DE1961865C3 - Copolymerisation von cyclischen Monoolefinen mit cyclischen Polyolefinen - Google Patents
Copolymerisation von cyclischen Monoolefinen mit cyclischen PolyolefinenInfo
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Description
Katalysatoren
Die Katalysatorausgangsprodukte a) können durch Umsetzung von Wolframhalogenverbindungen mit
Epoxiden oder Halogenalkoholen in Lösung hergestellt werden. Wolframhalogenverbindungen sind damit insbesondere
Wolframhalogenide (bevorzugt Fluorid, Chlorid und Bromid) und Wolframoxyhalogenide
(bevorzugt Fluorid, Chlorid und Bromid) wie WCl5,
WCIb, WBr5, WBr6, WCl4O, WF6. Als Lösungsmittel
eignen sich Kohlenwasserstoffe und Halogenkohlenwasserstoffe wie z. B. Hexan, Pentan, Isooctan, Benzol,
Toluol, Xylol, Cyclohexan, Chlorbenzol, Tetrachloräthylen, Tetrachlorkohlenstoff, Methylenchlorid usw., vorzugsweise
verwendet man solche Lösungsmittel, welche auch für die Polymerisation eingesetzt werden.
Als Epoxide kommen vorzugsweise solche der ■ allgemeinen Formel
Es ist bekannt, Cyclopenten und andere Cycloolefine unter Ringöffnung zu polymerisieren, wobei als
Katalysatoren Systeme aus Wolframhalogeniden wie z. B. WCl6, Cokatalysatdren und Organometallverbindungen
eingesetzt werden, bei denen im allgemeinen die Wolframkomponente zuerst mit der Monomerlösung
bzw. dem Monomeren umgesetzt werden muß. Außer OH-gruppenhaltige Cokatalysatoren wurden gemäß
eigenen Anmeldungen auch Alkylenoxide als Cokatalysatoren vorgeschlagen.
Es wurde weiterhin schon versucht, Copolymerisate aus Cycloolefinen (wie Cyclopenten) und mono- bzw.
polycyclischen Di- bzw. Polyolefinen mit den obengenannten Katalysator/Cokatalysatorsystemen auf Wolframbasis
herzustellen. Bei Zugabe von cyclischen Polyolefinen zum Cyclopenten gehen jedoch die
Polymerisationsausbeuten stark zurück. Möglicherweise ist dies auf Nebenreaktion der Wolframhalogenide
mit den cyclischen Polyolefinen während der Katalysatorherstellung zurückzuführen; denn Wolframhalogenide
besitzen eine starke Friedel-Crafts-Aktivität und erzeugen mit in aromatischen Kohlenwasserstoffen
gelösten cyclischen Polyolefinen rasch schwerlösliche Umsetzungsprodukte.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Copolymerisaten aus cyclischen Monoolefinen
und cyclischen Polyolefinen.
Als cyclische Monoolefine sind solche geeignet, die mit Wolframkatalysatoren unter Ringöffnung polymerisieren,
z. B. Cyclomonoolefine mit 4—18, außer 6 und 7, Kohlenstoffatomen, wie Cyclopenten, Cycloocten, Cyclodecen,
Cyclooctadekaen; vorzugsweise wird Cyclopenten eingesetzt. Cyclische Polyolefine im Sinne der
vorliegenden Erfindung sind Kohlenwasserstoffe, die entweder einen Kohlenwasserstoffring und zwei oder
mehr Doppelbindungen oder zwei oder mehr Kohlenwasserstoffringe mit insgesamt zwei oder mehrere
R-CH
in Frage, wobei R und R' Wasserstoff, Alkylreste, bevorzugt mit 1—6 Kohlenstoffatomen, Alkoxyreste,
bevorzugt mit 1—6 Kohlenstoffatomen, halogenierte (chlorierte, bromierte) Alkylreste, bevorzugt mit 1 —6
Kohlenstoffatomen oder Alkenyl-Alkoxyreste bedeuten. Geeignete Vertreter sind z. B.
Äthylenoxid, Propylenoxid, Butylenoxid,
Butadienmonoxid, Epichlorhydrin,
Epibromhydrin, Allylglycidäther.
