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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von organischen
Fasern, und insbesondere auf die Bildung von organischen Polymerfasern
aus einer Zentrifuge oder einem rotierenden Spinnkopf.
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Produkte,
wie beispielsweise Isolations- und Bauprodukte, werden seit geraumer
Zeit aus Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, hergestellt. Ein sehr
bekanntes Verfahren zum Herstellen von Glasfasern umfasst das Zentrifugieren
von geschmolzenem Glas durch kleine Löcher, um Glasfasern zu bilden.
Ein Zuführrohr
versorgt einen sich drehenden, zylindrischen Spinnkopf mit geschmolzenem
Glas. Der Spinnkopf besitzt eine Umfangswandung mit einer Vielzahl
von kleinen Löchern.
Der Spinnkopf ist geheizt, um das Glas im geschmolzenen Zustand
zu halten. Wenn der Spinnkopf gedreht wird, bewegt die Zentrifugalkraft
das geschmolzene Glas gegen die Umfangswandung. Das geschmolzene
Glas wird vom sich drehenden Spinnkopf zentrifugiert und durch die
Umfangslöcher
gedrückt,
um Glasfasern zu bilden. Dieses Verfahren stellt eine effiziente
Weise zur Herstellung von Glasfasern bei hohen Produktionsraten
bereit.
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Viele
Verwendungen sind für
organische Fasern, wie beispielsweise Polymerfasern, wegen der wünschenswerten
Qualitäten
von organischen Fasern entwickelt worden. Zum Beispiel können Polymerfasern
verwendet werden, um Isolationsprodukte mit einem hohen Grad an
Elastizität
herzustellen. Polymerfasern sind gegenüber Durchbiegung widerstandsfähiger als
Glasfasern in herkömmlichen
Isolationsprodukten. Diese Polymerfaser-Isolationsprodukte besitzen
auch eine bessere Handhabbarkeit als Glasfasern, weil sie die Haut
nicht reizen. Polymerfasern können
in einer breiten Produktpalette, einschließlich Wärme- und Schallisolation, Filter
und Sorptionsmaterialien, verwendet werden.
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Um
die erprobten Herstellungsverfahren, die bei der Herstellung von
Glasfasern eingesetzt werden, auszunutzen, wäre es wünschenswert, in der Lage zu
sein, organische Fasern, einschließlich Polymerfasern, auf ähnliche
Weise herzustellen. Jedoch hat geschmolzenes organisches Material
andere Eigenschaften als geschmolzenes Glas, was die direkte Übertragung
von Herstellungstechnologie verhindert. Geschmolzenes Glas besitzt
ein spezifisches Gewicht im Bereich von 2,2 bis 2,7, wohingegen
geschmolzenes Polymermaterial ein spezifisches Gewicht im Bereich
von 0,9 bis 1,9 besitzt. Wenn sich ein Spinnkopf dreht, werden Luftströme oder
Turbulenz innerhalb des Spinn-Hohlraumes erzeugt. Ebenso erzeugt
heiße
Luft, die verwendet wird, um den Spinnkopf zu erwärmen, Turbulenz.
Geschmolzenes Glas ist dicht genug, um von der Turbulenz nicht wesentlich
gestört
zu werden, wenn es dem Spinnkopf zugeführt wird, aber Turbulenz innerhalb
des Spinnkopfes kann den Weg von organischem Material, wenn es das
Zuführrohr
verlässt,
unterbrechen und das organische Material daran hindern, die gewünschte Position
zu erreichen. Solch unterbrochenes organisches Material kann die
Umfangswandung des Spinnkopfes nicht ausreichend bedecken und es
kann sogar vom Spinnkopf ausgeworfen werden. Ohne ausreichende Bedeckung
der Umfangswandung wird die Zentrifugierung unterbrochen, woraus
unerwünschte
Diskontinuitäten
bei den Fasern resultieren. Es ist wünschenswert, eine geeignete
Weise zum Zuführen
von geschmolzenem, organischem Material zum sich drehenden Spinnkopf vorzusehen,
welche das Material daran hindert, unterbrochen zu werden, bevor
es die gewünschte
Position innerhalb des Spinnkopfes erreicht.
