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Die Erfindung betrifft einen Pressfilz
zur Papierherstellung, wobei nasses Papier auf dem Pressfilz zwischen
einem Paar von Walzen im Pressabschnitt einer Papiermaschine hindurchgeführt wird, wobei
eine der Walzen beheizt ist, wobei das Papier mit der einen Walze
in Kontakt gehalten ist und wobei der Pressfilz eine Basisstoffschicht
und Faserflorschichten umfasst.
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Mit anderen Worten betrifft diese
Erfindung das Gebiet der Papierherstellung und insbesondere einen
Filz zur Verwendung in einem Papierherstellungsverfahren, worin
das nasse Papier zum Entfernen des Wassers aus dem nassen Papier
auf einem Riemen aus Filz zwischen einem Paar von Walzen im Pressabschnitt
einer Papiermaschine hindurchgeführt
wird, wobei es mit einer der Walzen, die beheizt ist, in Kontakt
gehalten wird.
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Wasser kann aus dem nassen Papier
bei Raumtemperatur im Pressabschnitt einer Papiermaschine herausgepresst
werden. Jedoch ist die Effizienz der Wasserentfernung durch den
Einsatz von Wärme
im Pressabschnitt erhöht,
wobei das sog. „Heißpress"-Verfahren
verwendet wird. Beim Heißpressverfahren
ist eine Walze eines Paars von kooperierenden Walzen im Allgemeinen
auf eine Temperatur im Bereich von 100° C bis 150° C erhitzt. Der Einsatz von
Wärme reduziert
die Viskosität
des Wassers in dem nassen Papier bei gleichzeitigem Pressen des
Papiers zwischen den Walzen bei einem Nipdruck im Bereich von beispielsweise
100 – 250
kg/cm und erhöht
die Effizienz der Wasserentfernung im Vergleich zu der bei Raumtemperatur
erreichten Effizienz.
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In einem weiteren, als das „Presstrocken"-Verfahren
bekannten Prozess wird eine der Walzen des Paars von Walzen im allgemeinen
auf eine Temperatur im Bereich von 150° C bis 250° C erhitzt und der Nipdruck
liegt dann im Bereich von 200 bis 550 kg/cm. Im Presstrockenverfahren
wird das Wasser in dem nassen Papier mit einer resultierenden bemerkenswerten
Verbesserung der Wasserentfernungseffizienz verdampft.
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Es ist bekannt, dass diese beiden
Verfahren die Trockenheit des Papiers nach dem Pressen erhöhen können.
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Wenn nasses Papier zwischen einem
Paar von Walzen hindurchgeführt
wird, von denen eine beheizt ist, befindet sich das nasse Papier
normalerweise in direktem Kontakt mit der beheizten Walze, wohingegen
sich der Filz, auf welchem das nasse Papier getragen wird, nicht
in direktem Kontakt mit der beheizten Walze befindet und lediglich
indirekt durch Leitung durch das Papier hindurch erwärmt wird. Wenn
das nasse Papier jedoch beim Prozess des Herauspressens von Wasser
aus dem Papier gerissen ist, kann Wärme von der beheizten Walze
direkt auf den Filz übertragen
werden, wodurch eine Beschädigung
oder eine Verformung des Filzes bewirkt wird.
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Aufgrund des Reißens des nassen Papiers beim
Herauspressen des Wassers ist ein Bedarf für einen Filz mit einer ausreichenden
Wärmebeständigkeit
entstanden. Die offen gelegte japanische Gebrauchsmusteranmeldung
mit der Nummer 2100/1989 beschreibt eine Technik, bei der die Oberflächenschicht
eines Trockenfilzes, der im Trocknungsabschnitt einer Papiermaschine
verwendet wird, im Hinblick auf eine verbesserte Wärmebeständigkeit
aus einer Metaaramidfaser oder Paraphenylensulfidfaser hergestellt
ist.
