BR102016029270B1 - Poliuretano hidrofílico, e, tinta de látex - Google Patents

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Abstract

ADITIVOS DE POLIÉTER-URETANO-UREIA PARA RESISTÊNCIA DE BLOCO E TEMPO ABERTO. Um poliuretano hidrofílico compreendendo unidades polimerizadas de: (a) um poliol solúvel em água tendo funcionalidade hidroxil de dois a quatro e um peso molecular médio ponderal de 800 a 16.000; e (b) um poli-isocianato alifático tendo funcionalidade isocianato de dois a seis; em que as unidades de óxido de etileno polimerizado compreendem pelo menos 85% em peso do referido poliuretano hidrofílico; e em que um produto de fração de peso de unidades de óxido de etileno polimerizado e peso molecular médio de óxido de polietileno é de 4.200 a 16.000.

Description

Campo da Invenção
[1] A presente invenção refere-se aos aditivos de poliéter-uretano- ureia (PEUU) que melhoram o tempo aberto em tintas de látex sem ter um efeito negativo substancial sobre a resistência de bloco.
Fundamento da Invenção
[2] Espessantes de uretano hidrofobicamente modificados (HEURs), que são produzidos a partir de poli-isocianatos e/ou di-isocianatos e glicóis, são conhecidos como polímeros solúveis em água contendo grupos hidrofóbicos. Os mesmos são classificados como espessantes associativos e frequentemente usados em formulações de tintas de látex, em que os grupos hidrofóbicos adsorvem nas superfícies das partículas de látex, dando origem ao aumento da viscosidade e características reológicas desejáveis sobre uma vasta faixa de taxas de cisalhamento. Por exemplo, US4079028 divulga espessantes HEUR.
[3] No entanto, o tempo aberto, definido como o período de tempo em que um filme de tinta úmido recém-aplicado pode ser pintado de novo sem impedir a formação de filme ou mudar a aparência física, é muitas vezes problemático em tintas de látex.
[4] Seria, portanto, um avanço na técnica de formulação de tinta látex melhorar o tempo aberto sem produzir um efeito negativo substancial sobre a resistência de bloco.
Sumário da Invenção
[5] A presente invenção é direcionada a um poliuretano hidrofílico compreendendo unidades polimerizadas de: (a) um poliol solúvel em água tendo funcionalidade hidroxil de dois a quatro; e (b) um poli-isocianato alifático tendo funcionalidade isocianato de dois a seis; em que as unidades de óxido de etileno polimerizado compreendem pelo menos 85% em peso do referido polímero de poliuretano hidrofílico. Descrição Detalhada da Invenção
[6] Todas as porcentagens são porcentagens em peso (% em peso), e todas as temperaturas estão em °C, salvo se indicado o contrário. Todas as operações são realizadas em temperatura ambiente (20-25°C) salvo de especificado o contrário.
[7] Como aqui utilizado, o termo “poliol solúvel em água” refere- se a um ou mais óxidos de polietileno, copolímeros de óxido de polietileno/óxido de polipropileno solúveis em água, copolímeros de óxido de polietileno/óxido de polibutileno solúveis em água, terpolímeros de óxido de polietileno/óxido de polipropileno/óxido de polibutileno solúveis em água e polióis solúveis em água compreendendo unidades polimerizadas de C3-C8 trióis (por exemplo, glicerol, trimetilolpropano) e unidades polimerizadas de pelo menos um de óxido de etileno, óxido de propileno e óxido de butileno. Somo aqui utilizado, o termo “solúvel em água” significa solúvel em água pelo menos na medida de 10% em peso, com base no peso total de solução (preferencialmente 20% em peso). Um aqui utilizado, o termo “poli- isocianato” refere-se a uma fonte de isocianato tendo pelo menos dois grupos isocianato por molécula. O termo “poli-isocianato alifático” refere-se a poli- isocianatos não aromáticos, ou seja, poli-isocianatos alifáticos acíclicos, bem como alifáticos cíclicos.
