CN101486787B - 一种阴离子水性聚氨酯分散体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阴离子水性聚氨酯分散体及其制备方法,所述分散体主要由以下原料制得:1)100质量份聚醚多元醇;2)30~80质量份的二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物;3)5~10质量份的含羧基二醇;4)0.1~4质量份的胺类扩链剂;5)1~12质量份的有机胺中和剂;和6)0.1~5质量份的一元醇;可选择地和7)0.05~6质量份的小分子扩链剂;本发明聚氨酯分散体具有粒径小且均匀,储存稳定,成膜性好,机械性能优异等优点;且本发明制备方法中预聚体的粘度低、大幅降低了助溶剂用量甚至不使用。

Description

一种阴离子水性聚氨酯分散体及其制备方法
技术领域
本发明涉及阴离子水性聚氨酯分散体及其制备方法,具体涉及以二苯基甲烷二异氰酸酯异构体混合物和聚醚多元醇为主要原料制备阴离子型预聚体并由此生产水性聚氨酯分散体的方法。
背景技术
水性聚氨酯又名聚氨酯分散体或聚氨酯乳液,是一种以水为连续相、以聚氨酯颗粒为分散相的乳液,清洁环保、安全无毒,主要应用于涂料、胶粘剂、玻纤浸渍、皮革涂饰等领域。近年来,随着各国一系列环保法案的制订和执行,对涂料和粘合剂应用中的可挥发有机物(VolatileOrganic Compound,简称VOC)限制越来越严格,相当多的溶剂或其副产物被严格限制为危险空气污染物(Hazardous Air Pollutants,简称HPAS)。由于溶剂型聚氨酯树脂中所含有的大量溶剂,易燃、易挥发、气味大,使用时容易造成空气污染,因此,水性聚氨酯的使用呈现逐年上升趋势。
用于制备水性聚氨酯的异氰酸酯通常为脂肪族/脂环族异氰酸酯和芳香族异氰酸酯。采用芳香族异氰酸酯制备水性聚氨酯时,甲苯二异氰酸酯(TDI)为首选,而二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)的应用很少被提及。这是由于MDI分子结构对称、反应活性较高,经常导致预聚体粘度很高甚至凝胶。然而众所周知,MDI是制备聚氨酯的一种重要材料,由MDI制备的聚氨酯产品在机械性能、热性能方面有独特优势。
随着水性聚氨酯生产技术不断提高和应用领域日益广泛,人们对水性聚氨酯生产过程的安全环保,以及水性聚氨酯产品的综合性能提出了越来越严格的要求。这为MDI基水性聚氨酯研究提供了良好契机,但目前采用MDI制备的水性聚氨酯分散体存在着不同程度的不足,如预聚体粘度大、在水中难以分散,乳液粒径大、储存不稳定等,此外机械性能还有待进一步提高。
申请号为CN200810116727.0公布了一种以MDI异构体混合物为异氰酸酯组分的水性聚氨酯制备方法,由于2,4’体含量限定在45~55%范围内且不使用一元醇使得预聚体粘度难以有效控制,因而使用大量丙酮降粘,这为后期乳液脱挥增加了困难。
CN1847277A公布了一种自乳化水性聚氨酯乳液的制备方法,该方法在中和阶段加入一元低级醇,没有起到调整分子量及其分布、降低预聚体粘度的目的。因此,离子预聚体中仍然需要使用大量的助溶剂将固体含量稀释至50~60%,并没有实现生产过程低溶剂、无溶剂的效果。
CN101003613A公开了一种MDI基水性聚氨酯分散液的制备方法,该方法中采用惰性的异氰酸酯与MDI同时使用,虽然降低了纯MDI基水性聚氨酯分散体的制备难度,但也降低了产品的机械性能。
发明内容
针对以上技术缺陷,本发明提供一种新的阴离子水性聚氨酯分散体及其制备方法。本发明从分子设计角度出发,通过使用高2,4’-体MDI异构体混合物降低预聚体分子结构规整性达到降低有机溶剂用量的目的,同时使用一元醇有效进行分子量调节,使得制备的预聚体具有较低的粘度,仅需使用少量有机溶剂甚至不使用便可顺利进行水性聚氨酯生产。
本发明所述阴离子水性聚氨酯分散体主要由以下原料制得:
1)100质量份聚醚多元醇;
2)30~80质量份的二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物;
3)5~10质量份的含羧基二醇;
4)0.1~4质量份的胺类扩链剂;
5)1~12质量份的有机胺中和剂;和
6)0.1~5质量份的一元醇;可选择地和
7)0.05~6质量份的小分子扩链剂;
其中,所述二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物为2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯的组合物,其中,2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯在异构体组合物中的含量以质量计为60~99%,优选为60~85%。
