DE2715696C3 - Feuerfestes Isoliermaterial aus Fasern und einem Bindemittel auf der Basis einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid - Google Patents

Feuerfestes Isoliermaterial aus Fasern und einem Bindemittel auf der Basis einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein feuerfestes Isoliermaterial aus Fasern und einem Bindemittel auf der Basis einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid.
Derartige bekannte feuerfeste Wärmeisolierfasermatten sind relativ weich und nachgiebig und besitzen keinerlei selbststützende Eigenschaften, wenn sie vertikal eufgestellt werden. Für bestimmte Anwendungszwecke ist es jedoch zwingend notwendig, daß eine feuerfeste Faserzusammensetzung selbststützend ist, so daß ein daraus gebildetes Endprodukt, beispielsweise die Ausfütterung einer Brennkammer, ohne äußere Stütze vertikal aufgestellt werden kann. Die Herstellung von feuerfestem Fasermaterial aus Fasern und einem Bindemittel auf der Basis einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid ist bereits bekannt (DE-OS 23 11816). Die mit Bindemittel imprägnierte feuerfeste Fasermasse wird dabei in die gewünschte Form gegossen und das Bindemittel durch Wärme ausgehärtet, so daß ein steifer, selbststützender Körper gebildet wird.
Derartige bekannte gießfähige Massen sind kennzeichnenderweise in Form von »Naßpackungen« Verpackt. Die mit einer Wäßrigen BindemittelzUsämmensetzung imprägnierte Masse wird dann in einen Iuft- und wasserfesten Behälter verpackt, wie etwa einen Plastikbeutel. In diesem verbleibt das Bindemittel im wesentlichen Ungehärtet und das gießbare Produkt kann in einfacher Weise transportiert und gelagert werden. Beim Gebrauch der Masse wird der Behälter geöffnet und die imprägnierte Masse dann zu ihrer gewünschten Gestalt und Form gegossen und das Bindemittel ausgehärtet
Allerdings sind mit der sogenannten »Naßpackung« bestimmte Probleme verbunden. Da die Naßpackung bis zum Einbau flexibel und gießfähig verbleiben muß, muß das Imprägniermittel von einer nichtgelierenden Art sein. Teilchen in derartigen nicht-gelierenden Bindemitteln tendieren jedoch dazu, während des Trocknens zur Oberfläche der Fasermasse zu wandern.
ίο Das resultierende Gußprodukt weist somit das Bindemittel lediglich in seiner Außenschicht auf, weshalb das dabei entstehende Produkt ein im wesentlichen schwächerer Gegenstand ist, als die mit gelierenden Bindemittelzusammensetzungen hergestellten Produkte, bei denen das Bindemittel über das ganze Fasergebilde verteilt ist. Zusätzlich sind während des Transports und der Lagerung die Naßpackungen oftmals geringen Temperaturen ausgesetzt, wtrnalb der wäßrige Teil der Bindemittelzusammensetzung gefrieren kann. Ein derartiges Gefrieren bedingt das Ausscheiden von festem Bindemittelmaterial aus der Bindemittelzusammensetzung und dem Fasergebilde. Dies hat ein gleichermaßen schwaches und bruchanfälliges Produkt zur Folge.
Eine Verwendungsmöglichkeit für feuerfeste Faser-Naßpackungen ist die Wärmeisolierung beispielsweise bei Turbomaschinen für Automobile. Dabei ist es schwierig, die bekannten feuchten Isolierfaserzusammensetzungen in geeigneter Weise mit den Metallflächen der Maschinenblöcke zu verkleben. Falls allerdings eine gute Klebwirkung nicht erzielt wird, wird der thermische Wirkungsgrad der Isolierung wesentlich verringert
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile der bekannten »Naßpackungen« zu überwinden und eine »Naß- oder Feuchtpackung« einer feuerfesten Wärmeisolierfaserzusammensetzung zu schaffen, die auch dann noch stabil ist nachdem sie Gefriertemperaturen ausgesetzt worden ist, und die die Wanderung der Bindemittelbestandteile während des Trocknungsvorganges eines gegossenen Gegenstands vermindert sowie in fester Weise an Metallischen klebt, beispielsweise an den Wänden von Automobilmotoren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem feuerfesten Isoliermaterial dadurch gelöst, daß das Bindemittel 25 bis 95 Volumenprozent einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid, enthaltend 15 bis 30 Gewichtsprozent Festkörperteilchen mit einem mittleren Teilchend'irchmesser nicht größer als 10 Nanometer, sowie weiterhin 5 bis 1* Volumenprozent Äthylenglycol und bis zu 70 Volumenprozent zugesetztes Wasser enthält.