Butadienmonoxid, Epichlorhydrin,
Epibromhydrin, Allylglycidäther.
Die Umsetzung der Wolframhalogenverbindungen mit den Epoxiden erfolgt bevorzugt bei Temperaturen
zwischen —10 und 60°C. Das Molverhältnis zwischen Wolframverbindung und Epoxid kann bevorzugt zwischen
1 :1 und i : X liegen, wobei X gleich ist der
Anzahl der Halogenatome der Wolframverbindung. Die wirksamsten Katalysatoren entstehen allgemein mit
1—3 Molen Epoxid pro Mol Wolframhalogen verbindung.
Die Umsetzung kann so durchgeführt werden, daß man eine Lösung oder Suspension der Wolframverbindung
mit dem Epoxid unter Rühren versetzt. Die Umsetzung ist schwach exotherm. Je nach Menge,
Konzentration und Temperatur ist die Reaktion nach 1 bis etwa 120 Minuten beendet. Es ist auch möglich, die
Wolframhalogenverbindung ζ. B. in Form einer Lösung zum Epoxid zuzudosieren.
Das Katalysatorausgangsprodukt a) kann auch durch Umsetzung der Wolframhalogenverbindungen mit den
Halogenalkoholen ebenfalls vorzugsweise in Lösung in den obengenannten Lösungsmitteln hergestellt werden.
Geeignete Halogenalkohole sind:
2-Chloräthanol, 2-Bromäthanol,
2-Jodäthanol, 1,3-Dichlorpropanol-2,
2-Chlorcyclohexanol, 2-Chlorcyclopemanol.
2-Chloräthanol, 2-Bromäthanol,
2-Jodäthanol, 1,3-Dichlorpropanol-2,
2-Chlorcyclohexanol, 2-Chlorcyclopemanol.
Die Halogenalkohole können in den gleichen Molverhältnissen mit den Wolframhalogenverbindungen
umgesetzt werden wie die Epoxide. Vorzugsweise arbeitet man im Bereich von 1—3 Molen Halogcnai'.co-
hol pro Mol Wolfram. Gewöhnlich dosiert man den Halogenalkohol unter Rühren zu einer Lösung der
■Wolframhalogenverbindung, die auch übersättigt sein und Feststoff enthalten kann. Der abgespaltene
Halogenwasserstoff entweicht und kann durch Überlei- ί ten von Stickstoff bzw. Anlegen von Vakuum oder
Erhöhung der Temperatur aas der Reaktionslösung entfernt werden.
Die Konzentrationen der Lösungen der Wolframumsetzungsprodukte können beliebig sein und sind nach ι ο
oben durch die Löslichkeit der durch Umsetzung mit Epoxiden bzw. Halogenalkoholen erhaltenen Produkte
begrenzt, die im allgemeinen erheblich über der Löslichkeit der Wolframhalogenverbindungen liegt
Als aluminiumorganische Verbindungen, die für das ι >
erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, seien genannt:
sowie Alkylverbindungen der 1., 2. und 4. Hauptgruppe des Periodensystems mit vergleichbarer Aktivität. >-i
Genannt seien u. a.
Al(C2H5)Cl2, A1(C2H,)2N(CH3)2.
Es können auch Gemische eingesetzt werden. jo
Die Copolymerisation gemäß der Erfindung kann durchgeführt werden, indem man bei Temperaturen π
zwischen —20° und +60° die Lösung des Wolframumsetzungsproduktes und die aluminiumorganische Verbindung, gegebenenfalls auch in Lösung in beliebiger
Reihenfolge zu einer Lösung der Monomeren gibt. Es ist auch möglich, die Katalysatorkomponenten zuerst 4»
umzusetzen und dann die Monomeren der Lösung des Katalysators zuzufügen.
Auf 100 g Monomerengemisch können 0,1—4, vorzugsweise 0,3—2 Millimol Wolfram eingesetzt werden.
Das Molverhältnis Wolfram/Aluminium kann zwischen v< 1 :0,l undl : 10 liegen.