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Ein Problem, auf das man bei früheren wärmebeständigen Trockenfilzen
gestoßen
ist, besteht darin, dass Oberflächenglätte und
Luftdurchlässigkeit
schwer aufrechtzuerhalten sind und dass Verringerungen hinsichtlich
der Glätte
und der Luftdurchlässigkeit
sich nachteilig auf das Trocknungsfinish des nassen Papiers und
auf die Lebensdauer des Filzes auswirken. Eine Verschlechterung
der Eigenschaften des Filzes hinsichtlich des Herauspressens des
Wassers ist ebenfalls ein Problem. Eine solche Verschlechterung
ist durch eine Wärmeverformung und
ein Flachwerden der Fasern des Filzes charakterisiert, was bei hohen
Temperaturen bedeutsam wird. Die oben genannten thermoplastischen
Fasern werden verformt und abgeflacht, wenn sie einer hohen Temperatur
und einem hohen Druck ausgesetzt werden. Die Verformung und das
Flachwerden der Fasern eines Filzes reduzieren ihre Elastizität, was wiederum
eine Verringerung der Effizienz des Filzes hinsichtlich des Herauspressens
des Wassers innerhalb kurzer Zeit zur Folge hat. Eine Verstopfung
der Filze kann auftreten, selbst wenn die Fasern nicht durch die
Wärme geschmolzen
oder aufgelöst
sind.
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Aus der
JP 07 268 794 A , In: Patent
Abstracts of Japan, ist beispielsweise ein Pressfilz zur Papierherstellung
mit allen Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt.
Insbesondere wird in dem Dokument ein Pressfilz zur Papierherstellung
beschrieben, der selbst bei einem Wärmepressen nicht schmilzt und
eine stabilisierte Elastizität
aufrechterhält.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Filz anzugeben, dessen
Elastizität
während
einer langen Gebrauchsdauer unveränderlich ist und der selbst
bei hohen Temperaturen und Drücken
nicht schmilzt und sich nicht verformt.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe
durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach
ist der in Rede stehende Pressfilz derart ausgebildet, dass zumindest
die das Papier kontaktierende Oberflächenschicht der Faserflorschichten
im Wesentlichen aus einer Polyparaphenylenbenzoxazolfaser zusammengesetzt
ist.
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In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden,
dass ein Faserbüschel,
das allein aus Polyparaphenylenbenzoxazolfasern – auch als PBO-Fasern bezeichnet – besteht
oder bei dem PBO-Fasern die wesentliche Komponente sind, keine reduzierte
Elastizität
zeigt, selbst wenn es wiederholt bei hoher Temperatur und hohem
Druck zusammengedrückt
wird.
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PBO-Fasern weisen eine bei weitem
höhere Festigkeit
und einen bei weitem besseren Elastizitätsmodul auf als die herkömmlichen
Paraphenylensulfid- und Aramidfasern, und PBO zeigt eine exzellente
Wärmebeständigkeit,
einschließlich
einer höheren
thermischen Auflösungstemperatur
und einer reduzierten temperaturabhängigen Veränderung des Elastizitätsmoduls.
Die Eigenschaften von PBO-Fasern sind in einem Bericht in dem japanischen
Journal of Fiber Association, Vol. 52, No. 3, pp. 143-147 (1996)
beschrieben.
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Vorzugsweise sind die Faserflorschichten aus
der das Papier kontaktierenden Oberflächenschicht und einer Vielzahl
von einzelnen, die das Papier kontaktierende Oberflächenschicht
unterlagernden Schichten zusammengesetzt. Die einzelnen, unterlagernden
Schichten bestehen aus einer Vielzahl von oberen Schichten und einer
Vielzahl von unteren Schichten, wobei die oberen Schichten näher an der Oberflächenschicht
sind als die unteren Schichten. In einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung ist der Polyparaphenylenbenzoxazolfasergehalt der oberen Schichten
der gleiche wie oder höher
als der der unteren Schichten.
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Der Grund, warum zumindest die das
Papier kontaktierende Oberflächenschicht
der Faserflorschichten im Wesentlichen aus einer Polyparaphenylenbenzoxazolfaser
zusammengesetzt ist, ist im Folgenden beschrieben. Die Oberflächenschicht
ist bei Kontakt mit dem nassen Papier an der Stelle, wo das nasse
Papier den Wärmepresswalzen
zugeführt wird,
Wärme und
Druck von der erwärmten
Walze ausgesetzt, welche durch das nasse Papier geleitet werden.
