DE2802135B2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Aufzeichnungsmaterials - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Aufzeichnungsmaterials

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Aufzeichnungsmaterials, bei dem auf ein elektrisch leitendes Papier eine isolierende Schicht, gegebenenfalls mit Pigment, Bindemittel und Weichmacher, aufgebracht ist.
Das elektrisch leitende Papier, auf dem eine dielektrische Schicht aufgetragen ist, ist mit Elektrolyten getränkt oder ein- oder beidseitig mit diesem beschichtet. Als Elektrolyte können Salze verwendet werden, üblicherweise sind es aber leitfähige Harze. Als dielektrische Schicht werden stark isolierende Polymere, wie Silikonharze, Epoxyharze, Polyvinylazetate, Vinylchloridharze, Styrol-Butadien-Kopolymere, Polystyrol, Polymethakrylsäureester, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylazetat oder Polyester verwendet (wie sie auch beschrieben sind in DE-OS 25 12 864, DE-OS 25 58 973), die in organischen Lösungsmitteln gelöst werden.
Es sind ferner Versuche unternommen worden, die dielektrische Schicht aufzutragen, wie z. B. in DE-OS 25 37 518 und DE-OS 25 58 973 beschrieben.
Die dielektrischen Schichten sollen nun nicht nur hochisolierend sein, sondern auch ein weißes Aussehen haben, opak sein und vor allem beschreib- und bedruckbar sein. Deshalb werden den dielektrischen Harzen vorwiegend mineralische Pigmente einverleibt. Aber auch harte und in den zur Beschichtung verwendeten Lösemitteln unlösliche Kunststoffpulver sind als Mattierungsmittel beschrieben (DE-AS 21 28 848, DE-OS 25 12 864 und DE-OS 21 58 081).
Eine besondere Variante stellt schließlich die Verwendung von oberflächlich hydrophobierten mineralischen Pigmenten dar (US-Patent 39 73 055). Durch diese Hydrophobierung der Pigmentoberfläche soll erreicht werden, daß die Isolationswirkung der dielektrischen Beschichtung auch bei höheren relativen Luftfeuchten erhalten bleibt.
Nachteilig bei allen mit Hilfe physikalisch trocknender Lösungsmittel hergestellter dielektrischer Beschichtungen ist, daß über diese Lösungsmittel eine Wanderung geringer Anteile der leitfähigen Harze aus dem Papieriräger in die dielektrische Schicht stattfindet und dadurch der Oberflächenwiderstand herabgesetzt wird. Soll dieses vermieden werden, ist die vorherige zusätzliche Aufbringung einer Grundierschicht als Sperrüberzug auf dem Grundpapier notwendig, um ein Eindringen des verwendeten Lösungsmittels in das Papier zu verhindern. Außerdem sind die meisten organischen Lösungsmittel leicht entzündbar oder explosiv und in vielen Fällen für den Menschen toxisch.
ίο Es sind deshalb entsprechende Sicherheitsvorkehrungen an den Bescbichtungsmaschinen zu treffen. Um Umweltverschmutzungen zu vermeiden, sind ferner Lösungsmittelrückgewinnungsanlagen notwendig.
Bei wäßrig aufgebrachten dielektrischen Schichten ist die Gefahr einer Verunreinigung durch die im Papier enthaltenen Leitfähigkeitssubstanzen noch weitaus größer als bei wasserfrei aufgebrachten Schichten.
Außerdem enthalten die wäßrigen Systeme in der Regel ionische oberflächenaktive Mittel, z. B. Emulgatoren. Die zur Mattierung und Beschreibbarkeit einzusetzenden Pigmente müssen ebenfalls hydrophiler Natur sein, um gut in die Rezeptur eingearbeitet werden zu können. All diese Nachteile machen sich bei wäßrig beschichteten elektrostatischen Aufzeichnungspapieren
2> in geringeren Oberflächenwiderständen und damit in geringerer* elektrostatischer Aufladbarkeit bemerkbar, die besonders bei höheren Luftfeuchten wirksam wird.
