CN101824138A - 环氧化物基组合物 - Google Patents
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Abstract
一种环氧化物基组合物,其包含环氧化物和固化剂的组合,其中该环氧化物选自苯基缩水甘油醚基多环氧化物,并且该固化剂是包含N-链烷醇哌啶和羧酸的盐化合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种可固化的环氧化物基组合物。更具体的,本发明涉及一种可固化的环氧化物基组合物,其是液体,并且具有更长的开封后使用寿命(pot life)。
背景技术
对于通过将环氧化物和固化剂相结合而制备的环氧组合物来说,当它处于固化前的阶段时,优选的是在环氧化物和固化剂混合之后,它的粘度在长时间内基本上不发生变化。这是因为,这样的结合能够促进目标用途的下一步的步骤,例如所述组合物的涂覆、层压、注射、灌注或者注入。具有这种性能的组合物是一种理想的实施方案,这样它们能够平稳的完成随后的“固化”阶段。
当环氧化物组分和多胺基固化剂的混合物通常被长时间放置时,这里会出现一种现象,即,在这些材料之间发生了反应,并且该组合物本身的粘度升高到发生凝固。因此,该组合物在实际的应用例如涂覆、层压、注射、灌注或者注入中具有时间限制。称为“开封后使用寿命”或者工作寿命的是这样的时间,在其中将粘度保持到一定的程度,以便不达到极限粘度,目的是保持能够执行期望的工作程序的状态。更长的开封后使用寿命是一种令人期望的性能,因为这能够安全的保证长时间的操作。
在这点而言,已知的是包含固体环氧化物组分和类似的固体固化剂组分的混合的组合物具有长的开封后使用寿命(或者保存寿命)。这是因为固化的开始取决于两种组分的热熔融。此外,通过将固体固化剂组分在液体环氧化物组分中分散而获得的大量的半液体类型的组合物是已知的,并且同样也是这种情况,这是因为该固化剂组分是固体,固化的开始取决于该固化剂组分的热熔融或者由于相互溶解而带来的两种组分的混合。
但是,这种类型的混合物组合物具有归因于这样的事实的缺点,即,至少一种组分是固体。更具体的,在复合材料的情况中,例如在包含树脂粘合剂和纤维的纤维增强塑料的情况中,该树脂粘合剂需要渗透到纤维束中,但是当使用固体组分时,发生了纤维的过滤现象,这引起了粘合剂组分之间的分离,并且作为结果,会带来固化失败。一旦出现这样的失败,无论保持多长的固化时间或者给予多大量的热,目标设计的目的将都不能达到。这同样适于使用机织织物等用于增强材料的情况。因此,包含液体环氧化物组分和液体固化剂组分的完全液体类型的组合物的存在是非常有意义的,这是因为该材料能够克服这样的问题。
顺便提一下,包含环氧化物和具有许多性能的多胺固化剂组分的常规的组合物的开封后使用寿命是短的,并且具体的局限于几个小时。通常,在具有短的开封后使用寿命的组合物中,会出现突然的反应,达到固化态的时间是短的,但是在具有长的开封后使用寿命的组合物中,固化所需的时间是长的。在这方面,下面的组合物是在市场上极少能够得到的,并且开发这样的组合物是人们所需要的:该组合物是具有长到几十小时的开封后使用寿命的液体环氧化物基组合物,其能够在100℃或者更低的相对低的温度范围(中等温度范围)发生固化,并且产生具有60℃或者更高的玻璃化转变温度的固化产物。
这样的包含都是液体的环氧化物和固化剂的组合物的存在能够作为油漆涂料,用于保护供水管、下水管或者其他工业液体传输管的内表面的目的,或者能够作为室外结构,用于例如层压成为保护衬里等目的,以及用于通过使用有机或者无机纤维或者膜等充当管道加固件的目的。特别的,该组合物对于管道内表面的修复工作等是有效的,其是无需将已经埋在地下的流体传输管挖出而进行的。
