DE69607187T2 - Thermoplastische harzzussamensetzung für brennstoffleitungen - Google Patents

Thermoplastische harzzussamensetzung für brennstoffleitungen

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine thermoplastische Zusammensetzung, die verbesserte Eigenschaften für die Herstellung von Behältern für Brennstoffe, wie Heizöl, Benzin, Diesel, Alkohol, und spezieller der Leitungen zur Speisung des Brennstoffbehälters oder Speisung des Motors mit Brennstoff aufweist.
  • Unter dem Begriff "Brennstoff" sollen die verschiedenen Gemische von Kohlenwasserstoffen, die als Brennstoff in den Verbrennungs- oder Verdichtungsmotoren verwendet werden, verstanden werden. So umfasst dieser Ausdruck insbesondere das Heizöl, den Diesel, alle Kategorien von Benzin sowie die Gemische von Kohlenwasserstoffen und Alkoholen oder Entsprechende.
  • Es ist bekannt, dass die Zusammensetzungen, die als thermoplastische Polymermatrix Polyhexamethylenadipamid (PA 6.6) oder Polycaprolactam (PA 6) umfassen, für die Herstellung von Brennstoffleitungen nicht geeignet sind.
  • In der Tat weisen diese Polymere keine Beständigkeit gegenüber Salzlösungen, wie einer Zinkchloridlösung (ZnCl&sub2;) auf. Eine solche Beständigkeit wird von den Automobilkonstrukteuren gefordert und ist insbesondere durch die internationale Norm SAE 844 für die Beständigkeit der Brennstoffleitungen gegenüber Salzlösungen definiert. In kurzen Worten besteht dieser Test darin, die Beständigkeit des Materials gegenüber Platzen oder Rissigwerden zu bestimmen, wenn das Material in eine Salzlösung, im Allgemeinen von ZnCl&sub2;, unter Anwendung einer Biegekraft getaucht wird. Diese Eigenschaft ist im Allgemeinen unter dem Namen Beständigkeit gegenüber "stress cracking" oder " ZnCl&sub2;-Test" bekannt. So wird eine in eine ZnCl&sub2;-Lösung getauchte und unter mechanische Spannung gebrachte Leitung, die aus PA 6.6 oder PA 6 hergestellt ist, in wenigen Minuten rissig und birst sogar.
  • Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, aus Monomeren mit höherer Kohlenstoffatomanzahl, nämlich 11 oder 12, erhaltene Polyamide zu verwenden.
  • Diese Polyamide 11 oder 12 weisen eine bessere Beständigkeit im ZnCl&sub2;-Test auf, haben aber eine begrenzte Schlagzähigkeit bei Raumtemperatur und hohe Herstellungskosten. Außerdem weisen diese Polymere eine hohe Durchlässigkeit für Kohlenwasserstoffe auf.
  • In dem Patent US 5 256 460 wurde auch eine thermoplastische Zusammensetzung vorgeschlagen, die ein Gemisch eines thermoplastischen Copolymers mit einem Polyolefin umfasst, das gepfropfte funktionelle Gruppen umfasst. Das thermoplastische Copolymer wird durch Copolymerisation von s-Caprolactam mit Aminosäuremonomeren oder deren Lactamen, die wenigstens 9 Kohlenstoffatome umfassen, oder einem Gemisch von Hexamethylendiaminmonomeren und Dicarbonsäuren, die wenigstens 9 Kohlenstoffatome umfassen, erhalten. Als bevorzugtes Copolymer wird das Copolyamid beschrieben, das durch Copolymerisation eines Monomergemischs erhalten wird, das ε-Caprolactam, Hexamethylendiamin und ein Säuredimer, das 36 Kohlenstoffatome umfasst, (PA 6 / 6.36) umfasst.
  • Dieses Copolymer kann auch im Gemisch mit Polyamid 11 oder 12 in Gewichtsanteilen von 0,1 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, verwendet werden.
