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Die
Erfindung betrifft Elastomer-Zusammensetzungen mit guter Wärmestabilität. Sie betrifft
insbesondere modifizierte Polycyanurate mit einer verbesserten Wärmestabilität.
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Es
existieren verschiedene Arten von Elastomer-Polymeren mit guten
statischen mechanischen Eigenschaften bei Zugbeanspruchung (statischen
Festigkeitseigenschaften gegen Zug). Insbesondere kommen die Polyurethane
in großem
Umfang zum Einsatz (beispielsweise Adilithe® IV-95
oder C36/H12MDI/3-DCM von der Firma SAMI). Diese Arten von Polymeren
haben gewiss Bruchspannungswerte in der Größenordnung von 35 bis 40 MPa
und Deformationswerte beim Brechen in der Größenordnung von 400% bei Umgebungstemperatur,
aber diese Eigenschaften verschlechtern sich bei hoher Temperatur
(oberhalb von 130°C)
schnell und irreversibel, bis mehr als 60% von deren Anfangswert
verloren gegangen ist. Sie sind folglich nicht wärmestabil.
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Andere
Elastomere sind wärmestabil,
weisen aber dann verschiedene Nachteile auf:
- – die Silicone
vom Typ Shin Etsu® KE24 haben zu schlechte
mechanische Eigenschaften;
- – die
Epoxidharze sind zu steif;
- – die
Fluorelastomeren vom Typ Viton® sind zu schwierig einzusetzen,
insbesondere um Überzüge von geringer
Dicke herzustellen.
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Die
Mischungen von Cyanaten mit Verbindungen mit mobilem Wasserstoff,
insbesondere Polyolen, derart, um modifizierte Polycyanurate zu
erhalten, sind noch wenig untersucht worden.
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Es
ist überraschenderweise
entdeckt worden, dass bestimmte modifizierte Polycyanurate gemäß der Erfindung
eine gute Wärmestabilität und eine
leichte Verwendbarkeit aufweisen, wobei sie zugleich weder zu spröde noch
zu steif sind.
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Die
Erfindung betrifft folglich eine neue warmhärtende Elastomer-Zusammensetzung
auf der Basis von modifiziertem Polycyanurat mit verbesserter Wärmestabilität, die dadurch
gekennzeichnet ist, dass sie erhalten werden kann durch ein Polymerisationsverfahren
mit der Hilfe eines Katalysators (D) aus einer Mischung, umfassend
wenigstens:
- (A) ein Cyanat,
- (B) ein Block-Copolymer, gebildet aus
– a) wenigstens einem zentralen
Block (B1), welcher mit dem Cyanat nicht mischbar ist und ausreichend lang
ist, um der erhaltenen Zusammensetzung einen Elastomer-Charakter
zu verleihen;
– b)
wenigstens zwei terminalen Blöcken
(B2), die sich auf jeder Seite des zentralen Blocks befinden und mit
dem Cyanat reaktive Gruppen umfassen, wobei jeder der Blöcke (B2)
ausreichend lang ist, um mit dem Cyanat mischbar zu sein, und
- (C) einen mit dem Cyanat reaktiven anorganischen Füllstoff in
solchen Anteilen, dass das Verhältnis
r wenigstens gleich 5 ist, aber nicht zu hoch ist, um die Phasenumkehr
zu vermeiden, und vorteilhafterweise unter 10 ist,
wobei das
Verfahren die Schritte umfasst:
I – Mischen von (A), (B), (C)
und (D) bis zur Erzielung einer homogenen Mischung bei einer Temperatur über der
Schmelztemperatur von (A) und von (B), aber unter ungefähr 130°C,
II – Polymerisation
der Mischung bei einer Temperatur zwischen ungefähr 130 und ungefähr 170°C,
III – Nachhärtung der
polymerisierten Mischung bei einer Temperatur über oder gleich ungefähr 200°C, um die
Reaktion zu vervollständigen,
und
dadurch, dass die Werte von Δσrupt und
von Δεrupt der
so erhaltenen Zusammensetzung unter oder gleich ungefähr ±30% sind.
