CH683527A5 - Cobalt- und nickelfreie Sealing-Zubereitungen. - Google Patents
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description
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CH 683 527 A5
Beschreibung
Die Erfindung betrifft cobalt- und nickelfreie Sealing-Zubereitungen und ihre Verwendung zur Behandlung von Aluminiumoxidschichten. Im besonderen betrifft die Erfindung solche Zubereitungen, die einen guten Sealeffekt hervorrufen und gleichzeitig auch die unerwünschte Belagbildung verhindern oder deutlich vermindern; des weiteren sind von der Erfindung die Konzentrate zur Herstellung der Sealing-Zubereitungen, sowie auch Verfahren zum Verdichten von anodisierten Aluminiumoberflächen unter Verwendung dieser Zubereitungen eingeschlossen.
Unter «Sealing» versteht man den Vorgang des Nachverdichtens von auf Aluminium oder Aluminiumlegierungen anodisch erzeugten Oxidschichten, wobei die Poren verschlossen werden.
Die Oberflächen von Aluminium oder deren Legierungen werden oft behandelt, um einerseits Härte und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, andererseits aber auch zur Herstellung einer färbbaren Substratoberfläche, in welche organische Farbstoffe oder anorganische Metallsalze eingelagert werden können. Diese Behandlung umfasst die Ablagerung einer porösen Schicht oder eines Überzugs von auf der Oberfläche anhaftendem Aluminiumoxid, was durch Anodisierung in einem wässrigen, stark sauren Elektrolyten erfolgt. Diese Aluminiumoxidschichten sind jedoch porös und infolgedessen nicht beständig gegenüber Korrosion, Ausbluten von Farbstoff und anderen negativen Einflüssen; sie müssen deshalb, um eine optimale Anwendung beispielsweise in der Aussenarchitektur zu gewährleisten, generell verdichtet werden, d.h. ihre Poren müssen verschlossen werden, damit diese Schichten die volle Wirksamkeit entfalten können.
Üblicherweise wurde bislang der Verdichtungsprozess unter Anwendung von Wasser und Hitze durchgeführt. Dabei wird die poröse und im wesentlichen wasserfreie Aluminiumoxidschicht in ein Wasser enthaltendes Sealbad bei etwa Siedetemperatur des Wassers getaucht. Es bilden sich hydratisierte Aluminiumhydroxidverbindungen, wie z.B. Böhmit, welche vermutlich für das Zusammenziehen oder den schützenden Effekt auf die Poren der Aluminiumoxidschicht verantwortlich sind und auf diese Weise den zu beobachtenden Sealeffekt bewirken.
Für die Bereitstellung der Sealbäder wird normalerweise entmineralisiertes Wasser am oder nahe am Siedepunkt verwendet. Gute Sealqualität wird aber auch erreicht, wenn man gewöhnliches Leitungswasser von etwas reduzierter Temperatur, z.B. bei 70°-90°C, benutzt und dem Bad verschiedene Zusätze zufügt, wie vorzugsweise lösliche Salze von zweiwertigen Metallen und insbesondere Cobalt- oder Nik-kelacetat.
Jedoch sind an die Verwendung von wässrigen Sealing-Zubereitungen oder von Wasser an sich, sei es als Dampf oder als heisses Wasser, Einschränkungen geknüpft dadurch, dass durch die Ablagerungen von hydratisierten Aluminiumhydroxid-Kristallen als sichtbarer Belag auf der Oxidschicht oftmals das Erscheinungsbild stark beeinträchtigt wird. Die nachträgliche Entfernung des Belages auf chemischem oder mechanischem Wege verursacht zusätzliche Kosten und verschlechtert die Sealqualität.
Gegenstand der Erfindung sind folglich neue wässrige cobalt- und nickelfreie Sealing-Zubereitungen und Konzentrate davon, welche a) mindestens ein Erdalkalimetallsalz; und b) mindestens eine Verbindung der Formel I,
I
R.
R.
