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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lagen für Reinigungsprodukte,
Hygieneprodukte und medizinische Produkte.
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Stand der Technik
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Zur
Herstellung von Nano- und Mesofasern sind dem Fachmann eine Vielzahl
an Verfahren bekannt, von denen dem Elektrospinnverfahren („Electrospinning”)
derzeit die größte Bedeutung zukommt. Bei diesem
Verfahren, welches beispielsweise von D. H. Reneker, H.
D. Chun in Nanotechn. 7 (1996), Seite 216 f. beschrieben
ist, wird eine Polymerschmelze oder eine Polymerlösung
an einer als Elektrode dienenden Kante einem hohen elektrischen
Feld ausgesetzt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass die Polymerschmelze oder Polymerlösung in einem elektrischen
Feld unter geringem Druck durch eine mit einem Pol einer Spannungsquelle
verbundenen Kanüle extrudiert wird. Aufgrund der dadurch
erfolgenden elektrostatischen Aufladung der Polymerschmelze oder
Polymerlösung entsteht ein auf die Gegenelektrode gerichteter
Materialstrom, der sich auf dem Wege zur Gegenelektrode verfestigt.
In Abhängigkeit von den Elektrodengeometrien werden mit
diesem Verfahren Vliese bzw. so genannte Nonwovens oder Ensembles
geordneter Fasern erhalten.
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In
DE-A1-101 33 393 wird
ein Verfahren zur Herstellung von Hohlfasern mit einem Innendurchmesser
von 1 bis 100 nm offenbart, bei dem eine Lösung eines wasserunlöslichen
Polymers – beispielsweise eine Poly-L-lactid-Lösung
in Dichlormethan oder eine Polyamid-46-Lösung in Pyridin – elektroversponnen
wird. Ein ähnliches Verfahren ist auch aus
WO-A1-01/09414 und
DE-A1-10355665 bekannt.
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Aus
DE-A1-196 00 162 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Rasenmäherdraht oder
textilen Flächengebilden bekannt, bei dem Polyamid, Polyester oder
Polypropylen als fadenbildendes Polymer, ein maleinäureanhydrid-modifizierter
Polyethylen/Polypropylen-Kautschuk sowie ein oder mehrere Alterungsstabilisatoren
zusammengegeben, aufgeschmolzen und miteinander vermischt werden,
bevor diese Schmelze schmelzversponnen wird.
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Durch
das Elektrospinnen von Polymerschmelzen lassen sich nur Fasern mit
Durchmessern größer 1 μm herstellen.
Für eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. Filtrationsanwendungen,
werden jedoch Nano- und/oder Mesofasern mit einem Durchmesser von
weniger als 1 μm benötigt, die sich mit den bekannten
Elektrospinnverfahren nur durch Einsatz von Polymerlösungen
herstellen lassen.
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Allerdings
weisen diese Verfahren den Nachteil auf, dass die zu verspinnenden
Polymere zunächst in Lösung gebracht werden müssen.
Für wasserunlösliche Polymere, wie Polyamide,
Polyolefine, Polyester, Polyurethane und dergleichen, müssen daher
nicht-wässrige Lösungsmittel – also organische
Lösungsmittel – eingesetzt werden, die in der Regel
toxisch, brennbar, reizend, explosiv und/oder korrosiv sind.
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Bei
wasserlöslichen Polymeren, wie Polyvinylalkohol, Polyethylenoxid,
Polyvinylpyrrolidon, Hydroxypropylzellulose und dergleichen, kann
zwar auf den Einsatz nichtwässriger Lösungsmittel
verzichtet werden. Jedoch sind die auf diese Weise erhaltenen Fasern
naturgemäß in Wasser löslich, weshalb
deren technische Anwendungen stark eingeschränkt sind. Aus
diesem Grund müssen diese Fasern nach dem Elektrospinnen
durch mindestens einen weiteren Verarbeitungsschritt, beispielsweise
durch chemische und/oder physikalische Vernetzung, gegenüber Wasser
stabilisiert werden, was einen erheblichen technischen Aufwand darstellt
und die Herstellungskosten der Fasern erhöht.
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Ziel
der in der
WO 2006/089522
A1 offenbarten Erfindung war es, diese und weitere Nachteile des
Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur Herstellung
von wasserstabilen Polymerfasern, insbesondere von Nano- und Mesofasern, nach
dem Elektrospinnverfahren bereitzustellen, bei dem auf den Einsatz
von nicht-wässrigen Lösungsmitteln zur Herstellung
einer Polymerlösung sowie eine Nachbehandlung der elektroversponnenen
Fasern zur Stabilisierung derselben gegenüber Wasser verzichtet
werden kann. Dies wird durch die Bereitstellung eines Verfahrens
gelöst, bei dem eine kolloidale Dispersion wenigstens eines
im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymers in einem wässrigen
Medium elektroversponnen wird.
