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Die Erfindung betrifft zusammengesetzte
Strukturkörper
(wie Platten, Bohlen oder Balken), die Hanfwergstränge aufweisen.
Der industrielle Hanf ist eine Bastfaserpflanze, ähnlich dem
Flachs.
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Bastpflanzen erzeugen zwei Arten
von Fasern. Die äußeren Bastfasern
laufen in Längsrichtung
entlang der Peripherie des Halms. Bastfasern ertragen sehr hohe
Zugspannungen und werden typischerweise bei der Textilherstellung
verwendet sowie für
Tauwerk und Spezialpapiere. Hanfbastfasern werden außerdem für Faserbretter
mittlerer Dichte benutzt.
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Es besteht ein sehr hohes Interesse
an der Erzeugung von nicht-hölzernem
Lignozellulose-Baukonstruktionsmaterial, insbesondere im Hinblick
auf die Forsterhaltung und die Verwendung eines Abfallmaterials. So
ist beispielsweise Getreidestroh erfolgreich in ein ausgerichtetes
Strangbrett („OSB") eingebaut werden, das
Festigkeitseigenschaften aufweist, die ähnlich oder besser denjenigen
eines OSB aus Holz ähnlicher
Dicke sind. Eine Beschreibung des Verfahrens und der Vorrichtung
zur Herstellung einer Getreidestrohplatte läßt sich aus dem US-Patent Nr.
5,932,038 desselben Schutzrechtsinhabers entnehmen.
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Ein bedeutender Teil einer Hanfpflanze
ist das Werg, der das Kernfasermaterial im Stiel bildet. Aufgrund
der Kürze
der Faserlänge
und ihrer geringen Dichte ist das Werg als geeignetes Strukturmaterial
bisher nicht berücksichtigt
worden. Es ist nur marginal für
die Papierproduktion geeignet. Bei der Hanfverarbeitung tritt er
als Abfallprodukt von begrenztem Wert in Erscheinung, und zwar hauptsächlich als
ein Absorptionsmaterial. Dies ist unbefriedigend, weil das Werg
bis zu 70–75%
der Masse des Hanfpflanzenhalms ausmacht.
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Bekannt ist, Hanfwergmaterial als
Zementbindemittel zur Erzeugung eines Füllmaterials zu verwenden, das
sich in ähnlicher
Weise wie Zement handhaben läßt, indem
es in eine Form gegossen oder mit einer Kelle auf eine Oberfläche aufgetragen
wird. Im Stande der Technik findet sich jedoch kein Hinweis auf
die Ver wendung von Hanfwergfasern in einem Strukturkörper, beispielsweise
einem Brett, einer Tafel oder einem Träger.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Strukturkörpern, die Hanfwergfasern enthalten
sowie derartige Strukturkörper
selbst.
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Demzufolge betrifft die Erfindung
in einer Hinsicht ein Verfahren zur Bildung eines Strukturkörpers, das die
folgenden Schritte beinhaltet:
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- a) Behandlung einer Hanfpflanze zur Erzeugung
von Werg, das im wesentlichen frei von Bastfasern ist;
- b) Aufsplittern des Werg in Längsrichtung zur Herstellung
von Wergsträngen;
c) Zusetzen eines Bindemittels zu den Wergsträngen und
- d) Ausrichtung der Mehrheit der Wergstränge, so daß die Wergfasern in dem Strukturkörper im
wesentlichen parallel verlaufen, und
- e) Verpressen der Wergstränge
zu einer gewünschten
Form, wobei dem Bindemittel ermöglicht
wird zu erhärten.
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Die Wergstränge bestehen im wesentlichen
aus länglichen
Strängen,
deren Länge
größer ist
als etwa 20 mm bei einem Formverhältnis und Schlankheitsgrad
größer als
etwa 3 : 1. Kürzere
Stränge
können
niedrigere Form- und Schlankheitsverhältnisse von etwas 1 : 1 haben
für eine
Anwendung bei der Herstellung dünn-steifer
Platten beschränkter
Biegefestigkeit. Der Strukturkörper
kann ein Brett, eine Platte oder ein Balken sein.
