CH625823A5 - - Google Patents
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von über freie Hydroxylgruppen härtbaren, Urethanäquivalentgewichte von 150 bis 850 aufweisenden Polyesterurethanen aus mindestens bifunktionellen, hydroxylgruppenhaltigen, gesättigten Polyestern und mindestens bifunktionellen aromatischen Isocy- 45 anaten zur Herstellung von direktverzinnbaren, lackisolierten Drähten.
Lackisolierte Wickeldrähte, sogenannte Lackdrähte bzw. isolierte elektrische Leiter, kommen in grossem Umfang im Elektromaschinenbau, Transformatorenbau und in der Elektro- 50 nik zum Einsatz.
Das Leitermetall, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium, ist mit einer dünnen, jedoch mechanisch und thermisch äusserst widerstandsfähigen Kunstharzlackschicht isoliert.
Die Herstellung derartiger Lackdrähte erfolgt auf Draht- 55 lackiermaschinen durch mehrfaches kontinuierliches Auftreten eines Drahtlackes, d. h. im Prinzip der Lösung eines organischen Kunstharzes in einem Lösemittel, auf den Metalldraht. Der jedem Lackauftrag nachfolgende Einbrennprozess bewirkt ein Verdampfen der Lösemittel und die Härtung des Lackfilms. Die anfallenden Lösemitteldämpfe werden durch einen Ventilator aus der Einbrennkammer entfernt. Um einen glatten, blasen- und lösungsmittelfreien Lackfilm zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Anzahl der Lackaufträge soweit wie möglich zu erhöhen und dabei die einzelnen Schichtstärken dünn zu halten.
Die Einbrenntemperatur liegt zwischen 300 und 550 °C und ist abhängig von der Lackbasis, dem Drahtdurchmesser, der Kammerlänge und der Abzugsgeschwindigkeit. Die Einteilung nach Lackdrahttypen geschieht u. a. nach den Merkmalen M, B und W. Hierbei bedeutet M «für mechanische Beanspruchung», B «verbackbar» und W «wärmebeständig».
Technische Lieferbedingungen für Kupferlackdrähte obengenannter Typen sind in DIN 46416, Blatt 1, Blatt 3, Blatt 4 und Blatt 5 aufgeführt.
DIN 46416, Blatt 2, beinhaltet den Typ V, d. h. direkt verzinnbare Kupferlackdrähte.
Dieser Lackdraht-Typ (gelegentlich auch als lötbarer Lackdraht bezeichnet) hat für die Fernseh- und Rundfunkindustrie (d. h. das Gebiet der Unterhaltungselektronik) sowie für das Fernmeldewesen beträchtliche Bedeutung erlangt.
Bei dem Verzinnungsprozess wird die Lackisolation durch Eintauchen in ein heisses Lötbad selbständig entfernt und gleichzeitig der Draht mit dem Lötzinn überzogen.
Dieses Verhalten ermöglicht ein Verzinnen von Lackdraht-anschlussenden, ohne dass sonst notwendige mechanische Abisolieren, was bei den in obengen. Branchen eingesetzten Fein- und Feinstdrähten auch technisch kaum möglich wäre. Bei den beim Verzinnungsprozess üblichen Temperaturen von ca. 370 °C zieht das Zinn direkt auf den Kupferdraht auf. Für die obengenannte Industrie, in der an jedem Gerät eine Vielzahl von Lötstellen bearbeitet werden muss, kann die durch diese Eigenschaft bewirkte Rationalisierungsmöglichkeit nicht hoch genug eingeschätzt werden.
Dieses Einsatzgebiet wird nun schon seit über 20 Jahren von den Lackdrähten mit Polyurethan-Überzügen beherrscht.
Urethangruppen werden nämlich bei den genannten hohen Temperaturen im Zinnbad reversibel aufgespalten, wobei niedermolekulare Spaltprodukte entstehen, die gleichzeitig als Flussmittel für das Lötzinn wirken.
Die zugrunde liegenden «Polyurethan-Drahtlacke» enthalten gemäss dem Stand der Technik als Harzkomponente Verbindungen mit mindestens zwei freien Hydroxylgruppen pro Molekül, vorzugsweise hydroxylgruppenhaltige gesättigte Polyester sowie verkappte bi- oder höherfunktionelle Isocya-nate harzartiger Konsistenz.
