DE3409164C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Metallfeinstteilchen, insbesondere von ferromagnetischen
Teilchen mit einem einzigen magnetischen Bereich, durch
eine Dampfphasenreaktion.
Angesichts des zunehmenden Einsatzes von hochdichten magnetischen
Aufzeichnungsmedien besteht ein Bedarf an magnetischen
Teilchen mit verbesserten Eigenschaften, d. h. hoher Koerzi
tivkraft und hoher Sättigungsmagnetisierung. Der zweite
Faktor ist materialabhängig, während der erste Faktor ein
Maximum zeigt, wenn die einzelnen Materialteilchen einen
einzigen magnetischen Bereich aufweisen und entweder eine
nadelförmige oder geradkettige Form aufweisen. Daher läßt
sich Material mit optimalen magnetischen Eigenschaften aus
Metallfeinstteilchen mit einem einzigen magnetischen Bereich
herstellen.
Die Struktur des magnetischen Bereichs hängt von der Teilchengröße
eines magnetischen Materials ab. Bei großen
Teilchen liegt überwiegend eine Struktur mit mehr als einem
magnetischen Bereich vor, während bei abnehmender Größe
eine Struktur mit einem einzigen magnetischen Bereich vor
herrscht. Bei noch geringeren Teilchen kommt es zu Super
paramagnetismus. Die Teilchengröße, bei der ein einziger
magnetischer Bereich gewährleistet ist, variiert mit der
Art den Metalls oder der Legierung. Eisen- und Kobaltteilchen
mit einer Größe im Bereich von 10 bis 30 nm weisen
einen einzigen magnetischen Bereich auf.
Feinstteilchen aus magnetischen Metallen werden bekanntlich
aus metallischen Eisenteilchen oder Legierungsteilchen, in
denen Eisen mit Vanadin, Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel,
Kupfer oder Zink legiert ist, hergestellt. Diese Metall
feinstteilchen werden typischerweise entweder durch Oxid
reduktion oder Dampfkondensation hergestellt. Beim ersten
Verfahren werden nadelförmige Eisenoxid- oder Eisenoxid
hydroxidteilchen, die nach einem geeigneten Verfahren, bei
spielsweise durch Naßfällung, hergestellt worden sind, zu
Feinstteilchen aus reinem Eisen reduziert, indem man sie
in einer Wasserstoffatmosphäre bei niedrigen Temperaturen
im Bereich von 300 bis 400°C reduziert. Die erhaltenen Teilchen
sind in den meisten Fällen nadelförmig und weisen eine
Größe von 50 nm × 300-700 nm auf. Jedoch kommt es bei
diesen Teilchen leicht zur Hohlraumbildung. Die Magnetisierung
in diesen Hohlräumen ergibt eine Struktur mit mehr als
einem magnetischen Pol, was für eine gleichmäßige Dispersion
von magnetischen Teilchen in einem magnetischen Anstrich
schädlich ist und somit die Orientierung im Magnetband
behindert oder dessen Koerzitivkraft verringert. Ein weiterer
Nachteil besteht darin, daß zur Verhinderung des Sinterns
während der Reduktion die feinen Oxidteilchen über eine
längere Zeitspanne hinweg auf niedrige Temperaturen
erwärmt werden müssen. Dies erfordert einen hohen apparativen
Aufwand und führt zu einem hohen Wasserstoffverbrauch.
Beim zweiten Verfahren, d. h. der Dampfkondensation, wird
Dampf von Eisen oder einer Eisen-Kobalt-Legierung in einem
Argongas in einem geringgradigen Vakuum gebildet. Dieses
Verfahren führt zu Metallfeinstteilchen einer Größe von 5 bis
50 nm in Form von langen Ketten. Jedoch ist bei diesem Verfahren
ein aufwendiger Heizofen und eine aufwendige Evakuierungskammer
erforderlich. Das Arbeiten unter Vakuum ist aufgrund
des geringen Wirkungsgrades und der geringen Produktivität
unwirtschaftlich. Weitere Schwierigkeiten, die
bei der Vakuumanwendung auftreten, sind die geringe Kühlung
und die verstärkte Neigung zur Sinterung der abgelagerten
Teilchen. Einzelteilchen sintern leicht an den Verbindungsstellen
zusammen, so daß es zu Strukturen mit mehr als einem
magnetischen Bereich kommt. Feine Teilchen mit dieser Struktur
liegen entweder in Form von kurvenförmigen Ketten oder
als Netz von verschlungenen Agglomeraten vor.
