DE29515168U1 - Artificial glassy fibers - Google Patents

Artificial glassy fibers

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Description

1 Künstliche glasartige Fasern1 Artificial glass-like fibers

Die vorliegende Erfindung betrifft künstliche glasartige Fasern, die beim Gebrauch haltbar sind, von denen aber auch gezeigt werden kann, daß sie biologisch von Vorteil sind.The present invention relates to man-made glassy fibers which are durable in use but which can also be shown to be biologically advantageous.

Künstliche glasartige Fasern werden aus einer glasartigen Schmelze wie beispielsweise Stein-, Schlacke-, Glas- oder anderen Mineralschmelzen hergestellt. Die Schmelze wird durch Schmelzen einer mineralischen Zusammensetzung, die die gewünschte Analyse aufweist, in einem Ofen gebildet. Diese Zusammensetzung wird im allgemeinen durch Mischen von Steinen oder Mineralien, um die gewünschte Analyse zu ergeben, gebildet. Die mineralische Zusammensetzung weist oft eine Analyse, ausgedrückt als Oxide, auf, die mindestens 30% SiO2, weniger als 32% Al2O3 und mindestens . 10% CaO einschließt. Die Elementaranalysen in der vorliegenden Beschreibung beziehen sich auf das Gewicht und sind als Oxide berechnet. Das Eisenoxid kann eine Mischung von FeO und Fe3O3 sein, wird aber hier als FeO angegeben.Artificial vitreous fibers are made from a vitreous melt such as rock, slag, glass or other mineral melts. The melt is formed by melting a mineral composition having the desired analysis in a furnace. This composition is generally formed by mixing rocks or minerals to give the desired analysis. The mineral composition often has an analysis, expressed as oxides, that includes at least 30% SiO 2 , less than 32% Al 2 O 3 and at least . 10% CaO. The elemental analyses in the present specification are by weight and are calculated as oxides. The iron oxide may be a mixture of FeO and Fe 3 O 3 but is reported here as FeO.

Eine effiziente und kosteneffektive Bildung der Schmelze im Ofen und der Fasern aus der Schmelze erfordert, daß die Zusammensetzung eine geeignete Liquidustemperatur aufweist und während des Faser-Herstellungsverfahrens eine geeignete Viskosität besitzt. Diese Erfordernisse beschränken die Wahl der zu schmelzenden Zusammensetzung. Efficient and cost-effective formation of the melt in the furnace and of the fibers from the melt requires that the composition have a suitable liquidus temperature and have a suitable viscosity during the fiber production process. These requirements limit the choice of the composition to be melted.

Obwohl es keinen wissenschaftlichen Beweis dafür gibt, daß mit der Herstellung und Verwendung von künstlichen glasartigen Fasern ein Gesundheitsrisiko verbunden ist, haben kommerzielle Interessen die Hersteller dazu bewegt, künstliche glasartige Fasern bereitzustellen, die zwar die erforderlichen physikalischen Eigenschaften von künstlichen glasartigen Fasern (z.B. Beständigkeit bei erhöhten Temperaturen und unter feuchten Bedingungen) beibehalten, von denen aber auch behauptet werden kann, daß sie eine verbesserte biologische Sicherheit bieten.Although there is no scientific evidence that there is a health risk associated with the production and use of man-made glassy fibres, commercial interests have motivated manufacturers to provide man-made glassy fibres that retain the required physical properties of man-made glassy fibres (e.g., resistance to elevated temperatures and humid conditions) but which can also be claimed to offer improved biosafety.

Diese Behauptung der verbesserten Sicherheit wird üblicherweise auf der Basis eines in vitro-Tests gemacht, in dem die Auflösungs-This claim of improved safety is usually made on the basis of an in vitro test in which the dissolution

geschwindigkeit oder Abbaubarkeit der Fasern in einer Flüssigkeit, die die Lungen-Flüssigkeit simulieren soll, wie beispielsweise Gamble'scher Lösung mit pH 7,4 bis 7,8, untersucht wird. Eine Folge der verbesserten Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 7,5 ist, daß die Fasern eine verminderte Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweisen.rate or degradability of the fibers in a liquid that is intended to simulate lung fluid, such as Gamble's solution with pH 7.4 to 7.8, is investigated. One consequence of the improved dissolution rate at pH 7.5 is that the fibers have reduced moisture resistance.

Zahlreiche Patentanmeldungen, die Fasern beschreiben, die eine verbesserte Auflösungsgeschwindigkeit in einem derartigen in vitro-Test ergeben, sind veröffentlicht worden, wie beispielsweise WO87/05007, WO89/12032, EP 412878, EP 459897, WO92/09536,
WO93/22251 und WO94/14717.
Numerous patent applications describing fibres that provide an improved dissolution rate in such an in vitro test have been published, such as WO87/05007, WO89/12032, EP 412878, EP 459897, WO92/09536,
WO93/22251 and WO94/14717.

Ein Charakteristikum vieler dieser Patentanmeldungen und von Fasern, von denen behauptet wird, daß sie in derartigen in vitro-Tests eine verbesserte Auflösungsgeschwindigkeit zeigen, ist, daß die Fasern einen verminderten Aluminiumgehalt aufweisen sollten. Der Aluminiumgehalt von Steinwolle und Schlackenwolle liegt im allgemeinen im Bereich von 5 bis 15% (gemessen auf Gewichtsbasis als Al3O3) und viele dieser angeblich biologisch geeigneten Fasern weisen einen Aluminiumgehalt von unter 4% und oft unter 2% auf.A characteristic of many of these patent applications and of fibres claimed to show an improved dissolution rate in such in vitro tests is that the fibres should have a reduced aluminium content. The aluminium content of rock wool and slag wool is generally in the range of 5 to 15% (measured on a weight basis as Al 3 O 3 ) and many of these allegedly bio-suitable fibres have an aluminium content of less than 4% and often less than 2%.

