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Dokumentenidentifikation DE102005039625A1 01.03.2007
Titel Offenzelliger Schaumstoff mit brandhemmenden und oleophoben/hydrophoben Eigenschaften und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder BASF AG, 67063 Ludwigshafen, DE
Erfinder Lenz, Werner, 67059 Ludwigshafen, DE;
Baumgartl, Horst, Dr., 55122 Mainz, DE;
Vath, Bernhard, 68259 Mannheim, DE
Vertreter Patentanwälte Isenbruck Bösl Hörschler Wichmann Huhn, 68165 Mannheim
DE-Anmeldedatum 22.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005039625
Offenlegungstag 01.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse C08J 9/236(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C08J 9/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C08J 9/42(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B29C 67/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Schaumstoff aus einer Schaumstoffmatrix mit im Wesentlichen offenen Zellen und mit einer Imprägnierung aus im Wesentlichen Fluorcarbonharz oder Silikonharz, die auf die Schaumstoffmatrix aufgetragen ist. Die Imprägnierung enthält zusätzlich mindestens eine brandhemmende Substanz. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaumstoffes.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Schaumstoff aus einer Schaumstoffmatrix mit im Wesentlichen offenen Zellen und mit einer auf die Schaumstoffmatrix aufgetragenen Imprägnierung aus im Wesentlichen Fluorcarbonharz und/oder Silikonharz, der verbesserte brandhemmende Eigenschaften aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaumstoffes.

Offenzellige Schaumstoffe aus unterschiedlichen Materialien finden zum Beispiel Anwendung in der Wärme- oder Schalldämmung von Gebäuden und Fahrzeugen. Weiterhin werden offenzellige Schaumstoffe zur akustischen und thermischen Isolierung von Anlagen und Anlagenteilen im Maschinenbau eingesetzt.

Damit sich der Schaumstoff nicht mit Wasser oder Öl vollsaugt, ist aus DE-A 100 11 388 bekannt, einen Melaminharz-Schaum durch Beschichtung des Schaumskelettes mit einer hydrophoben Komponente, zum Beispiel einem Fluoralkylester hydrophob und oleophob auszurüsten.

Ein Verfahren, mit dem sich ein Melaminharz-Schaumstoff imprägnieren lässt, ist zum Beispiel aus EP-A 0 451 535 bekannt. Hierzu wird zunächst ein Bindemittel auf die Oberfläche des Melaminharz-Schaumstoffes aufgetragen und dieser anschließend mit dem Bindemittel durch einen Walzenspalt zweier sich gegensinnig bewegenden Walzen geführt, wobei der Walzenspalt kleiner eingestellt ist, als die unbeeinflusste Dicke des Melaminharz-Schaumstoffes. Dem Bindemittel kann ein Zusatz zur oleophoben und/oder hydrophoben Einstellung zugegeben sein. Eine Imprägnierung, die zu einer Verbesserung der brandhemmenden Eigenschaften führt, ist aus EP-A 0 451 535 nicht bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen offenzelligen Schaumstoff mit hydrophober und/oder oleophober Ausrüstung bereitzustellen, der verbesserte brandhemmende Eigenschaften aufweist.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Schaumstoff aus einer Schaumstoffmatrix mit im Wesentlichen offenen Zellen und mit einer auf die Schaumstoffmatrix aufgetragenen Imprägnierung aus im Wesentlichen Fluorcarbonharz und/oder Silikonharz, wobei die Imprägnierung zusätzlich mindestens eine brandhemmende Substanz enthält.

Geeignete Schaumstoffe im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind zum Beispiel solche, bei denen die Schaumstoffmatrix aus einem Melamin/Formaldehyd-Polykondensat aufgebaut ist. Weitere geeignete Schaumstoffe sind solche, bei denen die Schaumstoffmatrix ein Harnstoff/Formaldehyd-Polykondensat ist und solche, bei denen die Schaumstoffmatrix ein offenzelliger Polyurethanschaumstoff ist. Bevorzugt ist die Schaumstoffmatrix aus einem Melamin/Formaldehyd-Polykondensat aufgebaut.

Bei einem besonders bevorzugten Melamin/Formaldehyd-Polykondensat beträgt das Verhältnis von Melamin zu Formaldehyd zur Herstellung der Schaumstoffmatrix 1 : 1,2 bis 1 : 4.

