DE2833743A1 - Verfahren zur herstellung poroesen kohlenstoff-flaechenmaterials - Google Patents

Verfahren zur herstellung poroesen kohlenstoff-flaechenmaterials

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DE2833743A1 DE19782833743 DE2833743A DE2833743A1 DE 2833743 A1 DE2833743 A1 DE 2833743A1 DE 19782833743 DE19782833743 DE 19782833743 DE 2833743 A DE2833743 A DE 2833743A DE 2833743 A1 DE2833743 A1 DE 2833743A1
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Description

Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl
Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München
UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION, IhrZeichen/Yourref.
Hartford, Connecticut 06101, UnserZeichen/Ourref. U 610
V. St'.
Datum/Date J Aug. 1978
Verfahren zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Kohlenstoff-Erzeugnisses, insbesondere eines Elektrodensubstrats zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Brennstoffzelle.
Zahlreiche Verfahren zur Herstellung poröser Kohlenstoff-Erzeugnisse und porösen Kohlenstoff-Papiers, wie sie als Elektrodensubstrat in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Brennstoffzelle, verwendet werden können, sind bekannt. Ein Verfahren zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Papiers ist in der US-PS 3 829 327 beschrieben. Das nach dem Verfahren dieser Patentschrift hergestellte Papier soll gute chemische, Wärme- und Strukturstabilität sowie Gasdurchlässigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Zu dem dort beschriebenen Verfahren gehört
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grundsätzlich das überziehen eines Bahnmaterials aus Kohlenstoffasern mit Kohlenstoff nach einem chemischen Dampfabscheidungsverfahren. Die Abscheidung von Kohlenstoff verbessert die elektrische Leitfähigkeit des Kohlenstof fbahnmaterials , bindet die Kohlenstoffasern zusammen und verbessert die Gesamtfestigkeit des Papiers. Das Verfahren ist jedoch teuer im Hinblick auf die Stufe der Dampfabscheidung. Ferner kann das Papier bei hohen Porositäten nicht die hohe Festigkeit besitzen, die für bestimmte Anwendungen wünschenswert wäre.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials ist in der US-PS 3 991 169 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Alkohol mit einem Siedepunkt über 1500C als vorübergehendes Bindemittel zur Bildung einer Pechfasermatte verwendet. Die Matte wird dann wärmebehandelt, wozu auch eine Verkohlung in nicht-oxydierender Atmosphäre gehört. Während der Wärmebehandlung wird der Alkohol weggebrannt, während die Einzelfasern in der Matte schmelzen und an ihren Berührungspunkten aneinander gebunden werden.
Zwei weitere Patentschriften, die für den Stand der Technik zur Herstellung poröser Kohlenstoff-Flächenmaterialien repräsentativ sind, sinidie US-PS 3 628 984 und 3 960 601. Keines dieser Verfahren und auch keines der früheren Verfahren führt zu der Festigkeit, elektrischen Leitfähigkeit, Porosität und Korrosionsschutz, wie sie für bestimmte anspruchsvolle Anwendungen notwendig sind, z.B. für Substrate für Elektroden von Brennstoffzellen.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines weniger kostspieligen Verfahrens zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials sowie hochporösen Kohlenstoff-Flächenmaterials, das auch gute Festigkeit aufweist; es soll sich
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als Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle eignen und gasdurchlässig, wärmeleitfähig, elektrisch leitfähig, gegenüber Phosphorsäure korrosionsbeständig und fest sein.