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WO
92/19798 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von organischen
Fasern, indem geschmolzenes, organisches Material in einen Spinnkopf
abgesondert wird, der aus einer Bodenwandung, einer kreisförmigen Seitenwandung,
die sich von der Bodenwandung nach oben erstreckt, und einem oberen
Flansch besteht, der sich von dem oberen Ende der Seitenwandung
nach innen erstreckt. Geschmolzenes, organisches Material wird in
den sich drehenden Spinnkopf mittels einer Absonder-Düse eingeführt, welche
zwischen der Bodenwandung, der Seitenwandung und einer Ebene, die sich
durch das obere Ende der Seitenwandung parallel zur Bodenwandung
erstreckt, angeordnet ist. Die Düse
ist so dicht wie möglich
an der Bodenwandung und Seitenwandung platziert, um die in dem Spinnkopf
vorhandene Turbulenz zu minimieren. Die Wirkung von Turbulenz auf
das geschmolzene Material ist vermindert, da die Entfernung, die
von dem Material zurückgelegt
wird, bevor es die Bodenwandung erreicht, vermindert ist. Diese
Entfernung kann jedoch nicht vollständig vermindert werden, und
die Turbulenz kann somit nicht gänzlich
beseitigt werden.
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Die
vorliegende Erfindung minimiert die Wirkung von Turbulenz auf das
organische Material weiter, indem das Material mit genügend Bewegungsenergie
abgesondert wird, um die Turbulenz zu überwinden.
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Die
obige Aufgabe sowie weitere Aufgaben, die nicht speziell im Einzelnen
genannt sind, werden durch ein Verfahren zur Herstellung von organischen Fasern
gemäß der vorliegenden
Erfindung gelöst. Das
Verfahren zur Herstellung von organischen Fasern der vorliegenden
Erfindung enthält
Rotieren eines Spinnkopfes mit einer Bodenwandung und einer Umfangswandung,
die sich von der Bodenwandung nach oben erstreckt und in einem oberen
Ende endet, wobei der Spinnkopf einen Spinn-Hohlraum aufweist, der
durch die Bodenwandung, die Umfangswandung und eine sich durch das
obere Ende der Umfangswandung erstreckende Ebene, die im Allgemeinen
parallel zur Bodenwandung verläuft,
bestimmt wird. Das Verfahren enthält weiter Erzeugen von Turbulenz
innerhalb des Spinn-Hohlraumes, Zuführen von geschmolzenem, organischem
Material zu einem Zuführrohr,
wobei das Zuführrohr
an einem außerhalb
des Spinn-Hohlraumes liegenden Punkt endet, Absondern von geschmolzenem,
organischem Material von einem Absonder-Mittel mit genügend Bewegungsenergie,
um die Turbulenz zu überwinden
und zu einer vorgegebenen Position im Spinn-Hohlraum zu gelangen
und Zentrifugieren von Fasern aus dem geschmolzenen, organischen
Material.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden auch durch eine Vorrichtung zur Bildung
von Fasern aus geschmolzenem, organischem Material gelöst, die einen
zentrifugalen Spinnkopf mit einer Bodenwandung und einer Umfangswandung
enthält,
die sich von der Bodenwandung nach oben erstreckt und in einem oberen
Ende endet, wobei der Spinnkopf einen Spinn-Hohlraum enthält, der
von der Bodenwandung, der Umfangswandung und einer sich durch das obere
Ende der Umfangswandung erstreckenden Ebene, die im Allgemeinen
parallel zur Bodenwandung verläuft,
bestimmt wird. Die Vorrichtung enthält weiter Mittel zum Absondern
von geschmolzenem, organischem Material mit genügend Bewegungsenergie, um zu
einer vorgegebenen Position innerhalb des Spinn-Hohlraumes zu gelangen,
wobei das Absonder-Mittel an einem über der Ebene angeordneten
Punkt endet.
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht im Aufriss einer Vorrichtung
zur Herstellung von Polymerfasern gemäß den Grundsätzen der
Erfindung.
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2 ist
eine Querschnittsansicht im Aufriss eines Spinnkopfes der in 1 gezeigten
Vorrichtung.
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3 ist
eine Schnittansicht im Aufriss eines Abschnitts eines Absonder-Mittels
der Vorrichtung aus 1.
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4 ist
eine Schnittansicht im Aufriss einer alternativen Ausführungsform
des Absonder-Mittels.
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5 ist
eine Querschnittsansicht im Aufriss einer alternativen Ausführungsform
des Spinnkopfes und Absonder-Mittels.
