DE2833743A1 - Verfahren zur herstellung poroesen kohlenstoff-flaechenmaterials - Google Patents
Verfahren zur herstellung poroesen kohlenstoff-flaechenmaterialsInfo
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Description
Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl
Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München
UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION, IhrZeichen/Yourref.
Hartford, Connecticut 06101, UnserZeichen/Ourref. U 610
V. St'.
Datum/Date J Aug. 1978
Verfahren zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Kohlenstoff-Erzeugnisses, insbesondere eines
Elektrodensubstrats zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Brennstoffzelle.
Zahlreiche Verfahren zur Herstellung poröser Kohlenstoff-Erzeugnisse
und porösen Kohlenstoff-Papiers, wie sie als Elektrodensubstrat in einer elektrochemischen Zelle, wie
einer Brennstoffzelle, verwendet werden können, sind bekannt.
Ein Verfahren zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Papiers
ist in der US-PS 3 829 327 beschrieben. Das nach dem Verfahren dieser Patentschrift hergestellte Papier
soll gute chemische, Wärme- und Strukturstabilität sowie Gasdurchlässigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit
aufweisen. Zu dem dort beschriebenen Verfahren gehört
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grundsätzlich das überziehen eines Bahnmaterials aus Kohlenstoffasern mit Kohlenstoff nach einem chemischen
Dampfabscheidungsverfahren. Die Abscheidung von Kohlenstoff verbessert die elektrische Leitfähigkeit des Kohlenstof
fbahnmaterials , bindet die Kohlenstoffasern zusammen
und verbessert die Gesamtfestigkeit des Papiers. Das Verfahren ist jedoch teuer im Hinblick auf die Stufe der
Dampfabscheidung. Ferner kann das Papier bei hohen Porositäten nicht die hohe Festigkeit besitzen, die für bestimmte
Anwendungen wünschenswert wäre.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials ist in der US-PS 3 991 169
beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Alkohol mit einem Siedepunkt über 1500C als vorübergehendes Bindemittel
zur Bildung einer Pechfasermatte verwendet. Die Matte wird dann wärmebehandelt, wozu auch eine Verkohlung in
nicht-oxydierender Atmosphäre gehört. Während der Wärmebehandlung wird der Alkohol weggebrannt, während die
Einzelfasern in der Matte schmelzen und an ihren Berührungspunkten aneinander gebunden werden.
Zwei weitere Patentschriften, die für den Stand der Technik zur Herstellung poröser Kohlenstoff-Flächenmaterialien
repräsentativ sind, sinidie US-PS 3 628 984 und 3 960 601.
Keines dieser Verfahren und auch keines der früheren Verfahren führt zu der Festigkeit, elektrischen Leitfähigkeit,
Porosität und Korrosionsschutz, wie sie für bestimmte anspruchsvolle Anwendungen notwendig sind, z.B. für Substrate
für Elektroden von Brennstoffzellen.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines weniger kostspieligen Verfahrens zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials
sowie hochporösen Kohlenstoff-Flächenmaterials, das auch gute Festigkeit aufweist; es soll sich
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als Elektrodensubstrat für eine Brennstoffzelle eignen
und gasdurchlässig, wärmeleitfähig, elektrisch leitfähig, gegenüber Phosphorsäure korrosionsbeständig und fest
sein.
Erfindungsgemäß überzieht man zur Herstellung porösen
Kohlenstoff-Flächenmaterials Kohlenstoffasern mit einem
Gemisch aus Furfurylalkohol und einem Polymerisationskatalysator, bildet aus den überzogenen Fasern eine Matte,
polyiieri^ieit^en^Furfurylalkohol^und härtet die Matte
durch Erwärmen und verkohlt'die gehärtete Matte.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform findet das Verfahren
Anwendung zur Herstellung von Brennstoffzellen-Elektrodensubstraten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist
der Polymerisationskatalysator mit Wasser verdünnte Phosphorsäure. Zur Herstellung des Elektrodensubstrats werden
geschnittene Kohlepechfasern in einem Bad aus Furfurylalkohol, Phosphorsäure und Wasser dispergiert. Das Gemisch
wird durch ein Sieb filtriert, um überschüssige Flüssigkeit zu entfernen, wobei eine Matte oder ein Vlies aus
Kohlenstoffasern zurückbleibt, die mit der Badmischung überzogen sind. Die Matte wird erwärmt, um den Furfurylalkohol
zu polymerisieren und das so gebildete Harz zu härten. Dann wird sie verkohlt, um die Korrosionsbeständigkeit
gegenüber der Brennstoffzellen-Phosphorsäureumgebung zu verbessern, in der sie verwendet werden soll. Bei
der Herstellung einer Brennstoffzellenelektrode aus diesem Substrat wird eine Schicht eines geeigneten Katalysators
auf eine Oberfläche des Substrats nach irgendeinem bekannten Verfahren aufgebracht/Eine typische Katalysatorschicht
weist ein Gemisch aus Platin (auf Kohleteilchen) und Polytetrafluoräthylen (als Bindemittel/naßfest
machendes Mittel) auf. Wenn erforderlich,, kann das Kohlenfasersubstrat
mit einem naßfest machenden Mittel, wie
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Polytetrafluoräthylen, imprägniert werden.