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Unter
dem Ausdruck „Elastomer-Charakter
einer Zusammensetzung" versteht
man im Sinne der Erfindung eine jegliche halb-steife Zusammensetzung
mit Bruchdehnungswerten von wenigstens ungefähr 30%, wobei diese Dehnung
bei Umgebungstemperatur reversibel ist.
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Unter
dem Begriff „ausreichend
lang" versteht man
im Sinne der Erfindung:
- – für die Blöcke B1 ein Molekulargewicht-Zahlenmittel
Mn von wenigstens ungefähr
1000 g/mol,
- – für die Blöcke B2 ein
Molekulargewicht-Zahlenmittel Mn von wenigstens ungefähr 500 g/mol.
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Unter
dem Begriff „Phasenumkehr" versteht man im
Sinne der Erfindung das Übergehen
von einer Phase, wo die Polymer-Matrix im Wesentlichen aus dem Block-Copolymer
(B) gebildet wird, zu einer Phase, wo die Polymer-Matrix im Wesentlichen
aus dem Cyanat (A) besteht.
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Unter
dem Begriff „mit
dem Cyanat reaktiver anorganischer Füllstoff" versteht man im Sinne der Erfindung
einen jeglichen anorganischen Füllstoff,
welcher mit dem Cyanat reaktive Gruppen trägt. Beispiele für solche
Gruppen sind die Hydroxyl- oder Epoxygruppen. Beispiele für mit dem
Cyanat reaktive anorganische Füllstoffe
gemäß der Erfindung
sind insbesondere mit Hydroxylgruppen funktionalisiertes Aluminiumoxid
oder ferner die Aluminiumsilicate und andere Silicate. Der Füllstoff
(C) ist vorteilhafterweise mit Hydroxylgruppen funktionalisiertes
Siliciumdioxid, vorzugsweise Aerosil® 150-Siliciumdioxid
mit den folgenden Eigenschaften:
- – Teilchengröße zwischen
7 und 40 nm
- – spezifische
Oberfläche
= 150 m2/g
- – Dichte
= 2,2 g/cm3
- – 3
SiOH-Gruppen/nm2.
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Unter
dem Begriff „Verhältnis r" versteht man im
Sinne der Erfindung das Verhältnis
der Anzahl von in der Ausgangszusammensetzung vor der Reaktion vorhandenen
OCN-Gruppen zu der Anzahl von mit dem Cyanat reaktiven Gruppen,
die in der Ausgangszusammensetzung vor der Reaktion vorhanden sind.
Diese mit dem Cyanat reaktiven Gruppen können insbesondere von dem Copolymer,
von dem reaktiven Füllstoff und/oder
von dem Katalysator stammen. Die OCN-Gruppen stammen im Allgemeinen
vom dem Cyanat (A).
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Unter
dem Begriff „Δσrupt" versteht man im
Sinne der Erfindung den Messwert der Veränderung zwischen dem Wert der
bei 110°C
zum Zeitpunkt t = 0 unmittelbar nach der Polymerisation gemessenen
Bruchspannung und demjenigen, der bei 110°C zum Zeitpunkt t = 10 Tage
nach einer Alterung bei 160°C
gemessen wird.
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Unter
dem Begriff „Δεrupt" versteht man im
Sinne der Erfindung den Messwert der Veränderung zwischen dem Wert der
bei 110°C
zum Zeitpunkt t = 0 unmittelbar nach der Polymerisation gemessenen
Bruchdehnung und demjenigen, der bei 110°C zum Zeitpunkt t = 10 Tage
nach einer Alterung bei 160°C
gemessen wird.