Aus der DE-AS 20 23 958 ist ein Verfahren zur Herstellung von
pulverförmigen Metallen durch Umsetzen von gasförmigem Metall
halogenid mit einem reduzierenden Gas bekannt, bei dem es
wesentlich ist, daß die Reaktanten bereits vor ihrem Eintritt
in eine Reaktionszone miteinander vermischt werden. Bei diesem
Verfahren besteht daher keine Möglichkeit mehr, den Kontakt
der beiden Reaktanten und die Kernbildung bei der Herstellung
der feinen Metallteilchen zu steuern.
Gemäß einem ähnlichen, aus der US-PS 41 23 264 bekannten Verfahren
werden die Reaktionsgase in konzentrischen Rohren durch
eine Venturidüse in die Reaktionszone eingeleitet, so daß
sofort eine turbulente Strömung und damit eine vollständige
Vermischung der reaktiven Gase stattfindet.
Selbstverständlich ist auch diese Verfahrensweise nicht geeignet,
eine Beeinflussung der Kernbildung zuzulassen.
Gegenstand der japanischen Patentanmeldung 1 27 415/80 ist
ein Verfahren zur Herstellung von feinen Metallteilchen
durch Dampfphasenreaktion, bei dem ein reduzierendes Gas
mit dem Dampf eines Metallhalogenids, dessen Siedepunkt
unter dem Siedepunkt des Metalls liegt, umgesetzt wird.
Dieses Verfahren liefert feine Teilchen von Eisen-Kupfer-,
Eisen-Nickel- oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen mit
einer Größe von 40 bis 600 nm. Es ist jedoch schwierig,
nach diesem Verfahren wesentlich feinere Teilchen mit einer
Größe von 10 bis 30 nm, die eine Struktur mit einem einzigen
magnetischen Bereich aufweisen, herzustellen.
Eine wesentliche Verbesserung der bekannten Verfahrensweise
wird durch das in der nachveröffentlichten DE-OS 32 08 879
beschriebene Verfahren erreicht. Bei diesem Verfahren werden
die beiden miteinander umzusetzenden Gasströme im Gleichstrom
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten so in die Reaktionszone
geleitet, daß sich dort eine Grenzfläche bildet und
in dieser ein instabiler Bereich entsteht, in welchem die
Kernbildung stattfindet. Bei diesem Verfahren ist es jedoch
noch schwierig, ein übermäßiges Wachstum der Kerne zu verhindern
und die gewünschten Teilchen mit feinerer Struktur
herzustellen.
Der Erfindung liegt dem Stand der Technik gegenüber die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Metallfeinstteilchen
bereitzustellen, welches eine Steuerung der Kernbildung
in der Reaktionszone ermöglicht und dazu geeignet
ist, feinste Metallteilchen herzustellen, die eine Struktur
mit einem einzigen magnetischen Bereich aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung
von Metallfeinstteilchen durch Umsetzung eines ein
Metallhalogenid enthaltenden Gases mit einem reduzierenden
Gas, bei dem man einen Strom des das Metallhalogenid ent
haltenden Gases und einen Strom des reduzierenden Gases
gleichzeitig, aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
so durch eine Reaktionszone fließen läßt, daß in der
Reaktionszone an der Grenzfläche ein instabiler Bereich
entsteht und in diesem instabilen Bereich Kerne gebildet
werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Reaktions
zone abgeschreckt wird.
