DE1770929B1 - Verfahren zur herstellung von epoxydierten phenolharzen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von epoxydierten phenolharzenInfo
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Description
R'[-(CH2OR)L
in der R' den Phenylenrest, den Diphenylenrest, 15 den Rest der Formel
den Diphenylenoxydrest der Formel
Polymerisat ist, das durch Umsetzung (A) eines Aralkyläthers der allgemeinen Formel
R'[-(CH2ORQ0
in der R' den Phenylrest, den Diphenylrest, den Diphenylenoxydrest
der Formel
// V
/ V
/Λ/
oder den Rest der Formel
den Rest der Formel
oder den Rest der Formel
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wobei die genannten Reste gegebenenfalls inerte Substituenten enthalten können, bedeutet, R einen
Alkylrest mit weniger als 6 Kohlenstoffatomen darstellt und α eine Zahl im Wert von 2 oder 3 ist, mit
einem molaren Überschuß (B) einer Verbindung oder einem Gemisch von Verbindungen, die sich
vom Benzol ableiten und eine bis drei Hydroxylgruppen am aromatischen Kern gebunden enthalten,
wobei insgesamt nicht mehr als drei Substituenten an die Kohlenstoffatome des Benzolkerns
gebunden sind, gegebenenfalls zusammen mit bis zu 100 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht
der phenolischen Verbindung, von Diphenyl, Terphenyl oder Diphenyläther, bei einer Temperatur
oberhalb 120° C und gegebenenfalls weiteres Umsetzen des erhaltenen Produktes mit einer Fettsäure
gebildet worden ist.
2. Verwendung der gemäß Anspruch 1 hergestellten epoxydierten Phenolharze zusammen mit
üblichen Epoxyhärtern als überzugsmasse für Oberflächen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von epoxydierten Phenolharzen durch
Umsetzung einer phenolischen Verbindung mit einem Epihalogenhydrin in Gegenwart von Alkalihydroxyd
als Halogenwasserstoffakzeptor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die phenolische Verbindung ein
wobei die genannten Reste gegebenenfalls inerte Substituenten enthalten können, bedeutet, R einen Alkylrest
mit weniger als 6 Kohlenstoffatomen darstellt und α eine Zahl im Wert von 2 oder 3 ist, mit einem molaren
Überschuß (B) einer Verbindung oder einem Gemisch von Verbindungen, die sich vom Benzol ableiten und
eine bis drei Hydroxylgruppen am aromatischen Kern gebunden enthalten, wobei insgesamt nicht mehr als
drei Substituenten an die Kohlenstoffatome des Benzolkerns gebunden sind, gegebenenfalls zusammen mit
bis zu 100 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der phenolischen Verbindung, von Diphenyl,
Terphenyl oder Diphenyläther, bei einer Temperatur oberhalb 1200C und gegebenenfalls weiteres
Umsetzen des erhaltenen Produktes mit einer Fettsäure gebildet worden ist.
Die Erfindung umfaßt auch die Verwendung der epoxydierten Phenolharze, die nach dem erwähnten
Verfahren gewonnen werden, zusammen mit üblichen Epoxyhärtern als überzugsmasse.
Der Ausdruck »phenolische Verbindung«, wie er in dieser Erfindungsbeschreibung gebraucht wird, soll
alle Verbindungen oder Verbindungsgemische umfassen, die sich vom Benzol ableiten und eine bis drei,
vorzugsweise eine oder zwei Hydroxylgruppen am aromatischen Kern gebunden enthalten, wobei insgesamt
nicht mehr als 3 Substituenten an die Kohlenstoffatome des Benzolkernes gebunden sind. Zu den
beispielsweise in Frage kommenden Vertretern der phenolischen Verbindungen, die für die Zwecke der
vorliegenden Erfindung brauchbar sind, gehören Phenol, p-Kresol, Resorcin, Brenzkatechin, Isopropylbrenzkatechin,
Diphenylolpropan, Diphenylolmethan, Alkylphenole, wie p-Äthylphenol, p-tert-Butylphenol
und p-tert-Octylphenol, p-Phenylphenol, m-Phenylphenol,
o-Phenylphenol, Pyrogallol und Phloroglucin.
