DD252836A5 - Verfahren zur herstellung von ethylen-kohlenmonoxid copolymeren - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung linearer alternierender Copolymere von Kohlenmonoxid, Ethylen und moeglicherweise anderen copolymerisierbaren Monomeren, gekennzeichnet dadurch, dass die Copolymere mit einem organischen Loesungsmittel gewaschen und anschliessend getrocknet werden, wobei das Waschen und Trocknen in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff ausgefuehrt werden.
Description
Hierzu 1 Seite Zeichnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung linearer, alternierender Copolymere von Kohlenmonoxid und Ethylen. Diese Copolymere können auch noch andere Monomereinheiten enthalten. In diesem Fall wird die Copolymerisation von Ethylen und Kohlenmonoxid in Gegenwart anderer polymerisierbarer Monomere ausgeführt werden.
Die in Frage kommenden Produkte haben eine lineare Struktur und sind durch eine alternierende Struktur gekennzeichnet, d.h. die sich wiederholende Einheit in der Molekülkette ist (-CO-C2H4-). Wenn andere Monomereinheiten A vorhanden sind, dann werden die anderen alternierenden Strukturelemente (-CO-A-) wahllos entlang der Kette verteilt sein. Die hochmolekularen, linearen alternierenden Copolymere von Kohlenmonoxid und Ethylen besitzen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, vor allem eine sehr hohe Festigkeit, Steifigkeit und Schlagfestigkeit. Trotz derTatsache, daß sie auf ziemlich einfache Weise aus sehr billigen Rohstoffen mit Hilfe eines Katalysators hergestellt werden können, haben diese Copolymere bisher noch keinerlei praktische Anwendung gefunden. Das ist hauptsächlich auf ihren hohen Schmelzpunkt von etwa 2570C und die sich dadurch bei ihrer Verarbeitung ergebenden Probleme zurückzuführen. Die Verarbeitung dieser Copolymere durch beispielsweise Spritzgießverfahren müßte in einem geschmolzenen Zustand erfolgen, bei dem das Material in der Regel eine mindestens 25°C über seinem Schmelzpunkt liegende Temperatur haben müßte, in diesem Fall daher eine Temperatur von über 2800C. Es wurde gefunden, daß diese Copolymere solchen hohen Temperaturen gegenüber nicht ausreichend widerstandsfähig sind, sie verfärben und zersetzen sich. Niedrigere Schmelzpunkte und folglich bessere Verarbeitbarkeit in der Schmelze lassen sich durch die Einbeziehung eines zweiten ungesättigten Monomeren in die Molekülketten, zum Beispiel von Propylen, erzielen.
Es gibt aber noch einen zweiten Faktor, der einen ungünstigen Einfluß auf die Verarbeitbarkeit der Copolymere bei der Schmelztemperatur hat. Es ist dies die Tatsache, daß Copolymere, die durch die möglichen katalytischen Copolymerisationsprozesse gewonnen werden könnten, immer eine gewisse Menge von Verunreinigungen wie Katalysatorrückstände, Copolymer mit einer verhältnismäßig niedrigen relativen Molekülmasse, Oligomere, Wasser und Lösungsmittelrückstände enthalten werden. Die zuletzt genannten werden natürlich nicht vorhanden sein, wenn Gasphasen-Copolymerisation angewandt wird, werden aber vorhanden sein, wenn Suspensionsmethoden zur Anwendung kommen. Das Vorhandensein dieser Verunreinigung bedeutet, daß die Verunreinigungen beim Erhitzen auf die Schmelztemperatur als gasförmige Produkte in Mengen freigesetzt werden, die größer sind, als sie in herkömmlichen Entgasungs-Extrudern toleriert werden können. Diese Menge wird auf etwa 3Ma.-% geschätzt.
