ES2242003T3 - Procedimiento mejorado para la preparacion de polioleteres. - Google Patents

Procedimiento mejorado para la preparacion de polioleteres.

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ES2242003T3
ES2242003T3 ES02714155T ES02714155T ES2242003T3 ES 2242003 T3 ES2242003 T3 ES 2242003T3 ES 02714155 T ES02714155 T ES 02714155T ES 02714155 T ES02714155 T ES 02714155T ES 2242003 T3 ES2242003 T3 ES 2242003T3
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Bernd Klinksiek
Lars Obendorf
Christian Steinlein
Bert Klesczewski
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Abstract

Procedimiento para la preparación de polioléteres mediante la poliadición de óxidos de alquileno a compuestos iniciadores que presentan átomos de hidrógeno activos en presencia de catalizadores de cianuro bimetálico, en el que durante la reacción de poliadición la mezcla de reacción se conduce al menos una vez a través de un dispositivo de mezclado que presenta al menos una zona con una densidad de energía de, al menos, 105 J/m3, siendo el tiempo de residencia de la mezcla de reacción en esta zona de al menos 10-5 segundos por pasada.

Description

Procedimiento mejorado para la preparación de polioléteres.
La invención se refiere a un procedimiento mejorado para la preparación de polioléteres por catálisis con cianuro bimetálico (DMC) mediante la poliadición de óxidos de alquileno a compuestos iniciadores que presentan átomos de hidrógeno activos.
La preparación de polioléteres se lleva a cabo industrialmente en su mayor parte mediante la poliadición de óxidos de alquileno a compuestos iniciadores polifuncionales como, por ejemplo, alcoholes, ácidos o aminas por catálisis básica (por ejemplo KOH) (véase por ejemplo Gum, Riese & Ulrich (Ed.): "Reaction Polymers", Hanser Verlag, Múnich, 1992, pág. 75-96). Tras la terminación de la poliadición, el catalizador básico debe separarse del polioléter por un procedimiento muy costoso, por ejemplo, mediante neutralización, destilación y filtración. Además, los polioléteres preparados por catálisis básica tienen la desventaja de que al aumentar la longitud de cadena, el contenido de poliéteres monofuncionales con dobles enlaces terminales (denominados monooles) crece de manera constante y baja la funcionalidad.
Los polioléteres obtenidos pueden utilizarse para la preparación de poliuretanos (por ejemplo elastómeros, espumas, recubrimientos), especialmente también para la preparación de espumas blandas de poliuretano. Las espumas blandas, que oponen una baja resistencia ante un esfuerzo de compresión, son de celdas abiertas, permeables al aire y deformables reversiblemente. Se distingue entre espumas de bloque y espumas de moldeo (véase por ejemplo Kunststoffhandbuch, vol. 7, 3ª Ed., Hanser Verlag, Múnich, 1993, pág. 193-252). Las espumas de bloque se preparan de forma continua o discontinua como artículos semimanufacturados y a continuación se cortan para uso (por ejemplo muebles tapizados o colchones) a la correspondiente medida y contorno. Por el contrario, las espumas de moldeo se preparan directamente mediante un procedimiento discontinuo en el que se obtiene el cuerpo de la espuma en la forma deseada (mediante espumación de un molde correspondiente).
Los catalizadores de cianuro bimetálico (DMC) para la preparación de polioléteres son conocidos desde hace tiempo (véanse por ejemplo los documentos US-A-3404109, US-A-3829505, US-A-3941849 y US-A-5158922). El uso de estos catalizadores de DMC para la preparación de polioléteres ocasiona especialmente una reducción de la proporción de poliéteres monofuncionales (monooles), en comparación con la preparación convencional de polioléteres mediante catalizadores básicos. Los catalizadores de DMC mejorados, como se describen por ejemplo en los documentos EP-A-700949, EP-A-761708, WO 97/40086, WO 98/16310, DE-A-19745120, DE-A-19757574 o DE-A-198102269, poseen además una actividad extremadamente alta y posibilitan la preparación de polioléteres a concentración muy baja de catalizador (25 ppm o menor), de modo que ya no es necesaria una separación del catalizador del
poliol.