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Hiernach
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von organischen
Fasern aus geschmolzenem, organischem Material beschrieben. Wie
in den 1 und 2 gezeigt wird, rotiert ein Spinnkopf 10 um
eine Drehachse 12 und wird von Welle 14 angetrieben, üblicherweise
mit einer Drehzahl im Bereich von etwa 1000 bis 7000 UPM. Der Spinnkopf
umfasst eine Bodenwandung 16, eine Umfangswandung 18,
die sich vom Boden nach oben erstreckt und in einem oberen Ende 19 endet,
und einen Flansch 20, der sich von dem oberen Ende 19 der
Umfangswandung 18 radial nach innen erstreckt. Ein Spinn-Hohlraum 21 wird
zwischen der Bodenwandung 16, der Umfangswandung 18 und
eine sich durch das obere Ende 19 der Umfangswandung 18 erstreckende
Ebene, die im Allgemeinen parallel zur Bodenwandung 16 verläuft, bestimmt.
Die Umfangswandung besitzt etwa zwischen 100 und 15000 Öffnungen 23 für das Zentrifugieren
von organischen Fasern und vorzugsweise etwa zwischen 500 und 2500 Öffnungen.
Der Spinnkopf kann aus einer Nickel/Kobalt/Chrom-Legierung gegossen
sein, oder es kann sich um irgendeinen anderen geeigneten Spinnkopf
handeln, wie beispielsweise aus geschweißtem, rostfreiem Stahl. Der
Durchmesser des Spinnkopfes kann sich von 20 cm bis 100 cm erstrecken,
bei einem bevorzugten Durchmesser von etwa 40 cm. Der Spinnkopf
ist geheizt, um das organische Material innerhalb des Spinn-Hohlraumes
in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Ein bevorzugtes Heizverfahren
verwendet Gebläse
(nicht gezeigt), um erwärmte
Luft in den Spinn-Hohlraum zu blasen, jedoch kann jedes Verfahren
zum Heizen des Spinnkopfes verwendet werden, einschließlich Induktionserwärmung.
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Luftstrombewegungen
oder Turbulenz werden innerhalb des Spinn-Hohlraumes gebildet. Es kann
mehrere Ursachen für
die Turbulenz geben. Zumindest erzeugt Rotation des Spinnkopfes
eine Wirbelbewegung der Luft innerhalb des Spinn-Hohlraumes. Wenn
Gebläse
zum Heizen des Materials innerhalb des Spinnkopfes verwendet werden,
können
sie auch Turbulenz erzeugen. Weitere Ursachen für Turbulenz können ebenso
bestehen. Derartige Turbulenz kann unerwünschte Effekte erzeugen, was
unten erläutert
werden wird.
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Wie
in 2 gezeigt wird, versorgt ein Absonder-Mittel in
Form eines Zuführrohres 24,
welches eine Düse 26 umfasst
und an der Düse 26 endet,
den sich drehenden Spinnkopf 10 mit einem Strom von geschmolzenem,
organischem Material 28 Das Zuführrohr und die Düse sind
außerhalb
des Spinn-Hohlraumes 21 angeordnet, was Sichtkontrolle
des geschmolzenen, organischen Stroms zu diagnostischen Zwecken
ermöglicht.
Sichtkontrolle des Stroms liefert Information über Veränderlichkeit in der Qualität des Materials 28,
der Materialtemperatur und ob stromaufwärts Verstopfung aufgetreten
ist.
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Das
Absonder-Mittel oder das Zuführrohr 24 transportiert
das geschmolzene, organische Material von einem Extruder zu einer
vorgegebenen Position innerhalb des Spinnkopfes 10, wie
es hiernach erklärt wird.
Die Zentrifugalkraft des sich drehenden Spinnkopfes bewegt das geschmolzene
Material innerhalb des Spinnkopfes von der Drehachse 12 weg
und hin zur Umfangswandung 18. Die Umfangswandung muss
während
des Zentrifugierens vollständig
mit geschmolzenem Material bedeckt sein, sonst ergeben sich unerwünschte Diskontinuitäten bei
den Fasern. Es hat sich herausgestellt, dass eine bevorzugte Position,
an der das geschmolzene Material innerhalb des Spinnkopfes abgelegt
werden sollte, um vollständige
Bedeckung der Umfangswandung zu erzielen, sich an der Bodenwandung 16 des
Spinnkopfes, etwa zwischen 1,25 und 2 cm von der Umfangswandung
entfernt, befindet. Falls das geschmolzene Material an einer anderen
Position innerhalb des Spinnkopfes abgesondert wird, kann das geschmolzene
Material die Umfangswandung 18 nicht vollständig bedecken.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt wird, besteht die
Düse 26 am
Ende des Zuführrohres 24 aus einem
Stopfen 41 mit einer Drosselöffnung 42, die den
Durchmesser des Durchflusswegs des geschmolzenen, organischen Materials
reduziert. Der Durchmesser der Drosselöffnung kann sich von etwa 0,125
cm bis etwa 0,5 cm für
ein Polymermaterial erstrecken, mit einem bevorzugten Bereich, der
zwischen etwa 0,25 cm und etwa 0,31 cm liegt. Wie in 4 gezeigt
wird, kann die Eintrittsöffnung 43 der Drosselöffnung 42 konische
Seiten 44 besitzen, um Verstopfung zu vermindern. Der Düsenstopfen
ist vorzugsweise aus Messing hergestellt, jedoch kann jedes geeignetes
Material verwendet werden. Der Außendurchmesser des Düsenstopfens
ist ungefähr gleich
dem Innendurchmesser des Zuführrohres.