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Im
Rahmen der
WO 2006/089522
A1 konnte herausgefunden werden, dass Fasern mit einer
hohen Wasserbeständigkeit erhalten werden können, wenn
anstelle der in den bekannten Elektrospinnverfahren eingesetzten
Polymerschmelzen oder Polymerlösungen kolloidale Dispersionen
wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymers
in einem wässrigen Medium elektroversponnen werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind Produkte bekannt, die in aufwändiger
Weise behandelt wurden, um für Menschen schädliche
Stoffe zu entfernen oder diese Stoffe zu binden. Üblicherweise
werden diese für Menschen häufig schädlichen
Stoffe während der Herstellung der Produkte in das Produkt
eingetragen. Diese Stoffe sind oftmals cancerogen oder reizend.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den menschlichen Körper
bei der Verwendung faserhaltiger Produkte möglichst wenig
zu belasten.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch eine Lage mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1
gelöst. Danach wird ein Verfahren der eingangs beschriebenen
Art zur Herstellung von Reinigungsprodukten, Hygieneprodukten oder
medizinischen Produkten verwendet.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass gerade Reinigungsprodukte, Hygieneprodukte
oder medizinische Produkte mit dem menschlichen Körper,
nämlich der Haut und den Schleimhäuten verstärkt
in Kontakt treten. Weiter ist erkannt worden, dass gerade dieses
Verfahren eine Herstellung von Produkten erlaubt, die möglichst
wenig gesundheitsgefährdende Stoffe enthalten und dann
den menschlichen Körper nur sehr wenig belasten.
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Insbesondere
ist erkannt worden, dass keine Vernetzungshilfsmittel notwendig
sind, um die Polymerfasern in einer Fasern umfassenden Lage zu vernetzen.
Eine aus den beschriebenen Polymerfasern hergestellte Lage weist
verfahrensgemäß eine hohe Stabilität
auf, da sich die Polymerfasern untereinander anlagern und miteinander
eine hinreichend feste stoffschlüssige Verbindung eingehen.
Insoweit können Fasern umfassende Lagen ohne teure und
gesundheitsgefährdende Vernetzungsmittel hergestellt werden,
wodurch der menschliche Körper möglichst wenig
belastet wird. Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
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Insbesondere
ist es für den Fachmann überraschend, dass mit
dem Verfahren Nano- und Mesofasern mit einem Durchmesser von weniger
als 1 μm hergestellt werden können, was mit den
bisher bekannten Verfahren nur durch Einsatz von Polymerlösungen
erreicht werden konnte. Im Vorteil gegenüber den bekannten,
auf dem Einsatz von Lösungen wasserunlöslicher
Polymere basierenden Verfahren wird in dem Verfahren auf nichtwässrige
toxische, brennbare, reizende, explosive und/oder korrosive Lösungsmittel
verzichtet. Zudem kann in dem Verfahren im Unterschied zu den bekannten,
auf dem Einsatz von wässrigen Lösungen wasserlöslicher
Polymere basierenden verfahren auf einen nachfolgenden Verfahrensschritt
zur Wasserstabilisierung der Fasern verzichtet werden.
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In
dem Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern wird eine kolloidale
Dispersion wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen
Polymers in einem wässrigen Medium elektroversponnen, wobei
unter im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymeren insbesondere
Polymere mit einer Löslichkeit in Wasser von weniger als
0,1 Gew.-% verstanden werden.
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Ein
Dispersion im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet im Einklang
mit dem Lehrbuchwissen eine Mischung von mindestens zwei nicht miteinander
mischbaren Phasen, wobei eine der wenigstens zwei Phasen flüssig
ist. In Abhängigkeit von dem Aggregatzustand der zweiten
bzw. weiteren Phase werden Dispersionen wie Aerosole, Emulsionen
oder Suspensionen unterteilt, wobei die zweite oder weitere Phase
bei Aerosolen gasförmig, bei Emulsionen flüssig
und bei Suspensionen fest ist. Die erfindungsgemäß einzusetzenden
kolloidalen Polymerdispersionen werden in der Fachsprache auch als
Latex bezeichnet.