Sowohl in wäßrigen als auch in organischen Beschichtungssystemen ergeben sich besondere Probleme durch die überwiegend zur Schaffung von Weiße, Opazität und Beschreibbarkeit verwendeten mineralischen Pigmente. Als solche werden verwendet ZnS, TiO2, CaCO3, BaSO4, SiO2, Kaolin und andere Silikate. Diese anorganischen weißen Pigmente umgeben sich
η auch in organisch (d. h. wasserfrei) aufgebrachten dielektrischen Schichten wegen ihres polaren Oberflächencharakters mit einer Hydrathülle, deren Stärke der relativen Luttfeuchte der Umgebung proportional ist. Infolgedessen entstehen insbesondere bei höheren relativen Luftfeuchten (z. B. 60% oder mehr) Elektrolytbrücken, die den Oberflächenwiderstand der isolierenden Schicht und damit ihre elektrostatische Aufladbarkeit verringern.
Deshalb werden oft die bereits erwähnten hydropho-
4> bierten mineralischen Pigmente eingesetzt, die mit Wachsen, Organotitanaten oder ähnlichen Verbindungen oberflächenbehandelt wurden. Jedoch nehmen auch diese Pigmente Wasserdampf aus der Atmosphäre auf und reduzieren den elektrischen Widerstand der
"><) isolierenden Schicht. Das macht sich besonders bemerkbar, wenn man die elektrostatischen Aufzeichnungsmaterialien bei hohen relativen Luftfeuchten von 80% und mehr prüft.
Durch die beschriebene Verwendung harter, pulveri-
r") sierter organischer Kunststoffe werden zwar die nachteiligen Effekte der mineralischen Pigmente vermieden, naturgemäß vermitteln solche »organischen Pigmente« jedoch eine deutliche geringere Weiße und bringen aufgrund des relativ geringen Unterschiedes im
bo Brechungsindex zu den organischen Bindemitteln nur eine sehr geringe Opazität des beschichteten Papieres.
Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, ein elektrostatisches Aufzeichnungsmaterial zu schaffen, dessen isolierende Schicht die Weiße und Opazität einer mit
μ mineralischen Weißpigmenten gefüllten Schicht besitzt und das trotzdem auch bei hohen relativen Luftfeuchten von z. B. 80% r. F. und mehr eine befriedigende elektrostatische Aufladbarkeit mit einer guten Bilddich-
te ergibt
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die isolierende Schicht aus einer oder mehreren äthylenisch ungesättigten Verbindungen gebildet und durch Bestrahlen gehärtet wird. ~>
Obwohl solche Beschichtungsgemische infolge des Monomeranteils durchaus ähnliche physikalische Eigenschaften, wie lösungsmittelhaltige physikalisch trocknende Gemische, haben und aufgrund der vergleichbaren Eigenschaften die Leitfähigkeitsharze des Basispa- κι piers auch in diese isolierenden Schichten wandern können, solange sie nicht ausgehärtet sind, und die verwendeten mineralischen Pigmente auch in bekannter Weise mit einer Hydrathülle umgeben sind, zeigte sich überraschenderweise, daß die Leitfähigkeitsharze nicht ι r> in nachweisbarem Umfang in das strahlenhärtbare Gemisch wandern, und daß vor allem anorganische Pigmentzusätze :n strahlenhärtbaren Gemische den elektrischen Widerstand bei hohen Luftfeuchten deu'.-lich weniger verringern als in lösungsniittelhaltigen Gemischen. Das macht sich vor allem in befriedigenden bis guten Bilddichten bei höheren relativen Luftfeuchten bemerkbar.
