DE102004046495B4 - Airgel-containing composite material and process for its production - Google Patents
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Abstract
Verbundwerkstoff
umfassend hydrophobe Aerogelpartikel und anorganisches Bindemittel,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff
a) 50 bis
80 Gew.-% hydrophobe Aerogelpartikel,
b) 10 bis 40 Gew.-% anorganisches
abgebundenes Bindemittel, und
c) 5 bis 15 Gew.-% anorganisches,
hydrophiles Dispergiermittel umfasst,
wobei das Dispergiermittel
eine Dichte in einem Bereich von 0,1 bis 2 g/cm3 aufweist
und auf einer Menge an Ammoniumfluorid in einem Bereich von 5 bis
15 Gew.-% und SiO2 in einer Menge von wenigstens
70 Gew.-% basiert,
wobei
d) mindestens 80% der Aerogelpartikel
nicht in direktem Kontakt mit dem Bindemittel stehen.Composite comprising hydrophobic airgel particles and inorganic binder, characterized in that the composite material
a) 50 to 80% by weight of hydrophobic airgel particles,
b) 10 to 40% by weight of inorganic set binder, and
c) comprises from 5 to 15% by weight of inorganic hydrophilic dispersant,
wherein the dispersant has a density in a range of 0.1 to 2 g / cm 3 and based on an amount of ammonium fluoride in a range of 5 to 15 wt .-% and SiO 2 in an amount of at least 70 wt .-% .
in which
d) at least 80% of the airgel particles are not in direct contact with the binder.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff, der hydrophobe Aerogelpartikel, anorganisches Bindemittel und ein Dispergiermittel enthält sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffs.object of the invention is a composite material comprising hydrophobic airgel particles, contains inorganic binder and a dispersant and a method of making this composite.
Beim Bau von Gebäuden aller Art werden im Innen- und Außenbau im weitesten Sinne keramische Materialien eingesetzt, Sande aller Art, die durch keramische Binder gebunden werden (beispielsweise Portlandzement, Gips). Beispiele sind Ziegel (poröse Ziegel, Hohllochziegel, Ziegel mit Dämmstofffüllung), Kalksandsteine, Bimssteine, Porenbeton, EPS-Beton. Die Bauwerkstoffe müssen unterschiedlichsten Anforderungen in der Praxis genügen: Tragfähigkeit, vor allem Druckbelastung, Wärmeschutz, Schutz vor Feuchtigkeit bei gleichzeitiger guter Klimatisierung des Gebäudes, Brandschutz usw. Die eingesetzten Werkstoffe müssen wirtschaftlich hergestellt werden und leicht auf Baustellen zu verarbeiten sein. Bausteine aus diesen Werkstoffen sollten am besten mit konventionellen Bindern (Mörtel) zusammengefügt werden können und eine ausreichende Haftfestigkeit für Putze aller Art bieten. Die zunehmenden Forderungen nach Materialien mit hoher Wärmedämmung hat beispielsweise zur Entwicklung von sehr leichtem Porenbeton geführt, aber auch zur Entwicklung von Styropor gefülltem Beton (EPS-Beton).At the Construction of buildings of all kinds become interior and exterior in the broadest sense ceramic Materials used, sands of all kinds, made by ceramic binders be bound (for example Portland cement, gypsum). Examples are bricks (porous Bricks, hollow bricks, insulating bricks), sand-lime bricks, pumice stone, Aerated concrete, EPS concrete. The building materials must meet a wide variety of requirements in practice suffice: Load capacity, especially pressure load, heat protection, Protection against moisture while maintaining good air conditioning of the building, Fire protection, etc. The materials used must be produced economically be easily processed on construction sites. building blocks These materials should work best with conventional binders (Mortar) together can be and provide sufficient adhesion for plasters of all kinds. The increasing For example, demands for materials with high thermal insulation for Development of very lightweight aerated concrete led, but also to the development Styrofoam filled Concrete (EPS concrete).