Die erfindungsgemäß durchgeführte Abschreckung in der Reaktions
zone hat zur Folge, daß ein übermäßiges Wachstum der
Kerne verhindert wird.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung liegt
die Zone der Reaktion zwischen dem das Metallhalogenid ent
haltenden Gas und dem reduzierenden Gas in einem magnetischen
Feld, so daß die Bildung von Kernen und die Hemmung des
übermäßigen Kernwachstums in diesem magnetischen Feld
erfolgt.
Die erfindungsgemäßen Metallfeinstteilchen werden im allge
meinen aus Eisen, Eisen-Kobalt oder Eisen-Kobalt-Nickel
hergestellt. Aufgrund der leichten Zugänglichkeit handelt
es sich bei den als Ausgangsmaterialien verwendeten Metall
halogeniden im allgemeinen um Metallchloride (z. B. FeCl₂,
CoCl₂ und NiCl₂). Die Reaktion des Dampfs dieser Chloride
mit reduzierend wirkendem Wasserstoffgas ist eine exotherme
Reaktion, die im Temperaturbereich von 1100 bis 1500 K statt
findet. In Gegenwart von überschüssigem Wasserstoff verläuft
die Reaktion sehr rasch unter Bildung einer Art von Ver
brennungsflamme. Wenn das den Chloriddampf enthaltende Gas
und das umgebende Wasserstoffgas (es kann auch das Wasser
stoffgas von dem den Chloriddampf enthaltenden Gas umgeben
sein) dazu veranlaßt werden, gleichzeitig, aber mit unter
schiedlicher Geschwindigkeit zu fließen (mit anderen
Worten, es besteht eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen
den beiden Gasströmen an ihrer Grenzfläche in der Dampfphasen
reaktionszone), so entsteht entlang der Grenzfläche zwischen
den beiden Gasen nacheinander eine Reihe von kleinen Wirbeln.
Diese Wirbel bilden zusammen eine nicht-gleichmäßige Grenzfläche
oder einen instabilen Grenzflächenbereich, in dem eine
Reihe von Kernen gebildet werden und an Größe zunehmen.
Aufgrund zahlreicher Untersuchungen über die Bedingungen
bei der Bildung von Feinstteilchen wurde erfindungsgemäß
festgestellt, daß die Temperatur die Bildung und das Wachstum
der Kerne beeinflußt und verminderte Temperaturen insbesondere
eine günstige Wirkung auf die Hemmung eines übermäßigen
Wachstums der Kerne ausüben. Im Rahmen dieser Untersuchungen
wurde schließlich festgestellt, daß durch eine
Senkung der Umgebungstemperatur der Verbrennungsflamme bzw. durch eine
Abkühlung der Reaktionszone mit dem Zweck, die Kerne in möglichst
geringem Umfang erhöhten Temperaturen auszusetzen, die Kerne
abgeschreckt werden und ein übermäßiges Kernwachstum verhindert
wird. Dies hat zum Ergebnis, daß somit leicht
Feinstteilchen von nicht mehr als 100 nm erhalten werden
können. Die Reaktionszone kann nicht nur mit Wasser, sondern
auch durch Einleiten eines kalten Gases, z. B. eines redu
zierenden Gases oder eines Inertgases, gekühlt werden.
Ferner wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß bei Durch
führung sämtlicher Reaktionen einschließlich des Abschreckens
der Kerne in einem magnetischen Feld noch kleinere Teilchen
mit einem einzigen magnetischen Bereich auf einfache Weise
erhältlich sind. Diese Erscheinung läßt sich möglicherweise
dadurch erklären, daß das Wachstum von übermäßig kleinen
Teilchen beschleunigt wird, während ihr Weiterwachsen nach
Erreichen einer Größe, die einem einzigen magnetischen Bereich
entspricht, gehemmt wird. Derartige Teilchen sind aufgrund
ihrer Struktur mit einem einzigen magnetischen Bereich
magnetisch unter Bildung von geraden Ketten, die jeweils aus
etwa 10 Teilchen bestehen, verknüpft. Diese geraden Ketten
eignen sich besonders für den erfindungsgemäßen Bestimmungs
zweck.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 2 TEM-Mikrographien (× 50 000) der gemäß dem nach
stehenden Beispiel hergestellten Feinstteilchen (a) bis (e).