(SO30)n tlP
1
2
worin
Y die direkte Bindung oder ein Brückenglied der Formel
CH3
I
— C— , —0— , —S— , —SO— oder —S02 — ;
CH3
jeder der Reste Ri und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff oder C5-25Alkyl,
mit der Massgabe, dass Ri und R2 nicht gleichzeitig für Wasserstoff stehen;
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CH 683 527 AS
n eine Zahl von 1 bis 4, und
X® ein Gegenion, wie Wasserstoff oder ein Alkalimetallion, bevorzugt Na© bedeuten,
gelöst enthalten.
Die erfindungsgemässen Zubereitungen sind in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und der tatsächlich eingesetzten Menge charakterisiert durch einen Gewichtsverlust (bestimmt im Lösungstest mit einem Phosphorsäure/Chromsäuregemisch nach ISO 3210) von ca. 30 mg/dm2 oder weniger, und vorzugsweise ca. 10 mg/dm2 oder weniger.
Mit den Zubereitungen gemäss der Erfindung wird hohe Sealqualität sowohl bei ungefärbten als auch gefärbten Aluminiumoxidschichten erreicht; zusätzlich besitzen die Zubereitungen belagverhindernde Eigenschaften. Sie sind frei von Cobalt- oder Nickelsalzen, die üblicherweise zugesetzt werden, und deshalb vom Standpunkt der Umweltbelastung aus betrachtet weniger zu beanstanden. Weiterhin können die Zubereitungen mit Leitungswasser hergestellt werden, und es werden gute Resultate auch bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes erhalten.
Vorteilhaft können gemäss der Erfindung auch Sealing-Konzentrate verwendet werden, aus denen durch Verdünnen mit Wasser die Sealbäder bereitet werden, die, sofern die molaren Verhältnisse der Komponenten innerhalb des unten angeführten Bereiches liegen, überraschenderweise frei sind von den sonst beobachteten Trübungen beim Verdünnen entsprechender Konzentrate, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Die zu verdichtenden Aluminiumoxidschichten können auf verschiedene an sich bekannte Weise hergestellt werden. Analog einem üblichen Verfahren wird das Aluminium-Werkstück, das als Anode geschaltet ist, in einem wässrigen sauren Elektrolyten mit Gleichstrom anodisiert. Bevorzugter Elektrolyt ist Schwefelsäure, wobei eine anodisch erzeugte Oxidschicht von für die meisten kommerziellen Anwendungsbereiche geeigneter Dicke, Korrosionsbeständigkeit und Anfärbbarkeit resultiert. Um weitgehend die belagverhindernden Eigenschaften der erfindungsgemässen Zubereitungen ausnutzen zu können, sollte die Anodisierung bevorzugt mit einer Stromdichte von etwa 1,3 bis 2,7 A/dm2 bei Temperaturen von 65° bis 75°C in 15-22%iger Schwefelsäure durchgeführt werden.
Das in den erfindungsgemässen Zubereitungen enthaltene Erdalkalimetallsalz kann als Kation Be, Mg, Ca, Sr oder Ba oder auch Gemische davon enthalten. Bevorzugte Kationen sind Magnesium und Calcium wie auch Mischungen davon. Geeignete Anionen sind beispielsweise Acetat, Sulfat, Nitrat, Ha-logenid, Phosphat und Sulfamat sowie auch Gemische davon. Anionen, die einen Puffereffekt beisteuern, sind für gewöhnlich bevorzugt, weshalb als meist bevorzugt das Acetation gilt.
Die Verbindungen der Formel I sind an sich bekannt oder sie können analog zu an sich bekannten Herstellungsverfahren erhalten werden. Die Verbindungen haben bekanntermassen oberflächenaktive Eigenschaften und sind zumindest zum Teil als Tenside im Handel erhältlich und zwar in geeigneter Handelsform, die auch aus einem Verbindungsgemisch bestehen kann. Bevorzugt ist ein Gemisch aus monoalkylierten (d.h. eine Verbindung der Formel I, worin einer der Reste Ri und R2 für Wasserstoff steht) und dialkylierten (d.h. einer Verbindung der Formel I, worin keiner der Reste Ri und R2 Wasserstoff bedeutet) Verbindungen.