这些地埋管的修复工作通常是通过将检修孔与检修孔之间的部分设定为一个工作单元来进行的。该工作程序依次包括机械除去残留在管道内部的旧涂层、水洗、干燥、涂覆树脂组分、使用热空气或者热水来撒布逆向纤维或者膜和用热水或者热空气来保持给定的温度。在使用纤维或者膜来进行修复工作时,在选择短时间工作的情况中,即使组合物的开封后使用寿命很短,也可以进行粘接剂在管道内部的涂覆和通过撒布逆向圆柱纤维或者膜来形成层压体,而不会有任何严重的问题,但是在选择长时间工作的情况中,几十小时的长时间是必需的,并且粘接剂需要在整个涂覆粘接剂和撒布纤维或者膜的过程时间中保持稳定的状况,并且在随后的中等温度范围充分固化到具有所需性能的一定的程度。这种性能的实现是困难的。
对于用于传输水或者其他流体介质的管道的修复来说,这里没有用于这样的复合材料系统的合适的粘合剂,该复合材料系统被施用到这样的管道的钢质或者混凝土质内壁上。本领域的工业不能提供适当的工作时间(开封后使用寿命),由于粘合剂中所用的化学品(例如硫醇,丙烯腈)而引起了臭味或者毒性问题,或者由于固化方法(例如UV固化)而不能施用到多层和非透明膜/复合材料上。
发明内容
本发明的环氧化物基组合物包含环氧化物组分(组分A)和固化剂组分(组分B):
(A)环氧化物组分,其包含苯基缩水甘油醚多环氧化物(或称苯基缩水甘油醚聚环氧化物(phenyl glycidyl ether polyepoxide));和
(B)固化剂组分,其包含至少一种由N-链烷醇哌啶和羧酸形成的盐化合物。
本发明的环氧化物基组合物还可以包含至少一种在其分子中具有环氧乙烷环(oxirane ring)的单官能的或者多官能的环氧化物,作为组分来与苯基缩水甘油醚多环氧化物相结合。
本发明的可固化环氧化物基组合物具有这样的优点,即,甚至在将环氧组分和固化剂组分混合之后,它可以在长时间内保持该混合物的未固化状态,由此使得该组合物能够长时间将粘度保持在稳定的状况中,直到将该组合物用于下一个步骤(或者操作)中。此外,在其固化时,本发明的可固化环氧化物基组合物甚至在中等(moderate)(或者中间(medium))温度范围内加热下能够表现出足够的性能。
本发明的环氧化物基组合物保证了在环氧化物组分与固化剂组分混合之后,能够长时间保持未固化状态,能够从容的进行随后的加工例如涂覆、夹入、注入和注射,并且此外,随后的固化能够甚至在100℃或者更低的相对低温来进行,这对于地埋管的修复和修理工作是非常重要的和有用的。
本发明提供了一种环氧化物基组合物,其保证了在环氧化物化合物和固化组分混合之后长时间(例如,高达24小时的时间)内的可流动(非凝胶化的)状态,以及保证了在16小时内粘度的变化不超过混合时粘度的2倍,并且能够促进该组合物随后的使用和铺布。本发明还提供了这样一种环氧化物基组合物,其在该组合物在“优选的”流动状态保持之后,能够通过使用在中等温度范围内的加热介质例如热水或者热空气来进行固化。
本发明的粘合剂体系提供了在环境温度下高达24小时的开封后使用寿命,同时保持了流动状态,在100℃之下固化,所形成的体系达到了70℃的Tg,并且作为复合材料的粘合剂,提供了与混凝土和钢质基底良好的粘接性。
具体实施方式
本发明的环氧化物基组合物能够保证了在环氧化物化合物和固化剂组分混合之后长时间(例如,高达24小时的时间)内的可流动状态,以及保证了在16小时内粘度的变化不超过混合时粘度的2倍,并且促进该组合物随后的使用和铺布。
此外,该环氧化物基组合物在该组合物在“优选的”流动状态保持之后,能够通过使用在中等温度范围内的加热介质例如热水或者热空气来进行固化。
所以,本发明的环氧化物基组合物使得它能够应用于不同的电元件上,在该元件中性能是通过在高温区的固化来中断的,或者应用于作为不同流体的导管的地埋管的修复工作中。