Solche Melamin/Formaldehyd-Schaumstoffe sind zum Beispiel aus EP-B 0 071 672 bekannt. Demnach werden die Schaumstoffe hergestellt durch Verschäumen einer wässrigen Lösung eines Melamin/Formaldehyd-Kondensationsproduktes, wobei die Lösung einen Emulgator, ein saures Härtungsmittel und ein Treibmittel, vorzugsweise einen C5- bis C7-Kohlenwasserstoff, enthält. Anschließend wird das Melamin/Formaldehyd-Kondensat bei erhöhter Temperatur ausgehärtet.

Um den Schaumstoff hydrophob und/oder oleophob auszurüsten, wird dieser mit handelsüblichen Imprägniermitteln aus Fluorcarbonharzen oder Silikonharzen behandelt. Hierdurch wird vermieden, dass sich der Schaumstoff mit flüssigem Wasser bzw. Öl voll saugt.

In den Imprägniermitteln liegt das Fluorcarbon- oder Silikonharz vorzugsweise in Form emulgierter Tröpfchen in Wasser oder leicht flüchtigen organischen Lösungsmitteln, z.B. Methanol, Ethanol, Aceton oder Pentan, vor. Aus Gründen der Nichtbrennbarkeit ist Wasser als Emulgiermittel bevorzugt.

Um den Schaumstoff zusätzlich flammfest auszurüsten bzw. seine brandhemmenden Eigenschaften zu verbessern, wird dieser zusätzlich mit mindestens einer brandhemmenden Substanz imprägniert.

Um einen Imprägnierschritt einzusparen wird der Schaumstoff vorzugsweise mit einer Mischung aus dem mindestens einen Flammschutzmittel und dem Fluorcarbonharz und/oder Silikonharz imprägniert.

Als brandhemmende Substanzen werden im Allgemeinen Flammschutzmittel verwendet. Flammschutzmittel sind chemische Verbindungen, die brennbaren Materialien zugesetzt werden, um sie besser gegen Entflammung zu schützen. Durch Flammschutzmittel wird das Risiko der Brandentstehung durch eine Zündquelle geringer Intensität zum Beispiel einer Zigarette, Kerze oder einem elektrischen Defekt, minimiert. Wenn sich das flammgeschützte Material entzündet hat, bremst das Flammschutzmittel den Brennvorgang und verhindert häufig die Ausbreitung des Feuers auf andere Teile.

Die Verzögerung oder Verhinderung des Verbrennungsprozesses durch Flammschutzmittel erfolgt durch chemische oder physikalische Wirkung. Chemisch wirkende Flammschutzmittel unterbrechen im Allgemeinen die Radikalkettenreaktion der Verbrennung in der Gasphase oder bauen eine verkohlte Schicht auf, die das Material gegen Sauerstoff schützt und eine Barriere gegen die Wärmequelle bildet (Intumiszenz).

Die physikalische Wirkung von Flammschutzmitteln tritt insbesondere ein durch Kühlung, indem energieverbrauchende Prozesse, die durch Additive und/oder chemische Abgabe von Wasser ausgelöst werden, das Substrat auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur, die zur Aufrechterhaltung des Verbrennungsprozesses notwendig ist, abkühlen. Schließlich kann die physikalische Wirkung auch durch Verdünnung eintreten, wobei inerte Stoffe und Additive, die nicht brennbare Gase abgeben, die Sauerstoffkonzentration in den Brandgasen über dem Schaumstoff soweit abzusenken, dass die Verbrennung unterbrochen wird.

Abhängig vom wirksamen Element werden Flammschutzmittel eingeteilt in Halogenverbindungen (Brom- und Chlorverbindungen), Phosphorverbindungen, Stickstoffverbindungen, intumeszierende Systeme, mineralische Stoffe (auf Basis von Aluminium und Magnesium) sowie Borax, Sb2O3 und Nanokomposit. Zur Verbesserung der brandhemmenden Eigenschaften von Kunststoffen werden zum Beispiel Aluminiumtrihydroxid, bromierte Verbindungen, chlorierte Phosphorverbindungen, nicht-halogenierte Phosphorverbindungen, Chlorparafine, Magnesiumdihydroxid, Melamine und Borate eingesetzt. Geeignete, dem Fachmann bekannte Flammschutzmittel sind zum Beispiel in der Broschüre „Flammschutzmittel, häufig gestellt Fragen" der European Flame Retardants Association, Januar 2004, beschrieben.

Erfindungsgemäß geeignete brandhemmende Substanzen sind zum Beispiel Flammschutzmittel auf Basis von Silikaten, Boraten, Hydroxiden und Phosphaten der Metalle der I. bis III. Hauptgruppe, des Zinks und des Ammoniums. Das Metall der I. bis III. Hauptgruppe ist vorzugsweise Natrium, Kalium, Magnesium oder Aluminium. Besonders bevorzugt ist die brandhemmende Substanz ausgewählt aus Natriumsilikat, Kaliumsilikat, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Natriumborat, Kaliumborat, Magnesiumborat, Zinkborat und Ammonium(poly)phosphat.