Im folgenden soll deshalb eine «Verbindung» der Formel I so verstanden werden, dass diese auch Mischungen einschliesst und vor allem solche aus monoalkylierten und dialkylierten Verbindungen der Formel I.
Sofern nichts anderes angegeben ist, kann in den angeführten Definitionen jedes Alkyl linear oder verzweigt sein.
Als Verbindungen der Formel I sind solche bevorzugt, worin
(i) Y für -O- und n für 1 oder 2 stehen, und jedes Ri und R2, in anderer Bedeutung als Wasserstoff, sich in oara-Stelluna zur Brücke Y befindet.
Mehr bevorzugt sind von den unter (i) aufgeführten Verbindungen solche, worin
(ii) mindestens einer der Reste Ri und R2 eine Ci2-2oAlkylgruppe bedeutet. Vorzugsweise befindet(n) sich in diesen Verbindungen die Sulfogruppe(n) in ortho-Stelluna zur Brücke Y; die Sulfogruppe kann sich aber auch in para-Stelluna zur Brücke Y befinden, dann nämlich, wenn der Phenylring in dieser Position nicht alkyliert ist.
Meist bevorzugt sind von den unter (ii) angeführten Verbindungen solche, worin
(iii) n für 2 und mindestens einer der Reste Ri und R2 für eine Ci2-i6Alkylgruppe, insbesondere für eine C12- oder C^Alkylgruppe stehen. Davon sind besonders bevorzugt Verbindungsgemische, die etwa 80 Gew.-% einer monoalkylierten Verbindung (d.h. worin einer der Reste Ri und R2 C^Alkyl bedeutet) und etwa 20 Gew.-% einer dialkylierten Verbindung (d.h. worin Ri und R2 beide für Ci6Alkyl stehen) enthalten.
Stehen Ri und/oder R2 für eine C^Alkylgruppe, so ist diese vorwiegend verzweigt; stehen Ri und/ oder R2 für eine Ci6Alkylgruppe, so ist diese vorwiegend linear, was von dem eingesetzten Startmaterial abhängt.
In den oben angeführten Verbindungen bedeutet X® bevorzugt ein Natriumion.
Die Verbindungen der Formel I liegen für gewöhnlich als Natriumsalze vor, sie können aber auch als freie Säure oder in anderer Salzform zugesetzt werden.
Das molare Verhältnis an eingesetztem Erdalkalimetallsalz zu einer Verbindung der Formel I ist bevorzugt 2:1 bis 20:1; mehr bevorzugt 4:1 bis 20:1 und besonders bevorzugt 10:1 bis 16:1.
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Das Gewichtsverhäitnis von Erdalkalimetallsalz zu einer Verbindung der Formel I beträgt bevorzugt 0,1:1 bis 30:1; mehr bevorzugt 0,5:1 bis 15:1; noch mehr bevorzugt 1:1 bis 10:1 und meist bevorzugt 3:1 bis 5:1.
Die in den Sealing-Zubereitungen vorliegende Gesamtkonzentration an Erdalkaiimetallsalz und Verbindung der Formel I kann zwischen 1 bis 25g/l liegen, obwohl, wenn es für einen gewünschten Sealeffekt erforderlich ist, auch höhere Konzentrationen angewendet werden können; bevorzugt ist eine Konzentration zwischen 2—1 Og/l.
