JPH0247190A - Manufacture of anisotropic pitch for carbon fiber - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
本発明の対象は、コールタールピッチよりの炭素繊維の
ための高異方性中間生成物の製造方法である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The subject of the invention is a process for the production of highly anisotropic intermediates for carbon fibers from coal tar pitch.
コールタールピッチよりの炭素繊維の製造は、それ自体
公知である。それから製造された繊維は、より低廉な原
料費およびより高い収量の故に、ポリアクリルニトリル
よりのそれに比較して極めて低い費用で製造されること
が期待された。しかしながら、等方性ピッチから、1%
より大きな破断時の伸びにおいて2 GPaより大きな
引張り強さを有する、ポリアクリルニトリルよりのもの
のような高張力炭素繊維を製造することは不可能である
。その目的では、異方性ピッチのみが適している。この
理由から、そのようなピッチを開発するために世界的に
強力な研究活動が行われている。The production of carbon fibers from coal tar pitch is known per se. Fibers made therefrom were expected to be made at very low costs compared to those from polyacrylonitrile due to lower raw material costs and higher yields. However, from the isotropic pitch, 1%
It is not possible to produce high tensile strength carbon fibers, such as those from polyacrylonitrile, with a tensile strength greater than 2 GPa at higher elongations at break. For that purpose, only anisotropic pitches are suitable. For this reason, there is a strong research effort worldwide to develop such pitches.
そのようなピッチは、液晶の性質、特に流動性を保った
まま巨大平面状の芳香族分子の方位配列を有する。その
ようなピッチは、「中間相ピッチ」と呼ばれ、その際主
たる異方性相と共にまた等方性もまた存在しうる。異方
性の判断は、磨いたピッチ表面を偏向顕微鏡を用いて観
察することによって行われる。Such a pitch has a macroplanar azimuthal arrangement of aromatic molecules while retaining liquid crystal properties, particularly fluidity. Such pitches are referred to as "interphase pitches", in which, together with the predominant anisotropic phase, an isotropic phase can also be present. Anisotropy is determined by observing the polished pitch surface using a polarizing microscope.
高張力炭素繊維の製造に適したピッチは、異方性の他に
以下のような性質を示さなければならない:
繊維中の荒れのできるのを避けるために固体粒子の含量
をできうる限り低くすること;−加工中における重合を
避けるために流動温度を低くすること;
−高い収量と紡糸、安定化および炭化の簡単化を達成す
るために、炭素含量およびコークス化残留分がより高く
そして揮発性含量がより低いこと;そして
トルエンに不溶性の成分の含量が高くしかもキノリンに
不溶性の成分の含量が低いこと(高β−スパン= TI
−旧)
そのような諸性質を達成するためには、多成分混合物ピ
ッチの精留を行うことが必要であることは明らかである
。In addition to anisotropy, a pitch suitable for the production of high-strength carbon fibers must exhibit the following properties: The content of solid particles should be as low as possible to avoid the formation of roughness in the fibers. - lower flow temperatures to avoid polymerization during processing; - higher and less volatile carbon content and coking residues to achieve higher yields and easier spinning, stabilization and carbonization; and a higher content of components insoluble in toluene and a lower content of components insoluble in quinoline (high β-span = TI
It is clear that in order to achieve such properties it is necessary to carry out a rectification of the multicomponent mixture pitch.
ピッチ中に存在する固体粒子を注意深く分離することは
、当然のことでありそして公知の技術水準に属する。Careful separation of the solid particles present in the pitch is natural and belongs to the known state of the art.
濾過されたコールタールピッチまたは石油ピッチの熱処
理による中間相ピッチの直接的製造によっては、並程度
の結果のみしか得られないことは文献から知られている
。It is known from the literature that only moderate results are obtained by direct production of mesophase pitch by heat treatment of filtered coal tar pitch or petroleum pitch.
