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Verfahren zur Herstellung von schaumförmigen Formkörpern aus Olefinpolymerisaten
Das Verfahren betrifft die Herstellung von Formkörpern, endlosen Matten und dergleichen
aus schaumförmigen Olefinpolymerisaten, wobei schaumförmige Teilchen der Polymerisate
erhitzt oder versintert werden.
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Zur Herstellung von Formkörpern mit Zellstruktur hat sich insbesondere
ein Verfahren in die Technik eingeführt, bei dem man treibmittelhaltige Styrolpolymerisate
zunächst vorschäumt und die vorgeschäumten Massen nach einer kurzen Lagerzeit innerhalb
einer Form erhitzt so daß die Teilchen ausschäumen und zu einem Formkörper versintern,
der in den Abmessungen dem Innenhohlraum der verwendeten Form entspricht. Nach diesem
Verfahren ist es möglich, Formkörper mit komplizierter Formgebung herzustellen,
wie sie z.B. als Verpackungseinlagen verwendet werden. Diese Arbeitsweise ist jedoch
auf Styrolpolymerisate beschränkt.
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Nach einem Vorschlag kann man schaumförmige Formkörper aus Olefinpolymerisaten
in Formen herstellen, wenn man schaumförmige, vernetzte Anteile enthaltende Teilchen
aus kristallinen Olefinpolymerisaten in geschlossenen Formen unter Versintern erhitzt
und auf ein geringeres als das ursprüngliche Schüttvolumen zusammenpreßt. Bei diesem
Verfahren werden die Teilchen in perforierten
und nicht druckfest
schließenden Formen durch Heißluft, erhitzte Flüssigkeiten, Wasserdampf, Infrarotstrahlen
oder im Hochfrequenzfeld erhitzt. Man geht also von kalten, vernetzte Anteile enthaltenden
schaumförmigen Teilchen aus Olefin polymerisaten aus und erhitzt diese durch zusätzliche
Wärmeeinwirkung.
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Es wurde nun gefunden, daß man Schaumstoff-Formkörper durch Versintern
von Teilchen aus schaumförmigen A'thylen und Propylenpolymerisaten in Formen unter
Druck herstellen kann, wenn man die Teilchen mit energiereichen Strahlen behandelt,
bis die Oberflächen der Teilchen auf Temperaturen oberhalb des Kristallitschmelzpunktes
der Polymerisate erhitzt werden und sie in Formen auf 5 bis 80 % des ursprünglichen
Schüttvolumens zusammenpreßt.
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Für das Verfahren eignen sich Homopolymerisate des Äthylens bzw. Propylens
bzw. Copolymerisate dieser Monomeren. Insbesondere eignen sich für das Verfahren
Copolymerisate des Athylens mit anderen äthylenisch ungesättigten Monomeren, die
mindestens 50 Gewichtsprozent des Olefins einpolymerisiert enthalten. Besonders
geeignet sind Copolymerisate des Ethylens mit 5 bis 30 Gewichtsprozent Estern der
Acryl- oder Methacrylsäure oder Vinylcarbonsäureester. Unter den Comonomeren haben
die Ester der Acrylsäure des n-Butylalkohols und des tert. Butylalkohols und des
Vinylacetats eine besondere Bedeutung.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren werden saumförmige Teilchen der
Olefinpolymerisate verwendet, deren Durchmesser vorzugsweise
zwischen
5 und 20 mm liegt. Unter schaumförmigen Teilchen, die im technischen Sprachgebrauch
mitunter auch als Schaumstoffteilchen bezeichnet werden, sollen solche Teilchen
verstanden werden, worin die Zellmembranen aus dem Olefinpolymerisat bestehen. Vorzugsweise
verwendet man für das Verfahren Teilchen mit überwiegendem Anteil an geschlossenen
Zellen. Die schaumförmigen Teilchen werden nach gebräuchlichen technischen Verfahren
erhalten, z. B. durch Mischen der Olefinpolymerisate mit einem Treibmittel in einem
Extruder und Auspressen der Mischungen durch eine Lochdüse, wobei der erhaltene
treibmittelhaltige Strang unmittelbar nach dem Verlassen der Düse zerkleinert wird.
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Es ist aber auch möglich, solche Teilchen zu verwenden, die durch
Erhitzen von Gemischen aus Olefinpolymerisaten und solchen Treibmitteln erhalten
werden, die sich unter Bildung gasförmiger Produkte zersetzen.