Mit den so genannten Leichtbauwerkstoffen können spezifische Dichten von 400 bis 800 kg/m3 erzielt werden und Wärmeleitfähigkeiten mit Werten von 0,1 bis 0,4 W/Km.With the so-called lightweight materials specific densities of 400 to 800 kg / m 3 can be achieved and thermal conductivities with values of 0.1 to 0.4 W / Km.
Es sind bereits einige Verbundwerkstoffe aus keramischen Bindern und hydrophoben Aerogelen bekannt. Üblicherweise werden deshalb hydrophobe Aerogelpartikel für diese Verbundwerkstoffe verwendet, da der resultierende Verbundwerkstoff eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweist. Bei den bisher bekannten Herstellungsverfahren dieser Verbundwerkstoffe muss das Bindemittel in ausreichender Menge zuerst in wässrige Lösung oder Dispersion gebracht werden, um eine breiartige Masse zu erhalten. Erst in diese breiartige Masse kann dann das hydrophobe Aerogel eingerührt werden. Das hydrophobe Aerogel kann bei den bisher bekannten Verfahren deshalb nicht zuerst in Wasser dispergiert werden, da aufgrund der geringen Dichte und der Hydrophobizität des hydrophoben Aerogels dieses auf dem Wasser aufschwimmt und deshalb nicht direkt in Wasser dispergiert werden kann.It are already some composites of ceramic binders and hydrophobic aerogels known. Usually Therefore, hydrophobic airgel particles are used for these composites, because the resulting composite has a low moisture absorption having. In the previously known production method of this Composites must be the binder in sufficient quantity first in watery solution or dispersion to obtain a mushy mass. Only in this mushy mass then the hydrophobic airgel stirred become. The hydrophobic airgel can in the previously known methods Therefore, do not disperse in water first because of the low density and hydrophobicity of the hydrophobic airgel this floats on the water and therefore not directly in water can be dispersed.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist es, dass das hydrophobe Aerogel nicht als Dispersion bei der Herstellung der Verbundwerkstoffe eingesetzt werden kann, sondern als leichtes, feinteiliges Granulat eingesetzt werden muss. Dies kann gerade auf beispielsweise Baustellen oder auch bei der Herstellung von Bauteilen aus dem Verbundwerkstoff von erheblichem Nachteil sein.One Another disadvantage of the prior art is that the hydrophobic Airgel not used as a dispersion in the production of composites can be, but used as a lightweight, finely divided granules must become. This can be just on, for example, construction sites or also in the production of components from the composite material be of considerable disadvantage.
In
der
Viele bisher bekannte Verbundwerkstoffe mit hydrophoben Aerogelpartikeln enthalten organische Bestandteile. Dadurch eignen sich diese per se nicht für den Brandschutz.Lots previously known composites with hydrophobic airgel particles contain organic ingredients. This makes them suitable per Do not be for the fire protection.
Außerdem weisen viele der hydrophobe Aerogelpartikel enthaltenen Verbundwerkstoffe nur geringe Druckfestigkeiten auf, so dass diese nicht für tragende Bauteile im Gebäudebau eingesetzt werden können.In addition, show many of the hydrophobic airgel particles contained composites only low compressive strength, so this is not for load-bearing Building components can be used.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es also, einen Verbundwerkstoff aus anorganischen Bindemitteln und hydrophoben Aerogelpartikeln bereitzustellen, in dem diese Aerogelpartikel so fein dispergiert sind, dass der resultierende Verbundwerkstoff für den Brandschutz und gleichzeitig für tragende Elemente in Bauwerken geeignet ist.The The object of the present invention is therefore to a composite of inorganic binders and hydrophobic airgel particles to provide in which these airgel particles so finely dispersed are that the resulting composite for fire protection and at the same time for carrying Elements in structures is suitable.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch einen Verbundwerkstoff umfassend hydrophobe Aerogelpartikel und anorganisches Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff
- a) 50 bis 80 Gew.-% hydrophobe Aerogelpartikel,
- b) 10 bis 40 Gew.-% anorganisches abgebundenes Bindemittel, und
- c) 5 bis 15 Gew.-% anorganisches, hydrophiles Dispergiermittel umfasst, wobei das Dispergiermittel eine Dichte in einem Bereich von 0,1 bis 2 g/cm3 aufweist und auf einer Menge an Ammoniumfluorid in einem Bereich von 5 bis 15 Gew.-% und SiO2 in einer Menge von wenigstens 70 Gew.-% basiert, wobei
- d) mindestens 80% der Aerogelpartikel nicht in direktem Kontakt mit dem Bindemittel stehen.
