JP2015500359A - 溶融温度を上昇させたテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体 - Google Patents

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Abstract

10g/10分以下のMFR及び5重量%以下のPPVE含有量を特徴とするテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体を溶融加工して最終形状品にする工程と、少なくとも295℃の温度で前述の最終形状品を熱老化させて、前述のテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融温度を少なくとも6℃上昇させる工程と、を含むプロセスの提供。

Description

本発明は、溶融加工可能なテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体に関し、更に詳しくは、共重合体の溶融温度を上昇させる方法に関する。
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は、その高い溶融温度、即ち330℃を十分に超える溶融温度(第1の加熱)、並びに、溶融状態における非流動性でよく知られており、圧縮成形、ペースト押し出し成形、及びラム押し出し成形等の、溶融状態において共重合体の流動を伴わない加工方法を必要とする。ペースト押し出し成形は、PTFE/潤滑油の混合物において、PTFEの溶融温度より十分に低い温度で実行され、その後ペースト押し出し成形物を加熱し潤滑油を揮発させ、得られた押し出し成形物を溶融温度より高い温度で加熱し押し出し成形物を焼結させる。圧縮成形及びラム押し出し成形は、PTFEの粒子の圧縮を伴う加工プロセスである。得られた圧縮された形状は、圧縮プロセスの一部として、又はこのようなプロセスの後に、焼結することができる。焼結の際、圧縮されたPTFE粒子は融合し、実質的に無孔の形状を形成する。この融合は、ほとんど微小の量のPTFE粒子のメルトフローを伴う一方で、PTFE溶融物の塊のメルトフローは有さない。結果として、圧縮されたPTFE粒子のビレットは、PTFEの溶融温度超で熱せられ焼結が生じ、ビレットの封じ込めを伴うことはない。それにもかかわらず、PTFEの非溶融流動性のため、ビレットはその形状を保持する。本質的に、溶融温度超でPTFEを加熱し、PTFEを焼結させることを伴うPTFEの加工は、PTFE溶融物のせん断を伴わない。PTFEの非溶融流動性、非溶融加工性は、溶融物がせん断されることを防止する。
一般にPFAと表記される、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体は、溶融状態で流動性を有することがよく知られており、これにより、PFAは、押し出し成形及び射出成形のようによく知られたプロセスによって、溶融加工可能である。PFAにおけるパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)コモノマーは、この溶融流動性及びその結果である溶融加工性を付与するが、PTFEの溶融温度と比較して、溶融温度が低下するという代償が生じる。ほとんどの市販のPFAは、310℃以下の溶融温度(第1の加熱)を有し、280℃ほどの低いものもあり(出典:S.Ebnesajjad、Fluoroplastics、Vol.2、Melt Processible Fluoropolymers、The Definitive User’s Guide and Databook、Plastics Design Libraryより出版、125〜127ページ(2003年))、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)コモノマーの特質、並びに、望まれる溶融流動性を付与するその量に依存する。PFAが、その溶融温度未満の温度において個体状態に留まる一方で、PTFEとは対照的に、PFAは、その溶融温度超の温度まで加熱する場合、流動する。これにより、PFAから溶融加工された物品の高温での実用性は、溶融温度未満の温度に制限されることとなる。
PFAの溶融温度は、PFAに存在するパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)コモノマーの量を減少させることで、上昇させることが可能であるが、これはPFAの溶融流動性を減少させるという欠点を有しており、これによって、溶融加工の難易度が増し、且つ、コモノマーの含有量が過度に減少する場合は、溶融加工を実行することが妨げられることにさえなる。
本課題は、PFAの溶融温度を上昇させる一方で、PFAの望まれる溶融流動性をいかに維持するかである。