Erfindungsgemäß überzieht man zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials Kohlenstoffasern mit einem Gemisch aus Furfurylalkohol und einem Polymerisationskatalysator, bildet aus den überzogenen Fasern eine Matte, polyiieri^ieit^en^Furfurylalkohol^und härtet die Matte durch Erwärmen und verkohlt'die gehärtete Matte.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform findet das Verfahren Anwendung zur Herstellung von Brennstoffzellen-Elektrodensubstraten. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Polymerisationskatalysator mit Wasser verdünnte Phosphorsäure. Zur Herstellung des Elektrodensubstrats werden geschnittene Kohlepechfasern in einem Bad aus Furfurylalkohol, Phosphorsäure und Wasser dispergiert. Das Gemisch wird durch ein Sieb filtriert, um überschüssige Flüssigkeit zu entfernen, wobei eine Matte oder ein Vlies aus Kohlenstoffasern zurückbleibt, die mit der Badmischung überzogen sind. Die Matte wird erwärmt, um den Furfurylalkohol zu polymerisieren und das so gebildete Harz zu härten. Dann wird sie verkohlt, um die Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Brennstoffzellen-Phosphorsäureumgebung zu verbessern, in der sie verwendet werden soll. Bei der Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode aus diesem Substrat wird eine Schicht eines geeigneten Katalysators auf eine Oberfläche des Substrats nach irgendeinem bekannten Verfahren aufgebracht/Eine typische Katalysatorschicht weist ein Gemisch aus Platin (auf Kohleteilchen) und Polytetrafluoräthylen (als Bindemittel/naßfest machendes Mittel) auf. Wenn erforderlich,, kann das Kohlenfasersubstrat mit einem naßfest machenden Mittel, wie
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Polytetrafluoräthylen, imprägniert werden.
Im Vergleich zu anderen Verfahren, die zur Herstellung von Substraten für Elektroden von Brennstoffzellen angewandt und in Betracht gezogen wurden, liefert das erfindungsgemäße Verfahren Teile mit höherer Porosität ohne Preisgabe der Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit. Außerdem ist das Verfahren wirtschaftlich.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensubstrates zur Verwendung in einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind das Ausgangsmaterial für das Substrat aus Pech hergestellte Kohlenstoff asern, wenngleich irgendeine Kohlenstoffaser verwendet werden kann. Die Fasern sollten weniger als etwa 5,0 cm Länge aufweisen, um die Herstellung eines Flächenmaterials mit gleichförmigen und richtungsfreien Eigenschaften zu erleichtern. Fasern, die beträchtlich kürzer als 5,0 cm sind, z.B. in der Größenordnung von etwa 2,54 mm, werden bevorzugt.
Das Gemisch zum überziehen der Fasern wird durch Zusammenbringen geeigneter Mengen Furfurylalkohol, Phosphorsäure und Wasser hergestellt. Phosphorsäure ist der bevorzugte Polymerisationskatalysator, wenn das Elektrodensubstrat in einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle verwendet werden soll, da ihre Verwendung keinen nachteiligen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des Fertigprodukts zu haben scheint. Bei anderen Anwendungen können andere Polymerisationskatalysatoren geeigneter sein. Beispiele für weitere Katalysatoren, die Furfurylalkohol polymerisieren und beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind Salzsäure, Maleinsäure,
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Maleinsäureanhydrid und Toluolsulfonsäure.
Jedes Verfahren zum Aufbringen eines gleichförmigen Überzugs des Gemische auf die Fasern kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden. Vorzugsweise wird ein Bad hergestellt, das den Furfurylalkohol, Phosphorsäure und Wasser enthält. Die Kohlenstoffasern werden in einen Kastenrahmen mit einem entfernbaren Siebboden gebracht. Die Siebabmessungen sind die Abmessungen des herzustellenden Flächenmaterials. Die Zahl der auf das Sieb gebrachten Fasern wird vorherbestimmt, um ein Flächenmaterial der gewünschten Dicke zu ergeben. Der Kasten wird in das Bad abgesenkt. Die Fasern bilden in dem Kasten eine Aufschlämmung und setzen sich nach mehreren Minuten in einer gleichförmigen Schicht wieder auf dem Sieb ab. Der Kasten und das Sieb werden dem Bad entnommen und das Sieb aus dem Rahmen entfernt. Die Schicht der überzogenen Fasern wird mit der Unterseite nach oben auf ein Trockensieb gekippt und abtropfen gelassen. Um ein Faservlies gleichförmiger Dicke erhalten zu können, sollte die Viskosität des flüssigen Gemischs, das die Fasern überzieht, niedrig sein, was im vorliegenden Falle die Größenordnung der Viskosität von Wasser bedeuten soll, ist das Bad zu viskos, kann es sein, daß sich die Fasern nicht wieder auf dem Sieb absetzen, oder wenn sie sich absetzen, dann vielleicht nicht gleichförmig, oder das Absitzen kann zulange dauern. Die Viskosität des Bades steigt mit zunehmender Polymerisation des Furfurylalkohols. Das Gemisch sollte wenigstens mehrere Stunden seine niedere Viskosität beibehalten, so daß eine vernünftige Anzahl Teile hergestellt werden kann, bevor das Gemisch unbrauchbar ist. Da die Polymerisationsgeschwindigkeit durch die Katalysator- und Wassermenge im Gemisch gesteuert wird, müssen diese Mengen sorgfältig kontrolliert
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werden. Es muß genügend Katalysator vorliegen, um beim Erwärmen der Matte oder des Vlieses die Polymerisation zu gewährleisten; doch muß in Bezug auf die Katalysatormenge genügend Wasser vorliegen, um zu rasche Polymerisation des Badgemischs bei Raumtemperatur zu verhindern.