此外,本发明的环氧化物基组合物能够有效的用于进行地埋管的修复工作而无需挖出地埋管,以及能够用于制造电子元件等,在其中该产品的高温性能是通过高温固化而中断的。
此下将详细的描述本发明。在下面的说明书中,除非另有明确指示,否则代表一定量的比例或者比率的“%”和“份数”是基于质量的这些比例或者比率。
本发明的环氧化物基组合物包含环氧化物组分(组分A)和固化剂组分(组分B),在其中该环氧化物组分包含苯基缩水甘油醚基多环氧化物;并且该固化剂组分包含至少一种由N-链烷醇哌啶和羧酸形成的盐化合物。
本发明的环氧化物基组合物可以具有下面的性能(1)-(3)。
性能1
在实施例中所用的条件下,本发明的环氧化物基组合物在16小时内的粘度变化是组分A和B混合时粘度的2.2倍或者更低(优选1.9倍或者更低,特别是1.4倍或者更低)。
性能2
在实施例中所用的条件下,本发明的环氧化物基组合物在60℃固化24小时之后,它的Tg(玻璃化转变温度)可以是至少60℃,更优选是至少70℃。该环氧化物基组合物在80℃固化16小时之后,它的Tg(玻璃化转变温度)可以是70℃,更优选80℃。
性能3
在实施例中所用的条件下,本发明的环氧化物基组合物在60℃固化24小时之后,它的剪切结合强度可以是10N/mm2或者更高,优选是13N/mm2或者更高。
本发明组合物的环氧化物(组分(A)是苯基缩水甘油醚环氧化物,其在它的分子中具有多个环氧乙烷结构(oxirane structure),并且具有与胺的反应性,其的例子可以包含如下:
芳族二缩水甘油醚,其是通过将二元酚例如双酚A,双酚F,双酚AD,四甲基双酚A,四甲基双酚F或者联苯与表氯醇反应来产生的;缩水甘油醚,其是通过将酚醛清漆类(novolak)例如酚醛(清漆)(phenol novolak),甲酚醛(清漆)(cresol novolak),乙酚醛(清漆)(ethylphenol novolak),丙酚醛(清漆)(propylphenol novolak),丁酚醛(清漆)(butylphenol novolak),戊酚醛(清漆)(pentylphenol novolak),辛酚醛(清漆)(octylphenol novolak)或者壬酚醛(清漆)(nonylphenol novolak)与表氯醇反应来获得的;和缩水甘油醚,其是将多羟基酚例如儿茶酚,间苯二酚,三羟基联苯,二羟基苯甲酮,双间苯二酚,对苯二酚,三(羟苯基)甲烷,四(羟苯基)乙烷或者双酚与表氯醇反应来获得的。
在上面的环氧化合物中,优选用于本发明的环氧化物是双酚A和双酚F的二缩水甘油醚。
如果期望,能够用来与苯基缩水甘油醚环氧化物相组合的环氧化物的例子可以包含:
(1)聚缩水甘油醚,其是通过将脂肪族多羟基醇例如二元醇,新戊醇,乙二醇,丙二醇,四亚甲二醇,己二醇,聚乙二醇或者聚丙二醇与表氯醇反应来获得的;
(2)缩水甘油醚酯,其是通过将羟基羧酸例如对羟苯甲酸或者β-羟萘甲酸与表氯醇反应来产生的;
(3)聚缩水甘油基酯,其是通过将聚羧酸例如邻苯二甲酸,甲基邻苯二甲酸,间苯二甲酸,对苯二甲酸,四羟基邻苯二甲酸,六羟基邻苯二甲酸,桥亚甲基四氢邻苯二甲酸,桥亚甲基六羟基邻苯二甲酸,偏苯三酸,二聚酸或者多聚脂肪酸与表氯醇反应来产生的;
(4)二缩水甘油基氨基酯,其是通过将氨基苯甲酸与表氯醇反应来产生的;和
(5)聚缩水甘油基胺,其是将苯胺,甲苯胺,间亚二甲苯基二胺,1,2-二氨基环己烷,1,2-二氨基环己烷,4,4-二氨基二苯基醚,4,4-二氨基二苯基甲烷,4,4-二氨基二苯基砜,乙内酰脲,烷基乙内酰脲或者氰尿酸与表氯醇反应来产生的。
同样,如果期望,可以结合使用在其分子中具有一个环氧乙烷环的单环氧化物,该单环氧化物不是必需的环氧化物组分。这种单环氧化物的例子可以包含丁基缩水甘油醚,C8-C18脂肪族醇的缩水甘油醚,苯基缩水甘油醚,烷基苯基缩水甘油醚和苯甲酸缩水甘油基酯。
