ES2335820T3 - Proceso para fabricar una estructura celular basada en plastico. - Google Patents
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Abstract
Proceso para fabricar una estructura celular basada en plástico, que comprende: - una etapa (a) durante la que se extruden continuamente láminas paralelas de una composición basada al menos en un polímero termoplástico (P) elegido entre polímeros amorfos y semicristalinos a través de una hilera que contiene una pluralidad de ranuras paralelas; - una etapa (b) durante la que, al salir de la hilera y en alternancias sucesivas, los espacios entre dos láminas adyacentes se someten a una inyección de fluido (f) y a vacío, estando los dos lados de una misma lámina, por un lado, sometidos a acción del fluido (f) y, por el otro lado, a la acción del vacío, e inversamente durante la siguiente alternancia, a fin de producir deformación de las láminas y soldarlas por pares con formación, en un plano aproximadamente paralelo a la dirección de extrusión, de una estructura celular cuyas células constituyentes se extienden perpendiculares a la dirección de extrusión; estando el proceso caracterizado porque: - se lleva a cabo una etapa (c) durante la que la estructura celular obtenida en la etapa (b) se estira perpendicular a la dirección de extrusión.
Description
Proceso para fabricar una estructura celular
basada en plástico.
La presente invención se refiere a un proceso
para fabricar una estructura celular basada en plástico, más
particularmente una estructura celular no isométrica basada en
plástico.
Un requisito que se encuentra en muchas
industrias (automovilística, ingeniería civil, naval, etc.) consiste
en optimizar la relación de propiedades mecánicas/peso de las
estructuras que se usan. Se han desarrollado numerosos procesos
para conseguir este objetivo, y en particular para aligerar las
estructuras de plástico. La mayor parte de estos procesos usan
tanto la formación mecánica de células macroscópicas (mediante
ensamblaje de corrientes sólidas o fundidas a fin de formar
estructuras celulares conocidas como estructuras de "nido de
abeja") o mediante formación física de células microscópicas por
liberación o expansión de un gas (expansión o espumación usando
agentes de soplado físicos o químicos). También se ha contemplado
una combinación de los dos tipos de procesos.
Se han propuesto procesos para fabricar
estructuras celulares mediante extrusión continua en la patente
EP-B-1009625 (1) y en la solicitud
de patente FR 05/08635 presentada el 19 de agosto de 2005 (2).
El proceso descrito en la patente (1) consiste
en:
- extrudir continuamente, usando una hilera
multi-ranura, hojas paralelas de material
termoplástico adentro de una cámara de enfriamiento, con la
creación de un cierre entre los bordes longitudinales de las hojas y
las paredes de la cámara, definiendo las diversas hojas
compartimentos, entre ellas mismas y con las paredes de la
cámara;
- crear, en esta cámara y desde el extremo
situado más próximo a la hilera, un vacío en compartimentos
alternos, como para deformar y atraer, por pares, las hojas
extrudidas a fin de llevar a cabo soldaduras localizadas a lo largo
de toda su altura;
- llenar, desde el extremo situado más próximo a
la hilera, compartimentos alternos, alternando con los
compartimentos previos, usando un refrigerante que en la práctica
es agua; y
- alternar, en cada compartimento, la creación
de un vacío y el llenado usando un refrigerante, a fin de obtener
una estructura celular solidificada en la cámara de enfriamiento, en
la que las celdas son perpendiculares a la dirección de
extrusión.
\vskip1.000000\baselineskip
De acuerdo con este proceso, las estructuras
celulares obtenidas son sólidas al salir de la cámara de
enfriamiento y, considerando además la presencia de una unidad de
despegue aguas abajo de la hilera, su geometría es tal que su eje
longitudinal se orienta en la dirección de extrusión. Como
resultado, el módulo de flexión de todas las estructuras celulares
es sustancialmente más alto en la dirección transversal
(perpendicular a la dirección de extrusión) que en la dirección
longitudinal (dirección "de la máquina", paralela a la
dirección de extrusión), limitando su interés para ciertas
aplicaciones e impidiendo enrollarlas en una bobina. Esto se debe a
que, cuando se desea flexionarlas longitudinalmente, se deforman
transversalmente, lo que constituye un inconveniente práctico grave
cuando se extruden continuamente estructuras celulares de gran
longitud.
De acuerdo con el proceso descrito en la
solicitud de patente (2):
- se extruden continuamente láminas paralelas de
una composición basada al menos en un material plástico, en una
dirección aproximadamente horizontal, a través de una hilera que
comprende una pluralidad de ranuras paralelas situadas en la
inmediata vecindad de un material aislante;
- al salir de la hilera, los espacios entre dos
láminas adyacentes se someten, en alternancias sucesivas, a
inyección de gas comprimido y a vacío, estando los dos lados de una
misma lámina, por un lado, sometidos a la acción del gas comprimido
y, por el otro lado, a la acción del vacío, e inversamente durante
la siguiente alternancia, a fin de producir deformación de las
láminas y soldarlas por pares con formación, en un plano
aproximadamente paralelo a la dirección de extrusión, de una
estructura celular cuyas células constituyentes se extienden
perpendiculares a la dirección de extrusión;
- se somete dicha estructura celular, después de
su formación, a la acción de un chorro de aire.
Según este proceso, las estructuras celulares
obtenidas, todavía en estado fundido o pastoso al salir de la
hilera, tienen casi siempre sección transversal elíptica, cuyo eje
principal se orienta en la dirección de extrusión. Como resultado,
el módulo de flexión de todas las estructuras celulares es
sustancialmente más alto en la dirección transversal que en la
dirección longitudinal (dirección "de la máquina"); se limita
así la altura de la superficie elíptica de revolución que forma la
pared de cada célula y generalmente es sustancialmente más baja que
el eje longitudinal de dicha célula. Las estructuras celulares
obtenidas según este proceso sufren por lo tanto los mismos
inconvenientes que las obtenidas según el proceso descrito en la
patente (1).
La solicitud de patente FR 2583676 A se refiere
a un proceso para fabricar estructuras celulares mediante extrusión
de material polímero a través de una hilera con una salida
hexagonal, contemplando el proceso una etapa de estirado del
polímero extrudido para crear una orientación molecular.