比較的短い処理時間の場合には、より高い等方性部分が
存在し、それによって収量が減少しそして繊維の強度が
損なわれる。処理が行き過ぎた場合には、高分子ピッチ
成分から、不融性の粒子が生成し、それが紡糸を困難に
しそして繊維の品質を悪化させる。In the case of relatively short treatment times, a higher isotropic fraction is present, which reduces the yield and impairs the strength of the fiber. If the processing is overdone, infusible particles are formed from the polymeric pitch component, which makes spinning difficult and deteriorates fiber quality.
分子量分布を狭くする目的で行うピッチの精留は、多数
の文献に記載されている。The rectification of pitch for the purpose of narrowing the molecular weight distribution has been described in numerous publications.
ヨーロッパ特許出願公開公報第172.955号による
方法(公知方法1)においては、軟ピツチから出発して
、最初の熱処理において中間相を生成せしめ、そして芳
香族溶剤で抽出しそして次いで濾過することによって、
生成した不溶性のピッチ成分を分離する。溶剤を分離す
るために、濾液を蒸留により処理し、そして第二の熱処
理にかけ、それによって炭素繊維製造用の高異方性ピッ
チを製造するが、しかしこのものは高い流動点およびキ
ノリンネ溶性成分の高い含量を有する。炭化された繊維
の強度特性は、充分ではない。In the method according to European Patent Application No. 172.955 (known method 1), starting from a soft pitch, a mesophase is formed in a first heat treatment and by extraction with an aromatic solvent and subsequent filtration. ,
Separate the insoluble pitch components formed. To separate the solvent, the filtrate is treated by distillation and subjected to a second heat treatment, thereby producing a highly anisotropic pitch for carbon fiber production, which, however, has a high pour point and a quinoline-soluble component. Has a high content. The strength properties of carbonized fibers are not sufficient.
紡糸し得る中間相ピッチを製造するためのもう一つの方
法は、ピッチの水素化を含む。ドイツ特許第3.330
.575号による方法(公知方法2)においては、ピッ
チは、水素化剤、例えばテトラヒドロキノリンによって
水素化されそして濾過および蒸留による溶剤の分離後に
、減圧下に中間相が生成するまで熱処理される。Another method for producing spinnable mesophase pitch involves hydrogenation of the pitch. German Patent No. 3.330
.. In the process according to No. 575 (known process 2), the pitch is hydrogenated with a hydrogenating agent, for example tetrahydroquinoline, and after separation of the solvent by filtration and distillation, it is heat treated under reduced pressure until an intermediate phase forms.
この手段によって流動点が低下し、そして1.500℃
において炭化された繊維の強度特性が改善される。By this means the pour point is lowered and 1.500°C
The strength properties of the carbonized fibers are improved.
紡糸ピッチの製造のための複雑な一つの方法が、ヨーロ
ッパ特許出願公開公報第247,565号に記載されて
いる(公知方法3):
コールタールからキシレンによる抽出の後に不溶性成分
が濾別される。可溶性成分は、加熱加圧処理にかけられ
、低分子成分の蒸留による分離のためにフラッシュされ
そして重質相は水素化される。水素化剤の蒸留による分
離の後に、熱処理による中間相の製造が行われる。A complex method for the production of spinning pitch is described in European Patent Application No. 247,565 (Known Method 3): After extraction with xylene from the coal tar, the insoluble components are filtered off. . The soluble components are subjected to heat and pressure treatment, flashed for distillative separation of low molecular weight components and the heavy phase is hydrogenated. After the distillative separation of the hydrogenating agent, the intermediate phase is produced by heat treatment.
紡糸ピッチを製造するための上記の最後の二つの方法に
おける欠点は、ピッチの水素化に必要な高い圧力および
温度による高い技術的費用がかかるということである。A disadvantage of the last two methods mentioned above for producing spinning pitch is the high technical outlay due to the high pressures and temperatures required for the hydrogenation of the pitch.
特に、追加的な加熱−加圧−処理、フラッシングおよび
蒸留を伴う最後の方法は、費用が嵩み、従って低順な原
料によって得られた低コストの利点は、再び相殺されて
しまう。In particular, the last method, which involves additional heat-pressure-treatment, flashing and distillation, is expensive and thus the low-cost advantage obtained with low-order raw materials is again offset.
