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Trommel und Verfahren zur chemischen Oberflächenbehandlung
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schüttfähiger Massenteile in wässrigen Behandlungslösungen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur chemischen Oberflächenbehandlung,
vornehmlich zum Beizen schüttfähiger Massenteile aus Metallen oder Kunststoffen,
bestehend aus einer, die schüttfähigen Massenteile aufnehmenden, um eine Rotationsachse
drehenden, mit Perforationen in ihrem Mantel versehenen und in wässrigen Lösungen
eintauchenden Trommel, welche sowohl aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff,
beispielsweise aus einem Kunststoff, oder aus einem elektrisch leitenden Werkstoff,
beispielsweise aus einem Metall, bestehen kann.
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Es ist bekannt, schüttfähige Massenteile aus Metallen oder Kunststoffen
in einer sogenannten Trommel zu beizen. Die Trommel besteht im wesentlichen aus
einem prismatischen oder zylindrischen Mantel, der zwischen zwei, zueinander parallelen
Stirnseiten starr befestigt ist. Der Trommelmantel hat meistens eine sechseckige
Form und wird mit Perforationen versehen. Der besagte'Mantel hat eine , als Deckel
genannte abnehmbare Seite. Durch die,vom Deckel verschlossene Öffnung im
Trommelmantel
werden die, zur Behandlung bestimmten schüttfähigen Massenteile chargenweise in
die Trommel eingefüllt bzw. aus dieser, nach abgeschlossener chemischer Behandlung,
entleert. Die Trommel taucht in eine Anzahl von wässrigen Lösungen nach einer vorgegebenen
Folge ein, um den erforderlichen Prozess für die Oberflächenbehandlung der Massenteile
durchzuführen. Diese Lösungen können sowohl alkalisch als auch sauer sein; nach
jedem Behandlungsschritt taucht die Trommel im allgemeinen in ein, mit Wasser gefülltes
Spülbad ein.
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Eine solche Trommel dreht sich um ihre Symmetrieachse mit einer Geschwindigkeit,
die größenordnungsmäßig bei rund 10 Umdrehungen in der Minute liegt. Symmetrie-
und Rotationsachse der Trommel sind von wenigen Ausnahmen abgesehen, identisch.
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Die beiden Stirnseiten der Trommel sind mit zentralen Lagern versehen,
in denen die Achsen zweier zugeordneter Haltearme der Vorrichtung eingreifen. Die
Haltearme sind wiederum an einem in die Behandlungslösungen nicht eintauchenden
Traggerüst befestigt. An einer der beiden Stirnseiten ist ein Zahnrad vorgesehen,
welches den, von einer motorischen Quelle (meistens von einem, auf dem Traggerüst
auf gesetzten elektrischen Getriebemotor) kommenden Rotationsantrieb übernimmt und
damit die Trommel in eine kontinuierliche drehende Bewegung in den Behandlungslösungen
versetzt.
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Der Innenraum der Trommel wird im allgemeinen zu 80 % mit den Massenteilen
gefüllt, um eine möglichst hohe Auslastung (Leistung) des verfügbaren Trommelvolumens
zu erreichen.
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Es ist bekannt, daß 1. erreichbare Qualitäten der, in der Trommel
behandelten Oberflächen der Massenteile und 2. die Geschwindigkeit, mit welcher
ein solcher Behandlungsprozess in den einzelnen wässrigen Lösungen durchgeführt
werden kann,
im wesentlichen davon abhängt, daß die, die Oberfläche
der Massenteile ständig benetzenden Lösungsmengen tunlichst unverbraucht sind. Damit
die einzelnen Lösungen richtig auf die exponierten Oberflächen der Massenteile einwirken
können, muß ihre Konzentration und Temperatur während der vorgegebenen Eintauchzeiten
konstant gehalten werden.