El objeto de la presente invención es resolver
estos problemas y especialmente hacer posible que se obtengan
estructuras celulares no isométricas basadas en un plástico cuyas
propiedades son más isótropas, que son menos densas que las
estructuras celulares conocidas y que pueden ser enrolladas en una
bobina circular.
Por lo tanto, la presente invención se refiere,
principalmente, a un proceso según se define en la reivindicación
1, para fabricar una estructura celular basada en plástico, que
comprende:
- una etapa (a) durante la que se extruden
continuamente láminas paralelas de una composición basada al menos
en un polímero termoplástico (P) elegido entre polímeros amorfos y
semicristalinos a través de una hilera que contiene una pluralidad
de ranuras paralelas;
- una etapa (b) durante la que, al salir de la
hilera y en alternancias sucesivas, los espacios entre dos láminas
adyacentes se someten a inyección de fluido (f) y a vacío, estando
los dos lados de una misma lámina, por un lado, sometidos a la
acción del fluido (f) y, por el otro lado, a la acción del vacío, e
inversamente durante la siguiente alternancia, a fin de producir
deformación de las láminas y soldarlas por pares con formación, en
un plano aproximadamente paralelo a la dirección de extrusión, de
una estructura celular cuyas células constituyentes se extienden
perpendiculares a la dirección de extrusión;
- una etapa (c) durante la que la estructura
celular obtenida en la etapa (b) se estira perpendicular a la
dirección de extrusión. Realizaciones preferidas de la invención se
definen en las reivindicaciones dependientes.
\vskip1.000000\baselineskip
En la presente descripción, se entiende que el
término "plástico" significa cualquier polímero termoplástico
(P) amorfo o semicristalino, que incluye elastómeros termoplásticos
y también mezclas de los mismos. Se entiende que el término
"polímero" significa tanto homopolímeros como copolímeros
(especialmente bipolímeros o terpolímeros). Ejemplos de copolímeros
de este tipo son, de manera no limitante, copolímeros al azar,
copolímeros de bloques lineales, otros copolímeros de bloques y
copolímeros de injerto.
En la presente descripción, se entiende que la
expresión "polímero amorfo" significa cualquier polímero
termoplástico (P) que tiene predominantemente una disposición
desordenada de las moléculas que lo forman. En otras palabras, se
entiende que esta expresión significa cualquier polímero
termoplástico que contiene menos de 30% en peso, preferiblemente
menos de 10% en peso de fase cristalina (es decir, la fase
caracterizada por una endotermia de fusión durante las mediciones
de análisis térmico diferencial (DSC)).
En la presente descripción, se entiende que la
expresión "polímero semicristalino" significa cualquier
polímero termoplástico (P) que tiene, en gran proporción, una
disposición regular químicamente y geométricamente de las
macromoléculas que lo forman. En otras palabras, se entiende que
esta expresión significa cualquier polímero termoplástico que
contiene más de 30% en peso, preferiblemente más de 50% en peso de
fase cristalina (es decir, la fase caracterizada por una endotermia
de fusión durante las mediciones de análisis térmico diferencial
(DSC)).
Dos temperaturas características se asocian con
polímeros termoplásticos (P): son la temperatura de transición
vítrea (T_{g}) y la temperatura de fusión (T_{m}). T_{g} es la
temperatura por debajo de la cual una masa de polímero tiene
propiedades de vidrio inorgánico, que incluyen dureza y rigidez. Por
encima de la T_{g}, la masa de polímero tiene propiedades
plásticas o elásticas y se dice que está en estado de caucho o de
elastómero. T_{m} también se denomina temperatura de fluidez en
el caso de polímeros amorfos y el punto de fusión directa cuando es
una cuestión de los polímeros semicristalinos. A la T_{m} (que es
más bien, en la práctica, una zona o intervalo de temperatura) hay
equilibrio entre los elementos sólidos y los elementos fundidos de
la masa de polímero y por consiguiente, en este intervalo de
temperatura, esta última masa es más bien un líquido viscoso.
Cualquier polímero o copolímero termoplástico
cuya T_{m} esté por debajo de la temperatura de descomposición se
puede usar en el proceso según la presente invención. Termoplásticos
sintéticos que tienen un intervalo de fusión que se extiende sobre
al menos 10ºC se adecuan particularmente bien. Ejemplos de
materiales de este tipo son los que tienen polidispersión de su
peso molecular.
Es especialmente posible usar poliolefinas,
poli(haluros de vinilo) (por ejemplo PVC) o
poli(haluros de vinilideno) (por ejemplo PVDF), poliésteres
termoplásticos, poliarilétersulfonas tales como polifenilsulfonas
(PPSU), policetonas, poliamidas (PA) y copolímeros de las mismas.
Poliolefinas [y en particular polipropileno (PP) y polietileno
(PE)], poliarilétersulfonas tales como polifenilsulfonas (PPSU), PA,
PVC y PVDF han dado buenos resultados.
Para los fines de la presente invención, una
poliarilétersulfona indica cualquier polímero del que al menos 5%
en peso de las unidades que se repiten son unidades que se repiten
(R) correspondientes a una o más fórmulas que comprenden al menos
un grupo arileno, al menos un grupo éter (-O-) y al menos un grupo
sulfona [-S(=O)_{2}-].
\newpage
La poliarilétersulfona puede ser especialmente
una polibifenilétersulfona, una polisulfona, una poliétersulfona,
una poliimidoétersulfona o también una mezcla compuesta por
poliarilétersulfonas elegidas entre las poliarilétersulfonas
anteriormente mencionadas.
Polímeros de este tipo que se adecuan bien
dentro del alcance de la invención son:
- RADEL® R polifenilsulfonas de Solvay Advanced
Polymers, L.L.C. son ejemplos de homopolímeros PPSU;
- homopolímeros de polisulfona vendidos por
Solvay Advanced Polymers, L.L.C. bajo la marca registrada UDEL®;
y
- poliétersulfonas vendidas por Solvay Advanced
Polymers, L.L.C. bajo la marca registrada RADEL® A.
