CN110891996A - 聚氨酯泡沫及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
软质聚氨酯泡沫由聚醚混合物和水与多异氰酸酯反应制得。该泡沫用于座位应用具有优异的性能组,因为它们是支撑性的舒适的弹性泡沫。另一个优点是可以在接近或甚至大于100的异氰酸酯指数下获得这些性能。
Description
本发明涉及软质聚氨酯泡沫、可用于制备软质聚氨酯泡沫的多元醇组合物以及使用该多元醇组合物制备软质聚氨酯泡沫的方法。
一些床上用品和家具应用需要泡沫缓冲,其非常有回弹性、支撑性而且舒适。
回弹性通常使用回弹球测试评估,例如ASDM D-3574-11。在这些应用中,通常希望值超过50%,尤其是超过52%。
支撑力由压缩力挠度(CFD)表示,它是将泡沫压缩一定量必须施加多少力的度量。在这些应用中,根据ISO3386-1测试,通常需要在40%压缩时CFD值为1.0kPa或更高,尤其是1.8kPa或更高。
舒适度可以用“流挂因子”表示,它是在65%压缩时CFD值与25%压缩时CFD值的比值。期望更大的值,因为期望的是在施加的重量下感觉柔软并屈服但仍能够支撑乘员重量的泡沫。在这些应用中,非常希望流挂因子为3.5或更大。
可用满足所有这些要求的某些聚氨酯泡沫。为了实现这些性能的组合,通常以低异氰酸酯指数(例如70至80的指数)制备泡沫。这些制剂中较高的异氰酸酯指数往往在泡沫制剂上升和固化时使其不稳定。这导致泡沫塌缩、泡沫密度和质量的变化以及其他加工问题。
尽管如此,仍希望在更高的异氰酸酯指数下操作。低异氰酸酯指数泡沫制剂往往形成大量的芳族胺反应副产物。这些导致产品中异味和挥发性有机化合物(VOC)。
希望提供一种方法,通过该方法可生产出异氰酸酯指数为85或更高的支撑、舒适、弹性泡沫。
一方面,本发明是聚醚的混合物,其包含
a)基于聚醚混合物的重量,60-80重量%的一种或多种标称三官能环氧乙烷封端的聚(环氧丙烷)多元醇,其具有10-25重量%的氧化乙烯含量和1500-2500的羟基当量,其中至少70%的羟基是伯羟基;
b)基于聚醚混合物的重量,10-30重量%的一种或多种环氧乙烷封端的聚(环氧丙烷)多元醇,其标称官能度为4至8、氧化乙烯含量为10-25重量%和羟基当量为1500-2500,其中至少70%的羟基是伯羟基;
c)基于聚醚混合物的重量,5-12重量%的一种或多种聚醚多元醇,其标称官能度为至少3、分子量为至少4000和氧化乙烯含量为至少70%;和
d)基于聚醚混合物的重量,2-10重量%的一种或多种环氧丙烷和环氧乙烷的单官能共聚物,其氧化乙烯含量为20-65重量%,分子量为400至2000。
上述多元醇混合物是高官能度聚醚多元醇(b)和聚醚一元醇(d)以及高比例的多元醇c)的不寻常组合,当该混合物用于制备软质聚氨酯泡沫时,被认为起到开孔剂的作用。
本发明还是制备聚氨酯泡沫的方法。在该方法中,使芳族多异氰酸酯在至少一种催化剂和至少一种表面活性剂的存在下与至少一种交联剂、水和前述的聚醚混合物反应,其中异氰酸酯指数为85至125,并且水的量为每100重量份的聚醚混合物为1.0至3.0重量份。
本发明也是通过上述方法制造的软质聚氨酯泡沫。所述泡沫的特征是具有回弹性,如在ASTM D-3574-11回弹球测试中回弹性至少为50%、最好至少为52%所示:在40%压缩时具有至少1.0kPa的压缩力挠度(CFD),如根据ISO3386-1测量的,“流挂因子”为3.5或更大,和密度为55至120kg/m3。在接近100或更高的异氰酸酯指数下获得这些结果,这提供了减少泡沫产品中芳族胺副产物的量的额外益处。