本发明所述阴离子水性聚氨酯分散体中,所述一元醇可以为本领域常用的一元醇,本发明优选为32~2000道尔顿分子量的饱和或不饱和的脂肪/脂环族单官能醇或芳香族单官能醇,或为单官能醇与环氧乙烷、环氧丙烷制备的加成物,或为双官能醇与单官能醇经醚化反应制备的单官能醇;所述一元醇优选为甲醇、乙醇、异丁醇、十八碳醇、苯酚、壬基酚、乙二醇单丁醚或二乙二醇单丁醚,或其混合物。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体中,所述聚醚多元醇可以采用本领域常用的聚醚多元醇,本发明聚醚多元醇优选为环氧丙烷、环氧乙烷经开环反应制备的多元醇,或为单独使用一种环氧化物制备的多元醇,或为两种环氧化物无规嵌段制备的多元醇,或为两种环氧化物有序嵌段制备的多元醇。
本发明聚环氧丙烷醚二元醇可以采用本领域常规的方法制备,例如可以是采用传统碱金属氢氧化物催化所生产的聚环氧丙烷醚二元醇,也可以是采用复合金属氰化物配位催化所生产的聚环氧丙烷醚二元醇。例如,由环氧丙烷、环氧乙烷、环氧丁烷或四氢呋喃等在催化剂作用下与小分子多元醇通过开环反应制得的聚醚多元醇产品。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体中,所述聚醚多元醇优选为聚环氧丙烷醚二元醇,进一步优选为分子量为800~2500的聚环氧丙烷醚二元醇,最佳为分子量为900~2200的聚环氧丙烷醚二元醇。所述聚醚多元醇是羟值为45~145mgKOH/g的聚环氧丙烷醚二元醇,优选为羟值范围为51~125mgKOH/g的聚环氧丙烷醚二元醇。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体中,所述小分子扩链剂为本领域常用的二元醇类扩链剂,优选为分子量为62-400的二元醇,所述二元醇为乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、戊二醇、己二醇、一缩二乙二醇和新戊二醇中的一种或多种;最佳为1,4-丁二醇;其中,1,4-丁二醇的用量优选为0.1~5质量份,进一步优选为0.2~4质量份。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体中,1,4-丁二醇与异氰酸酯形成通常所说的聚氨酯材料中的硬段,为了达到更好的力学性能,1,4-丁二醇的用量优选为0.2~4质量份。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体中,含羧基二醇为下式的a,a-二羟甲基链烷酸:
Figure G2009100784997D00041
其中,R是含有1~8个碳原子的烷基。所述含羧基二醇优选为二羟甲基丙酸(DMPA)或二羟甲基丁酸,最佳为二羟甲基丙酸(DMPA)。其中,二羟甲基丙酸的用量为异氰酸酯、聚环氧丙烷多元醇、小分子扩链剂和二羟甲基丙酸质量总和的3~8质量%;优选的用量为异氰酸酯、聚环氧丙烷多元醇、小分子扩链剂和二羟甲基丙酸的质量总和的4~7质量%;最佳的用量为异氰酸酯、聚环氧丙烷多元醇、小分子扩链剂和二羟甲基丙酸的质量总和的4~6质量%。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体中,所述胺类扩链剂为脂肪族或脂环族的二元胺或三元胺,如包括但不限于水合肼、乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、异佛尔酮二胺、4,4’-二环己基甲烷二胺、二乙烯三胺或三乙烯四胺等,所述胺类扩链剂优选为水合肼或乙二胺。所述乙二胺用量为0.2~3质量份,进一步优选为0.5~2质量份。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体中,所述有机胺中和剂可以为本领域常用的有机胺中和剂,本发明有机胺中和剂为一元叔胺类机胺中和剂,进一步优选为三甲胺、三乙胺、三正丙胺、三丁胺、或二甲氨基乙醇;进一步优选为三乙胺或二甲氨基乙醇,最佳为三乙胺。
本发明阴离子水性聚氨酯分散体可以采用本领域常规的制备方法进行制备,本发明优选采用以下方法进行制备:将化学计量的二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物和经过真空脱除水分的聚醚二醇加入反应容器中,随后通入干燥氮气开始进行预聚反应;加入一元醇,开动搅拌并逐渐升温至预聚反应温度60~90℃,反应1~2小时后将反应物降到40~60℃,随后加入化学计量的小分子扩链剂和含羧基二醇进行扩链反应,并加入有机溶剂调整体系粘度,反应1~2小时后测定预聚物NCO含量,达到理论值后将预聚产物温度降至40℃以下,加入化学计量的有机胺中和剂,继续降温到0~30℃,使用高剪切分散机,在快速搅拌的条件下加入去离子水进行分散,随即加入化学计量的胺类扩链剂,最后减压蒸馏除去机溶剂,即得稳定的阴离子水性聚氨酯分散体;
本发明阴离子聚氨酯分散体的制备方法中,除了上述方法中所述一元醇在预聚体合成初始投料阶段加入之外;所述一元醇还可以在扩链反应初始投料阶段加入,或将一元醇按照1∶1比例在预聚反应和扩链反应初始投料时分别加入,其具体的制备方法为:
首先将聚醚二元醇和二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物在60~90℃反应1~4小时,随后再添加羧酸扩链剂、小分子扩链剂,加入一元醇调整分子量及其分布,继续反应1~3小时,合成端异氰酸酯基的预聚体。
或者首先将聚环氧丙烷聚醚二元醇与二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物加入反应器,升温至60~90℃加入总质量50wt%的一元醇,反应1~4小时,随后先后加入含羧基二醇、小分子扩链剂和剩余50wt%的一元醇,继续反应1~3小时,合成端异氰酸酯基的预聚体。
本发明阴离子聚氨酯分散体的制备方法中,所述一元醇优选在预聚反应初始投料阶段加入。
本发明阴离子聚氨酯分散体的制备方法中,所述预聚反应温度优选为70~80℃;小分子扩链剂加入后进行扩链反应的温度为50~70℃。
本发明阴离子聚氨酯分散体的制备方法中,所述有机溶剂是丙酮、丁酮、醋酸乙酯或四氢呋喃,优选丙酮或丁酮;其中,有机溶剂用量为0~60质量份;优选为5~30质量份。
本发明以二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物为异氰酸酯组分,充分利用2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯异构体中2位与4’位NCO基团反应活性差异,同时采用一元醇有效地控制分子量增长,制备出粘度较低的离子预聚体,大幅降低了助溶剂用量甚至不使用。
本发明水性聚氨酯分散体具有更好的耐溶剂性、耐水性,涂膜强度高、力学性能好、机械性能优异,成膜性好、成膜固化快,颗粒直径小且均匀,储存稳定等优点,并且成本低廉。
另外,本发明阴离子聚氨酯分散体所采用的聚环氧丙烷醚二元醇,原料廉价且易得,分子量范围是800~2500,在保证二苯基甲烷二异氰酸酯型水性聚氨酯的综合应用性能的同时,可以很好地降低二苯基甲烷二异氰酸酯型预聚体的粘度,对水中分散扩链非常有利。
具体实施方式
通过以下实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不受限于此。
实施例中所涉及的主要原料来源如下:
MDI-H:烟台万华聚氨酯股份有限公司生产,其中2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量81.2%,4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量17.7%,2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量1.1%;
MDI-M:烟台万华聚氨酯股份有限公司生产,其中2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量65.4%,4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量33.6%,2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量1.0%;
MDI-50:工业品,烟台万华聚氨酯股份有限公司生产;其中,2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量为45~55%,2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量小于0.5%,其余为4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯;
MDI-100:工业品,烟台万华聚氨酯股份有限公司生产;其中4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯含量大于98%,其余为2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯;
聚环氧丙烷醚二元醇:DL2000B,天津三石化,工业品。
二羟甲基丙酸(DMPA),瑞典Perstor公司,工业品。
三乙胺、丁二醇、乙二胺:北京化工厂,分析纯。
粒径分析方法:使用马尔文仪器公司Zatasizer nano ZS激光纳米粒度测定仪进行乳液粒径及分布测试,测试温度为25℃。取两滴乳液于容量瓶中,加入去离子水100ml,超声波振荡5分钟后进行测试。
制膜与测试方法:根据GB/T 1727进行漆膜制备,25摄氏度放置12小时后,放入真空烘箱干燥3小时,即可用于拉伸强度及断裂伸长率测试。拉伸强度及断裂伸长率测定参照GB/T528-1998,夹具分离速度200mm/min。
对比例1
