DE69122584T2 - N,N'-(m-Phenylen)bismaleimide enthaltende, mit Schwefel vulkanisierbare Kautschukmassen - Google Patents
N,N'-(m-Phenylen)bismaleimide enthaltende, mit Schwefel vulkanisierbare KautschukmassenInfo
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Description
- Viele Gegenstände aus Kautschuk, hauptsächlich Automobilreifen, Schläuche, Gürtel und dgl., sind als Verbundmaterialien bekannt und mit Fasern in Cord-Form verstärkt. In allen derartigen Fällen muß die Faser fest an den Kautschuk gebunden sein.
- Ein häufiges Problem bei der Herstellung eines Kautschuk- Verbundmaterials ist die Aufrechterhaltung von guter Haftung zwischen dem Kautschuk und der Verstärkung. Ein herkömmliches Verfahren bei der Förderung der Haftung zwischen dem Kautschuk und der Verstärkung ist die Vorbehandlung der verstärkenden Faser mit einer Mischung eines Kautschuk-Latex und eines Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukts, in dem das Phenol nahezu immer Resorcin ist. Dies ist das sogenannte "RFL" (Resorcin-Formaldehyd-Latex)-Verfahren. Ein alternatives Verfahren der Förderung einer derartigen Haftung ist die Erzeugung des Harzes in situ (in der Matrix aus vulkanisiertem Kautschuk/Textil) durch Compoundieren einer vulkanisierenden Kautschukmassen-Zusammensetzung mit dem Phenol-Formaldehyd- Kondensationsprodukt (im folgenden als das "in situ-Verfahren" bezeichnet). Die Komponenten des Kondensationsprodukts bestehen aus einem Methylen-Akzeptor und einem Methylen-Donor. Die häufigsten Methylen-Donatoren schließen N-(substituiertes Oxymethyl)melamin, Hexamethy-lentetramin oder Hexamethoxymethylmelamin ein. Ein häufiger Methylen-Akzeptor ist eine Dihydroxybenzol-Verbindung wie beispielsweise Resorcin. Es wurde gefunden, daß das in situ-Verfahren besonders effektiv ist, wenn das verstärkende Material Stahldraht ist, da beobachtet wurde, daß die Vorbehandlung des Drahtes mit dem RFL-System größtenteils unwirksam ist.
- Es ist bekannt, daß Resorcin ein Harz-Netzwerk innerhalb eines Kautschuk-artigen Polymers bildet, indem es mit verschiedenen Methylen-Donatoren reagiert. Unglücklicherweise weist die Verwendung von Resorcin einige inhärente Nachteile auf. Resorcin läßt sich nicht ohne weiteres in Kautschuk dispergieren und tatsächlich werden weder das Harz noch das Resorcin chemisch an den Kautschuk gebunden. Zusätzlich ist Resorcin in seiner Rohf orm übermäßig flüchtig und potentiell toxisch, so daß es eine Gefahr für die Gesundheit darstellt. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Resorcin sind die periodischen Versorgungsknappheiten auf dem Markt.
- Es hat eine Vielzahl von Versuchen gegeben, Resorcin zu ersetzen, jedoch ist, wenn überhaupt, nur wenigen Erfolg beschieden gewesen. Beispielsweise ist in US-A-4 605 696 ein Verfahren zur Verstärkung der Haftung von Kautschuk an verstärkenden Materialien durch die Verwendung von Phenolestern als Methylen-Akzeptor offenbart. Diese Phenolester sind weniger flüchtig als Resorcin, liefern aber noch immer keine ohne weiteres reaktive Stelle für die chemische Anknüpfung des Harzes an den Kautschuk.
- Bismaleimide sind in Kautschuk als Vernetzungshilfsmittel mit Peroxidinitiatoren eingesetzt worden. Von Bismaleimiden ist jedoch nicht bekannt, daß sie Schwefel-vulkanisierbare Kautschuke durch die Bildung eines Harz-Netzwerks innerhalb des Kautschuks verstärken.