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Vorteilhafterweise
ist nach 10 Tagen bei 160°C
der Wert von εrupt der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, gemessen
bei 110°C,
wenigstens über
oder gleich ungefähr
40% und noch vorteilhafter ist nach 10 Tagen bei 160°C der Wert
von σrupt der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, berechnet
bei 110°C,
wenigstens über
oder gleich ungefähr
3 MPa.
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Die
gemäß der Erfindung
einsetzbaren Cyanate können
von einem jeglichen Typ sein. Es kann sich insbesondere um die folgenden
Monomere handeln:
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Die
gemäß der Erfindung
einsetzbaren Cyanate können
gleichfalls durch Umwandlung, durch Homopolymerisation, bereitgestellt
werden. Es kann sich beispielsweise um B30 (B10-Cyanat, welches in einem Ausmaß von 27%
homopolymerisiert ist) oder um B50 (B10-Cyanat, welches in einem
Ausmaß von
44% homopolymerisiert ist) handeln.
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Die
Blöcke
des Block-Copolymers (B) gemäß der Erfindung
können
sein:
- – für den zentralen
Block (B1), der mit dem Cyanat nicht mischbar ist, beispielsweise
ein Polydimethylsiloxan, Polybutadien, hydriertes Polybutadien oder
ein fluorierter Polyether;
- – für die terminalen
Blöcke
(B2), die mit dem Cyanat mischbar sind, beispielsweise Polycaprolactone,
Polyester oder Polycarbonate.
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Der
nicht-mischbare Block verleiht der Zusammensetzung den gewünschten
Elastomer-Charakter
und die äußeren Blöcke bewirken
die Mischbarkeit mit dem Cyanat. Der nicht-mischbare zentrale Block des Copolymers
(B) ist vorteilhafterweise vom Polysiloxan-Typ. Noch vorteilhafter
ist das Copolymer (B) ein Polycaprolacton-Polydimethylsiloxan-Copolymer,
vorzugsweise Tegomer
®6440, welches von der
Firma GOLDSCHMIDT vertrieben wird, mit den folgenden Eigenschaften:
- *n
repräsentiert
die Anzahl der Einheiten -Si(CH3)2O (Dimethylsiloxan) und m die Anzahl der
Einheiten -CO(CH2)5O
(Caprolacton).
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Die
Erfindung betrifft gleichfalls ein Verfahren zur Herstellung einer
Zusammensetzung gemäß der Erfindung,
welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Schritte umfasst:
- I – Mischen
von (A), (B), (C) und (D) bis zur Erzielung einer homogenen Mischung
bei einer Temperatur über
der Schmelztemperatur von (A) und von (B), aber unter ungefähr 130°C,
- II – Polymerisation
der Mischung bei einer Temperatur zwischen ungefähr 130 und ungefähr 170°C,
- III – Nachhärtung der
polymerisierten Mischung bei einer Temperatur über oder gleich ungefähr 200°C, um die
Reaktion zu vervollständigen.
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Tatsächlich dient
der Schritt I dazu, die verschiedenen Bestandteile der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
innig zu mischen. Es darf folglich während dieses Schritts nicht
sein, dass die Polymerisationsreaktion einsetzt. Die angewendete
Temperatur muss folglich unter ungefähr 130°C liegen.
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Der
Schritt II ist der Polymerisationsschritt der Mischung. Diese Polymerisation
kann erst oberhalb von ungefähr
130°C einsetzen.
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Der
Schritt III dient seinerseits dazu, die Reaktion zu vervollständigen.
Man muss eine hohe Temperatur anwenden, um sicherzustellen, dass
keine restlichen Monomere in der Zusammensetzung zurückbleiben.
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Die
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
einsetzbaren Katalysatoren (D) sind vorteilhafterweise thermisch
und/oder durch UV-Bestrahlung aktivierbar. Noch vorteilhafter sind
sie metallorganische Derivate oder Photokatalysatoren, wie [CpFe(CO)2]2 oder CpMn(CO)3. Noch viel vorteilhafter handelt es sich
um Kupferacetylacetonat in Nonylphenol, vorzugsweise in einem Anteil
von 100 ppm.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsweise
der Erfindung wird der Schritt I des Verfahrens bei ungefähr 90°C während ungefähr 6 h,
der Schritt II bei ungefähr
170°C während ungefähr 8 h und
der Schritt III bei ungefähr
200°C während ungefähr 2 h ausgeführt. Man
kann die Temperatur auf die erfindungsgemäße Zusammensetzung auf unterschiedliche
Weisen einwirken lassen. Man kann diese insbesondere in einem Wärmeschrank
oder unter einer Presse einwirken lassen.
