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Verfahren zur Herstellung eines temperaturbeständigen Gegenstandes
aus siliciumhaltigen Fasern und einem Bindemittel Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Herstellung eines temperaturbeständigen Gegenstandes, bei dem
ein flüssiger Schlamm von siliciumhaltigen Fasern hergestellt, aus dem Schlamm ein
Faserfilz gebildet und danach der Filz getrocknet wird, wobei dem Filz ein Bindemittel
zugesetzt wird. Die Erfindung betrifft ferner einen nach diesem Verfahren -hergestellten
Gegenstand.
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Ziel der Erfindung ist es, kartonartige, also steife, starre Materialien,
die äußerst hohe Temperaturen aushalten, so daß sie beispielsweise als Kernmaterialien
für Metallguß und ähnliche Anwendungszwecke geeignet sind, herzustellen.
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Es ist bereits bekannt, ein wärmebeständiges Fasermaterial, wie Schlackenwolle,
mit anderem Fasermaterial zu vermischen, aufzuschlämmen und dann durch Absetzen
auf Sieben zu einer filzartigen Masse zu verarbeiten. Dabei ergibt sich aber ein
weicher, lockerer Körper, also kein steifer Karton.
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Man hat auch schon eine feuerbeständige biegsame Platte aus Asbest
hergestellt, indem Asbest in Form von Pappe mit Wasserglaslösung getränkt und dann
getrocknet wurde. Hierbei ergibt sich ein wenig haltbares Produkt, das nur schwer
die gewünschte Form annimmt, weil die Pappe beim Tränken unvermeidlich aufweicht
und sich beim Auspressen der überschüssigen Wasserglasmenge die Form ändert. Außerdem
ist es nachteilig, daß die bereits fertiggestellte Asbestpappe eine Nachbehandlung
in Form der Wasserglastränkung erfahren muß.
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Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Herstellung hochisolierender
Formkörper aus feinfasriger Mineralwolle als Grundstoff wurden die Fasern in Kalkmilch
oder Kalkwasser aufgeschlämmt, entwässert und anschließend unter Druck gehärtet.
Hierbei ist eine spezielle Druckbehandlung mittels gespannten Dampfes notwendig,
um ein brauchbares Erzeugnis zu erhalten.
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Man konnte auch schon einen Isolierkörper aus fasrigem Mineralgut
erzeugen, bei welchem die Fasern aufgeschlämmt und dabei oder danach mit pastösen
Hydrogelen anorganischer Natur in gealtertem, aber noch plastischem Zustand vermischt,
danach verformt und schließlich getrocknet wurden. Nachteilig hierbei ist, daß man
einen bestimmten Alterungszustand der Hydrogele abpassen muß, daß sich die Hydrogele
nur in körniger pastöser Form verwenden lassen und daß sie auf den- Faserfilz aufgebracht,
also nicht mit diesem vermischt werden konnten.
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Nach einem weiteren bekannten Verfahren hat man verbessertes Isoliermaterial
dadurch erzeugt, daß man geschichtete Asbestfolien, wie zum Beispiel Asbestpapier,
mit einer Lösung von Monoaluminiumphosphat imprägnierte, das imprägnierte Material
trocknete, daraufhin die imprägnierten Folien zu einem geschichteten Aufbau vereinte.
Man mußte aber zunächst die einzelnen Folien fertigstellen, konnte also keinen fertigen
Karton in einem einzigen Arbeitsverfahren herstellen.
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Des -weiteren ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserstoffpreßlings
bekannt, bei dem ein Faserbrei aus mineralischer Wolle oder Asbestfasern mit groben
Faserknoten aus dem gleichen Material vermischt wird. Dieser Zusatz von Faserknoten
hat den bestimmten Zweck, eine unregelmäßige Oberfläche des Faserstoffpreßlings
zu schaffen, damit bei der Übereinanderschichtung mehrerer dieser Preßlinge dazwischen
Hohlräume verbleiben, die den Isolierwert des gesamten Formkörpers verbessern sollen.
Der fertige Gegenstand besitzt einen sehr hohen Anteil an siliciumhaltigen Fasern,
und seine Eigenschaften sind im wesentlichen von denen der siliciumhaltigen Fasern
bestimmt, insbesondere ist sein oberer Temperaturgrenzwert durch den Schmelzpunkt
dieser Fasern gegeben.