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Grundsätzlich
können die kolloidalen Polymerdispersionen durch alle dem
Fachmann zu diesem Zweck bekannten Verfahren hergestellt sein, wobei
insbesondere durch Elektrospinnen von durch Emulsionspolymerisation
hergestellten Latices besonders gute Ergebnisse erhalten werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird in dem Verfahren eine kolloidale wässrige Dispersion
eines aus der Poly-(p-xylylen), Polyvinylidenhalogeniden, Polyestern, Polyethern,
Polyethylen, Polypropylen, Poly(Ethylen/Propylen) (EPDM), Polyolefinen,
Polycarbonaten, Polyurethanen, natürlichen Polymeren, Polycarbonsäuren,
Polysulfonsäuren, sulfatierten Polysacchariden, Polylactiden,
Polyglycosiden, Polyamiden, Poly-α-methylstyrolen, Polymethacrylaten,
Polyacrylnitrilen, Polyacrylamiden, Polyimiden, Polyphenylenen,
Polysilanen, Polysiloxanen, Polybenzimidazolen, Polybenzthiazolen,
Polyoxazolen, Polysulfiden, Polyesteramiden, Polyarylenvinylenen,
Polyetherketone, Polyurethanen, Polysulfonen, Ormocerenen, Polyacrylaten,
Siliconen, vollaromatischen Copolyestern, Polyhydroxyethylmethacrylaten,
Polymethylmethacrylaten, Polyethylenterephthalaten, Polybutylenterephthalat,
Polymethacrylnitrilen, Polyvinylacetaten, Neopren, Buna N, Polybutadien,
Polytetrafluorethylen, modifizierten und nicht modifizierten Cellulosen,
Homo- und Copolymerisaten von α-Olefinen bestehenden Gruppe
ausgewählten wasserunlöslichen Polymers eingesetzt.
Alle vorgenannten Polymere können in den erfindungsgemäß einzusetzenden Latices
jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander eingesetzt
werden und in jedem beliebigen Mischungsverhältnis.
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Insbesondere
mit Homo- oder Copolymerisaten basierend im Wesentlichen auf Acrylaten,
Styrolen, Vinylacetaten, Vinylethern, Butadienen, Isoprenen, Methacrylaten,
alpha-Methylstyrolen, Acrylamid, Vinylsulfonsäure, Vinylsulfonsäureestern,
Vinylester, Vinylalkohol, Acrylnitril, Vinylsulfonenen und/oder
Vinylhalogeniden, werden gute Ergebnisse erzielt.
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Alle
der vorgenannten Polymere können unvernetzt oder vernetzt
eingesetzt werden, sofern deren Löslichkeit in Wasser weniger
als 0,1 Gew.-% beträgt.
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Besonders
gute Ergebnisse werden mit kolloidalen Polymersuspensionen erhalten,
wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser des wenigstens einen
im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymers vorzugsweise
zwischen 1 nm und 1 μm beträgt. Im Allgemeinen
liegt der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Latexpartikel
zwischen 0,03 μm und 2,5 μm, bevorzugt zwischen
0,05 μm und 1,2 μm (bestimmt nach W. Scholtan
und H. Lange in Kolloid-Z. und Polymere 250 (1972), S. 782–796 mittels
Ultrazentrifuge).
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Sofern
die erfindungsgemäß einzusetzende Latex auf zwei
oder mehreren Monomeren basiert, können die Latexpartikel
auf jede dem Fachmann bekannte Art und Weise angeordnet sein. Lediglich
beispielsweise seien Teilchen mit Gradienten-Struktur, Kern-Mantel-Struktur,
Salami-Struktur, Multikern-Struktur, Mehrschicht-Struktur und Himbeermorphologie
genannt, wobei jedoch diesem Aufbau eine nur untergeordnete Bedeutung
zukommt.
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Unter
dem Begriff Latex ist auch die Mischung zweier oder mehrerer Latices
zu verstehen. Die Herstellung der Mischung kann durch alle dafür bekannten
Verfahren erfolgen, z. B. durch Vermischen zweier Latices zu jedem
Zeitpunkt vor dem Verspinnen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
enthält die kolloidale Dispersion neben dem wenigstens
einen wasserunlöslichen Polymer zusätzlich wenigstens
ein wasserlösliches Polymer, wobei unter wasserlöslichem
Polymer im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Polymer mit einer
Löslichkeit in Wasser von mindestens 0,1 Gew.-% verstanden
wird.
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Bei
dem wasserlöslichen Polymer kann es sich um ein Homopolymer,
Copolymer, Blockpolymer, Pfropfcopolymer, Sternpolymer, hochverzweigtes
Polymer, Dendrimer oder eine Mischung aus zwei oder mehreren der
vorgenannten Polymertypen handeln. Nach den Erkenntnissen der vorliegenden
Erfindung beschleunigt der Zusatz wenigstens eines wasserlöslichen
Polymers nicht nur die Faserbildung. Es wird vielmehr auch die Qualität
der erhaltenen Fasern deutlich verbessert. Werden die so hergestellten Fasern
mit Wasser kontaktiert, verschwindet das wasserlösliche
Polymer, ohne zu einer Desintegration der Fasern zu führen.
