EP0513291B1 - Verfahren zur reduktion von textilfarbstoffen - Google Patents
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Classifications
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06P—DYEING OR PRINTING TEXTILES; DYEING LEATHER, FURS OR SOLID MACROMOLECULAR SUBSTANCES IN ANY FORM
- D06P1/00—General processes of dyeing or printing textiles, or general processes of dyeing leather, furs, or solid macromolecular substances in any form, classified according to the dyes, pigments, or auxiliary substances employed
- D06P1/22—General processes of dyeing or printing textiles, or general processes of dyeing leather, furs, or solid macromolecular substances in any form, classified according to the dyes, pigments, or auxiliary substances employed using vat dyestuffs including indigo
- D06P1/221—Reducing systems; Reducing catalysts
Definitions
- vat, sulfur and indigo dyes have a considerable market share, since these dyes are among the highest quality types of dyes for dyeing cellulose fibers.
- All three classes of dyes have in common that when used, the dyes, which are usually present in the insoluble, oxidized form, are converted into the lye-soluble, reduced form by a reduction step.
- the reduced dye molecules have a high affinity for the fiber material and therefore attach to the fibers.
- the dyes are then completely fixed on the fiber by oxidation of the dye molecules, which in turn become insoluble.
- Na2S2O4 sodium dithionite
- a disadvantage here is the strong temperature dependence of the redox potential, which can result in excessive dye reduction with undesirable irreversible changes in color, particularly at high temperatures.
- Another problem with the use of sodium dithionite is the lack of resistance of the chemical in alkaline treatment baths. Even in the absence of atmospheric oxygen, there is slow self-decomposition, which is particularly the case when using appropriate oxygen Printing pastes in textile printing shops make storage of them and thus also a universal use impossible.
- sodium dithionite is one of the reducing agents with a relatively high reduction rate, which means in concrete terms that dye reduction at room temperature is complete after a few minutes in most cases. At higher temperatures, the dye is reduced more quickly; on the other hand, the rate of self-decay increases.
- Formaldehyde sulfoxylates are more stable towards atmospheric oxygen, which can be explained by the lower reactivity of these compounds.
- the reducing agents in this class can achieve sufficiently high reduction potentials (approx. -1100 mV).
- the compounds mentioned require relatively high temperatures (from approx. 90 ° C.) in order to enable a sufficient speed in dye reduction.
- the reducing agents are often used in textile printing pastes, since this ensures that the pastes have sufficient storage stability.
- the rate of reduction of these classes of compounds can be classified as very low at room temperature.
- the use of metal complex catalysts has therefore been extensively investigated to accelerate dye reduction. In this procedure, the reducing agent can be activated by adding a small amount of a metal complex (in particular nickel, cobalt complexes).
- thiourea dioxide behaves fundamentally similar to the reducing agents already described.
- the iron (II) sulfate sodium hydroxide reduction technique is only of historical importance, but is noteworthy in connection with the invention.
- a disadvantage of this reduction technology is the fact that no homogeneous reduction conditions are possible, since both that which arises in the alkali Iron (II) hydroxide, as well as the iron (III) hydroxide formed by oxidation, are largely insoluble in the alkali. This formation of precipitation is not acceptable for the production of colored textiles taking modern production processes into account. The precipitation removes relatively large amounts of dye from the dye bath, which results in poor reproducibility of the dyeings, high dye costs and difficulties in wastewater treatment.
- a prerequisite for carrying out a dye reduction according to the invention by means of a metal complex salt with a low valence level is the finding of complexing agents which, in addition to the required stability, also enable a sufficient reduction potential of the iron (II) complex.
- suitable complexing agents sufficiently high concentrations of reducing metal ions in solution can be achieved according to the invention. Both the reduced and the oxidized form of the metal complex remain homogeneously dissolved in the treatment solution.
- disruptive precipitations can be avoided.
- the reduction speeds achievable when such a reducing agent is used are unexpectedly high.
- complete dye reduction can now be achieved in a matter of seconds.
- Another advantage is the possibility of controlling the reduction effect of the metal complexes (reduction potential) by selecting the complexing agent. This enables adaptation to the optimum process engineering requirements in each case. Conventional reducing agents do not allow such optimizations to a comparable extent.