Dieser Effekt ist um so mehr überraschend, als man bei der hohen Trocknungstemperatur in Verbindung mit : > der Ausbildung von azeotropen Gemischen aus Lösungsmitteln und Wasser davon ausgehen kann, daß bei physikalischer Trocknung von lösungsmittelhaltigen Gemischen die Pigmente nahezu wasserfrei gemacht wurden, während bei strahlenhärtbaren Gemischen fast so keine (ESH-) oder nur geringe (UVH-)Wärme im Gemisch erzeugt wird und die Pigmente das ihnen noch anhaftende Wasser nicht abgeben. Die besten Ergebnisse werden jedoch verständlicherweise erhalten, wenn die Pigmente vorgetrocknet (kalziniert) sind. r>
Die erfindungsgemäß verwendeten Gemische enthalten grundsätzlich äthylenisch ungesättigte Verbindungen, die durch energiereiche Strahlung polymerisieren. Die Gemische können aufgebaut sein aus ungesättigten Präpolymeren, ungesättigten Monomeren, deckenden und mattierenden Pigmenten, Photoinitiatoren, Reaktionsbeschleunigern, nicht vernetzenden Harzen mit guten isolierenden Eigenschaften, Weichharzen, Verlaufmitteln, Viskositätseinstellern und Pigmentaufschwimmitteln. Ihr Aufbau kann jedoch auch sehr 4--> einfach sein und sich aus nur wenigen dieser Produkte z. B. Vinylmonomer und mineralischem Pigment zusammensetzen.
Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. ">o
Ungesättigte Präpolymere können beispielsweise sein:
Reine Polyakrylate, Polyesterakrylate; Urethanakrylate, Epoxyakrylate, ungesättigte Polyester, Polyätherakrylate, Alkydakrylate und andere äthy- '' lenisch ungesättigte Verbindungen, wie sie z. B. in DE-OS 23 52 524 beschrieben sind.
Monomere sind vorzugsweise mono-, di- und trifunktionelle Akrylate, aber auch Styrol, Styrolderiva- bo te oder andere niedermolekulare ungesättigte Verbindungen.
Fotoinitiatoren für UV-Härtung können sein: SuI-fochloride und Sulfide von organischen Verbindungen, Benzoinderivate, Furoinderivate, Peroxide, Benzophe- ty-, non und -derivate sowie die in DE-OS 23 52 524, DE-AS 24 47 790. US-Patenten 39 88 228 und 4014771 beschriebenen Produkte.
Als Reaktionsbeschleuniger dienen alifatische oder aromatische Amine.
Für elektronenstrahlhärtende Systeme (ESH) sind keine besonderen Katalysatoren erforderlich. Ein Zusatz sonstiger Hilfsmittel, wie Viskositätsregler ist möglich.
Harze und Weichharze zur zusätzlichen Verbesserung der isolierenden Eigenschaften oder der Viskosität der Gemische können alle Produkte sein, die diese entsprechenden Eigenschaften besitzen und sich in die Rezeptur einarbeiten lassen. Besonders geeignet sind Epoxidharze, Polyvinylazetate und/oder Kopolymere mit Äthylen und/oder Vinylchlorid, Polystyrol, Alkydharze, Polyvinylbutyral, Polyester, Styrol-Akrylnitril-Kopolymere, Polymethakrylester, Zelluloseazetate.
Geeignete Pigmente zur Verbesserung der Beschreibbarkeit, Weiße und Opazität sind alle handelsüblichen Pigmente, die die isolierenden Eigenschaften der Gemische nicht so veit verschlechtern, daß diese unbrauchbar sind. Gut geeignet sind vor allem Zinksulfid, Titandioxid, Kieselsäuren, Tone und Kalziumkarbonat Organische Polymere, wie Polyolefine, Polyamide, Harnstoff-Formaldehyd-Kondensationsprodukte, Melamin-Formaldehyd-Kondensationsprodukte, Polyakrylnitril und andere, die in DE-OS 25 12 864 und den US-Patenten 39 51 882 und 39 53 421 beschrieben sind, können in gewissem Umfang mitverwendet werden, soweit Weiße und Opazität der Schicht nicht beeinträchtigt werden. Im Interesse einer besseren Dispergiei barkeit ist es von Vorteil, wenn die mineralischen Pigmente organophil behandelt sind, wie z.B. in DE-AS 24 11219 beschrieben. Anders als in DE-AS 24 11 219 ist es jedoch für die elektrografischen Eigenschaften nicht, von Bedeutung, ob das Pigment organophil behandelt ist. Selbst bei Verwendung normal getrockneter mineralischer Pigmente in polymerisierbaren Bindermiitelsystemen werden gemäß der Erfindung überlegene elektrografische Eigenschaften selbst bei hohen Luftfeuchten erhalten.
