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Verfahren zum Scheiden von Kautschukmilch in Rahmfraktionen mit Kautschukteilchen
verschiedenen Durchmessers Es ist bekannt, daß Latex ein sogenanntes polydisperses
System ist, in welchem die Größe der Kautschukteilchen von etwa o,i bis
3,0 Mikron variiert.
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Die Literatur (Loomis und Stump, Indian Rubber «'orld öS, 703, 19a3;
MacGavack, Ind. Chem. Eng. 31, 1509, 1939) enthält Anweisungen für die Vermutung,
daß der Stickstoffgehalt des endlich gewonnenen Kautschuks mit dieser Teilchengröße
zusammenhängt. Das Ausscheiden grober Kautschukpartikelchen aus Kautschukdispersionen
durch Schleudern ist zwar bekannt, es ist jedoch nirgendwo beschrieben, wie man
in technischem Maßstabe, ausgehend von einem gegebenen Latex, daraus Latices mit
einer bestimmten durchschnittlichen Teilchengröße herstellen könnte.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung geht von den folgenden Grundsätzen
aus: Beim Schleudern von Latex erfahren die größten Kautschukteilchen zuerst und
am stärksten den Einfluß des Schleuderns (weiter mit Schleudereffekt bezeichnet)
; es ergibt sich, daß in dem Maße, wie die Teilchengröße abnimmt, dieser Effekt
geringer wird.
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Dieser Effekt wird von vier Faktoren beherrscht, und zwar: i. von
der Einführungsgeschwindigkeit des zu schleudernden Latex; je größer dieselbe ist,
um so kleiner wird der Schleudereffekt; 2. von der Tourenzahl der Schleuder; je
größer dieselbe ist, um so größer wird auch der Schleudereffekt; 3. von dem Abstand
zwischen den Tellern in der Schleuder; in dem Maße, wie dieser kleiner wird, natürlich
bis zu einer bestimmten Grenze, nimmt der Schleudereffekt zu; q.. von der Entfernung
der Ableitungsstelle der Fraktionen von
der Schleuderachse; je größer
diese Entfernung ist, um so größer ist der Schleudereffekt.
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Diese vier Faktoren kann man nun zu einem bestimmten Schleudereffekt
kombinieren, worauf man dadurch, daß man jeweils einen oder mehrere dieser Faktoren
periodisch in derselben Richtung ändert, zu einer Reihe steigender Effekte dieser
Art gelangen kann. Wenn dann der Latex zunächst unter Anwendung der den niedrigsten
Schleudereffekt bestimmenden Faktoren geschleudert wird, so wird nur die Rahmfraktion
mit den allergrößten Kautschukteilchen abgeschieden werden, neben einem Unterlatex,
der noch viel Kautschuk, jedoch mit einer kleineren Teilchengröße, enthält. Letzteren
kann man dann einer Schleuderung mit dem nächstfolgenden Schleudereffekt unterwerfen,
wodurch wieder eine kautschukreiche Rahmfraktion abgeschieden wird, nun aber mit
einer durchschnittlichen Teilchengröße, welche kleiner ist als die der ersten Rahmfraktion.
Der dabei zugleich abgeschiedene Unterlatex wird danach einer Schleuderung mit wieder
etwas besserem Schleudereffekt unterzogen, wodurch eine dritte Rahmfraktion gewonnen
wird, mit wieder 'kleineren Kautschukteilchen und so weiter.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch eigentümlich, daß an
der unteren. Grenze des Nutzeffektes gearbeitet wird. Letzterer wird absichtlich
jeweils so niedrig gehalten, daß nur die Rahmfraktion mit den größten<Teilchen
eben-noch abgeschieden wird.
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Betreffs der Änderung der vier Faktoren kann folgendes bemerkt werden
Beim ersten und zweiten Faktor besteht eine sehr große Bewegungsfreiheit. Der dritte
Faktor kann im Zusammenhang mit den zur Schleuder gelieferten verschiedenen Tellersätzen
nur :in beschränkterem Maße geändert werden.
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Für den vierten Faktor können mehrere Werte für diesen Faktor gleichzeitig
angewendet werden, was also darauf hinauskommt, däß in verschiedenen Entfernungen
von der Achse gleichzeitig verschiedene Komponenten mit verschiedener Teilchengröße
abgezapft werden. Dadurch wird also ein kontinuierliches Verfahren ermöglicht, bei
welchem die ersten drei Faktoren ungeändert bleiben können, während sich die Regelung
äuf eine 'einmalige Einstellung der Entfernungen der Ableitungsstellen der Komponenten
von der Schleuderachse beschränkt.