例として選択された上記の各公知方法に従って製造され
た紡糸ピッチおよび炭化されたピッチ繊維の諸性質は、
第1表から明らかである:第1表:
下記公知方法による
流動点 350
光学的異方性 容量% 94
トルエン不溶成分 重量%93.7
キノリン不溶成分 重量%45
次!1m列1貫
引張り強さ
弾性係数
炭化最終温度 ℃
Pa
Pa
1.3
2.76
2.67
2 GPaより大なる引張り強さおよび1%より大なる
破断時の伸びを有する炭化されたピッチ繊維を製造する
ことは、従来、水素化されたピッチを用いてのみ達成さ
れ得たことは、従来技術から明らかである。The properties of the spun pitch and carbonized pitch fibers produced according to the above-mentioned known methods selected as examples are as follows:
It is clear from Table 1: Table 1: Pour point according to the following known method 350 Optical anisotropy Volume % 94 Toluene insoluble component Weight % 93.7 Quinoline insoluble component Weight % 45 Next! 1 m row 1 tensile strength elastic modulus carbonization final temperature °C Pa Pa 1.3 2.76 2.67 2 Carbonized pitch fibers with tensile strength greater than 2 GPa and elongation at break greater than 1% It is clear from the prior art that this could hitherto only be achieved using hydrogenated pitch.
従って、炭化された後に、1%より大なる破断時の伸び
において2 GPaより大なる引張り強さを有する、繊
維から紡糸されうる異方性ピッチを水素化することなく
製造するための筒車な方法を開発するという課題があっ
た。Therefore, an hour wheel for producing anisotropic pitch, which can be spun from fibers without hydrogenation, has a tensile strength of more than 2 GPa at an elongation at break of more than 1% after carbonization. The challenge was to develop a method.
上記の課題は、本発明によれば、コールタールピッチを
330ないし400 ℃の温度範囲において8ないし1
2時間の間、毎時ピッチ1 kg当たり1〜10・10
−’kgの酸素含有ガスを吹き込み、そして次いでピッ
チ溶剤で抽出し、そして蒸留による溶剤の分離の後に可
溶性のピッチ留分を1ないし50 K/winの加熱速
度において0.5ないし50 mbarの圧力下に40
0ないし480℃の温度まで加熱し、その際最終温度を
50 minまで保持することによって解決される。According to the present invention, the above problem has been solved by reducing coal tar pitch from 8 to 1 in the temperature range of 330 to 400 °C.
Pitch 1 to 10.10 per kg per hour for 2 hours
-' kg of oxygen-containing gas and then extraction with pitch solvent and, after separation of the solvent by distillation, the soluble pitch fraction at a heating rate of 1 to 50 K/win and a pressure of 0.5 to 50 mbar. 40 below
This is achieved by heating to a temperature of 0 to 480° C. and holding the final temperature for up to 50 min.
コールタールピッチへの空気の吹き込みは、それ自体公
知である。それは軟化点およびコークス化残留分を高め
るために役に立つ。そのように処理されたピッチは、例
えば水平炉内におけるピッチのコークス化のための装入
物として使用される。コールタールピッチを濾過し、空
気を吹き込みそして次いで紡糸することもまた提案され
た[燃料(Fuel)、1981年、第60巻、第84
8−850頁、参照〕。この場合もまた、吹き込みは、
軟化点を高め、それによってピッチ繊維がその後の処理
の際に粘着しないようにするという目的を有する。更に
、得られたピッチは等方性であり、従って高張力繊維の
製造には適していない。Blowing air into coal tar pitch is known per se. It serves to increase the softening point and coking residue. The pitch so treated is used, for example, as a charge for the coking of pitch in horizontal furnaces. It has also been proposed to filter coal tar pitch, blow air into it and then spin it [Fuel, 1981, Vol. 60, No. 84]
See pages 8-850]. Again, the blowing is
The purpose is to increase the softening point so that the pitch fibers do not stick during subsequent processing. Furthermore, the pitch obtained is isotropic and therefore not suitable for the production of high-tensile fibers.
