DE2634486B2 - Verfahren zur Herstellung von periförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von periförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren

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DE2634486B2 DE2634486A DE2634486A DE2634486B2 DE 2634486 B2 DE2634486 B2 DE 2634486B2 DE 2634486 A DE2634486 A DE 2634486A DE 2634486 A DE2634486 A DE 2634486A DE 2634486 B2 DE2634486 B2 DE 2634486B2
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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von. perlförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren naclt dem Verfahren der umgekehrten Suspensionspolymerisation, bei dem eine 15- bis 80prozentige wäßrige Lösung der Monomeren in einer inerten hydrophoben Flüssigkeit suspendiert und darin in Gegenwart eines Polymerisationsinitiators und 0.01 bis 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Ölphase der Wasser-in-ÖI-Suspension, eines Schutzkolloids zu polymeren Produkten in Perlform polymerisiert wird.
Dieses Verfahren zur Herstellung von perlförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, ätnylenisch ungesättigten Monomeren ist aus der DE-PS 10 81 228 bekannt. Für die praktische Durchführung des Verfahrens ist die richtige Auswahl eines geeigneten Schutzkolloids entscheidend. Die Schutzkolloide stabilisieren die Wasser-in-Öl-Emulsionen und beeinflussen die Größe der Polymerisatperlen. Als Schutzkolloide werden beispielsweise Sorbilanester, wie Sorbitanmonostearat und Sorbitanmonoolcal, äthoxylierte Fettsäureamide, Glycerinfettester, Sorbitansesquioleat oder Sorbitanmonooleat zusammen mit Dicalciumphosphat bzw. Hydiw.ylapatit oder Silikaten eingesetzt. Eine weitere Gruppe von bekannten Schutzkolloiden umfaßt Blockoder Pfropfpolymerisate, die mindestens einen polymeren hydrophilen und einen polymeren hydrophoben Teil im Molekül enthalten. Nach dem Verfahren der umgekehrten Suspensionspolymerisation kann man Polymerisate mil besonders hohen Molekulargewichten herstellen und hat außerdem die Möglichkeit, bei geeigneter Wahl der Hilfsphase ohne weiteres das Wasser durch azeotrope Destillation aus dem System zu entfernen.
Während der Polymerisation durchläuft die wäßrige Phase der Wasser-in-ÖI-Dispersion einen Zustand starker Klebrigkeit. Auch nach Beendigung der Polymerisation ist das suspendierte wasserhaltige Polymerisat nicht klcbfrei. Daher kann es während der Polymerisation oder auch während einer sich an die Polymerisation anschließenden azeotropen Entwässerung zur Verklebung von Polymerisatteilchen untereinander und mit den Gefäßwandungen kommen. Dieser Vorgang kanu im Extremfall sogar so weit gehen, daß das ganze Polymerisat zu einer zusammenhängenden an Rührer und Wandungen haftenden Masse verklumpt. Die bekannten Schutzkolloide haben den Nachteil, daß sie das Aufwachsen von Belägen an den Wänden der Polymerisationsapparatur und am Rührer nicht verhindem.
Aufgabe der Erfindung ist es, Schutzkclloide für das eingangs beschriebene umgekehrte Suspensionspolymerisationsverfahren zur Verfugung zu stellen, mit denen die Nachteile der bekannten Schutzkolloide möglichst weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadm _h gelöst, daß man als Schutzkolloid Reaktionsprodukte verwendet, die durch Umsetzung von Polybutadienölen, die allylständige Wasserstoffe enthalten, oder von ölen und/oder Harzen, die allylständige Wasserstoffe enthalten und die durch Mischpolymerisation von Olefinen und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen hergestellt worden sind und ein Molgewicht von 750 bis 50 000 aufweisen, mit 2 bis 30 Gewichtsprozent Maleinsäureanhydrid, bezogen auf die Öle und Harze, erhalten worden sind.