In einer Ausführungsform ist die Imprägnierung aus einer Mischung, die brandhemmende Substanz und das Fluorcarbonharz oder Silikonharz enthaltend, aufgebaut. Hierzu wird zunächst das, gegebenenfalls als Emulsion mit einem oder mehreren Lösungsmitteln vorliegende, noch nicht ausgehärtete Fluorcarbonharz oder Silikonharz mit der brandhemmenden Substanz gemischt und der Schaumstoff anschließend mit dieser Mischung imprägniert. Zusätzlich kann in der Mischung mindesteins eine Polymerdispersion als Bindemittel enthalten sein. Bevorzugt sind Acrylatdispersionen.

Geeignete Acrylat-Copolymere sind zum Beispiel Copolymere mit Methacrylaten. Diese werden als Dispersionen und Lösungen oder auch als Pulver eingesetzt. Im Allgemeinen enthalten sie monomere Acrylate mit funktionellen Gruppen, um spätere Vernetzungsreaktionen zu ermöglichen. Funktionelle Gruppen sind zum Beispiel Hydroxygruppen, Carboxygruppen, Aminogruppen oder Amidogruppen.

In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Imprägnierung in zwei Stufen. In einer ersten Stufe wird die Schaumstoffmatrix mit den brandhemmenden Substanzen und dem Bindemittel imprägniert. In einem zweiten Schritt wird dann eine Schicht aus Fluorcarbonharz und/oder Silikonharz zur Hydrophobierung/Oleophobierung auf die Zellstege aufgebracht.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schaumstoff in einem einzigen Imprägnierschritt mit einer Mischung aus Fluorcarbonharz beziehungsweise Silikonharz, dem Bindemittel und den brandhemmenden Substanzen imprägniert. Das Gemisch enthält im Allgemeinen 1 bis 30 Gew.-% Fluorcarbonharz oder Silikonharz und 10 bis 70 Gew.-% brandhemmender Substanzen. Die übrigen Gewichtsanteile bestehen im Wesentlichen aus Bindemittel und Wasser bzw. leicht flüchtigen organischen Substanzen. Besonders bevorzugt sind Mischungen mit niedrigen Gehalten an Fluorcarbon- bzw. Silikonharzen und hohen Gehalten an brandhemmenden Substanzen um eine hohe Brandschutzwirkung zu erzielen.

Durch die Imprägnierung erhöht sich die Dicht der offenzelligen Schaumstoffe um 10 bis 2000%. Besonders bevorzugt sind Dichteerhöhungen im Bereich von 100 bis 1000%. Bei Melaminharz-Schaumstoffen mit einer Rohdichte von ca. 10 g/l sind Dichten des imprägnierten Schaumstoffes im Bereich von 20 bis 100 g/l besonders bevorzugt.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Schaumstoffes, bei welchem die Imprägnierung aus einer Mischung, die brandhemmende Substanz und Fluorcarbonharz oder Silikonharz enthaltend, aufgebaut ist, erfolgt nach einem Verfahren mit folgenden Schritten:

  • (a) Mischen der mindestens einen brandhemmenden Substanz und des Harzes sowie gegebenenfalls des mindestens einen weiteren Bindemittels,
  • (b) Auftragen der Mischung auf den Schaumstoff oder Tränken des Schaumstoffes mit der Mischung,
  • (c) Pressen des Schaumstoffes mit der Mischung, um die Mischung in die Poren des Schaumstoffes einzubringen,
  • (d) Trocknung des Schaumstoffs,
wobei die Schritte (b) und (c) aufeinander folgend, zuerst Schritt (b), dann Schritt (c), durchgeführt werden.

Das Auftragen der Mischung auf den Schaumstoff und das Pressen des Schaumstoffes können zum Beispiel wie in EP-A 0 451 535 beschrieben, durchgeführt werden. Hierzu wird der Schaumstoff zwischen zwei sich in entgegengesetzter Richtung drehende Walzen hindurchgeführt, wobei der Abstand der Walzen so gewählt ist, dass der Schaumstoff hierbei zusammengepresst wird. Die Mischung, mit der der Schaumstoff imprägniert wird, wird auf die horizontalen nebeneinander liegenden Walzen aufgegeben, so dass sich an der Stelle, an der der Schaumstoff durch die Walzen hindurchbewegt wird, ein Flüssigkeitspool ausbildet. Durch die Rotationsbewegung der Walzen und das Pressen des Schaumstoffes wird die Mischung, die im Flüssigkeitspool enthalten ist, in den Schaumstoff eingepresst. Die Mischung legt sich um die Stege des Schaumstoffes und bildet so nach dem Aushärten eine geschlossene Oberfläche.