构成本发明的环氧化物基组合物的固化剂组分(组分B)是叔胺盐,并且可以是N-链烷醇哌啶(组分B1)和羧酸(组分B2)的成盐产物。
组分B1
N-链烷醇哌啶(组分B1)可以通过将C2-C4链烷醇基团直接结合到哌啶分子的氮原子来制备。该组分可以如合成领域公知的那样,通过C2-C4环氧烷,特别是环氧乙烷或者环氧丙烷与哌啶的加成反应来产生。
优选的叔胺包含N-乙醇哌啶和N-丙醇哌啶。
组分B2
作为本发明固化剂组分的叔胺盐的羧酸(组分B2)可以是单价或者多价有机羧酸,并且其的例子可以包含如下:
乙酸,丙酸,丁酸,戊酸,己酸,庚酸,棕榈酸,硬脂酸,油酸,亚油酸,合成脂肪酸,脂肪酸的粗原料,例如椰油脂肪酸,棕榈油脂肪酸,红花油脂肪酸,妥尔油脂肪酸,米糠油脂肪酸,大豆油脂肪酸,牛脂脂肪酸,和衍生自其的聚合脂肪酸(二聚酸);和
二元酸例如己二酸,壬二酸,癸二酸,十二烷二酸,亚麻酸或者亚油酸或者由其的Diels-Alder反应产物合成的多元酸或者与丙烯酸的聚合的多元酸,或者来自丁二烯和苯乙烯的共聚物。
可以规定作为本发明的环氧化物基组合物的组成部分的组分B满足这样的关系,即,相对于每mol的作为组分B1的N-链烷醇哌啶,组分B2的羧酸当量是0.2-1.1当量。在这个关系规定之外的固化剂的情况中,不能实现作为本发明目标的长的开封后使用寿命以及随后在100℃或者以下的平稳固化。
关于环氧化物组分(A)与固化剂组分(B)之间的比例,对应于每100重量份的多环氧化物(或称聚环氧化物(polyepoxide))组分(A),固化剂组分(B)的量是1-50重量份或者是5-20重量份。如果组分B的量小于上面的范围,则会实现在组分(A)和组分(B)混合之后非常长的开封后使用寿命,但是随后的固化会非常耗时,这是不可行的。相反,如果固化剂组分(B)以超过上面范围的量来合并,则在组分(A)和组分(B)混合之后的固化会瞬间进行,但是操作所需的开封后使用寿命会变短,这是不可行的。
用于调节粘度的溶剂可以加入到本发明的组合物中。溶剂的例子可以包含脂肪族溶剂例如庚烷,己烷和环己烷;芳族溶剂例如甲苯,二甲苯,乙基苯和烷基苯;醇例如甲醇,乙醇,正丙醇,异丙醇,正丁醇,异丁醇,仲丁醇,乙二醇,乙二醇的单或者二-烷基醚,丙二醇,丙二醇的单-或二-烷基醚,苄醇和环己醇;和酮例如甲乙酮和甲基异丁基酮。
此外,在本发明的组合物中,如果期望,可以结合使用增塑剂,填料,着色剂,增充剂,颜料,有机或者无机纤维,用于提高与管体的附着力的有机硅、钛酸酯或者铝偶联剂,触变剂等。
实施例
固化剂A的制备
将市售的壬二酸(9.4g)和12.9g的N-乙醇哌啶(NHEP)在反应容器中进行合并,并且在70℃加热下通过摇动来彻底进行混合。产物是一种黄褐色液体,其在25℃的粘度是3300毫帕秒(mPa·s)。
固化剂B的制备
类似的,加入4.7g的壬二酸、6.15g的2-乙基己酸和12.9g的N-乙醇哌啶,并且在70℃加热下通过摇动来彻底进行混合。产物为黄褐色,其的粘度是610毫帕秒。
固化剂C-P的制备
类似于固化剂A和B,将所选择的脂肪酸和N-乙醇哌啶进行反应。全部的产物都是黄褐色到黑褐色的液体。在25℃的粘度根据配方而变化,在表1中表示了所获得的结果。
在实施例中,测试了组合物的性能,该组合物包含所选择的环氧化物(其单独使用的或者作为混合物来使用的)和在固化剂的制备例中所制备的固化剂。
实施例中所用的环氧化合物如下:
●环氧化物A:Epikote 828,双酚A型二环氧化物,由NipponEpoxy K.K.生产,W.P.E:大约190。
●环氧化物B:Epiclon 830,双酚F型二环氧化物,由DICCorporation生产,W.P.E:大约175。