Als inerte hydrophobe Flüssigkeit, die die Hilfsphase der Wasser-in-ÖI-Suspension darstellt, können prinzipiell alle mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeiten verwendet werden, die nicht in die Polymerisation eingreifen. Vorzugsweise verwendet man aliphatische. cycloaliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffmischungen.
Erfindungsgemäß können alle wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigt' Monomeren nach dem Verfahren der umgekehrten Suspensionspolymerisation zu perlförmigen Polymerisaten polymerisiert werden. Dieses Verfahren hat vor allem Bedeutung für die Polymerisation von Amiden äthylenisch ungesättigter Cj- bis C^Carbonsäuren, wie Acrylamid und Methacrylamid sowie für die Herstellung von Copolymerisaten der genannten Amide mit anderen äthylenisch ungcsälligten Monomeren, die in Wasser löslich sind, beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, deren Lithium-, Natrium-, Kalium- und Ammoniumsalzen sowie anderen äthylenisch ungesättigten Carbonsäuren bzw. ihren Salzen, die mit den Am'den copolymcrisicrbar sind, substituierte Acrylamide, wie N-Mclhy'ijlacrylamid und N-Methylolmethacrylamid, basischen Estern von Cr bis CrCirbonsäuren, beispielsweise Diäthylaminoäthylacrylat, Dimethy'aminoäthylmethacrylal sowie die entsprechenden Carbonsäureamide wie Diäthylaminoäthylacrylamid und Dimethylaminoäthylmcthacrylamid.
Man kann auch mehrere der genannten Monomeren bei der Polymerisation einsetzen, sowie in untergeordneten Mengen auch diejenigen Monomeren, die in Wasser nur wenig löslich sind, aber mit den genannten Monomeren gut «»polymerisieren, z. B. Acrylnitril und Melhylacrylat,
Die nur geringfügig in Wasser löslichen Monomeren werden in einer Menge bis zu 20 Gewichtsprozent, bezogen auf die gesamte Monomerenmischung, eingesetzt. Die Polymerisation wird in der Weise durchgeführt, daß man eine wäßrige Lösung mindestens eines Monomeren in einer inerten hydrophoben Flüssigkeit suspendiert, so daß sich eine Wasser-in-ÖI-Suspension bildet. Dazu ist es jedoch erforderlich, daß ein Si'hut/.kulloid anwesend ist. Als Schutzkolloide werden
erfindungsgemäß Umsetzungsprodukte von Polybutadienölen, die allylständige Wasserstoffe enthalten, oder von ölen und/oder Harzen, die aliylständige Wasserstoffe enthalten und die durch Mischpolymerisation von Olefinen und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen hergestellt worden sind und ein Molgewicht von 750 bis 50 000 aufweisen, mit 2 bis 30 Gewichtsprozent Maleinsäureanhydrid, bezogen auf die öle und Harze, verwendet Diese Reaktionsprodukte sind an sich bekannt Man gewinnt sie durch Erhitzen der öle und/oder Harze mit Maleinsäureanhydrid auf Temperaturen oberhalb 1500C in einer sogenannten En-Reaktion (H. M. R. Hoffmann, Angew. Chem. 81, 597 [1969], C P. A. Kappelmeyer et al, Kunststoffe 40,81 [1950]). Im allgemeinen führt man die Reaktion bei Temperaturen von 1800C bis 2400C durch. Die Anwesenheit eines Lösungsmittels ist gewöhnlich nicht erforderlich, kann im Einzelfall jec-jch Vorteile haben. So wurden aromatische Lösungsmitte! vielfach eingesetzt Prinzipiell kommen natürlich alle Lösungsmittel in Frage, soweit sie inert sind. Bleibt bei der Reaktion überschüssiges Maleinsäureanhydrid unumgesetzt zurück, so kann dieses im Vakuum abdestilliert werden (US-PS 35 18 213). Die Produkte müssen, um ihre Wirksamkeit als Schutzkolloid zu entfalten, in der inerten hydrophoben Flüssigkeit löslich sein. Während der En-Reaktion unterliegen die Öle und/oder Harze bei Anwesenheit von Sauerstoff jedoch vielfach vernetzenden Nebenreaktionen, die zur Unlöslichkeit führen (Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Band 14/2, 771 [196j]). Im dllgemeinen muß daher die Reaktion unter Inertgas f'.urchgeführt werden. Auch sind Zusätze bekannt, die solche N>.benreaktionen unterdrücken.