Der Stopfen kann in das Rohr gesteckt und durch Schweißung festgelegt
werden. Alternativ könnte
die Düse
auf das Zuführrohr
geschraubt werden. Die Düse
könnte
auch eine Drehgelenk-Verbindung (nicht gezeigt) aufweisen, ähnlich wie
ein Duschkopf, was dem Strom von geschmolzenem, organischem Material
ermöglichen
würde,
auf verschiedene Positionen innerhalb des Spinnkopfes gerichtet
zu werden.
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Wenn
das geschmolzene, organische Material durch den reduzierten Durchmesser
der Drosselöffnung 42 gelangt,
erhöht
sich die Geschwindigkeit des Materials. Da die Masse des Materials
konstant bleibt, erhöht
sich die Bewegungsenergie des Materials, da sich seine Geschwindigkeit
erhöht.
Wenn das Material ausreichende Bewegungsenergie gewonnen hat, wird
es von Turbulenz innerhalb des Spinn-Hohlraums nicht so beeinträchtigt.
Dementsprechend können
die zuvor genannten Vorteile der Anordnung des Absonder-Mittels
außerhalb
des Spinn-Hohlraums erzielt werden, während die unerwünschten
Effekte von Turbulenz reduziert oder minimiert werden.
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Die
Absonder-Geschwindigkeit des Materials wird durch das spezifische
Gewicht, den Druck des Materials und den Durchmesser der Drosselöffnung bestimmt.
Je kleiner der Durchmesser der Drosselöffnung bei einem konstanten
Druck des geschmolzenen Materials am Extruder ist, umso größer ist
die Absonder-Geschwindigkeit und somit die Bewegungsenergie des
geschmolzenen Materials. Der Durchmesser der Drosselöffnung hat
jedoch eine größere Neigung
zu verstopfen. Je größer der
Druck des Materials an der Ausgangsöffnung des Zuführrohres
bei einem konstanten Drosseldurchmesser ist, umso größer ist
die Absonder-Geschwindigkeit. Der Druck kann erhöht werden, indem die Zugrate
erhöht
wird, die durch die Materialmenge begrenzt wird, die durch die Löcher des
Spinnkopfes gelangt. Der Druck kann auch erhöht werden, indem die Viskosität des organischen
Materials erhöht
wird, wenn sich die Viskosität
allerdings erhöht,
kann das zu zentrifugierende Material eher zu schnell hart werden. Wenn
die Viskosität
des Materials erhöht
wird, neigt der geschmolzene Strom ebenso dazu, sich um die Welle 14 des
Spinnkopfes innerhalb des Spinn-Hohlraumes zu wickeln.
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Es
hat sich herausgestellt, dass das geschmolzene Material einen Impulsstrom
von wenigstens etwa 100 gcm/s2 aufweisen
muss, um die Turbulenz in dem Spinnkopf mit einem Durchmesser von
4 cm zu überwinden,
und zwischen etwa 300 und etwa 500 gcm/s2 wird
für optimale
Ergebnisse bevorzugt. Eine Drosselöffnung von 0,25 cm sondert
Polymermaterial mit etwa 40 bis 55 cm/s ab. Um einen Impulsstrom
von 100 gcm/s2 zu erzielen, muss das Polymermaterial,
das eine Absonder-Geschwindigkeit von 40 cm/s aufweist, der Düse mit einer
Geschwindigkeit, der so genannten Abzugsgeschwindigkeit, von 2,5
g/s zugeführt
werden.
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Wie
in 2 gezeigt wird, bildet das geschmolzene Material,
das von der Düse
abgesondert wird, einen Kopf oder eine Schicht 32, welche
die Umfangswandung 18 innerhalb des Spinn-Hohlraumes bedeckt.
