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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Faserprodukten und
insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Auftragen von Additiven
auf Faserelemente während
deren Erzeugung, und auf die so erzeugten Produkte.
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Erörterung des Standes der Technik
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Für die Erzeugung
von Produkten aus Polymerfasern sind verschiedene Techniken vom
Stand der Technik bekannt. Die Polymerfasern selbst können durch
mehrere übliche
Techniken erzeugt werden, die oftmals durch die Art des Polymers
und/oder die gewünschten
Eigenschaften und Anwendungen der entstehenden Fasern diktiert werden.
Zu solchen Verfahren gehören
herkömmliche
Schmelzspinnprozesse, bei denen geschmolzenes Polymer unter Druck
zu einem Spinnkopf gepumpt und aus Spinndüsenöffnungen extrudiert wird, wobei
es eine Vielzahl kontinuierlicher Fasern bildet. Schmelzspinnen steht
nur für
Polymere zur Verfügung,
deren Schmelzpunkttemperatur niedriger ist als ihre Zersetzungstemperatur,
wie z. B. Nylon, Polypropylen und Ähnliches, wodurch das Polymermaterial
geschmolzen und zu Faserform extrudiert werden kann, ohne sich zu
zersetzen. Andere Polymere wie z. B. Acryle können nicht ohne Schwärzung und
Zersetzung geschmolzen werden. Solche Polymere können in einem geeigneten Lösungsmittel
(z. B. Acetat in Aceton) aus typischerweise 20% Polymer und 80%
Lösungsmittel
gelöst
werden. Um die Polymerfasern fest werden zu lassen, wird bei einem
Nassspinnprozess die Lösung
bei Raumtemperatur durch die Spinndüse gepumpt, die in ein Bad
mit einer Flüssigkeit
(z. B. Wasser) eingetaucht ist, in dem das Lösungsmittel löslich ist.
Es ist auch möglich,
die Fasern anstatt in ein Flüssigkeitsbad
in heiße
Luft hinein trockenzuspinnen, um das Lösungsmittel zu verdunsten und
eine gerinnende Haut zu bilden. Andere übliche Spinntechniken sind
hinreichend bekannt und bilden keinen entscheidenden Teil der vorliegenden
erfinderischen Ideen.
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Nach
dem Spinnen werden die Fasern gemeinsam verfeinert, indem sie mit
einer Geschwindigkeit aus der Spinnvorrichtung abgezogen werden, die
höher ist
als die Extrusionsgeschwindigkeit, wodurch feinere Fasern erzeugt
werden. Die Fasern können
verfeinert werden, indem sie auf Quetschwalzen, die sich mit einer
die Extrusionsrate überschreitenden
Geschwindigkeit drehen, oder zwischen sich mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten drehenden Quetschwalzen aufgenommen werden. Je
nach Art des Polymers kann Ziehen der Fasern sie auf diese Weise
kristalliner und dadurch fester machen.
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Eine
Verfeinerung kann auch bewirkt werden, indem die Fasern beim ihrem
Heraustreten aus den Spinndüsenöffnungen
mit einem Fluid wie z. B. Luft hoher Geschwindigkeit kontaktiert
werden, um sie zu feinen Fasern zu ziehen, die gewöhnlich als eine
verwirrte Faserbahn auf einer sich kontinuierlich bewegenden Oberfläche wie
z. B. einem Fließband oder
einer Trommeloberfläche
zur nachfolgenden Verarbeitung gesammelt werden. Dieser als "Schmelzblasen" bekannte Prozess
ist wegen seiner Fähigkeit,
die Fasern zu verfeinern, während
sie noch geschmolzen sind, bei der Erzeugung vieler Produkte von
besonderer kommerzieller Bedeutung.
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Polymerfasern
können
aus einem einzigen Polymer oder aus mehreren Polymerkomponenten geformt
werden. Einen Kern aus einem Polymer und eine Beschichtung oder
einen Mantel aus einem anderen Polymer aufweisende Zweikomponentenfasern
sind z. B. für
viele Anwendungen besonders wünschenswert,
weil das Kernmaterial relativ kostengünstig sein kann und der Faser
Masse und Festigkeit verleiht, während
eine relativ dünne
Beschichtung aus einem kostspieligeren oder weniger robusten Mantelmaterial
der Faser einzigartige Eigenschaften verleihen kann.
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Ein-
oder Mehrkomponentenfasern können auch
in verschiedenen Formen extrudiert werden wie z. B. kreisförmig, mehrlappig
oder ähnlich.
Außerdem kann
eine Faserbahn mit gemischten Eigenschaften gleichzeitig aus derselben
Vorrichtung extrudiert werden, wie z. B. im gemeinsam abgetretenen
US-Patent Nr. 6,103,181 (das Patent '181) zu sehen ist, dessen Gegenstand
in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
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Unabhängig von
der Weise, auf die die Fasern geformt werden, können sie zu einer Tuchform gesammelt
werden, die gefaltet werden kann, um den Oberflächenbereich insbesondere für bestimmte Filteranwendungen
zu vergrößern. Alternativ
kann eine Faserbahn zusammengerafft und durch eine Reihe Formstationen
wie z. B. Dampfbehandlungs- und Kühlstationen geführt werden,
die die Fasern an ihren Kontaktpunkten verbinden können, um
ein ununterbrochenes stabartiges poröses Element zu bilden, das
einen gewundenen Weg zum Durchgang eines fluiden Materials formt.