Wenngleich bei dieser Ausführungsform das Gemisch aus Furfurylalkohol, Phosphorsäure und Wasser hergestellt wird, bevor die Kohlenstoffasern zugegeben werden, ist dies für die Erfindung kein kritischer Punkt. Beispielsweise könnten die Kohlepechfasern zuerst im Furfurylalkohol dispergiert werden. Dann kann ein Wasser/Phosphorsäure-Gemisch zur Dispersion gegeben werden. Die nächste Stufe bei diesem beispielhaften Verfahren ist das Erwärmen der Matte oder des Vlieses zum Polymerisieren des Furfurylalkohol und zum Härten des so gebildeten Harzes. Vorzugsweise wird eine Temperatur zwischen 50 und 2000C angewandt. Ein besonders bevorzugter Bereich liegt zwischen 100 und 15O0C. Bevorzugt wird auch in einer oxydierenden Atmosphäre polymerisiert und gehärtet, da dies von Vorteil zu sein scheint, zumindest im Hinblick auf Elektrodensubstrate. Polymerisieren und Härten in oxydierender Atmosphäre mögen unwichtig sein, wenn das Kohlenstoff-Flächenmaterial für andere Anwendungszwecke verwendet werden soll.
Ein Teil des Furfurylalkohol wird beim Erwärmen verdampfen, bevor er polymerisiert, und deshalb muß beim Erhitzen in einer geschlossenen oxydierenden Atmosphäre darauf geachtet werden, daß die Entf laitunbarkeitsgrenze des Alkoholdampfs nicht erreicht wird, da eine Explosion die Folge sein kann. Wird weiter die Matte oder das Vlies zu rasch erhitzt, verdampft der Alkohol viel schneller als er polymerisiert, und zu wenig Polymerisat kann auf den Fasern
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zurückbleiben, was zu einer Matte oder einem Vlies mit ungenügender Festigkeit führt. Daher wird die Matte oder das Vlies vorzugsweise bei einer Temperatur nicht über etwa 2000C polymerisiert und gehärtet.
Die Festigkeit der Matte bzw. des Vlieses hängt direkt von der Menge des an der Verbindungsstelle zwischen den Fasern gebildeten Polymerisats ab. In den Anfangsstadien der Polymerisation löst das Erwärmen der Matte bzw. des Vlieses eine Umverteilung oder Wanderung des Überzugs zu den Verbindungsstellen hin aus. Eine geeignete Umverteilung scheint erforderlich zu sein, um eine angemessene Festigkeit in dem Material zu erhalten. Kann die Polymerisation sehr langsam verlaufen, z.B. bei Raumtemperaturen unter etwa 500C, kann es sein, daß diese Umverteilung oder Wanderung nicht in ausreichendem Maße eintritt und die Matte bzw. das Vlies verringerte Festigkeit aufweist. Dies ist der Grund dafür, warum die Polymerisation und Härtung bei Temperaturen über 5O0C bevorzugt wird. Eine zu langsame Polymerisation und ein ähnlicher Ausfall einer geeigneten Umverteilung des Überzugs auf den Faseroberflächen kann auch eintreten, wenn im Gemisch zu wenig Katalysator vorliegt oder das Gemisch zu viel Wasser relativ zur Katalysatormenge enthält.