Als phenolische Verbindungen kommen bevorzugt diejenigen in Frage, die eine einzige Hydroxylgruppe
je Arylkern gebunden enthalten, z. B. Phenol, p-Phenylphenol und Diphenylolpropan.
Gewünschtenfalls können die Reste R' des Aralkyläthers Substituenten enthalten, wie an den aromatischen
Kern gebundene Methylgruppen, vorausgesetzt, daß die genannten Substituenten unter den
Reaktionsbedingungen inert sind. Tatsächlich ist — wie gefunden wurde — die Anwesenheit von Chloroder
Fluoratomen in einigen oder in sämtlichen verfügbaren Stellungen im aromatischen Kern von Vorteil,
weil sie dazu beiträgt, den entstehenden polymeren Produkten eine verbesserte Entflammungsbeständigkeit
zu verleihen. Als Beispiel eines substituierten Aralkyläthers, der im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden kann, sei das 2,3,5,6-Tetrachlorl,4-di-(methoxymethyl)-benzol
angeführt.
Der Rest R ist vorzugsweise eine Methyl-, Äthyl- oder Propylgruppe. Die für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung bevorzugt in Frage kommenden Aralkyläther sind die p-Xylylenglykoldialkyläther, z. B.
der p-Xylylenglykoldimethyläther.
Die Umsetzung zwischen der phenolischen Verbindung und dem Aralkyläther verläuft über die
Kondensation der Alkoxygruppen in der Aralkylverbindung mit den kerngebundenen Wasserstoffatomen
in der phenolischen Verbindung unter Eliminierung eines Alkohols. Dieser Prozeß wird vorzugsweise in
Gegenwart eines für die Reaktion geeigneten Katalysators durchgeführt. In dieser Beziehung sind saure
Materialien, z. B. saure oder säurebehandelte Ballentone, Schwefelsäure, p-Toluolsulfonsäure und Friedel-Crafts-Katalysatoren,
wie Zinn(II)-chlorid, Zinkchlorid oder Eisen(III)-chlorid besonders wirksam. Der
mit besonderem Vorteil zu verwendende Katalysator ist das Zinn(II)-chlorid.
Die Menge des verwendeten Katalysators ist nicht von kritischer Bedeutung, und, wie gefunden wurde,
hat sich eine Menge von etwa 0,01 bis 1 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der Reaktionskomponenten
(1) und (2), als für die meisten Zwecke ausreichend erwiesen, wenngleich gewünschtenfalls auch
Mengen bis zu 3% oder mehr verwendet werden können. Um wirtschaftlich tragbare kurze Reaktionszeiten
einhalten zu können, werden die Reaktionsteilnehmer vorzugsweise auf Temperaturen oberhalb
1200C, am besten auf solche von 150 bis 20O0C, erhitzt. Die tatsächlich angewendete Temperatur hängt
in gewissem Grad von dem Typ des verwendeten Katalysators und von der Art des Ausgangsmaterials
ab.
Gewünschtenfalls können organische Lösungsmittel zum Reaktionsgemisch zugegeben werden, um z. B^die
Reaktionskomponenten miteinander verträglich zu machen oder die Gewinnung des Reaktionsproduktes
zu erleichtern. Sofern solche organischen Lösungsmittel anwesend sind, sollten sie vorzugsweise aus
hochsiedenden chlorierten aromatischen Verbindungen mit entaktivierten aromatischen Ringen, z. B.
aus Chlorbenzol, bestehen.
Die Zeitdauer, innerhalb der die in erster Stufe erfolgende Reaktion (1) durchgeführt wird, hängt von
verschiedenen Variablen ab, so z. B. von der Natur der Reaktionskomponenten (A) und (B), dem Typ
und der Menge des Katalysators und der Reaktionstemperatur. Man läßt die Umsetzung vorzugsweise
im wesentlichen vollständig ablaufen und entfernt den während der Umsetzung freigesetzten Alkohol
auf irgendeine geeignete Weise.