\vskip1.000000\baselineskip
La composición basada al menos en un polímero
termoplástico (P) (conocida de aquí en adelante sencillamente como
la "composición") que se usa en el proceso según la invención
se puede formar a partir de un polímero único, a partir de una
mezcla de polímeros o copolímeros o a partir de una mezcla de
material(es) polímero(s) con diversos aditivos
(estabilizadores; plastificantes; cargas inorgánicas, orgánicas y/o
naturales o de polímero, etc.). Esta composición puede haber
experimentado diversos tratamientos, tales como expansión,
orientación, etc. También puede estar presente un agente de
soplado, que permite que se produzcan estructuras expandidas o
espumadas. El agente de soplado según esta variante de la presente
invención puede ser de cualquier tipo conocido. Podría ser un
agente de soplado "físico", es decir un gas disuelto en el
plástico bajo presión y que provoca que el plástico se expanda
cuando abandona la extrusora. Ejemplos de gases de este tipo son
CO_{2}, nitrógeno, vapor de agua, hidrofluorcarburos o HFC (tales
como la mezcla
CF_{3}-CH_{2}F/CHF_{2}-CH_{3}
87/13% en peso vendida por Solvay como SOLKANE® XG87),
hidrocarburos (tales como butano y pentano) o una mezcla de los
mismos. También puede ser un agente de soplado "químico", es
decir una sustancia (o una mezcla de sustancias) disuelta o
dispersa en el plástico y que, bajo el efecto de la temperatura,
libera el gas o los gases que se usarán para la expansión del
plástico. Ejemplos de sustancias de este tipo son azodicarbonamida
y mezclas de bicarbonato sódico con ácido cítrico. Esta última da
buenos resultados.
La cantidad de agente de soplado que se usa en
el proceso según esta variante de la invención tiene que ser
optimizada, especialmente según su naturaleza, a las propiedades
(especialmente viscosidad dinámica) del polímero presente y a la
densidad final deseada. En general, este contenido es mayor o igual
que 0,1%, preferiblemente 0,5%, o incluso 1%.
Se entiende que los polímeros anteriormente
enumerados pueden ser añadidos mediante otros polímeros que sean
compatibles o no con ese último y comprenden, además de los
plastificantes opcionales, los adhesivos habituales que se usan
para procesar polímeros, tales como, por ejemplo, lubricantes
internos y externos, estabilizadores al calor, estabilizadores a la
luz, cargas inorgánicas, orgánicas y/o naturales, pigmentos,
etc.
La implementación del proceso según la invención
significa que láminas paralelas de la composición basada al menos
en un polímero termoplástico (P) se extruden continuamente durante
una etapa (a) a través de una hilera que contiene una pluralidad de
ranuras paralelas. Ejemplos de dispositivos de extrusión que son
adecuados para esta implementación se describen en la patente (1) y
en la solicitud de patente (2).
El dispositivo que se describe en la patente (1)
comprende una extrusora que alimenta la composición fundida a una
hilera con forma de percha que consta de varias ranuras paralelas
diseñada cada una para la formación continua de una lámina, estando
cada ranura delimitada por dos piezas en forma de conos, producidas
de un material térmicamente aislante, en cada uno de las que hay
cortada una hendidura.
El dispositivo que se describe en la solicitud
de patente (2) esencialmente comprende:
(A) Una hilera de hoja, preferiblemente con una
abertura agrandada, que alimenta la composición fundida a
cuchillas, para formar las láminas de composición fundida que han de
ser soldadas. Esta hilera se coloca de tal manera que la
composición fundida es extrudida en una dirección aproximadamente
horizontal.
(B) Una pluralidad de cuchillas, que hace
posible que se formen las láminas de composición fundida que se han
de soldar. Estas cuchillas se pueden formar a partir de cualquier
material resistente a la temperatura de proceso de la composición
fundida. Se pueden hacer al menos parcialmente de un material
térmicamente conductor tal como acero, cobre o aleaciones
metálicas, o al menos parcialmente de un material térmicamente
aislante, tal como materiales cerámicos o resinas de poliimida
opcionalmente reforzadas con fibras de vidrio, o cualesquiera otros
materiales que tengan resistencia mecánica y resistencia térmica
satisfactorias. Puesto que la cara frontal de la hilera consta de
hecho del conjunto de cuchillas anteriormente mencionado, o bien
están hechas enteramente de un material térmicamente aislante o
bien tienen su extremo aguas abajo (es decir su cara externa)
basado o incrustado en un material térmicamente aislante.
Estas cuchillas se posicionan generalmente en
planos paralelos verticales y con separación aproximadamente
equidistante. Entre ellos definen canales de flujo que tienen, en la
dirección del flujo de la composición fundida, una primera parte
convergente y después de ésta, una parte sustancialmente recta,
formando esta última las paredes laterales de cada ranura
constituyente de la hilera.
La implementación del proceso según la invención
significa entonces llevar a cabo una etapa (b) durante la que, al
salir de la hilera y en alternancias sucesivas, los espacios entre
dos láminas adyacentes se someten a inyección de fluido (f) y a
vacío, estando los dos lados de una misma lámina, por un lado,
sometidos a la acción del fluido (f) y, por el otro lado, a la
acción del vacío, e inversamente durante la siguiente alternancia,
a fin de producir deformación de las láminas y soldarlas por pares
con formación, en un plano aproximadamente paralelo a la dirección
de extrusión, de una estructura celular cuyas células constituyentes
se extienden perpendiculares a la dirección de extrusión.
Realizaciones prácticas de la etapa (b) también
se describen, por ejemplo, en la patente (1) y en la solicitud de
patente (2).
La realización descrita en la patente (1) se
prefiere en el caso en el que el fluido (f) es un refrigerante para
la estructura celular en el proceso de ser formada, y es, en
particular, agua. Esto significa que cada hendidura, cortada en
cada pieza en forma de cono de cada ranura de la hilera se conecta,
sucesivamente, a una fuente de vacío y a una fuente de
refrigerante. El conformado de la estructura celular se lleva a cabo
por la vía de dos ensamblajes conformadores, que constan de piezas
cónicas que son adicionales a las piezas en forma de cono de la
hilera y que están montadas verticalmente sobre la hilera, es decir
en la dirección de las células de la estructura que se ha formado,
a fin de permitir el control de su grosor. Los dos ensamblajes
conformadores definen, mediante sus superficies enfrentadas, las
zonas de soporte de las dos caras de la estructura celular
perpendiculares a las células. Estas superficies convergen desde la
salida de la hilera hacia una cámara para conformar y enfriar la
estructura celular, siendo esta cámara tubular con una sección
transversal rectangular y teniendo una altura igual a la altura de
la estructura que se ha de obtener, en la dirección de las células
de la última, y teniendo una anchura igual a la de la estructura. Un
depósito de refrigerante del que se saca el fluido usando una
bomba, una bomba de vacío y un distribuidor, conectado a estas dos
bombas y también a una red que lo conecta a diversos compartimentos
situados a ambos lados de las láminas, diseñados para conectar
sucesivamente cada compartimento con la fuente de vacío y con la
fuente de refrigerante, completan el dispositivo que permite la
implementación de esta realización.