Die erfindungsgemässen Zubereitungen können hergestellt werden, indem man das Erdalkalimetallsalz mit der Verbindung der Formel I in entmineralisiertem Wasser oder auch in Leitungswasser vereinigt. Dabei wird vorzugsweise vom Metallsalz und der Verbindung der Formel I sowie von allfälligen zusätzlichen Komponenten zunächst eine konzentrierte wässrige Lösung mit weniger als 40% Wasser hergestellt. Dieses Konzentrat wird dann mit Wasser verdünnt, um die erfindungsgemässen Sealing-Zu-bereitungen zu erhalten. Beispielsweise sind die Verbindungen der Formel I für gewöhnlich als wässrige Lösungen erhältlich, z.B. als 35%ige oder 45%ige wässrige Lösung, und obige Konzentrate können daraus durch einfaches Zusetzen des festen Erdalkalimetallsalzes erhalten werden. Geeignete Konzentrate enthalten insgesamt 400-800g/l an beiden Hauptkomponenten und bevorzugt 600-750 g/l; beispielsweise beträgt die Gesamtmenge an beiden Komponenten für ein gut geeignetes Konzentrat 700g/l. Derartige Konzentrate bilden ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Die Sealing-Zubereitungen können in einem breiten pH-Bereich formuliert werden, wie es für eine leichte Handhabung erforderlich sein mag. Grundsätzlich ist dabei ein pH einzuhalten, bei welchem eine wirksame Verdichtung erfolgt, der jedoch unterhalb des pH-Wertes liegen soll, bei welchem sich ein sichtlich störender Belag ausbildet und/oder die einzelnen Komponenten ausfallen. Gewöhnlich wählt man einen pH zwischen 4 und 8, bevorzugt zwischen 4,5-7,5. Bei einem pH um 7-8 ist die Sealwirkung besser, doch kann das Sealing auch bei niederen pH-Werten durchgeführt werden. pH-Einstellun-gen können unter Zusatz von Salzsäure oder Natriumhydroxid erfolgen. Ein Vorteil der Zubereitungen ist, dass der pH über lange Zeit stabil eingestellt werden kann und normalerweise keine regelmässige pH-Anpassung vorgenommen werden muss. Ein Grund dafür ist, dass bei Verwendung von Erdalkali-metallacetat das Acetat Pufferwirkung entfaltet, die durch Zusatz einer geringen Menge Essigsäure noch verbessert werden kann.
Das Sealbad kann weitere übliche Zusätze enthalten, wie Netzmittel, Puffersysteme, Entschäumer und anderes mehr.
Gute Sealqualität wird erreicht, wenn die Zubereitung bei oder etwas unterhalb der Siedetemperatur eingesetzt wird, d.h. in einem Temperaturbereich von 70°-100°C, bevorzugt bei 70°-85°C.
Die Dauer des Sealvorganges, d.h. wie lange die Aluminiumoxidoberfläche in das Sealbad eingetaucht werden muss, hängt einerseits von der Dicke der Oxidschicht ab. Andererseits sind die Parameter des Verdichtungsverfahrens untereinander so gekoppelt, dass kurze Eintauchzeiten eine Anhebung der Temperatur und/oder des pH-Wertes verlangen. Nach abgeschlossenem Sealing ist es zweckmässig, mit Wasser zu spülen, um chemische Rückstände zu entfernen und so das Trocknen zu erleichtern.
Der Sealingprozess, der für ungefärbtes wie gefärbtes anodisiertes Aluminium verwendbar ist, kann chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden.
Der Begriff «Aluminium» soll sowohl reines Aluminium als auch Legierungen davon mit mindestens 50 Gew.-% an Aluminiumanteil einschliessen. Die Aluminiumoberfläche kann jede beliebige für Anodi-sierung und Sealing geeignete Form haben und dabei gepresste, gezogene, gewalzte oder maschinell hergestellte Werkstückformen einschliessen.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne diese jedoch einzuschränken.
Anwendungsbeispiel
Aluminiumstücke von der Grösse 5,1 cm x 7,6 cm werden entfettet, mit alkalischem Reinigungsmittel gebeizt und gewaschen. Die so vorbehandelten Aluminiumwerkstücke werden dann anodisch oxidiert unter Anwendung des Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahrens und zwar bei einer Stromdichte von 1,62 A/dm2 in einem wässrigen 18%igen Schwefelsäurebad bei 20°-21°C während 35 Minuten. Dabei resultiert eine Oxidschicht von 15-20 um Dicke, die abschliessend mit entmineralisiertem Wasser gespült wird. Diese anodisierten Aluminiumbleche werden dann für 15 Minuten in ein entmineralisiertes Wasser enthaltendes Sealbad, das die erfindungsgemässen Komponenten in der in den nachstehenden Beispielen angeführten Zusammensetzung enthält, getaucht, dessen pH auf 5,7 eingestellt ist und dessen Temperatur 82°C beträgt. Nach 15 Minuten werden die Bleche aus dem Sealbad entfernt, mit Wasser gespült und getrocknet.