- a) 50 to 80% by weight of hydrophobic airgel particles,
- b) 10 to 40% by weight of inorganic set binder, and
- c) 5 to 15 wt .-% of inorganic, hydrophilic dispersant, wherein the dispersant has a density in a range of 0.1 to 2 g / cm 3 and an amount of ammonium fluoride in a range of 5 to 15 wt. % and SiO 2 in an amount of at least 70 wt .-% based, wherein
- d) at least 80% of the airgel particles are not in direct contact with the binder.
Das anorganische Dispergiermittel liegt vorzugsweise in Pulverform vor, ist unreaktiv und mit Fluor dotiert.The inorganic dispersant is preferably in powder form, is unreactive and doped with fluorine.
Das Dispergiermittel ist vorzugsweise nicht transparent beziehungsweise undurchsichtig, da es dann in Produktionsprozessen leichter visuell wahrgenommen und somit besser dosiert werden kann.The Dispersant is preferably not transparent or opaque, as it is then easier to visual in production processes can be perceived and thus better dosed.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Dispergiermittel fungiert praktisch auch als Sedimentationsbremse für die hydrophoben Aerogelpartikel, damit diese nach dem Eintrag in eine wässrige Lösung dispergiert bleiben.The used according to the invention Dispersant also acts practically as a sedimentation brake for the hydrophobic airgel particles, so that these after entry into a aqueous solution remain dispersed.
Enthält der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff zu viel anorganisches Bindemittel, nimmt die Wärmeleitfähigkeit so weit zu, dass der Verbundwerkstoff keinen Einsatz als Isolationsmaterial oder Brandschutzwerkstoff finden kann. Enthält der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff hingegen zu viel hydrophobe Aerogelpartikel so nimmt die Festigkeit des Werkstoffes soweit ab, dass dieser beispielsweise nicht für tragende Bauteile eingesetzt werden kann.Contains the composite material according to the invention too much inorganic binder, the thermal conductivity increases so much that the Composite material no use as insulation material or fire protection material Can be found. contains the composite material according to the invention however, too much hydrophobic airgel particle increases the strength the material from the extent that this example, not for load Components can be used.
Da die vorzugsweise verwendeten Silicaaerogele Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 10 bis 20 mW/km haben, übliche Baustoffe aber in der Regel Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von mehr als 1 W/km, reduzieren sich die Wärmeleitfähigkeiten entsprechend dem Anteil an Aerogel, so dass Baustoffe entstehen, die praktisch in die Klasse der Dämmstoffe fallen.There the preferably used silica aerogels have thermal conductivities in the range of 10 to have 20 mW / km, usual Building materials but usually heat conductivities in the range of more than 1 W / km, the thermal conductivities are reduced according to the proportion of airgel, so that building materials arise which practically fall into the class of insulation materials.
Da Silicaaerogele vorzugsweise aus reinem Quarzglas bestehen, erfüllen die Verbundwerkstoffe die Brandschutzbestimmungen, sofern der Basiswerkstoff diese erfüllt.There Silica aerogels preferably made of pure quartz glass, meet the Composite materials the fire protection regulations, provided the base material this fulfilled.