- Suitable metal complex systems for dye reduction are, for example, iron (II) salts with organic complexing agents such as triethanolamine or citric acid (achievable reduction potentials in an alkaline environment approx. -1000 mV).
- organic complexing agents such as triethanolamine or citric acid
- Other metal complexes can also be suitable if the metal complex compound used can form a reduction potential in alkaline solution which is above the respective reduction potential of the dye used.
- the required amounts of metal complex are so high, depending on the process technology, that sufficient stability of the reduction state of the liquor is ensured during the treatment time. These concentrations are lowest in the pull-out dyeing.
- concentrations of 0.01 mol / l are required, the required concentration of triethanolamine is then around 0.1 mol / l.
- lower amounts are also possible.
- higher concentrations of reducing agent are required, the amount to be used varies depending on the process step and plant design.
- test examples described show possibilities for using the metal complex reducing agent for printing processes with vat dyes. These examples confirm the applicability in various process engineering variants.
- the printed goods can now be finished by washing and boiling soap according to the usual process techniques.
- the dye present in the printing thickener is fixed by lingering at room temperature, at the same time the azo dye that was applied to the goods in the previous dyeing process is reductively irreversibly discolored.
- the reduction processes can be accelerated by increasing the temperature.
- the printed goods can now be finished by washing and boiling soap according to the usual process technology.
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Description
- In der Textilveredlung besitzen die Küpen-, Schwefel-und Indigofarbstoffe einen beachtlichen Marktanteil, da diese Farbstoffe qualitativ zu den hochwertigsten Farbstofftypen zur Färbung von Cellulosefasern gehören. Allen drei Farbstoffklassen gemeinsam ist, daβ bei der Anwendung die Farbstoffe, die üblicherweise in der unlöslichen oxidierten Form vorliegen, durch einen Reduktionsschritt in die laugenlösliche reduzierte Form übergeführt werden. Die reduzierten Farbstoffmoleküle besitzen hohe Affinität zum Fasermaterial und ziehen daher auf die Fasern auf. Die vollständige Fixierung der Farbstoffe auf der Faser erfolgt anschließend durch Oxidation der Farbstoffmoleküle, die dadurch wiederum unlöslich werden.
- Zur Überführung der Farbstoffmoleküle in die reduzierte Form werden verschiedenste Verfahrensweisen technisch eingesetzt bzw. in der Literatur beschrieben.
- Die derzeit am häufigsten verwendete Chemikalie zur Reduktion der Farbstoffmoleküle im laugenhältigen Färbebad ist Natriumdithionit (Na₂S₂O₄). Diese Verbindung erlaubt das Erreichen relativ hoher Reduktionspotentiale im Färbebad (ca. -1000 mV). Nachteilig ist dabei die starke Temperaturabhängigkeit des Redoxpotentials, was insbesondere bei hohen Temperaturen Farbstoffüberreduktion mit unerwünschter irreversibler Farbtonveränderungen zur Folge haben kann. Schwierig bei der Verwendung von Natriumdithionit ist weiters die mangelnde Beständigkeit der Chemikalie in alkalischen Behandlungsbädern. Auch bei Abwesenheit von Luftsauerstoff kommt es zur langsamen Selbstzersetzung, was insbesondere bei der Verwendung von entsprechenden Druckpasten in der Textildruckerei eine Lagerung derselben und damit auch einen universellen Einsatz unmöglich macht. Unter den derzeit bekannten Reduktionsmitteln zählt Natriumdithionit zu den Reduktionsmitteln mit verhältnismäßig hoher Reduktionsgeschwindigkeit, was konkret bedeutet, daß eine Farbstoffreduktion bei Raumtemperatur in den meisten Fällen nach einigen Minuten vollständig erfolgt ist. Bei höherer Temperatur erfolgt die Farbstoffreduktion rascher, andererseits nimmt auch die Geschwindigkeit des Selbstzerfalls zu.