Unter Berücksichtigung aller Umstände ergibt sich, daß das Überzugsgemisch wenigstens 70 Gew.-% und vorzugsweise wenigstens 85 % Furfurylalkohol, Rest Katalysator und Wasser, aufweisen sollte. Ist der Katalysator Phosphorsäure, sollte das Gemisch 0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen Lösung 85%iger H3PCK oder eine äquivalente Menge H3PO4, wenn eine Lösung anderer Stärke verwendet wird, enthalten. Im allgemeinen muß zumindest so viel Wasser wie H3PO4 im Gemisch vorliegen. Verwendet wurden Gemische mit dem 20-fachen der H3PO4 an Wasser. Manche schwachen
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Katalysatoren mögen Wasser nicht unbedingt benötigen.
Die Endstufe des Verfahrens ist die Verkohlung des gehärteten Harzes. Verunreinigungen werden entfernt und die Korrosionsbeständigkeit des Substrats gegenüber Chemikalien, wie Phosphorsäure, nimmt zu mit steigender maximaler Wärmebehandlungstemperatur. Auch die elektrische und Wärmeleitfähigkeit werden mit zunehmender Wärmebehandlungstemperatur verbessert. Wenn wie bei dieser beispielhaften Ausführungsform das Kohlenstoff-Flächenmaterial als Brennstoffzellen-Elektrodensubstrat in heißer Phosphorsäureumgebung verwendet werden soll, sollte es bei wenigstens 15000C und vorzugsweise bei wenigstens 19000C wärmebehandelt und verkohlt worden sein. Für andere Anwendungszwecke mag eine Wärmebehandlungstemperatur von bis herab zu 13000C angebracht sein. Diese Verkohlung muß in einer inerten Atmosphäre oder einem Vakuum erfolgen.
Beispiel 1
Ein Uberzugsgemisch wurde durch Mischen von 67 ml Furfurylalkohol mit 10 ml eines Sols aus 125 ml Wasser und 2,5 ml 85%iger HUPO. hergestellt. Das Gemisch wurde in einen großen Behälter gebracht. Ein Teil des Gemischs wurde dem Behälter entnommen und mit etwa 2,2 g geschnittener Pechfasern (Union Carbide) zu einer Aufschlämmung gemischt. Die verwendeten Fasern waren etwa 2,54 mm lang. Die Fasermenge wurde so berechnet, daß ein Teil mit der gewünschten Porosität und den gewünschten Abmessungen entstand. Ein vierseitiger Rahmen und ein Siebboden wurden in den großen Behälter mit dem Alkoholgemisch abgesenkt und die Aufschlämmung in den Rahmen gegossen. Der Brei wurde 2 oder 3 min absitzen gelassen, dann wurde der Rahmen mit den Fasern auf dem Sieb in dünnerer, gleichförmiger Schicht mit etwa 9,3 cm2 und 0,33 mm Dicke aus der Lösung
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gehoben. Das Sieb mit der aufliegenden Schicht oder Matte der Fasern wurde aus dem Rahmen genommen und ein Trokkensieb wurde oben auf die Fasern gebracht. Die beiden Siebe wurden gewendet und das Rahmensieb abgehoben, worauf die Faserschicht auf dem Trockensieb zurückblieb. Überschüssige Flüssigkeit konnte von der Schicht abtropfen. Die Fasermatte wurde in einem Ofen bei 1040C (2200F) 1 h getrocknet, um den Furfurylalkohol zu polymerisieren und das so entstandene Harz voll auszuhärten. Die gehärtete Matte wurde dann in einer inerten Atmosphäre 3 Wochen bei einer Temperatur zwischen 2600 und 30000C verkohlt. Der bei der Verkohlungsstufe angewandte Erhitzungszyklus wird nicht als Teil der Erfindung betrachtet und andere Wärmebehandlungen, die wesentlich weniger als 3 Wochen erfordern, wie z.B. in der Größenordnung von 5 oder 6 Tagen oder sogar noch weniger, können angewandt werden.