コールタールピッチとは、高温コールタールの蒸留処理
よりの残留分、好ましくは約70″Cの軟化点〔クレマ
ーーザルノ−(Kraemer−5arnow)法によ
る〕を有するものを意味するものとする。By coal tar pitch is meant the residue from the distillation process of hot coal tar, preferably having a softening point (according to the Kraemer-5arnow method) of about 70"C.
溶剤としては、その溶解特性においてピリジン、キノリ
ン、またはアントラセン油に相当するすべてのピッチ溶
剤が使用される。As solvents used are all pitch solvents which correspond in their solubility properties to pyridine, quinoline or anthracene oils.
本発明を以下の例によって更に詳細に説明する:
実施例
加熱レトルトにおいて70℃の軟化点(クレマー−ザル
ノー法による)を有するコールタールピッチ500 k
gを攪拌下に335℃に加熱し、そして393℃の温度
に上昇するまで毎時ピッチ1 kg当たり6 ・10−
3kgの空気を10時間吹き込む。空気は、レトルトの
底部上に多少突出した管を経て液状のピッチ中に圧入さ
れる。The invention is explained in more detail by the following example: Example Coal tar pitch 500 k with a softening point of 70° C. (according to the Kremer-Zarnow method) in a heated retort
g to 335 °C under stirring and at a pitch of 6·10- per kg per hour until the temperature rises to 393 °C.
Blow 3 kg of air for 10 hours. Air is forced into the liquid pitch via a somewhat protruding tube on the bottom of the retort.
このようにして空気を吹き込まれたピッチは、次のよう
な物性値を有する:
流動点 160℃トルエン不溶性
成分 52重量%キノリンネ溶性成分
21重量%コークス化残留分
〔アルカン(Alcan)法による〕68重量%灰分(
900℃) 0.2重量%吹き込まれ
たピッチを粉砕しそしてピッチ1重量部をキノリン2重
量部中に180℃において攪拌下に溶解する。約2時間
後にピッチの不溶性成骨を沈降により可溶性成分から分
離する。The pitch thus aerated has the following physical properties: Pour point: 160°C Toluene-insoluble components: 52% by weight Quinoline-soluble components
21% by weight coking residue (according to Alcan method) 68% by weight ash (
900 DEG C.) The 0.2% by weight injected pitch is ground and 1 part by weight of pitch is dissolved in 2 parts by weight of quinoline at 180 DEG C. with stirring. After about 2 hours, the insoluble adult bones of the pitch are separated from the soluble components by sedimentation.
液体相を吸引し、そして最も微細な固体粒子を分離する
ために焼結金属フィルター(孔径:1μm)により濾過
する。ピッチ溶液から200 mbarの圧力下に30
0℃の底部温度になるまで留去する。The liquid phase is aspirated and filtered through a sintered metal filter (pore size: 1 μm) to separate the finest solid particles. 30 under a pressure of 200 mbar from the pitch solution
Distill to a bottom temperature of 0°C.
残留するピッチ留分は、次のような物性値を有する:
流動点 170”Cトルエン不溶
性成分 46重量大キノリンネ溶性成分
〈 1重量%コークス化残留分 65重量
%灰分(900℃) 痕跡量ピッチ
留分を5 mbarの圧力下に60分間に250から4
40℃まで加熱し、そしてこの最終温度を20分間保持
した。The remaining pitch fraction has the following physical properties: Pour point 170"C Toluene insoluble components 46 Weight large quinoline soluble components
< 1% by weight coking residue 65% by weight ash (900 °C) trace pitch fraction from 250 to 4 in 60 minutes under a pressure of 5 mbar
Heat to 40°C and hold this final temperature for 20 minutes.