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Die
aus Fasermaterialien erzeugten Produkte haben viele Anwendungen
z. B. als Filterelemente zur Verwendung in verschiedenen kommerziellen und
industriellen Umgebungen wie etwa Tabakrauch-Filterelementen, Koaleszenzfiltern
und sogar Schwebstoff-(HEPA-)Filtern, die auch als Wärme- und
Feuchtigkeitstauscher zur Verwendung in einem künstlichen Luftweg eines wie
im gemeinsam abgetretenen US-Patent Nr. 6,330,833 (das Patent '833) beschriebenen
Beatmungsapparats, dessen Gegenstand in seiner Gesamtheit ebenfalls
hierin aufgenommen wird. Wegen ihrer starken Kapillarwirkung wirken
poröse
Faserprodukte auch effektiv bei der Erzeugung einfacher Dochte zum Übertragen
von Flüssigkeiten
von einem Ort zu einem anderen wie bei der Erzeugung von Faserschreibspitzen,
die in bestimmten Markier- und
Schreibinstrumenten zu finden sind. Außerdem finden diese Elemente
in verschiedenen medizinischen Anwendungen Verwendung, z. B. zum
Transportieren einer Körperflüssigkeit
durch Kapillarwirkung zu einem Testort in einem Diagnosegerät. Andere
Anwendungen von Faserprodukten sind Absorptionsbehälter, Produkte,
die zur Aufnahme und einfach zum Speichern von Flüssigkeit
ausgeführt
sind, wie eine Windel oder eine Inkontinenzeinlage. Absorptionsbehälter sind
auch für
medizinische Anwendungen nützlich.
Eine Lage oder ein Kissen aus einem solchen Material kann z. B.
in einem Enzymimmunoassay-Testgerät verwendet werden. Bei diesem
wird eine Körperflüssigkeit
durch die feinen Poren einer dünnen
Membran gesaugt, die z. B. mit monoklonalen Antikörpern beschichtet
ist, die mit Antigenen in der durch die Membran gezogene Körperflüssigkeit
in Wechselwirkung treten, und dann im Absorptionsbehälter gehalten.
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Unter
den verschiedenen aus Fasermaterialien erzeugten Produkten von besonderem
kommerziellen Interesse sind hochporöse Tintenvorratsbehälterelemente,
die in Markier- und Schreibinstrumenten verwendet werden, wobei
die Vorratsbehälter
Tinte mit verschiedenen Formulierungen aufzunehmen und dieselbe
kontrollierbar abzugeben vermögen.
Solche Elemente sind z. B. aus einem zu einer stabähnlich geformten
Einheit zusammengepressten Faserbündel mit längs angeordneten Kapillarkanälen geformt
worden, die sich durch die Fasern erstrecken und die dazu dienen,
die Tinte zu halten und sie mit der erforderlichen Rate abzugeben.
Lange Zeit bestand das für
die Erzeugung solcher Tintenvorratsbehälter allgemein verwendete Material
aus Fasern aus plastifiziertem Zelluloseacetat. Es war in der Vergangenheit
auch das bevorzugte Material für Tabakrauchfilter
und andere derartige Produkte, und es konnte ohne weiteres mittels
Wärme zu
einem einheitlichen Körper
verbunden werden, der mit vielen gleichzeitig verwendeten Tintenformulierungen
kompatibel war.
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Im
Laufe der Jahre sind Tintenformulierungen entwickelt worden, die
mit Zelluloseacetat nicht kompatibel sind und dazu neigen, es abzubauen. Folglich
ersetzten verschiedene thermoplastische Fasern, insbesondere Feintiter-Polyesterfasern,
das Zelluloseacetat als das bevorzugte Polymer in der Herstellung
von Tintenvorratsbehälterelementen
für Wegwerfschreib-
und -markierinstrumente. Bemühungen,
Polyesterfasern mittels Wärme
unter Abwesenheit von Zusatzklebstoffen miteinander zu verbinden,
waren nicht besonders erfolgreich. Wegen des schmalen Erweichungspunkts
kristalliner Polyesterpolymere ist es praktisch nicht möglich gewesen,
gezogene Polyesterfasern wie z. B. Kabel mittels Wärme zu verbinden.
Nicht gezogene oder amorphe Polyesterfasern sind mittels Wärme verbindbar,
erzeugen aber ein unbrauchbares Produkt, das während der Verarbeitung übermäßig schrumpft.
Außerdem mangelt
es solchen Materialien in der Gegenwart handelsüblicher Tinten bei der zum
Lagern von Schreibinstrumenten erforderlichen Temperatur an Stabilität. Folglich
wurden für
einige Zeit Polyesterfaser-Tintenvorratsbehälterelemente
kommerziell in der Form eines unverbundenen Faserbündels erzeugt,
das mittels einer Folienumhüllung
in einer stabförmigen
Einheit zusammengepresst und zusammengehalten wurde. Je nach der
Ausführung des
Schreibinstruments, in das solche Vorratsbehälter eingebracht wurden, konnten
sie ein Kunststoff-Entlüftungsrohr
mit kleinem Durchmesser aufweisen, das zwischen dem Faserbündel und
der Umhüllung
angeordnet war, um erforderlichenfalls als Entlüftungskanal zu dienen.