Demgegenüber besteht die Erfindung darin,
daß dem Schlamm aus siliciumhaltigen Fasern vor der Filzbildung mineralisches Siliciumdioxyd,
Siliciumdioxyd-Aluminiumoxyd, Aluminiumoxydhydroxyd, Alkalimetall- und Erdalkalimetallsulfat,
Erdalkalimetallkarbonat einzeln oder in- Mischung in körniger Form zugesetzt wird
und daß auf den Filz vor dessen Trocknung eine flüssige Suspension eines kolloidalen
anorganischen Bindemittels aufgebracht wird. Als Bindemittel kommt insbesondere
kolloidales Siliciumdioxyd, kolloidales Aluminiumoxyd, kolloidales Aluminiumphosphat
oder eine Mischung davon in Frage.
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Ein so hergestellter -Gegenstand besitzt eine sehr große Steifigkeit,
ferner liegt sein Temperaturgrenzwert überraschenderweise oberhalb des Schmelzpunktes
der siliciumhaltigen Fasern. Es lassen sich daher kartonähnliche Gegenstände herstellen,
die sogar als Kerne beim Metallguß verwendet werden können.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei gewissen Anwendungen der Erfindung, beispielsweise wenn die erfindungsgemäßen
Kartons nicht einer Temperatur über dem Schmelzpunkt der Glasfasern ausgesetzt werden,
ist es möglich, Glasfasern zu verwenden. Wenn jedoch Kartons herzustellen sind,
die Temperaturen widerstehen müssen, die über dem Schmelzpunkt des Glases liegen,
werden Fasern aus im wesentlichen reinem Siliciumdioxyd angewendet, das viel höheren
Temperaturen als Glas widersteht.
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Das hier beschriebene Verfahren ist demnach zur Herstellung von kartonartigen
Materialien geeignet. Sie bestehen aus einem siliciumhaltigen Fasergrundkörper mit
einer Zumischung von anorganischem erdartigem Füllstoff, der mit einem Hilfsstoff
wie kolloidalem Siliciumdioxyd oder kolloidalem Aluminiumoxyd gebunden ist. Wie
bereits erwähnt, können die Fasern Glasfasern, Siliciumdioxydfasern oder eine Mischung
von Glas-Siliciumdioxyd oder anderen Fasern, wie Aluminiumoxydfasern od. dgl., sein.
Wenn die Fasermischung bereitet wird; können verschiedene Arten von Fasern in den
Schlammbehälter gebracht werden, und zwar in abgewogenen Mengen aus einem oder mehreren
Faserbehältern.
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Die Kartons können so hergestellt werden, daß sie einen einzigen Füllstoff
wie Talk, Ton, Flintstein, Feldspat oder ein Gemisch dieser Füllstoffe enthalten.
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Im allgemeinen wird vorzugsweise ein einzelnes Bindemittel, wie kolloidales
Siliciumdioxyd oder kolloidales, Aluminiumoxyd benutzt, jedoch kann auch eine Mischung
von Bindemitteln verwendet werden, und, wenn dies der Fall ist, können mehrere Zuführungsleitungen
vorgesehen werden, um Bindemittelbestandteile in den Vorratsbehälter einzuspeisen,
wodurch Bindemittelgemische hergestellt werden können.
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Ausgelaugte Fasern mit 90 °/o Siliciumdioxyd sind gut geeignet zur
Herstellung des verbesserten Erzeugnisses nach der Erfindung, und besonders gute
Ergebnisse wurden erzielt, wenn der Siliciumdioxydanteil der Fasern zwischen etwa
95 und 99 °/o liegt. Diese Fasern haben vorzugsweise einen Durchmesser von etwa
1 Mikron, aber sie können auch Durchmesser` in dem weiten Bereich von 0,3 bis 5
Mikron besitzen. Diese Fasern haben einen außerordentlich hohen Schmelzpunkt von
über 1650°C und sind deshalb gut zur Herstellung von - Kartons geeignet, welche
bei außerordentlich hohen Temperaturen beständig sind. Es liegt aber auch im Bereich
der Erfindung, ausgelaugte Fasern mit einem geringeren Siliciumdioxydanteil als
dem bevorzugten Bereich von 96 bis 990/" wie oben festgelegt, anzuwenden. Das heißt,
es können Fasern mit einem Siliciumdioxydanteil von 50 bis etwa 100 Gewichtsprozent
benutzt werden, je nachdem, welche Anforderungen bezüglich der Temperaturbeständigkeit
bei den fertigen Kartons verlangt werden. Die Fasern können in einem weiten Bereich
von 5 bis 50 Gewichtsprozent der vorliegenden Zusammensetzungen und in einem bevorzugten
Bereich von 7 bis 30 Gewichtsprozent der Zusammensetzungen angewandt werden.