Es wird daher ein Herstellungsverfahren gebraucht, bei dem die Copolymere genügend gereinigt werden. Genauer gesagt, es ist ein erfindungsgemäßes Ziel, Ethylen/Kohlenmonoxid-Copolymere zur Verfugung zu stellen, die nicht mehr als etwa 3 Ma.-% der Verunreinigungen a) Wasser, b) organisches Lösungsmittel und c) Nebenprodukte enthalten, die beim Erhitzen des Copolymeren auf die Schmelztemperatur im gasförmigen Zustand entweichen. Diese obere Grenze ist ein Gesamtgehalt der Verunreinigungen a), b) und c) zusammen.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Herstellung linearer alternierender Ethylen/Kohlenmonoxid-Copolymere aus GB-A 1081304, EP-A 84200327.9 und NL-A 8403035 bekannt ist. In diesen bekannten Prozessen werden attraktive Copolymerisationsgeschwindigkeiten in Suspensionssystemen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck erzielt, weil ein organisches Lösungsmittel, zum Beispiel Methanol, als Katalysator verwendet wird. Durch Druckentlastung und Verdampfung der Lösungsmittelrückstände durch Erwärmen werden die Copolymere in Form eines trockenen Pulvers gewonnen. Die gleichfalls anhängige Anmeldung des Anmelders NL-A 8502372 betrifft die katalytische Herstellung von Copolymeren aus Ethylen, Kohlenmonoxid und einem dritten Monomer, zum Beispiel Propylen. In dieser Anmeldung wird festgestellt, daß das Copolymer nach der Druckentlastung mit Methanol gewaschen und anschließend getrocknet werden kann. Geeignete Bedingungen für dieses Waschen und Trocknen werden nicht angeführt.
Mit der Erfindung sollen die Mängel des Standes der Technik beseitigt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung linearer, alternierender Copolymere von Kohlenmonoxid, Ethylen und möglicherweise anderen copolymerisierbaren Monomeren, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymere mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen und anschließend getrocknet werden, wobei das Waschen und Trocknen in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff ausgeführt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Trocknen auch in Abwesenheit von Wasser vorgenommen. Die Ausschaltung von molekularem Sauerstoff kann am besten dadurch erreicht werden, daß in der Wasch-und Trockenanlage eine Atmosphäre eines inerten Gases, vorzugsweise Stickstoff, aufrechterhalten wird. Wenn dieses Gas getrocknet ist, wird auch den oben genannten bevorzugten Bedingungen entsprochen. Andere geeignete Gase sind Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, das letztere nur in Abwesenheit von Ethylen, wenn das Copolymer noch aktiven Katalysator enthält.
Waschen und Trocknen können kontinuierlich oder halb-kontinuierlich in aufeinanderfolgenden Anlagen vorgenommen werden. Chargenweise Ausführung wird jedoch bevorzugt, weil es dann möglich ist, die gleiche Einrichtung für Waschen und Trocknen zu verwenden. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn das Trocknen, oder das Waschen und Trocknen bei einem Druck ausgeführt werden, der erheblich niedriger ist als der Druck im Copolymerisationsreaktor, vorzugsweise 3,5MPa niedriger. Unter der Bezeichnung „in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff "ist zu verstehen, daß der Sauerstoff-Piirtialdruck weniger also χ 10"3MPa,vorzugsweise wenigerals2 χ 10"3MPa, betragenmuß. Diese Werte sind unabhängig vom Gesamtdruck in der Dampfphase während des Waschens oder Trocknens. Der Ausdruck „in Abwesenheit von Wasser" besagt, daß Wassermengen, die wenn sie während des Trocknens vorhanden wären, den Wassergehalt in dem Copolymer relativ um 20% erhöhen würden, ausgeschlossen sind.