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Die Teilchen der schaumförmigen Olefinpolymerisate können außer den
Polymeren noch andere Anteile, wie Flammschutzmittel, Farbstoffe, Füllstoffe, Gleitmittel
oder andere Polymere, z.B. Polyisobutylen, enthalten. Mitunter ist es vorteilhaft,
die schaumförmigen Teilchen im Gemisch mit grobkörnigen oder wäßrigen Füll- bzw.
Verstärkungsstoffen zu verarbeiten. Als solche kommen beispielsweise Holzfasern,
poröse andere Materialien oder Fasern aus thermoplastischen Kunststoffen in Frage.
Auch kann man grobmaschige Gewebe oder Gitter, z. B. aus thermoplastischen Kunststoffen,
als Verstärkungseinlagen in die Formkörper einarbeiten.
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Das Versintern der Teilchen wird in geschlossenen Formen vorgenommen.
Es sollen darunter solche Formen verstanden werden, deren Wände fest verbunden sind.
Die Formen sollen so geschaffen sein, daß beim Zusammenpressen der Teilchen die
Luft oder andere gasförmige oder flüssige Bestandteile aus der Form entweichen können,
nicht aber die schaumförmigen Teilchen. Man verwendet zweckmäßig Formen, deren Wände
perforiert-sind. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens
werden die Teilchen von mindestens zwei Seiten der Form gegen den Mittelpunkt des
Formenhohlraumes hin zusammengepreßt. Nach dieser Arbeitsweise können insbesondere
Formkörper mit relativ großen Ausmessungen erhalten werden.
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Anstelle von geschlossenen Formen kann man auch kontinuierlich arbeitende
Formgebungsvorrichtungen verwenden, wie sie zur kontinuierlichen Herstellung von
Formkörpern aus feinteiligen, geschäumten Kunststoffen Verwendung finden. Solche
Vorrichtungen bestehen z.B. aus vier Fließbändern, die derartig zueinander angeordnet
sind, daß sie einen Kanal bilden. Auf das untere, horizontal liegende Fließband
werden die Partikel aufgeschüttet und der Bestrahlung mit Elektronenteilchen ausgesetzt.
Im Anschluß hieran werden die aufgeschütteten Teilchen durch Annäherung des oberen
Fließbandes an das untere in gewünschtem Ausmaß zusammengepreßt und in diesem Zustand
solange bei dauernder Förderung belassen, bis die Teilchen genügend abgekühlt sind
und eine endlose Matte oder ein endloser Strang dieser Vorrichtung entnommen werden
kann. Die Fließbänder können auch plattenförmig aufgeteilt oder als Gliederketten
ausgebildet
sein. Zur Herstellung weiterer Bahnen oder endloser
Matten sind meist nur zwei parallel verlaufende Fließbänder erforderlich, an deren
Seiten feste oder bewegliche Wände derart angeordnet sind, daß das System einen
Kanal bildet.
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Bei geringer Aufschüttung, z.B. in einer Höhe von 3 cm, kann man auch
nur mit zwei parallel laufenden Fließbändern arbeiten, wobei das obere Fließband
nach dem Bestrahlen der auf dem unteren Fließband befindlichen Teilchen an das untere
Fließband angenähert wird, so daß der Abstand der beiden Fließbänder entsprechend
10 bis 70 % der ursprünglichen Schütthöhe der Schaumstoffpartikel beträgt. Anstelle
des oberen Fließbandes können auch mehrere hintereinander geschaltete Walzen oder
Walzenpaare verwendet werden, welche die Zusammendrückung der erwärmten Bahnen bewerkstelligen.
Die Art der Ausführung des Verfahrens richtet sich in erster Linie nach der Kapazität
der Bestrahlungsanlage. Erforderlich ist lediglich, daß man in relativ kurzer Zeit
eine genügend starke Vernetzung bei genügend intensiver Erwärmung erreicht.