Ein Problem bei vielen dieser Fasern (zusätzlich zur Ungewißheit, ob sie tatsächlich eine verbesserte biologische Eignung aufweisen) ist, daß mit einer höheren Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 7,5 gewöhnlich eine verminderte Haltbarkeit unter feuchten Bedingungen, auf die sie möglicherweise nach der Installation treffen, einhergeht. Ein weiteres Problem ist, daß die Eigenschaften der Schmelze für die Herstellung in herkömmlichen oder leicht anzupassenden Schmelz- und Faserherstellungs-Apparaturen nicht vollständig zufriedenstellend sind. Beispielsweise kann die Viskosität der Schmelze bei bequemen Faserbildungs-Temperaturen ziemlich niedrig sein.A problem with many of these fibers (in addition to the uncertainty as to whether they actually have improved biological suitability) is that with a higher dissolution rate at pH 7.5 there is usually a reduced durability under humid conditions that they may encounter after installation. Another problem is that the properties of the melt are not entirely satisfactory for manufacture in conventional or easily adapted melting and fiberizing equipment. For example, the viscosity of the melt can be quite low at convenient fiberizing temperatures.

Zusätzlich zu den in vitro-Tests sind in vivo-Forschungstests durchgeführt worden. Beispielsweise zeigte Oberdörster in VDI Berichte 853, 1991, Seiten 17 bis 37, daß an der Reinigung der Lungen von Fasern zwei Grundmechanismen beteiligt sind, nämlich die Auflösung in der nahezu neutralen Lungenflüssigkeit und dieIn addition to the in vitro tests, in vivo research tests have been carried out. For example, Oberdörster showed in VDI Reports 853, 1991, pages 17 to 37 that two basic mechanisms are involved in the cleansing of the lungs from fibers, namely the dissolution in the almost neutral lung fluid and the

Auflösung in der sauren Umgebung (bei pH 4,5 bis 5 gehalten), die in der Lunge um Fasern herum erzeugt wird, die von Macrophagen umgeben sind. Man nimmt an, daß Macrophagen die Entfernung der Fasern aus der Lunge dadurch fördern, daß sie die lokale Auflösung der umgebenen Faserfläche fördern, was zu einer Schwächung und einem Brechen der Fasern führt und so die durchschnittliche Faserlänge vermindert, wodurch die Macrophagen in die Lage versetzt werden, die kürzeren Fasern zu umschlingen und aus der Lunge heraus zu transportieren. Dieser Mechanismus wird in dem Artikel von Morimoto und al. in Occup. Environ. Med. 1994, 51, 62 - 67 und insbesondere in den Figuren 3 und 7 veranschaulicht.Dissolution in the acidic environment (maintained at pH 4.5 to 5) created in the lung around fibers surrounded by macrophages. Macrophages are thought to promote the removal of fibers from the lung by promoting local dissolution of the surrounding fiber area, resulting in weakening and breakage of the fibers, thus reducing the average fiber length, enabling macrophages to entangle the shorter fibers and transport them out of the lung. This mechanism is illustrated in the article by Morimoto et al. in Occup. Environ. Med. 1994, 51, 62 - 67 and particularly in Figures 3 and 7.

Traditionelle Glasfasern und viele der künstlichen glasartigen Fasern, von denen behauptet wird, daß sie eine erhöhte Löslichkeit in Lungenflüssigkeit (bei pH 7,5) aufweisen, besitzen bei pH 4,5 eine schlechtere Löslichkeit als bei pH 7,5 und so würde der Angriff durch Macrophagen vermutlich nicht merklich zu einer Verkürzung und schließlichen Entfernung der Fasern aus der Lunge beitragen.Traditional glass fibers and many of the artificial glassy fibers claimed to have increased solubility in lung fluid (at pH 7.5) have poorer solubility at pH 4.5 than at pH 7.5 and so attack by macrophages would probably not contribute appreciably to shortening and eventual removal of the fibers from the lung.

Bereits existierende künstliche glasartige Fasern, die aus Stein, Schlacke und anderen Mischungen mit relativ hohem Erdalkaligehalt gebildet werden, können bei pH 4,5 eine höhere Auflösungsgeschwindigkeit als bei pH 7,5 zeigen, neigen aber zu einer niedrigen Schmelzviskosität. Existierende Fasern weisen keine zufriedenstellende
Kombination von Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 und Schmelzeigenschaften auf. Fasern, von denen momentan auf der Basis von in vitro-Tests behauptet wird, daß sie bevorzugt sind, neigen dazu, eine niedrige Schmelzviskosität aufzuweisen, wenn sie den erforderlichen niedrigen Aluminiumgehalt besitzen. Die geringe Schmelzviskosität vermindert im Vergleich zur normalen Herstellung unweigerlich die Produktionseffizienz.
Existing artificial glassy fibres formed from rock, slag and other mixtures with relatively high alkaline earth content can show a higher dissolution rate at pH 4.5 than at pH 7.5, but tend to have a low melt viscosity. Existing fibres do not show satisfactory
combination of dissolution rate at pH 4.5 and melting properties. Fibers currently claimed to be preferred based on in vitro testing tend to have low melt viscosity when they have the required low aluminum content. The low melt viscosity inevitably reduces production efficiency compared to normal manufacturing.

Es wäre wünschenswert, künstliche glasartige Fasern bereitzustellen, von denen mit Hilfe ihrer Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 gezeigt werden kann, daß sie in der Lunge biologisch abbaubar sind, und die bei der Verwendung eine gute Witterungsbeständigkeit aufweisen, wenn sie feuchten Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, und die Schmelzeigenschaften besitzen, die eine normaleIt would be desirable to provide artificial glassy fibres which can be demonstrated to be biodegradable in the lungs by their dissolution rate at pH 4.5, and which have good weathering resistance in use when exposed to humid environmental conditions, and which have melting properties which allow normal

hohe Produktionseffizienz erlauben, und die aus kostengünstigen Rohmaterialien hergestellt werden können.allow high production efficiency and can be manufactured from cost-effective raw materials.