Unter dem Begriff „Trocknen" ist unten zu verstehen, daß zwei aufeinanderfolgende Schritte ausgeführt werden, und zwar erstens eine Flüssigkeit-Festphasen-Trennung wie Absetzen, Filtration oder Zentrifugieren, und zweitens Entfernung der Lösungsmittelrückstände aus dem feuchten Copolymer durch Erhitzen, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens T-30°C, wobei T der Siedepunkt in 0C des Lösungsmittels bei dem herrschenden Druck darstellt. Zwischen den beiden Schritten kann die noch feuchte Copolymermasse darüber hinaus verdichtet werden, um ihren Wassergehalt zu verringern. Filtration ist die am besten geeignete Technik für die Phasentrennung. Phasentrennung, Verdichtung und Trocknen durch Erhitzen werden am besten in einer einzigen Anlage ausgeführt, vorzugsweise in der gleichen Ausrüstung, in der das Waschen vorgenommen wurde. Geeignete Ausrüstungen mit der entsprechenden Kombination von Funktionen stehen im Handel zur Verfügung: die WEGA-Filter-Trockner, hergestellt von SEITZ-ENZINGER-NOLL, A.G. und von ROSEMUND GmbH und SCHENK, GmbH hergestellte Filter-Trockner. Die WEGA-Anlage ist wegen ihrer Kipp-Möglichkeit, durch die die chargenweise Ausführung von aufeinanderfolgendem Waschen, Filtrieren, Verdichten und Trocknen vereinfacht werden kann, äußerst attraktiv. Das Waschmittel, gewöhnlich aus Zweckmäßigkeitsgründen auch das Polymerisationsmittel für Suspensionspolymerisation, kann aus der verwendeten Waschflüssigkeit durch Destillation zurückgewonnen werden. Die Verunreinigungen von dem Copolymer werden dann aus dem Bearbeitungs-und Produktionsprozeß hauptsächlich als Bodenprodukt abgelassen. Dieses Ablassen erfolgt in Übereinstimmung mit den in den Umweltgesetzen festgelegten Standardsund kann unter Aufsicht von Abfallbeseitigungs- oder Verbrennungsfirmen erfolgen. Dieser letzte Schritt kann mit der Rückgewinnung von Katalysator kombiniert werden.
Ein besonders geeignetes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anschließend unter Bezugnahme auf ein Prozeßschema (Fig. 1) beschrieben. Hierbei wird Methanol aus Waschflüssigkeit und als Copolymerisationsmedium verwendet.
Die Copolymerisation wird in einem Reaktionsgefäß 10 mit Rührwerk bei einem Druck von 5MPa und einer Temperatur von 650C ausgeführt. Ein Palladium-Phosphin-Katalysator wird in aus einem Vorratsbehälter 11 stammendem Methanol, durch Leitungen 12 und 13 zugeführtem Ethylen und Kohlenmonoxid und möglicherweise auch durch Leitung 14 zugeführtem Propylen gelöst. Ethylen unter Druck steht von einer Benzin-Krackanlage zur Verfügung, Kohlenmonoxid als Flaschengas, so daß keine Kompressoren für die jeweiligen Reaktionsmittel gebraucht werden. Propylen wird mit Hilfe einer Flüssigkeitspumpe verdichtet. Methanol wird eingeleitet, danach wird das Reaktionsgefäß durch die Zugabe von Monomeren und Kohlenmonoxid unter Druck gesetzt. Anschließend wird Katalysatorlösung zugegeben, und während der Zuführung von Monomeren und Kohlenmonoxid wird die Copolymerisation vorgenommen, bis eine Copolymercharge (15 Ma.-% festes Copolymer, berechnet in bezug auf die Gesamtmasse Copolymer plus Methanol) gewonnen wird. Die Zugabe von Reaktionsmitteln wird dann abgestellt und der Druck gesenkt, wobei das zurückbleibende Gas abgeleitet wird. Die Copolymerisationssuspension wird in einen WEGA Filter-Trockner 20 befördert. Die folgenden Schritte werden nacheinander ausgeführt: Filtration, mehrmaliges Waschen mit Methanol, Filtration und Trocknen bei 70 bis 80°C, wobei diese Temperaturerhöhung durch Zirkulieren von heißem Wasser durch einen äußeren Heizmantel erzielt wird. Alle diese Schritte werden unter einer Atmosphäre von getrocknetem Stickstoff ausgeführt, der durch Leitung 21 zugeführt und zum Abfackeln durch Behälter 22 abgeleitet wird. Jeglicher festgehaltener Methanoldampf wird kondensiert und über Behälter 22 zu Behälter 23 geleitet. In diesen zuletzt genannten Behälter gelangt auch verbrauchte Waschflüssigkeit. Die Waschflüssigkeit kann, über eine kurze Umlaufleitung, wenn die Ventile 24 und 25 geschlossen sind, wieder für nachfolgende Waschvorgänge verwendet werden.