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Daraus ergibt sich wohl, daß das Verwenden dieses vierten Faktors
eine Ausführungsform an sich bedeutet, nämlich ein kontinuierliches Verfahren in
einer einzigen Schleuder.
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Wenn eine einzige Schleuder zur Verfügung ist, zwingt die Anwendung
der drei anderen Faktoren zu einem unterbrochenen Verfahren. Dennoch kann man auch
mit ihrer Hilfe das Verfahren kontinuierlich machen, wenn man nur die Zahl der Schleudern
auf eine weniger als die Zahl der herzustellenden Fraktionen erweitert, und für
die.in der Reihe aufeinanderfolgenden Schleudern die dreiFaktoren derart wählt,
daß in jeder folgenden Schleuder der folgende Schleudereffekt erreicht wird. Der
Unterlatex aus der ersten Schleuder läuft dann in die zweite Schleuder, wo er sogleich
in die zweite Rahmfraktion und den zweiten Unterlatex geschieden wird, wobei letzterer
sofort in die dritte Schleuder läuft, und so weiter.
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Auf Grund dieser Erwägungen wurde, wie folgt, experimentiert: -Die
Zahl der Rahmfraktionen, in die ein gegebener Latex geschieden werden würde, wurde
auf vier festgesetzt. Eine Laboratoriumsschleuder mit Rohren von 250 cm3
Inhalt wurde danach mit dem Latex, der bis auf einen Kautschukgehalt von 15 °/o
verdünnt worden war, gefüllt, wonach man dieselbe während 6o Minuten mit
2300 Umdrehungen pro Minute drehen ließ.
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Der Inhalt der Rohre mußte nun in vier Schichten geschieden werden,
wobei die Bedingung gestellt wurde, daß die Kautschukmenge in jeder der Rahmfraktionen,
auch in derjenigen mit den kleinsten Teilchen, mit einem gehörigen Nutzeffekt zu
gewinnen sei. Dieser Bedingung wird nicht genügt, wenn man den Inhalt. eines jeden
Rohres in Schichten mit gleichem Volumen spaltet, weil dann die Kautschukmenge in
den Rahmfraktionen -mit den kleineren Teilchen gegenüber der in den Fraktionen mit
den größeren Teilchen vorhandenen Kautschukmenge nur gering ist.
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.. Um darum die Fraktionierung in der gewünschten Weise durchzuführen,
wurde der Inhalt eines der Rohre in zehn Fraktionen je mit einem Volumen von 25
cm3 gespaltet. Darauf wurde in jeder der Fraktionen durch Koagulation der Kautschukgehalt
ermittelt und daraus die Kautschukmenge berechnet, welche in jeder Schicht (in Prozent
vom insgesamt vorhandenen Kaue tschuk), vorhanden war. Erst. nachdem man sich in
dieser Weise ein Bild davon gemacht hatte, wie nach dem Schleudern der Kautschuk
auf die Rohrlänge verteilt ist, konnte das Volumen der Fraktionen festgesetzt werden,
derart, daß der oben gestellten Bedingung genügt wurde. .
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Der Inhalt der übrigen drei Rohre wurde auf diese Weise in Schichten
geschieden, und entsprechende Schichten wurden zusammengefügt.
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Darauf wurde auf mikrophotographischem Wege der durchschnittliche
Durchmesser der Kautschukteilchen in jeder dieser vier Fraktionen ermittelt.
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Das angewendete Verfahren wird durch die in der Tabelle I erwähnten
Ergebnisse verdeutlicht.
| Tabelle I |
| Volumen Kautschuk- Durchschnitt- |
| in menge in |
| Kautschuk- Prozenten lihher |
| Fraktion Prozenten vom gehalt von der Durchmesser |
| Nr' Gesamt- des Latex Gesamt- Kautschuk- |
| volumen kautschuk- kügelchen |
| menge |
| % % °/o Mikron |
| i 15 35 35 1,2 |
| 2 25 1ß 30 0,ß |
| 3 25 12 20 0,6 |
| 4 35 6,5 15 0,35 |
| Ausgangs- |
| latex ioo 15 ioo o,66 |
Diese Ergebnisse zeigen die Brauchbarkeit der hier angewendeten Scheidungsmethode
mit Hilfe des Faktors 4 in unterbrochenem Verfahren.