La realización descrita en la solicitud de
patente (2) se prefiere en el caso en el que el fluido (f) es un
gas, por ejemplo un gas inerte, una mezcla de gases inertes o aire.
Requiere la presencia, en el dispositivo para extrudir la
composición, de dos pequeñas unidades de calibración que
generalmente están en la forma de bloques de metal colocados sobre
la cara frontal de la hilera que comprende las rendijas determinadas
por las cuchillas verticales, la cara frontal que se puede revestir
con una hoja de material aislante según se ha mencionado
anteriormente. Estas unidades de calibración se colocan a uno y otro
lado de las ranuras de la hilera, una encima de ellas y otra debajo
de ellas. Generalmente se pueden mover verticalmente, en direcciones
opuestas, a fin de definir la altura de las láminas extrudidas y
por consiguiente la altura de la estructura celular final.
Se recortan dos cámaras en cada una de estas
unidades de calibración, partiendo de cuyas cámaras hay conductos
tubulares que terminan en orificios generalmente circulares que
emergen cerca de los espacios entre las ranuras de la hilera y por
lo tanto, durante la implementación del proceso según la invención,
cerca de los espacios entre las láminas extrudidas.
Cada cámara de cada una de estas unidades de
calibración se conecta alternativamente a una bomba de vacío o a un
circuito de gas comprimido. Así, los espacios entre dos láminas
extrudidas adyacentes se someten, en alternancias sucesivas, a
inyección de gas comprimido y a vacío, estando los dos lados de una
lámina cualquiera, por un lado, sometido a la acción del gas
comprimido y, por el otro lado, a la acción del vacío, e
inversamente durante la siguiente alternancia, a fin de producir
deformación de las láminas y soldarlas por pares con formación, en
un plano aproximadamente paralelo a la dirección de extrusión, de
una estructura celular, cuyas células constituyentes se extienden
perpendiculares a la dirección de extrusión.
Cada unidad de calibración se ajusta
preferiblemente a una temperatura por debajo de T_{estruct}, pero
por encima de T_{estruct} menos 80ºC, preferiblemente por encima
de T_{estruct} menos 50ºC, incluso por encima de T_{estruct}
menos 25ºC, donde T_{estruct} es una temperatura estructural que
corresponde a T_{g} si la composición comprende un polímero
amorfo y a T_{m} si la composición comprende un polímero
semicristalino.
Según esta realización, el gas se puede
calentar. La temperatura del gas es preferiblemente mayor o igual
que la temperatura de proceso del plástico (T_{p}) menos 100ºC,
preferiblemente mayor o igual que T_{p} menos 50ºC, incluso mayor
o igual que T_{p} menos 20ºC.
La realización práctica de la etapa (b) que se
describe en la patente (1) se aplica preferiblemente a polímeros
termoplásticos (P) amorfos que tienen una viscosidad dinámica en
estado fundido (medida convencionalmente por la vía de mediciones
del gradiente y la tensión de cizalladura en un reogoniómetro) a su
temperatura de proceso (es decir a la temperatura a la que se
extruden a fin de que se conviertan en estructuras celulares) y a
una velocidad angular de 0,1 rad/s de menos de 2000 Pa.s,
preferiblemente de menos de 1000 Pa.s. Preferiblemente, estos
polímeros tienen, además, una T_{g}, medida convencionalmente por
DSC (según la norma ISO 11357-2), de menos de 60ºC,
preferiblemente de menos de 50ºC.
Ejemplos no limitantes de polímeros amorfos que
se pueden ajustar a las definiciones y limitaciones anteriores son
los elastómeros termoplásticos, y también mezclas de los mismos;
poliésteres termolásticos y homopolímeros y copolímeros derivados
de cloruro de vinilo, y también mezclas de los mismos. Entre los
homopolímeros y copolímeros derivados de cloruro de vinilo que se
pueden usar, se prefieren más particularmente homopolímeros y
copolímeros plastificados mediante plastificantes monómeros y
polímeros. Como ejemplos no limitantes de plastificantes de este
tipo, se puede hacer mención de ftalatos, sebacatos, adipatos,
trimelitatos, piromelitatos, citratos y poliésteres tales como
poli(\varepsilon-caprolactona) y mezclas de
los mismos. Estos homopolímeros y copolímeros generalmente
contienen al menos 10 partes y hasta 75 partes en peso de
plastificante por 100 partes en peso de polímero. También es
posible usar polímeros de cloruro de vinilo, conocidos como
"polímeros internos de plastificación", que se obtienen
mediante copolimerización de cloruro de vinilo con comonómeros
plastificantes, tales como por ejemplo acrilato de etilhexilo, o
también mediante copolimerización con injerto en los polímeros
conocidos como "elastizantes" tales como
poli(\varepsilon-caprolactona).
La realización práctica de la etapa (b) que se
describe en la solicitud de patente (2) se aplica preferiblemente a
polímeros termoplásticos (P) que tienen una viscosidad en estado
fundido (medida a la temperatura de proceso y a 0,1 rad/s) mayor o
igual que 2500 Pa.s, preferiblemente mayor o igual que 3000 Pa.s.
Esta realización práctica también se aplica ventajosamente a
composiciones cuyo(s) polímero(s) (P)
constituyente(s) semicristalino(s) o amorfo(s)
tienen una temperatura de transición vítrea (T_{g}) que puede
alcanzar e incluso sobrepasar 80ºC, preferiblemente entre
aproximadamente 40 y aproximadamente 60ºC. Esta realización práctica
también da buenos resultados con composiciones plásticas que
comprenden un agente de soplado, tales como las anteriormente
mencionadas, que permiten que se produzcan estructuras celulares
expandidas o espumadas. Esto lo hace posible el hecho de usar un
gas comprimido en lugar de agua como fluido (f), a través del mínimo
enfriamiento, para mejorar el estirado de células de la espuma y
haciendo esto para mejorar su textura.