Das feuerfeste isoliermaterial gemäß der Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einem wasser- und luftfesten Behälter zum Transport und Lagerung geeignet und kann darauffolgend in eine gewünschte Form und Gestalt gegossen werden, wobei es nach Trocknung eine feste und durch das gehärtete Bindemittel verbundene Fasermasse bildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Bindemittel 67 Volumenprozent einer kolloidalen Siliciumdioxid Suspension mit 15 Gewichtsprozent Festkörperteilchen, sowie 8 Volumenprozent Äthylen· glycol und 25 Volumenprozent zugesetztes Wasser. Es hat sich gezeigt, daß ein derartiges Bindemittel auch nach Gefrieren und Auftauen stabil ist und eine Wesentlich reduzierte Neigung für eine Wanderung des Bindemittels während des Trocknens aufweist
Derartige Bindemittel kleben auch an Flächen von Metallen, die üblicherweise bei Motorenblöcke von Automobilen Verwendung finden.
Ein Hauptbestandteil des erfindungsgemäßen feuerfesten Isoliermaterials ist eine feuerfeste Fasermasse mit verschiedenen synthetischen feuerfesten fasrigen Materialien, wie etwa Steinwolle, Schlackenwolle, keramische Fasern und ähnliches. Das fasrige Material stammt kennzeichnenderweise aus Schmelzzusammensetzungen überwiegend aus Silicaten von Calcium, Aluminium und di- oder trivalenten Metalloxiden. Insbesondere sind die synthetischen Alumosilicatfasern bevorzugt, die aus Schmelzen aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid oder vorwiegend aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid mit geringeren Beträgen von zugesetzten Oxiden, wie etwa Titandioxid, Zirkoniumoxid oder Chromoxid gebildet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das feuerfeste Fasermaterial in der Masse vollkommen aus synthetischen Alumosilicatfasern zusammengesetzt
Der Faserkörper oder die Fasermasse sind hierin aus dem Grund mit »Matte« bezeichnet, da das Produkt in dieser Form letztlich seine Anwendung findet. AUer-
; dings ist es damit nicht beabsichtigt, daß der Ausdruck
»Matte« auf diejenigen fasrigen Körpergebilde eingeschränkt sein soll, die gewöhnlicherweise mit dem Ausdruck »Matte« bezeichnet werden. Dei uierin verwendete Ausdruck »Matte« umschließt alle Fasergebilde mit einer relativ weiten, flachen, langgestreckten Gestalt, ob nun das Fasergebilde tatsächlich gewebt, mattiert, verfilzt oder sonstwie hergestellt und gebildet ist. Die Fasern können wie anfänglich nach der Faserbildung aufgesammelt vei wende· werden oder sie können zur »Matte« zusammengepreßt, oder sonstwie zu einer »Matte« geformt werden. Solei = Gestaltungs- und Formgebungsverfahren sind allgemein bekannt und können zur Herstellung des erfindungsgemäßen Isoliermaterials Verwendung finden.
Der neue Bestandteil des erfindungsgemäßen feuerfesten Isoliermaterials ist ein Bindemittel, dessen Festkörperbestandteil auch bei Gefrieren und Tauen nicht ausfällt und auch nicht die Neigung besitzt, bei Trocknung zur Oberfläche der Matte zu wandern. Dieses Bindemittel umfaßt drei Grundkomponenten: Eine wäßrige Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid mit einer bestimmten Teilchengröße, Äthylenglycol und Wasser, wobei letzteres sowohl das Wasser umfaßt, welches Teil der wäßrigen Suspension des kolloidalen Siliciumdioxid ist sowie in einer bevorzugten Ausführungsform zusätzliches Wasser.