Erfindungsgemäß werden künstliche glasartige Fasern hergestellt aus einer Zusammensetzung mit einer Analyse, ausgedrückt als Oxide, die mindestens 30% SiO2, weniger als 30% Al3O3 und mindestens 10% CaO einschließt, wobei die Fasern dadurch gekennzeichnet sind, daß die Analyse der Zusammensetzung einschließt:According to the invention, artificial glassy fibers are made from a composition having an analysis, expressed as oxides, which includes at least 30% SiO 2 , less than 30% Al 3 O 3 and at least 10% CaO, the fibers being characterized in that the analysis of the composition includes:

SiO2 32 bis 48%SiO 2 32 to 48%

Al2O3 18 bis 30%Al 2 O 3 18 to 30%

CaO 10 bis 30%CaO 10 to 30%

MgO 2 bis 20%MgO 2 to 20%

FeO 2 bis 15%FeO 2 up to 15%

Na2O + K2O 0 bis 10%Na 2 O + K 2 O 0 to 10%

TiO2 0 bis 6%TiO 2 0 to 6%

andere Elemente 0 bis 15%other elements 0 to 15%

und die Zusammensetzung eine Viskosität bei 14000C von 10 00 bis 70 0 0 mPas aufweist,and the composition has a viscosity at 1400 0 C of 10 00 to 70 0 0 mPas,

und die Fasern eine Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 von mindestens 20 nm pro Tag besitzen. Vorzugsweise beträgt SiO2 + Al3O3 55 bis 75%, oft 56 bis 68%. Vorzugsweise beträgt CaO + MgO + FeO 25 bis 40%. Bevorzugte Zusammensetzungen sind in den Ansprüchen definiert.and the fibers have a dissolution rate at pH 4.5 of at least 20 nm per day. Preferably SiO 2 + Al 3 O 3 is 55 to 75%, often 56 to 68%. Preferably CaO + MgO + FeO is 25 to 40%. Preferred compositions are defined in the claims.

Erfindungsgemäß ist es überraschenderweise möglich, Fasern bereitzustellen, die bei pH 4,5 eine gute Auflösungsgeschwindigkeit aufweisen, wodurch sie die Reinigung der Lungen durch Macrophagen erleichtern (und somit eine echte biologische Abbaubarkeit fördern), und die eine niedrige oder mäßige Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 7,5 zeigen können, wodurch sie eine gute Stabilität unter feuchten Bedingungen (ohne Verlust der biologischen Abbaubarkeit) aufrechterhalten, und die normale Schmelzeigenschaften wie beispielsweise Liquidustemperatur, Kristallisationsgeschwindigkeit und Schmelzviskosität aufweisen können und die unter Verwendung „ypn# kostengünstigen RohstoffenAccording to the invention, it is surprisingly possible to provide fibres which have a good dissolution rate at pH 4.5, thereby facilitating the clearing of the lungs by macrophages (and thus promoting true biodegradability), and which can show a low or moderate dissolution rate at pH 7.5, thereby maintaining good stability under humid conditions (without loss of biodegradability), and which can have normal melting properties such as liquidus temperature, crystallisation rate and melt viscosity, and which can be produced using „ypn # inexpensive raw materials

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hergestellt werden können.
5
can be produced.

Ein weiterer Vorteil der Fasern ist, daß wenn sie Feuchtigkeit und kondensiertem Wasser ausgesetzt werden, die gebildete resultierende Lösung, die Auflösungsprodukte enthält, einen erhöhten pH aufweist, die Fasern aber eine verminderte Löslichkeit bei erhöhtem pH besitzen und sich so weniger auflösen und eine verbesserte Haltbarkeit aufweisen.Another advantage of the fibers is that when exposed to moisture and condensed water, the resulting solution formed, which contains dissolution products, has an increased pH, but the fibers have reduced solubility at increased pH and thus dissolve less and have improved durability.

Die vorliegende Erfindung schließt auch Produkte ein, die diese künstlichen glasartigen Fasern umfassen.The present invention also includes products comprising these artificial glassy fibers.

Es ist leicht möglich, Elementaranalysen innerhalb der hierin angegebenen Bereiche zu wählen, um die definierte Kombination von Schmelzviskosität und Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 zu erhalten. Weiter ist es leicht möglich, die Zusammensetzung so zu wählen, daß die Zusammensetzung und die Fasern andere wünschenswerte Eigenschaften wie beispielsweise Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 7,5, Liquidustemperatur und Sintertemperatur zeigen.It is readily possible to select elemental analyses within the ranges given herein to obtain the defined combination of melt viscosity and dissolution rate at pH 4.5. Furthermore, it is readily possible to select the composition so that the composition and fibers exhibit other desirable properties such as dissolution rate at pH 7.5, liquidus temperature and sintering temperature.

Wenn man beispielsweise findet, daß die Viskosität irgendeiner speziellen Schmelze bei 14000C zu hoch ist, kann es möglich sein, diese durch Verminderung der Gesamtmenge von SiO2 + Al2O3 zu reduzieren. Wenn die Schmelzviskosität zu niedrig ist, kann es ähnlich, möglich sein, diese zu erhöhen, indem man die Gesamtmenge von SiO2 + Al3O3 erhöht, im allgemeinen innerhalb des Bereiches von 55 bis 75%, oft 60 bis 75%, oder indem man die Menge an Alkalioxid erhöht. Ähnlich kann es möglich sein, die Viskosität durch Erhöhung der Gesamtmenge an Erdalkalimetalloxid-Komponenten und FeO zu erniedrigen.For example, if the viscosity of any particular melt is found to be too high at 1400 0 C, it may be possible to reduce it by reducing the total amount of SiO 2 + Al 2 O 3 . Similarly, if the melt viscosity is too low, it may be possible to increase it by increasing the total amount of SiO 2 + Al 3 O 3 , generally within the range 55 to 75%, often 60 to 75%, or by increasing the amount of alkali oxide. Similarly, it may be possible to lower the viscosity by increasing the total amount of alkaline earth metal oxide components and FeO.

