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162 Untersuchungen zur elektrischen Leitfähigkeit von Leder aus dem Jahre 1989

162 Untersuchungen zur elektrischen Leitfähigkeit von Leder aus dem Jahre 1989

Sonderdruck aus »GERBEREIWISSENSCHAFT UND PRAXIS« 1989, Heft 12, Seite 20

Von Prof. Dr. W. Pauckner und Dipl.-Chem. J. Lange

Aus der Westdeutschen Gerberschule Reutlingen, Abteilung Forschung und Entwicklung

Untersuchungen zur elektrischen Leitfähigkeit von Leder

In der vorliegenden Arbeit wird über Untersuchungen der Leitfähigkeit verschieden behandelter Leder berichtet. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die elektrische Leitfähigkeit sehr deutlich von der Art der Gerbung und von dem Feuchtigkeitsgehalt der Leder abhängt.

Die günstigste Leitfähigkeit weisen mineralgegerbte Leder auf. Sie kann durch Zusatz von höheren Fettmengen noch verbessert werden. Dagegen zeigen pflanzlich gegerbte Leder und auch mit pflanzlichen oder synthetischen Gerbstoffen nachgegerbte Chromleder eine schlechtere Leitfähigkeit.

Die Leitfähigkeit kann durch Einlagerung von Kohlenstoff (optisch nicht geeignet), hygroskopischen Mitteln und Antistatika verbessert werden.


Investigations of the electrical conductivity of leather
In the following article investigations of the conductivity of differently treated leathers are reported. The attained results show, that the electrical conductivity depends very clearly on the type of tannage and the moisture content of the leather. The mineral tanned leathers showed the most favourable conductivity. This can be further improved by the addition of higher fat levels. In contrast vegetable tanned leather and also vegetable or synthetic tan retanned chrome leather showed a worse conductivity. The conductivity can be improved by the deposition of carbon (optically unsuitable), hydroscopic materials and antistatic agents.


Études de conductibilité électrique du cuir
Les présents travaux relatent les études de conductibilité électrique de cuirs différemment traites. Les résultats obtenus montrent que la conductibilité électrique dépend très nettement du mode de tannage et de la teneur en humidité du cuir. Ce sont les cuirs de tannage minéral qui présentent la conductibilité la plus favorable. Celle-ci peut encore être améliorée par addition de quantités importantes de matières grasses. Par contre, les cuirs tannes végétal, ou bien les cuirs au chrome retannés végétal ou synthétique offrent une mauvaise conductibilité. Celle-ci peut être améliorée par incorporation de carbone (optique-ment non approprie) ou de produits hygroscopiques et antistatiques.


Estudios sobre conductividad eléctrica del cuero
En el presente trabajo se informa sobre estudios de la conductividad de cueros diversamente tratados. Los resultados obtenidos muestran que la conductividad eléctrica depende claramente de la clase de curtición y del contenido de humedad del cuero. La conductividad más favorable la presentan los cueros de curtición mineral. Se puede mejorar mediante la adición de elevadas cantidades de grasa. En cambio, los cueros al vegetal y también los cueros al cromo recurridos con curtientes vegetales o sintéticos muestran una mala conductividad. La conductividad puede mejorarse mediante el depósito de carbón (ópticamente no adecuado), agentes higroscópicos y productos antiestéticos.