Im Vergleich zu anderen Verfahren, die zur Herstellung von Substraten für Elektroden von Brennstoffzellen angewandt
und in Betracht gezogen wurden, liefert das erfindungsgemäße Verfahren Teile mit höherer Porosität
ohne Preisgabe der Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit. Außerdem ist
das Verfahren wirtschaftlich.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodensubstrates zur
Verwendung in einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle. Bei dieser
beispielhaften Ausführungsform sind das Ausgangsmaterial für das Substrat aus Pech hergestellte Kohlenstoff
asern, wenngleich irgendeine Kohlenstoffaser verwendet
werden kann. Die Fasern sollten weniger als etwa 5,0 cm Länge aufweisen, um die Herstellung eines Flächenmaterials
mit gleichförmigen und richtungsfreien Eigenschaften zu erleichtern. Fasern, die beträchtlich kürzer
als 5,0 cm sind, z.B. in der Größenordnung von etwa 2,54 mm, werden bevorzugt.
Das Gemisch zum überziehen der Fasern wird durch Zusammenbringen
geeigneter Mengen Furfurylalkohol, Phosphorsäure und Wasser hergestellt. Phosphorsäure ist der bevorzugte
Polymerisationskatalysator, wenn das Elektrodensubstrat in einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle verwendet
werden soll, da ihre Verwendung keinen nachteiligen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des
Fertigprodukts zu haben scheint. Bei anderen Anwendungen können andere Polymerisationskatalysatoren geeigneter
sein. Beispiele für weitere Katalysatoren, die Furfurylalkohol polymerisieren und beim erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden können, sind Salzsäure, Maleinsäure,
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Maleinsäureanhydrid und Toluolsulfonsäure.
Jedes Verfahren zum Aufbringen eines gleichförmigen Überzugs des Gemische auf die Fasern kann bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren angewandt werden. Vorzugsweise wird ein Bad hergestellt, das den Furfurylalkohol,
Phosphorsäure und Wasser enthält. Die Kohlenstoffasern werden in einen Kastenrahmen mit einem entfernbaren Siebboden
gebracht. Die Siebabmessungen sind die Abmessungen des herzustellenden Flächenmaterials. Die Zahl der auf
das Sieb gebrachten Fasern wird vorherbestimmt, um ein Flächenmaterial der gewünschten Dicke zu ergeben. Der
Kasten wird in das Bad abgesenkt. Die Fasern bilden in dem Kasten eine Aufschlämmung und setzen sich nach mehreren
Minuten in einer gleichförmigen Schicht wieder auf dem
Sieb ab. Der Kasten und das Sieb werden dem Bad entnommen und das Sieb aus dem Rahmen entfernt. Die Schicht
der überzogenen Fasern wird mit der Unterseite nach oben auf ein Trockensieb gekippt und abtropfen gelassen. Um
ein Faservlies gleichförmiger Dicke erhalten zu können, sollte die Viskosität des flüssigen Gemischs, das
die Fasern überzieht, niedrig sein, was im vorliegenden Falle die Größenordnung der Viskosität von Wasser bedeuten
soll, ist das Bad zu viskos, kann es sein, daß sich die
Fasern nicht wieder auf dem Sieb absetzen, oder wenn sie sich absetzen, dann vielleicht nicht gleichförmig, oder
das Absitzen kann zulange dauern. Die Viskosität des Bades steigt mit zunehmender Polymerisation des Furfurylalkohols.