Bei der Bildung der erfindungsgemäßen Polymerisate können die phenolischen Verbindungen allein
oder zusammen mit den genannten aromatischen Verbindungen umgesetzt werden. Die zusätzliche Mitverwendung
der aromatischen Verbindungen bei der Umsetzung stellt ein Hilfsmittel zur Modifizierung der
Eigenschaften des Produktes dar. Die aromatische Verbindung kann in Mengen bis zu 100 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Gewicht der phenolischen Verbindung, verwendet werden. Die obere Grenze
wird für gewöhnlich durch den Mengenanteil an phenolischen Hydroxylresten, der in dem Produkt für die
anschließende Umsetzung mit dem Epihalogenhydrin gewünscht wird, bestimmt.
Zweckmäßigerweise wird die aromatische Verbindung mit den restlichen Reaktionskomponenten
gemischt und die Reaktion zum Anspringen gebracht. In manchen Fällen jedoch, vor allem dann, wenn die
aromatische Verbindung nur eine geringe Reaktionsfähigkeit aufweist, kann es von Vorteil sein, zumindest
eine partielle Umsetzung jener Verbindung mit dem Aralkyläther vor dem Einarbeiten der phenolischen
Verbindung in das Reaktionsgemisch herbeizuführen. Wird die aromatische Verbindung mitverwendet,
so ist es nicht von wesentlicher Bedeutung, daß die phenolische Verbindung selbst in einem molaren Überschuß
über den Aralkyläther vorhanden ist, vorausgesetzt, daß die Gesamtmenge an phenolischer Verbindung und an der die aromatischen Kerne enthaltenden
Verbindung insgesamt den erforderlichen molaren Überschuß ausmacht. Wenn die molare Menge des
Aralkyläthers derjenigen der anderen Reaktionskomponente nahekommt, zeigt das Reaktionsgemisch eine
verstärkte Neigung, vorzeitig zu gelieren. Im allgemeinen ist es empfehlenswert, 1,3 bis 3,0, besser noch
X1I2 bis 2V2 Mol der phenolischen Verbindung oder
der phenolischen Verbindung und der die aromatischen Kerne enthaltenden Verbindung auf jedes Mol
Aralkyläther anzuwenden.
Um zu den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten epoxydierten Phenolharzen zu
gelangen, wird das polymere Produkt, welches durch die Umsetzung des Aralkyläthers mit der phenolischen
Verbindung oder mit der phenolischen Verbindung in Gemeinschaft mit der die aromatische Verbindung
enthaltenden Verbindung erhalten worden ist, mit einem Epihalogenhydrin umgesetzt.
Die Umsetzung kann zweckmäßig in der Weise ausgeführt werden, daß man das polymere Produkt
mit dem Epihalogenhydrin, als welches vorzugsweise das Epichlorhydrin dient, vermischt und das Gemisch
auf eine Temperatur erhitzt, bei der Halogenwasserstoff entwickelt wird, wobei derartige Temperaturen
normalerweise innerhalb des Bereiches von 40 bis 1000C liegen. Die Umsetzung soll vorzugsweise in
Gegenwart eines Akzeptors für den freigesetzten Halogenwasserstoff durchgeführt werden. Wie weiter unten
näher erläutert wird, sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten epoxydierten Phenolharze
durch Umsetzung mit organischen Aminen härtbar. Daher wird die Verwendung von organischen
Aminen als Halogenwasserstoff-Akzeptor-Materialien am besten vermieden, sofern man ein stabiles Reaktionsprodukt
zu erhalten wünscht. Als Halogenwasserstoff-Akzeptoren sind die Alkalihydroxyde, z. B. das
Natriumhydroxyd, besonders gut geeignet.
Der Halogenwasserstoff-Akzeptor wird dem erhitzten Gemisch aus Polymerisat- und Epihalogenhydrin
vorzugsweise so langsam zugegeben, daß das pH des Reaktionsgemisches in einem Bereich von 6,5 bis 8,5
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bleibt. Gewünschtenfalls können in dem Reaktionsgemisch Lösungsmittel vorhanden sein. Die Anwesenheit
von zusätzlichen Lösungsmitteln ist jedoch für gewöhnlich nicht erforderlich, da das Epihalogenhydrin
in dieser Beziehung selbst wirksam ist.