Trockenes Copolymer wird mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Pulverförderbandes als ein Gas/Feststoff-Gemisch über Zyklon 31 und möglicherweise über ein (nicht gezeigtes) Silo zum Entgasungsextruder 32 geleitet. Freigesetztes Gas verläßt den Zyklon 31 zur Abfackelleitung. Der Extruder verarbeitet das Polymer zu Granulat (Stückchen). Dieses wird mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Granulattförderbandes, vorzugsweise unter Stickstoff, über Zyklon 33 zu Anlage 34 befördert. Die zuletzt genannte Anlage kann eine Sack-Füll-Maschine sein, kann aber auch eine Spritzgußanlage für die Herstellung geformter Fertigprodukte, eine Folienblasmaschinefür Film-oder dickeres Folien-oder Streifenmaterial, eine Spinnmaschine für Fasern, eine Blasmaschine für Flaschen oder andere Behälter, eine Extrusionsmaschine für Bänder, Platten, Rohre oder Profile, oder eine andere entsprechende Formeinrichtung sein. Auf diese Weise kann der gesamte Bearbeitungszyklus vom aus dem Reaktionsgefäß austretenden Copolymerisationsprodukt bis zum fertigen Produkt unter einer Stickstoffatmosphäre und auch, wenn verlangt, unter Ausschluß von Wasser stattfinden. Auf die Anlagen 32,33 und 34 kann verzichtet werden, wenn dem Kunden trockenes Pulver geliefert wird.
Verunreinigtes Methanol wird aus dem Behälter 23 zu dem Lagerbehälter 41 gepumpt und dann in Turm 40 destilliert. Destilliertes Methanol gelangt über den Rücklaufbehälter 42 in den Vorratsbehälter 43. Es geht über eine mit der Methanolzuleitung verbundene Leitung zum Katalysatorbehälter 11, zum Reaktionsgefäß 10 und zum Filtertrockner 20. Die Abgabe von destilliertem Methanol aus dem Rücklaufbehälter 42 erfolgt nur teilweise, das übrige Methanol kehrt als Rücklauf in den Destillationsturm 40 zurück. Die Behälter 41,42 und 43 führen in die Abfackelleitung. Verunreinigtes Bodenprodukt wird aus dem Destillationsturm 40 zu dem Lagerbehälter 44 geleitet. Die endgültige Entfernung von Bodenprodukt aus dem Prozeß erfolgt in Übereinstimmung mit gesetzlichen Umweltbestimmungen. Die folgenden Verunreinigungsstoffe sind mindestens vorhanden: Katalysatorrückstände, Oligomere und Wasser. Das zuletzt genannte Produkt entsteht vermutlich während der Copolymerisation durch Kondensation unter Eliminierung von Wasser von an die Molekülketten angefügten Hydroxylgruppen (Enol-Konfiguration). Außerdem ist das Copolymer hygroskopisch, so daß in dem Copolymer vorhandenes Wasser absorbiert wird.
