylt, Brazilit) ..... 2690 |
| SrO - Zr02 ....... « .... « 2700 |
| Zi-O, 2715 |
| NIgo ................. 2800 |
. Um die StofTe, insbesondere 'Massen mit einem höheren
Schmelzpunkt als 1648'
C, zu schmelzen, Nverden Flammen verwendet, deren
Temperaturen oberhalb 1648'
C liegen und die so hohe Temperatur 1)esitzcii,
daß die Stoff(- auf die gewünschtu Viskozität schmelzen.
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Durch richtiges Mischen der Brennstofiv, der incrten Gase,
z. B. Stickstoff, und der Träger der- Verbrennung, Sauerstoff und Luft, können
Flammen von solcher Tlöch##ttei-npc-ratur erhalten werden. daß die obenerwähnten
glasbildenden Stofie bei Temperaturen oberhalb 1648' C schmelzen-Die glas1»)denden
Oxyde sollen jedoch über ihren Schinelzpunkt hinatis eriiitzt werden, um die Teniperatur
der Glasschnielze züi steigern und die 'Viskosität der ',chilielze auf einen M'ert
zu verringern, bei dem ein Faden gc,\viiii-ccliteii Durchine.r.,ers erreicht wird,
Der Temperaturanstieg von der Zone, an der die 13indun- mittels des Flußmittels
stattfindet, bis zur Schnielztemperatur soll möglichst schnell sein, damit der <#tah
nicht durch die zwischen diesen Zonen lie-
genden Umwandlungstempcraturen
so langsam hindurchgeht, (laß eine Phasentrennung flüssiger Bestandteile
, die durch das Teilschmelzen des Gemisches ent stehen würde, eintritt, und
keine Ungleichförrnigkeit der Masse eritsteht. M'ird der Stab schrie]] aus der Zone
der Anfangsschmelze in die Zone der Flamme oder hohen Temperatur iibergeführt, so
erfolgt ein schnelle5 und vZilliges Schmelzen des Gasgemisches ohne Phasenausscheidung
im Gemisch.