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Die bekannten Trommeln prismatischer oder zylindrischer Raumform sind
rotationssymmetrische Körper, die als hydraulisch glatt zu bezeichnen sind. Es gibt
keine nennenswerten Kräfte entlang des perforierten peripheren Mantels, die einen
Austausch ( eine Strömung) der Behandlungslösung aus dem Inneren der Trommel nach
außen bzw, umgekehrt, aus der umgebenden Behandlungslösung in das Innere der Trommel
herbeiführen können. Es erfolgt somit kein intensiver ösungsaustausch durch den
Trommelmantel ( und zwar unabhängig von der Drehzahl der Trommel, vom Durchmesser
der Perforationen in dem Trommelmantel, der Anordnungsdichte dieser Perforationen
sowie der Dicke des, aus Platten hergestellten Mantels).
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Ein zu geringer Lösungsaustausch bedeutet eine nicht hinreichende
Regenerierung der, sich während der Behandlungszeit verbrauchenden Lösung im Trommelinneren.
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Das Konglomerat der, in der Trommel befindlichen und diese um mindestens
80 % ausfüllenden Massenteile rotiert eigentlich synchron mit dem Trommelmantel.
Es kommt daher zu keiner Regenerierung im technischen Maßstab der, durch die große
Masse der Charge aus dem Innenraum der bekannten Trommeln verdrängten und daher
nur in geringer Menge vorhandenen Behandlungslösung. Die, in der Trommel eingeschlossene
Lösungsmenge verbraucht sich daher durch den fortschreitenden Prozess sehr schnell,
Die, in der großen Charge an Massenteile eingekapselte Lösungsmenge rotiert stationär
mit dieser mit.
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Die Relativbewegung zwischen der Oberfläche des einzelnen Massenteiles
und der, diese umgebende Lösung ist folglich vernachlässigbar klein; es findet keine
praktische Erneuerung ( Regenerierung) des, für den Behandlungsprozess entscheidenden
und an der Oberfläche des einzelnen Massenteiles haftenden
Flüssigkeitsfilmes
statt.
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Die mangelnde Regeneration des Lösungsfilmes an der Oberfläche der
Massenteile wirkt sich besonders in dem Bereich rund um die Rotationsachse der Trommel
intensiv aus. Dieser zylinderförmige Bereich, der sich von einer Stirnseite der
Trommel bis zu der anderen erstreckt, kann als eine zentralsymmetrische Zone stark
verminderter (Beiz-) Leistung definiert werden. Ein Einströmen frischer Behandlungslösung
in diese Zone ist praktisch nicht möglich; Massenteile der Charge, die sich unmittelbar
nach dem Einfüllen in die Trommel in dieser Zone befinden, haben keine Möglichkeit
mehr, infolge fehlender mechanischer Kräfte, während der langsamen Rotationsbewegung
der Trommel in die Randbereiche der Charge zu gelangen und dort an einer, entsprechend
schnelleren Relativbewegung gegenüber der, sie umgebende Lösung ausgesetzt zu sein,
Die sheblichen Mängel der bekannten Trommel sind offensichtlich die längeren Behandlungszeiten,
ein folglich geringerer Produktionsdurchsatz durch die gesamte Anlage und vor allem,
qualitativ minderwertige Behandlungseffekte an den Oberflächen der Massenteile.
Bedingt durch die Position des Massenteils in der Charge können qualitative Unterschiede
in den erreichten Oberflächengüten von Massenteil zu Massenteil der gleichen Charge
beobachtet werden. Der Ausschußanteil ist entsprechend hoch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur chemischen Oberflächenbehandlung schüttfähiger Massenteile zu schaffen,
bei welcher die Trommel keinerlei Beschränkungen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit
unterliegt und mittels welcher qualitativ hochwertig (chemisch) behandelte Oberflächen
bei gle.ichfalls hohen Wirkungsgraden erzielbar sind. Ausgehend von dem eingangs
beschriebenen und mit erheblichen Mängeln behafteten Stand der Technik, wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trommel einen vorzugsweise koaxial
zu ihrer Rotationsachse
angeordneten, aus einem elektrisch nicht
leitenden Werkstoff, beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus einem elektrisch
leitenden Werkstoff, beispielsweise aus einem Metall bestehenden Innenzylinder k-reisförmigen
und polygonalen Querschnitts aufweist, wobei der Trommelmantel und der darin befindliche
Innenzylinder einen ringförmigen Innenraum in der besagten Trommel bilden.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eliminiert der Innenzylinder
den zentralen um die Rotationsachse auftretenden inaktiven Bereich der Trommel vollständig
und zwar, indem der Innenzylinder diesen toten Raum einnimmt. Die erfindungsgemäße
Maßnahme schafft somit einen Ringraum innerhalb der Trommel, welcher zur Aufnahme
der Charge, also der zu behandelnden Massenteile bestimmt ist.