In der folgenden Tabelle sind Beispiele für geeignete Zusammensetzungen der zu verwendenden wässrigen Sealbäder angegeben, die bezüglich der Konzentration an Erdalkaiimetallsalz und Verbindung der Formel I und in dem Verhältnis der beiden Komponenten zueinander variieren. In diesen Beispielen sind für das Erdalkalimetallsalz (wie in der Tabelle angeführt) und für die Verbindung der Formel I (als Verbindung «IA» gemäss untenstehender Definition bezeichnet) die jeweils eingesetzte Konzentration in Gramm pro Liter Sealbad sowie die Molverhältniszahlen aufgelistet.
4
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
CH 683 527 A5
Als Verbindung der Formel I wird dem Sealbad jeweils eine 35%ige wässrige Lösung der Verbindung der folgenden Formel IA zugefügt,
worin Ri für lineares CieAlkyl steht und R2 Wasserstoff oder lineares Ci6Alkyl bedeutet, wobei R2 als Alkyl sich in para-Stelluna zur Brücke -O- und SC>3e Na© sich in ortho-Stelluna zur Brücke -O- befinden oder, vorausgesetzt R2 bedeutet Wasserstoff, S03® Na® auch para-ständia zur Brücke -O- sein kann.
Im besonderen besteht die in den Beispielen eingesetzte Verbindung IA aus einem Gemisch von mo-noalkylierter Verbindung (d.h. worin einer der Reste Ri und R2 CraAlkyl und der andere Wasserstoff bedeutet) und dialkylierter Verbindung (worin Ri und R2 beide CieAlkyl bedeuten) in dem Verhältnis, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, von etwa 80:20.
Anodisch oxidierte Aluminiumbleche, die mit den in den folgenden Beispielen 1-10 angeführten Sea-ling-Zubereitungen nachverdichtet werden, zeigen eine hohe Sealqualität und können bei visueller Betrachtung als im wesentlichen frei von unerwünschtem Sealbelag beurteilt werden.
IA
S03® Na®
5
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
CH 683 527 A5
Tabelle
Sealing- Komponenten Menge in g/l1 Molverhältnis2 Zubereitung
Beispiel Nr.
1
(CH3COO)2Ca
0,9
IA
0,5
TOTAL
TÄ
7,4
2
(CH3COO)2Ca
0,9
IA
0,9
TOTAL
ïfl
4,1
3
(CH3COO)2Ca
1,9
IA
0,5
TOTAL
2Ä
15,6
4
(CH3COO)2Ca
2,8
IA
0,9
TOTAL
31
12,7
5
(CH3COO)2Mg
3,0
IA
1,5
TOTAL
4>5
9,0
6
(CH3COO)2Mg
4,0
IA
1,5
TOTAL
5ß
12,0
7
(CH3COO)2Mg
5,0
IA
1,5
TOTAL
6^5
15,0
8
(CH3COO)2Mg
2,0
(CH3COO)2Ca
1,0
IA
1,5
TOTAL
4£
8,5
9
(CH3COO)2Mg
3,0
(CH3COO)2Ca
1,0
IA
1,5
TOTAL
11,5
10
(CH3COO)2Mg
4,0
(CH3COO)2Ca
1,0
IA
1,5
TOTAL
6£
14,5
1) Die angeführten Mengen in Gramm beziehen sich für eine Verbindung IA auf 100% Aktivsubstanz; g/l bedeutet Gramm pro Liter Sealbad.
2) Molares Verhältnis der Gesamtmenge Erdalkalimetallsalz zur Verbindung IA. (Das Molekulargewicht in Gramm der Verbindung IA ist berechnet auf das durchschnittliche Molekulargewicht einer 80:20 Mischung von monoalkylierter zu dialkylierter Verbindung.)