Los polioléteres obtenidos por catálisis con DMC pueden conducir a problemas técnicos de uso en la preparación de espumas de poliuretano, especialmente de espumas blandas de poliuretano, por ejemplo, a una desestabilización de la espuma (susceptibilidad aumentada de colapso) o a una elevada formación de celdas gruesas. Por tanto, los polioléteres catalizados por DMC no pueden utilizar en todos los casos los correspondientes polioles catalizados por bases en usos de espumas blandas de poliuretano sin adaptación de la formulación.
Se ha encontrado ahora que los polioléteres que se preparan total o parcialmente por catálisis con DMC poseen propiedades de espumación claramente mejoradas en la preparación de espumas de poliuretano cuando se conduce el polioléter a través de un dispositivo de mezclado adecuado durante la poliadición catalizada con DMC de óxidos de alquileno a compuestos iniciadores que presentan átomos de hidrógeno activos.
Por tanto, la presente invención se refiere a un procedimiento mejorado para la preparación de polioléteres, en el que el polioléter se prepara total o parcialmente mediante poliadición catalizada por cianuro bimetálico de óxidos de alquileno a compuestos iniciadores que presentan átomos de hidrógeno activos, y en el que el polioléter se conduce a través de un dispositivo de mezclado adecuado durante la poliadición catalizada por DMC. Además, la presente invención se refiere al uso de los polioléteres así obtenidos para la preparación de espuma de poliuretano, especialmente de espumas blandas de poliuretano.
Los catalizadores de DMC adecuados para el procedimiento según la invención son en principio conocidos. Se utilizan preferiblemente catalizadores de DMC como los procedentes de los documentos JP-A 4 145 123, EP-A 654 302, EP-A 700 949, EP-A 743 093, EP-A 761 708, WO 97/40086, WO 98/16310, WO 99/19062, WO 99/19063, WO 99/33562, DE-A-19834572, 19834573, 19842382, 19842383, 19905611, 19906985, 19913260, 19920937 ó 19924672. Son un ejemplo típico los catalizadores de DMC de alta actividad descritos en el documento EP-A-700949 que, además de un compuesto de cianuro bimetálico (por ejemplo hexacianocobaltato de cinc (III)) y un ligando de complejo orgánico (por ejemplo terc-butanol), contienen también un polioléter con un peso molecular numérico medio mayor de 500 g/mol.
Como compuestos iniciadores con átomos de hidrógeno activos se utilizan preferiblemente compuestos de pesos moleculares de 18 a 2.000 g/mol, preferiblemente de 62 a 1.000 g/mol y 1 a 8, preferiblemente 2 a 6 grupos hidroxilo. Se citan como ejemplos: butanol, etilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol, 1,2-propilenglicol, 1,4-butanodiol, 1,6-hexanodiol, bisfenol A, trimetilolpropano, glicerina, pentaeritritol, sorbitol, azúcar de caña, almidones degradados, agua o los denominados iniciadores prealargados, que se obtienen a partir de los compuestos anteriormente citados mediante alcoxilación.
Como óxidos de alquileno se utilizan preferiblemente óxido de etileno, óxido de propileno, óxido de butileno, así como sus mezclas. La formación de las cadenas de poliéter puede realizarse con sólo un epóxido monomérico o también estadísticamente o en bloques con 2 ó 3 epóxidos monoméricos diferentes. Se obtienen más detalles en "Ullmanns Encyclopädie der industriellen Chemie", Vol. A21, 1992, pág, 670 y siguientes.
La poliadición puede llevarse a cabo básicamente según cualquiera de los procedimientos de alcoxilación conocidos para catálisis con DMC.
Por ejemplo, puede utilizarse un proceso en lotes convencional. A este respecto, se disponen el catalizador de DMC y el compuesto iniciador en un reactor por lotes, a continuación se calienta el reactor a la temperatura deseada y se añade una cantidad suficiente de óxido de alquileno para la activación del catalizador. Tan pronto como se activa el catalizador, lo que se pone de manifiesto por ejemplo mediante una caída de presión en el reactor, se dosifica el óxido de alquileno restante de forma continua, hasta alcanzar el peso molecular deseado del polioléter.