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Der ringförmige Innenraum wird mindestens so weit mit Massenteilen
gefüllt, daß bei jeder einzelnen Umdrehung der Trommel jedes einzelne der Massenteile
über den Innenzylinder wandert ( fällt ). Der Ringraum wird also zumindestens zu
50 %, vorzugsweise jedoch zu 80 bis 90 % mit Massenteilen gefüllt. Die Geschwindigkeit
des einzelnen Massenteiles gegenüber der potentiell stehenden Behandlungslösung
hängt somit von seiner Entfernung zum Rotationsmittelpunkt ( zur Rotationsachse
der Trommel ) ab. Der Innenzylinder schließt die Bildung des bewegungsinaktiven
Chargenkernes vollständig aus, dessen Platz wird von dem Hohlraum des Zylinders
eingenommen. Die Massenteile beschreiben Kreisbahnen um den Innenzylinder; ist dessen
Diameter groß, so ist auch der Durchmesser der Kreisbahn entsprechend groß. Durch
das kontinuierliche Kreisen der Massenteile um den Innenzylinder ist die elativgeschwindigkeit
der einzelnen Massenteile also konstruktiv bestimmbar und kann so - im Zusammenwirken
mit der Drehzahl der Trommel - vorgegeben werden ( und zwar hinreichend hoch, um
den verfahrenstechnischen Erfordernissen der vor sich gehenden Oberflächenbehandlung.
zu genügen).
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Die konstante, intensivierte Regenerierung der, als Flüssigkeitsfilrn
an den Oberflächen der Massenteilen anhaftenden Behandlungslösung schließt die bekannten
Mängel weitgehendst aus; die Qualität ( Güte) der erreichbaren Oberflächenbehandlung
ist selbst für den erfahrenen Fachmann überraschend hoch. Die Gleichmäßigkeit der
behandelten Oberflächc (sowohl im Vergleich von Einzelteil der Charge zu jedem beliebigen
anderen derselben, als auch auf der gesamten Oberfläche jedes einzelnen Teiles )
vermindert den Ausschuß auf ein Minimum. Die Konstanz ( die Konzentration und die
Temperatur ) der, die Massenteile benetzenden Lösung erlaubt eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit
und somit einen erheblich verkürzten Aufenthalt ( als bei Trommeln bekannter Bauart)
in den einzelnen Lösungen des Behandlungsprozesses; der Durchsatz der gesamten Anlage
wird durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Trommeln im verstärkten Maße gesteigert.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mittels des Innenzylinders kann
desgleichen zu einer Vergrößerung der aktiven Chargen-Hüllfläche führen. Eine besondere
Maßnahme der Erfindung sieht vor, den Zylinder mit Perforationen zu versehen. Die,
solcherart vergrößerte flüssigkeitsdurchlässige Hüllfläche der Charge ( die nun
sowohl an dem bekannten perforierten Außenmantel der Trommel und als auch an dem
nun perforierten Innenzylinder anliegt) kann eine verhältnisgleiche Steigerung des
Lösungsaustausches bewirken.
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Die, durch den Innenzylinder bewirkte räumliche Verteilung einer,
sich ständig durchmischenden großen Charge im erfindungsgemäßen Ringraum ermöglicht
jedem einzelnen Teil der Charge, seine Position - je einzelne Umdrehung der Trommel
-vollständig zu verändern; die Beseitigung des bewegungsinaktiven Chargenkerns steigert
folglich die Durchmischung der Massenteile und verbessert somit qualitativ ihre,
in der Trommel behandelten Oberflächen.
