ES2307073T3 - Espumas de polimeros de celulas abiertas de muy pequeño diametro y su procedimiento de fabricacion. - Google Patents

Espumas de polimeros de celulas abiertas de muy pequeño diametro y su procedimiento de fabricacion. Download PDF

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Remy Collier
Patrick Vedrenne
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Abstract

Espuma de polímero obtenida por polimerización en emulsión de fase interna altamente concentrada, que está formada por un polímero reticulado exclusivamente hidrocarbonado, a base de monómeros estirénicos, y que presenta una densidad de 40 mg/cm 3 a 260 mg/cm 3 así como células de un diámetro promedio inferior o igual a 10 micrómetros.

Description

Espumas de polímeros de células abiertas de muy pequeño diámetro y su procedimiento de fabricación.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a espumas de polímeros de células abiertas de muy pequeño diámetro, así como a su procedimiento de fabricación.
Las espumas según la invención son espumas "polyHIPE" -es decir, espumas obtenidas por polimerización de una emulsión de fase interna altamente concentrada- y tienen como característica que presentan no sólo células abiertas de muy pequeño diámetro, sino también una baja densidad y un grado de pureza muy alto.
Así pues, son particularmente útiles para la realización de experimentos en el campo de la física de plasmas, y especialmente como blancos para el estudio de los fenómenos de fusión por confinamiento inercial, aunque igualmente como materiales destinados a absorber una energía (aislamiento térmico, fónico, mecánico...) o líquidos, materiales de filtración y de separación de sustancias, soportes de impregnación y/o de liberación controlada de sustancias (soporte de catalizadores, soporte de principios activos de medicamentos...) o incluso como materiales de relleno de estructuras en las que se desea aligerar el peso.
Estado de la técnica anterior
Las espumas "polyHIPE" (Polymerised High Internal Phase Emulsion) son espumas de polímeros que se obtienen por polimerización de una emulsión compuesta, por una parte, de una fase orgánica dispersante que contiene monómeros polimerizables y un agente tensioactivo en solución en un disolvente y, por otra parte, de una fase acuosa dispersada que representa al menos el 74% del volumen total de la emulsión y que contiene un iniciador de polimerización de dichos monómeros.
Después de eliminar el agua presente en el producto resultante de esta polimerización, se obtienen espumas de células abiertas que corresponden a la huella de las burbujas de agua que se están formando en la emulsión en el curso de su preparación y que están interconectadas por aberturas de menor tamaño que ellas, designadas comúnmente con el término de poros.
Estas espumas presentan una relación de volumen vacío/volumen lleno elevada y, por tanto, una baja densidad, así como una estructura celular isótropa, esférica y regular que las hace muy diferentes de las espumas de polímeros obtenidas clásicamente por soplado o extrusión que se caracterizan por una estructura celular anisótropa, orientada e irregular.
Teniendo en cuenta sus características, las espumas polyHIPE son objeto de un interés creciente y su uso se ha propuesto en numerosos campos, especialmente en la fabricación de artículos absorbentes desechables (documento US-A-5.331.015 [1]), artículos aislantes (documento US-A-5.770.639 [2]) y membranas y dispositivos de filtración (documento WO-A-97/37745 [3]).
Con el fin de ampliar aún más su potencial de aplicación, los autores de la invención se han fijado como objetivo suministrar espumas polyHIPE que presenten células de un diámetro lo más pequeño posible conservando siempre una baja densidad.
Se han fijado además como objetivo suministrar espumas polyHIPE que tengan, además de las propiedades citadas anteriormente, las de presentar un grado de pureza muy alto y de poderse realizar mediante un procedimiento sencillo de poner en práctica y económicamente compatible con una fabricación a una escala industrial.
Exposición de la invención
Estos objetivos, y otros más, se alcanzan mediante la presente invención que propone una espuma polyHIPE formada por un polímero reticulado exclusivamente hidrocarbonado, a base de monómeros estirénicos, y que tiene una densidad de 40 a 260 mg/cm^{3} así como células de un diámetro promedio inferior o igual a 10 micrómetros.
