DE2361744B2 - Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von Glas - Google Patents

Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von Glas

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DE2361744B2 DE2361744A DE2361744A DE2361744B2 DE 2361744 B2 DE2361744 B2 DE 2361744B2 DE 2361744 A DE2361744 A DE 2361744A DE 2361744 A DE2361744 A DE 2361744A DE 2361744 B2 DE2361744 B2 DE 2361744B2
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Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von Glas mit hitzeempfindlichen Reagentien, bei dem mindestens ein Beschichtungsreagens durch die Wärme des Trägergases verdampft und als Gasgemisch mit dem Trägergas gegen die zu beschichtende Oberfläche geführt wird. Die Erfindung richtet sich insbesondere auf das Beschichten mit Überzügen, die in erster Linie aus Metalloxiden bestehen. Spezifischer ausgedruckt, betrifft die Erfindung das Berühren einer heißen Glasoberfläche mit den Dämpfen der Reagenzien, die beim Berühren mit der heißen Glasoberfläche Metalloxidbeschichtungen bilden.
Vor der vorliegenden Erfindung war es bekannt, daß Substrate mit Metalloxidbeschichtungen versehen werden können, indem die Substrate mit Lösungen in Berührung gebracht werden, die Metall-0-diketonate oder ähnliche Verbindungen, gelöst in geeigneten Lösungsmitteln, enthalten. In diesem Zusammenhang wird auf die US-Patentschriften 32 02 054, 30 81 200, 36 60 061 und 36 52 246 verwiesen. In diesen Patentschriften ist eine Vielzahl von chemischen Formulierungen offenbart, die zum Beschichten von Glas mit Metalloxidüberzügen geeignet sind. Im allgemeinen wird bei den bekannten Verfahren zum Beschichten von Glas eine flüssige Versprühung der Überzugsmasse gegen die zu überziehende Oberfläche des Glassubstrats gelenkt In diesen Patentschriften wird das Aufbringen von speziellen Metallen oder Metalloxiden auf Glas oder oder andere Substrate beschrieben, wobei diese Zusammensetzungen in flüssiger oder dampfförmiger Form angewendet werden können, doch wird stets als die beste Form der Auftragung der Zusammensetzung die Berührung des Substrats mit der Zusammensetzung in flüssiger Form herausgestellt Bei der Entwicklung von Arbeitsweisen für das Auftragen von dampfförmigen Beschichtungsmassen auf die erwärmten Substrate bei atmosphärischem Druck ist man auf gewisse Schwierigkeiten gestoßen. So war es z. B. schwer, Beschichtungen zu erhalten, die feinkörnig und gleichförmig in ihrem Aussehen waren. Dicke Beschichtungen wurden dadurch hergestellt, daß man das Substrat mit einer flüssigen Sprühung berührte, doch war es äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, mit den bekannten Arbeitsweisen zur Ablagerung aus der Dampfphase relativ dicke Filme zu erhalten, die eine ίο Durchlässigkeit des sichtbaren Lichtes unterhalb etwa 50% haben.
Verfahren zur Ablagerung aus der Dampfphase sind ebenfalls bekannt Bei den meisten kommerziellen Ausführungsformen der Ablagerung aus der Dampfpha se wird unterhalb atmosphärischem Druck gearbeitet Zur Verbesserung der Geschwindigkeit der Filmablagerung ist eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden, wie z. B. die Anwendung von elektrischen Feldern, magnetischen Feldern und Radio- oder Mikro-Wellen.