- US-A-4 818 601 betrifft einen Kautschuk-Cord-Verbundmaterial- Körper, der für die Verstärkung von Kautschuk-Gegenständen mit Cord eingesetzt wird. Die Faser-Corde werden mit einer Epoxy-Verbindung und einem Resorcin-Formaldehyd-Kautschuk-Latex-Klebstoff und einer speziellen Kautschuk-Zusammensetzung, die eine Bismaleimid- Verbindung enthält, behandelt.
- EP-A-345 825 betrifft eine Kautschuk-Zusammensetzung, die ein Bismaleimid enthält.
- EP-A-418 188, nachveröffentlicht, betrifft eine vulkanisierbare Kautschuk-Zusammensetzung, die einen Methylen-Donor und Hydroxyarylsubstituiertes Monomaleimid enthält.
- Es besteht deshalb ein Bedarf nach einem geeigneten Ersatz für Resorcin in einem in situ-Harzsystem, während man gleichzeitig die erhöhte Abschälhaftung und das Reißen im Kautschuk verbessert.
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schwefel-vulkanisierbare Kautschuk-Zusammensetzung wie in den Ansprüchen definiert, die einen Schwefel-vulkanisierbaren Kautschuk, ein Schwefel-Vulkanisationsmittel und das Reaktionsprodukt von (a) 0,1 bis 50 ThK eines Methylen-Donors und (b) 0,1 bis 50 ThK N,N'-(m-Phenylen)bismaleimid umfaßt.
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Einverleibung von N,N'-(m- Phenylen)bismaleimid als Komponente in ein Harz-Netzwerk innerhalb eines Schwefel-vulkanisierbaren Kautschuks. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das N,N'-(m-Phenylen) bismaleimid eine geringe Flüchtigkeit zeigt und im in situ-Harzverfahren der Reaktivität von Resorcin ähnelt.
- Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Schwefel-vulkanisierbare Kautschuk-Zusammensetzung, die umfaßt: (1) einen Schwefel-vulkanisierbaren Kautschuk, (2) ein Schwefel-Vulkanisationsmittel, (3) 0,1 bis 50 ThK eines Methylen-Donors und (4) 0,1 bis 50 ThK N,N'-(m- Phenylen)bismaleimid.
- Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung fungiert das N,N'-(m- Phenylen)bismaleimid als Methylen-Akzeptor. Der Ausdruck "Methylen- Akzeptor" ist dem Fachmann bekannt und wird verwendet, um den Reaktanten zu beschreiben, mit dem der Methylen-Donor unter Bildung von etwas reagiert, von dem man glaubt, daß es ein Methylol-Monomer ist. Die Kondensation des Methylol-Monomers durch die Bildung einer Methylen-Brücke liefert das Harz. Der ursprüngliche Reaktant, der die Einheit beiträgt, die sich später zu einer Methylen-Brücke ausbildet, ist der Methylen-Donor, wobei der andere Reaktant der Methylen-Akzeptor ist.
- Das N,N'-(m-Phenylen) bismaleimid, das in die Schwefel-vulkanisierbare Kautschuk-Zusammensetzung eingeschlossen wird, kann in Abhängigkeit vom Typ des Kautschuks und den gewünschten physikalischen Eigenschaften, d.h. Haftung und Reißfestigkeit, variieren. Die Menge liegt im Bereich von 0,1 bis 50 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile Kautschuk (ThK). Vorzugsweise liegt die Menge an N,N'-(m-Phenylen)bismaleimid im Bereich von 0,5 bis 5,0 ThK.