- Formaldehydsulfoxylate weisen eine höhere Stabilität gegenüber Luftsauerstoff auf, was mit der insgesamt niedrigeren Reaktivität dieser Verbindungen erklärt werden kann.
- Unter geeigneten Temperatur-Konzentrationsbedingungen lassen sich mit den Reduktionsmitteln dieser Klasse ausreichend hohe Reduktionspotentiale erreichen (ca.-1100 mV). Die genannten Verbindungen erfordern aber relativ hohe Temperaturen (ab ca. 90°C), um eine ausreichende Geschwindigkeit bei der Farbstoffreduktion zu ermöglichen. Die Reduktionsmittel werden häufig in Textildruckpasten eingesetzt, da dadurch eine ausreichende Lagerstabilität der Pasten erreicht wird. Die Reduktionsgeschwindigkeit dieser Verbindungsklassen ist bei Raumtemperatur als sehr nieder einzustufen. Zur Beschleunigung der Farbstoffreduktion wurde daher der Einsatz von Metallkomplexkatalysatoren umfangreich untersucht. Bei dieser Verfahrensweise kann das Reduktionsmittel durch den Zusatz einer geringen Menge eines Metallkomplexes (insbesondere Nickel-, Kobaltkomplexe) aktiviert werden. Bei einem Kobaltkomplex (Pentacyanokobalt(II)-Komplex) wird die Möglichkeit beschrieben, daß diese Verbindung auch in der Lage ist, als Reduktionsmittel zu wirken, wenn entsprechend hohe Einsatzmengen verwendet werden. An einen technischen Einsatz ist dabei aus Gründen der Giftigkeit und der entstehenden Abwasserprobleme nicht zu denken. In diesem Zusammenhang wurden auch verschiedene Eisenkomplexe auf ihre katalytische Wirksamkeit untersucht. Die beschleunigende Wirkung von Eisensalzen auf die Reduktionswirkung von Formaldehydsulfoxylaten wurde dabei zum Teil bestätigt. Insgesamt wurden aber nur wenige Eisenkomplexe beschrieben, die einerseits ausreichende Laugenstabilität aufweisen und andererseits auch eine katalytische Wirksamkeit bei Formaldehydsulfoxylaten zeigen. Hinweise auf einen möglichen Einsatz von laugenlöslichen Eisen(II)komplexen als Reduktionsmittel für die Farbstoffverküpung fehlen.
- Thioharnstoffdioxid verhält sich chemisch grundsätzlich ähnlich wie die bereits beschriebenen Reduktionsmittel.
- Verschiedene organische Reduktionsmittel werden ebenfalls zur Farbstoffreduktion verwendet. Nachteilig ist dabei das geringe erreichbare Reduktionspotential (Hydroxyaceton ca. -800 mV), welches die Einsetzbarkeit auf Farbstoffklassen mit niedrigerem Reduktionspotential (Schwefel- und Indigofarbstoffe) begrenzt. Die Geschwindigkeit der Farbstoffreduktion ist durchwegs geringer als jene bei Einsatz der oben genannten Reduktionsmittel.
- Nur mehr von historischer Bedeutung, aber im Zusammenhang mit der Erfindung bemerkenswert, ist die Eisen(II)sulfat-Natronlauge-Reduktionstechnik. Nachteilig an dieser Reduktionstechnologie ist die Tatsache, daß keine homogenen Reduktionsbedingungen möglich sind, da sowohl das in der Lauge entstehende Eisen(II)hydroxid, wie auch das durch Oxidation entstehende Eisen(III)hydroxid in der Lauge weitgehend unlöslich sind. Diese Niederschlagsbildung ist für die Herstellung gefärbter Textilien unter Berücksichtigung moderner Produktionsprozesse nicht akzeptabel. Durch die Niederschläge werden relativ große Farbstoffmengen dem Färbebad entzogen, was eine mangelhafte Reproduzierbarkeit der Färbungen, hohe Farbstoffkosten sowie Schwierigkeiten bei der Abwasserbehandlung zur Folge hat.
- Der Einsatz von Eisen(II)sulfat und Kalk zur reduktiven Abwasserentfärbung ist ebenfalls literaturbekannt. Auch bei dieser Verfahrenstechnik werden aber keine homogenen Reaktionsbedingungen erreicht.