Durch den Einsatz des Dispergiermittels kann unter anderem die Viskosität des Wassers honigzäh eingestellt werden. Die Viskosität liegt dann also in einem Bereich > 5000 cps. Wird das hydrophobe Aerogel nun in diese wässrige Lösung des Dispergiermittels gegeben, umschließt das erfindungsgemäße Dispergiermittel dabei das hydrophobe Aerogel und befindet sich somit in direktem Kontakt mit diesem hydrophoben Aerogel. Durch diesen Effekt lässt sich das ansonsten hydrophobe und dadurch aufschwimmende Aerogel leicht in Wasser dispergieren.By The use of the dispersant may, inter alia, the viscosity of the water honigzäh be set. The viscosity is then in an area> 5000 cps. If the hydrophobic airgel now in this aqueous solution of the dispersant given, encloses the dispersant of the invention while the hydrophobic airgel and is thus in direct Contact with this hydrophobic airgel. This effect can be the otherwise hydrophobic and thus floating airgel easily disperse in water.
Das erfindungsgemäße Dispergiermittel ermöglicht also eine Benetzung der hydrophoben Aerogelpartikel mit Wasser, ist aber an sich nicht reaktiv. Im Gegensatz hierzu müssen Bindemittel gesehen werden, die von Natur aus reaktiv sind. Sie binden ab zu festen Werkstoffen. Als Dispergiermittel ist also Kieselsäure wegen ihrer Reaktivität nicht geeignet. Auch überwiegend organische Materialien, insbesondere organische Tenside, kommen als erfindungsgemäßes Dispergiermittel nicht in Betracht, da schon aus Brandschutzgründen jegliche organischen Rückstände im resultierenden Verbundwerkstoff vermieden werden müssen.The Dispersing agent according to the invention allows ie wetting of the hydrophobic airgel particles with water, but is not reactive in itself. In contrast, binders need which are inherently reactive. They tie up too solid materials. As a dispersant is therefore silicic acid their reactivity not suitable. Also mostly organic materials, especially organic surfactants come as a dispersant according to the invention not considered, because of fire protection reasons any organic residues in the resulting Composite material must be avoided.
Das Dispergiermittel zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es mit Wasser praktisch bei Inkontaktbringen ein Gel bildet, zumindest aber innerhalb von 100 s, bevorzugt innerhalb von 10 s, ein Gel bildet.The Dispersant is characterized mainly by the fact that it with Water practically forms a gel upon contact, at least but within 100 seconds, preferably within 10 seconds, a gel forms.
Das Dispergiermittel wird als hydrophil bezeichnet, da es einen statischen Kontaktwinkel gegen Wasser von weniger als 10° aufweist. Durch die Hydrophilie lässt sich das Dispergiermittel leicht in wässrige Lösung einbringen.The Dispersant is referred to as hydrophilic because it is a static Contact angle against water of less than 10 °. By the hydrophilicity let yourself the dispersant easily in aqueous solution contribute.
Das hydrophobe Aerogel weist mindestens einen statischen Kontaktwinkel gegen Wasser von 120°, bevorzugt von mindestens 150°, auf.The hydrophobic airgel has at least one static contact angle against water of 120 °, preferably at least 150 °, on.
Vorteilhafterweise ist das Bindemittel Zement, Gips, Kalk, Lehm, Wasserglas und/oder Ton.advantageously, is the binder cement, gypsum, lime, clay, water glass and / or Volume.
Der Verbundwerkstoff weist vorzugsweise eine Dichte in einem Bereich von 0,7 bis 1,4 g/cm3 auf. Dadurch qualifiziert er sich als Leichtbaustoff und kann als solcher im Gebäudebau eingesetzt werden.The composite preferably has a density in a range of 0.7 to 1.4 g / cm 3 . As a result, he qualifies as a lightweight construction material and can be used as such in building construction.
Vorteilhafterweise entzündet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff bei einer Einwirkung von einer Temperatur von 1000°C nicht innerhalb von 90 min. Dadurch erfüllt er die in Deutschland gültige Brandschutznorm F90 Brandschutzklasse und kann als Werkstoff im Brandschutz eingesetzt werden.advantageously, inflamed the composite material according to the invention when exposed to a temperature of 1000 ° C not within from 90 min. Thereby fulfilled he valid in Germany Fire protection standard F90 fire protection class and can be used as material in Fire protection are used.