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Die Teilchen aus den schaumförmigen Äthylen- bzw. Propylenpolymerisaten
werden mit energiereichen Strahlen behandelt, bis ihre Oberflächen auf Temperaturen
oberhalb des Kristallitschmelzpunktes des Ausgangspolymerisates erhitzt sind. Die
Oberilächentemperatur soll vorzugsweise nach dem Erhitzen 5 bis 250C über dem Kristallitschmelzpunkt
liegen. Durch das Erhitzen wird den Teilchen eine Wärmemenge zugefUhrt, die über
25 % der Schmelzwärme der Gesamtmenge der zu verarbeitenden
Masse
an feinteiligen Polymerisaten beträgt. Verwendet man Copolymerisate des ethylens
mit Acrylsäureestern oder Vinyl acetat, soll die Oberflächentemperatur der Teilchen
oberhalb 600C, vorzugsweise zwischen 90 und 130ob, liegen.
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Das Bestrahlen wird mit energiereichen Strahlen vorgenommen.
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Es sollen hierunter in erster Linie Elektronenstrahlen verstanden
werden; es können aber auch Röntgen- oder Kobaltstrahlen angewendet werden. Unter
der Einwirkung der Strahlen erfolgt eine Vernetzung der Polymermoleküle innerhalb
der Schaumstoffteilchen, wobei die Teilchen gleichzeitig erhitzt werden.
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Die auf Temperaturen innerhalb des oben angegebenen Bereiches erhitzten
Oberflächen der Teilchen-werden klebrig, so daß die Teilchen unter Einwirkung von
Druck leicht versintern. Es ist grundsätzlich möglich, auch von Teilchen auszugehen,
die bereits vernetzte Anteile enthalten. Der vernetzte Anteil soll jedoch nicht
so hoch sein, daß durch die Strahlenbehandlung bis zum Erwärmen auf Temperaturen
oberhalb des Erweichungspunktes eine zu starke Vernetzung eintritt, so daß ein Versintern
nicht mehr möglich ist.
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Im allgemeinen reichen Strahlendosen von 5 bis 70 Mrad zum Vernetzen
und Erhitzen der Teilchen aus; vorzugsweise liegt die Strahlendosis im Bereich von
15 bis 55. Es hat sich gezeigt, daß z.B. Elektronenstrahlen, die eine Beschleunigungsspannung
von 300 bis 500 KV durchlaufen haben, bis zu einer Schütthöhe von 3 bis 5 cm in
die aufgeschütteten Massen eindringen. Es ist z. B. möglich, mit einer Elektronenbeschleuniger
Anlage,
die eine Beschleunigungsspannung von 1 000 kW hat und eine Stromstärke von 20 mA
liefert, Schaumstoffteilchen bis zu einer Aufschüttung von 20 cm Höhe zu behandeln.
Die aufgeschütteten Partikel werden einmal oder mehrere Male unter dem Strahlenfenster
vorbeigeführt, je nach dem gewünschten Grad der Vernetzung oder der erforderlichen
Erwärmung. So können auch Teilchen einer geringeren Schütthöhe mehrmals an einer
Strahlenquelle vorbeigeführt und dann versintert werden.
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Man kann die Teilchen auch vor dem Bestrahlen auf Temperaturen unterhalb
des Kristallitschmelzpunktes erhitzen und die Bestrahlung dann vornehmen. Ebenso
ist es möglich, während oder nach der Strahlenbehandlung durch Einbringen von Heißluft
die Teilchen zusätzlich zu erwärmen.
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Die Teilchen werden in der Form um 5 bis 80 %, vorzugsweise um 50
bis 65 %, des ursprünglichen Schüttvolumens zusammengepreßt.
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Man kann das Pressen der Teilchen während oder nach dem Erhitzen der
Teilchen vornehmen. Je nach dem angewendeten Druck erhält man Formkörper aus verschweißten
Teilchen, zwischen denen zum Teil noch Hohlräume vorhanden sind oder die einen homogenen
Formkörper bilden. Das Zusammenpressen kann auch in einer Weise erfolgen, daß man
anfänglich die Teilchen stark zusammenpreßt, z. B. um 70 % der ursprünglichen Schütthöhe,
und den Druck danach verringert, daß der Formkörper ein Volumen einnimmt, das z.B.
40 bis 50 % des ursprünglichen Schüttvolumens beträgt.
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Nach dem Zusammenpress-en läßt man die Formkörper auf Temperaturen
von mindestens 100C unter dem Kristallitschmelzpunkt der
Polymeren
abkühlen.