Man hat auch schon Wellenleiter verwendet, um die Dämpfe der Beschichtungszusammensetzung auf speziell begrenzte Zielflächen zu richten (vgl. US-PS 31 14 652 und 35 61 940). Aus der US-PS 21 55 932 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem ein flüssiges oder in einer Flüssigkeit gelöstes Beschichtungsreagens in einem Trägergas feinverteilt und dann mit dem Trägergas gegen den zu beschichtenden Gegenstand gelenkt wird. Dadurch, daß die Substanz kälter ist, als das Gas, schlägt sich die Flüssigkeit aus dem Gas auf dem Gegenstand nieder. Nach Verdampfen des Lösungsmittels bleibt eine feste Schicht auf dem Gegenstand. Dieses Verfahren erlaubt zwar eine gleichmäßige Beschichtung mit bestimmten hitzeunempfindlichen Beschichtungsmitteln, es ist je-
^ doch für die Beschichtung mit hitzeempfindlichen Reagentien nicht geeignet. Der Versuch, es auf solche Reagentien anzuwenden, führt zu einem völlig unbefriedigenden Ergebnis, sowohl bezüglich der Stärke, als auch der Gleichmäßigkeit der Beschichtung.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Herstellung einer gleichzeitig gleichmäßigen und ausreichend starken Beschichtung von Oberflächen mit den erwähnten hitzeempfindlichen Reagentien. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von Glas, mit hitzeempfindlichen Reagentien, wobei mindestens ein Beschichtungsreagens durch die Wärme des Trägergases gegen die zu beschichtende Oberfläche geführt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsreagens in den vorher erwärmten, unter Druck stehenden Trägergasstrom, der genügend Eigenwärme besitzt, um das Beschichtungsreagens vollständig zu verdampfen und auf eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstempe ratur zu erwärmen, dispergiert wird, wobei unter Druck stehendes Zerstäubungsgas verwendet wird und Zerstäubungsgas und Beschichtungsreagens eine Temperatur haben, die erheblich niedriger ist als die Temperatur des Trägergases.
bu Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird ein Beschichtungsreagens in einen mit Gas gefüllten Raum dispergiert und durch den innigen Kontakt mit dem heißen Trägergas ohne nennenswerte Zersetzung in den mit Gas gefüllten Raum verdampft,
l>5 von wo es dann durch das heiße Trägergas in Berührung mit dem heißen Substrat gebracht wird, wobei das Beschichtungsreagens sich auf dem Substrat ablagert und eine Schicht bzw. einen Überzug bildet Die
Vorzüge der vorliegenden Erfindung sind besonders bei Beschichtungsreagentien augenfällig, die sich bei Temperaturen, die nur geringfügig über ihren effektiven Verdampfungstemperaturen liegen, autokatalytisch zersetzen. Durch Dispergierung derartiger Reagentien in einer gasförmigen Phase wird der autokatalytische Effekt von einigen isolierten Zersetzungen nahezu eliminiert und durch Verdampfen aus einem Nebel oder Rauch des Reagens in Gas wird die Verdampfungseffiziens ausreichend erhöht, so daß sie bei niedrigen Temperaturen, gerade über dem Siedepunkt der Reagentien für eine praktische Verwendung ausreichend ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Reagens in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst Diese Lösung wird in das heiße Trägergas versprüht, um das Lösungsmittel und das Reagens zu verdampfen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mischung des Trägergases und des verdampften Beschichtungsreagens bei der Temperatur, bei der diese Komponenten vermischt werden, ungesättigt
Bevorzugte reaktionsfähige Beschichtungsmaterialien sind bei der Erfindung pyrolisierbare Organometallsalze der Metalle der Gruppen IB bis HB, IHA bis VIIA und der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente. Die bevorzugten Organometallsalze sind die 0-Diketonate Acetate, Hexoate, Formiate und dergleichen; die Acetylacetonate von Eisen, Kobalt und Chrom sind besonders bevorzugt als reaktionsfähige Ingredienzien bei den Beschichtungsmassen nach der Erfindung.
Außer den bevorzugten pyrolisierbaren Materialien können aber auch andere Beschichtungsreagentien bei der Erfindung verwendet werden. Derartige Reagentien sind z. B. hydrolytische Reagentien, wie fluorierte beta-Diketonate, insbesondere Acetylacetonate, und Metalldicumole. Es können auch Reagentien benutzt werden, die die Gegenwart von größeren Mengen von anderen, mit ihnen zusammenwirkenden Reagentien, wie Sauerstoff, Wasserstoff, Halogen und dergleichen, erfordern. Wie bereits ausgeführt wurde, wird bevorzugt das Beschichtungsreagens vor der Verdampfung in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst.