  • Es wird auch beschrieben, dass das Gemisch Polyamid 6 in einem Anteil von 0,1 bis 20 Gew.-% und vorzugsweise von 1 bis 7 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, umfassen kann.
  • Diese Zusammensetzungen weisen eine gute Beständigkeit im "ZnCl&sub2;-Test" auf. Jedoch ist das Copolymer 6 / 6.36 eine Verbindung, bei der gewisse mechanische Eigenschaften schlechter sind als diejenigen der Polyamide PA 6 oder PA 6.6, beispielsweise die Berstfestigkeit.
  • Um diesen Nachteilen abzuhelfen, schlägt die Anmelderin eine Zusammensetzung vor, die einen Beständigkeitsgrad im "ZnCl&sub2;-Test" in der gleichen Größanordnung wie die Zusammensetzungen des Patents US 5 246 460 aufweist, aber mit besseren Niveaus der mechanischen Eigenschaften.
  • Zu diesem Zweck schlägt die Anmelderin eine thermoplastische Zusammensetzung vor, die eine Matrix aus thermoplastischem Polymer und wenigstens eine Verbindung, die die Schlagzähigkeit der thermoplastischen Zusammensetzungen verbessert, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus einem Gemisch von wenigstens einem ersten thermoplastischen Copolymer, das erhalten wird durch Copolymerisation von ε-Caprolactam mit wenigstens einem der Monomere, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die umfasst:
  • eine Aminosäure mit wenigstens 9 Kohlenstoffatomen oder das entsprechende Lactam
  • ein Gemisch von Hexamethylendiamin mit einer Dicarbonsäure mit wenigstens 9 Kohlenstoffatomen, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen dem ε-Caprolactam und der Summe aus Hexamethylendiamin und Dicarbonsäure zwischen 4 und 9 liegt,
  • und aus wenigstens einem zweiten thermoplastischen Polymer oder Copolymer, erhalten durch Polymerisation von Monomeren mit weniger als 9 Kohlenstoffatomen, besteht. Der Gewichtsgehalt des zweiten Polymers oder Copolymers in der Matrix liegt zwischen 40 und 80 Gew.-%, wobei der Gewichtsgehalt an Verbindung, die die Schlagzähigkeit verändert, zwischen 20 und 50% der thermoplastischen Zusammensetzung liegt.
  • Das erste thermoplastische Polymer ist ein Copolymer, das dem in dem Patent US 5 256 460, dessen Text in die vorliegenden Anmeldung eingeschlossen ist, beschriebenen entspricht.
  • Als bevorzugtes Copolyamid kann man die bereits zuvor beschriebenen Copolyamide 6 I 6.36 oder die Copolymere, die aus den Monomeren s-Caprolactam, Hexamethylendiamin und Undecandisäure erhalten werden, anführen.
  • Das zweite thermoplastische Polymer ist ein Polymer, das aus Monomeren erhalten wird, die eine Anzahl an Kohlenstoffatomen kleiner als 9 umfassen. Diese Polymere haben als Merkmal, im "ZnCl&sub2;-Test" nicht beständig zu sein. Als Beispiel für ein zweites thermoplastisches Polymer kann man PA 6.6, PA 6, deren Copolymere und die Copolyamide auf der Basis von PA 6.6 und/oder PA 6 anführen, die durch Zugabe von Monomeren, wie Terephthal- und Isophthalsäure, Metaxylylendiamin, 1,4-Diaminocyclohexan, 1,4-Dicarboxycyclohexan, 1,4-Diaminocyclohexan oder Entsprechenden, in mehr oder weniger großen Anteilen verändert sind. Dieses zweite thermoplastische Polymer kann auch in geringem Anteil Monomere mit mehr als 9 Kohlenstoffatomen umfassen, beispielsweise Dodecan-, Azelain-, Sebacinsäure, Isophorondiamin, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Im Gegensatz zu den Lehren des Patents US 5 256 460 sind diese zweiten thermoplastischen Polymere in der Zusammensetzung der Erfindung in einer hohen Konzentration vorhanden. In der Tat kann das Verhältnis zweites Polymer / erstes Polymer zwischen 1,6 und 4 variieren. Im Gegensatz dazu erläutern die Beispiele des Patents US 5 256 460 Zusammensetzungen mit einem Verhältnis PA 6 / PA 6 / 6.36 gleich 1/15.