Wenn die Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 zu niedrig ist, kann es möglich sein, sie durch Verminderung der Menge an SiO2 zu erhöhen, aber möglicherweise ist es dann notwendig, die Menge an Al3O3 zu erhöhen, um die Schmelzeigenschaften aufrechtzuerhalten.If the dissolution rate at pH 4.5 is too low, it may be possible to increase it by reducing the amount of SiO 2 , but it may then be necessary to increase the amount of Al 3 O 3 to maintain the melting properties.

Die SiO2-Menge beträgt1 normalerweise mindestens 34% und vorzugsweise mindestens 35%. Sie liegt normalerweise unter 47% und vorzugsweise unter 45%.The amount of SiO 2 is 1 normally at least 34% and preferably at least 35%. It is normally below 47% and preferably below 45%.

Die Menge an Al3O3 beträgt normalerweise mindestens 19%, aber vorzugsweise mindestens 20% und am meisten bevorzugt mindestens 24%. Normalerweise liegt sie unter 28% und vorzugsweise unter 26%.The amount of Al 3 O 3 is normally at least 19%, but preferably at least 20% and most preferably at least 24%. Normally it is below 28% and preferably below 26%.

Die kombinierte Menge von SiO2 + Al3O3 beträgt normalerweise mindestens 56% und vorzugsweise mindestens 57%. In bevorzugten Produkten liegt sie oft oberhalb von 60%, am meisten bevorzugt bei 61 oder 62%. Sie beträgt normalerweise weniger als 70% oder 68% und vorzugsweise weniger als 65%.The combined amount of SiO 2 + Al 3 O 3 is normally at least 56% and preferably at least 57%. In preferred products it is often above 60%, most preferably 61 or 62%. It is normally less than 70% or 68% and preferably less than 65%.

Die CaO-Menge beträgt normalerweise mindestens 14% und vorzugsweise mindestens 18%. Normalerweise liegt sie unter 28% und vorzugsweise unter 25%.The amount of CaO is normally at least 14% and preferably at least 18%. Normally it is less than 28% and preferably less than 25%.

Die MgO-Menge beträgt normalerweise mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 6% und am meisten bevorzugt mindestens 8%. Sie liegt normalerweise unter 15%, vorzugsweise unter 11%.The amount of MgO is normally at least 5%, preferably at least 6% and most preferably at least 8%. It is normally below 15%, preferably below 11%.

Die FeO-Menge beträgt normalerweise mindestens 3% und vorzugsweise mindestens 5%. Sie liegt normalerweise unter 10% und vorzugsweise unter 8%.The amount of FeO is normally at least 3% and preferably at least 5%. It is normally less than 10% and preferably less than 8%.

Die Gesamt-Alkalimenge (Na2O + K,O) beträgt üblicherweise mindestens 1% und vorzugsweise mindestens 2%. Sie liegt üblicherweise unter 5% und vorzugsweise unter 3%.The total alkali content (Na 2 O + K,O) is usually at least 1% and preferably at least 2%. It is usually below 5% and preferably below 3%.

Eine Vielfalt von anderen Elementen, einschließlich TiO2, kann in der Zusammensetzung in jeder beliebigen Menge vorhanden sein, die die gewünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigt und deshalb im allgemeinen ziemlich gering ist, zum Beispiel nicht mehr als 8%. Insbesondere schließt die Zusammensetzung oft TiO2 in einer Menge von bis zu 3%, üblicherweise bis zu 2% ein. Die TiO2-Menge beträgt üblicherweise mindestens 0,2%, oft mindestens 0,5 bis 1%. Die Gesamtmenge an anderen Elementen, einschließlich TiO2, liegt im allgemeinen unter 10% und üblicherweise unter 5%. Am meisten bevorzugt sind von TiO2 verschiedene Elemente in einer Menge von nicht mehr als 2% vorhanden. Beispiele für andere Elemente, dieA variety of other elements, including TiO 2 , may be present in the composition in any amount that does not affect the desired properties and is therefore generally quite low, for example not more than 8%. In particular, the composition often includes TiO 2 in an amount of up to 3%, usually up to 2%. The amount of TiO 2 is usually at least 0.2%, often at least 0.5 to 1%. The total amount of other elements, including TiO 2 , is generally below 10% and usually below 5%. Most preferably, elements other than TiO 2 are present in an amount of not more than 2%. Examples of other elements that

eingeschlossen sein können, sind P2 0S' B2°3' Ba0' Zr02' Mn0
ZnO.
may be included are P 2 0 S' B 2°3' Ba0 ' Zr0 2' Mn0
2-chloro-4-methyl ...

Die Schmelze kann normale Kristallisationseigenschaften aufweisen, wenn aber eine Minimierung der Kristallisation erwünscht wird, kann dies dadurch erreicht werden, daß man Magnesium in relativ niedrigen Mengen, beispielsweise 2 bis 6% MgO, einschließt.The melt may have normal crystallization properties, but if it is desired to minimize crystallization, this can be achieved by including magnesium in relatively low amounts, for example 2 to 6% MgO.

Wenn man Fasern mit verbesserter Feuerbeständigkeit bereitstellen will, ist es im allgemeinen erwünscht, die FeO-Menge zu erhöhen, die dann vorzugsweise mindestens 6%, beispielsweise bis zu 8% oder höher, beispielsweise 10%, beträgt, und die MgO-Menge sollte dann mindestens 8% betragen.When it is desired to provide fibres with improved fire resistance, it is generally desirable to increase the amount of FeO, which is then preferably at least 6%, for example up to 8% or higher, for example 10%, and the amount of MgO should then be at least 8%.