- Die Kombination des N,N'-(m-Phenylen)bismaleimids mit einem Methylen- Donor verbessert die Eigenschaften von "Schwefel-vulkanisierbaren Elastomeren oder Kautschuken". Der Ausdruck "Schwefel-vulkanisierbares Elastomer" oder "Schwefel-vulkanisierbarer Kautschuk", wie hierin verwendet, umfaßt sowohl Naturkautschuk und alle seine verschiedenen Roh- und Regeneratformen als auch vielfältige synthetische Kautschuke. Repräsentative synthetische Polymere schließen ein die Homopolymerisation-Produkte von Butadien und dessen Homologen und Derivaten, wie beispielsweise Methylbutadien, Dimethylbutadien und Pentadien, ebenso wie copolymere wie beispielsweise diejenigen, die aus Butadien und dessen Homologen oder Derivaten mit anderen ungesättigten organischen Verbindungen gebildet wurden. Unter den letztgenannten sind Acetylene, z.B. Vinylacetylen; Olefine, z.B. Isobutylen, das mit Isopren unter Bildung von Butylkautschuk copolymerisiert; Vinylverbindungen, z.B. Acrylsäure, Acrylnitril (das mit Butadien unter Bildung von NBR polymerisiert), Methacrylsäure und Styrol, wobei das letztgenannte mit Butadien unter Bildung SBR polymerisiert, ebenso wie Vinylester und verschiedene ungesättigte Aldehyde, Ketone und Ether, z.B. Acrolein, Methylisopropenylketon und Vinylethylether. Ebenfalls eingeschlossen sind die verschiedenen synthetischen Kautschuke, die durch die Homopolymerisation von Isopren und die Copolymerisation von Isopren und anderen Diolefinen in vielfältigen ungesättigten organischen Compounds hergestellt werden. Ebenfalls eingeschlossen sind die synthetischen Kautschuke wie beispielsweise 1,4-cis-Polybutadien und 1,4-cis- Polyisopren und ähnliche synthetische Kautschuke.
- Konkrete Beispiele für synthetische Kautschuke umfassen Polybutadien (einschließlich trans- und cis-1,4-Polybutadien), Polyisopren(einschließlich cis-1,4-Polyisopren), Butylkautschuk, Copolymere von 1,3- Butadien oder Isopren mit Monomeren wie beispielsweise Styrol, Acrylnitril und Methylmethacrylat. Die bevorzugten synthetischen Kautschuke zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind Polybutadien, Polyisobutylen, Butadien-Styrol-Copolymere und cis- 1,4-Polyisopren.
- Die Schwefel-vulkanisierbaren Kautschuk-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung enthalten einen Methylen-Donor. Der Ausdruck "Methylen-Donor" soll eine Verbindung bedeuten, die mit dem N,N'- (m-Phenylen)bismaleimid reagieren und das Harz in situ erzeugen kann.
- Der Methylen-Donor, der in der Schwefel-vulkanisierbaren Kautschuk- Zusammensetzung eingeschlossen ist, kann in Abhängigkeit vom Typ des Kautschuks und den gewünschten physikalischen Eigenschaften, d.h. Haftung und Reißfestigkeit, variieren. Die Menge kann im Bereich von 0,1 bis 50 ThK liegen. Vorzugsweise liegt die Menge an Methylen- Donor, die eingschlossen wird, im Bereich von 0,5 bis 5,0 ThK.
- Beispiele für Methylen-Donatoren, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen ein Hexamethylentetramin, Hexaethoxymethylmelamin, Hexamethoxymethylmelamin, Lauryloxymethylpyridiniumchlorid, Ethoxymethylpyridiniumchlorid, Trioxanhexamethoxymethylmelamin, dessen Hydroxyl gruppen verestert oder teilweise verestert sein können, und Polymere von Formaldehyd wie beispielsweise Paraformaldehyd. Zusätzlich können die Methylen- Donatoren N-substituierte oxymethylmelamine der allgemeinen Formel:
- sein, worin X eine Alkylgruppe mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen darstellt; R, R¹, R², R³ und R&sup4; einzeln aus Wasserstoff, Alkyl mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, der Gruppe -CH&sub2;OX ausgewählt sind&sub1; oder deren Kondensationsprodukte. Konkrete Methylen-Donatoren schließen ein Hexakis(methoxymethyl)melamin, N,N',N"-Trimethyl/N,N',N"- Trimethylolmelamin, Hexamethylolmelamin, N,N',N" -Trimethylolmelamin, N-Methylolmelamin, N,N'-Dimethylolmelamin, N,N',N"-Tris (methoxymethyl)melamin und N,N',N"-Tributyl-N,N',N"-trimethylolmelamin. Die N-Methylol-Derivate von Melamin werden durch bekannte Verfahren hergestellt.