Zunächst wird das Metallhalogenid in den Kesseln 1 und 1′
vorgelegt. Die Anzahl der Kessel hängt vom gewünschten
Produktionsausstoß und dem speziellen Produktionsverfahren
ab. Zur Herstellung von Legierungsteilchen können
einer oder mehrere Kessel für das Chlorid einer jeden Metall
komponente der Legierung, wobei die Mengenverhältnisse
der einzelnen Chloride berücksichtigt werden, bereitgestellt
werden. Mit dieser Anordnung lassen sich leicht feine Legierungs
teilchen herstellen, was einen besonderen Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. Der Inhalt der
einzelnen Kessel wird auf eine Temperatur erwärmt, die von
der speziellen Konzentration des Halogeniddampfs abhängt.
Eine vorbestimmte Menge eines Verdünnungsgases (ein Inertgas,
wie Argon oder Stickstoff) wird durch die Leitungen 2
und 2′ eingeleitet, so daß man einen den Metallhalogenid
dampf enthaltenden Gasstrom von vorbestimmter Konzentration
und Strömungsgeschwindigkeit erhält. Dieses Gas wird nach
oben in eine Reaktionskolonne 3 durch die Düse 5 eines sich
halb in die Reaktionskolonne erstreckenden Rohres 4 geblasen.
Ein reduzierendes Gas (z. B. Wasserstoff oder Ammoniakzersetzungs
gas) wird von unten durch ein Rohr 6 in die Kolonne
3 eingeleitet. Das eingeleitete reduzierende Gas bildet
einen aufsteigenden Strom, der den Strom des das Halogenid
enthaltenden Gases umgibt. Die beiden in Kontakt miteinander
kommenden Gase werden an ihrer Grenzfläche unter Bildung
einer Verbrennungsflamme umgesetzt. Wenn die beiden Gase
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fließen, z. B. wenn
das reduzierende Gas langsamer als das das Halogenid enthaltende
Gas fließt, bildet deren reagierende Grenzfläche
einen instabilen Bereich. In diesem instabilen Bereich bilden
die beiden Gasphasen sich wechselseitig berührende,
dünne, laminare Strömungen. Mikroskopisch gesehen bilden
die beiden sich mischenden Gase Wirbel, in denen ein Gas
im anderen versinkt. Aufgrund der hohen Reaktivität in der
Dampfphase bietet der instabile Grenzflächenbereich günstige
Bedingungen für die Bildung zahlreicher Kerne und anschließend
für die Bildung von feinen Teilchen. Die in der Reaktions
kolonne gebildeten Kerne werden durch den aufsteigenden
Gasstrom mitgerissen und gelangen in eine Sammelzone 7,
wo sie in Form von Feinstteilchen gesammelt werden.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform kann man das
reduzierende Gas, z. B. Wasserstoff, in das Zentrum der
Säule 3 fließen lassen, während man das das Halogenid
enthaltende Gas so einleitet, daß es das Wasserstoffgas
umhüllt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, beide Gase
anstatt in vertikaler Richtung in horizontaler Richtung
fließen zu lassen.
Erfindungsgemäß ist die Reaktionskolonne 3 von einem Mantel
8 umgeben, durch den Kühlwasser zirkuliert, um die in der
Kolonne gebildete Verbrennungsflamme zu kühlen. Bei einem
im Rahmen der erfindungsgemäßen Untersuchungen durchgeführten
Versuch konnte bei Verwendung dieses Mantels die
Umgebungstemperatur der Flamme auf 600°C und die Temperatur
oberhalb der Flamme auf weniger als 400°C verringert werden.