Puede emplearse también un proceso continuo en el que se añade una mezcla preactivada de catalizador de DMC y compuesto iniciador de forma continua a un reactor continuo, por ejemplo, un reactor de tanque agitado continuo (CSTR) o un reactor de tubo. El óxido de alquileno se dosifica al reactor y el producto se extrae de forma continua.
Sin embargo, la poliadición catalizada por DMC se lleva a cabo preferiblemente según un procedimiento en el que el compuesto iniciador se dosifica durante la poliadición de forma continua. La poliadición catalizada por DMC con dosificación continua de compuesto iniciador puede realizarse a este respecto según un procedimiento en lotes, como se expone en el documento WO 97/29146, o un procedimiento continuo, como el procedente del documento WO 98/03571.
La poliadición catalizada por DMC puede realizarse a presiones de 0,01 a 2.000 kPa, preferiblemente de 50 a 1.000 kPa, de forma especialmente preferida de 100 a 600 kPa. Las temperaturas de reacción son de 20 a 200ºC, preferiblemente de 60 a 180ºC, de forma especialmente preferida de 80 a 160ºC.
La concentración de catalizador de DMC es en general de 0,0005 a 1% en peso, preferiblemente de 0,001 a 0,1% en peso, de forma especialmente preferida de 0,001 a 0,01% en peso, referida a la cantidad de polioléter que se va a preparar.
Según la invención, el polioléter se conduce a través de una zona con una alta densidad de energía durante la poliadición catalizada con DMC, como aparece por ejemplo en un dispositivo de mezclado adecuado. La construcción básica de un dispositivo de mezclado adecuado para el tratamiento según la invención de los polioléteres debe ser como se describe a continuación.
Los dispositivos de mezclado adecuados se caracterizan porque incorporan al producto una alta densidad de energía local en forma de energía de flujo debido a su geometría. Puesto que para este objetivo se utilizan a menudo presiones altas, estos dispositivos de mezclado se designan también como homogeneizadores a alta presión. Los dispositivos de mezclado que son especialmente adecuados para dichos objetivos son mezcladores estáticos y/o dispositivos de tobera. Son especialmente adecuados diafragmas sencillos, toberas planas, toberas dentadas, toberas de bordes cortados, microfluidizadores como se describen, por ejemplo, en el documento US-A-4533254, mezcladores microestructurales, elementos microestructurales o dispersores en abanico. Son fácilmente accesibles para el experto otras geometrías que funcionan según el mismo principio de estos u otros dispositivos de toberas. Como ejemplo de un diafragma sencillo, se ilustra el principio de funcionamiento de este dispositivo de tobera. La corriente de producto se somete a presión con una bomba y se expande a través del diafragma. Debido a la repentina contracción transversal, la corriente de producto se acelera fuertemente en la tobera. Según la geometría del diafragma, pueden actuar a este respecto sobre el producto fuerzas de dos tipos. O bien la corriente de producto se acelera tanto que el flujo se hace turbulento en la tobera, o bien, en el caso de flujo laminar, en la tobera se produce la formación del denominado flujo de dilatación.
En las figuras 1 a 5 se representan otros ejemplos de dispositivos de tobera adecuados. La figura 1 muestra una tobera plana, en la figura 2 se representa una tobera de bordes cortados, mientras que en la figura 3 se reproduce un microfluidizador. En la figura 4 se representa una tobera dentada y en la figura 5 se muestra un dispersor en abanico.
Además de estos dispositivos de mezclado que incorporan al producto una alta densidad de energía en forma de energía de flujo, son igualmente adecuados dispositivos tales que proporcionen una alta densidad de energía mediante piezas giratorias como, por ejemplo, sistemas rotor-estator, molinos de bolas, molinos coloidales, molinos de rotor en húmedo, máquinas dispersoras de corona dentada, mezcladores intensivos que utilizan el principio de las máquinas dispersoras de corona dentada pero que son atravesados en dirección axial, u otros aparatos que utilizan piezas giratorias que son fácilmente accesibles para el experto y pueden utilizarse para el objetivo fijado.