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Wurden
solche folienumhüllten
Polyesterfaser-Tintenvorratsbehälterelemente
mit parallelen Endlosfilamentfasern hergestellt, hatten sie ein
hinreichendes Tintenhaltevermögen
und hinreichende Tintenabgabeeigenschaften zur Verwendung mit bestimmten
Typen von Markier- oder Schreibinstrumenten, in erster Linie denjenigen,
die Faserspitzen oder -schreibspitzen verwenden. Doch bei den neueren Entwicklungen
von Schreibku gel-Schreibinstrumenten, die eine schnellere Tintenabgabe
oder ein "nasseres" System erfordern,
sind solche Vorratsbehälterelemente
kommerziell inakzeptabel. Versuche, die Tintenabgaberate durch Verringerung
der Faserdichte und/oder Änderung
der Fasergröße zu erhöhen, waren
begrenzt erfolgreich, weil (1) die Abgabe vom Anfang bis zum Ende
nicht gleichmäßig war,
(2) die verringerte Faserdichte das Tintenhaltevermögen des
Vorratsbehälters
verringerte, (3) das Polyesterkabel mit geringerer Dichte einen
sehr weichen "Stab" bildete, der in
der kommerziellen automatischen Hochgeschwindigkeits-Proudktionsausrüstung schwer
zu handhaben war, und (4) die Tinte oft so schwach gehalten wurde,
dass "Lecks" auftraten, wenn
solche Vorratsbehälter
enthaltende Schreibinstrumente fallen gelassen wurden.
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Zur Überwindung
solcher "Lecks" ist ein Polyesterspinnband
mit Zufallsfasern verwendet worden, das die Tinte bei niedrigeren
Dichten besser hält.
Die Polyester-Tintenvorratsbehälterelemente des
Spinnbandtyps neigen jedoch immer noch zu unerwünschter Weichheit und sind
häufig
mit dem Nachteil inakzeptabler Gewichtsschwankungen behaftet, die
die Kontrolle des Tintenflusses zu einem Rollenmarkierer erschweren.
Es wurde festgestellt, dass Formen des Vorratsbehälters aus
zufällig
gelegten Stapelfasern statt aus parallelen Endlosfilamentfasern
die Tintenabgabeeigenschaften von Vorratsbehältern mit kurzer Länge verbessern,
aber bei der für
hinreichendes Tintenhaltevermögen
erforderlichen längeren
Länge fehlt
dieser Konstruktion die Kapillarität, um effektiv zu funktionieren.
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Einige
dieser Probleme im Stand der Technik wurden durch die Techniken
im gemeinsam abgetretenen US-Patent Nr. 4,286,005 (das Patent '005) überwunden,
dessen Gegenstand in seiner Gesamtheit ebenfalls hierin aufgenommen
wird. Der Tintenvorratsbehälter
des Patents '005
liefert eine Kombination von Tintenhaltevermögen und Tintenabgabeeigenschaften,
die bei verschie denen Typen von Markier- oder Schreibinstrumenten
einschließlich Rollenmarkierer
und Kunststoffschreibspitzen nützlich
sind. Solche Tintenvorratsbehälter
werden aus kohärenten
Tüchern
aus flexiblen thermoplastischen Fasermaterialien geformt, die eine
Vernetzung von zufällig
angeordneten stark vereinzelten Endlosfilament-Verbindungspunkten
aufweisen. In diese Vernetzung sind eine Vielzahl sich längs erstreckender paralleler
Rillen geprägt
worden und sie ist zu einem maßstabilen
stabförmigen
Körper,
dessen Längsachse
parallel zu den geprägten
Rillen verläuft,
geformt oder gepresst worden. Obwohl der Tintenvorratsbehälter des
Patentes '005 viele
Probleme bei Produkten gemäß dem Stand
der Technik überwand,
erforderte er leider die Verwendung relativ teurer Materialien mit
einer komplexen Form und aus diesem Grund hat er begrenzte kommerzielle
Akzeptanz erfahren.
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Kommerziell
akzeptablere Polyester-Tintenvorratsbehälter sind durch den Prozess
hergestellt worden, der im gemeinsam abgetretenen US-Patent Nr.
4,729,808 (das Patent '808)
beschriebenen ist, dessen Gegenstand in seiner Gesamtheit ebenfalls hierin
aufgenommen wird. Dieser Prozess verwendet ein oft als "Falschdraht-Stretchgarn" bezeichnetes Rohmaterial-Stretchgarn,
das ungewöhnliche
Eigenschaften, darunter die Fähigkeit,
sich zu dehnen und zu kräuseln
oder zu zwirnen, aufweist. Das Produkt und der Prozess des Patents '808 haben im Wesentlichen
alle oben erwähnten
Probleme beim Stand der Technik größtenteils überwunden und somit eine bemerkenswerte
Akzeptanz in den Markier- und Schreibinstrumenten erreicht. Falschdrahtgarn
erfordert jedoch die Verwendung von schmelzgesponnenen Fasern, die
im Allgemeinen einen durchschnittlichen Durchmesser von über 2 Denier
pro Filament (dpf) oder ungefähr
12 Mikron aufweisen. Obwohl größere Fasern
bei einigen nasseren Systemen brauchbar sind, ist der Zwischenraum
zum Halten der Tinte und daher das Fassungsvermögen im Vorratsbehälter kleiner,
weil größere Fasern
mehr Volumen einnehmen. Eine kleine Fasergröße, weniger als ungefähr 12 Mikron,
die mit Falschdrahtgarn nicht erreichbar ist, liefert einen bessren
Abgabedruck, ohne das Fassungsvermögen zu verringern. Ein Lecks
minimierender höherer
Abgabedruck, ein besonderes Problem bei einigen Tintenzusammensetzungen
mit sehr niedriger Oberflächenspannung,
lässt sich
mit Falschdrahtgarn schwer verwirklichen. Eine Erhöhung der
Dichte zur Verbesserung von Lecks verringert das Fassungsvermögen weiter.