[8] Os polióis solúveis em água preferenciais têm funcionalidade hidroxil de dois a três, preferencialmente dois. Preferencialmente, polióis solúveis em água têm um peso molecular médio ponderal (Mw) na faixa de 900 a 16.000 Daltons, preferencialmente de 1.000 a 12.000, preferencialmente 1.000 a 10.000. Os polióis solúveis em água preferenciais incluem polietileno glicóis e glicerol etoxilado. Polietileno glicóis podem incluir até 15% em peso de unidades polimerizadas de C3-C4 óxidos de alquileno, preferencialmente não mais do que 10% em peso, preferencialmente não mais do que 5% em peso, preferencialmente não mais do que 2% em peso. Os polietilenoglicóis podem incluir polímeros de óxido de etileno protegidos em uma das extremidades com um grupo C1-C4 alquil, preferencialmente metil. Preferencialmente, polietileno glicóis têm um peso molecular médio ponderal (Mw) na faixa de 4.000 a 16.000 Daltons, preferencialmente 4.000 a 12.000, preferencialmente 6.000 a 10.000. Um exemplo de um polietileno glicol adequado é PEG 8000, que é comercialmente disponível como CARBOWAX™ 8000 Polietileno Glicol (uma marca registada de The Dow Chemical Company ou suas Filiais). Mw é medido pelo método de Cromatografia de Exclusão de Tamanho (SEC) descrito abaixo. Preferencialmente, glicerol etoxilado possui Mw de 800 a 1600, preferencialmente 1000 a 1400. Em uma modalidade preferencial, o polímero ainda compreende unidades polimerizadas de éteres alquil de mono- C1-C4 polietileno glicol, juntamente com um poliol tendo funcionalidade hidroxil de dois a três.
[9] Preferencialmente, o log P calculado (cLogP) para parte hidrofóbica, terminal ou ligante do espessante é de -1,5 a 4,5; preferencialmente -1,3 a 4,3. Preferencialmente, o espessante de poliuretano também compreende ureia e/ou biureto e/ou grupos alofanato. Por exemplo, grupos de ureia se formam quando os reagentes como aminas ou água são utilizados durante a preparação do espessante de poliuretano.
[10] Preferencialmente, o poliol solúvel em água tem pelo menos 90% em peso de unidades polimerizadas de óxido de etileno, preferencialmente pelo menos 92% em peso, preferencialmente pelo menos 94% em peso, preferencialmente pelo menos 95% em peso; preferencialmente não mais do que 99,5% em peso, preferencialmente não mais do que 99% em peso, preferencialmente não mais do que 98,5% em peso. A porcentagem de unidades polimerizadas de óxido de etileno é calculada em uma base de sólidos, ou seja, o peso seco do polímero sem considerar os solventes não reativos.
[11] Preferencialmente, o polímero de poliuretano hidrofílico compreende de 0,5 a 5% em peso de unidades polimerizadas de polióis solúveis em água compreendendo unidades polimerizadas de um C3-C8 triol (por exemplo, glicerol, trimetilolpropano) e pelo menos um de óxido de etileno, óxido de propileno e óxido de butileno; preferencialmente de 1 a 4% em peso. Preferencialmente, o poliol solúvel em água tem pelo menos 75% em peso de unidades de óxido de etileno, preferencialmente pelo menos 85% em peso.
[12] Preferencialmente, poliisocianatos têm uma funcionalidade isocianato de dois a cinco, preferencialmente de dois a quatro. Exemplos de di-isocianatos adequados incluem 1,4 tetrametileno di-isocianato, 1,6- hexametileno di-isocianato (HDI) e seus oligômeros (por exemplo, 1,3,5- tris(6-isocianato-hexil) 1,3,5-triazina-2,4,6(1H, 3H, 5H)-triona (trímero HDI) e trímero IPDI), 2,2,4-trimetil-1,6-di-isocianato, 1,10-decametileno-di- isocianato, 4,4’-metilenobis(isocianatociclo-hexano) (H12MDI), 2,4’- metilenobis (isocianatociclo-hexano), 1,4-ciclo-hexileno di-isocianato e 1- isocianato-3-isocianatometil-3,5,5- trimetilciclo-hexano (IPDI).