Als Polyester fungieren beispielsweise solche aus Phthal-säureanhydrid oder Isophthalsäure, Äthylenglykol und Glyce-rin oder Trimethylolpropan mit Hydroxylgruppengehalten von ca. 10-15 Gew.-%, als Polyisocyanat kommt fast ausschliesslich ein aus Trimethylolpropan und ToIuylen-2,4-diisocyanat hergestelltes trifunktionelles Isocyanat, dessen freie Isocyanatgrup-pen mit Phenol umgesetzt wird, zum Einsatz. Es besitzt folgende Strukturformel:
3
625823
jm eoo -o
3H„-O0C-NH—^ \ CH
CH3-CH2-C^—CH2 - OOC-NH ^ ^CH3
_NHCOO
/t-
-O
KH-COO (/ y
—TX W
CH2-OOC-NH —<_> CII3
Dieses u. a. von der Bayer AG unter der Bezeichnung Des- 2o modur ®AP stabil vertriebene Produkt ist zur Zeit praktisch das einzige Isocyanat, welches Polyurethan-Drahtlacken für direkt verzinnbare Lackdrähte die von der Praxis geforderten Eigenschaften, vor allem eine vollständige Verzinnbarkeit unter den praxisüblichen Bedingungen (Lötbadtemperatur von 375 °C) in 2s kurzen Zeiten (möglichst nicht >2 s) sowie gute mechanische Eigenschaften, verleiht und die weitere wichtige Forderung, nämlich die Herstellung von Einkomponentenlacken, ermöglicht.
Gerade die letztgenannte Forderung ist zur Zeit für Elek- 30 troisolierlacke unabänderlich.
Bei der praktisch ausschliesslich durchgeführten kontinuierlichen Verarbeitung auf Lackiermaschinen ist es wesentlich, dass die Mischungskomponenten des Lackes in den Lackbädern bei Normaltemperatur stabil bleiben und erst bei erhöhter 35 Temperatur im Einbrennschacht miteinander reagieren.
Die Erzielung gleichmässig starker Filmaufträge setzt ferner eine möglichst konstante Viskosität des Einkomponentenlackes bei Normaltemperatur voraus.
Durch die obenerwähnte Umsetung mit Phenol wird nun 40 ein Schutz der freien Isocyanatgruppen gegen vorzeitige Umsetzung mit den alkoholischen Hydroxylgruppen des Reaktionspartners erreicht. Durch diese Verkappung (auch Blockierung oder Maskierung genannt) sind Mischungen aus Hydro-xylkomponenten mit diesem trifunktionellen Isocyanat bei 45 Normaltemperatur und auch noch bei leicht erhöhter Temperatur praktisch unbeschränkt lagerfähig.
Erst bei Temperaturen oberhalb 130 °C, d. h. beim Einbrennprozess, findet Abspaltung des Phenols und Reaktion der nunmehr freigesetzten Isocyanatgruppen mit den Hydro-xylkomponenten statt.
Andere als Verkappungsmittel für die Isocyanatgruppen grundsätzlich in Frage kommende Substanzen haben im Zusammenhang mit lötbaren Drahtlacken keine Bedeutung erlangt.
So scheidet beispielsweise die Verkappung von Isocyana-ten mit Alkoholen wegen der zu hohen Rückspaltungstempera-tur - die als praktische Konsequenz die Abzugsgeschwindigkeit der Lackdrähte zu stark begrenzte - für die Praxis aus.
Die Lacklösungen gemäss dem Stand der Technik enthal- 6o ten als Hauptlösemittel vorzugsweise ein Gemisch aus Phenolen und den isomeren Kresolen und Xylenolen. Diese hochgiftigen Substanzen verdampfen beim Einbrennprozess gemeinsam mit den abgespaltenen phenolischen Verkappungsmitteln.
Zur Vermeidung von ernsten Umweltschädigungen sind 65 aufwendige Abgasreinigungsmassnahmen erforderlich.