Das Material der geschmolzenen Schicht wird durch die Öffnungen 23 zentrifugiert,
um Fasern 34 zu bilden. Wie in 1 gezeigt
wird, werden die sich radial bewegenden Fasern von Gebläse 36 in
einen zylindrisch geformten Schleier 38 von Fasern nach
unten gedreht, der sich nach unten bewegt, d. h. in der Richtung
der Achse des Spinnkopfes. Die Fasern werden gesammelt, um ein Bündel 40 zu
bilden, das dazu verwendet wird, ein Faserprodukt herzustellen.
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Es
ist zu begreifen, dass jedes organische Material, aus dem Fasern
gebildet werden können, dem
Spinnkopf zugeführt
werden kann. Besondere Beispiele von geeigneten Polymeren umfassen
Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen oder Polyphenylsulfid
(PPS). Weitere organische Materialien, die zum Herstellen von Fasern
geeignet sind umfassen Nylon, Polykarbonat, Polystyrol, Polyamide,
verschiedene Polyolefine, Bitumen und andere Harze und Thermoplaste
oder wärmeausgehärtete Materialien.
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Falls
das organische Material polymerisch ist, wie beispielsweise PET,
kann es im geschmolzenen Zustand von der Extruder-Ausrüstung (nicht
gezeigt) zugeführt
werden, was auf dem Gebiet von Polymermaterialien allgemein bekannt
ist. Die Temperatur, bei der das geschmolzene Material dem Spinnkopf
zugeführt
wird, hängt
von der Art des Materials ab. Polypropylen hätte typischerweise eine Temperatur
von etwa 260°C,
wenn es aus dem Extruder austritt. Bitumen würde typischerweise kühler arbeiten, bei
etwa 200°C,
während
PPS typischerweise heißer arbeiten
würde,
bei etwa 315°C.
Das geschmolzene, organische Material verlässt den Extruder vorzugsweise
mit einem Druck von etwa 2000 KPa bis etwa 15000 KPa, und es erreicht
das Absonder-Mittel mit einem geringeren Druck, vorzugsweise weniger
als etwa 700 KPa.
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Das
Rohr 24 ist vorzugsweise in Bezug auf die Senkrechte abgewinkelt,
um das abgesonderte, geschmolzene Material auf die optimale Position
zu richten, und ist insbesondere um 12 Grad abgewinkelt, aber der
Winkel kann in Abhängigkeit
von den Abmessungen und der Drehgeschwindigkeit des Spinnkopfes
variiert werden. Das Zuführrohr
ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahlrohr hergestellt, es kann jedoch
jedes geeignete Rohr verwendet werden. Das Rohr kann 5 Meter lang
oder länger
sein, um es zu ermöglichen,
dass der Extruder getrennt vom Spinnkopf angeordnet wird, um größere Flexibilität beim Aufstellen
der Produktionseinrichtung vorzusehen. Es wird vorzugsweise ein
Rohr mit einem Innendurchmesser von 125 cm verwendet, jedoch kann
der Durchmesser in Abhängigkeit
von der Länge
des Rohres und dem verwendeten Material variieren.
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Wie
in 5 gezeigt wird, kann die Düse 26 zwei Öffnungen 42a und 42b aufweisen,
um das geschmolzene, organische Material in den Spinnkopf in zwei
Strömen 28a und 28b abzusondern.
Die Ströme können auf
verschiedene Positionen innerhalb des Spinn-Hohlraumes gerichtet
sein, um eine bessere Bedeckung der Umfangswandung 18 und
daher besseres Zentrifugieren zu erzielen, wie oben beschrieben
wurde. Mehr als zwei Öffnungen
können
verwendet werden, um mehr Ströme
zu bilden, die auf verschiedene Positionen innerhalb des Spinn-Hohlraumes
gerichtet werden können.
Außerdem
sollte es gewürdigt
werden, dass ein anderes Absonder-Mittel als das die Düse 26 umfassende
Rohr 24 zum Absondern des geschmolzenen, organischen Materials mit
genug Bewegungsenergie, um eine vorgegebene Position innerhalb des
Spinn-Hohlraumes zu erreichen, verwendet werden kann und wenigstens
einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung dabei erzielt werden
können.
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Es
sollte begreiflich sein, dass die vorliegende Erfindung anders,
als wie es speziell erklärt
und dargestellt ist, ausgeführt
werden kann, ohne über
ihren Umfang hinaus zu gehen. Die Erfindung kann nützlich bei
der Herstellung von faserigen Produkten aus organischen Fasern zur
Verwendung als Bau- und Isolationsprodukte sein.