多元醇a)可以是单一多元醇或多元醇的混合物。多元醇a)中的每种多元醇优选是通过将环氧丙烷或环氧丙烷与环氧乙烷的混合物聚合到三醇引发剂上,然后将环氧乙烷自身聚合到聚醚链末端而形成的氧化乙烯封端的聚(环氧丙烷)。引发剂可以是例如甘油、三羟甲基丙烷或三羟乙基丙烷。环氧丙烷或环氧丙烷/环氧乙烷混合物的聚合可在单个步骤中或在两个或更多个步骤中进行。每种多元醇a)多元醇可具有基于此类多元醇的总重量的10至20重量%或12至17重量%的氧化乙烯含量。
多元醇a)中包含的每种多元醇可具有1750至2200的羟基当量。羟基当量是通过使用ASTM D4274中规定的滴定方法获得羟值(以KOH/g多元醇计)确定的,并使用以下关系式将羟基值转化为当量:
当量=56,100÷OH值。
多元醇a)中每种多元醇的羟基的至少75%、至少80%或至少85%可以是伯羟基。
多元醇b)可以是单一多元醇或多元醇的混合物。多元醇b)中的每种多元醇优选是通过将环氧丙烷或环氧丙烷与环氧乙烷的混合物聚合到具有4-8个可烷氧基化位点的引发剂上,然后将环氧乙烷自身聚合到聚醚链末端而形成的氧化乙烯封端的聚(环氧丙烷)。这种引发剂的实例是具有4至8个羟基的多元醇,例如季戊四醇、赤藓醇、蔗糖、山梨糖醇等,以及多胺例如乙二胺。环氧丙烷或环氧丙烷/环氧乙烷混合物的聚合可在单个步骤中或在两个或更多个步骤中进行。每种多元醇b)多元醇可具有基于此类多元醇的总重量的10至20重量%或12至17重量%的氧化乙烯含量。多元醇b)中包含的每种多元醇可具有1500至2200或1650至2200的羟基当量。这类多元醇的至少80%或至少85%的羟基可以是伯羟基。
从制造的角度看,通过将三官能引发剂和具有4至8个可烷氧基化基团的引发剂的混合物进行烷氧基化来制备多元醇b)和多元醇a)的至少一部分的混合物是方便的。这种共引发的多元醇包含一定比例的三官能聚醚分子(形成多元醇a)的全部或部分)和其他具有4至8的标称官能度的多元醇(形成多元醇b)的全部或部分)。这种产品的一个例子是由山梨糖醇/甘油混合物或蔗糖/甘油混合物引发的聚醚多元醇。这样的混合物每个分子可以具有4至5个,特别是4.2至4.8个羟基的平均官能度。
多元醇c)也可以是单一多元醇或多元醇的混合物。多元醇c)中的每种多元醇优选是i)环氧乙烷均聚物,ii)至少70重量%环氧乙烷和至多30%环氧丙烷的无规共聚物,或iii)至少70重量%环氧乙烷和至多30重量%环氧丙烷的嵌段共聚物。多元醇c)中的每种多元醇的标称官能度至少为3。官能度可以是例如至多8、至多6或至多4。通过凝胶渗透色谱法测量,多元醇c)中的每种多元醇的数均分子量可以为至少4800g/mol,并且可以至多例如12,000、至多10,000或至多8000g/mol。
多元醇d)可以是单一多元醇或多元醇的混合物。多元醇d)中的每种多元醇优选是i)通过将80至35重量%的环氧丙烷和相应地20至65重量%的环氧乙烷的混合物共聚合到单官能引发剂上而制得的无规共聚物,或ii)通过在这种引发剂上顺序加成环氧丙烷和环氧乙烷(以任何顺序)制备的嵌段共聚物。这种引发剂的例子是单醇,例如C1-C16链烷醇。聚合可以在一个步骤中或在两个或更多个步骤中进行。每种多元醇d)多元醇可以具有基于此类多元醇的总重量的20至65重量%、45至63重量%或50至60重量%的氧化乙烯含量。多元醇d)中包含的每种多元醇可具有400至1500、450至1000或450至850的数均分子量。这类多元醇的至少75%、至少80%或至少85%的羟基可以是伯羟基。
本发明的多元醇混合物可以包含60至80重量%、65至80重量%或65至75重量%的多元醇a);10至30重量%或10至20重量%的多元醇b);5至12%或5至10%的多元醇c),和2至10%、2至8%或3至6%的多元醇d),均基于多元醇a)-d)的总重量。