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Grundsätzlich
können der kolloidalen Dispersion wenigstens eines im Wesentlichen
wasserunlöslichen Polymers in einem wässrigen
Medium alle dem Fachmann bekannten wasserlöslichen Polymere
zugesetzt sein, wobei insbesondere mit aus der aus Polyethylenoxiden,
Hydroxymethylcellulosen, Hydroxyethylcellulosen, Hydroxypropylcellulosen, Carboxymethylcellulosen,
Maleinsäuren, Alginaten, Collagenen, Polyvinylalkohol,
Poly-N-vinylpyrrolidon, Kombinationen hiervon, Copolymeren hiervon, Pfropfcopolymeren
hiervon, Sternpolymeren hiervon, hochverzweigten Polymeren hiervon
und Dendrimeren hiervon bestehenden Gruppe ausgewählten
wasserlöslichen Polymeren besonders gute Ergebnisse erzielt
werden.
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Die
Herstellung der kolloidalen Dispersionen wenigstens eines im Wesentlichen
wasserunlöslichen Polymers in einem wässrigen
Medium des Weiteren enthaltend wenigstens ein wasserlösliches
Polymer gemäß der weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann auf jede dem Fachmann bekannte Weise erfolgen,
beispielsweise durch Emulsionspolymerisation.
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Unabhängig
von der Ausführungsform beträgt der Feststoffgehalt
der erfindungsgemäß einzusetzenden kolloidalen
Dispersion – bezogen auf die Dispersion – vorzugsweise
5 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 70 Gew.-% und ganz besonders
bevorzugt 10 bis 65 Gew.-%.
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In
der weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
enthält die in dem Verfahren einzusetzende kolloidale Dispersion
umfassend wenigstens ein wasserunlösliches und wenigstens
ein wasserlösliches Polymer in einem wässrigen
Medium, bezogen auf den Feststoffgehalt der Dispersion, 0 bis 120
Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 80 Gew.-% und ganz besonders
bevorzugt 10 bis 70 Gew.-% wenigstens eines wasserlöslichen
Polymers.
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Die
erfindungsgemäß einzusetzende kolloidale Dispersion
kann auf alle dem Fachmann bekannte Arten elektroversponnen werden,
beispielsweise durch Extrusion des Latex unter geringem Druck durch
eine mit einem Pol einer Spannungsquelle verbundene Kanüle
auf eine in Abstand zu dem Kanülenausgang angeordnete Gegenelektrode. Vorzugsweise
wird der Abstand zwischen der Kanüle und der als Kollektor
fungierenden Gegenelektrode sowie die Spannung zwischen den Elektroden
derart eingestellt, dass sich zwischen den Elektroden ein elektrisches
Feld von vorzugsweise 0,5 bis 2 kV/cm, besonders bevorzugt 0,75
bis 1,5 kV/cm und ganz besonders bevorzugt 0,8 bis 1 kV/cm ausbildet.
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Gute
Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn der Innendurchmesser
der Kanüle 50 bis 500 μm beträgt.
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Je
nach Verwendungszweck der hergestellten Fasern kann es zweckmäßig
sein, diese nachträglich chemisch miteinander zu verknüpfen
oder z. B. durch einen chemischen Vermittler miteinander zu vernetzen.
Dadurch lässt sich beispielsweise die Stabilität
einer von den Fasern gebildeten Faserlage weiter verbessern, insbesondere
in Bezug auf die Wasser- und Temperaturbeständigkeit.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Fasern, insbesondere
Nano- und Mesofasern, die mit dem Verfahren erhältlich
sind.
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Vorzugsweise
beträgt der Durchmesser der erfindungsgemäßen
Fasern 10 nm bis 50 μm, besonders bevorzugt 50 nm bis 2 μm
und ganz besonders bevorzugt 100 nm bis 1 μm. Die Länge
der Fasern hängt vom Verwendungszweck ab und beträgt
in der Regel 50 μm bis hin zu mehreren Kilometern.
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Mit
dem Verfahren lassen sich nicht nur kompakte Fasern, sondern insbesondere
auch Hohlfasern, insbesondere solche mit einem Innendurchmesser
von weniger als 1 μm und besonders bevorzugt von weniger
als 100 nm, herstellen. Zur Herstellung solcher Hohlfasern kann
die mit dem vorgenannten Verfahren hergestellte Faser beispielsweise
mit einem aus der aus anorganischen Verbindungen, Polymeren und
Metallen bestehenden Gruppe ausgewählten Substanz beschichtet
und anschließend das innen befindliche wasserunlösliche
Polymer, beispielsweise thermisch, chemisch, biologisch, strahleninduziert,
photochemisch, durch Plasma, Ultraschall oder Extraktion mit einem
Lösungsmittel, abgebaut werden. Die zur Beschichtung geeigneten Materialien
und die zur Auflösung des faserinneren Materials geeigneten
Methoden sind beispielsweise in der
DE-A1-101 33 393 beschrieben, die hiermit
als Referenz eingeführt wird und als Teil der Offenbarung gilt.