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Füllmaterialien, die bei der Erfindung anwendbar sind, schließen anorganische
Materialien ein, die bei erhöhten Temperaturen gegen eine Zersetzung stabil und
vorzugsweise verhältnismäßig weich sind, kein Wasser absorbieren und leicht verfügbar
sind. Die Füllstoffe sollten keine Materialien, wie z. B. Wasser, enthalten, die
Gase abgeben, wenn die Kartons beispielsweise bei der Herstellung von Kernen für
das Gießen geschmolzener Metalle benutzt werden. Wenn Wasser vorhanden wäre, würden
die entstehenden Gase Fehlerstellen in den Metallgußstücken erzeugen. Jedoch können
dort, wo Gase nicht schädlich sind, gaserzeugende Füllstoffe benutzt werden. So
fallen unter die Füllstoffe, die im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung verwendbar
sind, Talk, kalziniertes Kaolin, pulverisiertes Siliciumdioxyd (Flintstein), Feldspat,
Bauxit, Aluminiumoxydhydrat, Glimmer, Gips, Pyrophyllit, Kryolith, Bariumsulfat,
Witherit, Asbest und Calciumsilicat. Es wurde gefunden, daß die Teilchengröße des
verwendeten Füllstoffes bedeutsam ist, d. h., wenn die Füllstoffteilchen zu klein
sind, laufen sie durch die Fasern hindurch, wenn beides naß verfilzt wird, während
sie, wenn sie zu groß sind, nicht gleichförmig über die Filzmatte verteilt werden.
Aus diesen Gründen sollten die Teilchengrößen der Füllstoffe im Bereich von 0,05
bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 mm, liegen. Die verwendeten Füllstoffe werden
in einem weiten Bereich von 5 bis 60 Gewichtsprozent in die Zusammensetzungen und
in einem bevorzugten Bereich von 6 bis 45 Gewichtsprozent in die Zusammensetzungen
eingeführt.
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Wie oben erwähnt, sollten die Füllstoffe frei von eingeschlossenem
Wasser oder Materialien sein, welche bei erhöhten Temperaturen Gase erzeugen, wenn
die Kartons solche Anwendung finden, wo Gase schädlich sind, beispielsweise wenn
sie als Kerne für die Herstellung von Metallgußstücken dienen. Jedoch kann ein Füllstoff,
der Wasser enthält, benutzt werden, wenn die Kartons vor Aufbringung des Bindemittels
sorgfältig erhitzt werden, um dieses Wasser zu entfernen, bevor sie in Benutzung
genommen werden. Natürlich können Füllstoffe verwendet werden, die gaserzeugende
Materialien enthalten, wenn die Kartons nicht für das Metallgießen bei hohen Temperaturen
benutzt werden, sondern bei Isolierungen, wo geringe Gasentwicklungen keine nachteiligen
Folgen zeigen.
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Das im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung verwendete Bindemittel
ist ebenfalls ein anorganisches Material, das erhöhten Temperaturen Widerstand entgegensetzt.
Kolloidales Siliciumdioxyd und kolloidales Aluminiumoxyd sind bevorzugt, aber kolloidales
Aluminiumphosphat kann ebenfalls benutzt werden.
Diese kolloidalen
Bindemittel werden in Wasser als Träger suspendiert und können etwa 0,24 bis 0,60
kg Siliciumdioxyd je Liter Suspension für übliche Anwendungszwecke enthalten. Handelsübliches
kolloidales Siliciumdioxyd, das etwa 0,38 kg Siliciumdioxyd je Liter Suspension
aufweist, ist mit zufriedenstellendem Ergebnis benutzt worden. Das Bindemittel kann
in einem weiten Bereich von 40 bis 80 Gewichtsprozent in den Zusammensetzungen und
in einem bevorzugten Bereich von 50 bis 75 Gewichtsprozent in den Zusammensetzungen
angewendet werden.
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Das vollständige oder teilweise Trocknen der Filze vor dem Aufbringen
des Bindemittels wird bei einer niedrigen Temperatur, vorzugsweise bei etwa 38 bis
120°C, ausgeführt. Es können jedoch auch andere Temperaturen angewendet werden,
und zwar so lange, bis die gewünschte Feuchtigkeitsmenge von den Rohstücken entfernt
ist. Deshalb gehört es zur Erfindung, das Bindemittel auf einen teilweise oder vollständig
getrockneten Filz aufzubringen, wobei letzteres dann getan wird, wenn eine maximale
Aufnahme des Bindemittels erwünscht ist. Solch eine Trocknung, selbst wenn sie vollständig
durchgeführt wird, entfernt aber nicht das chemisch gebundene Wasser, das in den
Siliciumdioxydfasern enthalten ist. Wenn es gewünscht wird, die Fasern auch von
chemisch gebundenem Wasser zu befreien, können die Filze auf eine Temperatur von
etwa 980 bis 1200°C erhitzt werden. Solch eine Erhitzung reicht normalerweise aus,
um das chemisch gebundene Wasser sowohl aus den Siliciumdioxydfasern als auch aus
einem Füllstoff zu entfernen, der chemisch gebundenes Wasser enthält, wie z. B.