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Das Verfahren kann ferner den Schritt
der Ausrichtung der überwiegenden
Mehrzahl der Wergstränge beinhalten,
so daß die
Wergfasern in dem Strukturkörper
im wesentlichen parallel verlaufen. Gemäß einer Ausführungsform,
die die strukturelle Festigkeit fördert, lassen sich die Wergstränge so verpressen,
daß die
strukturelle Dichte größer ist
als etwa 500 kg/cbm. Bei einer anderen Ausführungsform, die die Isolier-
und Schallabsorptionseigenschaften verstärkt, lassen sich die Wergstränge so verpressen,
daß die
Dichte des Strukturkörpers
geringer ist als etwa 350 kg/cbm.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
können
die Wergstränge
mit Holzsträngen
vermischt werden, um auf diese Weise einen Strukturkörper zu
schaffen, der aus Holz und Werg zusammengesetzt ist.
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In anderer Hinsicht betrifft die
Erfindung einen Strukturkörper,
der aus ausgerichteten Hanfwergsträngen und einem Harz zusammengesetzt
ist, wobei der genannte Körper
im wesentlichen frei von Hanfbaststrängen ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
von Ausführungsbeispielen
in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine grafische Darstellung eines Verpressungszyklus bei einer Platte
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
eine grafische Darstellung eines Verpressungszyklus bei einer anderen
Platte gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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3 zeigt
die Schallabsorptionseigenschaften von Strukturkörpern gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung schafft
einen Strukturkörper,
bestehend aus Hanfwergfasern, die durch ein Harz miteinander verbunden
sind, und betrifft ein Verfahren zur Herstellung derartiger Strukturkörper. Bei
der Beschreibung der Erfindung werden die folgenden Begriffe mit
den folgenden Bedeutungen benutzt, es sei denn, anderes ist angezeigt.
Alle hier nicht definierten Begriffe haben ihre gemeinhin anerkannten
Bedeutungen.
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A. Definitionen
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Der Begriff „Werg" bezieht sich auf den inneren Faserkern
der Hanfpflanze, der von den Bastfasern in der Rinde der Hanfpflanze
getrennt werden kann.
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Der Begriff „Bast" bezieht sich auf Fasern der Rinde der
Hanfpflanze.
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Der Begriff „ausgerichtet" betrifft die Positionierung
der Stränge,
die die erfindungsgemäßen Strukturkörper bilden,
wobei die überwiegende
Mehrheit der Fasern im wesentlichen parallel zueinander verläuft.
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Der Begriff „Strang" oder „Stränge" betrifft ein Bündel aus Elementarfasern, bei
denen das Längen-zu-Breiten-Verhältnis (Formgrad)
und das Längen-zu-Dicken-Verhältnis (Schlankheitsgrad)
beide größer als
etwa 1 : 1 und vorzugsweise größer als
etwa 3 : 1 sind.
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Der Begriff „Strukturkörper" betrifft einen Körper, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt wird und seine strukturelle Form und Integrität behält. Es ist
nicht beabsichtigt, die Definition des strukturellen Körpers, wie
sie hier Verwendung findet, auf Körper zu beschränken, die
gewissen Standards entsprechen oder diese überschreiten, welche in konstruktiven
oder baulichen Anwendungsfällen
benutzt werden. Daher kann der „strukturelle Körper" selbst leichtgewichtige
Körper
geringer Dichte umfassen, die sich für Belastungsfälle nicht
eignen.
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Der Begriff „im wesentlichen frei von
Bastfasern" bezieht
sich auf Wergmaterial, das weniger als etwa 15 Gew.-% Bastfasern,
vorzugsweise weniger als 5 Gew.-% Bastfasern und erst recht vorzugsweise
weniger als etwa 2 Gew.-% Bastfasern enthält.