- Das Gewichtsverhältnis von Methylen-Donor zu N,N'-(m-Phenylen)bismaleimid kann schwanken. Allgemein gesprochen wird das Gewichtsverhältnis im Bereich von 1:10 bis 10:1 liegen. Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis im Bereich von 1:3 bis 3:1.
- Die Schwefel-vulkanisierbare Kautschuk-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthält ein Schwefel-Vulkanisationsmittel. Beispiele für geeignete Schwefel-Vulkanisationsmittel umfassen elementaren Schwefel (freien Schwefel) oder Schwefel-abgebende Vulkanisationsmittel, z.B. ein Amindisulfid, polymeres Polysulfid oder Schwefel-Olefin-Addukte. Vorzugsweise ist das Schwefel- Vulkanisationsmittel elementarer Schwefel. Die Menge an Schwefel- Vulkanisationsmittel schwankt in Abhängigkeit vom Typ des Kautschuks und dem speziellen Typ von Schwefel-Vulkanisationsmittel, das eingesetzt wird. Allgemein gesprochen liegt die Menge an Schwefel- Vulkanisationsmittel im Bereich von 0,1 bis 5 ThK, wobei ein Bereich von 0,5 bis 2 bevorzugt wird.
- Die vulkanisierbare Kautschuk-Zusammensetzung zur Verwendung bei der Bildung eines Verbundmaterials mit verstärkendem Material kann bei der Herstellung von Reifen, Gürteln oder Schläuchen eingesetzt werden. Das Kautschuk-Vulkanisat, das zur Bildung des Verbundmaterials eingesetzt werden soll, kann herkömmliche compoundierungs- Zutaten wie beispielsweise Ruß, Antiabbaumittel, Zinkoxid, Beschleuniger, Siliciumdioxid, Verarbeitungs- und Weichmachungsöle und dgl. enthalten. Der Methylen-Akzeptor kann entweder in der produktiven oder der nicht-produktiven Masse compoundiert werden. Vorzugsweise wird der Methylen-Akzeptor in der nicht-produktiven Masse compoundiert, da im allgemeinen eine gleichmäßigere Vermischung erzielt wird. Die Einverleibung des Methylen-Akzeptors in den Schwefelvulkanisierbaren Kautschuk kann durch herkömmliche Mischvorrichtungen wie beispielsweise die Verwendung eines Banbury oder Brabender erzielt werden.
- Vulkanisations-Eigenschaften werden unter Verwendung eines Monsanto- Schwingscheiben-Rheometers bestimmt, der bei einer Temperatur von 150ºC und einer Frequenz von 11 Hertz betrieben wird. Eine Beschreibung von Schwingscheiben-Rheometern kann im Vanderbilt Rubber Handbook, herausgegeben von Robert O. Babbit (Norwalk, Conn., R.T. Vanderbilt Company, Inc., 1978), Seiten 583-591, gefunden werden. Die Verwendung dieses Vulkanisationsmeßgeräts und standardisierter Werte, die von der Kurve abgelesen werden, ist in ASTM D-2084 spezifiziert. Ein typische, auf einem Schwingscheiben-Rheometer erhaltene Vulkanisationskurve ist auf Seite 588 der 1978er Auflage des Vanderbilt Rubber Handbooks gezeigt.
- In einem derartigen Schwingscheiben-Rheometer werden compoundierte Kautschuk-Proben einer oszillierenden Schereinwirkung von konstanter Amplitude unterzogen. Das Drehmoment der in die Masse, die gerade getestet wird, eingebetteten Schwingscheibe, das erforderlich ist, um den Rotor bei der Vulkanisationstemperatur in Schwingung zu versetzen, wird gemessen. Die unter Verwendung dieses Vulkanisationstests erhaltenen Werte sind sehr signifikant, da Änderungen im Kautschuk oder der Compoundierungs-Rezeptur ohne weiteres nachgewiesen werden. Offensichtlich ist es normalerweise von Vorteil, eine schnelle Vulkanisationsrate zu haben.