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Wie
erwähnt
sind Polyester wie z. B. Polyethylenterephthalat wegen ihrer Kompatibilität mit vielen
gegenwärtig
verwendeten Tintenformulierungen bei der Erzeugung von Tintenvorratsbehälterelementen
einzigartig effektiv. Im Vergleich zu anderen Polymermaterialien
sind sie jedoch kostspielig. Aus diesem Grund wurde ein Prozess
entwickelt, um die für die
Erzeugung eines Tintenvorratsbehälters
mit einem annehmbaren Tintenhaltevermögen erforderliche Menge Polyethylenterephthalat
zu minimieren, während
die Tinte in einem Markier- oder Schreibinstrument kontrolliert
abgegeben werden kann, indem Zweikomponentenfasern bereitgestellt
werden, die einen wesentlichen Anteil des Polyethylenterephthalats
durch einen kostengünstigeren
Polymerkern mit einem höheren
Schmelzpunkt ersetzen, wie z. B. Polypropylen- oder Polybutylenterephthalat.
Solche Techniken sind im gemeinsam abgetretenen US-Patent Nr. 5,607,766
(dem Patent '766)
beschrieben, dessen Gegenstand in seiner Gesamtheit ebenfalls hierin
aufgenommen wird. Das Patent '766
beschreibt Techniken, die bei sorgfältiger Auswahl der Verarbeitungsparameter
und Materialien Extrudieren eines vollständigen Mantels aus Polyethylenterephthalat über einem
weniger kostspieligen Thermoplastkernmaterial ermöglichen,
um Zweikomponentenfasern zu erzeugen, die sich leicht zu hocheffizienten
kostengünstigen
Tintenvorratsbehälterelementen
verarbeiten lassen.
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Die
Zweikomponentenfasern des Patents '766 erweisen sich auch als nützlich bei
der Erzeugung vieler anderer kommerziell wichtiger Produkte wie
z. B. Hochtemperatur-Filtrierelemente, die ermöglicht werden wegen des relativ
hohen Schmelzpunkts des Polyesters sowie der porösen Stäbe mit hohem Filtriervermögen, die
verschlungene Zwischenwege begrenzen, die zum Einfangen feiner Materialteilchen
wirksam sind, wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit dort hindurch geleitet
wird, einschließlich
Elemente, die annehmbare Eigenschaften bezüglich Härte, Druckabfall und Zugwiderstand während der
Filtrierung zur Verwendung in Tabakrauchfilterelementen aufweisen.
Die Produkte des Patents '766
haben auch als einfache Dochte wie in der Erzeugung von Faserschreibspitzen
für Markier- oder
Schreibinstrumente, verschiedener Anwendungen, Absorptionsvorratsbehältern und Ähnlichem
Anwendung gefunden.
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Die
bevorzugte Technik zum Bilden der Zweikomponentenfasern des Patents '766 und schließlich zum
Bilden feiner Einkomponenten- und Mehrkomponenten-Fasermaterialien,
die aus anderen polymerischen Bestandteilen gebildet werden, ist
Schmelzblasen, d. h. die Verwendung eines eine hohe Geschwindigkeit
und niedrigen Druck aufweisenden Gasstroms am Ausgang einer Faserextrusionsdüse, um die
Fasern zu verfeinern oder zu verdünnen, während sie sich in ihrem geschmolzenen
Zustand befinden. Siehe z. B. die US-Patente Nr. 3,595,245, 3,615,995
und 3,972,759 (die Patente '245, '995 bzw. '759), deren Gegenstände in ihrer
Gesamtheit hierin aufgenommen werden, bezüglich einer umfassenden Erläuterung
der Schmelzblasverarbeitung. Schmelzblasen von Fasermaterialien
kann eine Bahn oder ein Vorgarn erzeugen, bei der bzw. dem die Fasern
im Durchschnitt einen Durchmesser von ungefähr 12 Mikron oder weniger bis
herunter zu 5 und sogar 1 Mikron haben. Solche feinen schmelzgeblasenen
Fasern haben erhebliche Vorteile bei den meisten oben erwähnten Anwendungen.
Bei Verwendung in der Erzeugung von Tintenvorratsbehältern erzeugen
die Fasern mit kleinem Durchmesser z. B. einen großen Oberflächenbereich
und ein höheres
Haltevermögen im
Vergleich zur Verwendung von durch andere Techniken hergestellten
Fasern mit größerem Durchmesser,
und sie bieten bei Verwendung in der Erzeugung von Filterelementen
eine höhere
Filtrationseffizienz, indem sie den Oberflächenbereich für das gleiche Polymergewicht
vergrößern.
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In
vielen Fällen
erfordern die oben beschriebenen Faserprodukte den Einschluss eines
Additivs in die Faserbahn während
der Herstellung oder sie werden durch diesen Einschluss verbessert.
In einigen Fällen
kann das Massenadditiv einfach vor dem Extrudieren der Polymerschmelze
zugesetzt werden. Für
viele Anwendungen ist dieser Ansatz jedoch unmöglich oder ineffizient. Alternativ
ist es möglich,
flüssige
Oberflächenbehandlungen
des Fasermaterials während
der Herstellung lokal vorzunehmen, wie z. B. durch Tränken des
Fasermaterials in stark verdünnten
Lösungen
des Additivs in dem Versuch sicherzustellen, dass in der gesamten
Faserstruktur ausreichendes Additivmaterial eingeschlossen wird. Die
vorliegende Erfindung betrifft diese Verfahren.
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Bei
der Erzeugung poröser
Elemente aus Zelluloseacetat ist z. B. die Hinzufügung eines Weichmachers
erforderlich, um die Fasern während der
Herstellung durch Dampf verbindbar zu machen. Andere Verbindungsstoffe
werden gewöhnlich
zu einer Faserbahn hinzugefügt,
um Verbindungen zwischen den Fasern an ihren Kontaktpunkten zu bilden. Außerdem werden
rauchmodifizierende oder geschmackmodifizierende Additive wie z.