Son de mencionar además otros dispositivos de mezclado que producen altas densidades de energía mediante cavitación como, por ejemplo, disgregadores de ultrasonidos. Por cavitación se entiende a este respecto la formación y colapso de burbujas de vapor en un líquido, en el que se realiza en primer lugar una caída isotérmica de presión hasta la presión de vapor del líquido, y a continuación se aumenta de nuevo la presión. Mediante el aumento de presión, las burbujas de gas formadas vuelven a colapsar. En el proceso de colapso, se libera la energía activa de disgregación. Por tanto, mediante la adición de un líquido con una presión de vapor adecuada, puede alcanzarse también de esta manera la densidad de energía necesaria en poliéteres.
Además, pueden utilizarse también combinaciones de los dispositivos de mezclado citados o similares.
Resultan decisivos en el procedimiento según la invención, independientemente del tipo de dispositivo de mezclado empleado, el valor de densidad de energía incorporada al producto y el tiempo de residencia del producto en la zona de altas densidades de energía. Se ha mostrado que las propiedades de espumación de los polioléteres obtenidos mediante el procedimiento según la invención mejoran sólo cuando no se sobrepasan determinados valores mínimos para la densidad de energía y tiempo de residencia global (producto del tiempo de residencia por pasada y número de pasadas) en el dispositivo de mezclado. A este respecto, se ha mostrado también que este efecto puede alcanzarse con densidades de energía esencialmente más bajas cuando el polioléter se conduce a través de un dispositivo de mezclado adecuado ya durante la poliadición catalizada por DMC, que cuando el polioléter se conduce a través del dispositivo de mezclado sólo después del final de la reacción de poliadición. De ello resultan costes de inversión y mantenimiento menores, puesto que son utilizables bombas con un consumo de potencia claramente menor y presiones de transporte menores, que ofrecen claramente ventajas de costes frente a las bombas de alta presión.
Por consiguiente, la densidad de energía E_{v} se determina, en los casos de dispositivos de tobera, mediante la diferencia de presión activa en la tobera (presión de homogeneizador) \Deltap_{H}:
E_{v} [J/m^{3}] = \Delta p_{H}
Para dispositivos de mezclado que funcionan según el principio de los sistemas rotor-estator, la densidad de energía puede calcularse experimentalmente a partir de la potencia aportada P, la densidad \rho, el volumen activo de dispersión V_{sp} y el tiempo de residencia t en este volumen de la siguiente manera:
E_{v} [J/m^{3}]= P \cdot \rho^{-1} \cdot V_{sp}{}^{-1} \cdot t
Según la invención, deben utilizarse densidades de energía de al menos 1\cdot10^{5} J/m^{3}, preferiblemente al menos 3\cdot10^{5} J/m^{3} y de forma especialmente preferida al menos 5\cdot10^{5} J/m^{3}. El tiempo de residencia del producto en las correspondientes zonas con altas densidades de energía debe ser al menos de 1\cdot10^{-6} segundos. Generalmente, es de 1\cdot10^{-5} a 1 segundo. El poliol se alimenta al menos una vez a través de al menos una zona de alta densidad de energía. Sin embargo, se realizan en general varias pasadas a través del dispositivo de mezclado.
Los dispositivos de mezclado deben estar dispuestos de modo que intervengan directamente en el proceso de mezclado de la alcoxilación. Para ello, pueden disponerse los dispositivos de mezclado, por ejemplo, en un ciclo de recirculación por bombeo del reactor. El polioléter se conduce a través del dispositivo de mezclado junto con el iniciador sin reaccionar, óxido de alquileno y catalizador. Por consiguiente, la adición de los reactantes y del catalizador puede realizarse independientemente de este dispositivo de mezclado en otro lugar del reactor. En el circuito de recirculación por bombeo para la realización del procedimiento según la invención se instalan preferiblemente toberas y diafragmas, de forma especialmente preferida se emplean dispersores en abanico. Por consiguiente, la densidad de energía necesaria para alcanzar el efecto deseado es independiente de la presión del reactor. Resulta decisiva únicamente la densidad de energía en la tobera o diafragma, que es proporcional a la pérdida de presión antes de la tobera o el
diafragma.