Als Lösungsmittel für die Polymerisation kommen aliphatische, cycloaliphatische, aromatische Kohlenwasserstoffe und Halogenkohlenwasserstoffe z. B. Pentan,
Hexan, Cyclohexan, Benzol, Toluol, Chlorbenzol, Te- « trachloräthylen in Frage.
Die Copolymerisation erfolgt im allgemeinen bei Temperaturen zwischen —20 und 60° C, bevorzugt
zwischen -10 und 20° C. Auch das Zufügen der Katalysatorkomponenten kann in diesem Temperatur- v>
bereich erfolgen. Polymerisation und Katalysatorherstellung sollen unter Ausschluß von Luft und Feuchtigkeit, beispielsweise in einer Stickstoff- oder Argonatmosphäre durchgeführt werden.
Die Molgewichte der Copolymerisate lassen sich mi durch die Wahl der Katalysatorkonzentration, des
Al/W-Molverhältnisses und der Menge der eingesetzten
Alkohole bzw. Epoxide in bestimmten Grenzen einstellen.
Am Ende der Polymerisation bzw. bei dem gewünschten Umsatz kann der Katalysator durch Zusatz von
Alkoholen, Carbonsäuren und/oder Aminen dcsaktiviert werden. Als Stabilisatoren und Alterungsschutz
mittel kann den Polymerlösungen eines der üblichen Produkte wie z. B.Pheny|-/?-naphthy!amin,
2,6-Ditert-butyl-4-methylphenol,
2^'-Dihydroxy-33'-di-tert-butyl-
5,5'-dimethyldiphenylmethan
in Mengen von 0,2—3%, bezogen auf das Polymerisat
zugesetzt werden. Zusätze von Klebrigmachern, Harzen und ölen sind nach der Polymerisation ebenfalls
möglich.
Die Polymerisate können durch Fällung mit Alkoholen oder in einer technisch bevorzugten Ausführungsform durch Abtreiben des Lösungsmittels mit Wasserdampf aus den anfallenden Lösungen isoliert werden.
Die so erhaltenen Polymerisatkrümel können dann wie üblich z. B. im Trockenschrank eventuell im Vakuum
oder in einer Schnecke oder auf einem Bandtrockner getrocknet werden.
Die Polymerisate sind kautschukartig und können mit den bekannten Vulkanisationsmethoden vernetzt und
zu den üblichen Kautschukprodukten verarbeitet werden. Sie enthalten die durch Ringöffnung des
Cyclopentens eingebauten olefinischen Monomereinheiten überwiegend in trans-Konfiguration.
Mit aen erfindungsgemäßen Katalysatoren kann man — im Gegensatz zu den bekannten Cokatalysator-haltigen Systemen, — Copolymerisate aus Cycloolefinen
z. B. Cyclopenten mit cyclischen bzw. Polycyclischen Polyolefinen herstellen, ohne daß der Umsatz durch
Zusatz der Comonomeren vermindert wird. Dies gilt insbesondere für die Copolymerisation von Cyclopenten mit polycyclischen Polyolefinen z. B. Norbornadien,
Dicyclopentadien und Tricyclopentadien. Während bekannte Cokatalysator-haltige Systeme bei Anwesenheit von geringen Mengen dieser Monomeren nur
geringe Umsätze liefern, lassen sich mit den erfindungsgemäßen Katalysatoren bei hohen Umsätzen Polymerisate mit vorausbestimmten Verzweigungsgraden reproduzierbar herstellen. Der Verzweigungsgrad ist dabei
eine Funktion der Menge an cyclischen Polyolefinen, die bei der Copolymerisation verwendet werden. Je größer
diese Menge ist, um so größer ist auch der Verzweigungsgrad. Er kann an der Defo plastizität in
Verbindung mit dem defo β lastischen Anteil meßtechnisch ermittelt werden. Der Verzweigungsgrad ist für
das Verarbeitungsverhalten von kautschukartigen Polymeren von großer Bedeutung. Bei ölverstreckten
Polymerisaten bestimmt er auch weitgehend den kalten Fluß des Materials. Durch die Wahl der Menge an
polyclischen Polyolefinen läßt sich der Verzweigungsgrad einstellen, wobei mit steigender Konzentration an
Polyolefin die Verzweigung zunimmt.