[13] Um produto de unidades de óxido de etileno polimerizado em percentual e óxido de polietileno de peso molecular médio demonstrou inesperadamente de correlacionar com desempenho em tempo aberto melhor nos poliuretanos da presente invenção. O peso molecular médio de óxido de polietileno (PEO) é o peso médio dos pesos moleculares (Mw) das unidades de óxido de polietileno no poliuretano. Por exemplo, um poliuretano tendo pesos iguais de óxidos de polietileno tendo valores de Mw de 8.000 e 2.000 tem um peso molecular médio de óxido de polietileno de 5.000. Preferencialmente, o produto de unidades de óxido de etileno polimerizado em percentual e peso molecular médio de óxido de polietileno é de pelo menos 4.400, preferencialmente pelo menos 4.500, preferencialmente pelo menos 5.000, preferencialmente pelo menos 6.000; preferencialmente não maior do que 12.000, preferencialmente não maior do que 10.000, preferencialmente não maior do que 9.000.
[14] O poliuretano hidrofílico pode ser preparado contatando em condições reativas o poliol solúvel em água, o poli-isocianato alifático e, opcionalmente, um ou mais de um éter de diol mono-C1-C4 (por exemplo, um polímero de um ou mais de etileno glicol, propileno glicol e butileno glicol com extremidade protegida com um grupo alquil inferior, preferencialmente metil) e uma diamina, preferencialmente uma diamina alifática. Preferencialmente, pelo menos um de diamina e éter alquil diol mono-C1-C4 é solúvel em água. Preferencialmente, a diamina ser uma C2-C6 diamina, preferencialmente C2-C4, preferencialmente etileno diamina. A ordem de carregamento de reagente pode ser variada como é geralmente conhecido para a síntese de polímeros de uretano. Por exemplo, todos os reagentes podem ser reagidos em conjunto em uma síntese de etapa única, ou os reagentes podem ser reagidos em qualquer sequência de síntese para atingir o polímero final desejado. Como é bem conhecido na técnica de polimerização de crescimento de etapa para produzir polímeros de uretano, a razão de equivalente molar dos ingredientes é utilizada para controlar essas propriedades como o peso molecular.
[15] Preferencialmente, Mw, do polímero de poliuretano hidrofílico é pelo menos 10.000, preferencialmente pelo menos 16.000, preferencialmente pelo menos 20.000, preferencialmente pelo menos 30.000; preferencialmente não maior do que 2.000.000, preferencialmente não maior do que 1.500.000, preferencialmente não maior do que 500.000, preferivelmente não maior do que 200.000.
[16] Poliuretanos hidrofílicos produzidos como aqui descrito não são meramente polímeros de uretano, mas podem ainda incluir combinações de pontos de ramificação de alofanato na estrutura do polímero e ligações de ureia. Os polímeros podem ainda incluir grupos de extremidade de amina primária ou pontos de ramificação de biureto na estrutura do polímero ou uma combinação dos mesmos.
[17] A presente invenção é ainda direcionada para uma tinta de látex compreendendo de 0,1 a 5% em peso de um poliuretano hidrofílico dessa invenção.
[18] Preferencialmente, a tinta de látex compreende pelo menos 0,2% em peso do poliuretano hidrofílico, preferivelmente pelo menos 0,3% em peso, preferencialmente pelo menos 0,4% em peso, preferencialmente pelo menos 0,5% em peso; preferencialmente não mais do que 4% em peso, preferencialmente não mais do que 3% em peso. As porcentagens são baseadas no peso total da tinta de látex.
[19] A presente invenção é ainda direcionada a um método para aumentar o tempo aberto de tinta de látex sem efeitos adversos substanciais sobre a resistência de bloco adicionando o poliuretano hidrofílico nas quantidades acima mencionadas.