本発明は、溶融温度(Tm1)を有する溶融加工可能なテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体(PFA)を提供する工程と、PFAを溶融加工して最終使用に望まれる形状を有する物品(最終形状品)にする工程と、少なくとも295℃の温度で最終形状品を熱老化させ、Tm1より少なくとも6℃超の溶融温度(Tm2)を得る工程と、を含むプロセスによってこの課題を解決する。溶融加工品の最終形状は、その意図された用途に使用される物品の形状である。押し出し成形の場合、最終形状は、再押し出し成形に使用されて最終形状品になる成形ペレットを含むことはないであろう。しかしながら、押し出し成形物の最終形状は、導電体と比べて電気絶縁性を有し、この場合、絶縁線は望まれる長さに切断される。射出成形の場合、最終形状は、一個取り品、又はランナー(スプライン)によって相互に接続された数個取り品かの、射出成形形状である。最終の射出成形形状は、もしある場合には、スプルー及び相互に接続するスプラインを除いた成形品(複数可)である。最終形状は、目に見える金型のパーティングラインを含んでもよく、又はこれらのパーティングラインは研磨されてもよい。同じことが金型のパーティングラインに対応するいかなるバリにも当てはまる。
本発明のプロセスの成果は、溶融加工に望まれる溶融流動性を有し、且つ、溶融温度が著しく上昇したテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体から作成されるその最終形状を有する溶融加工品である。これは、所定のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)コモノマーの含有量によって達せられ、その結果、溶融流動性を減少させるであろう、コモノマーの含有量を減少させること(溶融温度を上昇させる)を必要としない。
少なくとも295℃の温度においての最終形状品の熱老化は、最終形状品がその最終形状を維持する温度で実行される。従って、好ましくは、熱老化は、熱老化前のテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融温度(Tm1)未満の温度で実行される。好ましくは、前述のTm1を有するテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体に存在するパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)の量が、少なくとも300℃の溶融温度(Tm1)を有する前述の共重合体を提供することに効果的であることである。溶融温度は、200℃で開始し350℃で終了する10℃/分の速度で共重合体を加熱することを含む、ASTM D−4591に準拠した示差走査熱量(DSC)によって求められる。共重合体の溶融温度は、この加熱スケジュールに従って共重合体の溶融により得られる吸熱のピーク温度である。Tm1の場合、溶融温度は、共重合体の第1の加熱による吸熱である。Tm2の場合、溶融温度は、本発明による熱老化の後、最終形状品より得られた共重合体の第1の加熱による吸熱である。
Tm1を示すテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体は、高い分子量を有することが好ましく、その結果、高い溶融粘度がもたらされる。この高い分子量及び対応する高い溶融粘度は、共重合体が10g/10分以下のメルトフローレートを有することが特徴であることが好ましい。
熱老化は、少なくとも24時間実行されることが好ましい。
本発明の別の実施形態は、熱処理した最終形状品である。こうした最終形状品の例は、重合時の前述のテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融温度より少なくとも6℃超の溶融温度を特徴とするテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体からなる電気絶縁体、管材料、及びキャリヤーである。重合時の共重合体は、熱老化前の共重合体である。
重合時の共重合体の溶融温度は、溶融温度Tm1であり、且つ、熱老化後の共重合体(最終形状品より得られた)の溶融温度は、Tm2である。Tm1とTm2との間の差は、熱老化した最終形状品の共重合体によって示された溶融温度の上昇である。
本発明で使用されるテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体は、溶融加工可能であるようにするために、溶融流動可能である共重合体である。溶融加工可能とは、パーフルオロポリマーが、押し出し成形等の溶融加工によって加工され、有用となるような十分な強度を有する製品を製造することができる溶融状態で十分に流動可能であることを意味する。この十分な強度は、共重合体が単独で、ASTM D−2176に準拠して求められる8ミル(0.21mm)厚のフィルムを使用して、少なくとも1000サイクルの、好ましくは少なくとも2000サイクルのMIT屈曲寿命を、好ましくは示すことが特徴である。MIT屈曲寿命試験において、フィルムは、クリップの間につかまれ135°の範囲に渡って前後に屈曲させられる。この場合、共重合体の強度は、脆弱でないことによって示される。
本発明で使用する共重合体は、フッ素エラストマーではなく、フッ素プラスチックである。フッ素プラスチックとして、パーフルオロポリマーは半結晶性であり、部分結晶性とも称される。共重合体の結晶性は、好ましくは、共重合体がASTM D−4591に準拠して求められる少なくとも9J/gmの示差走査熱量(DSC)による溶融熱(第1の加熱)を示すことが特徴である。
テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融流動性は、ASTM D−3307に準拠してメルトフローレート(MFR)として