Vergleichsbeispiel 1
(mitCokatalysator/Katalysatorsystemen)
In einer Stickstoffatmosphäre unter Ausschluß von Feuchtigkeit wurden in Rührtöpfen Lösungen aus
600 ml Toluol und 100 g Cyclopenten bereitet, wobei der
Wassergehalt der Lösungen zwischen 3—5 ppm lag. Für die Copolymerisationsversuche wurden die trockenen
Comonomeren zur Cyclopentenlösung zugefügt.
Die Katalysatorherstellung erfolgte unter Rühren auf t-^7*^
folgende Weise: Bei 00C wurden den Monomerlösun-.4 .iJ^V
gen WCU in Form einer frisch bereiteten 3°/oigen\">
.'('|
Toluollösung zugefügt. Anschließend wurden die Coka- ' 'Γ
talysatorkomponente, Epichlorhydrin oder tert.-Butylhydroperoxid eingerührt und die Lösungen auf -5° C
abgekühlt. Nun erfolgte die Zugabe der Aluminiumalkylverbindungen in Form von 20%igen toluolischen
Lösungen. Die Polymerisationen setzten sogleich ein und die Temperaturen wurden zwischen —5° C und O0C
gehalten. Nach 4 Stunden wurden die Ansätze durch Einrühren von 0,5% 2,2'-Dihydroxy-33'di-tert-butyl-5,5'-dimethyl-diphenylmethan
und !,·>% Äthanolamin, i
bezogen auf das Monomere, gelöst in jeweils 20 ml Äthanol und 60 ml Benzol abgesteppt Die Polymerisate
wurden mit Äthanol gefällt und bei 500C im Vakuum getrocknet. Die Katalysatorzusammensetzung, Menge
an Comonomeren, Ausbeuten und die Polymerisate!- κι
genschaften sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Vergleichsbeispiel 2
Unter den gleichen Bedingungen wie im Vergleichsbeispiel wurden Polymerisationsversuche unter Ver- π
Wendung von
ClCH2-CH2OH
als Cokatalysator durchgeführt. Die Ergebnisse sind Tabelle 2 zusammengestellt >o
Beispiel 1
Umsetzung von WCU mit Epichlorhydrin
Umsetzung von WCU mit Epichlorhydrin
Unter Stickstoff und Feuchtigkeitsausschluß wurden 11,8 g feinkörniges Wolframhexachlorid in 100 ml
trockenem Toluol vorgelegt Unter Rühren wurden innerhalb 10 Minuten 5,6 g Epichlorhydrin gelöst in
20 ml Toluol, zugetropft. Die Farbe der Lösung wechselte von blau nach tiefbraun, das als Bodenkörper jo
vorliegende WCU ging vollständig in Lösung. Die Temperatur betrug während der Umsetzung 35—40°.
Es wurde 45 Minuten nachgerührt. (Konzentration der Lösung 0,238 mMol Wolfram/ml.)
Polymerisationsversuche
Unter denselben Bedingungen wie in Vergleichsbeispiel 1 wurden Copolymerisationsversuche durchgeführt
wobei zur Monomerlösung bei 00C das Wolfram in Form des Umsetzungsproduktes mit Epichlorhydrin
zugefügt wurde und bei -5° C anschließend die Aluminiumalkylkomponente. Die sonstigen Bedingungen
waren die gleichen, in Tabelle 3 sind die Versuchsergebnisse zusammengestellt
Beispie! 2
Umsetzung von WCU mit ClCH2CH2OH
Umsetzung von WCU mit ClCH2CH2OH
In einem Rührkolben wurden unter Ausschluß von Sauerstoff und Feuchtigkeit Wg WCl6 in 100 ml
trockenem Toluol vorgelegt Unter Rühren wurden 4 g 2-Chloräthanol gelöst in 22 ml Toluol in 60 Minuten
zugetropft (Temperatur 25° Q) Der frei werdende Chlorwasserstoff wird durch Überleiten eines schwachen
Stickstoffstromes unter Rühren beseitigt, indem noch 1 Stunde nachgerührt wird. Die dem eingesetzten
Chloräthanol äquivalente HCl-Menge läßt sich im austretenden Stickstoffstrom bestimmen. Die Lösung ist
0,2-molar, bezogen auf Wolfram.