Als Strahlungsquellen zur Durchführung der »in situ«-Polynv;risation können alle Einrichtungen dienen, deren Strahlung mit oder ohne Hilfsstoffe im Gemisch in der Lage ist, eine genügende Eindringtiefe zu erreichen und die Energie zu übertragen, die für die Polymerisation des Gemisches nötig ist. Bevorzugt sind Quecksilberdampfhochdrucklampen und vor allem Elektronenstrahler.
Die Vorzüge von erfindungsgemäß hergestellten elektrostatischen Aufzeichnungsmaterialicn werden in den folgenden Beispielen dargestellt. Beispiel 1 demonstriert zunächst den Stand der Technik gemäß US-Patent 29 51 882, der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein physikalisch trocknendes Gemisch verwendet wird. Die übrigen Beispiele stehen für eine erfindungsgemäße Herstellung elektrostatischer Aufzeichnungsmaterialien mittels strahlenhärtender Gemische.
Beispiel 1
Auf ein handelsübliches Basispapier, das in bekannter Weise mit einem oder mehreren Elektrolyten leitfähig gemacht ist, wurde in zwei Varianten eine isolierende Schicht aufgetragen. Gemisch a) war ein physikalisch trocknendes Gemisch, das ein organophil behandeltes kalziniertes Al-Silikat als Weißpigment enthält. Gemisch b) war das gleiche Gemisch ohne das Weißpigment.
Die Rezepturen waren:
a) 14,7 Gew.-% Polyvinylbutyral*)
5,3 Gew.-% organophiles Al-Silikat*)
48,0 Gew.-% Toluol >
32,0 Gew.-% Äthanol
b) 15,5 Gew.-% Polyvinylbutyral
50,5 Gew.-% Toluol
34,0 Gew.-% Äthanol
IO
Die fließ- und streichfähigen Gemische wurden mit Hilfe eines Rakelstabes gleichmäßig auf das Papier geschichtet, zunächst bei Zimmertemperatur luftgetrocknet und anschließend eine halbe Minute bei 1200C im Heizschrank nachgetrocknet. Das Schichtgewicht r> betrug nach Trocknung 6 g/m2.
Die so hergestellten isolierenden Aufzeichnungsmaterialien wurden gemeinsam mit den Proben aus Beispiel 2 geprüft.
20
Beispiel 2
Andere Muster des gleichen leitfähigen Basispapieres wie in Beispiel 1 wurden mit einem vergleichbar >·, pigmentierten (a) und einem nicht pigmentierten (b) strahlenhärtbaren Gemisch beschichtet.
Die Rezepturen waren:
a) 33,5 Gew.
26,5 Gew.
13,5 Gew.
26,5 Gew.
b) 45,6 Gew.
36,1 Gew.
18,3 Gew.
.-% Hexandioldiakrylat
,-% Epoxiakrylat
Epoxidharz
organophiles Al-Silikat
.-% Hexandiolakrylat
,-% Epoxiakrylat
,-% Epoxidharz
Die Auftragung der fließ- und streichfähigen Gemische erfolgte mit einem Rakelstab. Anschließend wurden sie unter Inertgas mit beschleunigten Elektronen bei 10 Mrad Energiedosis ausgehärtet. Das Schichtgewicht betrug 6 g/m2.
Die gemäß der Beispiele 1 und 2 hergestellten elektrostatischen Aufzeichnungsmaterialien wurden gemeinsam sowohl bei 50% r. F. und 23° C als auch bei 80% r. F. und 23" C geprüft. Zu dem Zweck wurden die isolierenden Schichten mittels einer Elektrode mit einer angelegten Spannung von 600 V aufgeladen und die aufgebrachte und verbliebene Ladung nach verschiedenen Zeitabständen gemessen. Parallel dazu wurden Proben des gleichen Materials nach entsprechender Aufladung mit Tonerflüssigkeit geschwärzt und die Schwärzung (= Densität. Siehe The Focal Encyclopedia of Photography, S. 303, Focal Press, London 1957), mit einem Reflexionsdensitometer ausgemessen. Die Ergebnisse dieser vergleichenden Prüfungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1
Ergebnisse der Prüfungen an Mustern der Beispiele 1 und
Beispiel
(mit Pigment)
(ohne Pigment)
(mil Pigment)
(ohne Pigment)
Prüfung bei 5Qf% r.F. und 23 (.