Die Analyse der Zusammensetzung ist vorzugsweise derart, daß die Fasern bei pH 4,5 eine Auflösungsgeschwindigkeit von mindestens 25 und vorzugsweise mindestens 40 nm pro Tag aufweisen. Es ist wünschenswert, daß die Auflösungsgeschwindigkeit so hoch wie möglich ist (konsistent mit der Beibehaltung von adäquaten Feuchtigkeits- und Wärmebeständigkeits-Eigenschaften), aber es ist im allgemeinen nicht erforderlich, daß sie mehr als 100 nm pro Tag beträgt, und sie liegt üblicherweise unter 80 nm pro Tag.The composition analysis is preferably such that the fibers have a dissolution rate of at least 25 and preferably at least 40 nm per day at pH 4.5. It is desirable that the dissolution rate be as high as possible (consistent with maintaining adequate moisture and heat resistance properties) but it is generally not required to be more than 100 nm per day and is usually less than 80 nm per day.

Obwohl eine hohe Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 7,5 als wünschenswerte Eigenschaft (als Anzeichen für eine angebliche biologische Abbaubarkeit) vorgeschlagen worden ist, ist sie tatsächlich oft eine unerwünschte Eigenschaft, da sie ein Anzeichen für eine schlechte Witterungsbeständigkeit bei Einwirkung von Feuchtigkeit ist. Die Auflösung in den Lungen bei pH 7,5 ist tatsächlich von relativ geringer Bedeutung für die biologische Abbaubarkeit. Vorzugsweise weisen die Fasern eine Auflösungsgeschwindigkeit in Gamble'scher Lösung bei pH 7,5 von unter 25 und am meisten bevorzugt unter 15 nm pro Tag auf.Although a high dissolution rate at pH 7.5 has been suggested as a desirable property (as an indication of alleged biodegradability), it is in fact often an undesirable property as it is indicative of poor weatherability when exposed to moisture. Dissolution in the lungs at pH 7.5 is actually of relatively little importance for biodegradability. Preferably, the fibers have a dissolution rate in Gamble's solution at pH 7.5 of less than 25 and most preferably less than 15 nm per day.

Die Viskosität der Zusammensetzung bei 14000C beträgt üblicherweise mindestens 1200 oder 1500 mPas und beträgt vorzugsweise mindestens 1800 mPas. Obwohl sie so hoch wie beispielsweise 6000 mPas sein kann, beträgt sie im allgemeinen weniger als 4000 mPas und vorzugsweise beträgt sie nicht mehr als 3000 mPas.The viscosity of the composition at 1400 ° C is usually at least 1200 or 1500 mPas and is preferably at least 1800 mPas. Although it may be as high as, for example, 6000 mPas, it is generally less than 4000 mPas and preferably is not more than 3000 mPas.

Wenn die Fasern eine gute Feuerbeständigkeit aufweisen sollen, ist die Analyse vorzugsweise derart, daß die Sintertemperatur mindestens 8000C und vorzugsweise mindestens 10000C beträgt.If the fibres are to have good fire resistance, the analysis is preferably such that the sintering temperature is at least 800 0 C and preferably at least 1000 0 C.

Die Liquidustemperatur beträgt üblicherweise mindestens 12000C, oft aber mindestens 12400C. Sie kann so hoch wie beispielsweise 14000C sein, beträgt aber vorzugsweise nicht mehr als 13400C.The liquidus temperature is usually at least 1200 0 C, but often at least 1240 0 C. It can be as high as, for example, 1400 0 C, but is preferably not more than 1340 0 C.

Ein Vorteil der Verwendung der definierten Schmelzen mit mäßigem Aluminiumgehalt zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist, daß er den Einschluß von leicht zugänglichen Materialien mit einem mäßigen Aluminiumgehalt wie beispielsweise Stein, Sand und Abfall erlaubt. Dies minimiert deshalb die Notwendigkeit, teure Materialien mit hohem Aluminiumoxidgehalt wie beispielsweise Bauxit oder Kaolin zu verwenden, und minimiert gleichzeitig die Notwendigkeit, teure Materialien mit sehr niedrigem Aluminiumoxidgehalt wie beispielsweise Siliciumdioxidsand oder Olivinsand, Eisenerz usw. zu verwenden. Typische, leicht zugängliche Materialien mit mittlerem Aluminiumoxidgehalt, die als Teil der oder die gesamte Zusammensetzung eingesetzt werden können, schließen Anorthosit und Phonolit und Gabros ein.An advantage of using the defined moderate alumina melts for use in the present invention is that it allows the inclusion of readily available materials with a moderate alumina content such as rock, sand and waste. This therefore minimizes the need to use expensive high alumina materials such as bauxite or kaolin, while minimizing the need to use expensive very low alumina materials such as silica sand or olivine sand, iron ore, etc. Typical readily available medium alumina materials that can be used as part or all of the composition include anorthosite and phonolite and gabros.

Die Zusammensetzung wird typischerweise hergestellt durch Mischen geeigneter Mengen von natürlich vorkommenden Stein- und Sandmaterialien wie beispielsweise Anorthosit, Gabros, Kalkstein, Dolomit und Diabas und Abfallmaterialien wie beispielsweise Mineralwollabfall, Aluminiumsilikate, Schlacke, Giesereisand, Filterstaub, Flugasche und Bodenasche.The composition is typically prepared by mixing appropriate amounts of naturally occurring rock and sand materials such as anorthosite, gabros, limestone, dolomite and diabase and waste materials such as mineral wool waste, aluminosilicates, slag, foundry sand, filter dust, fly ash and bottom ash.

Die Zusammensetzung kann auf herkömmliche Art in eine Schmelze umgewandelt werden, beispielsweise in einem elektrischen Ofen oder in einem Kuppelofen. Ein Vorteil der Erfindung ist, daß die Zusammensetzung ohne weiteres eine vernünftig niedrige Liquidustemperatur aufweisen kann (während sie eine adäquate Viskosität bei 14000C beibehält) ,. und dies minimiert die Energiemenge, die zum Bilden der Schmelze erforderlich ist.The composition may be converted to a melt in a conventional manner, for example in an electric furnace or in a cupola furnace. An advantage of the invention is that the composition can readily have a reasonably low liquidus temperature (while maintaining adequate viscosity at 1400 °C), and this minimizes the amount of energy required to form the melt.