Das Gemisch sollte wenigstens mehrere Stunden seine niedere Viskosität beibehalten, so daß eine vernünftige
Anzahl Teile hergestellt werden kann, bevor das Gemisch unbrauchbar ist. Da die Polymerisationsgeschwindigkeit
durch die Katalysator- und Wassermenge im Gemisch gesteuert wird, müssen diese Mengen sorgfältig kontrolliert
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werden. Es muß genügend Katalysator vorliegen, um beim
Erwärmen der Matte oder des Vlieses die Polymerisation zu gewährleisten; doch muß in Bezug auf die Katalysatormenge
genügend Wasser vorliegen, um zu rasche Polymerisation des Badgemischs bei Raumtemperatur zu verhindern.
Wenngleich bei dieser Ausführungsform das Gemisch aus Furfurylalkohol, Phosphorsäure und Wasser hergestellt
wird, bevor die Kohlenstoffasern zugegeben werden, ist dies für die Erfindung kein kritischer Punkt. Beispielsweise
könnten die Kohlepechfasern zuerst im Furfurylalkohol dispergiert werden. Dann kann ein Wasser/Phosphorsäure-Gemisch
zur Dispersion gegeben werden. Die nächste Stufe bei diesem beispielhaften Verfahren ist das Erwärmen
der Matte oder des Vlieses zum Polymerisieren des Furfurylalkohol und zum Härten des so gebildeten Harzes.
Vorzugsweise wird eine Temperatur zwischen 50 und 2000C
angewandt. Ein besonders bevorzugter Bereich liegt zwischen 100 und 15O0C. Bevorzugt wird auch in einer oxydierenden
Atmosphäre polymerisiert und gehärtet, da dies von Vorteil zu sein scheint, zumindest im Hinblick auf Elektrodensubstrate.
Polymerisieren und Härten in oxydierender Atmosphäre mögen unwichtig sein, wenn das Kohlenstoff-Flächenmaterial
für andere Anwendungszwecke verwendet werden soll.
Ein Teil des Furfurylalkohol wird beim Erwärmen verdampfen,
bevor er polymerisiert, und deshalb muß beim Erhitzen in einer geschlossenen oxydierenden Atmosphäre darauf geachtet
werden, daß die Entf laitunbarkeitsgrenze des Alkoholdampfs nicht erreicht wird, da eine Explosion die Folge
sein kann. Wird weiter die Matte oder das Vlies zu rasch erhitzt, verdampft der Alkohol viel schneller als er
polymerisiert, und zu wenig Polymerisat kann auf den Fasern
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zurückbleiben, was zu einer Matte oder einem Vlies mit ungenügender Festigkeit führt. Daher wird die Matte oder
das Vlies vorzugsweise bei einer Temperatur nicht über etwa 2000C polymerisiert und gehärtet.
Die Festigkeit der Matte bzw. des Vlieses hängt direkt von der Menge des an der Verbindungsstelle zwischen den
Fasern gebildeten Polymerisats ab. In den Anfangsstadien der Polymerisation löst das Erwärmen der Matte bzw. des
Vlieses eine Umverteilung oder Wanderung des Überzugs zu den Verbindungsstellen hin aus. Eine geeignete Umverteilung
scheint erforderlich zu sein, um eine angemessene Festigkeit in dem Material zu erhalten. Kann die
Polymerisation sehr langsam verlaufen, z.B. bei Raumtemperaturen unter etwa 500C, kann es sein, daß diese Umverteilung
oder Wanderung nicht in ausreichendem Maße eintritt und die Matte bzw. das Vlies verringerte Festigkeit aufweist.
Dies ist der Grund dafür, warum die Polymerisation und Härtung bei Temperaturen über 5O0C bevorzugt wird.
Eine zu langsame Polymerisation und ein ähnlicher Ausfall einer geeigneten Umverteilung des Überzugs auf den
Faseroberflächen kann auch eintreten, wenn im Gemisch zu wenig Katalysator vorliegt oder das Gemisch zu viel Wasser
relativ zur Katalysatormenge enthält.