1. Einleitung

In den letzten Jahrzehnten haben sich in starkem Maße auf den verschiedensten Verwendungsgebieten neue Werk- und Gebrauchsstoffe durchgesetzt und bewährt. Im Zusammenhang damit sind jedoch auch neue materialbedingte Probleme in den Vordergrund getreten. Eines davon ist die elektrische Leitfähigkeit dieser Stoffe. In vielen Fällen ist diese so gut, dass eine elektrostatische Aufladung, die sich nicht oder nur schwer verhindern läßt, kaum wahrgenommen wird, und daher meint man, sie sei überhaupt nicht gegeben, weil die Aufladung schnell genug abfließt. Haben die aufgeladenen Körper jedoch nur ein geringes elektrisches Leitvermögen, so fließen die Ladungen nur sehr langsam ab, die Aufladung bleibt weitgehend bestehen und die bekannte Gesetzmäßigkeit, dass sich gleichsinnig geladene Körper abstoßen, während sich entgegengesetzte Ladungen anziehen und nach einem Ausgleich streben, ist in Auswirkung dieser Aufladung die Ursache vieler Störungen und Zwischenfälle bei der Verarbeitung und im Gebrauch der verschiedensten Stoffe. Hingewiesen sei z. B. im Textilbereich auf die unangenehmen Erscheinungen beim Verspinnen und Verarbeiten von synthetischen Fasern, auf das Kleben oder Rutschen von Kleidungsstücken aus solchem Fasermaterial beim Tragen oder auch das begierige Anziehungsvermögen der geladenen Körper auf Staubpartikelchen, was sich im leichten Anschmutzen äußert.

Im Falle von Leder dagegen macht sich eine geringe elektrische Leitfähigkeit bzw. eine größere elektrostatische Aufladung, z. B. bei geschliffenen Ledern, in der schweren Entfernbarkeit des Schleifstaubes durch Bürsten, in stärkerem Anschmutzen von Polster- und Bekleidungsleder oder durch Bildung des Faserflors bei Einsatz von Zylinderkalbfellen in der Spinnerei und Weberei, was zum Teil auch materialbedingt (Kunststofffasern) oder auch maschinenbedingt (höhere Arbeitsgeschwindigkeit) sein kann, bemerkbar. Diese Reihe ließe sich beliebig fortsetzen. Erwähnt sei hier nur noch Brandsohlen- und Sohlenmaterial, besonders für Sicherheitsschuhe. Hier gilt nach den Richtlinien der gewerblichen Berufsgenossenschaften, dass Sicherheitsschuhwerk, d. h. besonders Brandsohlenmaterial, keinen höheren Durchgangswiderstand als 108 Ohm (100 M Ohm) besitzen darf, da sonst die Gefahr besteht, dass durch die Aufladung eine Funkenbildung gegeben sein kann, die in der Nahe brennbarer Flüssigkeiten oder Stäube oder beim Umfüllen und Arbeiten mit leicht brennbaren Flüssigkeiten oder bei Operationen mit Äthernarkosen in Räumen mit isolierenden Kunststoffböden Explosionen und Brände hervorrufen könnte.

Im Gegensatz zu anderen Stoffen ist die elektrische Leitfähigkeit von Leder verhältnismäßig gut, trotzdem liegt zum Teil der Durchgangswiderstand über oder an der oberen Grenze des noch zulässigen Wertes. Dies gilt besonders bei Mitverwendung von synthetischen Produkten in Form von Gerb-, Hilfs- und Färbemitteln. Um jedoch immer in dem geforderten Bereich, besonders bei Sicherheitsschuhen 1), zu bleiben, und damit keine Risiken einzugehen, wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, die klären sollten, ob durch geeignete Variationen der Herstellungsbedingungen, durch Zusätze hygroskopischer Mittel oder anderer Stoffe eine Verminderung des Durchgangswiderstandes erreicht werden kann.

Zum Messen des Durchgangswiderstandes diente ein Digitalmultimeter als Widerstandsmeßeinrichtung. Die Prüfung und Durchführung wurden entsprechend der Vorschrift DIN 4843 Teil I vorgenommen, wobei die Proben vor der Prüfung 7 Tage im Normalklima von 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit gelagert wurden.