- Durch einen Artikel in der Zeitschrift TEXTILVEREDLUNG 25 (1990) Nr. 6, Seiten 221 - 226, von T.Bechtold, E. Burtscher, D. Gmeiner, O. Bobleter, ist es bekannt, daß Komplexverbindungen aus einem Eisensalz und Triethanolamin als Komplexbildner in NaOH-alkalischer Lösung sowohl in der zweiwertigen reduzierten Form des Eisens, als auch in der dreiwertigen oxidierten Form homogen löslich sind. Gemäß der erwähnten Vorveröffentlichung wird das Eisensalz in der Eisen(III)-Form in relativ geringer Menge zugegeben und laufend kathodisch reduziert, um bei der anschließenden Rückkehr in den oxidierten dreiwertigen Zustand zunächst den in der Lösung enthaltenen Luftsauerstoff und anschließend den Farbstoff zu reduzieren. Solange Sauerstoff oder nichtreduzierte Farbstoffmoleküle in Lösung sind, befindet sich also jeweils nur jener geringe Anteil der Komplexverbindung im reduzierten Zustand, welcher gerade an der Kathode aufgeladen worden ist und noch nicht mit Stoffen geringeren Redoxpotentials reagiert hat. Der Vorteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß nur geringe Mengen an Komplexverbindung eingesetzt werden müssen, da die Verbindung nur als Mediator wirkt, welcher die Ladungsübertragung von der Kathode auf den Farbstoff vermittelt, selbst jedoch nicht verbraucht wird. Dies gilt auch im Falle des nicht vorbeschriebenen vierten Anwendungsbeispiels der Anmeldung WO-A-9 015 182. Dort ist zwar an sich die Zufuhr des Eisensalzes als Eisen(II)-Sulfat vorgesehen, jedoch in so geringer Menge, daß es bereits durch den in der Lösung vorhandenen Luftsauerstoff oxidiert wird. Bei der Reduktion des Farbstoffes hat die Komplexverbindung wiederum ausschließlich die in der zitierten Vorveröffentlichung beschriebene Funktion eines Mediators.
- Alle bekannten Reduktionsmittel für Textil farbstoffe, welche für die Praxis geeignet sind, haben den Nachteil, daß ihre Reduktionsgeschwindigkeit bei Zimmertemperatur sehr gering ist. Auch die Reduktion von Textilfarbstoffen unter Verwendung einer Komplexverbindung aus einem Eisensalz und Triethanolamin in der in der Zeitschrift TEXTILVEREDLUNG an der zitierten Stelle beschriebenen Art dauert mindestens 30 Minuten. Es war daher völlig überraschend, daß die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein bei Zimmertemperatur rasch reagierendes Reduktionsmittel zu finden, welches hohe Lagerstabilität aufweist und sowohl im reduzierten wie im oxidierten Zustand homogen löslich ist, dadurch gelöst werden kann, daß die an sich bekannte Komplexverbindung nicht als Mediator, sondern direkt als Reduktionsmittel vorgesehen wird. Die Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, daß Eisen(II)-Salz in einer solchen Menge eingesetzt wird, daß dessen einmalige Oxidation zur gewünschten Reduktion des Farbstoffes ausreicht.