Andererseits wird zu den unteren Schichten des Filzes weniger Wärme geleitet,
und folglich haben die unteren Schichten eine geringere Temperatur.
Folglich können
die unteren Schichten unter Berücksichtigung
der Temperaturverteilung durch die Dicke des Filzes hindurch eine
Zusammensetzung aufweisen, die eine Menge einer PBO-Faser gemeinsam
mit anderen Fasern umfasst, die einen relativ niedrigen Schmelzpunkt
oder eine relativ niedrige thermische Auflösungstemperatur aufweisen und
die mit den PBO-Fasern vermischt sind, soweit die Mischung die Wärmepressbedingungen
in vernünftiger Weise
erfüllt.
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Bei den Faserflorschichten sind die
in die PB0-Fasern gemischten Fasern vorzugsweise aus den folgenden
Fasern ausgewählt:
Polyamidfasern, Metaaramidfasern und Paraaramidfasern mit einem hohen
Schmelzpunkt oder einer hohen Wärmeauflösungstemperatur;
aromatische Polymerfasern mit heterozyklischen Ringen wie beispielsweise
aromatisches Polyetheramid, Polybenzoimidazol (PBI) – Fasern
und Polyoxydiazol (POD) – Fasern,
Polyarylat (PAR) – Fasern;
Polycyanacryletherketon-Fasern; Polyetherketon (PEK) – Fasern;
Polyetheretherketon (PEEK) – Fasern;
Polyphenylensulfid (PPS) – Fasern;
und Polytetrafluorethylen (PTFE) – Fasern.
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Erfindungsgemäß kann deshalb ein Pressfilz zur
Papierherstellung bereitgestellt werden, der eine deutlich verbesserte
Elastizität
und hinsichtlich des Flachwerdens verbesserte Eigenschaften unter
Bedingungen mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit aufweist.
Selbst in einem Verfahren, in welchem die Temperatur der mit dem
nassen Papier in Kontakt stehenden beheizten Walze 250° C beträgt, kann der
Pressfilz der Wärme
und dem Druck hinlänglich
standhalten, wenn die Wärme
und der Druck der Walze aufgrund eines Risses in dem nassen Papier
direkt auf den Pressfilz einwirken.
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Im Falle eines Pressfilzes zur Verwendung im
Heißpressverfahren,
wobei die Walze eine Temperatur im Bereich von 100° C bis 150° C aufweist, kann
eine Polyamidfaser mit einer niedrigeren Wärmebeständigkeit mit der PBO-Faser
gemischt werden.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf den dem Patentanspruch
1 nachgeordneten Anspruch, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung
mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung. anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung
mit der Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der
Zeichnung zeigen
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1 in
einer geschnittenen Seitenansicht, schematisch, ein Paar von Walzen
im Pressabschnitt einer Papiermaschine, wobei ein Pressfilz gezeigt
ist, der eine Schicht aus nassem Papier durch den Nip zwischen den
Walzen befördert,
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2 in
einer geschnittenen, schematischen Darstellung, vergrößert, einen
erfindungsgemäßen Pressfilz,
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3 in
einer geschnittenen Darstellung, schematisch, einen plattenförmigen Wärmepresssimulator
zum Prüfen
von Pressfilzen,
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4 eine
Tabelle, die den PBO-Fasergehalt verschiedener erfindungsgemäßer Pressfilze
mit einem Vergleichsbeispiel vergleicht, wobei der PBO-Fasergehalt
als Massenanteil des gesamten Fasergehalts in Prozent ausgedrückt ist,
und
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5 eine
Tabelle, die die Ergebnisse von Versuchen mit den in der Tabelle
von 4 aufgelisteten
Pressfilzen zeigt.
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In 1 sind
die Walzen 1 und 2 im Pressabschnitt einer Papiermaschine
auf parallelen Achsen angeordnet. Die obere Walze 1 ist
durch eine Heizeinrichtung 3 beheizt. Ein Pressfilz 10,
der nasses Papier 20 trägt,
läuft zwischen
den Walzen 1, 2 hindurch, die das nasse Papier 20 mit
Druck beaufschlagen, während
das nasse Papier 20 durch Wärme erwärmt wird, die direkt von der
Walze 1 übertragen
wird.