Als Lösungsmittel kommt eine Vielzahl von aliphatischen gesättigten oder olefinischen Kohlenwasserstoffen oder halogenierten Kohlenwasserstoffen in Betracht. Es können Lösungsmittel verwendet werden, die nur aus einer Komponente bestehen, insbesondere ein Lösungsmittelsystem, bei dem Methylenchlorid verwendet wird. Es sind aber auch Lösungsmittelsysteme geeignet, die zwei oder mehrere Lösungsmittel enthalten.
Einige repräsentative Lösungsmittel, die bei der Erfindung verwendet werden können, sind: Methylenbromid, Kohlenstofftetrachlorid, Kohlenstofftetrabromid, Chloroform, Bromoform, 1,1,1 -Trichloräthan, Perchloräthylen, 1,1,1-Trichloräthan, Dichloriodmethan, 1,1,2-Tribromäthan, Trichloräthylen, Tribromäthylen,Trichlormonofluoräthan, Hexachloräthan, l,l,l^-Tetrachlor-2-chloräthan, 1,1,2-Trichlor-1,2-dichIoräthan, Tetrafluorbromäthan, Hexachlorbutadien, Tetrachloräthan und dergleichen. Es können auch andere Lösungsmittel verwendet werden, insbesondere Mischungen von einem oder mehreren organischen polaren Lösungsmitteln, wie ein Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und einer Hydroxylgruppe und eine oder mehrere aromatische nicht-polare Verbindungen, wie Benzol, Toluol oder Xylol. Die Flüchtigkeit dieser Materialien erschwert ' ihre Verwendbarkeit im Vergleich zu den vorstehend genannten und bevorzugten halogenierten Kohlenwasserstoffen und halogenierten Kohlenstoffen, doch sind diese Lösungsmittel aus wirtschaftlichen Gründen von Interesse.
■o Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Lösung eines reaktionsfähigen Organometallsalzes in einem organischen Lösungsmittel in eine Verdampfungskammer geführt Die Verdampfungskammer ist so konstruiert, daß sie ein Heizelement besitzt, welches den Raum um das Element auf eine Temperatur erwärmt, die ausreichend ist, um die Verdampfungslösung innerhalb dieses Raums und nicht nur die Flüssigkeit die im Kontakt mit dem Heizelement steht, zu verdampfen. Ein Trägergas wird über das Heizelement und davon weg geleitet, um die Zusammensetzungsmischung aufzunehmen, sie bei ihrer zunehmenden Verdampfungsgeschwindigkeit zu mischen und die Dämpfe durch den Erhitzer dem zu beschichtenden Substrat zuzuführen.
Dämpfe des Lösungsmittels und des reaktionsfähigen Organometallsalzes werden aus der Verdampfungskammer einer länglichen Verteilereinrichtung zugeführt, die über die Breite des erwärmten Substrates, das überzogen werden soll, angeordnet ist. Verbunden mit dieser Verteilereinrichtung ist eine längliche Düse, um die Dämpfe gegen das Substrat zu richten. Diese längliche Düse hat als kleinere Querschnittsdimension eine gleichförmig konvergierende Form, um eine im wesentlichen kontinuierliche Beschleunigung des hindurchgehenden Dampfes an den Grenzschichten zu bewirken. Die größere Querschnittsdimension der Düse ist geringfügig kleiner als die Breite des entsprechenden Substrats, so daß sich ein Substrat, das sich in Gegenüberstellung zu der Düse befindet, über die größere Dimension der Düse an beiden Enden erstreckt. Diese Anordnung stellt sicher, daß ein im wesentlichen gleicher Druckabfall entlang der größeren Dimension der Düse aufrechterhalten wird und verhindert, daß ein unverhältnismäßig großer Teil der Dämpfe aus der Düse an jedem Ende der Düse entweicht, so daß insgesamt alle Dämpfe einen guten Kontakt mit dem Substrat erlangen.