B. Menthol vorteilhafterweise während
der Erzeugung in den Körper
eines Tabakrauchfilters eingeschlossen. Die Hinzufügung ausgewählter Tenside
in einer bestimmten Konzentration zu einem als ein Tintenvorratsbehälter für Markier-
und Schreibinstrumente zu verwendenden Fasermittel modifiziert die
Oberflächeneigenschaften
der Fasern, um die Absorptionsfähigkeit
und/oder Kompatibilität
mit bestimmten Tintenformulierungen zu verbessern.
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Wie
erwähnt,
können
in verschiedenen medizinischen Anwendungen verwendete Dochtmaterialien
mit Lösungen
aktiver Inhaltsstoffe wie z. B. monoklonaler Antikörper behandelt
werden, um mit dort hindurch geleiteten Materialien in Wechselwirkung
zu treten. Ferner können
farbverändernde
Additive eingeschlossen werden, um das Vorhandensein bestimmter
Bestandteile in solchen Materialien zu identifizieren.
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Ein
antibakterielles Additiv kann zu einem Faserelement hinzugefügt werden,
um Probleme mit Schimmel zu minimieren, ein aktives Testmaterial kann
zu einem Fasermaterial mit geringer Dichte und einem Polyethylenmantel/Polypropylenkern,
das bei der Erzeugung eines Schwangerschaftstestdochts verwendet
wird, hinzugefügt
werden, und ein flüchtiges
Medikament kann in einen Faserwärme-
und -feuchtigkeitstauscher des im Patent '833 beschriebenen Typs eingeschlossen
werden.
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Der
Einschluss anderer Additive bei der Erzeugung von selbstkräuselnden
Garnen, Bandkabeln oder anderen Faserprodukten ist dem Durchschnittsfachmann
hinreichend bekannt oder offensichtlich. Das gleichmäßige Auftragen
solcher Additive insbesondere während
mit hoher Geschwindigkeit ablaufender kommerzieller Herstellungsprozesse
und in Schichten oder Bahnen oder Fasermaterial in deren gesamten
Bereich ist auf effiziente und kostengünstige Weise schwierig zu bewerkstelligen,
besonders bei schmelzgeblasenen Bahnen.
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Eine
Eigenschaft schmelzgeblasener Fasermaterialien wie sie z. B. durch
die oben erwähnten früher erteilten
Patente erzeugt werden, ist die trockene Natur der Faseroberflächen. Das
gleichmäßige Auftragen
und Rückhalten
von Additiven bei solchen Materialien ist besonders schwierig, weil Schmelzblasprozesse
vom Stand der Technik nicht dazu in der Lage sind, eine Methodik
zum Auftragen flüssiger
Additive auf eine schmelzgeblasene Bahn bereitzustellen, während sie
extrudiert oder ge sammelt wird. Überdies
ist das Eindringen der Additive in den Kern von Bahnen oder Spinnbändern aus
solchen trockenen Fasermaterialien zum Vorsehen einer gleichmäßigen Menge
des Additivs im gesamten Endprodukt schwierig, insbesondere bei
den hohen Geschwindigkeiten von kommerzieller Verarbeitungsausrüstung. Zur
Sicherstellung eines gleichmäßigen Auftragens
solcher Materialien waren sie vordem stark verdünnt, wie in einer wässrigen
Lösung, und
die Faserbahnen passierten eine geflutete Präparationsdüse, um die Fasern mit der Lösung zu
tränken
und dadurch die Bahn mit dem Additiv zu durchdringen. Die Nachteile
eines solchen Verfahrens sind offensichtlich. Zuerst besteht die
Notwendigkeit, eine verdünnte
Lösung
des Additivmaterials zu bilden, was nicht nur zu den Arbeitskosten
beiträgt,
sondern übermäßig viel
Additiv erfordert, wodurch außerdem die
Materialkosten ansteigen. Außerdem
ist es nach der Tränkung
der Bahn mit der verdünnten
Additivlösung
erforderlich, zur auf die Erzeugung folgenden Verarbeitung die überschüssige Flüssigkeit
zu entfernen und das Material zu trocknen. Die Menge des aufgetragenen
Additivs wird im Allgemeinen durch Wegblasen der unerwünschten
Lösung
mit einer Luftstripp-, Drucklufttrocken- oder Thermoofen-Vorrichtung
kontrolliert. Wegen der Betriebsgeschwindigkeit ist es jedoch sehr
schwierig, die resultierenden Einheiten beim Austreten aus einer
Strippdüse oder Ähnlichem
vollständig
trocken zu bekommen. Auf diese Weise verarbeitete Einheiten fühlen sich gewöhnlich feucht
an, wobei sie die auf die Erzeugung folgende Verarbeitung erheblich
erschweren und zur unerwünschten
Verschwendung von Additivmaterial beitragen. Außerdem kann die Erzeugung eines
nassen Produkts zu bedeutenden nachgelagerten Problemen mit Schimmel
oder anderem biologischen Wachstum führen, das sich im Produkt festsetzt.