2. Elektrische Leitfähigkeit von verschieden behandelten Ledern

a) Einfluss der Gerbung

Zur Untersuchung der Faktoren, die den Durchgangswiderstand von Leder beeinflussen, wurden zunächst die verschiedenen Gerbungen gezogen, wobei die Leder auch verschiedene Äscheraufschlüsse erfahren hatten. Anhand der erhaltenen Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass die Wasserwerkstattarbeiten die Leitfähigkeit und damit den Durchgangswiderstand nicht, obwohl z. B. die Äscherwirkung in weiten Grenzen variiert wurde, beeinflussen. Die vorhandenen Schwankungen waren relativ gering, so dass daraus eindeutige Einflüsse nicht abgeleitet werden konnten. Dagegen zeigten die Versuche deutlich, dass die mineralische Gerbung und besonders die Chromgerbung gegenüber der pflanzlichen und auch synthetischen Gerbung eine wesentlich bessere Leitfähigkeit und damit einen deutlich kleineren Durchgangswiderstand aufwies. Der Durchgangswiderstand lag bei allen Chromledern und auch bei Ledern, die mit Zirkon und Aluminium nachgegerbt wurden, unter 100 MΩ. Dabei konnte auch beobachtet werden, dass mit zunehmendem Chromoxidgehalt der Leder eine Verminderung des Durchgangswiderstandes festzustellen war. Dies trat besonders deutlich in Erscheinung, wenn ein Angebot von über 2 % an Chromoxid auf Blößen- bzw. Spaltgewicht gegeben wurde.

Ein grundsätzlicher Einfluss von Maskierungsmitteln bei der Mineralgerbung auf den Durchgangswiderstand konnte nicht erkannt werden, da die Unterschiede zur normalen Chromgerbung so gering waren, dass keine Tendenz abgeleitet werden konnte. Die Werte für den Durchgangswiderstand sind aus Tab. 1 zu ersehen.

Bei der Gerbung mit pflanzlichen und synthetischen Gerbstoffen ließen die Werte erkennen, dass hier eine Verschlechterung des Durchgangswiderstandes eintrat, wobei mit zunehmendem Gerbstoffangebot der Durchgangswiderstand anstieg.


Tabelle 1

Dabei lag in allen Fällen der Durchgangswiderstand über 100 MΩ. Zwischen den einzelnen pflanzlichen und synthetischen Gerbstoffen konnte auch hier kein gesicherter Unterschied festgestellt werden. Diese Tendenz der Verschlechterung des Durchgangswiderstandes durch pflanzliche und synthetische Gerbstoffe konnte auch beobachtet werden, wenn mineralgegerbte Leder mit pflanzlichen oder synthetischen oder beiden Gerbstoffen zusammen nachgegerbt wurden. Durch diese Nachbehandlung trat grundsätzlich eine Verschlechterung der Leitfähigkeit ein, d. h., dass der Durchgangswiderstand wieder zunahm und die erhaltenen Werte über der festgesetzten und geforderten Grenze von 100 MΩ lagen. Allerdings zeigte sich auch, dass der Einfluss der Mineralgerbung noch gegeben war, denn die Werte erreichten nicht den Wert der rein pflanzlich und synthetisch gegerbten Leder.

Sie waren stets geringer als der Wert für das rein pflanzlich gegerbte Leder und lagen zwischen 200 und 400 MΩ. Die Versuche ließen gleichzeitig erkennen, dass diese Erscheinungen der Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit und Erhöhung des Durchgangswiderstandes mit steigenden Mengen an pflanzlichen oder synthetischen Gerbstoffen in der Nachgerbung zunahmen. Dies war ja auch schon bei den pflanzlichen und synthetischen Gerbungen festzustellen.

Diese oben angeführte Erscheinung der Zunahme des Durchgangswiderstandes ließ sich ebenfalls beobachten, wenn in der Nachgerbung Kombinationen von Harzgerbstoffen und pflanzlichen Gerbstoffen bei Chromleder eingesetzt wurden. Allerdings war der Anstieg des Durchgangswiderstandes auch hier nicht so extrem wie bei der rein pflanzlichen oder synthetischen Nachgerbung.

Dies ist selbstverständlich darauf zurückzuführen, dass weniger pflanzliche oder synthetische Nachgerbstoffe in der Kombination angeboten wurden. Aber auch hier wurde jeweils die 100 MΩ - Grenze überschritten. Auch diese Ergebnisse sind aus Tab. 1 zu ersehen.

Weitere Variationen der Nachgerbung auf Chromleder wurden mit Sulfochloriden und Aldehyden durchgeführt. Dabei konnte beobachtet werden, dass hier keine gesicherte Verschlechterung des Durchgangswiderstandes erhalten wurde, denn alle nachgegerbten Leder blieben im geforderten Bereich unter 100 MΩ.