好ましくは求められ、この場合、可塑度計における共重合体の溶融物の温度は372℃であり、溶融物を可塑度計のオリフィスを通過させる溶融物に対する重量は、5kg(MFR)である。好ましくは、熱老化前の共重合体は、少なくとも0.1g/10分、好ましくは少なくとも0.5g/10分、最も好ましくは少なくとも2g/10分のMFRを示す。こうした最小のMFRのいずれかを示す共重合体は、好ましくは10g/分以下、より好ましくは9g/10分以下、さらにより好ましくは7g/10分以下のMFRを有する。
前述の最小の屈曲寿命、溶融熱、及びMFRは、後述の任意及び全てのテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体に当てはまる。
本発明において使用されるテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体は、一般にPFAと表記され、テトラフルオロエチレン(TFE)とパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(PAVE)との共重合体である。好ましくは、PAVEのパーフルオロアルキル基は、直鎖型又は分岐型であり、且つ、1〜5個の炭素原子を含んでいる。直鎖型又は分岐型である、好ましいパーフルオロアルキル基は、1、2、3、又は4個の炭素原子を含み、それぞれ、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)(PEVE)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)(PPVE)、及びパーフルオロ(ブチルビニルエーテル)(PBVE)である。本共重合体は、しばしば製造業者によってMFAと称されるが、本明細書においてはPFAとして包含される、TFE/パーフルオロ(メチルビニルエーテル)/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体等の、PAVEのいくつかのパーフルオロアルキル基からなる混合物を含むことができる。PFAは、約1〜15重量%のPAVE、好ましくは2〜10重量%のPAVEを含んでもよく、共重合体の全100重量%に対する残りはTFEであり、PAVEがPMVEを含む場合、組成物は、好ましくは0.5〜13重量%のPMVE及び0.5〜3重量%のPPVEであり、共重合体の全100重量%に対する残りはTFEである。PFAに存在するPAVEの特性及び量は、PFAの溶融温度(Tm1)が少なくとも300℃、より好ましくは少なくとも305℃であるものであることが好ましい。好ましくは、PFAの溶融温度(Tm1)は、310℃以下である。PFAの例は、米国特許第3,635,926号明細書(Carlson)及び米国特許第5,932,673号明細書(Atenら)にて開示されている。
好ましいパーフルオロアルキル基は、前述のいずれかの量において共重合体に存在するPPVEである。PPVEとMFRとの好ましい組み合わせは、3.5〜4重量%のPPVEであり、この場合、共重合体は、2〜7g/10分のMFRを有する。こうした共重合体は、好ましくは、308〜310℃の溶融温度(Tm1)、並びに、少なくとも316℃の、熱老化後の溶融温度Tm2を示す。PPVEとMFRとの別の好ましい組み合わせは、4.5〜5重量%のPPVEであり、この場合、MFRは、3〜8g/10分である。こうした共重合体は、好ましくは、305〜308℃の溶融温度Tm1、並びに、少なくとも312℃の、熱老化後の溶融温度Tm2を示す。
前述の任意及び全てのテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融加工(共重合体の組成物、Tm1、及びMFRを包含する)は、共重合体から作成される最終形状品を形成するためにここにおいて使用されるように、いかなる溶融加工プロセスをも使用して実行することができる。好適な溶融加工プロセスの例としては、押し出し成形、射出成形、ブロー成形、及びトランスファー成形が挙げられる。押し出し成形プロセスは、自身の溶融温度超に加熱された共重合体に対して実行され、従って、このプロセスは溶融押し出し成形である。これは、ペースト押し出し成形プロセスの際、油を揮発させないように十分にPTFEの溶融温度未満の温度でPTFE/油混合物に対して実行される、PTFEのペースト押し出し成形とは異なる。
こうした溶融加工プロセスの各々において生じるように、溶融加工工程は、溶融共重合体をせん断することを伴うことが好ましい。共重合体溶融物がせん断される速度は、加工プロセスに依存することになる。例えば、溶融共重合体の管材料の押し出し成形は、1秒−1の低いせん断速度で実践することができる。同じことが、太線絶縁体用の溶融共重合体の押し出し成形、並びに、トランスファー成形に当てはまる。細線絶縁体における溶融共重合体の押し出し成形、並びに、溶融共重合体の射出成形では、一般的に、共重合体溶融物が、少なくとも50秒−1、又は少なくとも75秒−1、又は少なくとも100秒−1のせん断速度を受けることを伴うことになる。射出成形におけるせん断速度は、1000秒−1以上に達する場合がある。従って、こうした溶融加工プロセスにおけるせん断速度は、全ての溶融加工プロセスが溶融共重合体にオリフィスを通過させることを伴うが、少なくとも1秒−1であり、且つ、1000秒−1以上に達する場合がある。溶融加工プロセス、並びに、作成される最終形状品によって、溶融共重合体が受ける最小のせん断速度は、少なくとも10秒−1、又は少なくとも20秒−1、少なくとも30秒−1、又は少なくとも40秒−1、又は前述のせん断速度のいずれかであることができる。溶融加工は、圧縮成形であることができ、金型の中で溶融共重合体を圧縮することを伴うが、このため、溶融共重合体が通過するオリフィスはなく、これによって、溶融共重合体のせん断が最小又は全く無くなる。圧縮成形プロセスにおいて、こうしたせん断が無いことは、0.1秒−1未満のせん断速度として定量化することができる。