Según una primera disposición ventajosa de la invención, el polímero es un copolímero de estireno y divinilbenceno.
Este copolímero puede obtenerse especialmente a partir de monómeros de estireno y divinilbenceno disponibles comercialmente, en cuyo caso el divinilbenceno está constituido por una mezcla de tres formas isoméricas, orto, meta y para, con un predominio de la forma meta.
Ventajosamente, en este copolímero, la relación de masas entre estireno y divinilbenceno está comprendida entre 5 y 1, y es, preferentemente, igual a 4 o sustancialmente igual a 4.
\newpage
De acuerdo con la invención, la espuma presenta, preferentemente, células de un diámetro promedio comprendido entre 1 y 5 micrómetros.
Según otra disposición ventajosa de la invención, la espuma presenta un índice másico de impurezas inferior al 3%, incluso al 2%, es decir, que los elementos presentes en esta espuma distintos del carbono e hidrógeno constitutivos del polímero, representan menos del 3%, incluso menos del 2%, en masa de la masa de dicha espuma.
Una espuma según la invención puede obtenerse especialmente introduciendo, en un procedimiento convencional de polimerización en emulsión de fase interna altamente concentrada, una etapa adicional que consiste en someter la emulsión a cizalladura para reducir el diámetro de las burbujas de agua que contiene, antes de proceder a la polimerización.
También, la invención tiene igualmente por objeto un procedimiento de fabricación de una espuma polyHIPE como la definida anteriormente, que comprende las etapas siguientes:
a) realizar una emulsión entre una fase orgánica que comprende monómeros estirénicos exclusivamente hidrocarbonados y un agente tensioactivo, y una fase acuosa que comprende un electrolito y un iniciador de polimerización, representando el volumen de la fase acuosa al menos el 74% del volumen total de las dos fases;
b) someter la emulsión a cizalladura para reducir el diámetro de las burbujas de agua que contiene;
c) polimerizar dichos monómeros hasta la obtención de una espuma sólida; y
d) lavar la espuma así obtenida y secarla.
Según una disposición ventajosa de este procedimiento, los monómeros estirénicos presentes en la fase orgánica son monómeros de estireno y divinilbenceno, en una relación de masas comprendida entre 5 y 1, que representan, preferentemente, del 50 al 80% en peso del peso de la fase orgánica.
Según otra disposición ventajosa de este procedimiento, el agente tensioactivo presente en la fase orgánica es monooleato de diglicerilo, con balance hidrófilo/lipófilo de 5,5, habiendo constatado, en efecto, los autores de la invención que el uso de este agente tensioactivo permite reducir aún más el diámetro de las burbujas de agua presentes en la emulsión y, por consiguiente, el diámetro de las células de las espumas obtenidas.
Sin embargo, pueden usarse igualmente otros agentes tensioactivos como, por ejemplo, monooleato de sorbitán o monoestearato de diglicerilo.
En todos los casos, el agente tensioactivo representa, preferentemente, del 13 al 20% en masa de la masa de esta fase orgánica.
El electrolito presente en la fase acuosa, cuyo papel es el de estabilizar la emulsión modificando las propiedades del agente tensioactivo, es ventajosamente sulfato de aluminio y representa, preferentemente, del 0,05 al 2% en masa de la masa de esta fase acuosa. Sin embargo, este electrolito puede elegirse también entre otras sales diferentes, por ejemplo de aluminio, de cobre o de sodio.
El iniciador de polimerización es ventajosamente persulfato de sodio y representa preferentemente del 0,1 al 2% en masa de la masa de la fase acuosa.
Además, se prefiere usar, en la fase acuosa, agua ultrapura, especialmente un agua de resistividad cercana o igual a 18,2 megaohmios (M\Omega), obtenida, por ejemplo, por nanofiltración, ultrafiltración, intercambio iónico o por destilación, teniendo el nivel de pureza del agua usada, en efecto, una influencia en la pureza de la espuma obtenida.