  • Die Zusammensetzungen der Erfindung, die eine hohe Konzentration an Polyamid mit kurzer Kohlenstoffkette (PA 6, PA 6.6) umfassen, weisen eine Beständigkeit im "ZnCl&sub2;-Test", die den bekannten Zusammensetzungen entspricht, und deutlich bessere mechanische Eigenschaften auf.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Verbindung, die die Schlagzähigkeit der Zusammensetzung verändert, vorteilhafterweise in einer Gewichtskonzentration zwischen 25 und 45%, bezogen auf die Gesamtheit der Zusammensetzung, vorhanden.
  • Als für die Erfindung geeignete Verbindung, die die Schlagzähigkeit verändert, kann man als Beispiel die Ionomere, die Polymere oder Copolymere von Polyolefinen anführen, die funktionelle Gruppen, wie Carboxyl-, Ester-, Anhydrid-, Glycidyl- oder Carboxylatgruppen umfassen, wie Maleinsäureanhydrid, die Methacryl- und Acrylsäuren. Diese funktionellen Gruppen werden durch Copolymerisation oder durch Pfropfung in die Polyolefine einbaut.
  • Solche Verbindungen sind im Stand der Technik bekannt und in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können diese funktionelle Gruppen umfassenden Polymere oder Copolymere mit anderen Verbindungen, die die Schlagzähigkeit verändern, aber keine funktionellen Gruppen umfassen, und ein Verhaken mit der thermoplastischen Matrix ermöglichen, verbunden werden. Als Beispiel kann man die Polymere und Copolymere von Olefinen, wie Polyethylen, Polypropylen, die Copolymere von Ethylen und Propylen, die EPDM, EPR, das geblockte oder hydrierte Polystyren-Butadien, die Copolymere von Polyolefinen mit Vinylacetat anführen.
  • Jedoch sollte gemäß der Erfindung das Polymer mit funktionellen Gruppen gemäß einer Gewichtskonzentration von wenigstens 30% vorhanden sein, während das nicht funktionalisierte Polymer nur in einer maximalen Gewichtskonzentration von 30% vorhanden ist.
  • Die Zusammensetzungen der Erfindung können auch einen Weichmacher für die Polyamidmatrix, wie beispielsweise die Sulfonamide und spezieller N-Butylbenzensulfonamid umfassen. Dieser Weichmacher ist vorteilhafterweise mit einer Gewichtskonzentration zwischen 0 und 15%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, vorhanden.
  • Die Erfindung hat auch die Gegenstände, die durch Farmen einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung durch die üblichen Formgebungstechniken, wie beispielsweise das Gießen, die Extrusion, die Blasextrusion oder Entsprechende, erhalten werden, zum Gegenstand.
  • Als Gegenstand kann man spezieller die Benzinbehälter und noch vorteilhafter die Leitungen zum Einlass des Benzins in den Motor oder die Zulaufleitungen der Behälter anführen.
  • Die Beispiele für Gegenstände werden nur zur Information angegeben, aber entsprechen den Teilen, die eine gute Beständigkeit gegen Brennstoffe erfordern, insbesondere eine geringe Durchlässigkeit und gute mechanische Eigenschaften und Flexibilitätseigenschaften, um den Belastungen und den Vibrationen standhalten zu können.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden angesichts der im Folgenden nur zur Information und ohne beschränkende Wirkung angegebenen Beispiele klarer hervortreten.