- Voraussetzung für die erfindungsgemäße Durchführung einer Farbstoffreduktion durch ein Metallkomplexsalz mit niedriger Wertigkeitsstufe ist das Auffinden von Komplexbildnern, die neben der geforderten Stabilität auch ein ausreichendes Reduktionspotential des Eisen(II)-Komplexes ermöglichen. Durch den Einsatz von geeigneten Komplexbildnern lassen sich erfindungsgemäß ausreichend hohe Konzentrationen an reduzierend wirkenden Metallionen in Lösung erreichen. Dabei bleiben sowohl die reduzierte, wie auch die oxidierte Form des Metallkomplexes in der Behandlungslösung homogen gelöst. Im Gegensatz zur bekannten Eisen(II)Salz-Natronlauge-Küpe können störende Ausfällungen vermieden werden. Unerwartet hoch sind die bei Einsatz eines solchen Reduktionsmittels erreichbaren Reduktionsgeschwindigkeiten. Im Gegensatz zu den Reduktionsgeschwindigkeiten der herkömmlichen Reduktionsmittel kann nun eine vollständige Farbstoffreduktion in Sekundenschnelle erreicht werden. Dies ist insbesondere bei einer möglichen Verwendung in der Küpen-Ätz-Druckerei von besonderem Interesse, da durch die rasche Farbstoffreduktion gegebenenfalls sogar auf einen Dämpfprozeß zur Farbstoffreduktion verzichtet werden kann. Auch bei der Küpenfärberei (kontinuierlich oder diskontinuierlich) ergeben sich durch die sehr hohe Reduktionsgeschwindigkeit neue Gesichtspunkte. So führt der Sauerstoffeintrag in das Färbebad bei herkömmlichen Reduktionsmitteln zu unerwünschter Farbstoffoxidation, da die Reduktion des Farbstoffs durch das Reduktionsmittel langsamer erfolgt als die Luftoxidation des Farbstoffs. Dies ist eine der Ursachen für unerwünschte Farbunegalitäten in der gefärbten Ware. Bei der Verwendung entsprechend rasch wirkender Reduktionsmittel kann diese unerwünschte Luftoxidation weitgehend unterdrückt werden. Bei Einsatz der handelsüblichen Reduktionsmittel wird diese Oxidation des Farbstoffs durch große Chemikalienüberschüsse zum Teil vermieden, was aber Folgeprobleme durch den Chemikalienüberschuß mit sich bringt.
Durch die hohe Stabilität der gefundenen Metallkomplexe findet keine Selbstzersetzung in der Färbeflotte oder in der Druckpaste statt, was für die Haltbarkeit der reduzierend wirkenden Chemikalien von großer Bedeutung ist. - Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Reduktionswirkung der Metallkomplexe (Reduktionspotential) durch die Auswahl des Komplexbildners zu steuern. Dadurch ist eine Anpassung an die jeweils optimalen verfahrenstechnischen Erfordernisse möglich. Herkömmliche Reduktionsmittel erlauben solche Optimierungen nicht in vergleichbarem Maße.
- Neben der verfahrenstechnisch gut beherrschbaren Vorgangsweise erlaubt die Verwendung solcher Reduktionsmittelsystme auch eine einfache meßtechnische Kontrolle, da der Gehalt an reduzierender Spezies durch eine Potentialmessung gut erfaßt werden kann, was bei den herkömmlichen Reduktionsmitteln keineswegs der Fall ist. Geeignete Metallkomplexsysteme für die Farbstoffreduktion sind beispielsweise Eisen(II)salze mit organischen Komplexbildnern wie Triethanolamin oder Zitronensäure (erreichbare Reduktionspotentiale in alkalischem Milieu ca. -1000 mV). Auch andere Metallkomplexe können dazu geeignet sein, wenn die eingesetzte Metallkomplexverbindung in alkalischer Lösung ein Reduktionspotential ausbilden kann, welches über dem jeweiligen Reduktionspotential des eingesetzten Farbstoffs liegt.
- Die erforderlichen Einsatzmengen an Metallkomplex liegen dabei je nach Verfahrenstechnik so hoch, daß eine ausreichende Stabilität des Reduktionszustandes der Flotte während der Behandlungszeit gewährleistet ist. Diese Konzentrationen liegen bei der Ausziehfärberei am niedrigsten. Bei der Verwendung eines elektrochemisch einwertigen Metallions (z.B. Eisen(II)salze) sind dabei Konzentrationen von 0,01 mol/l erforderlich, die erforderliche Konzentration an Triethanolamin beträgt dann rund 0,1 mol/l. Nach einer verfahrenstechnischen Optimierung sind aber auch niedrigere Einsatzmengen möglich. Bei kontinuierlichen Färbeprozessen und Textildruckverfahren sind höhere Konzentrationen an Reduktionsmittel erforderlich, wobei die einzusetzende Menge je nach Verfahrensschritt und Anlagenkonstruktion variiert.