Darauf wurde
die chemische Zusammensetzung des gewonnenen Kautschuks untersucht, und zwar durch
Ermittlung des Stickstoffgehaltes, des Aschegehaltes und des wäßrigen Extraktes.
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Die gewonnenen Resultate waren folgende:
| Tabelle II |
| Fraktion Stickstoff- Wäßriger |
| genalt Aschegehalt Extrakt |
| Nr. |
| 1 o,o6 0,07 0,5 |
| 2 0,20 o,io 0,9 |
| 3 0,40 0,i3 2,0 |
| 4 0,90 0,25 5,5 |
| Ausgangs- |
| latex 0,30 0,12 1,6 |
Daraus ergibt sich, daß die Änderung in der Zusammensetzung des Kautschuks aufs
engste mit der Teilchengröße des Latex zusammenhängt.
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Nach der Ansicht Staudingers (mDie hochmolekularen organischen Verbindungen«,
i932) ist die spezifische `'iskosität einer sehr verdünnten benzolischen Lösung,
durch die Konzentration dieser Lösung dividiert, ein Maß für die Molekülgröße. Dieser
Quotient wurde also für die vier Lösungen ermittelt, welche man dadurch bekam, daß
man einen Teil der vier Fraktionen in Benzol löste, während schließlich, um das
Problem auch von der technischen Seite her zu untersuchen, die Plastizität der vier
Fraktionen bei 7o° C mit Hilfe des Hoekstraschen Plastometers gemessen wurde. Die
Ergebnisse waren folgende:
| Tabelle III |
| SPez. Plastizität |
| Fraktion Viskosität (7o Dicke nach |
| Nr. Konzen- |
| tration 30 Minuten') |
| mm |
| 1 o,65 o,88 |
| 2 0,50 0,70 |
| 3 0,35 0:35 |
| 4 0,31 0,20 |
| Ausgangs- |
| latex 0,48 0195 |
') Beim Betrachten dieser Zahlen soll man bedenken, daß sie ein umgekehrtes Bild
von der Plastizität geben: Je kleiner die Zahl, um so größer die Plastizität.
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In dem Maße, wie die Größe der Kautschukkügelchen im Latex abnimmt,
nimmt auch die Größe des Kautschukkohlenwasserstoffmoleküls ab und umgekehrt. Im
entgegengesetzten Sinne verhält sich die Plastizität: Je größer nämlich das Kautschukteilchen
ist, j e weniger ist der daraus gewonnene Kautschuk plastisch.
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Eine Fraktionierung von Kautschuklatex, wie sie oben beschrieben wurde,
bringt eine völlig neue Behandlungsweise dieses Rohstoffes, wodurch es möglich ist,
in einem Verfahren Erzeugnisse mit sehr verschiedenartigen Eigenschaften herzustellen.
Die erste Rahmfraktion, in der Form von Latex oder in Form des daraus gewonnenen
Kautschuks, eignet sich durch seine große Reinheit sehr zu elektrotechnischen und
anderen Anwendungen, wo Kautschuk mit einer niedrigen Wasserabsorption gewünscht
wird.
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Der Latex der Rahmfraktionen mit kleineren Teilchen eignet sich insbesondere
zu Imprägnierzwecken. Der durch Koagulation daraus gewonnene Kautschuk hat eine
andere Zusammensetzung als derjenige aus normalem Latex und enthält verhältnismäßig
mehr Nichtkautschukbestandteile (Tabelle II). Dieses Erzeugnis ist ebenso plastisch
wie ein auf mechanischem oder thermischem Wege stark abgebauter Kautschuk; ein solcher
ist zur Herstellung gespritzter Artikel sehr geeignet.
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Schließlich soll noch der Übergang von der Laboratoriumanalyse zu
der technischen Großanwendung angegeben werden. Dem Behälterinhalt, dem die kleine
zum Füllen der Rohrschleuder nötige Menge entnommen wurde, muß nunmehr in seinem
Ganzen in vier Rahmfraktionen gespaltet werden, deren durchschnittliche Größe der
Kautschukteilchen den Werten aus der vierten Spalte der ersten Tabelle entspricht.