Als Öle und Harze kommen Mischpolymerisate von Olefinen und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen in Betracht. Geeignete Diolefine sind beispielsweise Butadien, Cyclopentadien, Cyclohexadien, Isopren, Piperylen, Melhylcyclopentadien.
Die Öle und Harze haben ein Molekulargewicht von 750 bis 50 000, vorzugsweise von 1000 bis 30 000. Die öle und Harze können gegebenenfalls mit anderen äthylenisch ungesättigten Monomeren modifiziert sein, beispielsweise mit Styrol. Methylstyrol, Inden, Acrylestern, Methacrylestern.
Die Monomcrenkonzcntration in der wäßrigen Monomerlösung kann in weilen Grenzen variiert werden und liegl zwischen 15 und 80%. Die obere Grenze wird vor allem durch die Löslichkeit der Monomeren gegeben, wahrend die untere Grenze aus WirtschaftlichkeitsgrUnden in der Regel nicht unterschritten wird.
Die Schulzkolloide werden in einer Menge von 0,01 bis 2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Olphase der Wasser-in-öl-Suspension, eingesetzt. Der Anteil der inerten hydrophoben Flüssigkeit am Aufbau der Wasser-in-öl-Suspension beträgt 40 bis 90 Gewichtsprozent
Für die Polymerisation der Monomeren werden die üblichen radikalischen Polymerisationsinitiatoren, wie Peroxide, Hydroperoxide und Azoverbindungen in den bekannten Mengen eingesetzt
Man erhält perlförmige Polymerisate, die durch azeotropes Entfernen des Wassers als trockene Produkte anfallen. Unier perlförmigen Polymerisaten sollen hier auch solche verstanden werden, deren 0,2 bis 5 mm große Körner aus mehreren kleineren, miteinander verwachsenen Teilchen bestehen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allem darin zu sehen, daß an den Polymerisationsapparaturen und Einrichtungen keine oder nur eine äußerst geringe Belagbildung zu beobachten ist Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch den Einsatz der Schutzkolloide die Korngrößenverteilung des Polymerisates besser beeinflußt werden kann, als es mit den bekannten Schutzkolloiden möglich ist
Die folgenden Beispiele erläutern das erfindungsge-
lü mäße Verfahren. Die Prozentangaben in den Beispielen beziehen sich auf das Gewicht der Stoffe, die im folgenden angegebenen Teile sind Gewichtsteile.
Folgende Schutzkolloide wurden verwendet: Schutzkolloid A:
Umsetzungsprodukt aus 10 Teilen Maleinsäureanhydrid (MSA) und 90 Teilen eines Polybutadienöls vom Molgewicht 1500, das 75% eis-1,4-, 24% trans-1,4- und 1% Vinyl-DoppelbindungeniPolybu-
>0 tadienöl I) enthält Die Umsetzung wurde bei 180
bis 200° C durchgeführt
Schutzkolloid B:
Umsetzungsprodukt aus 7,5 Teilen MSA und 92,5 Teilen Polybutadienöl I, Reaktions-Temperatur 180 bis 200° C.
Schutzkolloid C:
Umsetzungsprodukt von 5 Teilen MSA mit 95 Teilen eines Polybutadiens vom Molgewicht 3000 so mit 80% eis-1,4-, 19% Irans-1,4-und 1% Vinyl-Dop-
pelbindungen, hergestellt bei 180 bis 2000C.
Schutzkolloid D:
Umsetzungsprodukt aus 10 Teilen MSA und 90 Teilen eines Polybutadienöls vom Molgewicht 1500. das ca. 40 bis 45% Irans-1,4-, 30 bis 40% cis-1.4- und 20 bis 25% Vinyl-Dcppelbindungen enthält (Polybutadienöl II). Die ReaKtwn wurde bei 180 bis 200°C durchgeführt.