Nach dem Aufbringen der Mischung und dem Pressen des Schaumstoffes wird der so imprägnierte Schaumstoff vorzugsweise in einem Trocknungsofen bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis 200°C getrocknet.

Um die Dichte des imprägnierten Schaumstoffes weiter zu erhöhen, kann der in einer ersten Stufe imprägnierte Schaumstoff nach dem gleichen Verfahren auch mehrere Male das Verfahren zur Imprägnierung durchlaufen. Hierdurch wird in jedem Schritt die Dicke der die Stege umhüllenden Schicht und damit die Dichte erhöht.

In einer Verfahrensvariante umfasst das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaumstoffes folgende Schritte:

  • (a) Auftragen der mindestens einen brandhemmenden Substanz auf den Schaumstoff oder Tränken des Schaumstoffs mit der mindestens einen brandhemmenden Substanz und anschließendem Pressen zur gleichmäßigen Verteilung der brandhemmenden Substanz im Schaumstoff,
  • (b) Auftragen des Harzes auf den Schaumstoff oder Tränken des Schaumstoffes mit dem Harz und
  • (c) Pressen des Schaumstoffes zur gleichmäßigen Verteilung des Fluorcarbon- oder Silikonharzes in dem mit der brandhemmenden Substanz beladenen Schaumstoff aus Schritt (a).

Neben dem Auftragen der Substanz, mit der der Schaumstoff imprägniert werden soll und dem anschließenden Pressen ist es ebenso möglich, den Schaumstoff mit der Substanz, mit der dieser imprägniert werden soll, zu tränken und anschließend zu pressen. Zum Tränken wird der Schaumstoff zum Beispiel durch ein Bad, welches die mindestens eine Substanz enthält, mit der der Schaumstoff imprägniert werden soll, gezogen. Es ist jedoch auch jedes weitere, dem Fachmann bekannte Verfahren denkbar, mit dem der Schaumstoff getränkt werden kann.

In einer weiteren Verfahrensvariante ist es möglich, zunächst die brandhemmenden Substanzen und das Bindemittel aufzutragen oder den Schaumstoff mit dieser Mischung zu tränken und anschließend zu pressen. In einem weiteren Imprägnierschritt wird anschließend die Fluorcarbon- bzw. Silikonharzemulsion aufgebracht und der Schaumstoff wiederum gepresst. Nachdem der Schaumstoff in diesem zweistufigen Prozess mit einer Schicht brandhemmender Substanzen und einer Schicht oleophober/hydrophober Substanzen imprägniert ist, wird dieser bei einer Temperatur zwischen 40 und 200°C getrocknet.

Weiterhin ist es möglich, den Schaumstoff zunächst mit den brandhemmenden Substanzen zu imprägnieren und zu pressen und dann den Schaumstoff vor dem Aufbringen der zweiten Schicht aus Fluorcarbon- oder Silikonharzen zu trocknen.

Bei beiden Ausführungsformen erfolgt das Pressen jeweils vorzugsweise wie in EP-A 0 451 535 beschrieben, indem der Schaumstoff durch einen definierten Spalt zwischen zwei gegensinnig rotierenden, parallel ausgerichteten Walzen hindurchgeführt wird.

Neben dem Durchführen des Schaumstoffes durch einen Spalt zwischen zwei gleichsinnig rotierenden Walzen ist es auch möglich, den zum Imprägnieren notwendigen Druck dadurch auszuüben, dass der imprägnierte Schaumstoff auf einem Förderband transportiert wird und eine Walze, die sich mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit dreht, mit der der Schaumstoff bewegt wird, auf den Schaumstoff presst. Weiterhin kann der Druck auf den Schaumstoff dadurch ausgeübt werden, dass der Schaumstoff zum Beispiel in eine Presse eingelegt wird, in welcher ein Stempel auf den Schaumstoff presst. In diesem Fall ist jedoch ein kontinuierliches Pressen nicht möglich.

Auch kann das Pressen durch jede weitere dem Fachmann bekannte Vorrichtung durchgeführt werden.