Die Schmelze kann auf herkömmliche Art und Weise in Fasern umgewandelt werden, beispielsweise durch ein Spinntopf-Verfahren oder durch ein Kaskadenrotor-Verfahren, wie beispielsweise in WO92/06047 beschrieben.The melt can be converted into fibres in a conventional manner, for example by a spinning pot process or by a cascade rotor process, as described for example in WO92/06047.

Die erfindungsgemäßen Fasern können jeden genehmen Faserdurchmesser und jede genehme Faserlänge aufweisen.The fibers according to the invention can have any suitable fiber diameter and any suitable fiber length.

In dieser Erfindung wird die Auflösungsgeschwindigkeit unter Befolgung des folgenden Versuchsprotokolls bestimmt.In this invention, the dissolution rate is determined following the following experimental protocol.

300 mg Fasern wurden in Polyethylen-Flaschen gegeben, die 500 ml einer modifizierten Gamble'sehen Lösung (d.h. mit Komplexierungsmitteln) , die auf pH 7,5 bzw. 4,5 eingestellt war, enthielten. Einmal pro Tag wurde der pH überprüft und erforderlichenfalls mit Hilfe von HCl eingestellt.300 mg of fiber was placed in polyethylene bottles containing 500 ml of modified Gamble's solution (i.e. with complexing agents) adjusted to pH 7.5 or 4.5. Once a day the pH was checked and adjusted if necessary with HCl.

Die Versuche wurden innerhalb von einer Woche durchgeführt. Die Flaschen wurden bei 37°C in einem Wasserbad gehalten und zweimal täglich kräftig geschüttelt. Aliguota der Lösung wurden nach einem und nach vier Tagen entnommen und hinsichtlich Si auf einem Perkin-Elmer-Atomabsorptionsspektrophotometer analysiert.The experiments were carried out over a period of one week. The bottles were kept in a water bath at 37°C and shaken vigorously twice a day. Aliquots of the solution were taken after one and four days and analyzed for Si on a Perkin-Elmer atomic absorption spectrophotometer.

Die modifizierteThe modified Gamble'sehe LösungGamble's solution hatte die folgende Zusammenhad the following composition Setzung:Setting: q/iq/i MgCl2.6H2O MgCl2.6H2O 0,2120.212 NaClNaCl 7,1207,120 CaCl2.2H2O CaCl2.2H2O 0,0290.029 Na2SO4 Na2SO4 0,0790.079 Na2HPO4 Na2HPO4 0,1480.148 NaHCO3 NaHCO3 1,9501,950 (Na,-Tartrat).2H,(Na,-tartrate).2H, O 0,180O 0.180 (Na,-Citrat).2H9O(Na,-citrate).2H 9 O 0,1520.152 90% Milchsäure90% lactic acid 0,1560.156 GlycinGlycine 0,1180.118 Na-PyruvatNa-pyruvate * 0,172* 0.172 FormalinFormalin 1 ml1ml * · · * &phgr; ** ·
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Die Verteilung der Faserdurchmesser wird für jede Probe bestimmt durch Messen des Durchmessers von mindestens 200 einzelnen Fasern mit Hilfe des Linienschnittverfahrens und eines Rasterelektronenmikroskops oder optischen Mikroskops {1000-fache Vergrößerung) . Die abgelesenen Werte werden verwendet, um die spezifische Oberfläche der Faserproben zu berechnen, wobei man die Dichte der Fasern berücksichtigt.The fiber diameter distribution is determined for each sample by measuring the diameter of at least 200 individual fibers using the line intersection method and a scanning electron microscope or optical microscope {1000x magnification). The readings are used to calculate the specific surface area of the fiber samples, taking into account the density of the fibers.

Auf der Basis der Auflösung von SiO2 (Netzwerk-Auflösung) wurde die aufgelöste spezifische Dicke berechnet und die Auflösungsgeschwindigkeit (nm/Tag) festgestellt. Die Berechnungen basieren auf dem SiO2-Gehalt der Fasern, der spezifischen Oberfläche und der aufgelösten Si-Menge.Based on the dissolution of SiO 2 (network dissolution), the dissolved specific thickness was calculated and the dissolution rate (nm/day) was determined. The calculations are based on the SiO 2 content of the fibers, the specific surface area and the amount of Si dissolved.

In dieser Beschreibung wird die Sintertemperatur durch das folgende Versuchtsprotokoll bestimmt.In this description, the sintering temperature is determined by the following test protocol.

Die thermische Stabilität, ausgedrückt als Sintertemperatur der Faser-Zusammensetzungen, wurde mit Hilfe des folgenden Verfahrens bestimmt:The thermal stability, expressed as sintering temperature of the fiber compositions, was determined using the following procedure:

Eine Probe (5 &khgr; 5 &khgr; 7,5 cm) Mineralwolle, die aus der zu untersuchenden Faser-Zusammensetzung hergestellt war, wurde in einen auf 7000C vorerhitzten Ofen gegeben. Nach 1, 5-stündiger Einwirkung wurden die Schrumpfung und das Sintern der Probe beurteilt. Das Verfahren wurde jedesmal mit einer frischen Probe und einer Ofentemperatur von 5O0C oberhalb der vorangehenden Ofentemperatur wiederholt, bis die maximale Ofentemperatur, bei der kein Sintern oder keine übermäßige Schrumpfung der Probe beobachtet wurde, bestimmt war.A sample (5 x 5 x 7.5 cm) of mineral wool made from the fiber composition to be tested was placed in an oven preheated to 700 0 C. After 1.5 hours of exposure, the shrinkage and sintering of the sample were evaluated. The procedure was repeated each time with a fresh sample and an oven temperature 50 0 C above the previous oven temperature until the maximum oven temperature at which no sintering or excessive shrinkage of the sample was observed was determined.