- Die beschriebenen Versuchsbeispiele zeigen Möglichkeiten für eine Verwendung des Metallkomplex-Reduktionsmittels für Druckprozesse mit Küpenfarbstoffen auf. Diese Beispiele bestätigen die Anwendbarkeit in verschiedenen verfahrenstechnischen Varianten.
- Das nach herkömmlichen Verfahren vorbehandelte Baumwollgewebe wird mit einer Paste folgender Zusammensetzung bedruckt:
- 0.69 g FeSO₄ . 7H₂O
- 2.77 g H₂O
- 2.77 g Triethanolamin
- 1.85 g Lauge (400 g/l NaOH)
- 1.73 g Verdickungsmittel
- 0.173 g Indanthrenblau GC
- Nach dem Aufdrucken der Paste genügt zur Fixierung des Farbstoffs ein mehrminütiges Verweilen bei Raumtemperatur. Eine Beschleunigung der Fixierung kann durch Temperaturerhöhung erreicht werden. Dies erfolgt üblicherweise bereits bei der an den Druckprozeß anschließenden Trocknung der Ware. Ein Dämpfprozeß, wie er bei herkömmlichen Reduktionsmitteln zur Farbstoff-Fixierung nicht vermieden werden kann, ist nicht erforderlich.
- Die bedruckte Ware kann nun durch Auswaschen und kochendes Seifen entsprechend den üblichen Verfahrenstechniken fertiggestellt werden.
- Wird die Ware mit Farbstoffen gefärbt, die sich durch Reduktionsmitteleinwirkung irreversibel entfärben lassen, kann mit einer derartigen Ware ein Küpen-ÄtzDruck durchgeführt werden. Die Ware wird mit einer Druckpaste folgender Zusammensetzung bedruckt:
- 0,69 g FeSO₄ . 7H₂O
- 2.75g H₂O
- 3.18 g Triethanolanin
- 1.14 g Lauge (400 g/l NaOH)
- 2.06 g Verdickungsmittel
- 0.17 g Indanthrenbrillantgrün GG
- Die Fixierung des in der Druckverdickung vorhandenen Farbstoffs erfolgt durch Verweilen bei Raumtemperatur, gleichzeitig wird der Azofarbstoff, der beim vorangegangenen Färbeprozeß auf die Ware aufgebracht wurde, reduktiv irreversibel entfärbt. Eine Beschleunigung der Reduktionsvorgänge ist durch Temperaturerhöhung möglich.
- Die bedruckte Ware kann nun durch Auswaschen und kochendes Seifen entsprechend der üblichen Verfahrenstechnik fertiggestellt werden.
- Das in üblicher Weise vorbehandelte Baumwollgewebe wird mit einer Paste folgender Zusammensetzung bedruckt:
- 3.0 g Verdickung
- 7.0 g H2O
- 0.083 Indanthrenrot FBB
- Nach dem Trocknen der bedruckten Ware erfolgt die Reduktion des Farbstoffs durch Eintauchen in ein Bad folgender Zusammensetzung und anschließendes Abquetschen:
- 20 g/l FeSO₄ . 7H₂O
- 82.6 g/l Triethanolamin
- 50 ml/l Natronlauge (400 g/l NaOh)
- Die Entwicklung erfolgt bereits bei Raumtemperatur. Nach dem Verweilen der Ware bei Raumtemperatur (einige Minuten) wird die Ware gewaschen und entsprechend der üblichen Verfahrenstechnik fertiggestellt.
Claims (5)
- Verfahren zur Reduktion von Textilfarbstoffen in wäßrigem alkalischem Medium unter Verwendung einer Komplexverbindung mit einem Eisensalz, dadurch gekennzeichnet, daß Eisen(II)-Salz in einer solchen Menge eingesetzt wird, daß dessen einmalige Oxidation zur gewünschten Reduktion des Farbstoffes ausreicht.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen(II)-Salz Eisensulfat ist.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organischer Komplexbildner Triethanolamin eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als organischer Komplexbildner Zitronensäure eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komplexverbindung einer zum Bedrucken von Textilien bestimmten Druckpaste beigefügt wird.
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