- In den folgenden Tabellen sind Vulkanisations-Eigenschaften angegeben, die aus Vulkanisationskurven bestimmt wurden, die für die zwei hergestellten Kautschuk-Formulierungen erhalten wurden. Diese Eigenschaften umfassen ein minimales Drehmoment (Min. Drehmoment), ein maximales Drehmoment (Max. Drehmoment), Minuten auf 25% der Drehmoment-Zunahme (t25 Min.) und Minuten auf 90% der Drehmoment- Zunahme (t90 Min.).
- Der Abschälhaftungs-Test wurde durchgeführt, um die Grenzflächenhaftung zwischen den verschiedenen hergestellten Kautschuk Formulierungen zu bestimmen. Die Grenzflächenhaftung wurde bestimmt, indem man einen Compound in einem rechten Winkel zur nicht gerissenen Testprobe von einem anderen compound wegzog, wobei die beiden Enden unter Verwendung eines Instron-Geräts in einem Winkel von 1800 auseinandergezogen wurden. Die Kontaktfläche wurde durch das Legen einer Mylar-Fohe zwischen die Compounds während der Vulkanisation festgelegt. Ein Fenster in dem Mylar erlaubte es den beiden Materialien, während der Untersuchung miteinander in Kontakt zu gelangen.
- Die Haftung an Nylon wurde unter Verwendung des Tire Cord Adhesion Test (TCAT) beurteilt. Proben wurden gemäß den Verfahren hergestellt und getestet, die von D.W. Nicholson, D.I. Livingston, und G.S. Fielding-Russell, Tire Science and Technology (1978) 6, 114; G.S. Fielding-Russell und D.I. Livingston, Rubber Chemistry and Technology (1980) 53, 950; und US-A-4,095,465 beschrieben sind.
- Die folgenden Beispiele werden vorgestellt, um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen, aber nicht zu beschränken.
- Die folgende Tabelle I zeigt den Kautschuk-Grundcompound, der in diesem Beispiel verwendet wurde. Der Kautschuk-Compound wurde in einer dreistufigen Banbury-Mischung hergestellt. Alle Teile und Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht, soweit nichts anderes angegeben ist.
- Die verschiedenen Proben wurden unter Verwendung der entsprechenden Menge (ThK) der in Tabelle 1 angegebenen Harz-Komponenten hergestellt. Die Vulkanisationsdaten sind ebenso wie andere physikalische Daten für jede Probe in Tabelle II aufgelistet. TABELLE I TABELLE II
- Der Ersatz von Resorcin durch N,N'-(m-Phenylen)bismaleimid liefert eine Harzbildung, wie durch den gegenüber der Kontrolle erhöhten Modul (300%) angezeigt wird. Die Zunahme in der Abschälhaftung gegenüber der Kontrolle (der Resorcin enthaltenden Formulierung) zeigt eine Anlagerung des Harzes an den Dien-Kautschuk über die Maleimid-Schwänze an. Die Kombination von erhöhtem Modul und Reißfestigkeit ist stark wünschenswert und sehr schwierig zu erzielen.