Polymerisationsversuche
Die Polymerisationsversuche wurden in der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt mit dem
Unterschied, daß anstelle des WCU bei 00C das obige Umsetzungsprodukt zu den Monomerlösungen zugefügt
wurde. Danach erfolgte die Zugabe der aluminiumorganischen Komponente bei -5°C. Die Versuchsergebnisse
sind in Tabelle 4 zusammengefaßt. Sie zeigen deutlich den Unterschied zu den Polymerisationsversuchen
im Vergleichsbeispiel 2, bei welchem das Cokatalysatorsystem
WCl,yClCH2CH2OH/Al(C2H5)j
eingesetzt wurde. Auch hier zeigen sich wie in Beispiel 1 die Vorzüge der WCU-Umsetzungsprodukte.
Versuch | 0,7 | - | 1,05 | - | b | 0,7 | - | 1,05 | - | C | 0,7 | - | 1,05 | - | d | 0,7 | - | 1,05 | - | e | 0,7 | - | 1,05 | - | f | 1,0 | 1,8 | g | 1,0 | - | 1,8 | |
a | 1,05 | 1,05 | - | 1,05 | - | 1,05 | - | 1,05 | - | - | 0,08 | 0,8 | 0,08 | |||||||||||||||||||
mMol WCl6 | 0,8 | - | ||||||||||||||||||||||||||||||
mMol CH2-pH-CH2Cl | - | |||||||||||||||||||||||||||||||
O' mMol tert.-Butylhydroperoxid |
||||||||||||||||||||||||||||||||
mMol Al(C2Hs)3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
mMol AI(C4H9J3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Gehalt an Buten-1 im Cyclopenten ( |
im
Comonomeres (%, bezogen auf
Cyclopenten
Cyclopenten
Norbornadien
Cyclooctadien-1,5
Cyclododecatrien-1,5,9
Umsatz, %
(n/ll/a))-Wert
Cyclooctadien-1,5
Cyclododecatrien-1,5,9
Umsatz, %
(n/ll/a))-Wert
Defoplastizität
Defoelastizität
Defoelastizität
IR-Spektrum,
trans-l,4-Verknüpfung, %
trans-l,4-Verknüpfung, %
0,5
1,0 2,0
- | - | - | 2,0 | - | - | - |
35 | 40 | 37 | 41 | 70 | 72 | 35 |
3,29 | 3,72 | 2,4 | 2,7 | 2,73 | 1,70 | - |
2400 | 4200 | 550 | 590 | 650 | 300 | 5400 |
28 | 43 | 12 | 11 | 5 | 19 | 52 |
89,3 | 87,1 | 90,1 | - | 91,7 | 91,3 | 89,3 |
7 | Tabelle 2 | 1961 865 | 0,8 | b | 0,8 | 8 | C | 0.8 | - | d | 0.8 | 1.5 | |
I | 0.96 | 0.96 | 0.96 | 43 | 0,96 | 60 | |||||||
I | 1.85 | 1,85 | 1.85 | 5.0 | 1,85 | 3.1 | |||||||
I | mMol WCI1, | Versuch | 0,005 | 0,005 | 0,007 | 550C) | 0.015 | 2300 | |||||
I | mMol CICHdI-OH | a | 42 | 30 | |||||||||
mMol AI(CH.)-, | - | 0,5 | 1.0 | 87.7 | - | 89,2 | |||||||
I | Uulcn-I im Cyclopenten (%)*) | - | - | ||||||||||
Comonomcrcs (% bezogen auf Cyclopenten) | 75 | 48 | |||||||||||
';_ v>. Norbornadien | 2.28 | 3,96 | |||||||||||
i-'A^. [^cyclopentadien | 1000 | 4100 | |||||||||||
^, / Ausbeule, % | 33 | 43 | |||||||||||
I £& | (n|3l/g])-Wert | 91.3 | 89,3 | ||||||||||
I V? | Defoplastiziliit | ||||||||||||
Defoelaslizität | |||||||||||||
I | IR-Spektrum, trans-M-Verknüpfung. % | ||||||||||||
I | |||||||||||||
I | |||||||||||||
*) Zur Regelung des Molgewichtes wurde Buten-I eingescl/l. Mil steigendem Gehalt an Huten-1. b/w. anderen (/-Olefinen sink
das Molgewicht.