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Zahlreiche
Faserprodukte sind mit heißer Luft,
gesättigtem
Dampf oder anderen fluiden Heizmitteln thermisch verbindbar. Die
Aktivierung der Verbindungsfähigkeit
von plastifiziertem Zelluloseacetat erfolgt z. B. durch Dampfbehandlung
bei der Erzeugung von herkömmlichen
Tabakrauchfilterstäben
und anderen porösen
Elementen, in denen die Fasern an ihren Kontaktpunkten miteinander
verbunden werden, um einen verschlungenen Zwischenweg für das dortige
Hindurchströmen
eines Fluids wie z. B. Tabakrauch bereitzustellen. Wie im Patent '766 beschrieben können ähnlich schmelzgeblasene
Zweikomponentenfasern mit einem Polyethylenterephthalatmantel und
einem Kern aus Polypropylen oder Ähnlichem in einen langen und
dünnen,
im Wesentlichen selbsttragenden porösen Stab umgewandelt werden,
der zur Verwendung beispielsweise als Tintenvorratsbehälterelemente
in einem Einschritt- oder Dauerprozess unterteilt werden kann, weil
der Polyethylenterephthalatmantel die ungewöhnliche Eigenschaft besitzt,
bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Kernmaterials
eine Kristallisierung zu erfahren, und deshalb sind die Fasern mit
erwärmtem Fluid
thermisch verbindbar.
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Es
wäre besonders
wünschenswert,
das gleichmäßige und
schnelle Auftragen eines Additivmaterials während der Erzeugung eines beliebigen der
oben besprochenen Faserprodukte zu ermöglichen, insbesondere in den
Fällen,
in denen eine Bahn aus feinen Fasern schmelzgeblasen und daher auf
eine trockene Weise erzeugt wurde, die die Schwierigkeit beim Verarbeiten
solcher Materialien beseitigt.
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AUFGABEN UND INHALT DER
ERFINDUNG
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Bereitstellung
eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zum
Einbringen eines Additivmaterials in eine Faserbahn, insbesondere
um die Oberflächeneigenschaften
der Fasern umzuwandeln oder zu verändern und um daraus Produkte
mit vergleichbarer oder besserer Gleichmäßigkeit auf eine effizientere
und kostengünstigere
Weise zu erzeugen als es mit der Technologie vom Stand der Technik
möglich
ist.
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Im
Einklang mit dem Vorstehenden ist eine wichtige Aufgabe dieser Erfindung
die Bereitstellung eines Systems, das das Auftragen von Additivmaterialien
auf eine Weise ermöglicht,
die nicht unbedingt eine Verdünnung
erforderlich macht und die Notwendigkeit ausschließt, die
Faserbahn mit Lösungen
des Additivs zu fluten, was in der Erzeugung bedeutend trockenerer
Einheiten ohne die Notwendigkeit von kostspieligem und ausgiebigem
Luftstrippen oder Ähnlichem
resultiert und dadurch die Nachbehandlung mit wenig oder keinem
verschwendetem Additiv erleichtert.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung ist das Auftragen eines Additivmaterials
auf eine polymerische Faserbahn, um die Oberflächeneigenschaften der Faser
mittels des Heizmittels, das die Fasern zu einem Endprodukt verbindet,
zu verändern.
Genauer gesagt wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung bei Verwendung von Dampf zum Aktivieren der Verbindungseigenschaften
der Fasern in einer Bahn das Additivmaterial während des Verbindungsschritts
durch den Dampf in die Bahn getragen.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Breitstellung eines Verfahrens
und von Mitteln zum Erzeugen von Faserelementen, die die Notwendigkeit
der Additivsättigung
durch verdünnte
Lösungen und
begleitender Trockentechniken, die vordem erforderlich waren, beseitigen.
Im Einklang damit sieht die vorliegende Erfindung das Auftragen
von Additiven unter Nutzung des das Verbinden der Faserelemente
verursachenden Heizmittels, wie z. B. Dampf, als einen Träger für das Additiv
vor, was die Verwendung unverdünnter
Additivmaterialien ermöglicht
und die Zufuhrraten und Kosten des Einspritzens von Additiven in
das Fasermaterial und durch ausgiebiges thermisches Trocknen oder
Luftstrippen entstehe Kosten bedeutend senkt.
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Eine
andere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines einzigartigen
Verfahrens und einer einzigartigen Vorrichtung zum Kontrollieren
der Menge auf die Faserbahn aufgetragenen Additivs mittels eines
Heizfluids wie z. B. Dampf, um eine dosierte Menge Additivmaterial
aus einer Quelle desselben durch eine verstellbare Venturi-Baugruppe
zu saugen und dann das Additiv zu einer Formdüse zu transportieren, wo das
Heizfluid vollständig
in das Fasermaterial eindringt und das Additiv in der gesamten Bahn
gleichmäßig aufträgt, während es
gleichzeitig die Fasern an ihren beabstandeten Kontaktpunkten miteinander
verbindet.
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Zusammenfassend
ist eine Haupt- und grundlegende Aufgabe dieser Erfindung das Kombinieren
zweier früher
unabhängiger
Verarbeitungsfunktionen, nämlich
das Auftragen von Additiv und das Erwärmen des Fasermaterials, um
die Fasern an beabstandeten Kontaktpunkten miteinander zu verbinden
und dabei ein kommerziell lebensfähigeres und wirtschaftlicheres
Herstellungsverfahren und daraus resultierende Produkte mit gleichmäßigeren und
besser vorhersagbaren Eigenschaften bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und zahlreiche der begleitenden Vorteile
dieser Erfindung erschließen
sich Fachleuten leichter in Verbindung mit der folgenden detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Form der Auftragungs- und Formdüse, die in einer Prozessstraße zum Erzeugen
von Faserprodukten gemäß dieser
Erfindung brauchbar ist;
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2 eine
schematische Ansicht eines Abschnitts der Prozessstraße, bei
der das Additivmaterial durch eine Venturi- Baugruppe in das Heizmittel gesaugt
und durch das Heizmittel in die Formstation transportiert wird;
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3 eine
Grafik, in der die Tensidkonzentration und ihre Auswirkung auf die
Flüssigkeitsabsorption
in einem Vorratsbehälterelement,
das mit der zum Stand der Technik gehörenden Technik des Sättigens
eines geformten Faserelements mit Additiv und anschließenden Entfernens
von überschüssigem Additiv
mit einem Luftstrippwerkzeug geformt wurde, mit einem Produkt verglichen
wird, das mit dem Prozess der vorliegenden Erfindung geformt wurde,
bei dem das Tensid durch Dampfeinspritzung hinzugefügt wird;
und
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4 eine
Grafik, die die Gewichtsschwankung bei Produkten vergleicht, die
mit den zum Stand der Technik gehörenden Techniken und der vorliegenden
Technik erzeugt wurden.