  • Die Prozentangaben sind, außer bei gegenteiliger Angabe, in Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, ausgedrückt.
  • Beispiel 1: Synthese des Copolymers PA 6 / 6.36
  • Die Copolymerisation des Copolymers, das den ersten Bestandteil der thermoplastischen Matrix bildet, wird gemäß der in dem Patent US 5 256 460 beschriebenen und im Folgenden kurz wiedergegebenen Arbeitsweise durchgeführt:
  • Eine Lösung von Hexamethylendiamin und einem Säuredimer mit 36 Kohlenstoffatomen in Caprolactam wird hergestellt. Das Hexamethylendiamin und das Säuredimer sind gemäß einem stöchiometrischen Verhältnis vorhanden, während das Gewichtsverhältnis zwischen dem Hexamethylendiamin und dem Caprolactam 0,033 beträgt.
  • Um das Molekulargewicht des Polymers einzustellen und zu kontrollieren wird eine Monocarbonsäure (Azelainsäure) zugefügt.
  • Die Lösung wird unter inerter Atmosphäre in einem Autoklaven polymerisiert. Die Polymerisation wird dann durch Verminderung des Drucks (100 Torr) bis zum Erhalt dar gewünschten Viskosität fortgesetzt. Die relative Viskosität des Copolymers, gemessen in Schwefelsäure, liegt im Allgemeinen zwischen 2,5 und 3,5; diese Viskosität wird indirekt durch die Messung des Kräftepaars, das notwendig ist, um den Rührer in dem Reaktor anzutreiben, kontrolliert und abgeschätzt.
  • Beispiele 2 bis 8 und Vergleichsbeispiele A bis E
  • Die Zusammensetzungen der Erfindung werden durch Mischen in einem Doppelschneckenextruder hergestellt, indem die verschiedenen Bestandteile zugegeben und bei einer Temperatur zwischen 233ºC und 288ºC gemischt werden. Das Gemisch wird bei 266ºC in Form von Stäben extrudiert, die dann in Form von Granulat geschnitten werden.
  • Die verschiedenen Zusammensetzungen der Erfindung sind in der folgenden Tabelle 1 mit ihrer Zusammensetzung erfasst.
  • Die Beispiele A bis E sind Vergleichsbeispiele, die außerhalb der vorliegenden Erfindung liegen. Das Beispiel A entspricht einer in dem Patent US 5 256 460 beschriebenen Zusammensetzung (Beispiel 4).
  • Die Polyamidmatrix besteht aus einem Gemisch von gemäß Beispiel 1 erhaltenem Copolymer 6 / 6-36 und Polycaproamid mit einer relativen Viskosität, gemessen in Schwefelsäure, gleich 3,8. Tabelle I
  • Der Weichmacher ist N-Butylbenzensulfonamid.
  • EP-g-Ma ist ein mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes Ethylen/Propylen- Copolymer, das von der Firma EXXON unter dem Handelsnamen EXXELOR VA 1801 verkauft wird.
  • Ionomer ist ein Polymer, das von der Firma E. I. DU PONT de NEMOURS unter dem Handelsnamen SURLYN 9720 verkauft wird.
  • EAA ist ein Copolymer von Ethylen und Acrylsäure.
  • Die so hergestellten Zusammensetzungen werden in einem Einschneckenextruder in Form eines Schlauchs oder einer Leitung mit einem Innendurchmesser gleich 6 mm und einer Dicke von 1 mm extrudiert. Die mechanischen Eigenschaften und die Beständigkeitseigenschaften im "ZnCl&sub2;-TesV' der verschiedenen Zusammensetzungen werden an den extrudierten Leitungen bestimmt und sind in der folgenden Tabelle II zusammengefasst. Tabelle II
  • Die Bestimmung der Beständigkeit gegenüber "Stress Cracking" in einer ZnCl&sub2;- Lösung wird gemäß der Vorgehensweise durchgeführt, die in der internationalen Norm SAE J 844, herausgegeben im Juni 1963 und geändert am 12. Juni 1990, beschrieben ist. Dieser Test besteht darin, ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 6 mm und einem Außendurchmesser von 8 mm, das mit dem zu testenden Material extrudiert wurde, einer bestimmten Halbkreisbiegung zu unterziehen und das so gekrümmte Rohr in eine frische Lösung mit 50 Gew.-% Zinkchlorid 200 Stunden lang bei 24ºC einzutauchen. Nach Herausnehmen des Rohrs aus der Lösung darf auf dessen äußerer Oberfläche keinerlei Riss erscheinen.