mMol Wolfram (Umscizungsprodukl mit
Hpichlorhydrin) mMol AI(C;H<);CI
"... Huten-1 im Cyclopenten
Comonomcrcs % im Cyclopenten Norbornadien Cyclooctadien-1.5
Umsatz, % Λ .-
(iren7viskosität fBf3l/gJj '\j,x$ü?, '
Mooney ML 4- 100 C~ ^iiZ^
Defo/elaslischer Anteil IR-Spcktrum % trans-l^-V'crknüpfung
Versuch
1.0
0.003
0.003
0.4
1.0
0,005
0,005
0.5
d | 0.4 | C | 0.4 | |
0.4 | 1.0 0.0075 |
1.0 0.002 |
||
1.0 0.01 |
||||
1.0
- | - | - | 1.0 | - |
70 | 73 | 72 | 69 | 70 |
2,6 | 2.4 | 2.79 | 2.54 | 2.2 |
110 | 85 | 103 | 79 | 60 |
775/13 | 725/24 | I100/29 | 500/12 | 400/4 |
92,0 | 91,6 | 91.8 | 91.5 | 91.8 |
Versuch
mMol Wolfram (Umsetzungsprodukt mit Chloräthanol) mMol A1(C:1U):C1
% Buten-! im Cyclopenten
Comonomcres % im Cyclopenten Norbornadien Dicyclopentadien
Umsatz. %
Grenzviskosität (α Qfl/gl)
Mooneyviskosität
0,4
1.8
0,01
0,01
0,4
1,8 0,01
0,6
0.4
1.8 0,02
1,0
- | - | — | 1,5 |
80 | 80 | 78 | 82 |
2,23 | 2,5 | 2,61 | 2,41 |
66 | 79 | 97 | 8? |
IO
Versuch
Defo/elasiiseher Anteil
IR-Spektrum % trans-l,4-Verknüplung
525/12 91,0
825/20 91,1
1125/24 91,0
825/24 90,8
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung von Copolymerisaten aus cyclischen Monoolefinen und cyclischen
Polyolefinen durch Polymerisation in einem inerten organischen Lösungsmittel in Anwesenheit eines
metallorganischen Mischkatalysators, dadurch
gekennzeichnet, daß man als Katalysator einen metallorganischen Mischkatalysator aus
a) einem Umsetzungsprodukt einer Wolframhalogenverbindung, mit einem Epoxid, 2-Chloräthanol,
2-Bromäthanol, 2-Jodäthanol, 1,3-Dichlorpropanol-2,
2-Chlorcyclohexanol oder 2-Chlorcyclopentanol und
b) einer aluminiumorganischen Verbindung
verwendet
verwendet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als cyclisches Monoolefin
Cyclopentcn und als cyclisches Polyolefin Norbornadien, Dicyclopentadien, Tricyclopentadien, Cyclooctadien-1,5
oder Cyclcdodecatrien verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Polymerisation in einem
Kohlenwasserstoff oder Halogenkohlenwasserstoff bei Temperaturen zwischen —20 und +600C
durchführt.
Doppelbindungen, in einem Ring oder auf mehrere Ringe verteilt enthalten. Beispiele für solche Verbindungen
sind Norbornadien, Dicyclopentadien, Tricyclopentadien,
Cyclooctadien-1,5, Cyclododecatrien-1,5,9 u.a.
Die Polyolefine können in Mengen von 0,01—50%, bezogen auf das cyclische Monoolefin eingesetzt
werden, bevorzugt arbeitet man im Bereich von 0,1-10%.
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---|---|---|---|
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DE1961865B2 DE1961865B2 (de) | 1979-09-20 |
DE1961865C3 true DE1961865C3 (de) | 1980-06-12 |
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ID=5753441
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ES (1) | ES386316A1 (de) |
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