In dieser Beschreibung ist die Viskosität in mPas bei 14000C gemäß Bottinga und Weill, American Journal of Science, Band 272, Mai 1972, Seite 455 - 475 bestimmt.In this description, the viscosity in mPas at 1400 0 C is determined according to Bottinga and Weill, American Journal of Science, Volume 272, May 1972, pages 455 - 475.

Es folgen Beispiele für die Erfindung.Examples of the invention follow.

In jedem Beispiel wurde eine Zusammensetzung gebildet durchIn each example, a composition was formed by

Mischen geeigneter Anteile von Rohmaterialien und wurde in einem Muldenofen geschmolzen und wurde mit Hilfe der Kaskadenspinn-Technik in Fasern umgewandelt. Die Analysen der Zusammensetzungen und deren Eigenschaften sind in den folgenden Tabellen angegeben. Die Produkte A bis P sind erfindungsgemäße Produkte.Mixing appropriate proportions of raw materials and was melted in a trough furnace and was converted into fibers using the cascade spinning technique. The analyses of the compositions and their properties are given in the following tables. Products A to P are products according to the invention.

Das Produkt V weist eine Analyse ähnlich derjenigen von kommerzieller Schlackenwolle auf und man wird feststellen, daß es einen relativ niedrigen Aluminiumgehalt, einen hohen Calciumgehalt und eine ziemlich niedrige Schmelzviskosität und einen mäßigen Auflösungswert bei pH 7,5 aufweist.Product V has an analysis similar to that of commercial slag wool and it will be noted that it has a relatively low aluminum content, a high calcium content, and a fairly low melt viscosity and a moderate dissolution value at pH 7.5.

Das Produkt X ist der Schlackenwolle V in gewisser Beziehung ähnlich, weist aber noch immer eine für ein bequemes Spinnen ziemlich niedrige Schmelzviskosität auf. Weiter ist die Faserstabilität auf Grund des geringen Gehalts an FeO und MgO niedrig. Das Produkt Y ist ein Produkt mit hohem Aluminiumgehalt, aber die Anteile aller Komponenten sind so, daß die Schmelzviskosität für ein bequemes Spinnen zu hoch ist.Product X is similar to slag wool V in some respects, but still has a melt viscosity that is quite low for convenient spinning. Furthermore, the fiber stability is low due to the low content of FeO and MgO. Product Y is a product with a high aluminum content, but the proportions of all components are such that the melt viscosity is too high for convenient spinning.

Das Produkt Z ist einem herkömmlichen Steinwolle-Produkt mit normal guten Produkteigenschaften ähnlich, weist aber eine sehr niedrige Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 auf. Es zeigt einen ziemlich hohen Siliciumdioxidgehalt und einen relativ niedrigen Aluminiumoxidgehalt.Product Z is similar to a conventional stone wool product with normal good product properties, but has a very low dissolution rate at pH 4.5. It shows a fairly high silica content and a relatively low alumina content.

i &ugr;i &ugr; TypenTypes OO OO 9,49.4 OO OO OO OO OO OO OO OO &sgr;&sgr; OO &agr;&agr; &eegr;&eegr; ÜU OO OO &eegr;&eegr; &eegr;&eegr; OO OO 11 -P &ogr;-P&ogr; rr OO OO tHtH OO OO OO OO OO OO OO OO &sgr;&sgr; OO OO OO OO OO OO OO UU JS m CnJS m Cn HH coco &ohgr;ω cncn cncn mm COCO cncn COCO cncn coco oooo coco mm UU C-C- illill 22 &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; OO &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; &Lgr;&Lgr; ■&Mgr;■μ
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Die neuen Fasern können in jeder beliebigen Form, die für künstliche glasartige Fasern herkömmlich ist, bereitgestellt werden. So können sie als Produkt, das aus losen, nicht gebundenen Fasern besteht, bereitgestellt werden. Häufiger werden sie zusammen mit einem Bindemittel bereitgestellt, beispielsweise als Ergebnis des Bildens der Fasern und deren Verbindung in herkömmlicher Weise. Im allgemeinen ist das Produkt als Platte, Matte, dünne Platte oder anderer Formgegenstand verdichtet.The new fibers may be provided in any form conventional for man-made glassy fibers. For example, they may be provided as a product consisting of loose, unbonded fibers. More commonly, they are provided together with a binder, for example as a result of forming the fibers and bonding them together in a conventional manner. Generally, the product is compacted as a sheet, mat, thin sheet or other shaped article.

Erfindungsgemäße Produkte können für jeden beliebigen herkömmlichen Einsatzzweck von künstlichen glasartigen Fasern formuliert werden, beispielsweise als Platten, Matten, dünne Platten, Rohre, Röhren oder andere geformte Produkte, die als Wärmeisolation, Feuerisolation und -schutz oder Schalldämmung und -regulierung dienen sollen, oder in geeigneten Formen zur Verwendung als Gartenbau-Aufzuchtmedien oder als freie Fasern zur Verstärkung von Zement, Kunststoffen oder anderen Produkten oder als Füllstoff.Products of the invention may be formulated for any conventional use of man-made glassy fibers, such as sheets, mats, thin sheets, tubes, pipes or other shaped products intended for thermal insulation, fire insulation and protection, or sound insulation and control, or in suitable forms for use as horticultural growing media or as free fibers for reinforcing cement, plastics or other products or as fillers.