将300克MDI-100和650克聚环氧丙烷醚二醇DL2000B加入四颈瓶,通入干燥氮气,开动搅拌并逐渐升温至70℃,2小时后将反应物降温至50℃,分批加入56克DMPA与15克1,4-丁二醇,保持反应温度60℃继续反应2小时,加入300克丙酮降低粘度。将预聚物温度降至40℃以下,加入42.2克三乙胺,继续降温到30℃以下,使用高剪切分散机在快速搅拌的条件下加入去离子水进行分散,分散速度1500rpm,随即加入8.5克溶于水中的乙二胺。最后减压蒸馏除去丙酮得到稳定的水性聚氨酯分散体。
对比例2
使用MDI-50代替MDI-100,实验内容与方法与对比例1相同。
实施例1
使用MDI-H代替MDI-100,实验内容与方法与对比例1相同。
实施例2
将300克MDI-M、650克聚环氧丙烷醚二醇DL2000B和7克十八碳醇加入四颈瓶,通入干燥氮气,开动搅拌并逐渐升温至70℃,2小时后将反应物降温至50℃,分批加入56克DMPA与15克1,4-丁二醇,保持反应温度60℃继续反应2小时,加入150克丙酮降低粘度。将预聚物温度降至40℃以下,加入39.8克三乙胺,继续降温到30℃以下,使用高剪切分散机在快速搅拌的条件下加入去离子水进行分散,分散速度1500rpm,随即加入9.2克溶于水中的乙二胺。最后减压蒸馏除去丙酮得到稳定的水性聚氨酯分散体。
实施例3
将300克MDI-H和650克聚环氧丙烷醚二醇DL2000B加入四颈瓶,通入干燥氮气,开动搅拌并逐渐升温至70℃,2小时后将反应物降温至50℃,加入7克十八碳醇并分批加入56克DMPA与15克1,4-丁二醇,保持反应温度60℃继续反应2小时,加入150克丙酮降低粘度。将预聚物温度降至40℃以下,加入42.2克三乙胺,继续降温到30℃以下,使用高剪切分散机在快速搅拌的条件下加入去离子水进行分散,分散速度1500rpm,随即加入8.5克溶于水中的乙二胺。最后减压蒸馏除去丙酮得到稳定的水性聚氨酯分散体。
实施例4
将300克MDI-H、650克聚环氧丙烷醚二醇DL2000B和4克异丁醇加入四颈瓶,通入干燥氮气,开动搅拌并逐渐升温至70℃,2小时后将反应物降温至50℃,分批加入56克DMPA与15克1,4-丁二醇,保持反应温度60℃继续反应2小时,加入150克丙酮降低粘度。将预聚物温度降至40℃以下,加入42.2克三乙胺,继续降温到30℃以下,使用高剪切分散机在快速搅拌的条件下加入去离子水进行分散,分散速度1500rpm,随即加入8.5克溶于水中的乙二胺。最后减压蒸馏除去丙酮得到稳定的水性聚氨酯分散体。
实施例5
实验方法与实例4相同,但实验中使用50克丙酮调整体系粘度。
实施例6
将300克MDI-H、650克聚环氧丙烷醚二醇DL2000B和20克分子量600的甲醇/环氧乙烷加成物加入四颈瓶,通入干燥氮气,开动搅拌并逐渐升温至70℃,2小时后将反应物降温至50℃,分批加入56克DMPA与15克1,4-丁二醇,保持反应温度60℃继续反应2小时,加入50克丙酮调整粘度。将预聚物温度降至40℃以下,加入42.2克三乙胺,继续降温到30℃以下,使用高剪切分散机在快速搅拌的条件下加入去离子水进行分散,分散速度1500rpm,随即加入8.5克溶于水中的乙二胺,得到稳定的水性聚氨酯分散体。
通过对比例与本发明实例比较发现,高2,4’体含量MDI异构体混合物能够有效降低离子预聚体粘度,配合使用一定量的单官能醇可大幅降低助溶剂用量,甚至能够达到不使用任何溶剂的效果。
表1MDI和DL2000B制备分散体及其性能-续
Figure G2009100784997D00091
续表1MDI和DL2000B制备分散体及其性能
Figure G2009100784997D00092

Claims (27)

1.一种阴离子水性聚氨酯分散体的制备方法,其特征在于,所述方法包括:将化学计量的二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物和经过真空脱除水分的聚醚多元醇加入反应容器中,随后通入干燥氮气开始进行预聚反应;加入一元醇,开动搅拌并逐渐升温至预聚反应温度60~90℃,反应1~2小时后将反应物降到40~60℃,随后加入化学计量的小分子扩链剂和含羧基二醇进行扩链反应,并加入有机溶剂调整体系粘度,反应1~2小时后测定预聚物NCO含量;随后将预聚产物温度降至40℃以下,加入化学计量的有机胺中和剂,继续降温到0~30℃,使用高剪切分散机,在快速搅拌的条件下加入去离子水进行分散,随即加入化学计量的胺类扩链剂,最后减压蒸馏除去有机溶剂,即得稳定的阴离子水性聚氨酯分散体;