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Wie in 2 gezeigt,
ist der Pressfilz 10 aus einer Basisstoffschicht 11 und
einer Vielzahl von Faserflorschichten 12A-12F zusammengesetzt,
wobei fünf
Schichten 12A-12E auf der vorderen bzw. oberen Seite der
Basisstoffschicht 11 und eine Schicht 12F auf
der hinteren bzw. unteren Seite der Basisstoffschicht 11 vorgesehen
sind. Jede Faserflorschicht 12A-12F weist eine einheitliche
Grundmasse auf. Die Faserflorschichten 12A-12F sind an
der Basisstoffschicht 11 und untereinander mittels einer Vernadelung
befestigt, wobei jede Faserflorschicht 12A-12E der Reihe
nach auf der Basisstoffschicht 11 von deren inneren Schichtseite
aus ausgebildet ist.
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Die Hauptkomponente der Oberflächenschicht 12A der
Faserflorschichten 12A-12F, d. h. ein Massenanteil von
etwa 75 % bis 100 %, ist eine Polyparaphenylenbenzoxazol (PBO) – Faser.
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Unter den einzelnen Faserflorschichten 12A-12F ist
der PBO-Gehalt der oberen Schichten der gleiche wie oder höher als
der PBO-Gehalt der unteren Schichten. Genauer gesagt kann der PBO-Fasergehalt
der Schichten 12B-12F jeweils der gleiche sein wie der
der äußeren Schicht 12A oder
es kann der PBO-Gehalt fortOchreitend in Richtung von der Schicht 12A zu
der Schicht 12F abnehmen. Folglich kann der PBO-Gehalt
jeder der Schichten 12A-12F 100 % sein oder es kann der
PBO-Gehalt in den Schichten 12B-12F gleich Null sein.
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Das nasse Papier 20 ist
wie in 1 gezeigt mit
der beheizten Walze 1 in Kontakt. Die Temperatur der beheizten
Walze 1 hängt
von dem durchgeführten
Auspressverfahren ab. Im Fall des Heißpressverfahrens ist die Walze 1 auf
eine Temperatur im Bereich von 100 ° C bis 150 ° C erwärmt, wohingegen die Walze 1 beim
Presstrockenverfahren auf eine Temperatur im Bereich von 150 ° C bis 250 ° C erwärmt ist.
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Gemäß den 2 und 4 wurden
bei dem Beispiel 1 fünf
Faserflorschichten 12A-12E
mittels eines Vernadelungsprozesses auf die Oberflächenseite
der Basisstoffschicht 11 und eine weitere Schicht 12F auf
die gegenüberliegende
Seite der Basisstoffschicht 11 aufgebracht. Die Basisstoffschicht 11 umfasst
ein doppelt texturiertes Gewebe, bei welchem sowohl die Kette als
auch der Schuss aus einem Zwirn aus einer Polyamidfaser, beispielsweise
Nylon 6, zusammengesetzt sind. Der PBO-Fasergehalt der einzelnen
Faserflorschichten 12A-12F wurde wie in 4 gezeigt variert, um sechs erfindungsgemäße Beispiele
und ein Vergleichsbeispiel zu präparieren. Bei
den Beispielen 1-6 wurde jeweils Polyphenylensulfid (PPS)
als die in die PBO-Fasern zu mischende Faser verwendet. Bei dem
Vergleichsbeispiel bestand jede Faserflorschicht insgesamt aus PPS.
Bei jedem Beispiel wurde die Vernadelung unter den gleichen Bedingungen
durchgeführt.
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Beim Beispiel 1 wurden sämtliche
Faserflorschichten 12A-12F zu 100 % aus der PBO-Faser zusammengesetzt.
Bei den Beispielen 2-5 war der PBO-Fasergehalt in den Faserflorschichten
an und in der Nähe
der Oberfläche
relativ gesehen höher,
wohingegen der PBO-Gehalt der unteren Schichten reduziert war. Beim
Beispiel 6 wurden die unteren Faserflorschichten 12D-12F allein
aus der PPS-Faser zusammengesetzt. Beim Vergleichsbeispiel wurden die
Faserflorschichten 12A-12F zu 100 % aus der PPS-Faser zusammengesetzt.