Der Verbundwerkstoff weist vorzugsweise eine Druckfestigkeit in einem Bereich von 10 bis 40 MPa, besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 25 MPa, gemäß DIN 1048 bzw. DIN 12390-2 auf. Dadurch kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff Einsatz in tragenden Bauteilen im Gebäudebau finden. Durch diese hohe Festigkeit sind resultierende Bauteile für den Gebäudebau auch beispielsweise in der Lage, Dübeln genügend Halt zu geben. Dies ist bei Styropor-gefülltem Beton nicht der Fall.The composite preferably has a compressive strength in a range of 10 to 40 MPa, more preferably in a range of 15 up to 25 MPa, according to DIN 1048 or DIN 12390-2. As a result, the composite material according to the invention can be used in structural components in building construction. Due to this high strength, resulting components for building construction, for example, are able to give dowels sufficient support. This is not the case with polystyrene filled concrete.
Die Körnung der im Verbundwerkstoff enthaltenen hydrophoben Aerogelpartikel liegt vorteilhafterweise zwischen 0,1 und 5 mm. Die Körnung der hydrophoben Aerogelpartikel ist dadurch gerade groß genug, um die entsprechende Wärmedämmeigenschaft zu verleihen und klein genug, damit der resultierende Verbundwerkstoff genügend Druckfestigkeit aufweist.The granulation the hydrophobic airgel particles contained in the composite is advantageously between 0.1 and 5 mm. The grain of the hydrophobic airgel particles is just big enough around the corresponding thermal insulation property to lend and small enough to allow the resulting composite material enough Compressive strength.
Das Dispergiermittel enthält etwa 5 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt etwa 10 Gew.-%, Ammoniumfluorid. Dies wird beim Dispergiermittel also nicht nur katalytisch eingesetzt, sondern in so ausreichender Menge, dass es spätestens beim Trocknen des Verbundwerkstoffs ausfällt. Der Vorteil des Einsatzes von Ammoniumfluorid war für den Fachmann überraschend, da Ammoniumfluorid bei der Herstellung von Silica-Gelen bislang eher mit Nachteilen wie der geringen Stabilität und Festigkeit und der fehlenden Transparenz der Erzeugnisse in Verbindung gebracht wurde.The Contains dispersing agent about 5 to 15 wt .-%, more preferably about 10 wt .-%, ammonium fluoride. This is thus not only used catalytically in the dispersant, but in such sufficient quantity that it is at the latest when drying the composite material fails. The advantage of using ammonium fluoride was surprising to a person skilled in the art, since ammonium fluoride in the production of silica gels so far rather with disadvantages such as the low stability and strength and the missing Transparency of products.
Der Verbundwerkstoff weist bevorzugt ein Dispergiermittel mit einer mittleren Teilchengröße in einem Bereich von 100 bis 1000 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 500 nm, auf. Das im Verbundwerkstoff enthaltene Dispergiermittel weist weiterhin vorzugsweise eine mittlere Porengröße in einem Bereich von 0,5 bis 3 μm, insbesondere in einem Bereich von 1 bis 2 μm, auf. Insbesondere die großen Poren führen dazu, dass die verdampfende Flüssigkeit aus dem Gelnetzwerk statt, wie bei üblichen Porengrößen im Bereich von ungefähr 1 MPa auf das Netzwerk auszuüben, nur Spannungen im Bereich von 1 kPa ausübt, dem das Netzwerk offensichtlich widerstehen kann.Of the Composite preferably has a dispersant with a mean particle size in one Range of 100 to 1000 nm, more preferably in one range from 200 to 500 nm, up. The dispersant contained in the composite has furthermore preferably an average pore size in a range of 0.5 up to 3 μm, in particular in a range of 1 to 2 microns, on. Especially the big pores to lead to that the evaporating liquid from the gel network, as with conventional pore sizes in the area of about 1 MPa to the network, only stresses in the range of 1 kPa, the network obviously can resist.