Wurden allerdings zusätzlich zu den Sulfochloriden und Aldehyden wieder pflanzliche oder synthetische Gerbstoffe und auch Harzgerbstoffe eingesetzt, stieg der Durchgangswiderstand an und überschritt die geforderte Grenze von 100 MΩ. Auch dies ist aus Tab. 1 zu ersehen.

Somit zeigten diese Versuche ganz eindeutig den Einfluss der verschiedenen Gerbstoffe und Nachbehandlungen.

Allerdings dürften diese Ergebnisse auch damit zusammenhängen, dass der Wasserhaushalt des mineralgegerbten Leders günstiger liegt, als der von rein pflanzlich oder synthetisch gegerbten Ledern sowie von Kombinationen von Harzgerbstoffen und pflanzlichen Gerbstoffen. Diese Tatsache zeigt sich ja auch bei den verschiedenen Trocknungsarten 2, 3), bei denen pflanzlich gegerbtes Leder leichter Wasser abgibt als Chromleder.

Außerdem wird diese Erscheinung dadurch noch untermauert, dass bei längerer Klimatisierung von pflanzlich gegerbten Ledern über mehrere Wochen und anschließender Messung die elektrische Leitfähigkeit der Leder zunahm und der Durchgangswiderstand abnahm. Allerdings erreichte auch hier das pflanzlich gegerbte Leder erst einen Wert in den geforderten Grenzen, wenn der Wasserhaushalt der Leder über 20 %, d.h. im Bereich eines stollfeuchten Leders lag. Dies stimmt auch mit der Beobachtung und Tatsache 4) überein, dass nach einem kurzen Tragen von Schuhen der Durchgangswiderstand durch den von den Füßen abgegebenen Wasserdampf stark absinkt und die erforderlichen Werte erreicht.

b) Einfluss der Fettung

Zur Untersuchung des Einflusses der Fettstoffe auf die elektrische Leitfähigkeit und damit auf den Durchgangswiderstand wurden einheitlich chromgegerbte Leder mit verschiedenen Lederfettungsmitteln gelickert und auch in der Menge variiert. Die erhaltenen Ergebnisse ließen erkennen, dass durch die Fettung eine Verminderung des Durchgangswiderstandes erfolgte und diese um so größer war, je mehr Fettungsmittel angeboten wurde. Diese Tendenz dürfte darauf zurückzuführen sein, dass die Fettstoffe ein stärkeres Rückhaltevermögen für Feuchtigkeit besitzen und dies mit zunehmenden Fettmengen erhöht wird, was auch schon andere Autoren 5) festgestellt haben. Dadurch wird auch die Leitfähigkeit der Leder erhöht. Diese Erscheinung des Rückhaltevermögens für Feuchtigkeit von stark gefetteten Ledern ist auch aus der Trocknung bekannt. Stellen, an denen mehr Fett sitzt, haben nach der Trocknung einen höheren Wassergehalt. Ein gesicherter Unterschied zu den einzelnen Fettprodukten konnte nicht festgestellt werden, da alle Produkte stark ionischen Charakter aufwiesen. Auch bei der Fettung von pflanzlichen Ledern konnte die gleiche Erscheinung festgestellt werden wie bei den Chromledern, das bedeutet, dass mit zunehmenden Fettmengen die Leitfähigkeit ansteigt, was wieder auf das höhere Rückhaltevermögen für Feuchtigkeit von Fettstoffen zurückzuführen ist. Allerdings konnte bei den pflanzlich und synthetisch gegerbten Ledern festgestellt werden, dass eine Verbesserung der Leitfähigkeit und damit eine Erreichung des gewünschten Durchgangswiderstandes erst dann eintrat, wenn der Wassergehalt in den Ledern deutlich über 20 % lag.