Schutzkolloid E:
Umsetzungsprodukt aus 20 Teilen MSA und 80 Teilen Polybutadienöl II, hergestellt bei 180 bis 2000C.
(. Schutzkolloid F:
Umsetzungsprodukt aus 7.5 Teilen MSA und 32.5 Teilen Polybutadienöl II, hergestellt bei 180 bis 200° C.
Sch !zkolloidG:
'" Uiisetzungsprodukt aus 7,9 Teilen MSA und 92,1
Teilen eines Harzes, das durch kationische Polymerisation eines Destillates der Naphthacrackung, das einen Siedepunkt von 35 bis 1600C und einen Doppelbindungsgehalt halte, der 114 g Brom pro
" 100 g Destillat entsprach, mit Bortrifluorid als
Katalysator bei einer Temperatur von 400C erhallen wurde. Vor der Umsetzung mit MSA, die bei 180 bis 2000C erfolgte, wurden die nicht polymerisierbaren Anteile des Destillats entfernt.
Ml Das Harz hatte ein Molgewicht von 1250.
Beispiel I
1,5 g Schutzkolloid A1 1,6 1 Cyclohexan und 30 g Wasser wurden in einem 5-l-Kessel aus nicht rostendem '" Stahl vorgelegt, der mit Heizung, Impellerrührer, Thermometer, Rückflußkühler und einer Kaskade von 2 Tropftrichtern ausgestattet war. Nachdem man den Kessel sorgfällig mit Stickstoff gespült hatte, wurden die
vorgelegten Stoffe aufgeheizt und der Druck im Kessel soweit vermindert, daß der Inhalt bei 500C unter Rückfluß siedete.
Dann wurden 184 g Acrylamid, 80 g Acrylsäure und 280 mg Natriumhcxametaphosphat in 436 g Wasser gelöst und mit 80 g 50%iger Natronlauge auf pH 7 eingestellt. Man versetzte die Lösung mit 25 ml einer 100/oigen wäßrigen Ammoniaklösung und 8,8 ml einer l%igen wäßrigen Kaliumperoxodisulfatlösung und füllte das Gemisch in den oberen Zulauftrichter der Kaskade ein. Von dort gelangte es in den 2. Zulauftrichter, aus dem man es in dem Maße, in dem es zufloß, kontinuierlich in den Kessel dosierte. Ein Stickstoffstrom, der die Lösung im unteren Trichter ständig durchperlte, entfernte gelösten Sauerstoff. Die Zulaufdauer betrug 1 Stunde; die Rührerdrehzahl 225 min-'. Man polymerisierte 1 Stunde unter den angegebenen Bedingungen each, fügte 16 ml einer tö/öigen wäßrigen Hydroxylammoniumsulfatlösung hinzu und entfernte das Wasser durch azeotrope Destillation bei Atmosphärendruck. Die wasserfreie Suspension wurde abgelassen und der Kessel mit Cyclohexan gespült. Im Kessel verblieben weniger als 2 g Produkt. Die Suspension wurde abgesaugt und das Produkt im Vakuum getrocknet. Es bestand aus runden kugelförmigen Teilchen von 0,1 bis 3 mm Größe.
Beispiel 2
Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch setzte man 1,5 g des Schutzkolloids A ein. Man erhielt ein kugelförmiges Polymerisat mit 0,1 bis 2 mm Korngröße. Die Ablagerungen im Kessel betrugen nur 0,8 g.
Beispiel 3
Beispiel 1 wird mit der Ausnahme wiederholt, daß man anstelle des Schutzkolloids A 2.0 g des Schutzkolloids B einsetzte. Im Polymerisationskesse! lagerten sich etwa 1,5 g des Produkts ab.
Beispiel 4
Beispiel I wurde wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, daß man anstelle des Schutzkolloids A 0,9 g des Schutzkolloids D einsetzte. Im Kessel bildeten sich keine Beläge. Das perlförmige Polymerisat bestand aus Teilchen von 1 bis 5 mm Durchmesser.