Aufgrund dieser Bedingungen konnte das Wachstum der in der
Reaktionskolonne gebildeten Kerne signifikant gehemmt werden.
Bei den herkömmlichen Dampfphasenverfahren zur Herstellung
von Metallfeinstteilchen wird als Reaktionskolonne ein
Ofen ohne Kühlvorrichtung verwendet. Erfindungsgemäß wird
dieser nicht-gekühlte Ofen durch einen wassergekühlten
Reaktor ersetzt. Durch diese Abänderung lassen sich Teilchen
herstellen, deren Größe im Vergleich zu herkömmlichen
hergestellten Teilchen wesentlich geringer ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
eine Solenoidwicklung 9 gebildet, indem man Kupferdraht um
den Wasserkühlmantel 8 und insbesondere um die Reaktions
zone der Kolonne 3, wo das das Halogenid enthaltende Gas
zur Bildung einer Verbrennungsflamme eingeführt wird, wickelt.
Wird eine festgelegte Strommenge durch die Wicklung geleitet,
entsteht ein magnetisches Feld. Führt man die Verbrennungs
reaktion innerhalb des magnetischen Felds durch,
so läßt sich ein übermäßiges Wachstum der in der Reaktions
kolonne gebildeten Kerne auf wirksamere Weise verhindern.
Wie sich aus dem nachstehenden Beispiel ergibt, kann die
Größe der gebildeten Teilchen gesenkt werden, indem man die
Stärke des magnetischen Felds erhöht. Bei einer magnetischen
Feldstärke von 48000 A/m oder darüber und insbesondere
von mehr als 72000 A/m lassen sich Teilchen einer Größe von
etwa 20 nm bilden. Diese Teilchen weisen eine gleichmäßige
Größe auf und bestehen jeweils aus einem einzigen magnetischen
Bereich, so daß sie in Form von geraden Ketten vorliegen
und im wesentlichen frei von gekrümmten Ketten oder
Netzen aus verschlungenen Agglomeraten sind.
Bei der vorstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsform
kann das magnetische Feld statt mit Hilfe einer Solenoid
wicklung nach einem anderen Verfahren gebildet werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Feinstteilchen von Metallen oder Legierungen sind für mag
netische Aufzeichnungsmedien besonders gut geeignet. Ihre
Einsatzmöglichkeiten sind jedoch nicht auf magnetische Auf
zeichnungsverfahren beschränkt, vielmehr können sie auch in
zahlreichen anderen Anwendungsgebieten Verwendung finden.
Das nachstehende Beispiel erläutert die Herstellung von
Metallfeinstteilchen unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung sowie die dabei erzielbaren Vorteile.
Es ist darauf hinzuweisen, daß es hinsichtlich der Art, wie
das das Metallhalogenid enthaltende Gas und das reduzierende
Gas eingespeist werden, keine Beschränkung auf die Aus
führungsform dieses Beispiels besteht. Gegebenenfalls kann
das reduzierende Gas auf das Halogenidgas in einem solchen
Winkel auftreffen, daß der Kontakt zwischen den laminaren
Strömungen der beiden Gase nicht verhindert wird.
Eisen(II)-chlorid (FeCl₂) und Kobaltchlorid (CoCl₂) werden
als Metallhalogenide und Wasserstoff als reduzierendes Gas
verwendet. Ein Gas mit einem Gehalt an 2 Volumenprozent der
Dämpfe der beiden Metallchloride wird in einer Geschwindigkeit
von 1 Mol/min der Chloride insgesamt in den Reaktor
eingeleitet. Der Reaktor weist eine Reaktionskolonne mit
einem Innendurchmesser von 40 mm und einer effektiven Länge
von 800 mm auf. Das Wasserstoffgas wird in den Reaktor mit
einer Geschwindigkeit von 2 Mol/min eingespeist. Die Umsetzung
zwischen dem das Metallhalogenid enthaltenden Gas
und dem Wasserstoffgas wird unter 5 verschiedenen Bedingungen
durchgeführt:
- (a) Als Reaktor wird ein nicht-gekühlter Ofen verwendet;
- (b) der Reaktor ist mit einem Wasserkühlmantel ausgerüstet;
- (c) der mit dem Kühlmantel versehene Reaktor ist ferner mit einer Solenoidwicklung ausgerüstet, die ein magnetisches Feld von 24 000 A/m bewirkt;
- (d) wie unter (c), wobei jedoch die Solenoidwicklung ein magnetisches Feld von 48 000 A/m hervorruft; und
- (e) wie unter (c), wobei jedoch ein magnetisches Feld von 72 000 A/m hervorgerufen wird.