Die Stirnseite der Düse ist gegenüberliegend zu dem zu überziehenden Substrat in einer derartigen Weise angeordnet, daß der Abstand zwischen der Stirnfläche und der Oberfläche, die während des Beschichtens am nächsten dazu kommt, mindestens das 0,5fache der Weite der Düse an ihrem Ausgang ausmacht. Bevorzugt ist das Verhältnis zwischen diesem Abstand und der Düsenweite mindestens 0,65 und besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 5. Ein noch stärker bevorzugter Bereich befindet sich für dieses Verhältnis zwischen 1,25 und 5.
Der Verdampfer und der Verteiler der Beschichtung3cinrichtung werden bei dieser Erfindung bei einem ausreichenden Druck betrieben, um ein Strömen des Dampfes durch die Düse bei einer Reynoldszahl von mindestens 2500 und bevorzugt mindestens etwa 5000 zu bewirken, wodurch eine schnelle, wirksame und gleichförmige Ablagerung der Schicht erreicht wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können dazu verwendet werden, eine Vielzahl von Substraten zu beschichten. Beispiele
derartiger Substrate sind wärmebeständige Substrate, wie Glas, Glaskeramik, Keramik, mit Porzellan übezogene Metalle und dergleichen. Andere Substrate, die in Betracht kommen, sind Metalle, Kunststoffe, Papier und dergleichen. Die Erfindung eignet sich ganz besonders für das Beschichten von Flachglas mit transparenten Metalloxidüberzügen. Für derartige Glasartikel besteht im Bauwesen ein besonderes Interesse.
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung wird bevorzugt Luft als Trägergas verwendet. Luft wirkt dabei nicht nur als Trägergas, sondern stellt gleichzeitig auch Sauerstoff zur Verfügung, der sich mit den verdampften Metaüreagentien, wie Metallacetylacetonat, innig mischt und in Berührung mit der heißen Glasoberfläche unter Bildung eines abgelagerten Metalloxidfilms reagiert
Luft wird bevorzugt dem Verdampfer mit einer Temperatur zugeführt, die ausreichend ist, um die Wärme für die Verdampfung des Lösungsmittels, das das Meialfreagens enthält, zu liefern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Temperatur der Luft-Dampf mischung beim Austritt aus dem Verdampfer bei etwa 204 bis 216° C. Die Temperatur der Heizeinrichtung wird zweckmäßigerweise bei etwa 2100C durch Zuführung von heißem öl gehalten. Die Trägerluft wird auf etwa 260°C erwärmt und die Zerstäubungsluft und die Lösung des Metallreagens werden bei etwa 21 "C zugeführt.
Die Zufuhr an Zerstäubungsluft ist im Vegleich zu der Trägerluft vernachlässigbar. Die Zerstäubungsluft hat in der Regel einen Druck von 0,14 bis 0,70 bar, bevorzugt etwa 035 bar.
Die Trägerluft wird in der Regel aus Leitungen bei einem Druck von etwa 3,5 bis etwa 7,0 bevorzugt etwa 4,2 bar zugeführt. Die Geschwindigkeit der über die Heizeinrichtung aus den Schlitzen der Verteilungsplatte streichenden Luft liegt bevorzugt bei etwa 1,5 bis 3,0 m/Min. Das Volumen der strömenden Trägerluft ist höher als das Minimum, das notwendig ist, um die Dämpfe in der Dampfphase zu halten. Das bedeutet, daß die Menge der angelieferten Trägerluft im Hinblick auf das Metallreagens und das Lösungsmittel unterhalb der Sättigung (100%) über die ganzen Einrichtungen, wie Verdampfer, Verteiler, Düsen und Dampfbeschichtungskammer, bleibt. Die Trägerluft wird im allgemeinen in einer Menge geliefert, die das Minimum für die Sättigung übersteigt, so daß die relative Sättigung niedriger als 95% und bevorzugt niedriger als 85% ist. Bevorzugt ist die Mischung mindestens zu 50% gesättigt.