Die Menge des Epihalogenhydrine, die bei der Umsetzung zur Anwendung gelangt, hängt weitgehend
von dem Gehalt an phenolischen Hydroxylgruppen im Polymerisat und von dem Reaktionsgrad, der erreicht
werden soll, ab. So kann das Epihalogenhydrin in Mengen verwendet werden, die schwanken zwischen
einem beträchtlichen Unterschuß und einem großen Überschuß, bezogen auf die Äquivalenz der Halogenatome
in dem Epihalogenhydrin und den phenolischen Hydroxylgruppen in dem Polymerisat.
Die Entfernung des überschüssigen Akzeptormaterials und der Nebenproduktsalze aus dem Reaktionsprodukt kann gewünschtenfalls durch Auswaschen
mit Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel erfolgen.
Die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellten Reaktionsprodukte sind aromatische
Polymerisate, die Glycidyläthergruppen an aromatische Kerne gebunden enthalten. Diese epoxydierten
Phenolharze werden im allgemeinen als viskose oder feste Materialien erhalten, und sie können in einen
Zustand höheren Molekulargewichtes dadurch übergeführt werden, daß man sie mit bekannten reaktiven
Epoxyhärtern umsetzt, z. B. mit organischen Aminen und Polyaminen, wie N-Methylpiperazin, m-Phenyldiamin,
Triäthylentetramin, α,ω-Polymethylendiaminen
und Polyätherdiaminen, und Säureanhydriden, wie α - Methyl - 5 - norbornen - 2,3 - dicarbonsäureanhydrid,,
Maleinsäureanhydrid, 1,4,5,6,7,7 - Hexachlorobicyclo-[2,2,1] - 5 - hepten - 2,3 - dicarbonsäureanhydrid und
Pyromellitsäureanhydrid. In Übereinstimmung mit den bekannten Arbeitsmethoden zum Härten von
epoxygruppenhaltigen Materialien werden die Anhydride am besten gemeinschaftlich mit einem Beschleuniger,
wie einem tertiären Amin, verwendet. Die Harze können gewünschtenfalls in Lösungsmitteln,
wie Methyläthylketon, gelöst werden, und sie sind technisch brauchbar z.B. als Uberzugsmaterialien
und Imprägniermassen für Faserstoffsubstrate, wie Glasfasergewebe und Asbestgewebe. Sie können ferner
als Bindemittel bei der Herstellung von Schichtstoffen, Schleifscheiben und anderen Formkörpern dienen,
und sie sind besonders geeignet für die Herstellung von Komponenten für z.B. Schnellrührerschaufeln,
bei denen die Abwesenheit von Nebenprodukten während des Härtungsprozesses von besonderer Bedeutung
ist.
Gewünschtenfalls können sie mit verschiedenen Füllstoffen, z. B. ^Siliciumdioxydprödükten, und
Metalloxyden, Pigmenten und anderen gemeinhin verwendeten Zusatzstoffen aufgemischt werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten epoxydierten Phenolharze können auch
durch Umsetzung mit Fettsäuren modifiziert werden, um zu harzartigen Materialien zu gelangen, die als
Überzugsmassen für Oberflächen besondere technische Bedeutung haben. So können sie z. B. mit trocknenden
oder halbtrocknenden ölfettsäuren, die sich von Leinöl, Sojabohnenöl, Perillaöl, Sonnenblumenöl oder
Tungöl ableiten, oder mit Gemischen solcher- Säuren umgesetzt werden. Die auf diese Weise hergestellten
Epoxyester können durch Zusatz geeigneter Trockenstoffe, wie Metallseifen, z.B. von Bleioctat, Kobaltnaphthenat
und Kobalt-2-Äthylhexoat, in lufttrocknende Überzugsmassen umgewandelt werden.