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Es gibt viele längliche Massenteile dünnen Querschnittes ( beispielsweise
Transistoren im Bereich der Elektronik, längliche Steckkontakte in der Elektrotechnik
oder übliche Steck- sowie Nähnadeln), die dazu neigen, während der Rotationsbewegung
in den bekannten Trommeln schneeballförmige Klumpen zu bilden und auf diese Weise
den Behandlungsprozess erheblich erschweren, wenn nicht gar unmöglich machen. Die
betriebsmäßige Erfahrung mit den erfindungsgemäßen Trommeln hat dagegen gezeigt,
daß es genügt, diese nur zur Hälfte oder knapp darüber zu füllen, um die zusammengeballten
Massenteile während der Rotationsbewegung vom Scheitel des Innenzylinders-frei auf
den Boden der Trommel fallen zu lassen und damit die schneeballförmigen Klumpen
vollständig aufzulösen.
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Vergleichbar günstige Ergebnisse wurden auch bei der Oberflächenbehandlung
von Ketten, angefangen von kleinen für Modeschmuck bis zu großen für Schneeketten,gewonnen.
Die -Behandlung in den bekannten Trommeln führt dazu, daß die Ketten - anschließend
an ihre Oberflächenbehandlung - lange Zeit in Anspruch nehmen, um wieder entwirrt
zu werden. In den erfindungsgemäßen Trommeln hingegen rotieren die Ketten in einer
Ruhestellung und ändern ihre Position nur während des Ubergangs über den Innenzylinder;
eine Verwindung der behandelten Ketten tritt nicht auf.
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Der Erfindung gemäß ist jener, durch Innenzylinder und Trommelmantel
gebildete Ringraum .vorzugsweise konzentrisch gesta.ltet.
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Es entspricht jedoch im weiteren Sinne der Erfindung, den Innenzylinder
nicht konzentrisch innerhalb des Trommelmantels anzuordnen. Die, sich dadurch ergebende
Unsymmetrie des Ringraumes fördert die Durchmischung der Massenteile und ihre Relativbewegung
gegenüber der im Ringraum eingeschlossenen Behandlungslösung ( während der Trommelrotation).
Eine weitere, die Behandlungslösung begünstigende Maßnahme sieht vor, die Rotationsachse
des Trommelmantels von jener seiner Symmetrie zu trennen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die parallel
zur Rotationsachse gemessene Länge des Trommelmantels kleiner als jene des, senkrecht
zur Rotationsachse stehenden Durchmessers des gleichen Trommelmantels. Der Trommelkörper
nimmt die Gestalt einer flachen Scheibe an.
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Es erscheint dabei in den vielen Anwendungsfällen nützlich, auch die
beiden Stirnseiten mit Perforationen zu versehen, um den Austausch der sich verbrauchenden
Behandlungslösung aus dem Ringraum gegenüber der frischen, die Trommel umgebenden
Lösung zu verstärken. Die Erfindung setzt ferner voraus, daß der Innenzylinder synchron
mit dem Trommelmantel rotiert.
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Durch den Gleichlauf beider Bauelemente wird verhindert, daß sich
das Konglomerat der Massenteile zwischen dem Mantel und dem Zylinder verklemmen
kann. Solche Verklemmungen führen zu mechanischen Beschädigungen der Massenteile
und blockieren gegebenenfalls die gesamte Trommelvorrichtung.
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Der Austausch der Behandlungslösung aus dem Ringraum kann vorteilhafterweise
durch die Anordnung von schaufelförmigen Leitblechen an der Außenseite des.Trommelmantels
erreicht werden. Die bekannten, zentral-symmetrischen und um ihre Symmetrieachse
rotierenden Trommeln sind als hydraulisch glatte Körper zu bezeichnen. Ein Austausch
( eine Strömung ) der Lösung aus dem Trommelinneren nach außen und umgekehrt rinde
mangels eines Druckabfalls ( in der Behandlungslösung) in der gewünschten Richtung
nicht statt. Die Erfindung beabsichtigt, durch die Anordnung einer bestimmten Anzahl
von Leitblechen den zuvor beschriebenen Gleichgewichtszustand zu zerstören und somit
eine Strömung der Behandlungslösung durch die perforierte Wandung des Trommelmantels
( bzw. auch des Zylinders oder der, gegebenenfalls perforierten Stirnseiten ) herbeizuführen.