Bei den einzelnen Versuchen beträgt die Temperatur der
Reaktionszone etwa 1000°C. TEM-Mikrographien (× 50 000) der
5 Proben von Feinstteilchen sind in den Fig. 2(a), (b),
(c), (d) bzw. (e) dargestellt. Die spezifische Oberfläche,
die Koerzitivkraft und die Sättigungsmagnetisierung der
einzelnen Proben sind in Tabelle I angegeben. Die Legie
rungszusammensetzungen der einzelnen Proben sind 70% Fe
und 30% Co. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, nimmt die Teilchen
größe in der Reihenfolge (a) bis (e) ab. Die Teilchenanordnung
verändert sich von den in Fig. 2(a) gezeigten
kurvenförmigen Ketten über die in den Fig. 2(b), 2(c)
und 2(d) gezeigten Formen zu den in Fig. 2(e) dargestellten
geraden Ketten, von denen jede aus einem einzigen magnetischen
Bereich besteht. Somit sind die Vorteile, die sich aus
der Wasserkühlung des Reaktors, dem Anlegen eines magnetischen
Feldes und der Erhöhung der magnetischen Feldstärke
ergeben, offensichtlich.
Die spezifische Oberfläche der Teilchen ist umgekehrt
proportional zu ihrer Größe und wird daher als Maßstab für
die Größe herangezogen. Die in Tabelle I wiedergegebenen
Werte für die spezifische Oberfläche zeigen die Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens klar. Die nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren hergestellten Teilchen (b), (c), (d)
und (e) weisen gleichmäßig hohe Werte für die Koerzitiv
kraft auf (< 80 000 A/m) und besitzen gleichzeitig eine hohe
Sättigungsmagnetisierung (17,6 · 10-6 bis 18,85 · 10-6 wb/g).
Dies zeigt, daß die erfindungsgemäß hergestellten Feinstteilchen eine
Struktur mit einem einzigen magnetischen Bereich oder eine
Struktur, die dieser Idealstruktur nahe kommt, aufweisen.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß die
Kühlung der Dampfphasenreaktionszone und das Anlegen eines
magnetischen Feldes eine signifikant günstige Wirkung auf
die Hemmung eines in der Reaktionszone erfolgenden über
mäßigen Wachstums der Teilchen ausüben.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Metallfeinstteilchen
durch Umsetzung eines ein Metallhalogenid enthaltenden Gases
mit einem reduzierenden Gas, bei dem man einen Strom des das
Metallhalogenid enthaltenden Gases und einen Strom des
reduzierenden Gases gleichzeitig, aber mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten so durch eine Reaktionszone fließen
läßt, daß in der Reaktionszone an der Grenzfläche ein
instabiler Bereich entsteht und in diesem instabilen Bereich
Kerne gebildet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Reaktionszone abgeschreckt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Metallhalogenid ein Metallchlorid verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
als Metallchlorid ein, zwei oder mehr Bestandteile aus der
Gruppe Eisenchlorid, Kobaltchlorid und Nickelchlorid verwendet
wird (werden).
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Feinstteilchen von Eisen, einer Eisen-Kobalt-Legierung oder
einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung hergestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als reduzierendes Gas Wasserstoff verwendet wird.
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