Exemplos Exemplo 1
[20] Uma solução de polietileno glicol (8200 g/mol, 75,4 g) em tolueno (220 g) foi seca por destilação azeotrópica. Depois de a solução ser resfriada a 90 °C, DESMODUR N3600 (trímero HDI contendo 70% de trímero e pequenas quantidades de oligômeros superiores, funcionalidade global de NCO = 3,1) (1,37 g) e glicerol etoxilado (1236 g/mol, 1,68 g) foram adicionados respectivamente, e a solução foi agitada por 5 minutos. Octoato de bismuto (0,19 g) foi adicionado à solução, e a mistura de reação foi agitada por 1 hora. A mistura de reação foi resfriada até temperatura ambiente, e o solvente foi removido por meio de evaporação rotativa. O polímero foi isolado como um sólido branco. 0,9 PEG8000/0,3667 N3600/0,2 Gly- EO(26). Mn=14.000; Mw=161.000
Exemplo 2
[21] Uma solução de polietileno glicol (8200 g/mol, 82,2 g) em tolueno (202 g) foi seca por destilação azeotrópica. Depois, a solução foi resfriada a 90 °C, etileno diamina (0,075 g) foi adicionado, e a solução foi agitada por 5 minutos. DESMODUR N3600 (1,68 g) e glicerol etoxilado (1236 g/mol, 2,07 g) foram adicionados respectivamente, e a mistura de reação foi agitada por mais 5 minutos. Octoato de bismuto (0,21 g) foi adicionado, e a mistura de reação foi agitada por 1 hora. A mistura de reação foi resfriada até temperatura ambiente, e o solvente foi removido por meio de evaporação rotativa. O polímero foi isolado como um sólido esbranquiçado. 0,8 PEG8000/0,1 etileno diamina/0,3667 N3600/0,2 Gly-EO (26). Mn=13.000; Mw=1.300.000
Exemplo 3
[22] Uma solução de polietileno glicol (8200 g/mol, 115,8 g) em tolueno (216 g) foi seca por destilação azeotrópica. Depois de a solução ser resfriada a 90 °C, DESMODUR W (H12MDI 11,66 g) foi adicionado, e a solução foi agitada por 5 minutos. Octoato de bismuto (0,19 g) foi adicionado à solução, e a mistura de reação foi agitada por 1 hora. CARBOWAX MPEG2000 (2000 g/mol, 129,1 g) foi adicionado à mistura de reação em agitação, e a mistura foi agitada a 90 °C por mais uma hora. A mistura de reação foi resfriada até temperatura ambiente, e o solvente foi removido por meio de evaporação rotativa. O polímero foi isolado como um sólido branco. 0,35 PEG8000/1,1 DesW // 0,8 MePEG2000. Mn=7.300; Mw=13.500
Exemplo 4
[23] Uma solução de polietileno glicol (8200 g/mol, 76,6 g) em tolueno (216 g) foi seca por destilação azeotrópica. Depois de a solução ser resfriada a 90 °C, DESMODUR H (HDI 4,94 g) foi adicionado, e a solução foi agitada por 5 minutos. Octoato de bismuto (0,19 g) foi adicionado à solução, e a mistura de reação foi agitada por 1 hora. Polietileno glicol (8200 g/mol, 175,1 g) foi adicionado à mistura de reação em agitação, e a mistura foi agitada a 90 °C por mais uma hora. A mistura de reação foi resfriada até temperatura ambiente, e o solvente foi removido por meio de evaporação rotativa. O polímero foi isolado como um sólido branco. 0,35 E8000/1,1 HDI // 0,8 PEG8000. Mn=96.000; Mw=188.000
Exemplo 5
[24] Polietileno glicol (8200 g/mol, 1314,8 g) foi misturado a 110 °C sob câmara de vácuo cheio no reator de fusão de lote Sigma por 2 horas. Depois de o reator ser resfriado por 90 °C e purgado com nitrogênio, hidroxitolueno butilado (0,14 g) e etileno diamina (1,2 g) foram adicionados respectivamente para o reator, e a mistura fundida foi misturada por 5 minutos a 90 °C sob nitrogênio. DESMODUR N3600 (26,9 g) e glicerol etoxilado (1236 g/mol, 33,0 g) foram adicionados respectivamente ao reator, e a mistura de reação foi agitada por mais 5 minutos. Octoato de bismuto (3,3 g) foi adicionado ao reator, e a mistura de reação foi misturada por 10 minutos a 90 °C. O polímero fundido resultante foi removido do reator e resfriado para temperatura ambiente. 0,8 PEG8000/0,1 etileno diamina/0,3667 N3600/0,2 Gly-EO (26). Mn=13.000; Mw=1.300.000
Exemplo 6 (Comparativo)