●环氧化物C:Epodil 757,丁二醇二环氧化物,由Air Productsand Chemicals,Inc.生产,W.P.E.:大约166。
●环氧化物D:Epodil 748,具有12-14个碳数的烷基单环氧化物,由Air Products and Chemicals,Inc.生产,W.P.E.:大约230。
作为开封后使用寿命的粘度的测试
在纸杯子中称量总共接近20g的环氧化物和固化剂,并且使用THINKY Corp制造的调节混合器MX-201进行彻底混合。随后,使用Brookfield E型粘度计测量在25℃时的粘度,并且用作在混合初始阶段的粘度。将该混合物保持在25℃,并且在16小时之后重新测量粘度。由所述的结果来确定16小时后的粘度与初始粘度之间的变化率。
测试玻璃化转变温度(Tg),来作为可固化性的测试
在粘度测试的混合之后,立即将样品在衍射扫描量热法(DSC)所用的铝容器中称重(接近0.02g),并且在加热箱中在60℃固化24小时或者在80℃固化16小时。在加热完成后,将其彻底冷却,并用作DSC测量的样品。DSC扫描是在以10℃/min的升温速率从室温升高到120℃的加热条件下进行的。
剪切结合强度测试
当制备用于开封后使用寿命测试的样品时,同时使用该样品来制备用于剪切结合强度测试的样品。对于该样品来说,将JIS G3141所规定的软钢片用砂纸抛光并且使用。使用60℃和24小时的固化条件。其后,破坏性测试是使用Shinazu Corp制造的自动图示记录测试设备,在25℃的室内以10℃/min的加热速度进行测试的。
实施例1
如表2所示,将Epikote 828环氧树脂(16g)、Epodil 757环氧树脂(4g)和固化剂配方实施例A(2g)在纸杯子中称重,并彻底混合。测试该混合物的初始粘度,还测量了16小时后的粘度。此外,用于DSC测试的样品是在上述的混合之后,立即由所述的样品来制备的,与此同时,生产了用于剪切结合测试的样品。结果表示在表2中。
实施例2-18
通过改变环氧化物树脂和原料以及其之间的比例来合成了固化剂,并且在该固化剂上进行与实施例1同样的测试。结果表示在表2和3中。
在下面中,在现有技术所述的用于修复地埋管的环氧化物基组合物上进行对比实施例,其结果清楚的证实了本发明的优越性。
对比例1
在纸杯子中称重Epikote 828环氧树脂(16g)、Epodil 757环氧树脂(4g)和Air Products and Chemicals,Inc.生产的Ancamide 2050固化剂(3.8g),并且使用混合器进行彻底的混合。以与实施例相同的方式来测试该混合物的粘度变化率,结果,初始粘度是2890毫帕秒,但是在16小时之后才发生了凝固。
对比例2
类似于对比例1,在纸杯子中称重Epikote 828环氧树脂(16g)、Epodil757环氧树脂(4g)和Air Products and Chemicals,Inc.生产的Ancamide375A固化剂(2.15g),并且使用混合器进行彻底的混合。以与实施例相同的方式来测试该混合物的粘度变化率,结果,初始粘度是2920毫帕秒,但是在16小时之后才发生了凝固。
对比例3
在纸杯子中称重16g的Epikote 828环氧树脂和4g的Epodil 757环氧树脂和固化剂(6g)的混合物,并且使用混合器进行彻底的混合,所述的固化剂是由38g的N-氨基乙基哌嗪、71g的二甲基氨基丙基胺和130g丁基缩水甘油醚合成的。测量该混合物的粘度为540毫帕秒,但是在16小时之后才发生了凝固。
对比例4