Phenol (1,5MoI, 141g) und p-Xylylenglykoldimethyläther
(1,0MoI, 166,2 g) wurden unter Rühren auf eine Temperatur von 1300C erhitzt, um das Wasser
aus dem System zu entfernen. Dann wurde Zinn(II)-chlorid (0,002 Mol, 0,23 ml) zu dem Gemisch bei 8O0C
zugesetzt, und die Temperatur der Reaktionskomponenten wurde auf 170° C erhöht, wobei man das gebildete
Methanol abdestillieren ließ. Das Erhitzen wurde fortgesetzt, bis kein weiteres Methanol mehr
freigemacht wurde, die Umsetzung also im wesentlichen vollständig abgelaufen war. Das Reaktionsprodukt
bestand aus einem dunkelbraunen Feststoff.
81 g des vorstehend beschriebenen Polymerisates wurden mit Epichlorhydrin (1,0MoI, 92,5 g) gemischt,
und das Gemisch wurde auf 6O0C erhitzt. Bei dieser Temperatur wurde Natriumhydroxyd (200 g
einer 10%igen Lösung) tropfenweise zugegeben. Die Temperatur wurde danach 3 Stunden auf 95° C erhöht.
Nach dem Abkühlen wurde das Produkt in einem 1:1-Gemisch aus Äthyl-methylketon und Toluol gelöst
und die Lösung wiederholt mit Wasser gewaschen, bis ein neutrales, chloridfreies Waschwasser erhalten
wurde. Die Lösungsmittel und nicht umgesetztes Epichlorhydrin wurden durch Vakuumdestillation
entfernt und hinterließen einen dunkelbraunen, visviskosen, flüssigen Rückstand, dessen Epoxygehalt
6,07 Gewichtsprozent betrug.
Wurde diese Flüssigkeit mit 10 Gewichtsprozent Triäthylamin vermischt und 1 Stunde auf 120° C erhitzt,
so wurde ein hartes, sprödes, harzartiges Produkt erhalten.
Phenol (0,5 Mol, 47 g), Resorcin (0,5 Mol, 55 g), Diphenyl (0,5 Mol, 77,1g) und p-Xylylenglykoldimethyläther
(1 Mol, 166,2 g) wurden unter Rühren auf eine Temperatur von 13O0C erhitzt, um alles
Wasser aus dem System zu entfernen. Nach dem Abkühlen auf 80°C wurde Zinn(II)-chlorid (0,002MoI,
0,23 ml) zugesetzt und die Temperatur des Reaktionsgemisches auf 145° C erhöht. Man ließ das bei der
Umsetzung gebildete Methanol abdestillieren und setzte das Erhitzen fort, bis kein weiteres Methanol
mehr entwickelt wurde. Das Endprodukt bestand nach dem Abkühlen auf 25° C aus einer viskosen, gelben
Flüssigkeit.
Ein Teil des vorstehend beschriebenen Polymerisats (71 g) wurde mit Epichlorhydrin (1 Mol, 92,5 g)
vermischt und das Gemisch auf 6O0C erhitzt. Bei dieser Temperatur erfolgte ein vorsichtiger, tropfenweiser
Zusatz von 200 g einer 10%igen Lösung von Natriumhydroxyd derart, daß das Reaktionsgemisch
stets schwach alkalisch blieb. Nach Beendigung der Zugabe wurde die Temperatur auf 95° C erhöht und
3 Stunden auf dieser Höhe gehalten. Das Endprodukt wurde in einem 1:1-Gemisch aus Äthyl-methylketon
und Toluol gelöst und mit Wasser gewaschen, bis ein neutrales, chloridfreies Waschwasser erhalten
wurde. Das Lösungsmittel und das überschüssige Epichlorhydrin wurden durch Vakuumdestillation
entfernt, und es hinterblieb eine hochviskose, orangefarbene Flüssigkeit.
Wurden zu dieser Flüssigkeit 10 Gewichtsprozent Triäthylamin zugegeben und wurde das Gemisch
1 Stunde auf 12O0C erhitzt, so erhielt man einen
spröden, unschmelzbaren Feststoff.