Nachdem sich in den bisherigen Versuchen immer wieder feststellen ließ, dass die Verminderung des Durchgangswiderstandes in überwiegendem Maße durch den Wassergehalt der Leder hervorgerufen wird, wurde versucht, den Wassergehalt nicht allein durch Klimatisieren zu erreichen, sondern durch Einlagerung hygroskopischer Stoffe zu erhöhen, soweit solche Einlagerungen für den jeweiligen Verwendungszweck zulässig sind und nicht beim späteren Einsatz stören. Diese Produkte sind nicht an einen bestimmten konstitutionellen Aufbau gebunden, sondern müssen nur die Eigenschaft besitzen, einen zusammenhängenden Feuchtigkeitsfilm im Material auch bei geringer relativer Luftfeuchtigkeit aufrecht zu erhalten.

Es wurden daher Polyalkohole, wie z. B. Glyzerin oder Sorbit, und hygroskopische Salze eingesetzt, wobei diese Substanzen in die Leder eingewalkt wurden. Schon bei Einsatz von geringen Mengen konnte eine deutliche Verbesserung erzielt werden, wobei sich diese Verbesserung bei den pflanzlich und synthetisch gegerbten Ledern stärker auswirkte, als bei den chromgegerbten Ledern. Dies war verständlich, da die mineralgegerbten Leder schon im gewünschten Bereich lagen. Allerdings konnten wir auch feststellen, dass bei Zunahme der Einsatzmengen an hygroskopischen Substanzen sich das Leder in seinem grifflichen Verhalten änderte und sich dann feucht anfühlte. Eine solche Erscheinung sollte vermieden werden, da sonst der Tragekomfort leidet. In den meisten Fällen genügte schon ein Einsatz von 1 - 2 % der Substanzen, um eine deutliche Senkung des Durchgangswiderstandes zu erhalten und in die geforderten Grenzen zu kommen. Auch im Falle der hygroskopischen Salze, wie z. B. Magnesiumchlorid, wurde eine Verbesserung des Durchgangswiderstandes erreicht. Allerdings sind diese Salze mehr oder weniger nur eingelagert, so dass die Gefahr besteht, dass diese Substanzen einer Abwanderung unterliegen und an der Oberfläche Salzausschläge bilden und damit Schwierigkeiten bereiten können. Daher sind solche Substanzen nicht sehr geeignet und andere hygroskopische Mittel diesen vorzuziehen.

In weiteren Versuchen wurde dann die Möglichkeit untersucht, leitfähige Substanzen in das Leder einzuarbeiten. Als erstes Produkt wurde zunächst einmal Kohlenstoff in Form einer Pigmentanreibung in das Leder eingewalkt. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Leitfähigkeit der Leder deutlich zunahm und sich der Durchgangswiderstand stark verminderte. Auf diese Art und Weise konnten auch pflanzlich und synthetisch gegerbte Leder, ohne den Wassergehalt der Leder zu beeinflussen, den gewünschten Wert erreichen. Der Nachteil der Einarbeitung von Kohlenstoff in das Leder war jedoch der, dass die Leder sehr unansehnlich wurden, da sich der schwarze Kohlenstoff unregelmäßig verteilte und eine starke Fleckigkeit hervorrief. Aus diesem Grund dürfte dieser Weg ausscheiden, auch wenn ein sehr gutes Ergebnis vorlag, da solche Leder nicht in Schuhe eingearbeitet werden können, weil sie die Optik unangenehm verschlechtern.