本发明的多元醇混合物可用于制备弹性软质聚氨酯泡沫。
根据本发明,通过在至少一种催化剂和至少一种表面活性剂的存在下使多元醇混合物、水和交联剂与芳族多异氰酸酯反应,制备聚氨酯泡沫。
就本发明而言,交联剂是具有至少三个羟基或至少两个羟基加至少一个伯氨基或仲氨基的化合物,其分子量最高为300,优选最高为200。交联剂的实例包括三乙醇胺、二乙醇胺、三异丙醇胺、二异丙醇胺、甘油、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇、赤藓醇和前述任一项的烷氧基化物,其分子量至多300。
每100重量份的多元醇混合物,交联剂的有用量为0.5至5重量份、1至4重量份或1.5至3.5重量份。
每100重量份的多元醇混合物,水的量可以是1.0至3.0份、1.0至2.8份、1.25至2.5份、1.5至2.25份或1.5至2.0份。这些量的水包括提供给反应的所有水,包括多元醇混合物和/或交联剂中可能存在的水、单独添加的水以及来自任何其他来源的水。
多元醇混合物、水和交联剂与芳族多异氰酸酯形成反应混合物。除了多元醇混合物、交联剂和水以外,还可以存在异氰酸酯反应性化合物,但是如果它们全部存在,每100重量份的多元醇混合物,它们的存在量优选不超过10重量份,不超过5重量份,优选不超过2重量份。
构成多元醇混合物的多元醇可以在形成反应混合物之前共混在一起。或者,可以将多元醇单独地或以各种亚组合的形式混合在一起以形成反应混合物。可以在与多异氰酸酯形成反应混合物之前,将交联剂和水作为单独的流添加、预混合和/或与多元醇混合物的一种或多种组分(或多元醇混合物本身)混合。
芳香族多异氰酸酯的异氰酸酯当量为75至300,优选为85至175。可以的芳香族多异氰酸酯化合物的例子包括例如二异氰酸间亚苯基酯、甲苯-2,4-二异氰酸酯、甲苯-2,6-二异氰酸酯、亚萘基-1,5-二异氰酸酯、甲氧苯基-2,4-二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯、二苯基甲烷-2,4'-二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯、4,4'-亚联苯基二异氰酸酯、3,3'-二甲氧基-4,4'-联二苯二异氰酸酯、3,3'-二甲基-4-4'-联二苯二异氰酸酯、3,3'-二甲基二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯、4,4',4"-联三苯甲烷三异氰酸酯、聚亚甲基聚苯基异氰酸酯(PMDI)、甲苯-2,4,6-三异氰酸酯和4,4'-二甲基二苯基甲烷-2,2',5,5'-四异氰酸酯。优选地,多异氰酸酯为二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯、二苯基甲烷-2,4'-二异氰酸酯、PMDI、甲苯-2,4-二异氰酸酯、甲苯-2,6-二异氰酸酯或其任何两种或更多种的混合物。二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、二苯基甲烷-2,4’-二异氰酸酯和其混合物一般被称为MDI,并且全部可使用。可使用“聚合MDI”,其为PMDI和MDI的混合物。甲苯-2,4-二异氰酸酯、甲苯-2,6-二异氰酸酯和其混合物一般被称为TDI,并且全部可使用。可以用例如一个或多个尿素、氨基甲酸酯、碳二亚胺、脲基甲酸酯、异氰脲酸酯或缩二脲键进行修饰。