Die minimale Menge an Luft, die zum Tragen der Reagentien und des Lösungsmittels erforderlich ist, kann durch die üblichen Beziehungen er mit IeIt werden, wie die ideale Gasgleichung, den Dampfdruck und das Molekulargewicht der im einzelnen verwendeten Reagentien und Lösungsmittel.
Die relative Menge an Lösungsmittel und an Reagens, die verdampft werden muß, läßt sich aus der Löslichkeitsinformation und dem gewünschten gesamten Fluß des Reagens in Nachbarschaft des Substrats für eine gewünschte Beschichtungsstärke bei einem gegebenen Substrat und einer gegebenen Temperatur leicht ermitteln.
Das Verfahren nach der Erfindung kann verwendet werden, um Substrate in Form von kontinuierlichen Bändern oder eine Serie von diskreten Substraten zu behandeln. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein kontinuierliches Flachglas beschichtet. Das Flachglas kann nach beliebigen Verfahren z. B. nach dem Colburn-, Fourcault- oder Pittsburgh-Pennvernon-Verfahren oder nach dem Floatprozeß hergestellt sein. Die vorliegende Erfindung kann dazu dienen, um eine Beschichtung auf ein Substrat in vertikaler, horizontaler oder beliebig orientierter Ebene aufzubringen. Dieses ist ein besonders großer Vorteil der Erfindung.
In den folgenden Beispielen wird die Erfindung noch näher erläutert
Beispiel 1
Die hier verwendete Vorrichtung ist quer über ein Band von Floatglas zwischen dem Floatbad und einem Entspannungsofen angeordnet
Ein kontinuierliches Band aus klarem Glas von einer Breite von etwa 3 m und einer Dicke von etwa 635 mm wird unter der Beschickungsvorrichtung mit einer linearen Geschwindigkeit von etwa 635 m/Min, bewegt Oas Glas ist übliches Soda-KaJk-Siliciumdioxid-Glas mil einer Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts von etwa 88%.
Es wird eine Beschichtungslösung hergestellt, die pro 1 folgende Bestandteile enthält:
Eisenacetylacetonat 135,0 g
Chromacetylacetonat 39,6 g
Cobaltacetylacetonat 14,5 g
Melhylenchlorid 1 Liter
Die Beschichtungslösung wird durch die Leitung mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,761 pro Minute bei einem Druck von etwa 0,70 bar und einer Temperatur von etwa 21°C angefördert Die Zerstäubungsluft wird durch die Gasleitung bei einem Druck von etwa 035 bar und einer Temperatur von etwa 21°C angefördert.
Die Trägerluft wird durch die Verteilereinrichtung bei einem Druck von etwa 2,7 bar mit einer Geschwindigkeit von etwa 4,81 m3 pro Minute gefördert In den Vorheizern wird die Trägerluft auf etwa 2600C erwärmt und der Verdampfungskammer mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 bis 3 m durch die Gasverteilungsplatten zugeführt Die Eigenwärme der Luft ist ausreichend, um die Beschichtungslösung zu verdampfen und der erhaltenen Mischung aus Luft und den Dämpfen eine Temperatur im Bereich von etwa 204 bis 216° C zu geben.
Allen Erhitzern wird heißes öl von einer Temperatur von etwa 2100C zugeleitet Die die Verdampfungskammer verlassende Beschichtungsmischung, die durch den Verteiler und die Düsen geht, hat infolgedessen eine stabilisierte Temperatur von etwa 2100C Die Glastemperatur unter den Düsen liegt bei etwa 565° C. Das Verhältnis von Düse zu Abstand von dem Substrat ist b/a=2. Diese Bedingungen führen zu einer Strömung am Düsenausgang mit einer Reynoldszahl von 5000.