Ein Pufferbehälter kann sich zwischen dem Reaktionsgefäß 10 und dem Filter-Trockner 20 befinden. Das ist ein Vorteil, wenn die Copolymerisation kontinuierlich ausgeführt wird. Alternativ können ein oder mehrere Reaktionsgefäße vorhanden sein, in denen eine getrennte Behandlung (Entaschung) für die Entfernung und/oder Rückgewinnung von Katalysator ausgeführt wird, z. B. mit Hilfe eines Verfahrens, das in den gleichfalls anhängigen Anmeldungen NL-A 8502372 und NL-A 8503259 beschrieben wird. Die Entaschung kann möglicherweise auch in dem Filter-Trockner vorgenommen werden.
Obwohl in der Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Anwendung von Methanol als Lösungsmittel genannt wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf dieses Lösungsmittel beschränkt. Es kann jedes füc die Lösung des angeführten Problems geeignete Lösungsmittel verwendet werden. Die Hauptforderung ist, daß es ein gutes Lösungsmittel für Oligomere und niedrigmolekulare Produkte ist, einschließlich aliphatische Alkohole wie Butanol-1, Butanol-2, Isobutanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Heptanol, Isopentanol, n-Pentanol, Hexanole, Octanole und dergleichen, Furan, Tetrahydrofuran, Dioxan und
substituierte Dioxane, Ketone wie Methylisobutylketon, Methylethylketon, Ethylisobutylketon, Ethylisooctylketon, Aceton, und Acetylaceton, Ether wie Diethylether, Dimethylether, Methylhexylether, Ethylbutylether, Ester wie Ethyl- oder Methylacetat, Nitrile wie Acetonitril, und gesättigte Kohlenwasserstoffe wie Pentan, Isopentan, Hexane, Heptane, Octane und Decane. Es ist darüber hinaus wahrscheinlich nicht erforderlich, die gleiche organische Flüssigkeit als Waschmittel zu verwenden, die als Copolymerisationsmedium verwendet wurde.
Das Waschen wird vorzugsweise beizwischen 10 und 80°C liegenden Temperaturen, oder bei niedrigeren Temperaturen, in Abhängigkeit vom Siedepunkt der Waschflüssigkeit ausgeführt. Die Kontaktzeiten können von 5 min bis 1 Stunde oder noch länger variieren. Das Trocknen des Copolymeren sollte vorzugsweise so gründlich vorgenommen werden, daß der Restgehalt an Waschflüssigkeit in dem Copolymer auf unter 0,5 Ma.-%, und am besten auf unter 0,2 Ma.-%, reduziert wird. Die Erfindung betrifft auch lineare alternierende Copolymere von Kohlenmonoxid, Ethylen und möglicherweise anderen copolymerisierbaren Monomeren, wobei diese Copolymere gekennzeichnet sind durch einen kombinierten Gehalt von 0,1 bis 3 Ma.-% von: a) Wasser, b) organischem Lösungsmittel und c) während der Copolymerisation entstandenen Nebenprodukten, die beim Erhitzen des Copolymeren bis auf seinen Schmelzpunkt in gasförmigem Zustand entweichen. So definierte Copolymere sind neuartig. Der Gesamtgehalt (a, b und c) an Verunreinigungen in den neuen Copolymeren wird vorzugsweise 0,1 bis 1,2 Ma.-%, oder noch besser, 0,1 bisO,7Ma.-% betragen. Besonders bevorzugt wird die Gruppe von neuen Produkten, die außer den obengenannten Kriterien auch einen Gehalt an Palladium-Katalysator-Rückständen, berechnet als Palladiummetall, von 0,1 bis 15 x 10-4Ma.-% haben. Die neuartigen Copolymere haben eine wesentlich verbesserte Stabilität bei der Schmelztemperatur und sie können in im Handel erhältlichen Entgasungsextrudern oder, in den bevorzugten Fällen, sogar in gewöhnlichen Extrudern ohne irgendwelche Schwierigkeiten, die in Verbindung mit dem Entweichen von gasförmigen Nebenprodukten auftreten können, verarbeitet werden.