このようにして製造された中間相ピッチは、次の性質を
有する:
流動点 320″C光学的異方性
〉90容量%トルエン不溶性成分
85重量%キノリンネ溶性成分 18重量
%コークス化残留分(アルカン)94重量%圧力フィル
ター試験(1μm) 実際上不融性粒子存在せず
上記の中間相ピッチは、糸の切断を生ずるこな(380
℃において紡糸される。このピッチ繊維は、空気中で3
50℃温度まで安定化され、そして次に1.200℃ま
で炭化される。このようにして得られた炭素繊維は、次
のデータによって特徴付けられる:
直径 9−10μm引張り強さ
2.4 GPa弾性係数
210 GPa強度特性は、2回熱処理され
たピッチから得られた繊維(ヨーロッパ特許出願公開第
172,955号参照)のそれを凌駕しており、そして
水素化され熱処理されたピッチから製造された繊維のそ
れにほぼ相当する。The mesophase pitch thus produced has the following properties: Pour point 320″C Optical anisotropy 〉90% by volume toluene insoluble components
85% by weight quinoline soluble component 18% by weight coking residue (alkanes) 94% by weight pressure filter test (1 μm) Practically no infusible particles present and the mesophase pitch described above does not result in thread breakage (380
Spun at ℃. This pitch fiber is 3
It is stabilized to a temperature of 50°C and then carbonized to 1.200°C. The carbon fibers obtained in this way are characterized by the following data: diameter 9-10 μm tensile strength 2.4 GPa elastic modulus
The 210 GPa strength properties exceed those of fibers obtained from twice heat-treated pitch (see European Patent Application Publication No. 172,955) and fibers produced from hydrogenated and heat-treated pitch. It is almost equivalent to that of .
ピッチおよび繊維の性質に及ぼす吹き込みの影響は、以
下の比較例によって示されている:比較例
上記実施例と同じ出発ピッチを濾過助剤を配量した後に
270℃において濾過する。濾液は、下記の性質を有す
る:
軟化点(クレマー−ザルノー法による)70″C
トルエン不溶性成分 22重量%キノリンネ溶性
成分 〈0.1重量%灰分
痕跡量
濾過されたピッチを実施例におけると同じ条件下に熱処
理する。少なくとも90容量%の光学的異方性を得るた
めには、最終温度を465℃に高めそして保持時間を3
0分間に高めなければならない、このようにして製造さ
れた中間相ピッチは、下記の性質を有する:
流動点 340℃光学的異方性
90容量%トルエン不溶性成分 8
8重量%キノリンネ溶性成分 51重量%コーク
ス化残留分
(アルカン法による)95重量%
フィルター試験(1μm) 0.5重量%の不融性
粒子
上記中間相ピッチは、405℃において初めて紡糸され
うる。糸の切断はしばしば現れる。紡糸口金の前に配置
されたフィルター要素の有効寿命は短い。The influence of blowing on pitch and fiber properties is illustrated by the following comparative example: Comparative Example The same starting pitch as in the above example is filtered at 270° C. after dosing with filter aid. The filtrate has the following properties: Softening point (according to Kremer-Zarnow method) 70"C Toluene-insoluble components 22% by weight Quinoline-soluble components <0.1% by weight Ash content
The trace filtered pitch is heat treated under the same conditions as in the examples. To obtain an optical anisotropy of at least 90% by volume, the final temperature was increased to 465°C and the holding time was 3.
The mesophase pitch thus produced, which must be increased to 0 min, has the following properties: Pour point 340 °C optical anisotropy
90% by volume toluene insoluble component 8
8% by weight quinoline soluble component 51% by weight coking residue (according to the alkane method) 95% by weight Filter test (1 μm) 0.5% by weight infusible particles The above mesophase pitch can only be spun at 405°C. Cutting of the thread often appears. Filter elements placed before the spinneret have a short useful life.
1 、200℃まで炭化された炭素繊維は、下記の代表
的な性質によって特徴付けられる:
直径 9−111tm引張り強
さ 1.6 GPa弾性係数
230 GPaすなわち引張り強さは、2
回熱処理されたピッチのそれに相当する。しかしながら
破断時の伸びは1%以下である。1. Carbon fibers carbonized to 200°C are characterized by the following typical properties: Diameter 9-111tm Tensile strength 1.6 GPa Modulus of elasticity
230 GPa or tensile strength is 2
Comparable to that of reheat-treated pitch. However, the elongation at break is 1% or less.