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Des
weiteren umfasst die vorliegende Erfindung kolloidale Dispersionen
wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymers
in einem wässrigen Medium, welche zudem wenigstens 10 Gew.-%
eines wasserlöslichen Polymers mit einer Löslichkeit
in Wasser von mindestens 0,1 Gew.-% enthalten.
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Die
hier beschriebenen Polymerfasern und daraus hergestellten Lagen
können aufgrund ihres Aufbaus in nahezu allen Reinigungs-,
Hygiene- oder Kosmetikprodukten Verwendung finden. Hierbei sind insbesondere
Baby-Wipes, Windeln, Pflegetücher, Gesichtstücher,
Wundauflagen oder Produkte für Inkontinenzpatienten denkbar.
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Die
Polymerfasern und Lagen könnten in Damenhygieneartikeln
verwendet werden. Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass die Artikel
Binden, Tampons, Windeln oder Inkontinenzartikel umfassen. Die Lagen
eignen sich aufgrund ihrer hohen Stabilität, Saugfähigkeit
und ihres hohen Rückhaltevermögens für
Flüssigkeiten in besonderem Maße für
diese Verwendungen.
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Die
Lagen könnten hydrophil ausgestaltet sein. Diese Ausgestaltung
begünstigt die Anlagerung von wasserhaltigen Partikeln
und eine Wasserabsorption.
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Die
Lagen könnten hydrophob ausgestaltet sein. Diese konkrete
Ausgestaltung verhindert, dass an den Lagen Wasser angelagert wird
und dessen Poren verschlossen werden. Insbesondere sind so Lagen
mit einer starken Barrierewirkung gegen wasserhaltige Substanzen
erzeugbar. Dabei kann auch Wasser, welches mit dem Druck einer Wassersäule von
einigen Metern gegen die Lage drückt, nicht in die Lage
eindringen. Das Verschließen der Poren vermindert die Filterleistung
der Lagen und schränkt deren Gebrauchstauglichkeit als
Filterelement erheblich ein. Vor diesem Hintergrund ist denkbar,
dass ein Bereich der Lage hydrophob, ein anderer hydrophil ausgestaltet
ist. Dabei könnte die Ausdehnung der hydrophoben bzw. der
hydrophilen Bereiche so gewählt werden, dass einerseits
Partikel gefiltert werden können, an welchen Wasser angelagert
ist und andererseits verhindert wird, dass solche Partikel die Poren
der Lage dauerhaft verschließen. Des Weiteren ist durch
diese Ausgestaltung ein gezieltes Abtrennen von Wasser und Körperflüssigkeiten
aus dem zu filternden Medium denkbar.
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Die
Lagen könnten mit einem antimikrobiell wirksamen Stoff
oder einem Biozid beschichtet sein. Hierdurch ist eine Abtötung
von Bakterien oder Viren möglich.
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Insbesondere
ist denkbar, die Lagen mit einer Silberschicht zu versehen, wobei
das Silber in Clustern vorliegt, welche nur wenige Nanometer Ausdehnung
haben. Hierdurch ist eine erhöhte Mobilität der
Silberionen ermöglicht.
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Ausgestaltungen
solcher Beschichtungen und Lagen sind in der
DE 10 2006 020 791.2 bzw. der
EP 06015057.0 beschrieben,
deren gesamte Offenbarungen ausdrücklich als zur Offenbarung
dieser Anmeldung gehörig beansprucht werden.
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Der
Stoff könnte zumindest ein Nebengruppenelement umfassen.
Nebengruppenelemente zeichnen sich durch antimikrobielle Wirkung
aus. Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass mehrere Nebengruppenelemente
gemeinsam in den Schichten und/oder dem Trägermedium vorliegen,
um unterschiedlichen Bakterienarten selektiv zu begegnen. Es hat
sich in Versuchsreihen gezeigt, dass sich in Bezug auf die antimikrobielle
Wirksamkeit eine Rangfolge der verwendeten Stoffe ergibt. Diese
lässt sich wie folgt darstellen. Silber ist der wirksamste Stoff,
gefolgt von Quecksilber, Kupfer, Cadmium, Chrom, Blei, Kobalt, Gold,
Zink, Eisen und schließlich Mangan. Vor diesem Hintergrund
ist denkbar, auch Hauptgruppenelemente zu verwenden, welche eine antimikrobielle
Wirkung zeigen.