  • Der Berstdruck wird ebenfalls gemäß der in der zuvor zitierten Norm SAE J 844 beschriebenen Vorgehensweise bestimmt und besteht darin, zu bestimmen, bei welchem Druck ein Rohr nach Aufrechterhalten des Drucks während einer Dauer von 3 bis 15 Sekunden birst.
  • Die IZOD-Schlagzähigkeiten werden an Proben gemäß dem in der Norm ASTM D-256 definierten Verfahren bestimmt.
  • Die Dehnung in Methanol wird an den extrudierten Rohren gemäß dem folgenden Test bestimmt: runde Metallstäbe mit einem Außendurchmesser, der ungefähr gleich dem Innendurchmesser der zu testenden Rohre ist, werden in das Innere der Rohrstücke mit einer Länge von wenigstens 300 mm eingeführt, um jegliche Verformung, beispielsweise durch Biegung oder Verdrehung, der zu testenden Rohre zu vermeiden.
  • Das Ganze wird durch Halten während 48 Stunden in einer Kammer bei 80ºC konditioniert. Dann wird das Ganze auf Raumtemperatur gebracht und der runde Stab wird herausgenommen. Das Rohr wird dann auf einer Anlage fixiert, die es ermöglicht, die Rohre in Verbindung mit einem Behälter, der Methanol enthält, zu bringen und zu halten. An dem Rohr werden Markierungen angebracht und ihre Position wird bestimmt. Eine bestimmte Methanolmenge wird in die Rohre gegeben, diese Menge wird während des gesamten Vorgangs durch automatische Zugabe aus dem erwähnten Behälter ungefähr konstant gehalten. Das Ganze wird dann 72 Stunden lang auf 40ºC erhitzt und gehalten. Nach Ausschalten der Heizung kommt das Ganze in 2 bis 3 Stunden auf Raumtemperatur zurück. Die neue Position der Markierungen auf dem Rohr wird bestimmt. Der Prozentsatz an Dehnung in Methanol wird durch Vergleich der Anfangs- und Endpositionen der Markierungen bestimmt.
  • Die Zugspannung beim Bruch und der Dehnungsgrad in % beim Bruch werden durch Kraftmessung an Rohrstücken mit einer Länge von 200 mm bestimmt. Um jegliche Verformung der Rohre in den Backen des Kraftmessers zu vermeiden, führt man zwei runde Metallstäbe in die Enden der Rohre ein; diese Stäbe haben eine Länge, die dem im Backen eingespannten Rohrumriss entspricht, und einen Durchmesser, der ungefähr gleich dem Innendurchmesser der Rohre ist. Eine Zugspannung wird auf das Rohr angewandt, um eine ein Deformationsgeschwindigkeit von 50 mm/min zu erhalten. Nach dem Bruch wird die Dehnung des Rohrs sowie die Zugspannung bestimmt.
  • Die obigen Beispiele zeigen, dass die Zusammensetzungen mit einer thermoplastischen Matrix, die 50 bis 79,8% PA 6 enthält, eine gute Beständigkeit gegenüber einer Zinkchloridlösung und gegenüber Methanol aufweisen und gleichzeitig bessere mechanische Eigenschaften, insbesondere einen besseren Berstdruck, als die Zusammensetzungen des Stands der Technik aufweisen.