Das Beispiel wurde mit 2,5 g des Schutzkolloids B wiederholt. Im Kessel verblieben nach Abschluß der Polymerisation 2,7 g Produkt in Form von Ablagerungen. Das Polymerisat bestand aus runden Perlen von 0,1 bis 2 mm Größe.
Beispiel 5
Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch anstelle des .Schutzkolloids A das Schutzkolloid E in einer Mengt von 0,0 g eingesetzt. Im Polymerisationsgefäß bildeten sich 2,0 g Beläge. Die Perlen waren 0,1 bis 2 mm groß.
Beispiel 6
In der Polymerisationsapparatur, die im Beispiel I beschrieben ist, werden 21 Cyclohexan, 3 g des Schutzkolloids G und 10 g Wasser vorgelegt. Dann stellt man eine Lösung ius 298 g Acrylamid, 72 g Acrylsäure und 420 mg Natriumhexametaphosphat in 806 ml Wasser her. Die Lösung wird dann mit 80 g 50%iger Natronlauge auf Lwmn pH-Wert von 7 eingestellt. Nach Zugabe von 4 ml 10%igem Ammoniak und 12 ml 1%iger Kaliumperoxodisulfatlösung läßt man diese Mischung aus einem Tropftrichter, der ständig von einem kräftigen Stickstoffstrom durchspült wird, i.inerhalb von 10 Minuten in die unter Atmosphärendruek siedende Vorlage einfließen, die gerührt wird (225 UpM). Nach einer Polymerisationsdauer von einer Stunde fügt man 7 ml einer 1 %igen Hydrazinhydratlösung hinzu und entfernt das Wasser durch azeotrope
ίο Destillation. Der Kessel bleibt frei von Anbackungen. Man erhält ein kugelförmiges Polymerisat mit Perlen zwischen 0,1 und 2 mm.
Beispiel 6 wird wiederholt jedoch setzt man insgesamt 9 ml Ammoniak ein und führt die Polymerisa-
Ii tion bei einer Temperatur von 60°C unter vermindertem Druck durch. Der Druck wird dabei so eingestellt, daß die Mischung siedet. Der Kessel bleibt frei von Ablagerungen. Die Teilchengröße liegt zwischen 0.1 und 1 mm.
Beispiel 7
238,5 g Acrylamid, 57,5 g Acrylsäure und 350 mg Natriumhexametaphosphat wurden in 640 g Wasser gelöst und mit 64 g 50°/oiger Natronlauge auf pH 7
.'ϊ gestellt. Man fügte 9 ml 10%igen Ammoniak und 10 ml l%iger Kaliumperoxodisulfat'ösung hinzu und polymerisierte analog Beispiel 1 bei Atmosphärendruck. Die Vorlage bestand aus 2,0 g Schutzkolloid D, 1,61 Cyclohexan und 30 ml Wasser. Vor der azeotropen Trocknung wurden 10 ml einer 1 "/oigen Hydroxylammoniumsulfatlösung zugefügt. Man erhielt kugelförmige Polymerisatteilchen »-on 0,1 bis 2 mm Größe. Der Belag an den Wänden der Polymerisationsapparatur betrug Ig·
Beispiele
In der im Beispiel 1 angegebenen Apparatur wurden 1,61 Cyclohexan. 4 g des Schlitzkolloids D und 30 ml Wasser vorgelegt. Die Polymerisation wurde bei
JO Atmosphärendruck analog Beispiel 1 durchgeführt, indem man eine Lösung von 300 g Acrylamid, 12 g Natriumbicarbonat, 210 mg Nairiumhexamctaphosphat und 100 mg Thioharnstoff in 574 g Wasser, die mit 15 ml einer l%igen wäßrigen Kaliumperoxidisulfatlösung
4) versetzt wurde, zur Vorlage zugab. Nach beendeter Polymerisation setzte man 15 ml einer 1°/oigen Hydroxylammoniumsulfatlösung zu und entfernte das Wasser durch azeotrope Destillation aus dem Polymerisationsgcfäß. Man erhielt ein Polymerisat mit Korngrößen
ο zwischen 0,4 und 4 mm. Die Belagbildung im Kessel betrug 3,2 g.