Die wäßrige Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid enthält im wesentlichen im Wasser feinst verteilte Siliciumdioxidteilchen, wobei der Festkörperbestandteil der Suspension im Bereich von 15 bis 30 Gewichtsprozent liegt. Es ist wesentlich, daß die mittlere Teilchengröße des Siliciumdioxids nicht größer als 10 Nanometer ist. Diese Grenze von 10 Nanometer kann als obere Grenze einer gewöhnlichen »Klasse« von Siliciumdioxidteilchen gelten. Es können nämlich einige Teilchen (weniger als 10%) mit einer geringfügig größeren Größe (in den meisten Fällen bis zu ungefähr 1 Nanometer größer) vorhanden sein. Deshalb die übliche Praxis der Klassifizierung von Siliciumdioxidteilchengruppen als »Klassen«, in welchen ungefähr 90% oder mehr der Teilchengrößen innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1 Nanometer haben- Somit gibt es beispielsweise Klassen mit 4 bis 5 Nanometer und 7 bis 8 Nanometer* Derartige Klassen liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie es bei einer Klasse von 9 bis 10 Nanometer der Fall ist Jedoch sind Klassen von größeren Teilchen, wie etwa eine Klasse von 12 bis 13 Nanometer für die Erfindung nicht geeignet, denn darartig große Teilchen minimieren nicht die Neigung des Bindemittels zur Wanderung. Zusätzlich hat es sich bei diesen sehr kleinen Teilchengrößen herausgestellt daß im Anschluß am Trocknungsvorgang ein Produkt mit einer im wesentlichen größeren Festigkeit erzielt wird, als bei Matten, die mit größeren Teilchen von Siliciumdioxid verbunden waren. Die wäßrige Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid ist im Beispiel in einem Anteil von 25 bis 95 Volumenprozent und zwar vorzugsweise 60 bis 95 Volumenprozent vorhanden. Der Siliciumdioxidfestkörperbestandteil der Suspension liegt im Bereich von 15 bis 30 Gewichtsprozent vorzugsweise !5 bis 20 Gewichtsprozent der Suspension. Da das spezifische Gewicht des amoirphen Siliciumdioxid 2,2 beträgt, ist es leicht ausrechenbar, daß dies einem Siliciumbestandteil von 7,4 bis 16,4 Volumenprozent, vorzugsweise 7,4 bis 10,2 Volumenprozent der Suspension entspricht Weiter entspricht dies 13 bis 15,6 Volumenprozent vorzugsweise 4,1 bis 15,6 Volumenprozent des Bindemittels als Ganzem. In im Handel erhältlichen kolloidalen Siliciumdioxid Suspensionen sind auch kleine Beträge von zugesetzten Materialien, die im wesentlichen der Stabilisierung der kolloidalen Suspension dienen. Derartige Additive stören nicht die Wirkung des Bindemittels der vorliegenden Erfindung und sind deshalb hier nicht beachtet Auf diesem Grund wird der Anteil der Suspension, der anders als der kolloidale Siliciumdioxidbestandteil ist im wesentlichen als Wasser betrachtet
Der zweite Bestandteil des erfindungsgemäß verwendeten Bindemittels ist Äthylenglycol, das in einem Betrag von 5 bis 12 Volumenprozent, vorzugsweise 6 bis 9 Volumenprozent vorhanden ist. Geeignetes Äthylenglycol (chemische Formel C2H4(OH)2, wahlweise auch 1,2-ÄthandiqJ genannt) ist das üblicherwHse im Handel verfügbare Äthylenglycol. In einigen Fällen ist das im Handel verfügbare Äthylenglycol tatsächlich ein Gemisch aus Äthylenglycol und Wasser. Bei Verwendung des letztgenannten Gemisches muß der Wasseranteil der Äthylenglycolmischung getrennt als zusätzliches Wasser berechnet werden und das Äthylenglycol sollte als reines Äthylenglycol bestimmt werden. Wenn also 10 Volumenprozent einer 50 :50 Mischung aus Äthylenglycol und Wasser vorliegend verwendet wird, muß dies als 5 Volumenprozent Äthyienglycol und 5 Volumenprozent zugesetztes Wasser gezählt werden.