[25] Uma solução de polietileno glicol (4000 g/mol, 102,6 g) em tolueno (287 g) foi seca por destilação azeotrópica. Depois, a solução foi resfriada a 90 °C, etileno diamina (0,193 g) foi adicionado, e a solução foi agitada por 5 minutos. DESMODUR N3600 (4,30 g) e glicerol etoxilado (1236 g/mol, 5,28 g) foram adicionados respectivamente, e a mistura de reação foi agitada por mais 5 minutos. Octoato de bismuto (0,26 g) foi adicionado, e a mistura de reação foi agitada por 1 hora. A mistura de reação foi resfriada até temperatura ambiente, e o solvente foi removido por meio de evaporação rotativa. O polímero foi isolado como um sólido branco. 0,8 PEG8000/0,1 etileno diamina/0,3667 N3600/0,2 Gly-EO (26)
Exemplo 7 (Comparativo)
[26] Uma solução de polietileno glicol (4000 g/mol, 73,6 g) em tolueno (220 g) foi seca por destilação azeotrópica. Depois de a solução ser resfriada a 90 °C, DESMODUR N3600 (2,74 g) e glicerol etoxilado (1236 g/mol, 3,36 g) foram adicionados respectivamente, e a solução foi agitada por 5 minutos. Octoato de bismuto (0,38 g) foi adicionado à solução, e a mistura de reação foi agitada por 1 hora. A mistura de reação foi resfriada até temperatura ambiente, e o solvente foi removido por meio de evaporação rotativa. O polímero foi isolado como um sólido branco. 0,9 PEG4000/0,3667 N3600/0,2 Gly-EO(26)
Figure img0001
[27] OT é tempo aberto; 1dia bloco em Newtons; 1d aderência em Newtons; OTE-500 é um aditivo de tempo aberto comercial (Aditivo RHODOLINE OTE-500, Solvay, Inc.) que compreende tristirilfenóis de sulfato não iônicos e aniônicos; % de aditivo é com base no peso total da tinta de látex.
[28] Enquanto OTE-500 tem bom tempo aberto, degrada a resistência de bloco, resistência de aderência, nivelamento, e resistência a manchas, enquanto que os polímeros desta invenção têm um bom tempo aberto e efeito menor ou mínimo sobre o bloco, aderência, nivelamento, e mancha em comparação com OTE-500. O produto do Ex. 2 demonstrou surpreendentemente aumentar a resistência de aderência e bloco em comparação com o controle.
Figure img0002
[29] OT geralmente aumenta com o aumento do nível. No entanto, OTE-500 muitas vezes não pode ser usado a 1% devido ao comprometimento do bloco e resistência de aderência, enquanto PEU e PEUU podem ser usados em nível mais alto e, portanto, pode praticamente aumentar o tempo aberto em relação a OTE-500.
Figure img0003
[30] O tempo aberto foi medido de acordo com ASTM-D7488. Os estudos de resistência a manchas foram realizados aplicando primeiro a formulação de tinta a um substrato de vinil branco com uma lâmina de separação de 7 mil (0,18 mm). O filme repousou por 7 dias e os substratos foram digitalizados utilizando um digitalizador de mesa calibrado para obter uma medição de linha de base. As manchas foram então aplicadas para o filme seco e repousadas por 2 h antes de serem submetidas ao teste de remoção: Meio não abrasivo Leneta SC-1 foi combinado com água (3:2 v/v) para formar uma solução. Um filme fino da solução foi aplicado ao revestimento manchado; uma esponja não abrasiva foi mergulhada na solução por 10 s, então contatada com o revestimento manchado a uma pressão de cerca de 5 kPa e oscilada em 60 ciclos/min (frente e para trás = 1 ciclo) por 100 s. Os substratos esfregados foram lavados com água e os substratos manchados foram fotografados com o digitalizador para medir a diferença média quadrática em coordenadas Lab entre a linha de base e as manchas esfregadas (ΔE76).
[31] Os rebaixamentos de nivelamento foram feitos usando um análogo em miniatura do Teste de Lâmina de Nivelamento Leneta LTB-2. Os rebaixamentos foram secos horizontalmente sob condições CTR. Os filmes secos foram fotografados e analisados utilizando software personalizado calibrado para imitar Padrões de Nivelamento de Rebaixamento Leneta LS-2.