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Das einzelne Leitblech wird vorzugsweise an einer Ecke des Trommelmantels
befestigt, sofern dieser polygonalen Querschnitts ist. Das Blech wird geneigt zur
zugehörigen Mantelseite vorgesehen, indem es einen spitzen Winkel mit diesem
einschließt.
Die Drehrichtung der Trommel wird so gewählt, daß die Winkelspitze entgegen der
Drehrichtung zeigt. Das geneigte Blech erfaßt die, im Mantelbereich befindliche
Lösung und drängt diese durch die anliegende perforierte Mantelseite ( als zweiten
Schenkel des spitzen Winkels) in das Innere der Trommel hinein. Der auftretende
Druckunterschied ( die Lösung strömung ) setzt sich offensichtlich auch innerhalb
der Charge kräftig fort; der, die Oberflächen der Massenteile benetzende Lösungsfilm
wird solcherart kontinuierlich sowie wirksam regeneriert, und zwar auch dann, wenn
sich das einzelne Massenteil nicht im Randbereich der Charge, sondern in dessen
Mitte befindet. Der ständige und intensive Zufluß an frischer Behandlungslösung
beschleunigt entsprechend den (Beiz-) Vorgang an den Oberflächen der Massenteile
und steigert gleichzeitig die Qualität der erreichbaren Oberflächengüte.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die erfindungsgemäßen
Leitbleche am Trommelmantel nicht regelmäßig, d.h.
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nicht an al-len Ecken des - gegebenenfalls - polygonalen Mantels anzuordnen.
Die Anordnung soll vielmehr unregelmäßig erfolgen ( beispielsweise nur an drei benachbarten
Ecken eines hexagonalen Trommelmantels, wobei die.übrigen drei Ecken des gleichen
Mantels keine Leitbleche erhalten).
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Die unregelmäßige Anordnung erzeugt Bereiche unterschiedlicher -hydraulischer
Drücke und stellt somit jene gerichteten Druckunterschiede her, welche für das Zustandekommen
einer Strömung durch die perforierte Trommelwand unbedingt notwendig sind.
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In den Fi-guren wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt.
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Figur i zeigt perspektivisch eine Trommel hexagonalen Qtierschnittes,
- ausgestattet mit dem erfindungsgemäßen, zentralen Innenzylinder, wobei ein Schnitt
senkrecht zur Rotations- und Symmetrieachse der Trommel vorgenommen wurde.
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Figur 2 stellt einen L<ings- und Querschnitt der in Figur 1 gezeigten
Trommel dar.
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13ei dem drestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Trommel
sechseckigen Querschnittes; es können jedoch auch Trommeln kreisrunden Querschnittes
verwendet werden. Die, parallel zur Rotations- und Symmetrieachse A - A gemessene
Länge der Trommel ist größer als die Länge ihres ' ( ihrer), senkrecht zur besagten
Achse gemessenen Durchmessers ( Schlüsselweite).
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Es hat sich als besonders vorteilhaft eine Ausführungsform der Erfindung
erwiesen, deren achsparallele Trommel-Länge erheblich kürzer als die Länge des,
zuvor definierten Durchmessers (als der Schlüsselweitc) ist.
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Die Trommel ist in den Figuren 1 und 2 ganz allgemein mit 10 bezeichnet;
ihre Drehrichtung wird in Figur 2 durch einen Pfeil kenntlich gemacht. Die Trommel
10 möge in den einzelnen Behandlungslösungen mit n Umdrehungen in der Minute rotieren.
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Es ist davon abgesehen worden, in den Figuren die Tragarme der Trommel,
ihren motorischen Antrieb sowie ihren oberen Aufbau darzustellen; der mechanische
Aufbau eines Trommel-Aggregates entspricht dem allgemein bekannten Stand der Technik.
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Die Trommel 10 besitzt ein Paar im Abstand voneinander angeordneter
paralleler Stirnseiten 11 und 12; die Stirnseite 12 ist mit einem Zahnkranz versehen,
um, über entsprechende und nicht dargestellte Zahnrad-Ritzel, den drehmotorischen
Antrieb für die Rotation der Trommel 10 übernehmen zu können.