50 Teile des gemäß Beispiel 1 hergestellten Harzes wurden mit 50 Teilen «-Methyl-S-norbornen^-dicarbonsäureanhydrid
und 0,05 Teilen 2,4,6-Tris-(dimethylaminomethyl)-phenol vermischt. Das Gemisch wurde in Äthyl-methylketon gelöst, und mit dieser
Lösung wurde ein Glasfasergewebe derart überzogen, daß dieses einen Harzgehalt von 37% aufwies. Das
beschichtete Glasfasergewebe wurde 10 Minuten bei 130° C vorgehärtet, dann abgekühlt und zu Quadraten
von 25,4 cm Seitenlänge zerschnitten, die dann 10 Minuten bei 175° C unter einem Druck von 70 kg/cm2
miteinander verpreßt wurden. Die entstandene Schichtstoffplatte wurde 20 Stunden bei 250° C nachgehärtet
und wies ein Biegefestigkeit (in Richtung der Kette gemessen) von 8505 kg/cm2 bei Zimmertemperatur
und von 1036 kg/cm2 bei 250° C auf.
Phenol (4 Mol, 376 g), Diphenyloxyd (2 Mol, 340 g) und p-Xylylenglykoldimethyläther (4MoI, 664,8 g)
wurden zusammen unter Rühren auf 130° C erhitzt,
um alles Wasser aus dem System zu entfernen. Danach wurde Zinn(II)-chlorid (0,008 Mol, 0,92 ml) zu dem
Gemisch bei 80° C zugegeben und die Temperatur auf 170° C erhöht, wobei man das gebildete Methanol
abdestillieren ließ. Das Erhitzen wurde fortgesetzt, bis kein Methanol mehr freigemacht wurde. Das
Reaktionsprodukt bestand aus einem dunkelbraunen Feststoff.
1125 g des vorstehend beschriebenen Harzes wurden
mit Epichlorhydrin (8 Mol, 740 g) vermischt, und das Gemisch wurde auf 60° C erhitzt. Bei dieser Temperatur
wurde tropfenweise Natriumhydroxyd (1600 g einer 10%igen Lösung) zugegeben, wobei das Reaktionsgemisch
schwach alkalisch gehalten wurde. Die Temperatur wurde dann 3 Stunden auf 95° C erhöht.
Nach dem Abkühlen wurde das Produkt in einem 1:1-Gemisch aus Äthylmethylketon und Toluol gelöst
und die Lösung wiederholt mit Wasser gewaschen, bis ein neutrales, chloridfreies Wasch wasser erhalten
wurde. Die Lösungsmittel und das nicht umgesetzte Epichlorhydrin wurden dann durch Vakuumdestillation
entfernt, und es hinterblieb eine dunkelbraune, viskose Flüssigkeit.
55 Teile des vorstehend beschriebenen Harzes wurden mit Äthyl-methylketon verdünnt und mit 45 Teilen
a - Methyl - 5 - norbornen - 2,3 - dicarbonsäureanhydrid und 5 Teilen 2,4,6 - Tris - (dimethylaminomethyl)-phenol
vermischt. Mit dieser Mischung wurde ein Glasfasergewebe beschichtet, wozu man sich einer
10 Minuten dauernden Vorhärtung bei 150° C bediente,
um dem Gewebe einen Harzgehalt von 31% zu verleihen. Das imprägnierte Gewebe wurde zu
20 quadratischen Stücken von 25,4 cm Seitenlänge zerschnitten, die dann 10 Minuten bei 175° C unter
einem Druck von 70 kg/cm2 verpreßt wurden, um eine Platte zu ergeben, die 24 Stunden bei 250° C nachgehärtet
wurde. Die Biegefestigkeit der Platte, in Richtung der Kette gemessen, betrug 7070 kg/cm2 bei
Zimmertemperatur und 703 kg/cm bei 250° C.
209524/497
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von epoxydierten Phenolharzen durch Umsetzung einer phenolischen
Verbindung mit einem Epihalogenhydrin in Gegenwart von Alkalihydroxyd als Halogenwasserstoffakzeptor,
dadurch gekennzeichnet, daß die phenolische Verbindung ein Polymerisat
ist, das durch Umsetzung (A) eines Aralkyläthers der allgemeinen Formel
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Date | Code | Title | Description |
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