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Laut dieser Tabelle ist die Fraktion mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von 1,2 Mikron zu 35 °,%o im Latex vorhanden. `Wenn man also umgekehrt
derart schleudert, daß die Schleuderausbeute für die erste Fraktion (d. h. das Verhältnis
des in der ersten Fraktion abgeschiedenen Kautschuks zur Gesamtmenge des im geschleuderten
Latex vorhandenen Kautschuks) 35 % beträgt, so weiß man, daß man die Komponente
mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von i,2 Mikron gewonnen hat.
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Um dieses Ergebnis zu erlangen, wählt man also z. B. die Einführungsgeschwindigkeit
so hoch und/oder die Tourenzahl so niedrig (bei einem bestimmten Abstand zwischen
den Tellern und bei einer bestimmten Ableitungsstelle), daß ein Mindestschleudereffekt
erwartet werden darf. Wenn sich ein konstanter Zustand eingestellt hat, mißt man
die pro Zeiteinheit eingeführte Latexmenge und ebenso die pro Zeiteinheit erhaltene
erste Fraktion, ermittelt von jeder den Kautschukgehalt und berechnet durch Division
der zwei Produkte den Nutzeffekt der Schleuderung.
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Wenn das Ergebnis unterhalb 35 % liegen sollte, erniedrigt man die
Einführungsgeschwindigkeit einigermaßen oder/und erhöht man die Tourenzahl; wenn
der Nutzeffekt höher als 35 °/o sein sollte, macht man das Umgekehrte und wiederholt
dann auf jeden Fall die Berechnung des Nutzeffektes. Auf diese Weise erreicht man
sehr bald den Wert von 35 °/" und schleudert dann die ganze Latexmenge, ohne weiter
etwas am Betriebe der Schleuder zu ändern.
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Danach schleudert man den gewonnenen Unterlatex, wobei man in derselben
Weise, gegebenenfalls auch dadurch, daß man den Abstand zwischen den Tellern verringert,
den Nutzeffekt von 30 % erreichen soll. Dieser ist auf den ursprünglichen
Latex berechnet, so daß es leichter ist, diesen Prozentsatz auf den eingeführten
ersten Unterlatex umzurechnen. Man findet dafür:
Die dritte Schleuderung soll einen Nutzeffekt von 2o °/o hinsichtlich
des ursprünglichen Latex ergeben, was auf den eingeführten zweiten Unterlatex umgerechnet
einen Nutzeffekt von bedeutet.
Der dritte Unterlatex bildet also gleich die Fraktion 4, die noch 15 °/o vom Gesamtkautschuk
enthält, womit dann die Scheidung völlig durchgeführt ist. Die gewonnenen Fraktionen
können danach auf bekannte Weisen, nach einer etwaigen vorherigen Reinigung, entweder
zu Kautschuk koaguliert oder als Latex konzentriert werden.
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Die Zahl der Fraktionen, in welche man den Latex scheidet, ist beliebig.
In den meisten Fällen genügt bei Kautschuklatex eine Spaltung in drei Fraktionen,
wobei die Fraktionen 3 und 4 der Tabelle I als eine einzige Fraktion abgeschieden
werden, welche den Vorteil aufweist, daß jede der Fraktionen mit einem gehörigen
Nutzeffekt erhalten wird, während trotzdem eine starke Differenzierung in den mechanischen
Eigenschaften besteht, was aus den mitgeteilten Zahlen erhellt.