  • Die Erfindung betrifft die oben beschriebenen Zusammensetzungen, die die beschriebenen Bestandteile enthalten, aber auch solche Zusammensetzungen, die Zusätze, wie Nukleierungsmittel, Wärme- oder UV-Stabilisatoren, Farbstoffe, Pigmente, Gleitmittel, enthalten, ohne dadurch deren Rahmen zu verlassen. Diese Liste von Zusätzen hat keinen beschränkenden Charakter.

Claims (13)

1. Thermoplastische Zusammensetzung, die eine Matrix aus thermoplastischem Polymer und wenigstens eine Verbindung, die die Schlagzähigkeit der thermoplastischen Zusammensetzungen verbessert, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus einem Gemisch von wenigstens einem ersten thermoplastischen Copolymer, das erhalten wird durch Copolymerisation von ε-Caprolactam mit wenigstens einem der Monomere, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die umfasst:
- eine Aminosäure mit wenigstens 9 Kohlenstoffatomen oder das entsprechende Lactam
- ein Gemisch von Hexamethylendiamin mit einer Dicarbonsäure mit wenigstens 9 Kohlenstoffatomen, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen dem ε-Caprolactam und der Summe aus Hexamethylendiamin und Dicarbonsäure zwischen 4 und 9 liegt,
und aus wenigstens einem zweiten thermoplastischen Polymer oder Copolymer, erhalten durch Polymerisation von Monomeren mit weniger als 9 Kohlenstoffatomen, besteht, wobei der Gewichtsgehalt des zweiten Polymers oder Copolymers in der Matrix zwischen 40 und 80 Gew.-% beträgt, der Gewichtsgehalt an Verbindung, die die Schlagzähigkeit verändert, zwischen 20 und 50% der Gesamtzusammensetzung beträgt.
2. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite thermoplastische Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die die Polymere auf der Basis von Polycaproamid, Polyhexamethylenadipamid oder ihren Copolyamiden umfasst.
3. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsgehalt an Verbindung, die die Schlagfestigkeit verändert, zwischen 25 und 45% der Gesamtzusammensetzung beträgt.
4. Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Weichmacher für Polyamide umfasst.
5. Zusammensetzung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsgehalt an Weichmacher kleiner ist als 15% der Gesamtzusammensetzung.
6. Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl an Kohlenstoffatomen des Dicarbonsäuremonomers des ersten Copolymers gleich 36 ist.
7. Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der die Schlagzähigkeit verändernden Verbindungen aus der Gruppe ausgewählt ist, die die Ionomere, die Polymere oder Copolymere von Polyolefinen umfasst, die funktionelle Gruppen wie Carboxyl-, Ester-, Anhydrid-, Glycidyl- oder Carboxylatgruppen umfassen.
8. Zusammensetzung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionelle Gruppe unter Maleinsäureanhydrid, den Methacryl- und Acrylsäuren ausgewählt ist.
9. Zusammensetzung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtskonzentration an funktionelle Gruppen umfassendem Polymer in der Zusammensetzung wenigstens gleich 30 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung beträgt.
10. Zusammensetzung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine die Schlagzähigkeit verändernde Verbindung, die keine funktionellen Gruppen umfasst, gemäß einer Konzertration kleiner als 30 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung umfasst.
11. Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schlagzähigkeit verändernde Verbindung, die keine funktionellen Gruppen umfasst, aus der Gruppe ausgewählt ist, die die Polymere und Copolymere von Olefinen, wie Polyethylen, Polypropylen, die Copolymere von Ethylen und Propylen, die EPDM, EPR, geblocktes oder hydriertes Polystyrol- Butadien, die Copolymere von Polyolefinen mit Vinylacetat, umfasst.
12. Gegenstand, der durch Formen einer Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 erhalten wird.
13. Leitung für flüssige Brennstoffe wie Heizöl, Diesel, Benzin, die durch Formen einer Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 erhalten wird.
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