优选的芳族多异氰酸酯是MDI(2,4'-或4,4'-异构体或这些异构体的混合物)或经一种或多种尿素、氨基甲酸酯、碳二亚胺、脲基甲酸酯、异氰脲酸酯或缩二脲键改性的MDI,以产生异氰酸酯混合物,其为室温液体,且异氰酸酯当量为135至200。
异氰酸酯指数为至少85、至少90、至少95或至少100,并且可以高达125、高达115或高达110。异氰酸酯指数是提供给反应混合物的异氰酸酯基团与提供给反应混合物的异氰酸酯反应性基团的总数之比的100倍。为了计算异氰酸酯指数的目的,认为水每个分子具有两个异氰酸酯反应性基团,并且伯氨基被认为是单个异氰酸酯反应性基团。
反应在一种或多种催化剂的存在下进行。(一种或多种)催化剂催化水-异氰酸酯反应和醇-异氰酸酯反应中的任一个或两个。适合的催化剂包括例如叔胺、环脒、叔膦、各种金属螯合物、酸金属盐、强碱、各种金属醇化物和酚盐以及有机酸的金属盐。含有金属的催化剂的实例为锡盐、铋盐、钴盐和锌盐。最重要的催化剂为叔胺催化剂、环脒、锌催化剂和锡催化剂。叔胺催化剂的实例包括:三甲胺、三乙胺、N-甲基吗啉、N-乙基吗啉、N,N-二甲基苯甲胺、N,N-二甲基乙醇胺、N,N,N',N'-四甲基-1,4-丁二胺、N,N-二甲基哌嗪、1,4-二氮杂双环-2,2,2-辛烷、双(二甲基氨基乙基)醚、三亚乙基二胺和二甲基烷基胺,其中烷基含有4到18个碳原子。通常使用这些叔胺催化剂的混合物。
反应性胺催化剂,如DMEA(二甲基乙醇胺)或DMAPA(二甲氨基丙基胺)或胺引发的多元醇(充当自催化多元醇)还可用于降低VOC(挥发性有机化合物)。
锡催化剂包括氯化锡、氯化亚锡、辛酸亚锡、油酸亚锡、二月桂酸二甲基锡、二月桂酸二丁基锡、蓖麻油酸锡和式SnRn(OR)4-n的其它锡化合物,其中R为烷基或芳基并且n为0到18,等。如果使用的话,那么锌和锡催化剂一般与一种或多种叔胺催化剂结合使用。
催化剂通常以少量使用,例如,每100重量份的多元醇混合物使用约0.0015至约5或0.1至0.5重量份的每种催化剂。
该反应也在泡沫稳定表面活性剂的存在下进行。泡沫稳定表面活性剂帮助在发泡方法期间通过发泡剂形成气泡稳定直到聚合物已固化。如通常用于制备聚氨酯泡沫中的各种硅氧烷表面活性剂可用于制备泡沫。这类硅氧烷表面活性剂的实例为以商品名TegostabTM(戈尔德施密特公司(Th.Goldschmidt and Co.))、NiaxTM(通用电气OSi硅氧烷公司(GE OSi Silicones))和DabcoTM(空气化工产品有限公司(Air Products andChemicals))可商购的。每100重量份的多元醇混合物,表面活性剂的存在量为0.25至5或0.5至2.5重量份。
泡沫制剂中除上述成分外还可以包含一种或多种成分。这些包括例如填充剂,如三聚氰胺和碳酸钙;聚合物分散体,如聚烯烃分散体;颜料和/或着色剂,如二氧化钛、氧化铁、氧化铬、偶氮/重氮染料、酞菁、二噁嗪和碳黑;增强剂,如玻璃纤维、碳纤维、片状玻璃、云母、滑石等;杀生物剂;防腐剂;抗氧化剂;阻燃剂;塑化剂;石蜡油;植物或动物油或脂肪;环氧化蔬菜油和/或动物脂肪;蜡颗粒;凝胶颗粒等。
可能需要在泡沫制剂中包括辅助发泡剂。这类辅助发泡剂包括物理(吸热)发泡剂,如各种低沸点氯氟碳化物、碳氟化合物、烃等;以及化学(放热)发泡剂(除水之外),其在形成聚氨酯反应的条件下分解或反应。此外,如二氧化碳、空气、氮气或氩气的气体可用作起泡方法中的辅助发泡剂。二氧化碳也可以液体或超临界流体使用。
通过混合前述成分并使所得反应混合物经受固化以产生泡沫的条件来制备泡沫。优选使用混合头或其他设备将多异氰酸酯与其他成分混合,其产生反应混合物的各种组分的紧密混合物。