nicht gebrannter Ton. Die mit Bindemittel behandelten Filze können ebenfalls gemäß
dem vorstehenden Verfahren getrocknet werden.
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Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Herstellung von Kartons
gemäß vorliegender Erfindung unter Verwendung einer Vielzahl von Füllstoffen, getrennt
und in Kombination, die veränderliche Mengen von Fasern, Füllstoff und kolloidalen
Bindemitteln aufweisen. Beispiel I 3,2 kg Siliciumdioxydfasern von etwa 1 Mikron
Durchmesser mit 98 bis 990/1 S'02 wurden in etwa 7501 Wasser eingeschlammt, und
dann wurden 3,4 kg Talk H2 Mg, (S02)4, enthaltend 63,5 Gewichtsprozent
Siliciumdioxyd, 31,5 Gewichtsprozent Magnesiumoxyd (Mg0) und 4,8 Gewichtsprozent
chemisch gebundenes Wasser, dem Faserschlamm zugeführt und durch heftiges Umrühren
beigemischt.
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Der so gebildete Schlamm wurde in einem Rohling von 90 - 300 cm verfilzt
und getrocknet. Danach wurden 301 kolloidales Siliciumdioxyd dem getrockneten Rohling
zugeführt. Das kolloidale Siliciumdioxyd enthält 0,38 kg Si 02 je Liter. Der behandelte
Rohling wurde dann bei etwa 38'C getrocknet. Die fertige Platte war 9,6 mm dick,
90 cm breit, 300 cm lang und hatte eine Dichte von 0,633 g/cm3.
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Beispiel 11 Ein Karton wurde gemäß dem Verfahren des Beispiels I hergestellt,
wobei aber 1,6 kg Quarzfasern, 2,3 kg Talk und 22,71 kolloidales Siliciumdioxyd
angewandt wurden.
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Beispiel III Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, bei welchen
Hochtemperaturkartons unter Verwendung von Siliciumdioxydfasern in Verbindung mit
Füllstoffen, die Talk, Ton, Flintstein und Feldspat getrennt oder im Gemisch miteinander
aufweisen, sowie kolloidalem Siliciiumdioxyd als Bindemittel bereitet wurden. Der
Faserprozentsatz wurde zwischen 7 und 35 Gewichtsprozent verändert, der Füllstoff'
zwischen 6 und 45 Gewichtsprozent und das kolloidale Siliciumdioxyd zwischen 48
und 71,5 Gewichtsprozent. Die Dichte der erzeugten Kartons schwankte zwischen 0,26
und 1,52 g/cm3 und die Härte zwischen 1,5 und 3 der Mohsschen Skala. Die Zusammensetzung
der Kartons und die Steifigkeit zusammen mit anderen Eigenschaften, wie z. B. der
Härte, ist in den folgenden Tabellen veranschaulicht.