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Gemäß einer
anderen besonderen Ausführungsweise
der Erfindung wird der Schritt II des Verfahrens unter einer Presse
bei ungefähr
170°C während ungefähr 4 h ausgeführt und
der Schritt III wird unter einer Presse bei ungefähr 200°C während ungefähr 2 h ausgeführt.
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Die
Erfindung betrifft gleichfalls die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
als Überzug
von Walzen insbesondere von Druckmaschinen, als Einkapselungsmittel
von Komponenten, als Träger
für die
Mikroelektronik, als Bindemittel für Treibstoffe oder für Verbundstoffe.
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Die
nachfolgenden Beispiele von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen werden
zur Veranschaulichung und ohne einschränkenden Charakter aufgeführt.
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Beispiele einer Herstellung
eines Polymers gemäß der Erfindung:
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Experimentelles Verfahren
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- a) Mischen der Reagenzien (Cyanat und Polyol)
in einem Topf bei einer Temperatur über deren Schmelzpunkt (80°C), dann
Zugeben bei dieser Temperatur des Katalysators und eines Teils des
Füllstoffs
derart, dass die Mischung ausreichend fest gemacht wird, um auf
den Walzen des Kalanders zu verbleiben;
- b) Einmischen des Rests des Füllstoffs auf dem Kalander bei
80°C;
- c) Presse oder Wärmeschrank.
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Der
Temperaturzyklus, der eingesetzt wird, um die Beispiele von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
zu realisieren, ist 6 h bei 90°C,
8 h bei 170°C
und 2 h bei 200°C.
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Für jedes
Beispiel sind die Anteile von jedem der Bestandteile in der folgenden
Tabelle 1 angegeben.
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Tabelle
1: In die Formulierungen eingeführte
Anteile gemäß dem Anteil
an Siliciumdioxid
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Versuchsprotokoll des
Alterungstests bei 160°C:
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Die
Materialien werden in Form von Platten von ungefähr 1 mm Dicke, die zu Quadraten
von 7 cm/7 cm geschnitten werden, hergestellt.
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Diese
in Alufolienpapier, das als inert gegenüber der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
angesehen wird, eingepackten Platten werden in einen Wärmeschrank,
dessen Temperatur 160°C,
kontrolliert auf ± 2°C, beträgt, gelegt.
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Jede
Platte wird nach einer präzisen
Zeitspanne (0, 6, 7, 24, 72 h, 5, 9 oder 10 Tage) aus dem Wärmeschrank
herausgenommen.
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Nachdem
sie den Alterungstest durchlaufen hat, werden fünf normalisierte Zug-Probestücke vom
Typ H3 (Norm AFNOR T51-034) mittels eines Stanzmessers aus dieser
Platte ausgeschnitten.
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Die
statischen mechanischen Eigenschaften gemäß der Norm AFNOR T51-034 werden
dann ausgewertet dank einer Zugmaschine vom Typ J.J. Lloyd MK30
bei einer Geschwindigkeit von 50 mm/min in einer auf ±1°C regulierten
Klimakammer entweder bei Umgebungstemperatur oder bei 110°C gemäß dem Bereich von
Temperaturen, über
welchen sich das Kautschuk-Plateau
der getesteten Materialien erstreckt.
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Für jedes
Beispiel und für
andere Materialien, die als Vergleich dienen, sind die Ergebnisse
der Tests in den folgenden Tabellen 2 bis 5 angegeben:
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Tabelle
2: Entwicklung des Werts der bei 110°C abhängig von der Alterungszeit
bei 160°C
gemessenen Bruchspannung σ in
MPa.
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Tabelle
3: Entwicklung des Werts der bei 110°C abhängig von der Alterungszeit
bei 160°C
gemessenen Bruchdehnung ε in
%.