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Die erhaltenen Formkörper können nach dem Entnehmen aus der Form erneut
erhitzt werden, so daß sie weiter aüfschäumen und somit ein Formkörper mit geringerem
Raumgewicht erhålten wird-.
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Man kann die Formkörper auch zerkleinern und die erhaltenen Teilchen
in Formen unter Druck erhitzen.
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Durch Verwendung von Athylen-Copolymerisaten ist es möglich, Formkörper
zu erhalten, die besonders flexibel sind und deren Raumgewicht zwischen 15 und 50
kg/m) liegt, was nach bekannten Verfahren-nicht möglich war. Die Formkörper haben
eine sehr große Stoßelastizität und einen geringen Druckverformungsrest.
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Auf diese Art hergestellte Schaumstoffe können auf vielen Anwendungsgebieten
mit Vorteil verwendet werden.
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So kann man z.B. nach dem Verfahren der Erfindung Polsterungen, Verpackungsteile,
tiefgezogene Verpackungsteile als Behälter, thermisch und akustische Isolierungen
im Bauwesen, schwimmende Estriche, Isolierungen von Dächern, Wänden, Heizkörpernischen
und dergleichen herstellen. Sie eignen sich auch zur Ausfüllung bei Dehnungsfugen,
als Isolierungen gegen Feuchtigkeit und Grundwasser, besonders bei zusätzlicher
Beschichtung.
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Die Schaumstoffe können in beliebiger Weise beschichtet werden, z.B.
mit glasfaserverstärktem Polyester, mit Epoxidharzen, Mörtel, Gipsansätzen, Lacken
und dergleichen. Man kann sie mit Kunststoff-Folie, Holz, Metallfolie und ähnlichem
üblichen Beschichtungsmaterial kaschieren. Sie können angefärbt und
zusätzlich
bedruckt werden; auch eignen sie sich als dauernd schwimmfähig bleibendies Material,
z.B. zur Herstellung von Rettungsringen, Schwimmwesten, Rettungsgeräten, 5 chwimmanzügen
und dergleichen.
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Ein besonderer Vorteil der Matten und Bahnen aus diesem Schaumstoff
ist darin zu erblicken, daß sie einrollbar sind; z. B. kann man 4 m lange und 15
mm starke Bahnen etwa wie einen Teppich eingerollt an die Baustelle liefern.
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Man kann andererseits, da die Schaumstoffe flexibel sind, auch sehr
gut Behälter durch einfaches Anlegen der Platten und Biegen zur Isolierung verwenden,
was bei starren oder harten Schaumstoffen nicht möglich ist.
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Die Schaumstoffe können als Austausch auf vielen Gebieten, in welchen
bisher andere vergleichbare Schaumkunststoffe oder Naturstoffe verwendet werden,
mit Vorteil angewendet werden, z. B. auch als Einlagen in Kleidungsstücken.
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Ein besonders vorteilhaftes Gebiet ist auch der Einbau von Schutzschichten
im Fahrzeugbau, z.B. als Innenschicht in Automobilbedachungen, zur Polsterung des
Armaturenbrettes oder zu Beschichtung der-Armlehnen und des Rückenteiles des Sitzes.
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Beispiel 1 Kugelförmige Teilchen von 10 bis 15 mm Durchmesser und
einem Schüttgewicht von 12 Gramm/Liter aus einem schaumförmigen
Äthylenhomopolymerisat
mit der Dichte 0,917 bis 0,918 und dem Schmelzindex 1,2 bis 1,7 werden lose in einem
Behälter aus Aluminium mit 10 cm hohen Seitenwänden bis zu einer Höhe von 6 cm geschüttet.
Auch werden die Teilchen mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 50 Mrad behandelt.
Die Oberflächen der Teilchen sind nach der Strahlenbehandlung auf 1500C erhitzt.
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In diesem Zustand werden sie mit einem Stempel, der in die Form von
oben eingeführt wird, um 50 % der ursprUnglichen Schüttung zusammengepreßt und unter
Druck auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Die Bestrahlung dauert 3 Minuten, die Abkühlung 10 Minuten.
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Man erhält eine sehr homogene, fest verschweißte Platte, die sehr
flexibel ist und ein Raumgewicht von 24 Gramm/Liter hat.
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Beim Reißversuch sind die einzelnen Teilchen nicht ablösbar.