| Tabelle I |
| Ver- Gewichtsteile im Schlamm Teile Si02 in |
| such Bindemittel- |
| Silicium Flint- Feld- suspension |
| Nr. dioxyd- Talk Ton stein Spat |
| faser i |
| 1 2 121/2 - - - 13,3 |
| 2 4 101/2 - - - 15,2 |
| 3 7 71/2 - - - 27,0 |
| 4 10 41/2 - - 27,0 |
| 5 12 21/2 - - - 270 |
| 6 141/2 - - - - 27,0 |
| 7 141/2 - - - - 36,1 |
| 8 4 - - 101/2 - 25,4 |
| 9 10 - - 41/2 - 25,4 - |
| 10 4 - - - 101/2 25,4 |
| 11 10 - - - 41/2 25,4 |
| 12 4 - 101/2 - - 21,7 |
| 13 7 - 71/2 - - 25,4 |
| 14 10 - 41/2 - = 25,4 |
| 15 61/2 - 4 4 25,4 |
| 16 61/2 4 - 4 - 22,8 |
| 17 61/2 4 4 - - 22,8 |
| Tabelle II |
| Eigenschaften Berechnete Zusammensetzung |
| Ver- der fertigen Kartons der fertigen Kartons |
| such Härte |
| Nr. Dichte (Mohssche SiO2 Rz 03 ral |
| M,0 |
| (g/cm) Skala) |
| 1 1,52 2 bis 21/2 83,8 - - 14,4 |
| 2 1,41 2 bis 21/2 87,0 - - 11,4 |
| 3 0,85 2 93,2 - - 6,5 |
| 4 0,64 l1/2 bis 2 95,7 - - 4,6 |
| 5 0,64 11/2 bis 2 97,3 - - 3,4 |
| 6 0,26 1 bis 11/2 99,3 - - - |
| 7 0,41 11/2 bis 2 99;3 - - - |
| 8 0,83 3 99,3 - - |
| 9 0,51 11/2 bis 2 99,3 - - - |
| 10 0,48 2 bis 21/2 91,1 5,0 3,5 - |
| 11 0,42 11/2 bis 2 95,9 3,5 1,5 - |
| 12 0,61 2 bis 21/2 83,8 12,0 - - |
| 13 0,48 2 89,8 7,8 - - |
| 14 0,46 2 93,8 4,7 - - |
| 15 0;75 2 bis 21/2 94,0 4,0 - - |
| 16 0,73 2 bis 21/2 95,4 - - 3,6 |
| 17 0,86 2 bis 21/2 90,0 4,5 - _ 4,3 |
| R203 = Kurzbezeichnung; für Alz 03, Cr2 03, Fee 03, Ti 02, |
| Zr02, P20fi und V206. |
Die Versuche wurden durchgeführt, indem die Siliciumdioxydfasern
und der Füllstoff in einem mechanischen Mischer vermengt wurden, um einen Schlamm
zu bilden. Die festen Teile wurden auf einem Sieb bis zu teilweiser Trockenheit
gefiltert. Die so erzeugten Filze wurden dann getrocknet, und es wurde eine wäßrige
Suspension von kolloidalem Siliciumdioxyd hinzugefügt, daß der Filz sorgfältig durchnäßt
war, und das Fertigtrocknen der Kartons wurde bei 43 bis 49'C durchgeführt, um eine
Abwanderung des kolloidalen Siliciumdioxyds zur Oberfläche zu verhindern.
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Es ist zu bemerken, daß im allgemeinen die Verwendung von mehr Fasern
einen dickeren, weicheren und weniger dichten Karton hervorruft und daß die Verwendung
von mehr Füllstoff einen dünneren, härteren und dichteren Karton erzeugt. Während
des Verfilzens oder Trocknens wurde kein Druck angewandt, aber es ist klar, daß
die Dicke und Dichte durch Zusammenpressen des Kartons während des Trocknens verändert
werden kann. Alle fertiggestellten Kartons zeigten eine gute Steifigkeit. Das Bindemittel
wurde in solchen Mengen aufgebracht, daß eine erwünschte Steifigkeit erzielt wurde,
und es scheint so, daß etwa 50 °/o Fasern vom Gewicht des Ausgangsfilzes am besten
für die Absorption der gewünschten Bindemittelmenge sind und außerdem auch dafür,
einen Karton porös genug zu machen, um eine gute Gleichförmigkeit bei angemessener
Trocknungszeit zu erhalten. Die sehr dichten Kartons, wie sie z. B. aus 2 Teilen
Siliciumdioxydfasern und 12,5 Gewichtsprozent Talk hergestellt werden, können schnell
getrocknet werden und doch gleichförmige Dichte behalten, aber wenn die Porosität
des getrockneten Filzes ansteigt, ist eine langsame Trocknung bei niedrigen Temperaturen
erforderlich, um zu verhindern, daß das kolloidale Siliciumdioxydbindemittel zur
Oberfläche des Kartons wandert.
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Die berechnete Oxydzusammensetzung der fertigen Kartons enthält viel
Siliciumdioxyd, und zwar wegen der Menge des kolloidalen Siliciumdioxyd-Binders,
der zur Erzielung der gewünschten Steifigkeit benutzt wird. Es würde möglich sein,
das Siliciumdioxyd in den Kartons zu vermindern, beispielsweise bei jenen mit zwei
und vier Teilen Siliciumdioxydfasern, die Dichten von 1,52 und 1,41 g/cm3 besitzen,
indem die Bindemittelmenge ebenfalls vermindert wird, wobei der Siliciumdioxydgehalt
in den fertiggestellten Kartons bei 70 Gewichtsprozent liegen würde, wobei Aluminiumoxyd,
Mägnesiumoxyd usw. mit 30 °/o enthalten wäre. ,.