Der Erfindung liegt u. a. die Aufgabe zugrunde, Lacke für direkt verzinnbare Lackdrähte zu schaffen, die andere als phe50
55
nolische Lösemittel enthalten.
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von über freie Hydroxylgruppen härtbaren Polyesterurethanen mit Urethanäquivalentgewichten von 150-850, vorzugsweise 200-350, die durch Umsetzung von zwei- und/oder höherfunktionel-len hydroxylgruppenhaltigen gesättigten Polyestern und zwei-und/oder höherfunktionellen aromatischen Isocyanaten hergestellt und in phenolfreien organischen Lösemitteln gelöst worden sind, zur Herstellung von lackisolierten Drähten, die gemäss DIN 46416, Teil 2, direkt verzinnbar sind.
Die Herstellung der Polyesterurethane mit freien Hydroxylgruppen, auf die hier kein Schutzanspruch erhoben wird, erfolgt durch Addition von zwei- und/oder höherfunktionellen aromatischen Isocyanaten an zwei- und/oder höherfunktionelle hydroxylgruppenhaltige gesättigte Polyester im Temperaturbereich von ca. 100-200 °C.
Als aromatische Isocyanate kommen u. a. in Frage: Toluy-len-2,4- oder -2,6-diisocyanat bzw. das handelsübliche Isomerengemisch aus den vorgenannten Verbindungen, 4,4'-Diisocyana-todiphenylmethan, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diisocyanatodiphenylme-than, 1,5-Napthylendiisocyanat, 2,4-Diisocyanatodiphenyläther, Diisocyanatodibenzyl.
Bei Verwendung aliphatischer Isocyanate resultieren infolge der höheren thermischen Beständigkeit der gebildeten Ureth-angruppierungen Lackdrähte mit verfahrenstechnisch ungünstiger, weil zu langer Lötzeit.
Die Polyesterurethane an sich sind bekannt, beispielsweise lineare Addukte zur Herstellung kautschukelastischer Stoffe mit besonders guter Kältefestigkeit.
Im Unterschied zu den hier zur Diskussion stehenden hydroxylgruppenhaltigen Polyesterurethanen handelt es sich jedoch um solche mit Isocyanatendgruppen (Einzelheiten s. E. Müller in Houben-Weyl, Makromolekulare Stoffe II, G. Thieme Verlag, Stuttgart, 1963, und Vieweg/Höchtlen, Polyurethane,
Carl Hanser Verlag, München, 1966).
Die Verwendung von über freie Hydroxylgruppen härtbaren Polyesterurethanen, die in phenolfreien organische Lösemitteln gelöst worden sind, zur Herstellung von dirèkt verzinnbaren lackisolierten Wickeldrähten ist noch nicht vorgeschlagen worden.
Unter dem Begriff hydroxylgruppenhaltige gesättigte Polyester sind vorzugsweise verzweigte Polykondensationspro-dukte mit relativ niedrigem Kondensationsgrad zu verstehen.
Als Rohstoffe für derartige Hydroxyesterharze, d. h. hydroxylgruppenhaltige Polyester, kommen die üblichen polyfunktionellen Carbonsäuren und Alkohole zum Einsatz, aus wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise o-Phthalsäure (als Anhydrid), Isophthalsäure, Adipinsäure, Äthylenglykol, Propylenglykol-1,2, Butylenglykol-1,3, Glycerin, T rimethylolpropan.
625 823
4
Im Einklang mit allgemein bekannten Gesetzmässigkeiten der Kunstharzchemie werden bei Einsatz von vorzugsweise aromatischen Komponenten (ortho- und Isophthalsäure) höher schmelzende härtere Harze und bei Einsatz von vorzugsweise aliphatischen Komponenten (Adipinsäure) niedriger schmel- 5 zende weichere Harze erhalten, deren Eigenschaften sich auch auf das Endprodukt übertragen.
Zur Rezeptierung der Hydroxyesterharze im einzelnen ist nun zu bemerken, dass - der Aufgabenstellung dieser Stoffklasse entsprechend - die Alkoholkomponenten gegenüber 10 den Säurekomponenten zwangsläufig im Überschuss eingesetzt werden müssen.