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Der
antimikrobiell wirkende Stoff könnte eine Gold-Silber Mischung
umfassen oder ausschließlich aus einer Gold-Silber-Mischung
bestehen. Mischungen dieser Art zeigen eine besonders hohe antimikrobielle
Wirksamkeit. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass
die Anwesenheit von Gold die antimikrobielle Wirkung von Silber
noch steigert. Vor diesem Hintergrund ist denkbar, Silber mit Gold
zu dotieren. Denkbar ist auch, Inseln oder Cluster auszubilden,
die entweder nur Gold oder nur Silber aber auch Mischungen dieser
Stoffen umfassen. Dabei können Inseln oder Cluster unterschiedlicher
Zusammensetzung nebeneinander vorliegen.
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Die
Lage könnte eine Färbung aufweisen. Eine Färbung
könnte dem Verbraucher signalisieren, für welche
Anwendung die Lage oder das Produkt geeignet ist. Insbesondere ist
denkbar, dass die Färbung als Indikator für einen
pH-Wert dient. Denkbar ist auch, dass verschiedene Farben unterschiedlich starke
Absorptionsvermögen kennzeichnen. Beispielsweise könnte
die Farbe grün für ein geringes, die Farbe blau
für ein starkes Flüssigkeitsaufnahmevermögen
stehen.
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Die
Lage könnte einen Grundkörper aufweisen, wobei
der Grundkörper zumindest ein Material umfasst und wobei
das Material durch Durchgangs- und/oder Ausnehmungsbereiche in seiner
Materialstruktur unterbrochen ist, wobei das Material porös ausgebildet
ist und die Porengröße bereichsweise in zumindest
einer Richtung zu- oder abnimmt. Eine Lage dieser Art zeichnet sich
nicht nur durch ein ausgezeichnetes selektives Filterverhalten aus,
sondern lässt sich problemlos aufwickeln, da inhärent
Strukturen mit hohem Flüssigkeitsaufnahmevermögen
in der Lage ausgebildet sind. Hierdurch wird eine gezielte Flüssigkeitsabsorption
bei der Filtration ermöglicht. Bei einer Flüssigkeitsabsorption
wird eine hinreichend schnelle Aufnahme trotz der feinen Poren des Basismaterials
ermöglicht. Ganz konkret ist denkbar, dass mit einer so
ausgestalteten Lage Tampons für die Damenhygiene hergestellt werden,
da besonders rasch und zuverlässig große Mengen
von Flüssigkeit aufgenommen werden können.
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Lagen
mit Ausnehmungs- und/oder Durchgangsbereichen sind in der
DE 10 2005 054 273.5 beschrieben,
deren gesamte Offenbarung ausdrücklich als zu dieser Anmeldung
gehörig beansprucht wird.
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Die
Lagen könnten als Filterelemente verwendet werden. Die
Verwendung von Nanofasern erlaubt die Realisierung sehr feiner Porenstrukturen und
den schichtweisen Aufbau eines Filterelements mit Bereichen unterschiedlicher
Porosität.
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Denkbar
ist auch, die hier beschriebenen Lagen als Filter in Klimaanlagen
oder Belüftungssystemen zu verwenden. Hierdurch könnten
schädliche Erreger und Keime in der Atemluft wirksam reduziert oder
sogar entfernt werden.
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Die
in dieser Anmeldung beschriebenen Lagen könnten in Turbomaschinen
oder Gasturbinen verwendet werden. Gerade bei diesen Anwendungen ist
die Partikelfiltration aus der Zuluft notwendig, um die Lebensdauer
der Maschinen und Turbinen zu erhöhen.
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Die
Lagen könnten in Kraftfahrzeugen Verwendung finden. Vor
diesem Hintergrund könnte eine Lage die Zuluft von Verbrennungsmotoren
filtern. Hierdurch kann die Lebensdauer der Motoren verlängert
werden.
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Die
Lagen könnten auch in Klimaanlagen, insbesondere im Fahrgastraum
von Kraftfahrzeugen verwendet, werden. Dabei könnte neben
einer Partikelfiltration auch eine Abscheidung von Schadgasen vorgesehen
sein, um Geruchsbelästigungen zu vermeiden. Die Lagen könnten
die Zuluft oder Umluft reinigen.
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Die
hier beschriebenen Lagen könnten auch in der Zuluft-, Abluft-
oder Umluftreinigung von Produktionsstätten Verwendung
finden. Hierdurch könnte die Atemluft gereinigt werden.
Die Schadstoffbelastung der Atemluft an Arbeitsplätzen
sowie Schadstoffemissionen könnten hierdurch wirksam verringert
werden. Diese Anwendung ist insbesondere bei Produktionsprozessen
von Vorteil, bei denen die Mitarbeiter mit Stäuben, flüssigen
Aerosolen, Schadgasen, Erdgas sowie Pressluft arbeiten, da die genannten
Stoffe allein oder in Mischung miteinander die menschliche Gesundheit
negativ beeinträchtigen können. Vor diesem Hintergrund
ist auch eine Verwendung der Lagen in Reinräumen denkbar,
um eine hochreine Atmosphäre zu gewährleisten.