固化步骤不需要特殊加工条件;因此,在所属领域中描述的用于制备软质聚氨酯泡沫的加工条件和设备为完全合适的。在当存在催化剂时的大多数情况下,即使在室温下(22℃),异氰酸酯化合物将自发地与水和多元醇反应。如果需要,热量可应用到反应混合物以加速固化反应。这可通过在将其组合之前加热成分中的一些或全部,通过对反应混合物施加热量,或每种的某种组合来完成。固化继续直到反应混合物已充分膨胀和固化以形成稳定泡沫。
在一些实施例中,固化步骤在闭合模具中执行。在这类方法中,反应混合物或者在模具本身中形成,或者在模具外部形成,然后注入模具中,在模具固化。因此,反应混合物在固化时的膨胀受到模具内表面限制,模制部件的尺寸和几何形状也是如此。
在其它实施例中,固化步骤可以自由发起(或块料)法执行。在自由起发法中,将反应混合物倒入敞开的容器中,使得在至少一个方向(通常垂直方向)上的膨胀抵靠大气或轻质表面(如膜)发生,所述表面对泡沫的膨胀提供可忽略的阻力。在自由起发法中,反应混合物在至少一个方向上膨胀,基本上不受限制,除自身重量外。自由起发法可通过形成反应混合物并将其分配到槽中或分配到在其上膨胀和固化的输送机上执行。
根据本发明生产的聚氨酯泡沫的泡沫密度为至少55kg/m3。泡沫密度可以为至少58kg/m3,并且可以至多120kg/m3、至多100kg/m3、至多80kg/m3或至多75kg/m3,通过ISO845-88测量。通过ASTM D-3574-11回弹球测试测量,泡沫的回弹性为至少50%,优选至少52%或至少54%。回弹性可以高达75%或高达65%。
根据ISO3386-1测量,聚氨酯泡沫在40%压缩下的压缩力挠度(CFD)为至少1.0kPa,优选至少1.2kPa,更优选至少1.8kPa。40%CFD可以为至少2.2kPa或至少2.5kPa,并且可以高达例如4kPa或3.6kPa。“流挂因子”为至少3.5,并且可以为至少3.6、至少3.7或至少3.8。流挂因子可高达6或高达5.6。
根据ISO7231测量,本发明的泡沫在压碎成机械开孔后优选具有至少1.25升/秒,优选1.25-5升/秒或1.25-2升/秒的空气流量。
由于密度、回弹性、硬度(由40%CFD值表示)和流挂因子的前述组合,根据本发明制备的泡沫非常适合于家具和床上用品应用。
本发明的泡沫适用于缓冲应用,如枕头、床垫、靠背(用于床头板、座椅等)、座垫、包装、保护缓冲,等。它们可用作或作为声音和/或振动(即,NVH)阻尼措施的部件。
提供以下实施例说明本发明,但是不旨在限制其范围。除非另外指示,否则所有份数和百分比均以重量计。
实施例1-4和比较样品A
聚氨酯泡沫由下表中所述的配方制成。显示的水量是所有来源的总水量。
多元醇1是2000当量的环氧乙烷封端的聚(环氧丙烷)三醇。基于多元醇1的重量,它具有大于70%的伯羟基和约15%的氧化乙烯含量。
多元醇2是环氧乙烷封端的聚(环氧丙烷)三醇和1750当量环氧乙烷封端的聚(环氧丙烷)己醇的混合物。它通过将甘油和山梨糖醇的混合物进行丙氧基化然后乙氧基化制备。基于多元醇1的重量,三醇和己醇各自具有大于70%的伯羟基和约15%的氧化乙烯含量。
多元醇3是环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物。它具有至少70%的氧化乙烯含量,为3的标称羟基官能度和分子量为约5000。
多元醇4A是约50%的环氧丙烷和50%的环氧乙烷的750分子量的单官能嵌段共聚物。
多元醇4B是约60%环氧丙烷和40%环氧乙烷的500分子量单官能嵌段共聚物。
多异氰酸酯是异氰酸酯当量为约130的聚合MDI。
使用螺旋桨混合机在室温下将除异氰酸酯外的所有成分一起搅拌。然后加入异氰酸酯。将成分再搅拌10秒钟,将所得混合物倒入30x 30x 25cm的开放式盒子中,在不加热的情况下进行固化。从盒子中取出所得泡沫,并在140℃下后固化5分钟。将泡沫冷却至室温并手动压碎。当泡沫被压碎时,主观地评估泡沫的密封性,并以1-10的等级进行评分,其中1代表非常开放的泡沫,而10代表具有许多闭孔的非常紧密的泡沫。