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Der prismatische Trommelmantel 13 ist mit den Stirnseiten 11 sowie
12 drehfest verbunden und mit Perforationen 14 versehen.
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Die Trommel 10 weist ferner eine Bes-chickungs- und Entleerungsöffnung
auf, welche mittels des abnehmbaren Deckels 15 verschlossen wird. Der Deckel 15
ist meistens perforiert.
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koaxial zur Rotationsachse angeordneter Innenzylinder 16 erstreckt
sich zwischen den Stirnseiten 11 und 12. Die Trommel 10 kann sowohl aus elektrisch
nichtleitenden ( meistens syntetischer als auch metallischen in den verschiedenen
Behandlungslösungen
chemisch beständigen Werkstoffeii bestehend.
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Die in den Figuren 1 uiid 2 dargestellte Trommel 10 enthält rille
Charge 1 aus schüttfähigen Massenteilen, dercll Oberflächeii in den chemischen Lösungen
behandelt werden. I)ie Charge 1 befindet sich in dem, durch den Trommelmantel 13
und den Innenzylinder 16 gebildeten ringförmigen Raum innerhalb der Trommel 10.
Die Charge 1 fülit den Ringraum größtenteils aus und deckt im im ullemeinen den
Innenzylinder 16 vollständig-ab. Die Charge 1 ist dann am günstigsten bemessen,
wenn der Innenzylinder 16 von den Massenteilen knapp bedeckt wird und somit hinreichend
viel Raum für den Durchmischungsvorgang der Massenteile frei bleibt. Die Massenteile
kollern - in Pfeilrichtung - während der konstanten Drehung der Trommel 10 über
den Innenzylinder 16 entlang einer Langen Falllinie ( einer steilen Böschung) und
erfahren nicht nur eine ausgezeichnet Durchmischung, sondern als Haupteffekt einen
auβerordentlich wirksamen Austausch der, durch die Behandltng weitgehend verbrauchten
Lösung, welche an ihren Oberflächen haftet. Dieser, fiir die Qualität und Intensität
des Behandlungsprozesses entscheidende Effekt kommt hauptsächlich durch zwei verfahrensbedingte
Merkmale der Erfindung zustande: 1. Durch die erzwungene große Relativbewegung (-geschwindigkeit)
zwischen den Oberflächen der einzelnen Massenteile und der, diese umgebende Behandlungslösung
( durch welche sie infolge der Trommelrotation wandern) sowie 2. durch den Stoß,
welchen die über den Iinenzylinder 1G fallenden Massenteile erhalten und spontan
zum Austausch des, als film an ihren Oberflächen haftenden verbrauchten Behandlungslösung
führt.
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Zufolge des beschriebenen Mechanismus wird die verbrauchte Behandlungslösung
aus dem, die Oberfläche der Massenteile benetzenden Film entfernt und durch die
ständige Zufuhr neuer, unverbrauchter Lösung regeneriert.
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Der Innenzylinder 16 kann sowohl perforiert als auch nichtperforiert
seils; seine geometrische Position niuß nicht zwingend koaxial mit jeilei des Trommelmantels
13 sein. Versuche habell gezeigt, daß in besonderen Fällen eine exzentrische Position
des Innenzylinders 16 vorzuziehen ist.
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I)i( erfindungsgemäße Trommel eignet sich besonders vorteilhaft zum
Beizen sowie zur stromlosen ( nicht elektrolytischen) Metallisierung metallischer
oder synttischer Massenteile.
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Als Beispiel möge das chemische Vernickeln, Versilbern oder Vergolden
genannt werden; diese Anwendungen betreffen meist metallische Massenteile. 4 Bestehen
die Massenteile aus synthetischen Werkstoffen ( wie beispielsweise aus ABS, Polypropylen
oder aus verschiedenen Harzen) so können diese iii der erfindungsfemäßen Trommel
nicht nur gebeizt, soiidern stromlos verkupfert oder vernickelt werden.
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Eine bevorzugt Anwendung der Erfindung zeigte sich bei der Oberflächenbehandlung
von Massenteilen aus Glas in wässrigen Lösungen.
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