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Mit Rücksicht auf die Absatzmöglichkeiten der verschiedenen Latextypen
kann es in einigen Fällen erwünscht sein, ausschließlich die erste oder die letzte
Fraktion, d. h. ausschließlich die größeren oder die kleineren Teilchen, abzuscheiden,
während die übrigbleibende Dispersion nicht weiter fraktioniert wird. Dieses Verfahren
ist von dem an sich bekannten Verfahren zum Konzentrieren von Latex mittels eines
Schleudervorganges grundsätzlich verschieden. Der letztgenannte Vorgang bezweckt
immer eine Spaltung des Latex in einen Rahm und einen Unterlatex, derart, daß die
Kautschukmenge in dem Unterlatex so klein wie möglich ist. In einem Schleuderbetrieb
beträgt der Nutzeffekt der Konzentrierung 9o bis 95 °/o von der verarbeiteten
Kautschukmenge, und darum verlohnt es sich gewöhnlich der Mühe nicht mehr, den kautschukarmen
Unterlatex noch zu verarbeiten. Auch weicht der gewonnene Rahm in chemischer Zusammensetzung
und in durchschnittlicher Teilchengröße nur wenig vom Ausgangslatex ab. Im Gegensatz
dazu ist der Zweck bei einer Fraktionierung, so wie er oben beschrieben wurde, eine
oder mehrere Fraktionen zu gewinnen, die, was die durchschnittliche Teilchengröße
und die chemische Zusammensetzung anbelangt, stark vom Ausgangslatex abweichen,
und zugleich mit einem gehörigen Nutzeffekt. Um den Unterschied zwischen Konzentrieren
und Fraktionieren mittels eines Schleudervorganges genauer anzugeben, nennen wir,
wenn wir diesen auf Hevea-Latex anwenden, das Verfahren eine Konzentrierung, wenn
der Rahm mit einem Nutzeffekt von mehr als 85 °/a gewonnen wird; dagegen haben wir
es mit einer Fraktionierung zu tun, wenn die erste Fraktion nicht mehr als etwa
6o bis 8o % und die letzte Fraktion nicht weniger als etwa 15 bis 2o "/p
von -der verarbeiteten Gesamtkautschukmenge enthält. Bei anderen Kautschukdispersionen
mit einer anderen Gewichtsverteilungskurve der Teilchengröße liegen diese Zahlen
bei anderen Werten. An Hand dieser Daten kann man jedoch durch eine Vergleichung
der durchschnittlichen Teilchendimension der ursprünglichen und der geschleuderten
Dispersion und aus dem Nutzeffekt des Schleudervorganges ohne Bedenken feststellen,
ob man es mit einem Konzentrier- oder aber mit einem Fraktioniervorgang zu tun hat.
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In der britischen Patentschrift 381743 wird ein Verfahren beschrieben,
gemäß welchem ein Aufrahm-oder Schleudervorgang derart durchgeführt wird, daß die
Kautschukmenge im Rahm und im Unterlatex variiert werden kann. Zweck dieses Verfahrens
ist jedoch nicht eine Fraktionierung von Latex in Fraktionen mit verschiedener durchschnittlicher
Teilchengröße, sondern die Herstellung von Kautschukkonzentrat, in welchem man den
Gehalt an Nichtkautschukbestandteilen beliebig ändern kann und in welchen alle Eiweißstoffe
in unverändertem Zustand vorhanden sind. Die Erfindung ist somit grundverschieden
von diesem Verfahren; außerdem werden die gewonnenen Fraktionen durch Koagulation
oder Konzentrierung, gegebenenfalls mit einer noch intensiveren Befreiung von Nichtkautschukbestandteilen
kombiniert, zu Latices mit einem hohen Reinheitsgrad verarbeitet. Beim Verarbeiten
zu Latices erfolgt die Konzentrierung davon vorzugsweise durch einen Rufrahm- oder
Schleudervorgang, wobei die Serumbestandteile zum größten Teil entfernt werden.
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Die Fraktionierung kann mit den üblichen Separatortypen durchgeführt
werden, wie denen vom Milchschleudertypus mit oder ohne Teller, oder aber mit einer
Schleuder vom Rohrtypus.
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Man kann das Ergebnis der Fraktionierung dadurch beeinflussen, daß
man den Unterschied im spezifischen Gewicht zwischen den Kautschukkügelchen und
dem Serum größer oder kleiner macht, z. B. durch Zusatz von Chemikalien.
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So gibt ein Zusatz von 5 bis io °/o Natriumchlorid zu einem Latex,
der vorwiegend kleinere Teilchen enthält, eine Beschleunigung des Vorganges. Auch
eine Änderung der Viskosität des Latex kann manchmal zum Erreichen eines bestimmten
Schleudereffektes erwünscht sein.
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So verursacht eine Durchführung des Vorganges bei erhöhter Temperatur
oder der Zusatz von Seifen oder anderen die Viskosität erniedrigenden Stoffen eine
Beschleunigung des Vorganges.
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Wie bereits bemerkt wurde, beschränkt sich die Erfindung nicht auf
die Anwendung auf Latex von Hevea Brasiliensis oder andere Kautschukdispersionen
in wäßrigem Mittel, sondern kann auch z. B. auf Dispersionen von synthetischem Kautschuk
oder kautschukartigen Kunststoffen angewendet werden.
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Der Latex kann vor oder nach dem Fraktionieren oder auch während desselben
einer an sich bekannten Behandlung, z. B. durch Zusatz von Konservier- oder Stabilisiermitteln,
durch Befreiung von Nichtkautschukbestandteilen oder durch eine chemische Umwandlung
des Kautschukkohlenwasserstoffes, unterworfen werden.