Las condiciones operativas para las etapas (a) y
(b) del proceso según la presente invención se adaptan en
particular a la naturaleza de la composición basada en plástico. Se
debería garantizar especialmente que la temperatura de esta
composición a la salida de la hilera está adaptada como para poder
soldar las células, expandir la composición cuando sea apropiado,
etc., en ausencia de deformación debida a gravedad. También se
debería garantizar que los valores alternantes de presión y vacío, y
también la duración de los ciclos, están adaptados como para
optimizar esta soldadura. En la práctica, se usa preferiblemente una
presión mayor o igual que 0,5 bar (50 kPa) relativos, o incluso
mayor o igual que 1,5 bar (150 kPa). Esta presión es generalmente
menor o igual que 6 bar (600 kPa), incluso menor o igual que 4 bar
(400 kPa) o incluso menor o igual que 2 bar (200 kPa). Respecto al
vacío, generalmente éste es mayor o igual que 100 mm Hg (13 kPa)
absolutos, o incluso mayor o igual que 400 mm Hg (53 kPa).
Finalmente, la duración de los ciclos (alternancias presión/vacío)
generalmente es mayor o igual que 0,3 s, incluso mayor o igual que
0,4 s, y preferiblemente mayor o igual que 0,5 s. Esta duración es
preferiblemente menor o igual que 3 s, incluso menor o igual que 2 s
e incluso menor o igual que 1 s.
La implementación del proceso según la invención
puede comprender ventajosamente, después de llevar a cabo la etapa
(b) y antes de llevar a cabo la etapa (c), una etapa (b2) opcional
durante la que la estructura celular obtenida en la etapa (b) se
lleva a una temperatura (T_{1}) tal que T_{g} \leq T_{1}
\leq T_{g} + 40ºC, siendo T_{g} la temperatura de transición
vítrea del polímero termoplástico (P) si éste es amorfo, o se lleva
a una temperatura (T_{2}) tal que T_{m} \geq T_{2} \geq
T_{m} - 50ºC, siendo T_{m} el punto de fusión del polímero
termoplástico (P) (medida según la norma ASTM 3417) si éste es
semicristalino.
La etapa (b2) se puede llevar a cabo en
condiciones estáticas o dinámicas, es decir que se puede llevar a
cabo sobre la estructura celular que está inmovilizada después de su
extrusión (y su conformado) o sobre la estructura celular que se
mantiene en movimiento después de su extrusión y su conformado. La
etapa (b2) se puede llevar a cabo usando cualquier medio conocido
para calentar un plástico: es posible usar, por ejemplo, una estufa
eléctrica, una estufa con un combustible sólido o líquido, y es
posible calentar el plástico por irradiación, por radiación
infrarroja, etc.
En el caso de un polímero termoplástico (P)
amorfo, se prefiere que T_{1} esté entre (T_{g} + 10ºC) y
(T_{g} + 35ºC). Si T_{1} es demasiado baja (típicamente menor
que la T_{g} del polímero), el polímero es demasiado viscoso y si
T_{1} es demasiado alta, el polímero es demasiado fluido para que
pueda ser usado correctamente por el proceso según la invención. En
el caso de un proceso continuo (la etapa (b2) se lleva a cabo
después de la etapa (b)), esta variante de la invención generalmente
significa recalentar la estructura después de su extrusión (etapa
(b)).
En el caso de un polímero termoplástico (P)
semicristalino, se prefiere que T_{2} esté entre (T_{m} - 10ºC)
y (T_{m} - 40ºC). Si T_{2} es demasiado alta, el comportamiento
en estado fundido del polímero no permite que sea convertido
correctamente en la estructura celular final según el proceso de la
invención. Típicamente, se tiene que aproximar a la temperatura de
cristalización del polímero. En el caso de un proceso continuo,
esta variante de la invención se puede llevar a cabo sin recalentar
la estructura después de su extrusión.
El proceso según la invención comprende una
etapa (c) durante la que la estructura celular, preferiblemente
acondicionada térmicamente según la etapa opcional (b2), se estira
transversalmente, es decir se estira perpendicular a la dirección
de extrusión. Se debería entender que el proceso según la invención
no se limita a llevar a cabo sucesivamente, en el orden indicado,
la etapa (b2) opcional (cuando se lleva a cabo) y la etapa (c);
estas etapas se pueden llevar a cabo, al menos parcialmente,
simultáneamente, sin que siquiera estén fuera del alcance de la
invención. El alcance de la invención también se extiende a los
procesos en los que una estructura celular que se fabrica
continuamente según las etapas sucesivas (a) y (b) se apila o
almacena en primer lugar a fin de someterla, sucesivamente o, al
menos parcialmente, simultáneamente, a la etapa (b2) opcional y a
la etapa (c). Finalmente, el alcance de la invención también se
extiende a los procesos en los que durante la etapa (c),
sucesivamente o simultáneamente, se lleva a cabo un estirado
transversal (perpendicular a la dirección de extrusión) y un
estirado longitudinal (paralelo a la dirección de extrusión).
Con cualquier realización práctica que se use
para la etapa (c), la relación de estirado transversal a la que se
somete la estructura celular durante la etapa (c), expresada por la
relación de la anchura final de trabajo de la estructura celular
después del estirado a su anchura inicial, es al menos 1,2/1,
preferiblemente 1,5/1, particularmente 2/1, incluso 2,5/1. El
estirado se puede llevar a cabo mediante cualquier técnica conocida.
Es posible, por ejemplo, usar las líneas de estirado vendidas por
BRÜCKNER MASCHINENEBAU GMBH, en las que se pueden llevar a cabo un
estirado transversal, y un estirado longitudinal de la estructura
celular simultáneamente o sucesivamente. Las líneas de estirado
generalmente se componen de un sistema de cadenas en el que se
colocan mordazas que sujetan la estructura celular por sus extremos
laterales y que se separan durante el avance de dicha estructura
celular, tan pronto como la estructura celular alcanza la
temperatura establecida en la etapa (b2) - cuando se lleva a cabo
esta última etapa - habiéndose alcanzado posiblemente esta
temperatura, como se ha dicho anteriormente, antes o durante la
etapa (c). Se entiende que la expresión "anchura de trabajo
después del estirado" significa la anchura comercializable sin
las mordazas de estirado.