Die Vorrichtung wird für einen Zeitraum von 20 Minuten betrieben, um etwa 18,6 m2 Glas zu beschichten. Die erhaltene Beschichtung des Glases ist
Wi gleichförmig und das beschichtete Glas besitzt eine mittlere Durchlässigkeit des sichtbaren Lichtes von 40%, wobei die Schwankungen bei weniger als ±2% liegen, ausgenommen die extremen Randkanten des Glases, die außerhalb der Dimension der Düsen liegen.
1.5 Die Beschichtung zeichnet sich nicht nur dadurch aus, daß sie gleichförmiger ist sondern sie besitzt auch eine viel feinere Körnung als Beschichtungen, die unter Verwendung der gleichen Beschichtungsmaterialien
durch die bekannten Sprühmethodcn hergestellt wurden.
Beispiel 2
Die Arbeitsweise von Beispiel I wird cinigemale wiederholt, mit der Ausnahme, daß jedesmal ein Verliihrcnsparamcter geändert wird, um seinen EinfluQ auf die erhaltene Beschichtung zu ermitteln.
Das Verfahren wird zuerst bei einer Austrittsströmung mit einer Reynoldszahl von 2500 wiederholt. Die erhaltene Beschichtung besitzt eine ausgezeichnete Qualität, wie bei Beispiel I, obwohl die mittlere Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts 50% beträgt, woraus hervorgeht, daß eine geringere Dcschiehtungs- oder Ablagerungs-Effizienz als bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erreicht wurde.
Dann wird das Verfahren mit einer Austrittsströmung mit einer Reynoldszahl von 2000 wiederholt. Die erhaltene Beschichtung ist dünner und weniger gleichförmig als bei Beispiel 1. Die mittlere Durchlässigkeit des sichtbaren Lichtes beträgt 60% mit einer Schwankung von ±5%. Derartige Schwankungen sind für Anwendungen im Bauwesen nicht zulässig.
In einem weiteren Versuch wird das Verfahren mit einer Austrittsöffnung mil einer Reynoldszahl von 7000 wiederholt. Die erhaltene Beschichtung besitzt eine ausgezeichnete Qualität, wie bei Beispiel 1.
Schließlich werden zwei Versuche mit Austrittsströ·
ίο iTHingcn mit einer Rcynolds/.ahl von 5000 gemacht. Bei einem Versuch ist das Verhältnis von Düse zum Subslratabstancl das 0,9faelic der Düsenweile und bei dem anderen isi der Abstand das 5fache der Düsenwcilc. Die erhaltenen Beschichtungen ergeben Produkte mit einer l.ichtdurchlassigkeit von weniger als 50%, doch liegen die Schwankungen in jedem Fall bei etwa ±3%, woraus hervorgeht, daß es sich hierbei um Grenzqualilätcn für zahlreiche Anwendungen im Bauwesen handelt.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von GIa:, mit hitzeempfindlichen Reagentien, wobei mindestens ein Beschichtungsreagenz durch die Wärme des Trägergases verdampft und als Gasgemisch mit dem Trägergas gegen die zu beschichtende Oberfläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsreagens in den vorher erwärmten, unter Druck stehenden Trägergasstrom, der genügend Eigenwärme besitzt, um das Beschichtungsreagens vollständig zu verdampfen und auf eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur zu erwärmen, dispergiert wird, wobei unter Druck stehendes Zerstäubungsgas verwendet wird und Zerstäubungsgas und Beschichtungsreagens eine Temperatur haben, die erheblich niedriger ist, als die Temperatur des Trägergases.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsreagens in einem Lösungsmittel gelöst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Temperatur, bei der Trägergas und verdampftes Beschichtungsreagens vermischt werden, die Mischung ungesättigt ist.
DE2361744A 1972-12-15 1973-12-12 Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von Glas Ceased DE2361744B2 (de)

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