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Der Riß verläuft durch die Mitte der Teilchen. Die Platte ist hoch
elastisch, sehr dehn- und reißfest. Die Stoßelastizität nach DIN 53 512 beträgt
45 bis 47 %. Die Wasseraufnahme ist nach 24 Stunden Untertauchen geringer als 0,5
Volumenprozent.
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Die Sohaumstoffplatte kann in allgemeiner Art als Isoliermaterial
im Bauwesen und im Behälterbau verwendet werden, z.B. zur Wand-, Boden- und Dachisolierung.
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Beispiel 2 Schaumförmige Teilchen eines Copolymerisates aus 85 Gewichtsprozent
ethylen und 17 Oewichtsprozent Acrylsäure-tert.-butyl ester, die einen Durchmesser
von etwa 12 mm und ein Schüttgewicht von 16 Gramm/Liter haben, werden auf ein 50
cm breites
Flie#band mit seitlich begrenzenden Flächen von 40 mm
Höhe bis zu einer Höhe von 40 mm aufgeschüttet. Danach wird das Band untereine Elektronenstrahlenquelle
geführt, so daß die Teilchen den Strahlen ausgesetzt sind. Die Teilchen- nehmen
nach 55 Sekunden-etwa 40 Mrad auf, wobei die Oberflächen der Teilchen klebrig und
weich werden. Es stellt sich an der Oberfläche eine Temperatur von 105 C ein. Es
wird nun von oben her eXn zweites Fließband an das untere Fließband bis zu einem
Abstand von 2 cm herangeführt. Beide Bänder bewegen sich kontinuierlich-mit gleicher
Geschwindigkeit parallel. Im zusammengepreßten Zustand werden die Bänder etwa 5
m weit durch eiren Kühlkanal geführt und dann getrennt. Man kann eine endlose Matte
von 2 cm Stärke, die aus sehr gut verschweißten Teilchen besteht, herstellen. Die
Matte zeichnet sich durch hohe Elastizität und Flexibilität-aus. Sie hat ein' Raumgewicht"
von' 52 Gramm/Liter und kann zum Ausfüllen einer Dehnungsfuge in Bauten, als Füllung
in Schwimmgeräten, für Isolierzwecke, als Polsterung und als Verpackungseinlagen
verwendet werden.
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Beispiel 5 Geschäumte, überwiegend geschlossenzellige Teilchen aus
einem Mischpolymerisat aus 75 % Äthylen und 25 % Acrylsäure-n-butylester von 15
bis 20 mm Durchmesser, mit einem Schüttgewicht von 14 Gramm/Liter, werden in einen
Aluminiumbehälter mit, 20 cm hohen Wänden, der oben offen ist, eingefüllt. Der Behälter
wird unterhalb des Bestrahlungsfensters einer 1 000 KV-Elektronenbestrahlungs-Anlage
mit einer Leistung von 20 mA hindurchgeführt,- bis die Teilchen an der Oberfläche
klebrig
werden. Danach haben die Teilchen eine Strahlendosis von
42 Mrad aufgenommen. Die Oberflächen sind auf 1000C erhitzt. In diesem Zustand werden
die Teilchen auf 10 cm Höhe zusammengepreßt und im zusammengepreßten Zustand abgekühlt.
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Man erhält einen sehr homogenen Schaumstoffkörper mit einem Gelgehalt
von über 50 %. Der Formkörper kann durch mechanische Einrichtungen, z.B. einer Bandsäge,
in einzelne Abschnitte aufgeteilt werden, und zwar in einer Dicke von 1, 4, 8, 12,
50 oder 50 mm.
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Die Schaumstoffabschnitte haben ein Raumgewicht von 28 Gramm/ Liter.
Sie eignen sich aufgrund ihrer Flexibilität sehr gut als Einlage in Rettungsanzügen,
z.B. zur Ausfüllung des Kragenteils, als Sitzpolsterung, zur Auskleidung von Armlehnen,
als Matratzen, als Schutzeinlagen usw.
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Die Schaumstoffe von großer Schichtdicke eignen sich vorzüglich als
thermisches Isoliermaterial, z.B. in Wohnwagen, in Fertigbauteilen, zur Isolierung
von Kühlbehältern und derglei hohen.
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Die dünneren Abschnitte können auch zur Schallisolierung verwendet
werden, z.B. unter anderem als Deckenunterschichten.