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Identische
Bezugszeichen beziehen sich überall
in den mehreren Ansichten der Zeichnungen auf gleiche Teile.
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Andere
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
anhand der folgenden Beschreibung und Ansprüche in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen ersichtlich.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei
der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
wird der Klarheit willen von spezieller Terminologie Gebrauch gemacht.
Es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf die speziellen
so ausgewählten
Bezeichnungen beschränkt
ist, und es versteht sich, dass jede spezielle Bezeichnung alle
technischen Entsprechungen beinhaltet, die auf eine ähnlich Weise
wirken, um einen ähnlichen
Zweck zu erfüllen.
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Wie
oben erwähnt
betreffen die vorliegenden erfinderischen Ideen allgemein das Auftragen
eines Additivmaterials auf eine Faseroberfläche, um die Oberflächeneigenschaften
der Fasern oder die Eigenschaften eines in vielen kommerziellen
Umgebungen daraus gebildeten Produkts umzuwandeln oder zu verändern. Da
jedoch eine spezielle kommerziell bedeutende Anwendung dieser Ideen
in der Erzeugung von Tintenvorratsbehälterelementen besteht, wobei
ein grenzflächenaktiver
Stoff bzw. Tensid auf eine Faserbahn aufgetragen wird, um die Tintenhalte-
und Abgabeeigenschaften der daraus erzeugten Produkte zu ändern, wird
sich die folgende detaillierte Beschreibung auf die Verwendung des
Verfahrens und der Mittel dieser Erfindung bei der Erzeugung von
Tintenvorratsbehälterelementen
für Markier-
und Schreibinstrumente konzentrieren, die Zweikomponentenfasern
mit einem Polyethylenterephthalatmantel/Polypropylenkern aufweisen,
die durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom schmelzgeblasen werden,
wenn die Fasern aus den Spinndüsenöffnungen
austreten und während
sie noch geschmolzen sind. Techniken zur Erzeugung solcher Faserbahnen
sind hinreichend bekannt aber besonders effektive, in hohem Maße gleichmäßige homogene
Bahnen aus solchen Materialien können
durch die im oben erwähnten
Patent '181 beschriebenen Zweimodus-
oder Mischfaserideen erzeugt und durch Dampf verbunden werden, um
lange und dünne
poröse
Elemente zu formen, die in den Zylinder eines Stifts oder von Ähnlichem
eingeschlossen und mit einer Tintenmenge gefüllt werden können, wenn sie
abgekühlt
sind.
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Beispielhafte
Verarbeitungsstraßen
für die Bildung
von Faserprodukten sind in vielen Patenten vom Stand der Technik
zu sehen, z. B. in den oben angegebenen Patenten '766 und '181. Solche Verarbeitungsstraßen können eine
herkömmliche Schmelzblas-Faserspinnvorrichtung
aufweisen, die – falls
das herzustellende Produkt ein Tintenvorratsbehälter ist – Einkomponentenfasern extrudieren
kann, die aus Polyestern wie z. B. Poly ethylenterephthalat oder
Zweikomponentenfasern, die einen Polyestermantel und einen Polypropylen-
oder anderen Thermoplastkern aufweisen, geformt sind, wie in einem jeden
der oben erwähnten
Patente, die zum Extrudieren von Zweikomponentenfasern aus solchen
Materialien, insbesondere dem Patent '766, ausgeführt sind, erwähnt.
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Werden
die extrudierten Fasern schmelzgeblasen, so werden sie ungeachtet
ihrer Art vorzugsweise durch einen Hochgeschwindigkeits-Luftstrom verfeinert,
der die Erzeugung feiner Fasern in der Größenordnung von 12 Mikron oder
weniger ermöglicht.
Diese werden als ein bandartiges, nicht gewebtes Filamentbündel in
der Form einer zufällig
verstreuten, verwirrten Bahn oder eines zufällig verstreuten, verwirrten
Vorgarns auf einem Förderband oder
einer herkömmlichen
mit einem Gitter bedeckten Unterdrucksammeltrommel oder anderen
sich bewegenden Oberfläche,
die die Faserbahn von mitgerissener Luft trennt, fortlaufend gesammelt,
um die Weiterverarbeitung zu erleichtern.
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Die
Bahn wird dann durch mehrere Verarbeitungsstationen befördert, wobei
sie im Allgemeinen eine Sammeldüse
durchquert, die das Faserbündel seiner
fertigen Größe näher bringt,
um ein stabartiges Element zu erzeugen, das in eine Auftragungs- und
Formdüse
eintritt, wo die Fasern an ihren Kontaktpunkten durch Dampf oder Ähnliches
miteinander verbunden werden, um ein Endloselement zu erzeugen,
das durch eine Standardkühl-
und -trockenstation transportiert wird. Dieser Prozess erzeugt einen relativ
selbsttragenden hochporösen
Faserstab, der zum Verpacken oder anschließenden Verwenden zu geeigneten
Fertigproduktlängen
geschnitten werden kann.