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B. Beschreibung
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In einer Hinsicht betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturkörpers, beispielsweise einer
Platte, eines Brettes oder eines Trägers. Hanfstängel werden
verarbeitet, um das Werg von den Bastfasern zu trennen und Wergstücke mit
dem hier als Entrinden beschriebenen Verfahren herzustellen. Entrinden
soll in der hier beschriebenen Bedeutung ein Verfahren des Abtrennens
der äußeren Faserrinde
oder des Bastes einer Hanfpflanze von ihrem Werg bedeuten. Dieses
Verfahren kann manuell dadurch durchgeführt werden, daß Bastfasern
von dem Werg abgestreift oder abgeschält werden. Vorzugsweise erfolgt
das Entrinden automatisch mit Maschinen und mittels für das Entrinden
einer Hanfpflanze geeigneter Verfahren und in Anpassung an Maschinen
und Verfahren, wie sie zum Entrinden von Zuckerrohr oder Flachs
Verwendung finden.
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Bei einer Ausführungsform kann grobes Werg
von der Bastfaser dadurch getrennt werden, daß die Hanfstängel mit
Hilfe einer Hammermühle
durch ein grobes Sieb gedrückt
werden. Die Größe des Siebs
läßt sich
in Abhängigkeit
von der Größe des erhaltenen
Wergs variieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sieb ein
38 mm-Sieb sein. Das Gemisch aus Werg und Bastfasern wird darauf
gesiebt, um die beiden Bestandteile zu trennen. Das auf diese Weise
erzeugte grobe Werg kann eine Durchschnittslänge von etwa 20 bis etwa 25
mm haben. Das grobe Wergmaterial kann weiter gesiebt und/oder in
einer Hammermühle
verarbeitet werden, um, falls gewünscht, feineres Wergmaterial
herzustellen.
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Längere
Wergstränge
lassen sich dadurch herstellen, daß das Werg von den ganzen Hanfstängeln abgestreift
wird, indem diese verpresst und gesplittet werden. Wergstränge, die
enger als etwa 25 mm sind, lassen sich auf diese Weise herstellen.
In diesem Fall sollte das Werg in Längsrichtung gesplittet werden,
um lange, schlanke und schmale Stränge zu erzeugen.
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Ein Beispiel für eine Entrindungsmaschine
ist in der PCT-Anmeldung WO 97/45573 der Australian Hemp Company
Ltd. beschrieben. Die Vorrichtung weidt verbundene Reißrollen
auf, um die Bindungen zwischen den Fasern und dem Werg zu zerreißen, ferner
sich gegenläufig
drehende Preßrollen,
die den Stiel glätten.
Der Stiel wird dann in Längsrichtung
gesplittet und über
Entrindungswalzen geführt,
zu denen eine Vakuumwalze und eine gezahnte Walze gehören, die
zusammenarbeiten, um das Werg von der Faser zu streifen. Zuckerrohrseparatoren,
wie sie beispielsweise in den US-Patenten 3,567,510, 3,976,498 und
4,312,677 beschrieben sind, können
mit geringfügigen
Modifikationen ebenfalls Verwendung finden, um die Hanfstiele zu behandeln.
Zahlreiche andere Alternativen sind dem Fachmann aus dem Stand der
Technik geläufig.
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Eine alternative Entrindungstechnik
läßt sich
zur Erzeugung von Wergsträngen
benutzen, die eine Länge
aufweisen, welche kleiner als etwa 30 mm ist. Hanfstängel können durch
mit Flachzähnen
versehenen ineinandergreifende Walzen ge fördert werden. Zahnwurzel und
Zahnkörper
jeder Zahnwalze können
annähernd
1 cm. groß sein.
Das Ergebnis ist ein geripptes Rindenmaterial, bei dem das Werg
von der Rinde getrennt ist. Das Wergmaterial fällt in Strängen von 30 mm Länge bis
zu einer feinen partikelförmigen
Konsistenz an. Größeres Wergmaterial
erhält
man dann, wenn größere Walzenzähne auf
den ineinandergreifenden Walzen vorgesehen werden.
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Bei einer Ausführungsform wird das Wergmaterial
zu Strängen
geschnitten, die eine Nennlänge
von 20 mm oder länger,
vorzugsweise im Bereich von etwa 50 mm oder größer und noch besser im Bereich
von etwa 100 mm aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform
werden Wergstücke
zu Strängen
geschnitten, die eine Nennlänge
von weniger als 20 mm aufweisen. Die längeren Stränge sind für Endproduktkörper besser geeignet,
die eine hohe Strukturdichte aufweisen sollen, obgleich ihre Verwendung
nicht auf derartige hochdichte Produkte beschränkt ist. Die kürzeren Stränge sind
für weniger
dichte Platten oder Bretter geeignet, die wärmeresistent und/oder schalldämmend sein
sollen, wobei sie eine gewisse strukturelle Festigkeit beibehalten,
obgleich ihre Verwendung nicht auf Produkte mit einer solch geringen
Dichte beschränkt
ist.