- Die Kombination von Resorcin und Hexamethylentetramin (Probe 2) liefert eine Harzbildung, wie durch eine Zunahme des maximalen Rheometer-Drehmoments, des 300%-Moduls und von Rheovibron E' bei 60ºC im Vergleich zur Kontrolle (Probe 1) angezeigt. Der Ersatz von Resorcin durch N,N'-(m-Phenylen)bismaleimid und in Kombination mit Hexamethylentetramin (Probe 3) liefert ebenfalls eine Harzbildung, wie durch das maximale Rheometer-Drehmoment, den 300% Modul und den Rheovibron E' im Vergleich zur Kontrolle (Probe 1) gezeigt. Der Bismaleimid-Compound (Probe 3) zeigt auch einen höheren Rückprall, eine höhere Selbst-Abschälhaftung (Reißfestigkeit) und auch eine höhere Haftung an Nylon als der Resorcin-Compound (Probe 2). Die Kombination von Resorcin und Hexamethoxymethylmelamin (Probe 4) zeigt ebenfalls Bildungen von Harz, als Ergebnis höherer Werte des maximalen Rheometer-Drehmoments, des 300%-Moduls und des Rheovibron E' bei 60ºC im Vergleich zur Kontrolle (Probe 1). Aus den Zunahmen, die für das maximäle Rheometer-Drehmoment, den 300% Modul und Rheovibron E' gezeigt werden, ergibt sich für den Ersatz von Resorcin durch Maleimid und die Kombination mit dem Melamin (Probe 5) ebenfalls eine Harzbildung. Wiederum zeigt das Maleimid gegenüber Resorcin Vorteile (Probe 4), indem es einen höheren Rückprall und eine merklich höhere Haftung an Nylon liefert.
Claims (10)
1. Schwefel-vulkanisierbare Kautschuk-Zusammensetzung, um
fassend einen Schwefel-vulkanisierbaren Kautschuk, ein
Schwefel-Vulkanisationsmittel und das Reaktionsprodukt
von (a) 0,1 bis 50 ThK eines Methylen-Donors und (b) 0,1
bis 50 ThK eines Methylen-Akzeptors, dadurch
gekennzeichnet, daß der Methylen-Akzeptor
N,N'-(m-Phenylen)bismaleimid ist.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kautschuk aus der Gruppe ausgewählt ist, die
besteht aus Naturkautschuk, Polybutadien, Polyisopren,
Butylkautschuk, EPDM, Styrol/Butadien-Copolymeren,
Terpolymeren von Acrylnitril, Butadien und Styrol und
Mischungen davon.
3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Methylen-Donor ausgewählt ist aus der Gruppe, die
besteht aus Hexamethylentetramin,
Hexamethoxymethylmelamin, Lauryloxymethylpyridiniumchlorid,
Ethyloxymethylpyridiniumchlorid, Trioxanhexamethylolmelamin und
Paraformaldehyd.
4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Methylen-Donor ausgewählt ist aus der allgemeinen
Formel:
worin X Alkyl mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen darstellt,
R, R¹, R², R³ und R&sup4; einzeln ausgewählt sind aus der
Gruppe,
die besteht aus Wasserstoff, einem Alkyl mit 1 bis
8 Kohlenstoffatomen, der Gruppe -CH&sub2;OX, oder deren
Kondensationsprodukten.
5. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Methylen-Donor ausgewählt ist aus der Gruppe, die
besteht aus Hexakis(methoxymethyl)melamin,
N,N',N"-Trimethyl/N,N',N"-trimethylolmelamin, Hexamethylolmelamin,
N,N',N"-Trimethylolmelamin, N-Methylolmelamin,
N,N'-Dimethylolmelamin, N,N',N"-Tris(methoxymethyl)melamin und
N,N',N"-Tributyl-N,N',N"-trimethylolmelamin.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewichtsverhältnis von Methylendonor zu N,N'-
(m-Phenylen)bismaleimid im Bereich von 1:10 bis 10:1
liegt.
7. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schwefel-Vulkanisationsmittel aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus elementarem Schwefel, einem
Amindisulfid, polymerem Polysulfid oder Schwefel-Olefin-Addukt
besteht.
8. Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schwefel-Vulkanisationsmittel im Bereich von 0,1
bis 5 ThK liegt.
9. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge an N,N'-(m-Phenylen)bismaleimid, die im
Schwefel-vulkanisierbaren Kautschuk eingeschlossen ist,
im Bereich von 0,5 bis 5,0 ThK liegt.
10. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge an Methylen-Donor im Bereich von 0,5 bis
5,0 ThK liegt.
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