Las condiciones prácticas de estirado,
transversal y opcionalmente longitudinal, ejercidas durante la etapa
(c), se eligen preferiblemente de modo que la relación de módulos
de flexión aparentes medidos sobre la estructura celular final
(ensayo de flexión de tres puntos según la norma ISO
1209-2), paralelos a la dirección de extrusión
(dirección longitudinal) y perpendiculares a la dirección de
extrusión (dirección transversal) es menos de 10, preferiblemente
menos de 5, lo más particularmente menos de 2. Esta relación, en el
caso de estructuras celulares basadas en ciertos polímeros
termoplásticos (P) semicristalinos, tales como PP por ejemplo, puede
ser incluso menos de uno. Para una persona experta en la técnica,
algunos ensayos de rutina son suficientes para determinar estas
condiciones prácticas de estirado que dependen de la relación
deseada de los módulos aparentes.
Después de la etapa (c) de estirado, el grosor
de la estructura celular se puede nivelar (es decir que la altura
de las células constituyentes se puede hacer uniforme) usando
cualquier dispositivo adecuado, tal como cilindros calientes por
ejemplo. La estructura celular obtenida se puede enfriar mediante
aire ambiente, soplando con un chorro de aire frío, pulverizando
con una niebla de agua, etc. Un chorro de aire frío da buenos
resultados. Después del enfriamiento, los bordes que posiblemente
se hayan quedado trabados en las mordazas de la línea de estirado
se pueden cortar y reciclar.
La estructura celular obtenida puede ser
recogida a continuación por una unidad de despegado. La velocidad
de arrastre y el caudal de extrusión se pueden optimizar,
especialmente según el tamaño y grosor de las células, y también
según la forma deseada.
Al abandonar la unidad de despegado, la
estructura celular final se puede enrollar fácilmente en una bobina.
Como alternativa, se puede someter a un tratamiento de superficie
(un tratamiento de corona, por ejemplo), como para mejorar las
propiedades de adhesión de la misma en particular, y para ser
forrada con un material no tejido o con cubiertas superior e
inferior. Al final de estas operaciones opcionales, se corta el
panel final a lo largo y a lo ancho en hojas de las dimensiones
deseadas y se almacena.
El material de desecho de producción se puede
recoger antes o después de las operaciones de acabado, y se puede
volver a reciclar a la producción.
La forma de las células de la estructura formada
por el proceso de la invención casi siempre es aproximadamente
poligonal, preferiblemente aproximadamente hexagonal, siendo
no-isométricos los lados del polígono formado, es
decir que las longitudes de los lados son desiguales.
Estas células generalmente hexagonales casi
siempre tienen una relación de su longitud L (en la dirección de
extrusión) a su anchura l (en el plano de extrusión pero a lo largo
de una dirección perpendicular a la de extrusión) de menos de 2,5,
preferiblemente de menos de 1,5, incluso igual a 1.
La longitud L de las células generalmente es
mayor o igual que 10 mm, incluso mayor o igual que 15 mm, pero
generalmente menor o igual que 30 mm.
Con respecto al grosor de pared de las células,
éste está condicionado por el grosor de las paredes de la
estructura celular de base y por las relaciones de estirado
impuestas durante el estirado transversal y opcionalmente
longitudinal. En la práctica, generalmente es mayor o igual que 100
\mum, incluso mayor o igual que 100 ó 250 \mum. Sin embargo,
ventajosamente, no excede de 1 mm, incluso 0,8 y preferiblemente 0,6
mm, como para no sobrecargar la estructura. De hecho, el límite
inferior depende de la realización de la hilera que permita la
estructura celular de base que se ha de producir y de las relaciones
de estirado que se usen.
Una de las ventajas del proceso según la
invención estriba en el hecho de que, cualesquiera que sean las
condiciones de estirado, el grosor de las paredes de la estructura
celular estirada no es menos de 90% del grosor de las paredes de la
estructura celular de base, preferiblemente no es menos de 95% de
este grosor.
De lo anterior se deduce que la presente
invención hace posible obtener estructuras celulares cuya longitud
se puede variar en gran medida, y siendo esto así con una amplia
gama de composiciones basadas en plástico y que tienen
composiciones adaptadas.
Las estructuras celulares que se obtienen por el
proceso según la invención se usan ventajosamente en la industria
de la edificación (suelos, techos ligeros, tabiques, puertas,
arquetas de hormigón, etc.), en mobiliario, en embalajes
(protección lateral, envoltura de objetos, etc.), en vehículos a
motor (bandejas de paquetes, forrado de puertas, etc.), etc. Estas
estructuras son particularmente adecuadas para mobiliario y para
edificios, por ejemplo para la construcción de refugios permanentes
(viviendas) o refugios temporales (tiendas rígidas o refugios
humanitarios, por ejemplo). También son adecuadas como
constituyentes de suelos de polideportivos.
Se pueden usar como tales, o como paneles de
emparedados, en los que se colocan entre dos hojas denominadas
cubiertas. Esta última variante es ventajosa, y en este caso es
posible fabricar dicho panel de emparedado mediante soldadura,
pegado, etc., o cualquier otro método de ensamblaje de las cubiertas
y el núcleo celular (usado en frío o en caliente, inmediatamente
después de extrusión) que sea adecuado para plásticos. Una manera
ventajosa de fabricar dicho panel de emparedado consiste en soldar
las cubiertas al núcleo celular. Cualquier proceso de soldadura
puede ser adecuado para este fin, procesos que usan radiación
electromagnética dan buenos resultados en el caso de
estructuras/cubiertas que son al menos parcialmente transparentes a
la radiación electromagnética. Un proceso de este tipo se describe
en la solicitud de patente FR 03/08843, cuyo contenido se incorpora
a este fin por referencia en la presente solicitud.
La presente invención se ilustra de manera no
limitante mediante los siguientes ejemplos:
(Ejemplo comparativo, no según la
invención)
Una estructura celular de 25 cm de anchura y 10
mm de altura fue extrudida bajo las condiciones y usando el
dispositivo que se describen a continuación:
\bullet Extrusora SCAMEX 45 provista de cinco
zonas calefactores separadas (Z1 a Z5) y equipada con una hilera de
hoja de 260 mm de anchura, equipada con cuchillas de acero
inoxidable, cuya cara frontal estaba revestida con un material
aislante de poliimida, con unidades de calibración de acero
inoxidable de 18 mm de longitud, con un generador de aire
comprimido y con una bomba de vacío. La distancia entre las
cuchillas era 0,3 mm.