Oberflächenladung (V) nach
15 see 2 min 30 min 1 Std.
Ladungs- Schwärabfall n. /ung 1 Std. (%) sofort
Prüfung bei 80% r.l-, und 23 C
Oberflächenladung (V) nach Schwiir/ung
15 sec I min 2 min
365 215 90 60
365 270 140 110
380 250 150 105
395 270 170 120
1.26 10 0 0
1.38 140 87,5 67
1.39 155 73 52
1,45 270 165 120
sofort
0,(1
1,15
1.30
1.35
Beispiel 3
Gleiches leitfähiges B<i„ispapier wie im Beispiel 1 wurde einseitig mit Hilfe eines Rakelstabes mit jeweils 6 g/m2 der nachfolgenden fließ- und streichfähigen Gemische beschichtet und die ausgebildete Schicht jeweils mit UV-Strahlung (100 W/cm) in 5 see ausgehärtet.
*) Anmerkung:
Die Gemische des Beispiels 1 auf Basis von Polyvinylbutyral als Bindemittel stehen stellvertretend für eine Vielzahl anderer physikalisch trocknender Gemische, die im Prinzip alle ähnliche Resultate ergaben. Als Bindemittel in diesen Gemischen wurden mit und ohne Pigmente untersucht:
Epoxidharze, Polyakrylate, Polyester, Polystyrol, verschiedene handelsübliche Kopolymere, Zelluloseazetobutyrat und Mischungen aus diesen.
a) 32 Gew.-% Hexadiolacrylat
25 Gew.-% ungesättigtes Epoxiacrylat
13 Gew.-% Epoxidharz
25 Gew.-% organophiles Al-Silikat
5 Gew.-% Photoinitiator
2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon
b) 38 Gew.-% Äthylenglykoldimethacrylat
25 Gew.-% Acrylatharz
13 Gew.-% Styrol-Copolymer
17 Gew.-% organophiles Al-Silikat
3 Gew.-% micronisiertes Polypropylenwachs
4 Gew.-% Photoinitiator
2,2-Dimethoxy-2-phenylaeetophenon
c) 22 Gew.-% ungesättigtes Epoxyacrylat
47 Gew.-% Äthylenglykoldimethacrylat
11 Gew.-% Vinylacetat-Fettsäurevinylester-Misch-
polymer
13 Gew.-% organophiles calciniertes Alu-Silikat
3 Gew.-°/o micronisiertes Polypropylenwachs
4 Gew.-°/o Photoinitiator
2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon
d) 69 Gew.-% ungesättigtes Polyesterharz
mit 33% Styrol
51 Gew.-% organophiles calciniertes Alu-Silikat
7 Gew.-% Photoinitiator
2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon
3 Gew.-% Diacryliertes tertiäres Amin als
Reaktionsbeschleuniger
Die so hergestellten Probeblätter wurden wie im Beispiel 2 bei 80% r. F. und 23° C mit 600 V aufgeladen und sofort mit Flüssigtoner geschwärzt. Dit Dichte der Schwärzung wurde mit einem Reflexionsdensitometer ausgemesEep.. Die Ergebnisse sind in. Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle 2
Optische Dichten der bei 80% r.F.