Der dritte Bestandteil des erfindungsgemäß verwendeten Bindemittels ist Wasser. Die kolloidale Siliciumdioxid Suspension umfaßt ungefähr 84 bis 93 Volumenprozent Wass2r basierend auf der Suspension, welches ungefähr 21,5 bis 88 Volumenprozent Wasser basierend auf dem Bindemittel entspricht. Dies kann für die Zwecke der vorliegenden Zusammensetzung genügend Wasser sein, deshalb kann der zugesetzte Wasseranteil des Bestandteils bis 0% betragen. Allerdings wird zusätzliches Wasser bevorzugt. Das zugesetzte Wasser kann bis 70 Volumenprozent des Bindemittels betragen.
Vorzugsweise Hegt das zugesetzte Wasser in einem Betrag von 10 bis 40 Volumenprozent des Bindemittels vor. Das zugesetzte Wasser braucht nicht besonders behandelt zu sein; es genügt gewöhnliches Trinkwasser, wie etwa Leitungswasser,
Die Herstellung der nach der Erfindung verbesserten Naßpackung wird folgendermaßen ausgeführt: Die
Bindemittelzusammensetzung wird durch Zusammenmischen der wäßrigen Suspension von kolloidalem Siliciumdioxid, Äthylenglycol und zugesetztem Wasser gebildet Dieses Gemisch kann in einen großen Behälter oder Tank eingegeben werden, in den die feuerfeste Fasermatte eingetaucht wird. Wahlweise kann das Bindemittel aus einem Speicherbehälter gepumpt und auf die Matte gesprüht werden. Eins mit dem Bindemittel imprägnierte Matte kann unmittelbar in einen luft- und wasserdichten Behälter, vorzugsweise einen Kunststoffbehälter, verpackt werden. Vorzugsweise wird aber insbesondere die imprägnierte Matte zuerst dadurch zusammengedrückt indem sie durch Quetschwalzen durchgeführt wird, so daß das überschüssige Bindemittel ausgequetscht und die Dicke der Matte vor Verpackung im luft- und wasserdichten Behälter genau eingestellt wird.
Weiter ist es wünschenswert, in das Bindemittel Bakterizide oder Biozide in Beträgen von ungefähr 50 - ΙΟ-4 Volumenprozent bis 200 -IQ-4 Volumenprozenl einzugeben, um Bakterien- oder Pj'«wachstum in der Naßpackung zu verhindern. Ein derartiger Einbau muß dort nicht notwendigerweise geschehen, wo der pH-Wert der Zusammensetzung relativ hoch ist da ein hoher pH-Wert ein derartiges biologisches Wachstum verhindert
Zur Verdeutlichung der Zusammensetzungen und Produkte gemäß der Erfindung, werden die Eigenschaften von drei »Naßpackungs-«Matten in den nachfolgenden Tabellen verglichen. Das erfindungsgemäße Bindemittel (»Beispiel A«) umfaßt 67 Volumenprozent einer im Handel verfügbaren kolloidalen Siliciumdioxid Suspension mit 15 Gewichtsprozent Siliciumdioxid, 25 Volumenprozent Leitungswasser sowie 8 Volumenprozent Äthylenglycol. Dieses Bindemittel wurde zur Sättigung einer aus synthetischen Alumosilicatfasern hergestellten Matte verwendet Diese als Beispiel dienende Naßpackung ist mit zwei im Handel verfügbaren feuerfesten Faser-Naßpackungen verglichen. Die Testprobe B ist eine in Europa hergestellte Naßpackungs-lsoiierung, welche einen Anteil von nicht identifizierten organischen Materialien umfaßt, welche augenscheinlich zur Verhinderung der Bindemittelwanderung zugesetzt worden ist Die Testprobe C ist eine in den Vereinigten Staaten im Handel verfügbare Naßpak kung. Bei beiden im Handel verfügbaren Produkten sollen die Bindemittel wesentliche Anteile von Siliciumdioxid mit einem mittleren Teilchendurchmesser größer als 10 Nanometer besitzen. In den Proben konnte kein Äthylenglycol festgestellt werden. Die erfindungsgemäße Testmatte und die in Europa hergestellte Matte besitzen beide eine nominale Dicke von 2^54 cm, wohingegen die in Amerika im Handel verfügbare Matte 1,27 cm dick ist Die folgenden Tabellen geben die jeweiligen Eigenschaften der dre: Proben an und zeigen die Verbessi*nipofder erfindun^s^sm^Beii