De acuerdo con la invención, la emulsión entre la fase orgánica y la fase acuosa se realiza, por ejemplo, en un reactor provisto de un agitador vertical, añadiendo, progresivamente y en agitación moderada, la fase acuosa a la fase orgánica ya presente en el reactor, y después sometiendo el conjunto a una agitación más viva, correspondiente por ejemplo a una velocidad de rotación del agitador de 300 revoluciones/min, hasta la obtención de una emulsión estable. Una emulsión estable se obtiene generalmente manteniendo la agitación durante 60 a 90 minutos.
La emulsión así obtenida se somete a continuación a cizalladura para reducir el diámetro de las burbujas de agua que contiene. Esto puede realizarse especialmente inyectando la emulsión en un recipiente, ventajosamente un molde de forma y de dimensiones correspondientes a las de la espuma que se desea fabricar, por medio de una jeringuilla unida a un pulsador apto para suministrar una presión superior a la presión atmosférica. Esta jeringuilla está provista ventajosamente, en su extremo inferior, de una llave para su llenado por la emulsión, después de una aguja, por ejemplo metálica, para la inyección de dicha emulsión. Se usa, preferentemente, una aguja que presenta un diámetro interno de 150 \mum a 1 mm.
La polimerización de los monómeros se realiza a continuación, preferentemente, en caliente, es decir, a una temperatura del orden de 30 a 70ºC, por ejemplo en un horno. Puede efectuarse después de haber colocado la emulsión en un recipiente herméticamente cerrado con el fin de evitar una posible contaminación de esta emulsión en el curso de la polimerización. El tiempo necesario para que la polimerización de la emulsión conduzca a una espuma sólida es generalmente del orden de 12 a 48 horas.
Según otra disposición ventajosa de la invención, el lavado de la espuma comprende una o varias operaciones de inmersión de esta espuma en agua, preferentemente, ultrapura, seguidas de una o varias operaciones de inmersión en un alcohol, seguidas a su vez de una o varias operaciones de extracción mediante un alcohol, por ejemplo en un extractor Soxhlet.
El alcohol usado en el curso de estas operaciones es, preferentemente, etanol.
De acuerdo con la invención, el secado de la espuma se realiza, preferentemente, en un horno, a una temperatura del orden de 60ºC, por ejemplo durante una docena de horas.
Otras características y ventajas de la invención serán más evidentes con la lectura del complemento de descripción que sigue, que se proporciona, por supuesto, a modo de ilustración y es no limitativo, y en referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 representa tres fotografías tomadas con microscopio electrónico de barrido en una muestra de un primer ejemplo de espuma conforme a la invención, correspondiendo la parte A a un aumento de X28, la parte B a un aumento de X127 y la parte C a un aumento de X1960.
La figura 2 representa, en forma de histograma, la frecuencia (F) de las células de una muestra del primer ejemplo de espuma ilustrado en la figura 1 en función del diámetro (D) de estas células, expresado en micrómetros.
La figura 3 representa, en forma de histograma, la frecuencia (F) de los poros de una muestra del primer ejemplo de espuma ilustrado en la figura 1 en función del diámetro (D) de estos poros, expresado en micrómetros.
La figura 4 representa tres fotografías tomadas con microscopio electrónico de barrido en una muestra de un segundo ejemplo de espuma conforme a la invención, correspondiendo la parte A a un aumento de X32,3, la parte B a un aumento de X126 y la parte C a un aumento de X1990.
La figura 5 representa, en forma de histograma, la frecuencia (F) de las células de una muestra del segundo ejemplo de espuma ilustrado en la figura 4 en función del diámetro (D) de estas células, expresado en micrómetros.
La figura 6 representa, en forma de histograma, la frecuencia (F) de los poros de una muestra del segundo ejemplo de espuma ilustrado en la figura 4 en función del diámetro (D) de estos poros, expresado en micrómetros.
La figura 7 representa tres fotografías tomadas con microscopio electrónico de barrido en una muestra de un tercer ejemplo de espuma conforme a la invención, correspondiendo la parte A a un aumento de X30,9, la parte B a un aumento de X129 y la parte C a un aumento de X1940.