Beispiel 9
In der im Beispiel I angegebenen Apparatur werden r» 5 g Schutzkolloid F. 1,61 η-Hexan und 30 ml Wasser vorgelegt. Die Mischung wird dann unter Atmosphärendruek zum üieden erhitzt. Dann wird eine Lösung aus 184 g Acrylamid. 80 g Acrylsäure und 200 mg Natriumhexametaphosphat in 436 g Wasser, die mit 80 g einer M) 50%igen Natronlauge auf pH 5 eingestellt worden ist, mit 20 ml einer 10%igen wäßrigen Ammoniaklösung und 8,8 ml einer 1°/oigen wäßrigen Kaliumperoxodisulfatlösung versetzt. Die weitere Verfahrensweise entspricht der im Beispiel 1 angegebenen, jedoch mit der b5 Ausnahme, daß die Polymerisation bei Atmosphärendruek durchgeführt wird. Man erhielt ein Polymerisat mit Korngrößen zwischen 0,5 und 4 mm. Im Polymerisationskessel hatten sich keine Beläge gebildet.
Beispiel 10
Beispiel I wurde wiederholt, jedoch als Schutzkolloid 1,5 g des Schutzkolloids C eingesetzt. Der Wandbelag im Kessel betrug 2 g. Das Polymerisat bestand aus Perlen zwischen 0,2 und 3 mm.
Vergleichsbeispicl I
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, dall anstelle des Schut/kolloids A Sorbitanmonostearat als Schul/kolloid verwendet wurde. Mim erhält F'erlen /wischen 0.2 und 3 mm. Der Wandbelag betrug 34 g.
Verglcichsbeispiel 2
Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, daß man anstelle des Schut/kolloids A öllösliche Athylzelliilose als Schutzkolloid einsetzt. Das perlförmige Polymerisat wies TeilchengröQcn zwischen 0,2 und 3 mm auf. Der Wandbelag betrug in diesem Fall 22 g.
Vergleichsbeispiel 3
Als Schutzkolloid wurde das Produkt eingesetzt, das gemäß Beispiel A der DE-OS 20 99 218 hergestellt wurden ist. Man verführt wie oben im Heispiel 1
ίο beschrieben, verwendet jedoch anstelle des Schuizkolloids Λ 8,0 g der 40%igen Suspension des bekannten .Schutzkolloids und führt die Polymerisation bei einer Tourenzahl des Rührers von 300 UpM durch. Die Teilchengröße lag /wischen 0.2 und 4 mm. Im Kessel
Ii verblieben 22 gdes Produkts als Wandbelag.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von perlförmigen Polymerisaten aus wasserlöslichen, äthylenisch ungesättigten Monomeren nach dem Verfahren der umgekehrten Suspensionspolymerisation, bei dem eine 15- bis 80%ige wäßrige Lösung der Monomeren in einer inerten hydrophoben Flüssigkeit suspendiert und darin in Gegenwart eines Polymerisationsinitiators und 0,01 bis 2 Gew.-%, bezogen auf die ölphase der Wasser-in-ÖI-Suspension, eines Schutzkolloids zu polymeren Produkten in Perlform polymerisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man als Schutzkolloid Reaktionsprodukte verwendet, die durch Umsetzung von Polybutadienölen, die allylständige Wasserstoffe enthalten, oder von ölen und/oder Harzen, die allylständige Wasserstoffe enthalten und die durch Mischpolymerisation von Olefinen und Diolefinen mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen hergestellt worden sind und ein Molgewicht von 750 bis 50 000 aufweisen, mit 2 bis 30Gew.-% Maleinsäureanhydrid, bezogen auf die öle und Harze, erhalten wordei) sind.
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