其中,所述聚醚多元醇用量为100质量份,所述二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物用量为30~80质量份;所述含羧基二醇用量为5~10质量份;所述胺类扩链剂用量为0.1~4质量份;所述有机胺中和剂用量为1~12质量份;所述一元醇用量为0.1~5质量份;所述小分子扩链剂用量为0.05~6质量份;其中,所述二苯基甲烷二异氰酸酯异构体组合物为2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯的组合物,所述2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯在异构体组合物中的含量以质量计为60~99%。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯在异构体组合物中的含量以质量计为60~85%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述预聚反应温度为70~80℃;扩链反应温度为50~70℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂是丙酮、丁酮、醋酸乙酯或四氢呋喃。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂是丙酮或丁酮。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂用量为0~60质量份。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述有机溶剂用量为5~30质量份。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述一元醇为32~2000道尔顿分子量的饱和或不饱和的脂肪/脂环族单官能醇或芳香族单官能醇,或单官能醇与环氧乙烷、环氧丙烷制备的加成物,或双官能醇与单官能醇经醚化反应制备的单官能醇。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述一元醇为甲醇、乙醇、异丁醇、十八碳醇、苯酚、壬基酚、乙二醇单丁醚或二乙二醇单丁醚,或其混合物。
10.根据权利要求1所述的制备方法,所述聚醚多元醇为环氧丙烷、环氧乙烷经开环反应制备的多元醇,或为单独使用一种环氧化物制备的多元醇,或为两种环氧化物无规嵌段制备的多元醇,或为两种环氧化物有序嵌段制备的多元醇。
11.根据权利要求10所述的制备方法,其特征在于,所述聚醚多元醇是羟值为45~145mgKOH/g的聚环氧丙烷醚二元醇。
12.根据权利要求11所述的制备方法,其特征在于,所述聚醚多元醇为羟值范围为51~125mgKOH/g的聚环氧丙烷醚二元醇。
13.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述含羧基二醇为二羟甲基丙酸或二羟甲基丁酸,其中,所述二羟甲基丙酸的用量为异氰酸酯、聚环氧丙烷多元醇、小分子扩链剂和含羧基二醇质量总和的3~8质量%。
14.根据权利要求13所述的制备方法,其特征在于,所述含羧基二醇为二羟甲基丙酸,其中,所述二羟甲基丙酸的用量为异氰酸酯、聚环氧丙烷二元醇、小分子扩链剂和含羧基二醇质量总和的4~6质量%。
15.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述胺类扩链剂为水合肼或脂肪族/脂环族二元胺或三元胺。
16.根据权利要求15所述的制备方法,其特征在于,所述胺类扩链剂为水合肼、乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、异佛尔酮二胺、4,4’-二环己基甲烷二胺、二乙烯三胺或三乙烯四胺。
17.根据权利要求16所述的制备方法,其特征在于,所述胺类扩链剂为乙二胺。
18.根据权利要求17所述的制备方法,其特征在于,所述胺类扩链剂乙二胺用量为0.2~3质量份。
19.根据权利要求18所述的制备方法,其特征在于,所述胺类扩链剂乙二胺用量为0.5~2质量份。
20.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述小分子扩链剂为62~400分子量的二元醇。
21.根据权利要求20所述的制备方法,其特征在于,所述小分子扩链剂为乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、戊二醇、己二醇、一缩二乙二醇或新戊二醇。
22.根据权利要求21所述的制备方法,其特征在于,所述小分子扩链剂为1,4-丁二醇,其中,所述1,4-丁二醇的用量为0.1~5质量份。
23.根据权利要求22所述的制备方法,其特征在于,所述1,4-丁二醇的用量为0.2~4质量份
24.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述有机胺中和剂为三甲胺、三乙胺、三正丙胺、三丁胺、或二甲氨基乙醇。
25.根据权利要求24所述的制备方法,其特征在于,所述有机胺中和剂为三乙胺或二甲氨基乙醇。
26.根据权利要求25所述的制备方法,其特征在于,所述有机胺中和剂为三乙胺。
27.一种根据权利要求1-26中任一项所述的制备方法制得的阴离子水性聚氨酯分散体。
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