Als weitere Möglichkeit wurde auch Metall in das Leder eingearbeitet und zwar in Form von kleinen Nieten. Durch diese Ausrüstung ist eine sehr starke Leitfähigkeit gegeben und der Durchgangswiderstand verminderte sich sehr deutlich, so dass bei allen Ledern die geforderten Werte erreicht werden konnten. Allerdings dürfte auch hier der Einsatz solch behandelter Leder nur beschränkt sein, da sie, wie beim Kohlenstoff, von der Optik und dem Tragekomfort her nicht sehr zweckmäßig sind und daher die Verwendbarkeit verschlechtern. Allerdings sind solch ausgestattete Leder schon im Einsatz und zwar dann, wenn mit hoch explosiven und brennbaren Substanzen gearbeitet wird. In weiteren Versuchen wurde dann der Einsatz oberflächenaktiver Substanzen und Antistatika untersucht, wobei viele Produkte eingesetzt wurden. Von diesen Produkten haben sich nur 6 für Leder als geeignet erwiesen und mit diesen wurden die Leder behandelt, wobei besonders die Einsatzmengen variiert wurden. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass erst eine deutliche Verminderung des Durchgangswiderstandes bei Einsatz von mindestens 1 % Trockensubstanz der Produkte erfolgte. Bei Einsatz von 2 % waren die Verbesserungen noch stärker ausgeprägt. Zwischen den einzelnen Produkten zeigten sich gewisse Unterschiede, die jedoch durch den mengenmäßigen Einsatz ausgeglichen werden konnten und gleichzeitig ließen diese Versuche erkennen, dass es unbedingt wichtig ist, eine gute Verteilung im Leder und an der Oberfläche zu erhalten, um eine Verminderung des Durchgangswiderstandes zu erreichen und in den Bereich des geforderten Wertes zu kommen. Interessant war auch in diesem Zusammenhang, dass sich unter den bei Ledern antistatisch wirksamen Produkten nur 3 befanden, die sich auf dem Textilsektor eingeführt haben, was bedeutet, dass bei Leder andere Bedingungen, wie z. B. andere Affinitätskräfte und offenere Struktur, vorliegen müssen, als bei synthetischen Fasern, und daher auch die dort über Antistatika vorliegenden Erfahrungen nicht ohne weiteres auf Leder übertragen werden konnten.

3. Zusammenfassung

Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen kann folgendes festgestellt werden:

1. Der für Leder geforderte Durchgangswiderstand von 100 MΩ hängt sehr stark von der Art der Gerbung ab. Dieser Durchgangswiderstand kann nur mit einer Mineralgerbung erreicht werden, wobei die Chromgerbung die besten Ergebnisse erbrachte.

2. Pflanzlich und synthetisch gegerbte Leder sowie mit pflanzlichen und synthetischen Gerbstoffen nachgegerbte Chromleder übersteigen diese Werte und geben einen erhöhten Durchgangswiderstand. Dies gilt auch bei Einsatz von Harzgerbstoffen.

3. Nachgerbung mit Sulfochloriden und Aldehyden zeigen keine großen Unterschiede zum reinen Chromleder. Die Werte für den Durchgangswiderstand liegen hier in den geforderten Grenzen.

4. Durch Einsatz von Fettungsmitteln, vor allem in erhöhter Menge, ist eine Verminderung des Durchgangswiderstandes möglich. Dies zeigt, dass vor allem der Wassergehalt in den Ledern eine wichtige Komponente für eine verbesserte Leitfähigkeit darstellt.

5. Der Einsatz von hygroskopischen Mitteln in Mengen von 1-2% senken den Durchgangswiderstand deutlich. Hierdurch können auch pflanzlich und synthetisch gegerbte Leder Werte erreichen, die in den geforderten Grenzen liegen. Der Wassergehalt der Leder muss allerdings deutlich über 20 % im Leder sein.

6. Hygroskopische Salze, die ebenfalls den Wert für den Durchgangswiderstand deutlich verringern, sollten nicht eingesetzt werden, da sie beim Trocknen Salzausschläge ergeben.

7. Bei Einsatz bestimmter oberflächenaktiver Substanzen und Antistatika kann ebenfalls ein Durchgangswiderstand erreicht werden, der den geforderten Werten entspricht.

Danksagung:

Wir danken dem Bundeswirtschaftsministerium für die uns für dieses Forschungsvorhaben über die AIF zur Verfügung gestellte finanzielle Unterstützung. Weiterhin danken wir den Herren Kleih, Mauthe und List für die Herstellung der Leder und die Durchführung der Messungen.

Literaturverzeichnis:

1. DIN 4843, Teil 1, Beuth-Verlag, Berlin. 2. H. Herfeld und W. Pauckner, Gerbereiwissenschaft und Praxis, September 1967. 3. W. Pauckner und H. Herfeld, Das Leder, 1968, 4, S. 84. 4. Nichtveröffentlichte Messungen an Sicherheitsschuhen. 5. H. Herfeld und M. Oppelt, Gerbereiwissenschaft und Praxis, September 1966.



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