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Das Wergmaterial oder die Wergstränge können in
Längsrichtung
gesplittet werden, um gewünschte Schlankheitsgrade
und Formgrade zu erreichen. Sowohl das Schlankheitsverhältnis als
auch das Formverhältnis
sollte vorzugsweise 3 : 1 nicht überschreiten,
und zwar insbesondere in den Fällen,
in denen eine Biegefestigkeit des Strukturkörpers verlangt wird.
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Die Wergstränge sollten einen Feuchtigkeitsgehalt
im Bereich von etwa 5% bis etwa 25% haben. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt
größer ist,
sollten die Wergstränge
vor dem Vermischen mit dem Harz getrocknet werden. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt
zu gering ist, kann es sich empfehlen, den Strängen vor dem Vermischen mit
dem Harz eine gewisse Feuchtigkeit zuzuführen.
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Die Wergstränge werden dann mit einem Bindeharz
vermischt, das sie zu dem Endprodukt zusammenbindet. Verschmelzungsmaschinen
für Holz
OSB sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden für den erfindungsgemäßen Zweck ohne
oder mit nur geringfügigen Änderungen
eingesetzt. Rotierende Mischer mit einem Wirbelscheibenzerstäuber sind
Bestandteil einer geeigneten Vorrichtung. Erforderlich ist, das
Harz gleichmäßig unter
den Wergsträngen
zu verteilen, um eine maximale innere Bindung zu erreichen, wenn
die Stränge
später
verpreßt
werden und das Harz aushärtet.
Zu den bevorzugten Harzen gehört
Isocyanatharze, so beispielsweise Diphenylmethyldiisocyanat (MDI).
Geeignet, aber weniger bevorzugt, sind auch Phenolharze wie sie
gewöhnlich
in Holz-OSB-Produkten Verwendung finden oder Harnstoff-Formaldehyd-Harze,
die in Spanplatten benutzt werden. Die Wergstränge sind mit jedem beliebigen
Harz verträglich,
das gewöhnlich
in Lignozellulose-Verbundplatten benutzt wird.
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Genauso gut kann dem Harz ein geeignetes
Wachs zugesetzt werden, um den Wirkungsgrad des Harzes und seinen
Widerstand gegen Feuchtigkeit und Wasserabsorption zu erhöhen. Zu
den geeigneten Wachsen können
Rohparaffin, Emulsionswachs oder Wachspulver gehören, wie sie im Stand der Technik
zu finden sind. Das Wachs kann in einer Größenordnung von etwa 0,5% bis
etwa 1,5% oder mehr zugesetzt werden. Eine Erhöhung der Wachskomponente über diesen
Bereich hinaus ist möglich,
verbessert jedoch weder die Eigenschaften noch hat sie irgendeine
wesentliche schädliche
Wirkung.
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Gemäß einer Ausführungsform
werden die Wergstränge
so ausgerichtet, daß sie
im wesentlichen parallel liegen. Die Strangausrichtung läßt sich
mit Hilfe geringfügig
modifizierter Maschinen und Verfahren erreichen, wie sie zur Ausrichtung
von Holzsträngen
für OSB
oder Getreidestroh Verwendung finden, die aus dem Stand der Technik
bekannt sind. Gemäß einem
Beispiel wird die Strangausrichtung durch Benutzung eines Mattenausrichters
erreicht, der eine Vielzahl von Verwirbelungsscheiben aufweist.
Die Stücke
können
dann beispielsweise auf einer gerippten Platte in Vibrationen versetzt
werden, bevor sie verpreßt
werden. Die Rippung bewirkt, daß die
Wergstränge
sich ausrichten. Bei einem anderen Beispiel können die Wergstränge auf parallel
ausgerichtete, senkrechte Stangen fallengelassen werden, die in
Form eines Abstandsgitters vorliegen, dessen Breite geringer ist
als die Stranglänge.