Je grösser der Alkoholüberschuss im Ansatzgemisch ist, um so niedriger wird das Molekulargewicht des Harzes. Im Extremfall - bei einem Molverhältnis von polyfunktionellen 15 Alkoholen zu difunktionellen Säuren wie 2:1 - resultieren lediglich Diester folgender Struktur:
0.
HO,
-
R ~ C '
R» - O
JO
-0 - R ' — Oli
HO
Hierbei wurde angenommen, dass die Alkoholkomponente aus einem Gemisch von di- (R') und trifunktionelle (R") Alko- 25 holen im Molverhältnis 1:1 besteht. Selbstverständlich ist auch jedes sonstige Verhältnis Diol zu Triol denkbar und praktikabel.
Die durch Addition der obengenannten Polyisocyanate an Hydroxyesterharze resultierenden Polyesterurethane mit 30 freien Hydroxylgruppen benötigen zur Stabilisierung weder phenolische Verkappungsmittel wie die vorbeschriebenen, dem Stand der Technik entsprechenden Lacke, noch kommen phenolische Lösemittel bei ihrer Weiterverarbeitung zum Einsatz. Die Drahtlackfertigung erfolgt vielmehr mit den in der 35 Lackindustrie durchaus üblichen und weitaus weniger gefährlichen, vorzugsweise höhersiedenden, Lösemitteln wie z. B.
Methyl-, Äthyl- und Butylglykolacetat, Glykolsäurebutylester, Methyl-, Äthyl- und Butyldiglykol, Isopropylglykol, Methoxybu-tanol, Diacetanalkohol, Cyclohexcylacetat, Methoxyhexanon, 40 Diisobutylketon, Cyclohexylacetat, Äthylenglykoldiacetat u.a.
Diese Lösemittel können mit höhersiedenden Aromaten wie z. B. Xylol, Cumol oder dem unter der Bezeichnung «Sol-ventnaphtha» handelsüblichen Aromatengemisch verschnitten werden. 45
Zwecks Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit können den Drahtlacken bekannte Umesterungskatalysatoren wie z. B. organische Titansäureester, insbesondere Äthyltitanat, n-Propyltitanat, Isopropyltitanat, n-Butyltitanat undTriäthanol-amintitanat in Mengen von vorzugsweise 0,1 -2 Gew.-% zuge- 50 setzt werden, ausserdem weitere metallorganische Verbindungen wie insbesondere Bleioktoat, Zinknaphthenat oder Zinn-II-oxalat.
Die resultierenden Lacklösungen haben bei Festkörpergehalten von ca. 30-50 Gew.-% verarbeitungstechnisch günstige, 55 weil niedrige, Viskositäten von unter 400 mPas bei Normaltemperatur. Im Gegensatz zu den handelsüblichen enthalten diese Drahtlacke also keine die Handhabung beeinträchtigenden ätzenden oder aggressiven Stoffe.
Mit diesen Lacklösungen werden - wie oben beschrieben - 60 in bekannter Weise auf Drahtlackiermaschinen Metalldrähte, vorzugsweise Kupfer- oder Aluminiumdrähte, beschichtet,
wobei als Vorteil gegenüber dem bekannten Stand der Technik zu vermerken ist, dass hierbei keinerlei phenolische Bestandteile abgespalten werden.
Die resultierenden Lackdrähte sind im Sinne DIN 46416,
Blatt 2, dem Typ V zuzurechnen, d. h. es handelt sich um direkt verzinnbare Kupferlackdrähte.
Beispiel 1
Herstellung des Polyesterurethans
In einem 5-Liter-Planschliffkolben mit Rührwerk und aufgesetztem Wasserabscheider werden 664 g Isophthalsäure (4 Mol), 310 g Äthylenglykol (5 Mol), 184 g Glycerin (2 Mol) und 268 g Trimethylolpropan (2 Mol) unter Rühren und Durchleiten von Inertgas auf 220 °C erhitzt.
Als Kondensat fallen im Wasserabscheider 144 g Wasser (theor.) an. Es ist darauf zu achten, dass die Kopftemperatur während der Veresterung 100 °C nicht übersteigt.