Claims (19)

14 SCHUTZANSPRÜCHE14 PROTECTION CLAIMS 1. Künstliche glasartige Fasern, hergestellt aus einer Zusammensetzung mit einer Analyse, ausgedrückt als Oxide, die mindestens 3 0% SiO2, bis zu 3 0% Al2O3 und mindestens 10% CaO einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzungs-Analyse einschließt1. Artificial glassy fibers made from a composition having an analysis, expressed as oxides, which includes at least 3 0% SiO 2 , up to 3 0% Al 2 O 3 and at least 10% CaO, characterized in that the composition analysis includes SiO2 32 bis 48%SiO 2 32 to 48% Al2O3 18 bis 30%Al 2 O 3 18 to 30% CaO 10 bis 30%CaO 10 to 30% MgO 2 bis 20%MgO 2 to 20% FeO 2 bis 15%FeO 2 up to 15% Na2O + K2O 0 bis 10%Na 2 O + K 2 O 0 to 10% TiO2 0 bis 6%TiO 2 0 to 6% Andere Elemente 0 bis 15% und die Zusammensetzung eine Viskosität bei 14 000C von 10 bis 7000 mPas aufweist, und die Fasern eine Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 von mindestens 20 nm pro Tag aufweisen.Other elements 0 to 15% and the composition has a viscosity at 14 00 0 C of 10 to 7000 mPas, and the fibers have a dissolution rate at pH 4.5 of at least 20 nm per day. 2. Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzungs-Analyse einschließt2. Fibers according to claim 1, characterized in that the composition analysis includes SiO2 32 bis 48%SiO 2 32 to 48% Al2O3 18 bis 30%Al 2 O 3 18 to 30% CaO 10 bis 30%CaO 10 to 30% MgO 2 bis 20%MgO 2 to 20% FeO 2 bis 12%FeO 2 up to 12% Na2O + K2O 0 bis 7%Na 2 O + K 2 O 0 to 7% TiO2 0 bis 4%TiO 2 0 to 4% Andere Elemente 0 bis 8%.Other elements 0 to 8%. 3. Fasern nach Anspruch 1 oder 2, in denen die Menge an SiO2 + Al2O3 55 bis 75% beträgt -3. Fibers according to claim 1 or 2, in which the amount of SiO 2 + Al 2 O 3 is 55 to 75% - 4. Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzungs-Analyse einschließt SiO2 . ' 32 bis 48% Al2O3 18 bis 30%4. Fibers according to claim 1, characterized in that the composition analysis includes SiO 2 . ' 32 to 48% Al 2 O 3 18 to 30% 1515 * ■ · · · · ** ■ · · · · * 60 bis 75%60 to 75% 10 bis 30%10 to 30% SiO2 + Al2O3 SiO2 + Al2O3 2 bis 20%2 to 20% CaOCaO 2 bis 12%2 to 12% MgOMgO 0 bis 7%0 to 7% FeOFeO 0 bis 4%0 to 4% Na2O + K2O Na2O + K2O 0 bis 10%.0 to 10%. TiO2 TiO2 Andere ElementeOther elements
5· Fasern nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die SiO2-Menge 34 bis 45%, die Al2O3-Menge 19 bis 28%, die CaO-Menge 14 bis 25% und die MgO-Menge 5 bis 15% beträgt.5· Fibers according to any preceding claim, characterized in that the amount of SiO 2 is 34 to 45%, the amount of Al 2 O 3 is 19 to 28%, the amount of CaO is 14 to 25% and the amount of MgO is 5 to 15%. 6. Fasern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an SiO2 + Al2O3 61 bis 68% beträgt.6. Fibers according to claim 5, characterized in that the amount of SiO 2 + Al 2 O 3 is 61 to 68%. 7. Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Al2O3 20 bis 26% beträgt.7. Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of Al 2 O 3 is 20 to 26%. 8. Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die MgO-Menge mindestens 8% und die FeO-Menge mindestens 6% beträgt.8. Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of MgO is at least 8% and the amount of FeO is at least 6%. 9. Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an SiO2 + Al3O3 60 bis 65% beträgt.9. Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of SiO 2 + Al 3 O 3 is 60 to 65%. 10.Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ti02-Menge bis zu 3% beträgt und die Fasern bis zu 4% andere Elemente einschließen.10.Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of TiO 2 is up to 3% and the fibers include up to 4% of other elements. 11.Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 4,5 40 bis 8 0 nm pro Tag beträgt.11.Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that the dissolution rate at pH 4.5 is 40 to 80 nm per day. 12.Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung eine Viskosität von 1500 bis 4000 mPas bei 14000C aufweist.12.Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that the composition has a viscosity of 1500 to 4000 mPas at 1400 0 C. &bull; ·· 13.Fasern nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität 1800 bis 3000 mPas beträgt.13.Fibers according to claim 8, characterized in that the viscosity is 1800 to 3000 mPas. 14.Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Auflösungsgeschwindigkeit bei pH 7,5 von weniger als 15 nm pro Tag aufweisen.14.Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that they have a dissolution rate at pH 7.5 of less than 15 nm per day. 15.Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Sintertemperatur von mindestens 10000C aufweisen.15.Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that they have a sintering temperature of at least 1000 ° C. 16.Fasern nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung eine Liquidustemperatur von 1240 bis 13400C liefert.16.Fibers according to any one of the preceding claims, characterized in that the composition provides a liquidus temperature of 1240 to 1340 0 C. 17.Produkt, das die künstlichen glasartigen Fasern nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16 einschließt.17.A product including the artificial glassy fibers according to any one of claims 1 to 16. 18.Produkt nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form einer Platte, Matte, dünnen Platte, eines Rohres oder einer Röhre vorliegt.18.Product according to claim 17, characterized in that it is in the form of a plate, mat, thin plate, tube or pipe. 19.Produkt nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß es ausgewählt ist aus Wärmeisolations-Produkten, Feuerisolier- und Schutzprodukten und Schalldämmungs- oder -regulierungs- oder -schutzprodukten, Gartenbau-Aufzuchtmedien und mit Fasern verstärkten oder gefüllten Produkten.19.Product according to claim 17 or 18, characterized in that it is selected from thermal insulation products, fire insulation and protection products and sound insulation or regulation or protection products, horticultural growing media and fiber-reinforced or filled products.
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