均测量泡沫密度(ISO845-88),在25%、40%和65%压缩率下的CFD(ISO3386-1),回弹性(ASTM D3574-11),气流(ISO7231)(在压碎的泡沫上),滞后(ISO3386-1)和75%压缩和90%压缩下的压缩变定(ISO1856)。从65%和25%的压缩测量值计算流挂因子。结果如表中所示。
表
如表中的数据所示,本发明的聚醚混合物提供了一种泡沫,其在等同密度下具有较高的气流和较高的流挂因子。25%CFD值较低,这对于家具和床上用品应用来说是理想的。如较低的密封性等级所示,本发明的泡沫也更容易加工。实施例2特别引人注目,因为这些优异的结果是在异氰酸酯指数大于100时获得的。
Claims (11)
1.一种聚醚混合物,其包含
a)基于聚醚混合物的重量,60-80重量%的一种或多种标称三官能环氧乙烷封端的聚(环氧丙烷)多元醇,其具有10-25重量%的氧化乙烯含量和1500-2500的羟基当量,其中至少70%的羟基是伯羟基,
b)基于聚醚混合物的重量,10-30重量%的一种或多种环氧乙烷封端的聚(环氧丙烷)多元醇,其标称官能度为4至8、氧化乙烯含量为10-25重量%和羟基当量为1500-2500,其中至少70%的羟基是伯羟基;
c)基于聚醚混合物的重量,5-12重量%的一种或多种聚醚多元醇,其标称官能度为至少3、分子量为至少4000和氧化乙烯含量为至少70%;和
d)基于聚醚混合物的重量,2-10重量%的一种或多种环氧丙烷和环氧乙烷的单官能共聚物,其氧化乙烯含量为20-65重量%,分子量为400至2000。
2.根据权利要求1所述的聚醚混合物,其包含65至75重量%的a)、10至20重量%的b)、5至10重量%的c)和3至6重量%的d)。
3.根据权利要求1或2所述的聚醚混合物,其中d)的氧化乙烯含量为40至63重量%。
4.一种制备聚氨酯泡沫的方法,包括在至少一种催化剂和至少一种表面活性剂的存在下,使芳族多异氰酸酯与至少一种交联剂、水和权利要求1-3中任一项所述的聚醚混合物反应,其中异氰酸酯指数为85至125以及每100重量份的聚醚混合物,水的量为1.0至3.0重量份。
5.根据权利要求4所述的方法,其中每100重量份的聚醚混合物,水的量为1.5至2.25重量份。
6.根据权利要求4或5所述的方法,其中所述异氰酸酯指数为至少90。
7.根据权利要求4或5所述的方法,其中所述异氰酸酯指数为至少100。
8.通过权利要求4-7中任一项所述的方法制备的软质聚氨酯泡沫。
9.根据权利要求8所述的软质聚氨酯泡沫,其在ASTM D-3574-11回弹球测试中回弹性至少为50%,根据ISO3386-1测量在40%压缩时压缩力挠度(CFD)为至少1.0kPa,并且流挂因子为3.5或更大。
10.根据权利要求8所述的软质聚氨酯泡沫,其在ASTM D-3574-11回弹球测试中回弹性至少为52%,根据ISO3386-1测量在40%压缩时压缩力挠度(CFD)为至少1.8kPa,流挂因子为3.6或更大,以及机械破碎后的气流至少为1.25升/秒。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的软质聚氨酯泡沫,其流挂因子为3.8或更大。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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