Das Harz, mit dem der Schaumstoff imprägniert wird, liegt in beiden Ausführungsformen vorzugsweise als Emulsion in einem leichtflüchtigen Lösungsmittel vor. Geeignete Lösungsmittel sind zum Beispiel Wasser oder leichtflüchtige Alkohole wie Methanol oder Ethanol. Besonders bevorzugt liegt das Harz in wässriger Emulsion vor.

1. Vergleichsbeispiel

Ein nicht imprägnierter Melamin/Formaldehyd-Schaumstoff wird hinsichtlich des Brandverhaltens und des Verhaltens in Gegenwart von flüssigem Wasser untersucht. Die Brandklasse wird nach DIN 4102 bestimmt. Es ergibt sich eine Brandklasse B1. Bei Kontakt mit flüssigem Wasser saugt sich der Schaumstoff voll und taucht unter.

Beispiel

Ein offenzelliger Melamin/Formaldehyd-Schaumstoff wird mit einem Gemisch aus einer 5 gew.-%igen Fluorcarbonharzemulsion und einem 30 gew.-%igen Natriumsilikathaltigen Klebstoff imprägniert und bei 90°C getrocknet. Die Dichteerhöhung nach der Trocknung beträgt 150%. Der derart imprägnierte Schaumstoff erfüllt die Anforderungen der Brandklasse A2 nach DIN 4102 und schwimmt auf Wasser.


Anspruch[de]
Schaumstoff aus einer Schaumstoffmatrix mit im Wesentlichen offenen Zellen und mit einer auf die Schaumstoffmatrix aufgetragenen Imprägnierung aus im Wesentlichen Fluorcarbonharz und/oder Silikonharz, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung zusätzlich mindestens eine brandhemmende Substanz enthält. Schaumstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die brandhemmende Substanz ausgewählt ist aus Silikaten, Boraten, Hydroxiden und Phosphaten der Metalle der I. bis III. Hauptgruppe, des Zinks und des Ammoniums. Schaumstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der I. bis III. Hauptgruppe Natrium, Kalium, Magnesium oder Aluminium ist. Schaumstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die brandhemmende Substanz ausgewählt ist aus Natriumsilikat, Kaliumsilikat, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Natriumborat, Kaliumborat, Magnesiumborat, Zinkborat und Ammonium(poly)phosphat. Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung aus einer Mischung, die brandhemmende Substanz, das Fluorcarbonharz oder Silikonharz und gegebenenfalls mindestens ein weiteres Polymer enthaltend, aufgebaut ist. Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung aus getrennten Schichten aufgebaut ist, die jeweils das Fluorcarbonharz oder Silikonharz bzw. mindestens ein weiteres Polymer mit der brandhemmenden Substanz enthalten. Schaumstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine weitere Polymer ein Acrylat-Copolymer ist. Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffmatrix aus einem Melamin/Formaldehyd-Polykondensat aufgebaut ist. Schaumstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Melamin zu Formaldehyd zur Herstellung der Schaumstoffmatrix 1 : 1,2 bis 1 : 4 beträgt. Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffmatrix ein Harnstoff/Formaldehyd-Schaumstoff ist. Schaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffmatrix ein offenzelliger Polyurethanschaumstoff ist. Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(a) Mischen der mindestens einen brandhemmenden Substanz und des Harzes sowie gegebenenfalls des mindestens einen weiteren Bindemittels,

(b) Auftragen der Mischung auf den Schaumstoff oder Tränken des Schaumstoffs mit der Mischung und

(c) Pressen des Schaumstoffes mit der Mischung, um die Mischung in die Poren des Schaumstoffes einzubringen,

(d) Trocknung des Schaumstoffs,

wobei die Schritte (b) und (c) aufeinander folgend, zuerst Schritt (b), dann Schritt (c), durchgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines Schaumstoffes nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(a) Auftragen der mindestens einen brandhemmenden Substanz auf den Schaumstoff oder Tränken des Schaumstoffs mit der mindestens einen brandhemmenden Substanz und anschließendem Pressen zur gleichmäßigen Verteilung der brandhemmenden Substanz im Schaumstoff,

(b) Auftragen des Harzes auf den Schaumstoff oder Tränken des Schaumstoffes mit dem Harz und

(c) Pressen des Schaumstoffes zur gleichmäßigen Verteilung des Fluorcarbon- oder Silikonharzes in dem mit der brandhemmenden Substanz beladenen Schaumstoff aus Schritt (a).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die brandhemmende Substanz und danach das Harz auf den Schaumstoff aufgetragen werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz als Emulsion in einem leichtflüchtigen Lösungsmittel vorliegt.






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