\bullet Perfil de temperatura de la
extrusora:
- Z1: 130ºC
- Z2: 180ºC
- Z3: 190ºC
- Z4: 190ºC
- Z5: 192ºC
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet Composición: basada en PVC, vendido
por Solvin bajo el nombre BENVIC® IR047;
\bullet Temperatura del material a la entrada
a la hilera: 190ºC;
\bullet Temperatura de la hilera que comprende
4 zonas:
- carillas laterales: 192ºC
- zona central: 182ºC y
- labios: 192ºC
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet Presión de extrusión: 134 bar (13400
kPa);
\bullet Velocidad de tornillo: 40 rpm;
\bullet Presión del aire comprimido: 1,2 bar
(120 kPa) absolutos;
\bullet Vacío 700 mm Hg (93 kPa);
\bullet Duración de los ciclos presión/vacío:
1,25 s/1,25 s; y
\bullet Velocidad de arrastre longitudinal: 1
m/min.
\global\parskip0.960000\baselineskip
Se obtuvo una estructura celular que tenía las
siguientes propiedades:
\bullet Densidad aparente: 0,185
kg/dm^{3};
\bullet Longitud de las células: 21 mm; y
\bullet Anchura de las células: 8 mm.
Se llevó a cabo un ensayo de flexión de tres
puntos según la norma ISO 1209-2 sobre esta
estructura, paralelo a la dirección de extrusión y perpendicular a
la dirección de extrusión. Los módulos de flexión aparente medidos
fueron:
- paralelo a la dirección de extrusión
(dirección longitudinal): 2,6 MPa; y
- perpendicular a la dirección de extrusión
(dirección transversal): 135,6 MPa.
Se vio por tanto que el módulo de flexión de la
estructura celular era sustancialmente más alto en la dirección
transversal que en la dirección longitudinal, lo que impide que se
enrolle en una bobina, ya que cuando se desea flexionarlas
longitudinalmente, se deforma transversalmente.
(Según la
invención)
La estructura celular que se forma a la salida
del dispositivo que se describe en el ejemplo 1 se estiró
transversalmente en una máquina de estirado KARO bajo las
siguientes condiciones:
\bullet Temperatura de la estufa: 110ºC;
\bullet Temperatura del material: 107ºC;
\bullet Tiempo de acondicionado: 8 minutos;
y
\bullet Relación de estirado: 100%.
\vskip1.000000\baselineskip
El producto obtenido tenía las siguientes
características:
\bullet Densidad aparente: 0,098
kg/dm^{3};
\bullet Longitud de las células: 21 mm; y
\bullet Anchura de las células: 16 mm.
Un ensayo de flexión de tres puntos (norma ISO
1209-2), llevado a cabo sobre esta estructura
paralelo y perpendicular a la dirección de extrusión dio los
siguientes resultados:
- módulo de flexión medido paralelo a la
dirección de extrusión: 12 MPa; y
- módulo de flexión medido perpendicular a la
dirección de extrusión: 8,7 MPa.
Se vio por tanto que el proceso según la
invención hizo posible obtener una estructura celular más ligera,
en la que las dimensiones de las células constituyentes fueron más
isométricas y en la que los módulos de flexión en la dirección
longitudinal y en la dirección transversal fueron del mismo orden de
tamaño, lo que permite su enrollado en una bobina.
(Ejemplo comparativo, no según la
invención)
Una estructura celular de 25 cm de anchura y 5
mm de altura fue extrudida bajo las condiciones generales y con el
dispositivo que se describen en el ejemplo 1R, pero bajo las
condiciones particulares siguientes:
\bullet Presión de extrusión: 142 bar (14200
kPa);
\bullet Presión del aire comprimido: 1,4 bar
(140 kPa) absolutos;
\bullet Duración de los ciclos presión/vacío:
0,7 s/0,7 s; y
\bullet Velocidad de arrastre longitudinal:
1,8 m/min.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Se obtuvo una estructura celular que tenía las
siguientes propiedades:
\bullet Densidad aparente: 0,193
kg/dm^{3};
\bullet Longitud de las células: 22 mm; y
\bullet Anchura de las células: 8 mm.
Un ensayo de flexión de tres puntos (norma ISO
1209-2), llevado a cabo sobre esta estructura
paralelo y perpendicular a la dirección de extrusión dio los
siguientes resultados:
- módulo de flexión medido paralelo a la
dirección de extrusión: 1,3 MPa; y
- módulo de flexión medido perpendicular a la
dirección de extrusión: 181,5 MPa.
Se advirtió una vez más que el módulo de flexión
de la estructura celular fue sustancialmente más alto en la
dirección transversal que en la dirección longitudinal.
\vskip1.000000\baselineskip
(Según la
invención)
La estructura celular que se forma a la salida
del dispositivo que se describe en el ejemplo 3R se estiró
transversalmente en una máquina de estirado KARO bajo las
condiciones que se indican en el ejemplo 2.
El producto obtenido tenía las siguientes
características:
\bullet Densidad aparente: 0,108
kg/dm^{3};
\bullet Longitud de las células: 22 mm; y
\bullet Anchura de las células: 14 mm.
Un ensayo de flexión de tres puntos (norma ISO
1209-2), llevado a cabo sobre esta estructura
paralelo y perpendicular a la dirección de extrusión dio los
siguientes resultados:
- módulo de flexión medido paralelo a la
dirección de extrusión: 26,8 MPa; y
- módulo de flexión medido perpendicular a la
dirección de extrusión: 22,5 MPa.
Se vieron una vez más las ventajas obtenidas por
el proceso según la invención: estructura celular más ligera,
dimensiones más isométricas de las células constituyentes, módulos
de flexión en la dirección longitudinal y en la dirección
transversal del mismo orden de tamaño.