Unter Berücksichtigung aller Umstände ergibt sich, daß das Überzugsgemisch wenigstens 70 Gew.-% und vorzugsweise
wenigstens 85 % Furfurylalkohol, Rest Katalysator und Wasser, aufweisen sollte. Ist der Katalysator Phosphorsäure,
sollte das Gemisch 0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen Lösung 85%iger H3PCK oder eine äquivalente Menge
H3PO4, wenn eine Lösung anderer Stärke verwendet wird,
enthalten. Im allgemeinen muß zumindest so viel Wasser wie H3PO4 im Gemisch vorliegen. Verwendet wurden Gemische
mit dem 20-fachen der H3PO4 an Wasser. Manche schwachen
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Katalysatoren mögen Wasser nicht unbedingt benötigen.
Die Endstufe des Verfahrens ist die Verkohlung des gehärteten Harzes. Verunreinigungen werden entfernt und
die Korrosionsbeständigkeit des Substrats gegenüber Chemikalien, wie Phosphorsäure, nimmt zu mit steigender
maximaler Wärmebehandlungstemperatur. Auch die elektrische und Wärmeleitfähigkeit werden mit zunehmender Wärmebehandlungstemperatur
verbessert. Wenn wie bei dieser beispielhaften Ausführungsform das Kohlenstoff-Flächenmaterial
als Brennstoffzellen-Elektrodensubstrat in heißer Phosphorsäureumgebung verwendet werden soll, sollte
es bei wenigstens 15000C und vorzugsweise bei wenigstens
19000C wärmebehandelt und verkohlt worden sein. Für andere
Anwendungszwecke mag eine Wärmebehandlungstemperatur von
bis herab zu 13000C angebracht sein. Diese Verkohlung muß in einer inerten Atmosphäre oder einem Vakuum erfolgen.
Ein Uberzugsgemisch wurde durch Mischen von 67 ml Furfurylalkohol
mit 10 ml eines Sols aus 125 ml Wasser und 2,5 ml 85%iger HUPO. hergestellt. Das Gemisch wurde in einen
großen Behälter gebracht. Ein Teil des Gemischs wurde dem Behälter entnommen und mit etwa 2,2 g geschnittener
Pechfasern (Union Carbide) zu einer Aufschlämmung gemischt. Die verwendeten Fasern waren etwa 2,54 mm lang. Die Fasermenge
wurde so berechnet, daß ein Teil mit der gewünschten Porosität und den gewünschten Abmessungen entstand.
Ein vierseitiger Rahmen und ein Siebboden wurden in den großen Behälter mit dem Alkoholgemisch abgesenkt und die
Aufschlämmung in den Rahmen gegossen. Der Brei wurde
2 oder 3 min absitzen gelassen, dann wurde der Rahmen mit den Fasern auf dem Sieb in dünnerer, gleichförmiger
Schicht mit etwa 9,3 cm2 und 0,33 mm Dicke aus der Lösung
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gehoben. Das Sieb mit der aufliegenden Schicht oder Matte der Fasern wurde aus dem Rahmen genommen und ein Trokkensieb
wurde oben auf die Fasern gebracht. Die beiden Siebe wurden gewendet und das Rahmensieb abgehoben, worauf
die Faserschicht auf dem Trockensieb zurückblieb. Überschüssige Flüssigkeit konnte von der Schicht abtropfen.
Die Fasermatte wurde in einem Ofen bei 1040C (2200F)
1 h getrocknet, um den Furfurylalkohol zu polymerisieren und das so entstandene Harz voll auszuhärten. Die gehärtete
Matte wurde dann in einer inerten Atmosphäre 3 Wochen bei einer Temperatur zwischen 2600 und 30000C
verkohlt. Der bei der Verkohlungsstufe angewandte Erhitzungszyklus
wird nicht als Teil der Erfindung betrachtet und andere Wärmebehandlungen, die wesentlich weniger
als 3 Wochen erfordern, wie z.B. in der Größenordnung von 5 oder 6 Tagen oder sogar noch weniger, können angewandt
werden.
Das nach der Methode des vorhergehenden Beispiels hergestellte Substrat hatte eine Porosität von 85 %, eine mittlere
Porengröße von 72 Mikrometern, eine Reißkraft von 452 g, einen elektrischen Widerstand von 0,003 Ω/cm und ein
Diffusionsvermögen von 0>10 cm2/s. Die Leistung in einer
Brennstoffzelle war vergleichbar mit Substraten, die vor dem Auffinden des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet
worden waren. Zudem ist das Substrat um etwa 10 % poröser als diese früheren Substrate ohne wesentlichen
Verlust an Festigkeit.