[32] As amostras revestidas foram curadas por 24 horas a 22 °C e 50% RH. Um tribômetro de alto rendimento, automatizado, personalizado foi usado para medir a aderência. Uma esfera de aço inoxidável Tipo 304, 3/8” (9,5 mm) de diâmetro, foi colocada sobre a superfície do revestimento usando 1 N de força. Esta força foi aplicada por 5 s após o que a força necessária para remover a esfera a partir da superfície foi medida.
[33] As amostras revestidas foram curadas por 24 horas a 22 °C e 50% RH. As amostras foram cortadas com precisão até 0,5” x 0,5” (12,7 x 12,7 mm) com um laser Epilog Zing. Duas amostras revestidas foram colocadas em contato uma com a outra sob um peso exercendo 8 kPa de pressão por 30 minutos a 50 °C. A força necessária para separar os mesmos foi então medida utilizando um Analisador de Textura TA-XT Plus.

Claims (12)

1. Poliuretano hidrofílico, caracterizado pelo fato de que compreende unidades polimerizadas de: (a) um poliol solúvel em água tendo funcionalidade hidroxil de dois a quatro e um peso molecular médio ponderal de 800 a 16.000; (b) um poli-isocianato alifático tendo funcionalidade isocianato de dois a seis; e (c) pelo menos um de (i) um éter alquil mono-C1-C4 de um polímero de um ou mais de etileno glicol, propileno glicol e butileno glicol, e (ii) uma diamina alifática C2-C6; em que as unidades de óxido de etileno polimerizado no poliuretano hidrofílico compreendem pelo menos 85% em peso do referido poliuretano hidrofílico; e em que um produto de fração de peso de unidades de óxido de etileno polimerizado e peso molecular médio de óxido de polietileno é de 4.200 a 16.000.
2. Poliuretano hidrofílico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que (c) pelo menos um de (i) um éter alquil mono- C1-C4 de um polímero de um ou mais de etileno glicol, propileno glicol e butileno glicol, e (ii) uma diamina alifática C2-C6 é (ii) uma diamina alifática C2C6.
3. Poliuretano hidrofílico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que Mw do poliuretano hidrofílico é de 10.000 a 2.000.000.
4. Poliuretano hidrofílico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as unidades de óxido de etileno polimerizado compreendem pelo menos 90% em peso do referido poliuretano hidrofílico.
5. Poliuretano hidrofílico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o poliol solúvel em água compreende: (i) um polietileno glicol solúvel em água tendo um peso molecular médio de 4.000 a 10.000, e (ii) um glicerol etoxilado tendo um peso molecular médio ponderal de 800 a 1.600.
6. Poliuretano hidrofílico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um poliol solúvel em água tendo funcionalidade hidroxil de dois a quatro que compreende um polietileno glicol solúvel em água tendo um peso molecular médio ponderal de 6.000 a 10.000.
7. Poliuretano hidrofílico, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o poliol solúvel em água compreende adicionalmente: um glicerol etoxilado tendo um peso molecular médio ponderal de 800 a 1.600.
8. Poliuretano hidrofílico, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as unidades de óxido de etileno polimerizado compreendem pelo menos 90% em peso do referido poliuretano hidrofílico.
9. Tinta de látex, caracterizada pelo fato de que compreende de 0,1 a 5% em peso de um poliuretano hidrofílico como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.
10. Tinta de látex, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que (c) pelo menos um de (i) um éter alquil mono- C1-C4 de um polímero de um ou mais de etileno glicol, propileno glicol e butileno glicol, e (ii) uma diamina alifática C2-C6 é (ii) uma diamina alifática C2C6.
11. Tinta de látex, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que o poliol solúvel em água compreende: (i) um polialquileno glicol solúvel em água tendo um peso molecular médio de 4.000 a 10.000, e (ii) um glicerol etoxilado tendo um peso molecular médio ponderal de 800 a 1.600.
12. Tinta de látex, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que Mw do poliuretano hidrofílico é de 10.000 a 2.000.000.
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