Nach Abspaltung des Kondensates wird der Kolbeninhalt auf 150 °C gekühlt und die Vorlage mit Xylol gefüllt. Mit 100 ml zusätzlichem Xylol wird das restliche Wasser ausgekreist.
Nach 30 Minuten wird die Vorlage entleert, das restliche Xylol abdestilliert und der Kolbeninhalt sodann auf 140 °C gekühlt.
Es werden 600 g Methyldiglykol zugegeben und mittels eines Tropftrichters 696 g Toluylen-2,4-diisocyanat (4 Mol) langsam zugetropft. Es tritt eine exotherme Reaktion ein. Nach Beendigung der Isocyanat-Zugabe wird der Kolbeninhalt noch 2 Stunden bei 150 °C gehalten und dann in 1378 g Xylol aufgenommen.
Einstellung und Katalysierung des Esterurethan-Drahtlackes
Die nach Beispiel 1 erhaltene Polyesterurethan-Lösung wird mit 1187 g Methyldiglykol und 395,7 g Xylol verdünnt und sodann mit 19,8 g Triäthanolamintitanat katalysiert.
Die Auslaufzeit, gemessen im DIN-Becher mit 4 mm Düse bei 23 °C betrug 22 s, der Festkörpergehalt (1 g Einwaage, 1 Std. Erhitzen bei 180 °C) betrug 41,7%.
Isolierung des elektrischen Leiters:
Die Beschichtung eines 0,14 mm Kupferblankdrahtes wurde in kontinuierlicher Fahrweise mit einem 1,75-m-Horizon-talofen bei einer Ofentemperatur von 500/520 °C und einer Abzugsgeschwindigkeit von 100 m/min durchgeführt.
Die für diesen Blankdrahtdurchmesser erforderliche Lackauftragsstärke von 21 (i wurde mit 8 Durchzügen erzielt.
Die Eigenschaftsworte des hergestellten Lackdrahtes sind wie folgt: (sofern nicht anders vermerkt nach DIN 46453)
Oberflächenhärte (Bleistifthärte)
Wickelfestigkeit nach 25% Vordehnung Hitzeschock
Verzinnbarkeit bei 375 °C Erweichungstemperatur
5 H 84%
1 Std. 185 °C, 1 x 0 in Ordnung 0,20-0,25 s 220 °C
65
Beispiel 2
Herstellung des Polyesters Ester A
In einem 1-Liter-Planschliffkolben mit Rührwerk und aufgesetztem Wasserabscheider werden 166 g Isophthalsäure (1 Mol), 134 g Trimethylolpropan (1 Mol) und 92 g Glycerin (1 Mol) unter Rühren auf 220 °C erhitzt.
Im Wasserabscheider fallen 36 g Wasser an. Die Kondensation wird beendet, wenn die Säurezahl kleiner als 1 ist.
Ester B
In einem l-Liter-Planschliffkolben mit Rührwerk und aufgesetztem Wasserabscheider werden 146 g Adipinsäure (1 Mol), 118g Hexadiol-1,6 ( 1 Mol) und 62 g Äthylenglykol ( 1 Mol) unter Rühren auf 220 °C erhitzt.
Im Wasserabscheider fallen 36 g Wasser an. Die Kondensation wird beendet, wenn die Säurezahl kleiner als 1 ist.
Herstellung des Polyesterurethans
In einem 5-Liter-PIanschliffkolben mit Rührwerk und aufgesetztem Kühler werden 435 g des Esters B (1,5 Mol) in 723 g
5
625 823
Methyldiglykol und 544,2 g Xylol gelöst, der Kolbeninhalt auf 140 °C geheizt und 541,8 g Desmodur L (67%ig in Äthylglykol-acetat : Xylol = 1:1) der Fa. Bayer AG, entsprechend 0,55 Mol des Adduktes von 3 Mol Toluylen-2,4-diisocyanat an 1 Mol Trimethylolpropan, innerhalb eines Zeitraumes von 15-20 Minuten zugegeben. Durch die exotherme Reaktion steigt die Temperatur auf 150 °C an.