6
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
CH 683 527 A5
Claims (1)
- Patentansprüche1. Wässrige cobalt-und nickelfreie Sealing-Zubereitungen, welche a) mindestens ein Erdalkalimetallsalz, und b) mindestens eine Verbindung der Formel I,R„•(S°30)n rüPworinY die direkte Bindung oder ein Brückenglied der FormelCH3 |■ C— , — 0 — , —S— , —SO— oder —S02— , CH3jeder der Reste Ri und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff oder C5-25Alkyl,mit der Massgabe, dass Ri und R2 nicht gleichzeitig für Wasserstoff stehen;n eine Zahl von 1 bis 4, undX® ein Gegenion bedeuten, gelöst enthalten.2. Zubereitungen nach Anspruch 1, worin die Komponenten a) und b) in einem molaren Verhältnis von etwa 2:1 bis 20:1 stehen.3. Zubereitungen nach Anspruch 1 oder 2, welche als Komponente b) eine Verbindung der Formel I enthalten, worin Y für die Brücke -O- und n für 1 oder 2 stehen, und Ri und R2 in anderer Bedeutung als Wasserstoff para-ständia zur Gruppe Y sind.4. Zubereitungen nach einem der Ansprüche 1-3, worin in der Komponente a) als Erdalkalimetall Calcium oder Magnesium oder ein Gemisch davon, und als Salzanion Acetat, Sulfat, Nitrat, Halogenid oder Sulfamat oder ein Gemisch davon eingesetzt werden.5. Zubereitungen nach Anspruch 3, worin als Erdalkalimetallsalz Calciumacetat oder Magnesiumace-tat oder ein Gemisch davon eingesetzt wird.6. Zubereitungen nach einem der Ansprüche 1-5, worin das Erdalkaiimetallsalz und die Verbindung der Formel I im Molverhältnis von etwa 4:1 bis 20:1 vorhanden sind.7. Sealing-Zubereitungen nach Anspruch 1 oder 2, worin als Erdalkaiimetallsalz Magnesiumacetat oder Calciumacetat oder ein Gemisch davon, und als Verbindung der Formel I eine Verbindung der folgenden Formel,worin Ri lineares CieAlkyl; R2 Wasserstoff oder lineares CieAlkyl, wobei R2 als Alkyl para-ständia zu -O- ist; S03e X® ortho-ständia zu -O- ist oder, für den Fall, dass R2 für Wasserstoff steht, auch para-ständig zu -O- sein kann; und X® ein Gegenion bedeuten, eingesetzt werden.8. Verfahren zum Verdichten von Aluminiumoxidoberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass man die7510152025303540455055CH 683 527 A5Aiuminiumoxidschicht in ein wässriges Seaibad bei einer Temperatur von 70° bis 100°C eintaucht und dieses Bad eine Sealing-Zubereitung bestehend aus mindestens einem Erdalkaiimetallsalz und mindestens einer Verbindung der Formel IworinY die direkte Bindung oder ein Brückenglied der Formel CH3— C— , —0— , —S— , —SO— oder —S02— , ICH3jeder der Reste Ri und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff oder C5-25AlkyI,mit der Massgabe, dass Ri und R2 nicht gleichzeitig für Wasserstoff stehen;n eine Zahl von 1 bis 4, undX© ein Gegenion bedeuten, die in Wasser gelöst sind, enthält.9. Verfahren nach Anspruch 8, in welchem in der verwendeten Sealing-Zubereitung das Molverhältnis von Erdalkalimetallsalz zu Verbindung der Formel I etwa 2:1 bis 20:1 beträgt.10. Eine wässrige Sealing-Zubereitung nach Anspruch 1 in Form eines Konzentrates, das 400-800 Gramm als Gesamtmenge der Komponenten a) und b) pro Liter Sealflüssigkeit enthält.8
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| Date | Code | Title | Description |
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Representative=s name: SANDOZ TECHNOLOGIE AG |
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| PUE | Assignment |
Owner name: SANDOZ AG TRANSFER- CLARIANT FINANCE (BVI) LIMITED |
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Representative=s name: CLARIANT INTERNATIONAL LTD. |
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