Tabelle 1
Physikalische Eigenschaften		 Dichte
naß
g/cm3 		trocken
g/cm3 		Festkörper im
Bindemittel
Gewichts-%
Prooe 1.11
1,05
0^0		 0,271
0,263
0,259		 9,46
ungefähr 10*)
9,40
A
B
C
*) Experimentelle Schwierigkeiten bezüglich der Extraktion der organischen Komponente von Probe B verhinderten die genaue Bestimmung des Festkörperanteils des Bindemittels. Es ist deshalb eine vernünftige Schätzung des Festkörperbetrags im Bindemittel der Probe B vorgenommen.
Tabelle 2 Volumenmin Trocken Volumenmirderung*) unter Hitze, % bei 10930C bei 12040C bei 1260 0C Glühverlust
Thermische Eigenschaften derung*) beim ohne Gefrieren L T L T L T bei 982° C. %
Probe Trocknen. % N/cm* bei 9820C 2,6 4,5 4,4 52 4,7 6,0
L T 80 L T 3,4 4,4 6,0 9,4 6,6 9,9
0,64 5.1 68 1.9 0 2,9 10,7 4,8 16,0 4,8 14,8 33
0,38 4.2 17 1.7 0 5,4
A 0,58 7,7 2,3 3,5 1.5
B für Länge »L« und Dicke »T« der Matte.
C 3 Nach 24stündiger Erhitzung
·) Maße Bruchmodul bei 983° C bei 1093° C bei 1204° C
Tabelle Probe N/cm' N/cm" Nfem*
nach Gefrieren 37 46 79 bei 12600C
N/cm* 73 60 59 N/cm*
A 64 27 32 39 51
B 40 58
C 19 50
Aus den Angaben gem. Tabelle 2 ist es offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Naßpackung eine wesentlich geringere Schrutnpfeigenschaft und eine größere Festigkeit als die im Handel verfügbare amerikanische Naßpackung (Probe C) aufweist, und zwar über dem gesamten Bereit!! der geprüften Eigenschaften. Zusätzlieh sind die Wärmeeigenschaften der erfindungsgemäßen Naßpackung im allgemeinen besser als jene der im Handel verfügbaren europäischen Naßpackungen (Probe B), insbesondere nach Erhitzen des Materials bei
Temperaturen über ungefähr 1100°C. Es ist anzumerken, daß die Volumenminderung der europäischen Matte bei hohen Temperaturen oftmals halb so groß war als die der vorliegenden Matte,
Die Gefrier-Taueigenschaften sind in Tabelle 3 dargestellt Die erfindungsgemäße Naßpackung Unterliegt lediglich einer 20%iigen Festigkeitsabnahme, gemessen im Bruchmodul. Die europäische Naßpakkung (Probe B) Unterlag einer Festigkeitsabnährhe von mehr als 40%. Die amerikanische Naßpackung (Probe C) scheint eine leichte Festigkeitszunahme aufzuweisen, jedoch ist die Gesamtfestigkeit dieses Materials soviel geringer als das eines jeden der anderen beiden Materialien, so daß ein Vergleich auf der Basis von Gefrier-Taueigenschaften bedeutungslos ist
Es zeigt sich somit, daß di« erfindungsgemäße Matte wesentlich bessere thermische Eigenschaften, insbesondere bei cfnüliien Temperaturen, äis im Handel verfügbaren bekannten Materialien aufweist Zusätzlich wird die erfindungsgemäße Matte durch Gefrieren und Tauen nicht wesentlich nachträglich beeinflußt, womit .eine viel größere Temperaturbeständigkeit bei Lagerung und Versand erreicht wird.