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Die
Werte der Veränderungen
von σrupt und εrupt, berechnet bei 110°C für jedes Beispiel und für andere Materialien
während
des Alterungstests bei 160°C,
sind in der Tabelle 4 zusammengestellt.
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Tabelle
4: Veränderungen
der mechanischen Brucheigenschaften gemessen bei 110°C während des
Alterunastests bei 160°C
(zwischen 0 und 10 Tagen).
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Die
negativen Werte drücken
die Verringerung der Eigenschaft und die positiven Werte die Erhöhung dieser
Eigenschaft aus. Tabelle
5: Wert der Veränderung
von σ
rupt und ε
rupt, berechnet bei 110°C für Polyurethan-Harnstoff auf der
Basis von Polyol C36, während
des Alterungstests bei 160°C
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Tabelle
6: Mittelwerte der Unterschiede bezüglich der Bruchspannung und
-deformation, berechnet an den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 4
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Diese
Ergebnisse weisen gut die Wärmestabilität der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
während
des Alterungstests bei 160°C
nach.
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Je
höher der
Gehalt an Siliciumdioxid ist, desto mehr nimmt die Bruchspannung
zu und nimmt die Bruchdehnung ab.
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Im
Vergleich zu anderen wärmestabilen
Materialien (Silicone Shin Etsu® KE
24 und Viton®)
erweist sich, dass die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, die
20% oder 27% Siliciumdioxid enthalten, innerhalb des Wertebereichs
dieser Materialien liegen.
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Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung,
die 15% Siliciumdioxid enthält,
bietet ebenfalls eine gute Bruchdehnung trotz einer geringeren Bruchspannung.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
sind folglich wärmestabil.
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Gemäß den Mittelwerten
der Unterschiede bezüglich
der statischen mechanischen Eigenschaften, die an den erfindungsgemäßen Beispielen
berechnet worden sind, erweist sich, dass sie eine Veränderung
unter oder gleich ±30%
hinsichtlich der Spannung und hinsichtlich der Deformation (zwischen
0 und 10 Tagen oder zwischen 1 und 10 Tagen) aufweisen. Man ist
weit entfernt von den Unterschieden, die mit dem Polyurethan-Harnstoff
vom Typ C36/H12MDI/3-DCM (D2000/T5000) oder dem von der Firma SAMT
vertriebenen Polyurethan vom Typ Adilithe® IV-95,
nicht wärmestabilen
Materialien, erhalten werden.
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Beispiel der Herstellung
einer Walze mit der Zusammensetzung des Beispiels 4 gemäß der Erfindung
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- 1. Mischen eines Teils der Reagenzien (Tegomer®6440+B10+Katalysator)
in einem Topf bei ungefähr
80°C für einige
Minuten, die Zeit, in der die Monomere schmelzen;
- 2. Kalandrieren der vorangegangenen Mischung, zu welcher man
nach und nach den Rest des Füllstoffs zusetzt,
bei ungefähr
80°C;
- 3. die mittels des Kalanders erhaltene Mischung wird dann in
einen Einschneckenextruder mit Breitschlitzdüse (ungefähr 80°C) geleitet, der sich gegenüber von
einer Aufwickelvorrichtung, auf welcher die zu überziehende Walze befestigt
ist (die Walze wird ausreichend warm gehalten, damit das Material
nicht umkristallisiert), befindet. Die jeweiligen Geschwindigkeiten
werden derart geregelt, dass das Materialband gleichmäßig aufgewickelt
wird, ohne Risse zu bekommen.
- 4. die überzogene
Walze wird dann in einen Wärmeschrank
für den
vollständigen
Wärmezyklus
von 6 h bei 90°C,
8 h bei 170°C
und 2 h bei 200°C
gelegt.
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Man
erhält
so eine mit der erfindungsgemäßen und
folglich bezogen auf die statischen mechanischen Eigenschaften wärmestabilen
Zusammensetzung überzogene
Walze.
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Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung
kann folglich mit großer
Leichtigkeit zum Einsatz kommen.