Hydrophil im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Oberfläche eine statischen Kontaktwinkel gegenüber Wasser in Luft von weniger als 10° aufweist.hydrophilic For the purposes of the invention, the surface means a static contact angle with respect to water in air of less than 10 °.
In einer weiteren Ausführungsform wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- a) Vermengen des hydrophilen Dispergiermittels mit Wasser zur Einstellung einer Viskosität von mehr als 5000 cps,
- b) Einrühren von hydrophobem Aerogelgranulat und Homogenisieren der Dispersion,
- c) Zufügen eines anorganischen Bindemittels, und
- d) Trocknen und Abbinden des Bindemittels.
- a) mixing the hydrophilic dispersant with water to adjust a viscosity of more than 5000 cps,
- b) stirring in hydrophobic airgel granules and homogenizing the dispersion,
- c) adding an inorganic binder, and
- d) drying and setting of the binder.
Die Schritte sollten vorzugsweise für optimale Produkteigenschaften zeitlich voneinander getrennt und in der genannten Reihenfolge ausgeführt werden, da eine innige Vermengung und gleichmäßige Dispergierung der Aerogelpartikel nur so gewährleistet werden kann.The Steps should preferably be for optimal product properties separated from each other and time be executed in the order mentioned, as an intimate Mixing and uniform dispersion the airgel particles only guaranteed can be.
Bevorzugt wird jeder einzelne der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Temperatur in einem Bereich von 10°C bis 45°C, besonders bevorzugt bei Raumtemperatur, durchgeführt. Dadurch ergibt sich im Vergleich zu den bekannten Verfahren ein Vorteil, da bei diesen oftmals ein Wärmebehandlungsschrift zum Härten oder Trocknen oder zum Ausreagieren der Bindemittel notwendig ist.Prefers each one of the steps of the method according to the invention at a temperature in a range from 10 ° C to 45 ° C, more preferably at room temperature, carried out. Thereby results in an advantage compared to the known methods, because with these often a heat treatment script for hardening or drying or for reacting the binder is necessary.
Vorteilhafterweise ist Schritt a) abgeschlossen, bevor die übrigen Schritte durchgeführt werden. Dadurch kann eine gleichmäßigere Dispersion des hydrophoben Aerogels erreicht werden.advantageously, Step a) is completed before the remaining steps are performed. Thereby can be a more even dispersion of the hydrophobic airgel can be achieved.
Dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren das hydrophobe Aerogelgranulat in das Wasser eingerührt werden kann, bevor das Bindemittel zugegeben werden muss, kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs oder von Bauteilen, die aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff bestehen, das hydrophobe Aerogel in Form einer Dispersion als Ausgangsmaterial eingesetzt werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die bislang nicht zu unterschätzende Staubbelastung durch den direkten Einsatz von hydrophoben Aerogel bei frisch zuzubereitenden Verbundwerkstoffen, beispielsweise auf Baustellen, ausgeschlossen wird. Weiterhin lässt sich eine Dispersion bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe wesentlich leichter dosieren und transportieren als das hydrophobe Aerogelgranulat. Dies ist vor allem beim hochautomatisiertem Fertigungsprozessen von Fertigbauteilen vorteilhaft, da das hydrophobe Aerogel auf diese Weise beispielsweise in Rohen transportiert werden kann und leichter von volumenabhängigen Dosiersystemen verarbeitet werden kann.Thereby, that in the inventive method the hydrophobic airgel granules are stirred into the water can, before the binder must be added, in the Production of the composite material according to the invention or of components consisting of the composite material according to the invention, the hydrophobic airgel is used in the form of a dispersion as starting material become. On the one hand, this has the advantage that it has not been up to now underestimated Dust load due to the direct use of hydrophobic airgel in fresh composites, for example Construction sites, is excluded. Furthermore, a dispersion can be added the production of the composite materials according to the invention substantially easier to dose and transport than the hydrophobic airgel granulate. This is especially true in highly automated manufacturing processes prefabricated components advantageous because the hydrophobic airgel on this For example, can be transported in rough and lighter of volume-dependent Dosing systems can be processed.
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