在纸杯子中称重16g的Epikote 828环氧树脂和4g的Epodil 757环氧树脂和固化剂(4g)的混合物,并且使用混合器进行彻底的混合,所述的固化剂是由60g的盐化合物(Ancamine K16B)、100g的双酚-A和70g的苄醇来合成的,所述的盐化合物包含三(二甲基氨基甲基)酚和2-乙基己酸。该混合物的初始粘度是1970毫帕秒,16小时后的粘度是6460毫帕秒,变化率是3.3倍。
对比例5
在纸杯子中称重16g的Epikote 828环氧树脂和4g的Epodil 757环氧树脂和固化剂(3.0g)的混合物,并且使用混合器进行彻底的混合,所述的固化剂是由85g的哌啶、272g的苄醇、60g的Epikote 828环氧树脂和217g的双酚A合成的。该混合物的初始粘度是1620毫帕秒,16小时后的粘度是7000毫帕秒,变化率是4.3倍。
从表2和3中所示的结果可以清楚的看出,所述组合物(该组合物包含环氧化物和N-链烷醇哌啶与羧酸的盐)在将该环氧组分与该固化剂组分混合后高到16小时之后,将粘度的变化率保持为初始粘度的大约2倍或者更低,并且还表现出长的开封后使用寿命,以使得甚至经过24小时之后依然保持为液态。此外,该组合物在100℃或者更低的温度固化时能够充分的固化,这样产生了70℃或者更高的处于实际区域中的玻璃化转变温度。此外,在选自上面的组合物的某些组合物上使用软钢片进行的剪切结合测试的结果显示出足够高的结合强度。
另一方面,所示的现有技术中的市售可固化环氧化物基组合物在16小时之后全部表现出2倍或者更高数值的粘度变化率,这被理解为这些组合物的开封后使用寿命是不令人满意的。同样,固化后的产物的玻璃化转变温度也是不足的。
从这些结果可以清楚的看到本发明的环氧化物基化合物具有新的性能。本发明的组合物具有不同的长的开封后使用寿命,并且能够在100℃或者更低的低温区中实现随后的固化,以及得到的固化产物具有达到70℃或者更高的实际温度的玻璃化转变温度。
此外,本发明的组合物是液体,因此其能够作为粘合剂用于使用组合的机织织物、纤维等的复合材料。
Claims (10)
1.一种环氧化物基组合物,其包含:
(A)环氧化物组分,该组分包含至少一种苯基缩水甘油醚多环氧化物,该苯基缩水甘油醚多环氧化物在其分子中具有至少一个环氧乙烷结构的环氧化物基团;和
(B)固化剂组分,该组分包含至少一种由N-链烷醇哌啶和羧酸形成的盐化合物,
其中,对应于每100重量份的环氧化物组分(A),固化剂组分(B)的量是1-50重量份。
2.根据权利要求1的环氧化物基组合物,其中环氧化物组分(A)进一步包含不同于苯基缩水甘油醚多环氧化物的环氧化物化合物。
3.根据权利要求2的环氧化物基组合物,其中该其他的环氧化物化合物是至少一种选自下面的化合物:缩水甘油醚、缩水甘油酯和缩水甘油胺。
4.根据权利要求1的环氧化物基组合物,其中该N-链烷醇哌啶选自N-哌啶乙醇和N-哌啶丙醇。
5.根据权利要求2的环氧化物基组合物,其中该N-链烷醇哌啶选自N-哌啶乙醇和N-哌啶丙醇。
6.根据权利要求3的环氧化物基组合物,其中该N-链烷醇哌啶选自N-哌啶乙醇和N-哌啶丙醇。
7.根据权利要求4的环氧化物基组合物,其中构成固化剂组分的N-哌啶链烷醇是N-哌啶乙醇。
8.根据权利要求5的环氧化物基组合物,其中该N-哌啶链烷醇是N-哌啶乙醇。
9.根据权利要求6的环氧化物基组合物,其中该N-哌啶链烷醇是N-哌啶乙醇。
10.一种环氧化物基组合物,其包含:
(A)环氧化物组分,该组分包含至少一种苯基缩水甘油醚多环氧化物,该苯基缩水甘油醚多环氧化物在其分子中具有至少一个环氧乙烷结构的环氧化物基团;和
(B)固化剂组分,该组分包含至少一种由N-链烷醇哌啶和羧酸形成的盐化合物,
其中,对应于每100重量份的环氧化物组分(A),固化剂组分(B)的量是5-20重量份。
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