分析データを比較することによって、ピッチの前処理と
しての空気の吹き込みにより中間相の形成が有利な影響
を受けることが明らかに示されている。本発明による中
間相ピッチは、驚くべきことには、比較的高い異方性に
おいて比較的低い流動点およびキノリンネ溶性成分のよ
り低い含量を有する。その結果、紡糸は容易となりそし
て炭化された繊維の強度特性は、著しく改善される。Comparing the analytical data clearly shows that the formation of the mesophase is favorably influenced by air blowing as a pretreatment of the pitch. The mesophase pitch according to the invention surprisingly has a relatively low pour point at a relatively high anisotropy and a lower content of quinoline-soluble components. As a result, spinning becomes easier and the strength properties of the carbonized fibers are significantly improved.
Claims (1)
、コールタールピッチに330ないし400℃の温度範
囲において8ないし12時間の間、毎時ピッチ1kg当
たり1〜10・10^−^3kgの酸素含有ガスを吹き
込み、そしてついでピッチ溶剤で抽出し、そして蒸留に
よる溶剤の分離の後に可溶性のピッチ留分を1ないし5
0K/minの加熱速度で0.5ないし50mbarの
圧力下に400ないし480℃の温度まで加熱し、その
際最終温度を50minまで保持することを特徴とする
上記異方性ピッチの製造方法。 2、コールタールピッチが約70℃の軟化点〔クレマー
−ザルノー法(Kraemer−Sarnow met
hod)による〕を有する高温タールの蒸留的処理から
得られた残渣である請求項1記載の方法。 3、ピッチ溶剤としてピリジン、キノリンまたはアント
ラセン油を使用する請求項1または2に記載の方法。 4、酸素含有ガスが空気である請求項1〜3のうちのい
ずれかに記載の方法。[Claims] 1. A method for producing anisotropic pitch for producing carbon fibers, in which coal tar pitch is heated at a temperature of 330 to 400°C for 8 to 12 hours to produce an anisotropic pitch of 1 to 10.10% per kg of pitch per hour. ^-^ 3 kg of oxygen-containing gas is bubbled in and then extracted with pitch solvent and after separation of the solvent by distillation the soluble pitch fraction is extracted from 1 to 5 kg.
The method for producing anisotropic pitch as described above, characterized in that it is heated to a temperature of 400 to 480° C. under a pressure of 0.5 to 50 mbar at a heating rate of 0 K/min, and the final temperature is maintained for up to 50 min. 2. The softening point of coal tar pitch is approximately 70°C [Kraemer-Sarnow method (Kraemer-Sarnow met
2. A process according to claim 1, wherein the residue is obtained from the distillative treatment of a hot tar. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein pyridine, quinoline or anthracene oil is used as the pitch solvent. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen-containing gas is air.
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|---|---|
| JPH0247190A true JPH0247190A (en) | 1990-02-16 |
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Family Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023534251A (en) * | 2020-07-13 | 2023-08-08 | ラマコ カーボン, エルエルシー | System and method for producing carbon fiber from coal |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (4)
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| US4773985A (en) * | 1985-04-12 | 1988-09-27 | University Of Southern California | Method of optimizing mesophase formation in graphite and coke precursors |
-
1988
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-
1989
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- 1989-03-14 DE DE8989104511T patent/DE58900206D1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-03-14 EP EP89104511A patent/EP0348599B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-06-29 JP JP1165489A patent/JPH0247190A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023534251A (en) * | 2020-07-13 | 2023-08-08 | ラマコ カーボン, エルエルシー | System and method for producing carbon fiber from coal |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0348599A3 (en) | 1990-02-07 |
| CA1309369C (en) | 1992-10-27 |
| EP0348599A2 (en) | 1990-01-03 |
| EP0348599B1 (en) | 1991-08-07 |
| DE58900206D1 (en) | 1991-09-12 |
| DE3821866A1 (en) | 1990-01-18 |
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