Das nach der Methode des vorhergehenden Beispiels hergestellte Substrat hatte eine Porosität von 85 %, eine mittlere Porengröße von 72 Mikrometern, eine Reißkraft von 452 g, einen elektrischen Widerstand von 0,003 Ω/cm und ein Diffusionsvermögen von 0>10 cm2/s. Die Leistung in einer Brennstoffzelle war vergleichbar mit Substraten, die vor dem Auffinden des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet worden waren. Zudem ist das Substrat um etwa 10 % poröser als diese früheren Substrate ohne wesentlichen Verlust an Festigkeit.
Beispiel II
Ein weiteres Elektrodensubstrat wurde unter Anwendung der gleichen Arbeitsweise wie in Beispiel 1 hergestellt mit · der Ausnahme, daß das Gemisch zum überziehen durch Mischen von 95,0 g Furfurylalkohol, 5,0 g 85%iger H3PO4 und 5,0 g Wasser hergestellt worden war. Dieses Substrat
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war von gleicher Größe und Porosität wie das Substrat des Beispiels 1. Seine Eigenschaften waren auch ähnlich denen des Substrats des Beispiels 1.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß zahlreiche andere Abwandlungen und Weglassungen in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Claims (16)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials, gekennzeichnet durch folgende Stufen: überziehen von Kohlenstoffasern mit einem niedrigviskosen Gemisch aus Furfurylalkohol, einem Katalysator, der Furfurylalkohol polymerisiert, und Wasser, Bilden einer Matte aus den überzogenen Fasern, Erwärmen der Matte zum Polymerisieren des Furfurylalkohol und Härten des so gebildeten Harzes und Verkohlen der gehärteten Matte durch Erhitzen auf wenigstens 13000C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gemischs mit wenigstens 70 Gew.-% Furfurylalkohol .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kohlepechfasern als Kohlenstoffasern.
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ORIGINAL INSPECTED
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von Phosphorsäure als Polymerisationskatalysator.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gemischs aus wenigstens 70 Gew.-% Furfurylalkohol, 0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen Lösung 85%iger Phosphorsäure oder einer äquivalenten Menge an Phosphorsäure, Rest Wasser.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gemischs mit wenigstens 85 Gew.-% Furfurylalkohol.
7. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Erhitzen der Matte auf 50 bis 2000C zum Polymerisieren des Furfurylalkohols.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Überziehen geschnittener Kohlenstoffasern mit einem niedrig-viskosen Gemisch aus wenigstens 70 Gew.-% Furfurylalkohol, 0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen Lösung aus 85%iger Phosphorsäure oder einer äquivalenten Menge an Phosphorsäure, Rest Wasser,
Bilden einer Matte aus den überzogenen Fasern, Polymerisieren des Furfurylalkohols und Härten der Matte durch Erwärmen auf 50 bis 2000C und Verkohlen der gehärteten Matte durch Erhitzen auf wenigstens 15000C.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerisieren des Furfurylalkohols und das Härten der Matte durch Erwärmen der Matte auf 100 bis 1500C erfolgt.
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10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerisieren des Furfurylalkohol und das Härten der Matte in oxydierender Atmosphäre erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zur Herstellung eines Substrats für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum überziehen der Kohlenstoffasern die Fasern in einem Bad aus dem Gemisch dispergiert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verkohlen die gehärtete Matte auf wenigstens 19000C erhitzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoffasern von weniger als etwa 5,08 cm Länge verwendet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
überziehen geschnittener Kohlenpechfasern von weniger als etwa 5,08 cm Länge mit einem Gemisch aus wenigstens 85 % Furfurylalkohol, 0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen Lösung 85%iger Phosphorsäure oder einer äquivalenten Menge an Phosphorsäure, Rest Wasser, Bilden einer Matte aus den überzogenen Fasern, Polymerisieren des Furfurylalkohol und vollständiges Aushärten der Matte durch Erwärmen auf 100 bis 1500C in oxydierender Atmosphäre und
Verkohlen der gehärteten Matte durch Erhitzen auf wenigstens 15000C.
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16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum überziehen der Kohlenstoffasern die Fasern in einem Bad aus dem Gemisch dispergiert werden und zum Verkohlen die Matte auf wenigstens 19000C erhitzt wird.
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