En otra forma de realización del procedimiento según la invención, se usan los dispositivos de mezclado directamente para la mezcla de las corrientes de reactantes con el contenido del reactor. Para este objetivo, son especialmente adecuados dispersores en abanico, puesto que producen altas densidades de energía mediante las cuales pueden mezclarse los componentes de modo extremadamente rápido. Los reactantes, por ejemplo 1º una mezcla iniciadora que contiene sólo un componente o una mezcla de distintos componentes adecuados con átomos de hidrógeno activos, 2º un óxido de alquileno o una mezcla de óxidos de alquileno y, opcionalmente, 3º una suspensión de catalizador, se homogeneizan de cualquier forma adecuada en condiciones en las que no reaccionen entre sí, y a continuación se mezclan en un dispersor en abanico con el polioléter que contiene catalizador de DMC activo. Adecuado significa en este contexto que se obtiene una dispersión homogénea de catalizador.
En otra variante, se mezclan los reactantes en cualquier orden con el polioléter que contiene catalizador de DMC activo, en intervalos consecutivos entre sí lo más cortos posibles, mediante dispositivos de mezclado apropiados. Para este procesamiento, se utilizan preferiblemente varias toberas conectadas consecutivamente, siendo especialmente preferidos varios dispersores en abanico conectados consecutivamente. Por consiguiente, el orden de los reactantes que se van a añadir no es esencial para alcanzar el objetivo según la invención. Se prefiere dosificar primero el óxido de alquileno o la mezcla de óxidos de alquileno y después la mezcla iniciadora, que contiene sólo un componente o una mezcla de distintos compuestos adecuados con átomos de hidrógeno activos, puesto que de este modo se impide la posible desactivación del catalizador activo por una concentración local demasiado alta de compuestos iniciadores de bajo peso molecular. Para la adición del catalizador no hay ninguna preferencia.
El tratamiento del polioléter con el dispositivo de mezclado se realiza en general a temperaturas de 20 a 200ºC, preferiblemente de 60 a 180ºC, de forma especialmente preferida de 80 a 160ºC.
En el procedimiento según la invención, se prepara el polioléter total o parcialmente mediante poliadición catalizada por cianuro bimetálico de óxidos de alquileno a compuestos iniciadores que presentan átomos de hidrógeno activos.
En una preparación sólo parcial del polioléter mediante catálisis con DMC, puede utilizarse cualquier catalizador alternativo (ácidos, básicos o coordinativos) para la formación adicional del polioléter.
En un proceso discontinuo convencional, es ventajoso utilizar como compuestos iniciadores para la catálisis con DMC, por ejemplo, productos de alcoxilación oligoméricos con pesos moleculares numéricos medios de 200 a 2.000 g/mol. Estos pueden prepararse mediante alcoxilación de compuestos iniciadores de bajo peso molecular como, por ejemplo 1,2-propilenglicol o glicerina, por catálisis básica convencional (por ejemplo KOH) o catálisis
ácida.
También los denominados bloqueos de OE, en los que se hacen reaccionar, por ejemplo, poliol(oxipropilenos) o poliol(oxipropilenos/oxietilenos) con óxido de etileno para transformar la mayor parte de los grupos OH secundarios del polioléter en grupos OH primarios, se lleva a cabo preferiblemente por catálisis básica (por ejemplo KOH).
Preferiblemente, la preparación del polioléter se realiza en el procedimiento según la invención haciendo reaccionar por catálisis con DMC al menos un 20% en peso, preferiblemente al menos un 40% en peso (referido respectivamente a las cantidades de óxido de alquileno utilizadas para la preparación del polioléter), del óxido de alquileno
utilizado.
Los polioléteres preparados según el procedimiento de la invención poseen propiedades de espumación claramente mejoradas en la preparación de espumas blandas de poliuretano.
Ejemplos Preparación de polioléteres
Poliol A (comparativo)
El poliol A es un polioléter trifuncional nominal de masa molecular 3.000 g/mol que se obtuvo mediante la reacción de glicerina con óxido de propileno por catálisis con KOH (0,41% en peso, referido a la cantidad de polioléter preparado) a 107ºC, y la posterior separación del catalizador mediante neutralización con ácido sulfúrico, deshidratación y filtración.
Poliol B (comparativo)
El poliol B es un polioléter trifuncional nominal de masa molecular 3.000 g/mol que se obtuvo mediante la reacción de glicerina con óxido de propileno con dosificación continua del compuesto iniciador por catálisis con DMC (30 ppm, referido a la cantidad de polioléter preparado, de un catalizador de DMC hexacianocobaltato de cinc que contiene como ligando terc-butanol y un polidiol(oxipropileno) obtenido por catálisis con DMC con un peso molecular numérico medio de 4.000 g/mol, descrito en el documento EP-A-700949, Ej. 1) a 130ºC.