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Es
versteht sich, dass die oben stehende Beschreibung einer Prozessstraße nur beispielhaft
ist und nicht beabsichtigt ist, dass sie jedes einzelne Element
enthält,
das zum Behandeln be stimmter polymerischer Materialien bei der Bildung
poröser
Stäbe für verschiedene
Anwendungen erforderlich sein kann.
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Eine
typische Dampfbehandlungs- und Formdüse zur Verwendung in einer
Prozessstraße des
beschriebenen Typs ist in 1 mit 30 gekennzeichnet
dargestellt. Diese weist eine Einlassöffnung 31 für den Dampf
oder ein anderes Heizfluid auf, das unter Druck eintritt und dann
im Düsensammelraum 32 einen
Ausgleich erfährt,
um durch eine Reihe von Auftragungsöffnungen 33 in die
Düsenprofilbohrung 34 zu
passieren, in der es auf eine hinreichend bekannte Weise ein nicht
gewebtes Bündel 25 zu
einem Endloselement 28 formt. Die Öffnungen 33 können diametral
angeordnet sein wie dargestellt, oder zum Einlass oder Auslass der
Bohrung 34 hin unter einem Winkel verlaufen, je nach der
verwendeten speziellen Verarbeitungstechnologie.
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Wie
insbesondere in Bezug auf 2 zu sehen
ist, wird gemäß den bevorzugten
Techniken dieser Erfindung ein Additivmaterial wie z. B. ein Tensid von
einem Additivversorgungs-Vorratsbehälter 50 durch eine
Standard-Peristaltikdosierpumpe 52 in eine Additiv-Venturi-Baugruppe 60 mit
verstellbarer Durchflussmenge eingespeist. Der Dampf oder ein anderes
druckbeaufschlagtes Heizfluid-Transportmittel 55 wird über die
Transportmittel-Einlassöffnung 61 an
die Venturi-Baugruppe 60 geliefert, wo er in die Sammelkammer 62 eintritt,
wobei er einen Druckausgleich erfährt, bevor er zur sich verjüngenden
Düse 63 weiterströmt, die
durch die sich ergänzenden,
mit Gewinde versehenen äußeren 64 und
inneren 65 Abschnitte geformt wird, die eine Flusskontraktion
der durch O-Ringe 66 abgedichtete Venturi-Baugruppe 60 bilden.
Der Dampfstrom verliert Druck und beschleunigt sich durch den kleiner
werdenden Düsenquerschnitt,
der durch Drehen der Elemente 64, 65 gegeneinander
verstellt werden kann, um einen günstigen Druckgradienten und
eine Zone niedrigen Drucks am Düsenausgang 67 zu
erzeugen. Der Druckgradient saugt das Additiv aus dem Vorratsbehälter 50 an,
wobei es das Additiv in der Hochgeschwindigkeits-Transportströmung des
Dampfes mitreißt,
so dass das Additiv durch den Dampf Fluidtransportleitungen 69 entlang
zur Auftragungs- und Formdüse 30 befördert wird,
wo das Dampf-Additiv-Gemisch in die Einlassöffnung 31 gespeist
wird.
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Die
Verwendung der Dampfansaug-Auftragsvorrichtung gemäß dieser
Erfindung ermöglicht bei
relativ niedrigen Förderraten
das Auftragen unverdünnter
fluider Additive auf eine schmelzgeblasene oder andere nicht gewebte
Bahn oder ein Bandkabelbündel
oder selbstkräuselnde
Garne während oder
vor dem Formvorgang. So erfüllt
der Dampf oder ein anderes Heizfluid eine zweifache Funktion, wobei
er das Additivmaterial zum und in das Faserbündel trägt, um das Additiv in einem
im Wesentlichen trockenen Prozess gleichmäßig in das Endprodukt einzuschließen, und
gleichzeitig die Fasern an ihren beabstandeten Kontaktpunkten miteinander verbindet.
So vermeidet dieses System die Zeit und Kosten des Verdünnens des
Additivmaterials, Hinzufügen
desselben zum Faserbündel
durch Fluten einer Düse
mit hohen Volumenmengen verdünnter
Additivlösung,
um sicherzustellen, dass das Additiv in das Faserbündel eindringt,
und dann den Versuch, die getränkten
Fasern durch Luftstrippen oder auf eine andere Weise zu trocknen,
wobei erhebliche Mengen Additiv verschwendet werden und das Formen
des Endprodukts unnötigerweise
verlangsamt wird.
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Aus 3 ist
ersichtlich, dass die Flüssigkeitsabsorption
der Produkte des Dampfeinspritzungs-Auftragungsverfahrens dieser
Erfindung weitgehend derjenigen von Produkten der zeitraubenderen
und kostspieligeren herkömmlichen
Technik zum Einschließen
von Additiv folgt. Außerdem
ergaben die Techniken mit Dampfansaugung eine nahezu gleiche Gewichtsübereinstimmung,
wie aus 4 ersichtlich ist, was auf zuverlässige Auftragungsraten und
beherrschbare Prozessbedingungen hinweist.
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Die
oben stehenden Beschreibungen und Zeichnungen sind nur als Veranschaulichung
der Grundgedanken der Erfindung zu verstehen. Für den Fachmann werden sich
ohne weiteres zahlreiche Anwendungen der vorliegenden Erfindung
ergeben. Deshalb soll die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen
oder den genauen Aufbau oder Betrieb der dargestellten und beschriebenen
bevorzugten Vorrichtung beschränkt
sein. Vielmehr kann von allen geeigneten Modifikationen und Entsprechungen
Gebrauch gemacht werden, die in den Gültigkeitsbereich der Erfindung
fallen.