Das in Schwingungen Versetzen oder Schütteln der Stränge auf
dem Gitter führt
dazu, daß die
Stränge
durch das Gitter hindurchfallen und im wesentlichen in einer Richtung
ausgerichtet sind. In dem Fall, in dem die Strangaus richtung senkrecht
zur Strangausrichtung in den anderen Schichten verläuft, lassen
sich quer gerichtete Schichten herstellen, um dadurch die Steifigkeit
und Festigkeit sowohl parallel als auch lotrecht zur Fertigungsrichtung
der Maschine zu bewirken. So kann beispielsweise eine Strukturtafel
einen Kern und zwei Außenschichten
aufweisen, wobei die Ausrichtung der Stränge in der Kernschicht lotrecht
zur Ausrichtung der Stränge
in den Außenschichten
verläuft.
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Die mit Hilfe der ausgerichteten
Wergstränge
gebildeten Matten werden dann zu kompakten und verfestigten Matten
verpreßt,
wobei ihre Innentemperatur hoch genug ist, um das Harz in einer
annehmbaren Zeitspanne zu härten.
Die Zeit- und Temperaturparameter können entsprechend dem verwendeten
Harz variieren. Bei einer Ausführungsform
kann die Temperatur zwischen etwa 175°C und etwa 235°C liegen,
wobei das Harz dann innerhalb von etwa 3 bis etwa 5 Minuten aushärtet. Das
Verpressen läßt sich überwachen
und steuern, und zwar unter Verwendung bekannter und im Handel erhältlicher
Systeme, so beispielsweise dem PressMANTM-Pressüberwachungssystem,
das von der Firma Alberts Research Council, Edmonton, Alberts, Canada,
hergestellt wird.
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Bei einer Ausführungsform können die
Wergstränge
mit Holzsträngen,
wie sie bei der herkömmlichen Holz-OSB-Herstellung
benutzt werden, vermischt werden, um aus einem Holz-Werg-Verbund
bestehende OSB Strukturkörper
herzustellen. Die bei der Erzeugung solcher Verbundkörper verwendeten
Verfahren sind hier beschrieben oder entsprechen im wesentlichen
denjenigen, wie sie bei der herkömmlichen Holz-OSB-Plattenproduktion
zur Anwendung gelangen, die aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Alternativ dazu können
die Wergstränge
mit anderen Lignozellulosesträngen,
so beispielsweise Stroh oder Flachs, vermischt werden, um zusammengesetzte
Verbundkörper
zu erzeugen, wobei die hier beschriebenen Verfahren oder ähnliche
Verfahren Anwendung finden. Die Verfahren zur Erzeugung ausgerichteter
Strang-Strukturkörper
unter Verwendung von Lignozellulosematerial, so beispielsweise Holz
oder Stroh, sind an sich bekannt. Ein Fachmann kann sich auf verschiedene
bekannte Veröffentlichungen,
so beispielsweise das US-Patent Nr. 5,932,038 mit dem Titel "Method of Fabricating
a Straw Panel. Board or Beam" beziehen
oder auf Maloney, T. M., 1993. Modern Particleboard & Dry-Process Manufacturing,
Updated Edition, Miller Particleboard & Dry-Process Manufacturing, Updated
Edition, Miller Freeman Publications, San Francisco, Kalifornien.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Strukturkörper
eine Platte, die aus drei Schichten besteht, nämlich zwei äußeren oder Oberflächenschichten
und einer Kernschicht. Die Kernschicht kann vollständig aus
ausgerichteten Wergsträngen
oder einer Mischung von ausgerichteten Holz- und Wergsträngen bestehen,
während
die Außenschichten
vollständig
aus Holzsträngen
zusammengesetzt sind.
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Beispiele
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Die folgenden Beispiele dienen zur
Verdeutlichung der Erfindung, jedoch nicht zur Beschränkung ihres Schutzumfanges.