La figura 8 representa, en forma de histograma, la frecuencia (F) de las células de una muestra del tercer ejemplo de espuma ilustrado en la figura 7 en función del diámetro (D) de estas células, expresado en micrómetros.
La figura 9 representa, en forma de histograma, la frecuencia (F) de los poros de una muestra del tercer ejemplo de espuma ilustrado en la figura 7 en función del diámetro (D) de estos poros, expresado en micrómetros.
Exposición detallada de formas de realización concretas
Ejemplo 1
Se realiza un lote de muestras de un primer ejemplo de espuma de polímero conforme a la invención siguiendo el protocolo operativo expuesto a continuación.
En un primer momento, se prepara una fase orgánica que comprende 12,9 g de estireno (compañía Aldrich), 3,2 g de divinilbenceno (compañía Aldrich) y 4 g de monooleato de diglicerilo (DCMO-CV de la compañía NIKKOL).
Se introduce esta fase orgánica en la cubeta de un reactor de vidrio encamisado por la que circula un fluido refrigerante, agua mantenida a 20ºC mediante un baño termostatizado. El reactor está cerrado mediante una tapa estanca con 4 bocas esmeriladas, en la que la boca esmerilada central permite el paso de un agitador vertical y dos bocas esmeriladas laterales sirven para conectar el reactor respectivamente con el extremo de un embudo de adición con compensación de presión y con una bomba de vacío.
Se prepara paralelamente una fase acuosa que comprende 0,2 g de sulfato de aluminio (compañía Aldrich) y 0,6 g de persulfato de sodio (compañía Aldrich) en 299,2 ml de agua ultrapura, de resistividad igual a 18,2 M\Omega.
Esta fase acuosa se introduce en la cubeta del reactor por mediación del embudo de adición con compensación de presión y la velocidad de rotación del agitador vertical se lleva a 300 revoluciones/min en 30 segundos. Esta agitación se mantiene durante 70 minutos, y después se coloca el reactor en vacío parcial (109 mbar, 10,9 kPa) con ayuda de la bomba de vacío. A continuación se prosigue con la agitación durante 5 minutos, y después se detiene y se rompe el vacío después de 4 minutos de reposo.
La emulsión así formada en el reactor se carga en una jeringuilla, de una capacidad de 300 ml, que está obturada en su extremo inferior por una llave y que está unida a un pulsador TECHCO, modelo TDS-983D, apto para suministrar una presión que puede alcanzar 7 bares. Una vez realizada esta carga, la llave de la jeringuilla se sustituye por una aguja metálica, de diámetro interno de 410 \mum, y la emulsión se inyecta en una serie de tubos de vidrio a una presión de 4 bares (400 kPa).
A continuación se introducen los tubos en bolsas de plástico que contienen 1 cm^{3} de agua ultrapura. Las bolsas se cierran mediante soldadura y se colocan en un horno a 60ºC durante 17 horas, al término de las cuales se retiran los tubos del horno y se dejan enfriar hasta que su temperatura sea igual a la temperatura ambiente.
Las muestras de espuma contenidas en los tubos de vidrio se extraen manualmente de éstos y después se colocan en un vaso de precipitados lleno de agua ultrapura. Cuatro días más tarde, las muestras se colocan en otro vaso de precipitados lleno de etanol. Se mantienen en él durante 2 días, y después se colocan en un extractor Soxhlet, cuyo matraz de fondo redondo se rellena con etanol. El calentador de matraz se lleva a 92ºC. La evaporación y, después, la condensación del etanol aseguran una recirculación de este disolvente entre las muestras de espuma durante 24 horas. El etanol del matraz de fondo redondo se renueva una vez y se repite el procedimiento de extracción durante 24 horas.
Al término de esta operación, las muestras de espuma se secan en un horno a 60ºC durante 12 horas.