Poliol C
El poliol C es un polioléter trifuncional nominal de masa molecular 3.000 g/mol que se obtuvo mediante la reacción de glicerina con óxido de propileno con dosificación continua de compuesto iniciador por catálisis con DMC (30 ppm, referido a la cantidad del polioléter preparado, de un catalizador de DMC hexacianocobaltato de cinc que contiene como ligando terc-butanol y un polidiol(oxipropileno) obtenido por catálisis con DMC con peso molecular numérico medio de 4.000 g/mol, descrito en el documento EP-A-700949, Ej.1) a 130ºC. Durante la reacción, se bombeó el polioléter mediante una bomba de émbolo de membrana a través de un dispersor en abanico (1 orificio de diámetro 0,43 mm) con una corriente de sustancia de 16 l/h. La caída de presión en el dispersor en abanico era de 1.000 kPa, lo que corresponde a una densidad de energía de 1\cdot10^{6} J/m^{3}.
Preparación de las espumas blandas de poliuretano
Para una serie de ensayos comparativos, se utilizaron los siguientes materiales:
Poliol A (comparativo)
Poliol B (comparativo)
Poliol C
TDI:
Mezcla de isómeros de 2,4-toluilendiisocianato y 2,6-toluilendiisocianato en relación 80:20, puede adquirirse comercialmente con el nombre Desmodur® T80 (Bayer AG, D-51368 Leverkusen)
Catalizador 1:
Éter bis(dimetilamino)etílico
Estabilizador de silicona 1:
Tegostab® BF 2370 (Th. Goldschmidt AG, D-45127 Essen)
Catalizador 2:
Catalizador de octoato de estaño, puede adquirirse comercialmente como Desmorapid® SO (Rheinchemie Rheinau GmbH, D-68219 Mannheim)
Se utilizan las siguientes formulaciones para la preparación de una espuma blanda de poliuretano:
Materia prima Cantidad [g]
Poliol A, B o C 100,0
Agua 6,0
Estabilizador de silicona 1 0,6
Catalizador 1 0,1
Catalizador 2 0,15
TDI 73,4
Procedimiento de preparación
Todas las materias primas, excepto el TDI, se mezclaron en primer lugar durante 20 segundos mediante un agitador de alta velocidad. A continuación, se añadió el TDI y la mezcla se homogeneizó 5 segundos con agitación. La mezcla a espumar se añadió a un molde abierto revestido con papel de superficie de base 27 cm x 13 cm y, después de la espumación, se dejó reposar en una estufa de secado calentada a 100ºC durante 30 minutos. Después del enfriamiento, la espuma se cortó por la mitad y se analizó ópticamente.
Ejemplo nº Poliol Análisis de la espuma
1 (Compar.) A Estructura celular fina y homogénea, carente de fisuras y colapsos
2 (Compar.) B Estructura celular gruesa y heterogénea, parcialmente colapsada
3 C Estructura celular fina y homogénea, carente de fisuras y colapsos
Se obtiene un producto (poliol C) mediante el tratamiento según la invención del poliol catalizado con DMC con el dispersor en abanico que, en contraposición con el producto no tratado (poliol B), puede procesarse sin problemas a una espuma blanda de poliuretano.

Claims (3)

1. Procedimiento para la preparación de polioléteres mediante la poliadición de óxidos de alquileno a compuestos iniciadores que presentan átomos de hidrógeno activos en presencia de catalizadores de cianuro bimetálico, en el que durante la reacción de poliadición la mezcla de reacción se conduce al menos una vez a través de un dispositivo de mezclado que presenta al menos una zona con una densidad de energía de, al menos, 10^{5} J/m^{3}, siendo el tiempo de residencia de la mezcla de reacción en esta zona de al menos 10^{-5} segundos por pasada.
2. Procedimiento según la reivindicación 1 en el que el dispositivo de mezclado es un homogeneizador de alta presión.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que el homogeneizador de alta presión es un dispersor en abanico.
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