Wergstrangplatten und zusammengesetzte Holz-Wergplatten werden wie
folgt hergestellt:
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Tabelle
1 Beschreibung der Herstellungsparameter für jeden Plattentyp
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Die mit HS 1, 2 und 3 bezeichneten
Platten werden aus Wergsträngen
mit Nennabmessungen mit etwa 10 mm Breite, 100 mm Länge und
5 mm oder weniger Dicke hergestellt. Die mit HI 1 bis 6 bezeichneten Platten
und die aus einem Holz-Werg-Gemisch
bestehenden Platten, die mit WH 0 bis 3 bezeichnet sind, wurden
aus Wergsträngen
mit einer Nennlänge
von etwa 15 bis etwa 20 mm hergestellt.
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In allen Fällen wurde zusammen mit dem
Harz 1% Abfallharz zugesetzt. Die Platten wurden in Preßzyklen
verpreßt,
die an die typisch Holz-OSB-Preßzyklen
angepaßt
waren.
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Beispiel 1
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Die hochdichten, langsträngigen Platten
wurden bezüglich
der Reißfestigkeit
(MOR), der Elastizität (MOE),
der inneren Bindung (IB) und der Dickenzunahme getestet. Die Ergebnisse
wurden mit dem CSA-Standard 0437 „02" in der folgenden Tabelle verglichen:
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Tabelle
2 Physikalische Eigenschaften von HS Platten
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Wie ersichtlich, stimmen die Platten
mit jedem CSA-Standard für
jede der gemessenen Eigenschaften überein oder überschreiten
diesen Standard sogar, ausgenommen allerdings die Dickenzunahme.
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Beispiel 2
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Wergplatten geringer Dichte, wurden
wie oben angegeben geformt, und zwar unter Verwendung eines Preßzyklus
gemäß 1. Die Platten HI 1–6 in geringer
Dichte hatten nicht die Festigkeit, die den Anforderungen irgendwelcher
Strukturplatten entsprach. Diese Platten waren jedoch leichtgewichtig
und behielten ihre Integrität,
woraus man schlußfolgern
konnte, daß sie
für Isolierungs-
und Schallabsorptionszwecke brauchbar waren.
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Der Wärmewiderstand dieser Platten
wurde gemessen und mit demjenigen von Glasfasermatten und Lockerfüllwergfasereinbau
(CanbioteR) verglichen. Die Ergebnisse sind
in der folgenden Tabelle dargestellt.
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Tabelle
3 Wärmebeständigkeit
von Werg-Isolierplatten
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Genauso wurden die akustischen Eigenschaften
dieser Wergplatten gemessen und mit Glasfasermatten verglichen.
Die Ergebnisse sind grafisch in 3 dargestellt.
Die Wergplatten zeigen eine beträchtliche Schallabsorptionsfähigkeit,
die jedoch nicht so gut ist wie die von Glasfasermatten.
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Beispiel 3
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Es wurden Holz-Werg-Platten WH 0,
1, 2 und 3 unter Verwendung des in 2 gezeigten
Preßzyklus geformt
und hinsichtlich derselben physikalischen Eigenschaften wie in Beispiel
1 getestet, wobei ferner der 2-Stunden-Kochtest und lineare Expansionstest
(ofengetrocknet und unter Vakuumdruck gesaugt) durchgeführt. Die
Ergebnisse wurden wieder mit dem CSA-Standard 0437 „02" verglichen und sind
unten aufgeführt.
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Tabelle
4 Physikalische Eigenschaften von Holz-Werg-Platten-Mischungen
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Auch diese Platten wurden mit kürzeren Wergsträngen bei
sehr kleinen Schlankheitsverhältnissen,
die nahe an dem Einheitswert lagen, hergestellt. Die Schlußfolgerung
ist daher angebracht, daß Holz-Werg-Platten
unter Verwendung langer Wergstränge,
wie sie für
Platten HS 1 – 3
benutzt werden, festere Verbundplatten ergeben, die näher an die
herankommen, die nur aus Holz bestehen.
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Es versteht sich, daß der Fachmann
verschiedenartige Abänderungen,
Anpassungen und Variationen des obigen speziellen Offenbarungsgehaltes
vornehmen kann, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, der durch die
beigefügten
Ansprüche
definiert ist, abzuweichen.