Ein Ethylen/CO-Copolymer wurde in Suspension in Methanol mit Hilfe eines aus Palladiumacetat, p-Toluensulfonsäure und einem zweizähligen Phosphin-Liganden gewonnenen Katalysators hergestellt (siehe EP-A 84200327.9).
Zum Vergleich wurde das aus dem Reaktionsgefäß entfernte Copolymer abfiltriert und durch Erwärmen auf 800C getrocknet. In diesem Fall erfolgte kein Durchspülen mit Stickstoff.
Eine andere Probe von Copolymer wurde erfindungsgemäß in Methylethylketon in gerührter Suspension (750 ml für 50g Copolymer) 1 Stunde lang bei 400C unter einer Stickstoffatmosphäre gewaschen. Es wurde danach filtriert und durch Erhitzen auf 800C unter trockenem Stickstoff getrocknet.
Beide Proben wurden gewogen, und es wurde ein Masseverlust von 1,1 Ma.-% bei der erfindungsgemäßen Probe im Vergleich zur Bezugsprobe ermittelt. Das bedeutet, daß die Bezugsprobe 1,1 Ma.-% Oligomer, lösliche Katalysatorrückstände, Wasser und zurückgebliebenes Methanol enthält.
Die Katalysatorrückstände, berechnet als Palladiummetall und Schwefel (von p-Toluensulfonsäure) betrügen in diesen beiden Proben 9 und 15Ma.-ppm Pd sowie 10 und 19Ma.-ppm S.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung linearer, alternierender Copolymere von Kohlenmonoxid, Ethylen und möglicherweise anderen copolymerisierbaren Monomeren, gekennzeichnet dadurch, daß die Copolymere mit einem organischen Lösungsmittel gewaschen und anschließend getrocknet werden, wobei das Waschen und Trocknen in Abwesenheit von molekularem Sauerstoff ausgeführt werden. .
2. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß das Trocknen in Abwesenheit von Wasser vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Waschen chargenweise ausgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Trocknen chargenweise erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß aus einem Copolymerisationsreaktionsgefäß abgezogenes Copolymer behandelt wird und das Trocknen dann bei einem Druck, der mindestens 3,5MPa niedriger als der Druck in dem Copolymerisationsreaktionsgefäß ist, vorgenommen wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Waschen und Trocknen in einer einzigen Anlage ausgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Trocknen in zwei aufeinanderfolgenden Schritten ausgeführt wird, wobei der erste davon eine Feststoff/ Flüssigphasentrennung und der zweite die Entfernung von Lösungsmittelrückständen aus dem feuchten Copolymer durch Erhitzen auf eine Temperatur von mindestens T-30°C, worin T der Siedepunkt in 0C des Lösungsmittels bei dem herrschenden Druck ist, betrifft.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden Trockenschritte in einer einzigen Anlage ausgeführt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Copolymer zwischen Phasentrennung und Erhitzen verdichtet wird, um den Gehalt an Restflüssigkeit zu verringern.
10. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß Phasentrennung, Verdichtung und Erhitzen in einer einzigen Anlage vorgenommen werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Waschflüssigkeit zurückgewonnen, destilliert und in das Copolymerisationsreaktionsgefäß zurückgeleitet wird, damit es dort als Lösungsmittel dient, wobei das verunreinigte Bodenprodukt aus dem Prozeßzyklus entfernt wird.
12. Lineare alternierende Copolymere von Kohlenmonoxid, Ethylen und möglicherweise anderen copolymerisierbaren Monomeren, gekennzeichnet dadurch, daß sie einen kombinierten Gehalt aufweisen von 0,1 bis 3Ma.-% von: a) Wasser, b) organischem Lösungsmittel und c) während der Copolymerisierung entstandenen Nebenprodukten, die beim Erhitzen des Polymeren bis auf seinen Schmelzpunkt in gasförmigem Zustand entweichen.
13. Copolymere nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß das Copolymer außerdem 0,1 bis 15 x 10~4Ma.-%als Palladiummetall berechnete Katalysatorrückstände enthält.
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