Las muestras de espuma así realizadas se caracterizan por:
* una densidad promedio de 48,6 mg/cm^{3} \pm 0,1 mg/cm^{3},
* una estructura muy homogénea, como muestra la figura 1 que representa tres fotografías tomadas con microscopio electrónico de barrido, respectivamente con un aumento de X28 (parte A), X127 (parte B) y X1960 (parte C), en una muestra de espuma,
* un diámetro promedio de células de 2,64 \mum \pm 0,46 \mum,
* un diámetro promedio de poros de 0,58 \mum \pm 0, 31 \mum, y
* un índice másico de impurezas (elementos distintos de carbono e hidrógeno) igual al 1,26% (porcentajes en masa: O = 1,12; Na = 0,0752; Al = 0,064).
La densidad se ha determinado sometiendo dos muestras tomadas al azar, por una parte, a una medida dimensional por medio de un pie de rey digital (incertidumbre de medida \pm 10 \mum), y, por otra parte, a una pesada (incertidumbre de medida: \pm 10 \mug).
Los diámetros medios de las células y de los poros se han determinado respectivamente en 57 células y 422 poros por medio de un software de análisis de imágenes a partir de imágenes obtenidas por microscopia electrónica de barrido.
La figura 2 ilustra, en forma de histograma, la frecuencia (F) de estas células en función de su diámetro (D), expresado en \mum, mientras que la figura 3 ilustra, igualmente en forma de histograma, la frecuencia (F) de estos poros en función de su diámetro (D), expresado en \mum.
Ejemplo 2
Se realiza un lote de muestras de un segundo ejemplo de espuma de polímero conforme a la invención siguiendo un protocolo operativo idéntico al descrito en el ejemplo 1, aunque usando una fase orgánica que comprende 42 g de estireno, 10,5 g de divinilbenceno y 7,9 g de monooleato de diglicerilo, y una fase acuosa que comprende 0,2 g de sulfato de aluminio y 0,5 g de persulfato de sodio en 293 ml de agua ultrapura.
Se obtienen así muestras que, sometidas a análisis análogos a los descritos en el ejemplo 1, se caracterizan por:
* una densidad media de 159,0 mg/cm^{3} \pm 0,1 mg/cm^{3},
* una estructura muy homogénea, como muestra la figura 4 que representa tres fotografías tomadas con microscopio electrónico de barrido, respectivamente con un aumento de X32,3 (parte A), X126 (parte B) y X1990 (parte C), en una muestra de espuma,
* un diámetro promedio de células de 2, 97 \mum \pm 0,63 \mum (determinado en 57 células),
* un diámetro promedio de poros de 0,75 \mum \pm 0,31 \mum (determinado en 151 poros), y
* un índice másico de impurezas (elementos distintos de carbono e hidrógeno) igual al 1,16% (porcentajes en masa: O = 1,09; S = 0,029, Na = 0,0287; Al = 0,0189).
La figura 5 ilustra, en forma de histograma, la frecuencia (F) de estas células en función de su diámetro (D), expresado en \mum, mientras que la figura 6 ilustra, igualmente en forma de histograma, la frecuencia (F) de estos poros en función de su diámetro (D) expresado en \mum.
Ejemplo 3
Se realiza un lote de muestras de un tercer ejemplo de espuma de polímero conforme a la invención siguiendo un protocolo operativo idéntico al descrito en el ejemplo 1, aunque usando una fase orgánica que comprende 70 g de estireno, 17,5 g de divinilbenceno y 13,1 g de monooleato de diglicerilo, y una fase acuosa que comprende 0,18 g de sulfato de aluminio y 0,467 g de persulfato de sodio en 254 ml de agua ultrapura.
Se obtienen así muestras que, sometidas a análisis análogos a los descritos en el ejemplo 1, se caracterizan por:
* una densidad media de 256,8 mg/cm^{3} \pm 0,1 mg/cm^{3},
* una estructura muy homogénea, como muestra la figura 7 que representa tres fotografías tomadas con microscopio electrónico de barrido, respectivamente con un aumento de X30,9 (parte A), X129 (parte B) y X1940 (parte C), en una muestra de espuma,
* un diámetro promedio de células de 2,93 \mum \pm 0,74 \mum (determinado en 41 células),
* un diámetro promedio de poros de 0,70 \mum \pm 0,26 \mum (determinado en 106 poros), y
* un índice másico de impurezas (elementos distintos de carbono e hidrógeno) igual al 1,29% (porcentajes en masa: O = 1,24; S = 0,037; Na = 0,0074; Al = 0,0077).