\vskip1.000000\baselineskip
(Ejemplo comparativo, no según la
invención)
Una estructura celular de 25 cm de anchura y 10
mm de altura fue extrudida bajo las condiciones y con el dispositivo
que se describen en el ejemplo 1R, pero bajo las condiciones
particulares siguientes:
\bullet Perfil de temperatura de la
extrusora:
- Z1: 130ºC
- Z2: 180ºC
- Z3: 190ºC
- Z4: 190ºC
- Z5: 192ºC
\bullet Composición: basada en PP, vendido por
Innovene bajo el nombre 201 GB 02;
\bullet Temperatura del material a la entrada
a la hilera: 180ºC;
\bullet Temperatura de la hilera que comprende
4 zonas:
- carillas laterales: 180ºC
- zona central: 180ºC y
- labios: 180ºC
\bullet Presión de extrusión: 95 bar (9500
kPa);
\bullet Presión del aire comprimido: 1 bar
(100 kPa) absoluto;
\bullet Vacío: 800 mm Hg (106 kPa);
\bullet Duración de los ciclos presión/vacío:
1,9 s/1,9 s; y
\bullet Velocidad de arrastre longitudinal:
0,5 m/min.
\vskip1.000000\baselineskip
Se obtuvo una estructura celular que tenía las
siguientes propiedades:
\bullet Densidad aparente: 0,108
kg/dm^{3};
\bullet Longitud de las células: 20 mm; y
\bullet Anchura de las células: 8 mm.
Un ensayo de flexión de tres puntos (norma ISO
1209-2), llevado a cabo sobre esta estructura
paralelo y perpendicular a la dirección de extrusión dio los
siguientes resultados:
- módulo de flexión medido paralelo a la
dirección de extrusión: 0,2 MPa; y
- módulo de flexión medido perpendicular a la
dirección de extrusión: 40,3 MPa.
(Según la
invención)
La estructura celular que se forma a la salida
del dispositivo que se describe en el ejemplo 5 se estiró
transversalmente en una máquina de estirado KARO bajo las
siguientes condiciones:
\bullet Temperatura de la estufa: 130ºC;
\bullet Temperatura del material: 127ºC;
\bullet Tiempo de acondicionado: 8 minutos;
y
\bullet Relación de estirado: 100%.
\vskip1.000000\baselineskip
El producto obtenido tenía las siguientes
características:
\bullet Densidad aparente: 0,060
kg/dm^{3};
\bullet Longitud de las células: 17 mm; y
\bullet Anchura de las células: 17 mm.
Un ensayo de flexión de tres puntos (norma ISO
1209-2), llevado a cabo sobre esta estructura
paralelo y perpendicular a la dirección de extrusión, dio los
siguientes resultados:
- módulo de flexión medido paralelo a la
dirección de extrusión: 1,4 MPa; y
- módulo de flexión medido perpendicular a la
dirección de extrusión: 2,6 MPa.
Una vez más, este ejemplo ilustra las ventajas
obtenidas por el proceso según la invención, esta vez en el caso de
un polímero semicristalino: la estructura celular es más ligera, las
dimensiones de las células son más isométricas y los módulos de
flexión en las direcciones longitudinal y transversal son del mismo
orden de tamaño.
Claims (10)
1. Proceso para fabricar una estructura celular
basada en plástico, que comprende:
- una etapa (a) durante la que se extruden
continuamente láminas paralelas de una composición basada al menos
en un polímero termoplástico (P) elegido entre polímeros amorfos y
semicristalinos a través de una hilera que contiene una pluralidad
de ranuras paralelas;
- una etapa (b) durante la que, al salir de la
hilera y en alternancias sucesivas, los espacios entre dos láminas
adyacentes se someten a una inyección de fluido (f) y a vacío,
estando los dos lados de una misma lámina, por un lado, sometidos a
acción del fluido (f) y, por el otro lado, a la acción del vacío, e
inversamente durante la siguiente alternancia, a fin de producir
deformación de las láminas y soldarlas por pares con formación, en
un plano aproximadamente paralelo a la dirección de extrusión, de
una estructura celular cuyas células constituyentes se extienden
perpendiculares a la dirección de extrusión;
estando el proceso caracterizado
porque:
- se lleva a cabo una etapa (c) durante la que
la estructura celular obtenida en la etapa (b) se estira
perpendicular a la dirección de extrusión.
2. Proceso para fabricar una estructura celular
según la reivindicación precedente, caracterizado porque el
fluido (f) es un refrigerante para la estructura celular en el
proceso de ser formada.
3. Proceso para fabricar una estructura celular
según la reivindicación precedente, caracterizado porque el
refrigerante es agua.
4. Proceso para fabricar una estructura celular
según la reivindicación 1, caracterizado porque el fluido
(f) es un gas.
5. Proceso para fabricar una estructura celular
según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque comprende, además, una etapa (b2)
durante la que la estructura celular obtenida en la etapa (b) se
lleva a una temperatura (T_{1}) tal que T_{g} \leq T_{1}
\leq T_{g} + 40ºC, siendo T_{g} la temperatura de transición
vítrea del polímero termoplástico (P) si éste es amorfo, o se lleva
a una temperatura (T_{2}) tal que T_{m} \geq T_{2} \geq
T_{m} - 50ºC, siendo T_{m} el punto de fusión del polímero
termoplástico (P) si éste es semicristalino.
6. Proceso para fabricar una estructura celular
según la reivindicación precedente, caracterizado porque el
polímero termoplástico (P) es amorfo y porque la temperatura
(T_{1}) es tal que T_{g} + 10ºC \leq T_{1} \leq T_{g} +
35ºC.
7. Proceso para fabricar una estructura celular
según la reivindicación 5, caracterizado porque el polímero
termoplástico (P) es semicristalino y porque la temperatura
(T_{2}) es tal que T_{m} - 10ºC \leq T_{2} \leq T_{g} -
40ºC.
8. Proceso para fabricar una estructura celular
según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque durante la etapa (d) se lleva a cabo
estirado en paralelo a la dirección de extrusión, sucesivamente o
simultáneamente con estirado perpendicular a la dirección de
extrusión.
9. Proceso para fabricar una estructura celular
según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque la relación de estirado perpendicular a
la dirección de extrusión a la que se somete la estructura celular
durante la etapa (c), expresada por la relación la anchura final de
trabajo de la estructura celular después del estirado a su anchura
inicial, es al menos igual a 1,2/1.
10. Proceso para fabricar una estructura celular
según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque las condiciones de estirado ejercidas
durante la etapa (c) se eligen de modo que la relación de los
módulos de flexión aparente medidos en la estructura celular final,
paralelos a la dirección de extrusión (dirección longitudinal) y
perpendiculares a la dirección de extrusión (dirección transversal),
es menos de 10.
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