aufgeladenen und getonerten
Papierproben des Beispiels 3
Beispiel Nr. Dichte
3a 0,84
3 b 1.03
3c 0,75
3d 0,72
Die Prüfdaten wiesen in allen Fällen eine befriedigende Schwärzung aus, während die Verwendung üblicher physikalisch trocknender Gemische bei gleicher Pigmentierung und unter gleichen Bedingungen keine sichtbare Schwärzung ergaben (vgl. Beispiel la)
Beispiel 4
Gleiches !eitfähiges Basispapier wie in Beispie! 1 wurde einseitig mit Hilfe eines Rakelstabes mit jeweils 6 g/m2 der nachfolgenden fließ- und streichfähigen Gemische beschichtet und die ausgebildete Schicht jeweils mittels Elektronenstrahlen bei 10 Mrad unter Inertgas ausgehärtet.
a) 33 Gew.-% Hexandioldiakrylat
27 Gcw.-% ungesättigtes Akrylatharz
13Gew.-% Polyesterharz
27 Gew.-% organophiles kalziniertes
Al-Silikat
b) 24 Gew.-u/o Epoxiakrylat
16 Gew.-% Oligotriakrylat
24 Gew.-% Isobornylakrylat
16 Gew.-% Styrol-Kopolymer
8 Gew.-% amorphe Kieselsäure
12 Gew.-% Zinksulfid
c) 48 Gew.-% Al-Silikat
52 Gew.-% Hexandioldiacrylat
d) 14 Gew.-% Epoxiacrylat
22 Gew.-% Bisphenol-A-Diacrylat
7 Gew.-% N-Vinyl-2-Pyrolidon
25 Gew.-% Hexandioldiacrylat
14 Gew.-% Styrol-Copolymer
18 Gew.-% Al-Silikat
e) 14 Gew.-% Epoxiacrylat
21 Gew.-% Bisphenol-A-Acrylat
24 Gew.-% Hexandioldiacrylat
14 Gew.-% StyrolCopolymer
27 Gew.-% Aluminiumhydroxid
Die so hergestellten Probeblätter wurden bei 80% r. F. und 230C jeweils auf der beschichteten Seite mit einer anliegenden Spannung von 600 V aufgeladen und die verbliebene Ladung nach 15 see, 1 min und 2 min gemessen. Jeweils ein zweites Probeblatt wurde nach entsprechender Aufladung sofort mit Flüssigtoner geschwärzt und die Dichte wie im Beispiel 1 ausgemessen. Die gemessenen Werte sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Ein Vergleich der Prüfdaten mit den am Vergleichsbeispiel la erhaltenen Werten zeigt deutlich den Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten elektrostatischen Aufzeichnungsmaterialien, die im Gegensatz zum Vergleich auch bei 80% r. F. befriedigende Aufladungen und Schwärzungen erbringen.
Tabelle 3
Aufladung und optische Dichten der bei 80':/,, r.f:. geprüften Papierproben des Beispiels 4
Beispiel Nr. n. 15 see n. 1 min n. 2 min Optische
Dichte
4a 140 92 65 1.13
4 b 125 81 70 1,01
4c 98 72 59 0,85
4d 116 80 68 0,93
4e 131 84 72 0.97
In weiteren Beispielen wurden noch T1O2. verschiedene Kieselsäuren und Calciumcarbonat verwendet. Die Ergebnisse unterschieden sich prinzipiell nicht von den mit den Beispielen 2 bis 4 erhaltenen. Immer waren Aufladung und Dichte im Vergleich zum Beispiel la befriedigend bis gut. Eine Mitverwendung organischer Mattierungsmittel z. B. in Form von Kunststoffpulvern erwies sich in Mengen bis zu 30% des anorganischen Pigments als möglich, ohne die Weiße der Schicht deutlich zu beeinträchtigen.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Aufzeicrmungsmaterials, bei dem auf ein elektrisch leitendes Papier eine isolierende Schicht, gegebenenfalls mit Pigment, Bindemittel und Weichmacher aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht aus einer oder mehreren äthylenisch ungesättigten Verbindungen gebildet und durch Bestrahlen gehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht durch Bestrahlen mit ultraviolettem Licht oder mit Elektronenstrahlen gehärtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als äthylenisch ungesättigte organische Verbindung eine Mischung aus einem vinylmonomeren und einem äthylenisch ungesättigten Bindemittel verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierende Schicht mit 10 — 60 Gewichtsprozent eines anorganischen Pigments aufgebracht wird.
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