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Weitere
Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und den Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer zur Durchführung des Elektrospinnverfahrens
geeigneten Vorrichtung,
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2 Strukturen
unterschiedlicher aus zwei verschiedenen Polymeren zusammengesetzter,
in den Latices einsetzbaren Teilchen,
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3 eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der in Beispiel 1 enthaltenen
Fasern,
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4 eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der in Beispiel 2 enthaltenen
Fasern,
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5 eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der in Beispiel 3 enthaltenen
Fasern und
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6 eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der in Beispiel 4 enthaltenen
Fasern vor (a) und nach der Wasserbehandlung (B, C).
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Ausführung der Erfindung
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Die
in der 1 dargestellte, zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Elektrospinnen umfasst eine
an deren Spitze mit einer mit einem Pol einer Spannungsquelle 1 verbundenen
Kapillardüse 2 versehene Spritze 3 zur
Aufnahme der kolloidalen Dispersion 4. Gegenüber
dem Ausgang der Kapillardüse 2 ist in einem Abstand
von etwa 20 cm eine mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 1 verbundene
quadratische Gegenelektrode 5 angeordnet, die als Kollektor
für die gebildeten Fasern fungiert.
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Während
des Betriebs der Vorrichtung wird an den Elektroden 2, 5 eine
Spannung zwischen 18 kV und 35 kV eingestellt und die kolloidale
Dispersion 4 unter einem geringen Druck durch die Kapillardüse 2 der
Spritze 3 ausgetragen. Aufgrund der durch das starke elektrische
Feld von 0,9 bis 2 kV/dm erfolgenden elektrostatischen Aufladung
der im Wesentlichen wasserunlöslichen Polymere in der kolloidalen
Dispersion entsteht ein auf die Gegenelektrode 5 gerichteter
Materialstrom, der sich auf dem Wege zur Gegenelektrode 5 unter
Faserbildung 6 verfestigt, infolge dessen sich auf der Gegenelektrode 5 Fasern 7 mit
Durchmessern im Mikro- und Nanometerbereich abscheiden.
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Mit
der vorgenannten Vorrichtung wird erfindungsgemäß eine
kolloidale Dispersion wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen
Polymers in einem wässrigen Medium elektroversponnen. Sofern
die in der Dispersion eingesetzten Polymerpartikel aus zwei oder
mehr wasserunlöslichen Polymeren bestehen, können
diese innerhalb der Teilchen auf jedem dem Fachmann bekannte Weise
angeordnet sein, beispielsweise in der in der 2 dargestellten
Gradienten-Struktur (2A), Kern-Mantel-Struktur
(2B), Salami-Struktur (2C), Multikern-Struktur (2D),
Mehrschicht-Struktur (2E) oder Himbeermorphologie
(2F).
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Die
Bestimmung des Feststoffgehaltes innerhalb der Dispersion erfolgt
gravimetrisch mittels eines Mettler Toledo HR73 Halogen Moisture
Analyser, indem ca. 1 ml der Probe innerhalb von 2 Minuten auf 200°C
aufgeheizt wird und die Probe bis zur Gewichtskonstanz getrocknet
und anschließend gewogen wird.
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Die
mittlere Teilchengröße ist der Gewichtsmittelwert
d50, bestimmt mittels einer analytischen
Ultrazentrifuge (nach W. Scholtan und H. Lange in Kolloid-Z.
und Polymere 250 (1972), S. 782–796).
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Die
Größe, d. h. der Durchmesser und die Länge
der Fasern, wird durch Auswertung elektronenmikroskopischer Aufnahmen
bestimmt.
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Die
in den nachfolgenden Beispielen verwendete Latex besteht aus einem
teilvernetzten Poly(n-butylacrylat) mit einem Feststoffgehalt von
etwa 40 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der reinen Dispersion.
Als Emulgator wird ein C15 Alkylsulfonat eingesetzt. Die mittlere
Teilchengröße beträgt ca. 90 nm.
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Als
wasserlösliches Polymer wird Polyethylenoxid (PEO) verwendet.
Dessen Molekulargewicht beträgt 900.000 g/mol.
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Beispiel 1
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(Elektroversponnene Fasern mit Polyacrylat
und 11 Gew.-% PEO)
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Eine
kolloidale Dispersion wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen
Polymers in einem wässrigen Medium des weiteren enthaltend
ein wasserlösliches Polymer gemäß der
weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde
hergestellt durch Lösen von 0,41 g Poly(n-butylacrylat) in
1 ml Wasser.