Ein weiteres Elektrodensubstrat wurde unter Anwendung der gleichen Arbeitsweise wie in Beispiel 1 hergestellt mit ·
der Ausnahme, daß das Gemisch zum überziehen durch Mischen von 95,0 g Furfurylalkohol, 5,0 g 85%iger H3PO4
und 5,0 g Wasser hergestellt worden war. Dieses Substrat
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war von gleicher Größe und Porosität wie das Substrat des
Beispiels 1. Seine Eigenschaften waren auch ähnlich denen
des Substrats des Beispiels 1.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben
wurde, wird der Fachmann erkennen, daß zahlreiche andere Abwandlungen und Weglassungen in Form und Einzelheiten
vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung porösen Kohlenstoff-Flächenmaterials,
gekennzeichnet durch folgende Stufen: überziehen von Kohlenstoffasern mit einem niedrigviskosen Gemisch aus Furfurylalkohol, einem Katalysator,
der Furfurylalkohol polymerisiert, und Wasser, Bilden einer Matte aus den überzogenen Fasern, Erwärmen
der Matte zum Polymerisieren des Furfurylalkohol und Härten des so gebildeten Harzes und
Verkohlen der gehärteten Matte durch Erhitzen auf wenigstens 13000C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung
eines Gemischs mit wenigstens 70 Gew.-% Furfurylalkohol
.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
die Verwendung von Kohlepechfasern als Kohlenstoffasern.
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ORIGINAL INSPECTED
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch die Verwendung von Phosphorsäure als Polymerisationskatalysator.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gemischs aus wenigstens 70 Gew.-% Furfurylalkohol,
0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen Lösung 85%iger Phosphorsäure oder einer äquivalenten
Menge an Phosphorsäure, Rest Wasser.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch die Verwendung eines Gemischs mit wenigstens 85 Gew.-% Furfurylalkohol.
7. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Erhitzen
der Matte auf 50 bis 2000C zum Polymerisieren
des Furfurylalkohols.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch ein Überziehen geschnittener Kohlenstoffasern mit einem niedrig-viskosen Gemisch aus wenigstens
70 Gew.-% Furfurylalkohol, 0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen Lösung aus 85%iger Phosphorsäure oder
einer äquivalenten Menge an Phosphorsäure, Rest Wasser,
Bilden einer Matte aus den überzogenen Fasern, Polymerisieren des Furfurylalkohols und Härten der Matte
durch Erwärmen auf 50 bis 2000C und Verkohlen der gehärteten Matte durch Erhitzen auf wenigstens
15000C.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymerisieren des Furfurylalkohols und das Härten
der Matte durch Erwärmen der Matte auf 100 bis 1500C
erfolgt.
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10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polymerisieren des Furfurylalkohol und das Härten der Matte in oxydierender Atmosphäre
erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zur Herstellung
eines Substrats für eine Elektrode einer elektrochemischen Zelle.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zum überziehen der Kohlenstoffasern
die Fasern in einem Bad aus dem Gemisch dispergiert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Verkohlen die gehärtete Matte auf wenigstens 19000C erhitzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoffasern von weniger als etwa 5,08 cm
Länge verwendet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
überziehen geschnittener Kohlenpechfasern von weniger
als etwa 5,08 cm Länge mit einem Gemisch aus wenigstens 85 % Furfurylalkohol, 0,25 bis 5 Gew.-% einer wässrigen
Lösung 85%iger Phosphorsäure oder einer äquivalenten Menge an Phosphorsäure, Rest Wasser,
Bilden einer Matte aus den überzogenen Fasern, Polymerisieren des Furfurylalkohol und vollständiges
Aushärten der Matte durch Erwärmen auf 100 bis 1500C in oxydierender Atmosphäre und
Verkohlen der gehärteten Matte durch Erhitzen auf wenigstens 15000C.
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16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zum überziehen der Kohlenstoffasern die Fasern
in einem Bad aus dem Gemisch dispergiert werden und zum Verkohlen die Matte auf wenigstens 19000C
erhitzt wird.
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