Zum Test der Klebeeigenschaften der Isolierungszusammensetzung, wurden die erfindungsgemäßen Naßpackungs-Zusammensetzungi;n auf Proben von Gußmetallen aufgegeben, welche für Automobilmotorcn verwendet werden, und wurden zur Trocknung gebracht Spätere Versuche zur Trennung des Metalls von der Isolierung zeigten, daß sie derart fest aneinander klebten, daß die Isolierung nicht ohne Zerreißen abgenommen werden konnte.
Ein weiteres Beispiel für die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ist in Tabelle 4 angegeben. Die Proben von drei Materialien sind dabei unter Verwendung von Matten mit einer Dicke von 2,54 cm aus feuerfester Faser gebildet worden, wobei die Faser eine Alumosilicatfaser ist Beispiel D umfaßt ein Bindemittel mit 9,5 Gewichtsprozent
Siliciumdioxidfestkörpern mit einer mittleren Teilchengröße von 4 Nanometer und 8 Gewichtsprozent Äthylenglycol (d h, ein erfindungsgemäßes Bindemittel). Beispiel E ist identisch, außer daß die mittlere Teilchengröße des Siliciumdioxids 15 Nanometer
ίο beträgt Probe F ist identisch zur Probe E, außer daß sie kein Äthylenglycol enthält. Die physikalischen Eigenschaften dieser drei Proben sind nachfolgend aufgezeigt
Tabelle 4
Physikalische Eigenschaften
Probe Bruchmodul nach nach 24- Dichte im
Gefrieren stündiger
trocken N/cm2 Erhitzung zustand
64 bei 10930C
ohne 56 N/cm2
Gefrieren 22 46
N/cm* 58 g/cm3
D 80 19 0,27
E 47 0,25'
F 27 0,25
Die nasse Isolierpackung gem. vorliegender Erfindung umfaßt die oben angegebene in einem luft- und wasserdichten Behälter, vorzugsweise einsn elastischen Kunststoffbehälter, eingepackte Isolierzusammensetzung. Es können auch andere Behälter verwendet werden, wie beispielsweise Hartpäpierbehälter oder Schachteln, die mit geeigneten Beschichtungsmateria-Iien abgedichtet sind, Behälter aus Metallfolien usw.
•09 625/423

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Feuerfestes Isoliermaterial aus Fasern und einem Bindemittel auf der Basis einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel 25 bis 95 Volumenprozent einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid, enthaltend 15 bis 30 Gewichtsprozent Festkörperteilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser nicht größer als 10 Nanometer, sowie weiterhin 5 bis 12 Volumenprozent Äthylenglycol und bis zu 70 Volumenprozent zugesetztes Wasser enthält.
2. Isoliermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel 60 bis 95 Volumenprozent der wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid, 5 bis 12 Volumenprozent Äthylenglycol sowie 1 bis 35 Volumenprozent zugesetztes Wasser enthält.
3. Isoliermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumdioxidfestkörperteilchen einen mittleren Teilchendurchmesser nicht größer als 6 Nanometer aufweisen.
4. Isoliermaterial nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel 67 Volumenprozent einer wäßrigen Suspension aus kolloidalem Siliciumdioxid, enthaltend 15 Gewichtsprozent Festkörperteilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser nicht größer als 6 Nanometer, sowie weiterhin 8 Volumenprozent Äthylenglycol und 25 Volumenprozent zugesetztes Wasser enthält.
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