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Unter Verwendung des in 3 dargestellten Simulators 100 wurden
die Pressfilze 10 der Beispiele 1-6 und des Vergleichsbeispiels
wiederholt zwischen einer unteren Druckplatte 101 und einer oberen,
auf eine Temperatur von 250° C
erwärmten Druckplatte 102 zusammengedrückt, und
zwar 100.000 Mal bei einem Druck von 100 kg/cm2 und
mit einer Rate von einem Pressvorgang pro Sekunde. Die Dichte eines
jeden Pressfilzes 10 wurde nach dem Heißpressen gemessen, und die
Ergebnisse sind in 5 tabelliert.
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Wie in 5 gezeigt,
hält eine
größere Anzahl
an Faserflorschichten, die PBO-Fasern allein auf der Oberfläche des
Pressfilzes 10 aufweisen, die Pressfilzdichte nach dem
Heißpressen
gering und verbessert daher die Beständigkeit der resultierenden
Pressfilze 10 hinsichtlich des Flachwerdens. Wenn die PBO-Faser
mit anderen Fasern innerhalb einer Schicht gemischt ist und der
PBO-Fasergehalt zumindest 25 % ist, ist die Pressfilzdichte nach
dem Heißpressen
ebenfalls gering gehal ten und sind deshalb die Pressfilze 10 im
Hinblick auf das Flachwerden beständig. Insbesondere wenn der
PBO-Fasergehalt einen Massenanteil von 50 % oder mehr ausmacht,
sind die Fähigkeit
zur Beibehaltung einer niedrigen Pressfilzdicht und die Beständigkeit
hinsichtlich des Flachwerdens beachtlich gesteigert.
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Wie oben beschrieben, dient der erfindungsgemäße Pressfilz 10 dazu,
nasses Papier 20 zwischen einem Paar von Walzen 1, 2 im
Pressabschnitt der Papiermaschine hindurchzuführen, wobei sich das nasse
Papier 20 mit einer beheizten Walze 1 der Walzen 1 und 2 in
Kontakt befindet. Eine PBO-Faser ist die Hauptkomponente von zumindest
der Oberflächenschicht 12A,
die sich mit dem nassen Papier 20 in Kontakt befindet.
Die PBO-Fasern verhindern, dass sich der Pressfilz 10 thermisch
verformt, selbst wenn das Papier 20 bei hoher Temperatur
zusammengedrückt
ist, und bewirken, dass der Pressfilz 10 eine gleichbleibende
Elastizität
bewahrt. Daher weist der Pressfilz 10 eine signifikant
erhöhte
Beständigkeit
hinsichtlich des Flachwerdens auf.
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Im Fall eines Pressfilzes 10,
der aus einer Vielzahl von Schichten 11, 12A-12F aufgebaut
ist, wobei die Oberflächenschicht 12A,
die mit dem nassen Papier 20 in Kontakt ist, im wesentlichen
aus PBO-Fasern zusammengesetzt ist, weisen die unterlagernden Schichten,
die der Oberflächenschicht 12A näher sind,
vorzugsweise einen höheren PBO-Gehalt
als die unterlagernden Schichten auf, die weiter von der Oberflächenschicht 12A entfernt sind.
Bei einem derart aufgebauten Pressfilz 10 ist der Einfluss
der Wärme,
die von der beheizten Walze 1 durch das nasse Papier 20 zu
der Oberflächenschicht 12A des
Pressfilzes 10 geleitet ist, an und in der Nähe der Oberflächenschicht 12A wirksam
unterdrückt,
und folglich können
gewöhnliche
Polyamidfasern in vorteilhafter Weise unter die PBO-Fasern in den
unteren Faserflorschichten gemischt werden.
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Verschiedene Modifikationen, einschließlich Modifikationen
hinsichtlich der Anzahl an Schichten und deren Zusammensetzungen,
können
an dem Pressfilz 10 durchgeführt werden. Weitere Modifikationen
können
hinsichtlich der oben beschriebenen Vorrichtung und des oben beschriebenen
Verfahrens durchgeführt
werden, ohne von den in dem beigefügten Patentansprüchen definierten
Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben,
dass die zuvor rein willkürlich
gewählten
Ausführungsbeispiele
lediglich zur Erörterung
der erfindungsgemäßen Lehre
dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.