Nachdem die Mischung ca. 1 Vi Stunden bei 150 °C gehalten wurde, war die Reaktion beendet und es wurden 356 g des Esters A (1 Mol) zugesetzt.
Bei 140 °C wurden 174 g Toluylen-2,4-diisocyanat (1 Mol) in 15 Minuten zugetropft. Der Kolbeninhalt wird 1 Stunde bei 150 °C gehalten, dann werden 31 g Äthylenglykol (0,5 Mol) und weitere 87 g Toluylen-2,4-diisocyanat (0,5 Mol) zugegeben. Danach wurde das Reaktionsgemisch 2 Stunden bei 160 °C gehalten. Nach Abkühlung auf ca. 40 °C wird der Kolbeninhalt mit 375 g Xylol und 250 g Äthanol verdünnt und mit 14,5 g Tri-äthanolamintitanat katalysiert.
Auslaufzeit im DIN-Becher4 mm/23 °C = 22 s Festkörper nach 1 Std. 180 °C, 1 g Einwaage = 46,1%.
Isolierung des elektrischen Leiters: Der Beschichtungsver-such eines 0,14 mm Kupferblankdrahtes wurde in kontinuierlicher Fahrweise mit einem 1,75-m-Horizontalofen bei einer 5 Ofentemperatur von 500/520 °C und einer Abzugsgeschwindigkeit von 100 m/min durchgeführt.
Die für diesen Blankdrahtdurchmesser erforderliche Lackauftragsstärke von 21 p. wurde mit 8 Durchzügen erzielt, io Die Eigenschaftswerte des hergestellten Lackdrahtes sind wie folgt:
Oberflächenhärte
(Bleistifthärte) nach DIN 46453 4 H
15 Wickelfestigkeit nach 25% Vordehnung 70%
Hitzeschock 1 Std. 185 °C
1 x 0 in Ordnung
Verzinnbarkeit bei 375 °C 0,40-0,45 s
Erweichungstemperatur nach DIN 46453 210 °C
G
Claims (7)
- 625 823PATENTANSPRÜCHE1. Verwendung von über freie Hydroxylgruppen härtbaren, Urethanäquivalentgewichte von 150 bis 850 aufweisenden Polyesterurethanen aus mindestens bifunktionellen, hydroxyl-gruppenhaltigen, gesättigten Polyestern und mindestens 5 bifunktionellen aromatischen Isocyanaten zur Herstellung von direkt verzinnbaren, lackisolierten Drähten, gekennzeichnet durch Auflösen der genannten Polyesterurethane in phenolfreien, organischen Lösungsmitteln und durch Aufbringen der so erhaltenen Lösung auf die Drähte. io
- 2. Verwendung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyesterurethane ein Urethanäquivalentgewicht von 200 bis 350 aufweisen.
- 3. Verwendung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung der Polyesterurethane auf Kupfer- oder 15 Aluminiumdrähte aufgetragen wird.
- 4. Verwendung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel höhersiedende Lösungsmittel, vorzugsweise Methyl-, Äthyl- oder Butylglykolacetat, Glykolsäure-butylester, Methyl-, Äthyl- oder Butyldiglykol, Isopropylglykol, 20 Methoxybutanol, Diacetonalkohol, Cyclohexanon, Methoxyhe-xanon, Diisobutylketon, Cyclohexylacetat oder Äthylenglykol-diacetat oder Gemische dieser Lösungsmittel, verwendet werden.
- 5. Verwendung gemäss einem der voranstehenden Ansprü- 25 che, dadurch gekennzeichnet, dass den Lösungen der Polyesterurethane in einem phenolfreien, organischen Lösungsmittel Umesterungskatalysatoren, vorzugsweise organische Titansäureester, insbesondere Äthyltitanat, n-Propyltitanat, Isopropylti-tanat, n-Butyltitanat oder Triäthanolamintitanat, in Mengen von vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.-%, zugesetzt werden.
- 6. Verwendung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungen weitere organische Metall Verbindungen, insbesondere Bleioctoat, Zinknaphthenat oder Zinn(II)-oxalat, enthalten.
- 7. Verwendung gemäss einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungen eine Festkörpergehalt von 30 bis 50 Gew.-% aufweisen.30
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