La figura 8 ilustra, en forma de histograma, la frecuencia (F) de estas células en función de su diámetro (D), expresado en \mum, mientras que la figura 9 ilustra, igualmente en forma de histograma, la frecuencia (F) de estos poros en función de su diámetro (D), expresado en \mum.

Claims (22)

1. Espuma de polímero obtenida por polimerización en emulsión de fase interna altamente concentrada, que está formada por un polímero reticulado exclusivamente hidrocarbonado, a base de monómeros estirénicos, y que presenta una densidad de 40 mg/cm^{3} a 260 mg/cm^{3} así como células de un diámetro promedio inferior o igual a 10 micrómetros.
2. Espuma de polímero según la reivindicación 1, en la que el polímero es un copolímero de estireno y divinilbenceno.
3. Espuma de polímero según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en la que la relación de masas entre estireno y divinilbenceno está comprendida entre 5 y 1.
4. Espuma de polímero según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que presenta un diámetro promedio de células comprendido entre 1 y 5 micrómetros.
5. Espuma de polímero según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los elementos distintos de carbono e hidrógeno constitutivos del polímero representan menos del 3% en masa de la masa de la espuma.
6. Procedimiento de fabricación de una espuma de polímero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende las etapas siguientes:
a) realizar una emulsión entre una fase orgánica que comprende monómeros estirénicos exclusivamente hidrocarbonados y un agente tensioactivo, y una fase acuosa que comprende un electrolito y un iniciador de polimerización, representando el volumen de la fase acuosa al menos el 74% del volumen total de las dos fases;
b) someter la emulsión a cizalladura para reducir el diámetro de las burbujas de agua que contiene;
c) polimerizar dichos monómeros hasta la obtención de una espuma sólida;
d) lavar la espuma obtenida en la etapa c) y secarla.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que los monómeros estirénicos presentes en la fase orgánica son monómeros de estireno y divinilbenceno.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que la relación de masas entre los monómeros del estireno y los monómeros del divinilbenceno está comprendida entre 5 y 1.
9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que los monómeros estirénicos representan del 50 al 80% en masa de la masa de la fase orgánica.
10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en el que el agente tensioactivo es monooleato de diglicerilo.
11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en el que el agente tensioactivo representa del 13 al 20% en masa de la masa de la fase orgánica.
12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, en el que el electrolito es sulfato de aluminio.
13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, en el que el electrolito representa del 0,05 al 2% en masa de la masa de la fase acuosa.
14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13, en el que el iniciador de polimerización es persulfato de sodio.
15. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 14, en el que el iniciador de polimerización representa del 0,1 al 2% en masa de la masa de la fase acuosa.
16. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 15, en el que el agua usada para preparar la fase acuosa es agua que presenta una resistividad de aproximadamente 18,2 megaohmios.
17. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 16, en el que la etapa b) se realiza inyectando la emulsión en un recipiente por medio de una jeringuilla unida a un pulsador apto para suministrar una presión superior a la presión atmosférica.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que el recipiente es un molde que tiene la forma y las dimensiones de la espuma que debe fabricarse.
19. Procedimiento según la reivindicación 17 o la reivindicación 18, en el que la jeringuilla está provista de una aguja que presenta un diámetro interno de 150 \mum a 1 mm.
20. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 19, en el que la polimerización de los monómeros se realiza a una temperatura del orden de 30 a 70ºC.
21. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 20, en el que el lavado de la espuma comprende una o varias operaciones de inmersión de esta espuma en agua, seguidas de una o varias operaciones de inmersión en un alcohol, seguidas a su vez de una o varias operaciones de extracción mediante un alcohol.
22. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 21, en el que la espuma se seca en un horno a una temperatura de aproximadamente 60ºC.
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