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Der
Feststoffanteil der Dispersion, d. h. des Poly(n-butylacrylat)-Latex,
beträgt mithin etwa 40 Gew.-%. Dieser Mischung wurde 0,045
g Polyethylenoxid (PEO) zugegeben.
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Die
so hergestellte wässrige Dispersion wurde in der in der 1 dargestellten
Vorrichtung elektroversponnen. Dabei wurde die Dispersion bei einer Temperatur
von 20°C unter leichtem Druck durch eine Spritze 3 mit
einer an deren Spitze vorgesehenen Kapillardüse 2 mit
einem Innendurchmesser von 0,3 mm mit einem Probenvorschub vom 0,525
ml/h gefördert, wobei der Abstand der Elektroden 2, 5 etwa
20 cm betrug und zwischen den Elektroden 2, 5 eine
Spannung von 18 kV angelegt wurde.
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Eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der auf diese Weise erhaltenen
Fasern ist in 3 dargestellt.
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Beispiel 2
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(Elektroversponnene Fasern mit Polyacrylat
und 20 Gew.-% PEO)
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In
diesem Beispiel wurde dem Poly(n-butylacrylat)-Latex (0,41 g Poly(n-butylacrylat)
gelöst in 1 ml Wasser) 0.084 g Polyetylenoxid zugesetzt.
Diese kolloidale wässrige Dispersion wurde unter den in Beispiel
1 beschriebenen Bedingungen elektroversponnen.
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Eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der auf diese Weise erhaltenen
Fasern ist in 4 dargestellt.
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Beispiel 3
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(Elektroversponnene Fasern mit Polyacrylat
und 70 Gew.-% PEO)
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Eine
weitere kolloidale Dispersion mit wenigstens einem im Wesentlichen
wasserunlöslichen Polymer und einem im Wesentlichen wasserlöslichen Polymer
wurde hergestellt durch Lösen von 0,34 g Poly(n-butylacrylat)
in 1 ml Wasser. Der Feststoffanteil des Poly(n-butylacrylat)-Latex
beträgt mithin etwa 35 Gew-%. Dieser Mischung wurde 0,238
g Polyethylenoxid (PEO) zugegeben.
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Auch
diese kolloidale wässrige Dispersion wurde unter den in
Beispiel 1 genannten Bedingungen elektroversponnen. Raserelektronenmikroskopische
Aufnahmen der auf diese Weise erhaltenen Fasern sind in 5 dargestellt.
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Beispiel 4
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(Elektroversponnene Fasern mit Polyacrylat
und 50 Gew.-% PEO)
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Gleichermaßen
wie in Beispiel 1 wurde eine kolloidale Dispersion von Poly(n-butylacrylat)-Latex mit
einem Feststoffanteil von 40 Gew.-% in Wasser mit, bezogen auf den
Feststoffgehalt, 50 Gew.-% Polyethylenoxid als wasserlöslichem
Polymer hergestellt und elektroversponnen. Anschließend
wurden die so erhaltenen Fasern bei 20°C in Wasser inkubiert.
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Rasterelektronenmikroskopische
Aufnahmen der erhaltenen Fasern vor der Wasserbehandlung, nach 1
Min. und 30 Min. Wasserbehandlung sind in 6 dargestellt.
Wie den Aufnahmen zu entnehmen ist, lösen sich die elektroversponnenen
Fasern bei Inkubation in Wasser nicht auf.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Man erkennt aber, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung von Polymerfasern umfasst, insbesondere von Nano- und
Mesofasern, nach dem Elektrospinnverfahren, bei dem eine kolloidale
Dispersion wenigstens eines im Wesentlichen wasserunlöslichen
Polymers ggf. enthaltend des weiteren wenigstens ein wasserlösliches
Polymer in einem wässrigen Medium elektroversponnen wird.
Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung mit diesem Verfahren erhältliche
Fasern.
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Sämtliche
aus den Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden
Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten,
räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können
sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen
erfindungswesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10133393
A1 [0003, 0036]
- - WO 01/09414 A1 [0003]
- - WO 10355665 A1 [0003]
- - DE 19600162 A1 [0004]
- - WO 2006/089522 A1 [0008, 0009]
- - DE 102006020791 [0044]
- - EP 06015057 [0044]
- - DE 102005054273 [0049]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - D. H. Reneker,
H. D. Chun in Nanotechn. 7 (1996), Seite 216 f. [0002]
- - W. Scholtan und H. Lange in Kolloid-Z. und Polymere 250 (1972),
S. 782–796 [0022]
- - W. Scholtan und H. Lange in Kolloid-Z. und Polymere 250 (1972),
S. 782–796 [0068]