せん断速度は、オリフィスの幾何学的形状に依存する体積係数で割った、オリフィスを通過する溶融共重合体の体積流量速度である。質量流量速度に関しては、ρが溶融共重合体の密度である場合(PFAの場合、1.492g/cm)、円形のオリフィスを通過するレシプロカル秒(秒−1)でのせん断速度を計算する式は、以下の通りである。
せん断速度(秒−1)=[Q/900πρR]×10
(式中、Qは押し出し速度(kg/時間)であり、ρはPFA溶融物の密度であり、且つ、Rは押し出しオリフィスの半径(mm)である。)
前述の任意及び全てのテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体を使用する溶融加工プロセス(共重合体の組成物、Tm1、及びMFRを包含する)によって作成することができる最終形状品の例としては、電気絶縁体、管材料、及びキャリヤーが挙げられる。電気絶縁体は、一次又は二次の絶縁体であることができる。管材料は、パイプであることができ、且つ、本発明で使用される共重合体から作成される裏張り材料を含むことができる。キャリヤーは、半導体製造におけるシリコンウェハー等の、1つまたは複数の処理工程を通して物体を運搬させるために使用される物品である。キャリヤーは、処理を受ける物体を収容するバスケット、又は物体が固定されるブラケット(ハンガー)であることができる。
熱老化は、最終形状品を、メルトフローが生じることで最終形状品を歪曲させることがない少なくとも295℃の温度に曝露することで、実行することができる。即ち、最終形状品は、その形状を維持する。熱老化は、循環式空気オーブンにて実行することができる。少なくとも6℃、好ましくは少なくとも7℃の溶融温度の上昇を得るために、熱老化は、少なくとも24時間実行されることが好ましい。合計7日間などのように更に熱老化させることは、24時間の熱老化で得られた溶融温度を上昇させることにほとんど効果はない。24時間の加熱及び合計7日間の加熱によって、屈曲寿命又は引張特性等の物理的特性が劣化することはない。好ましくは、最終形状品が溶融加工される共重合体の熱老化の後の溶融温度(Tm2)は、310℃超であり、より好ましくは312℃超であり、更により好ましくは少なくとも314℃、最も好ましくは315℃超である。
本発明のプロセスの溶融加工工程を実施するに際して共重合体を加熱することは、溶融温度Tm1に認識できる効果を有さない。溶融加工後の共重合体の溶融温度は、溶融加工前の溶融温度と同一である。従って、溶融加工の前の又は後の共重合体において求められようと、Tm1は、重合時の共重合体の溶融温度である。
本明細書において「少なくとも」として表される全てのパラメーターにおいて、記載される数値は、その数値であるか、又はその数値を超えるものとして言い換えることができる。例えば、少なくとも295℃は、295℃又は295℃超として言い換えることができる。本明細書において「以下」として表される全てのパラメーターにおいて、記載される数値は、その数値であるか、又はその数値を下回るものとして言い換えることができる。例えば、10g/10分以下は、10g/10分又は10g/10分未満として言い換えることができる。
これらの実施例に記載される重合反応に使用される水は、脱気した脱イオン水である。
実施例1−4重量%未満のPPVE含有量
重合反応器へのプレチャージ
水54.0ポンド(24.5kg)
20重量%パーフルオロオクタン酸アンモニウム溶液240mL
送達される開始剤溶液:
1.過硫酸アンモニウム2.0gを脱塩(DM)水で1000mLに希釈
操作手順:
1.25℃及び300psig(3100kPa)にて圧力試験を行う。50rpmにて撹拌する。
2.25℃にてTFEを用い減圧とパージを3回行う。
3.エタンで反応器を加圧し、フィールドゲージにて8インチ(20.3cm)水銀圧を上昇させる。
4.反応器を73℃にし平衡化させる。
5.PPVE160mLを加える。
6.TFEを用い反応器を300psig(3100kPa)まで加圧する。
7.50mL/分で開始剤溶液400mLを送達し、次いで、バッチの残りに対して添加速度を5mL/分に下げる。
8.圧力低下が10psig(102.3kPa)となった際、73℃にて重合反応の開始が確定し、次いで、バッチの残りに対して1.6mL/分でPPVEを送達し始める。
9.開始後、圧力を調整し、TFE20ポンド(9.1kg)を120分で反応させる。攪拌機を50rpmに維持する。
10.TFE20ポンド(9.1kg)が消費された後、TFE、PPVE、及び開始剤の供給を停止し、攪拌機を止め、反応器を開放する。
11.反応器の圧力が5psig(51.7kPa)に達した際、窒素で反応器を洗浄する。
12.50℃まで冷却した後、TFE/PPVE共重合体の水溶性の分散物を反応器から取り除く。
TFE/PPVE共重合体を凝固させ水溶性の媒体から回収し、その後乾燥させる。Tm1は、乾燥した共重合体に対して求められる。次いで、共重合体は、340℃で圧縮成形されて(10分の成形サイクル時間)プラークになり、24時間、空気循環式のBlue M(登録商標)対流式オーブンにて、300℃で熱老化される。Tm2は、プラークから得られた(切られた)共重合体に対して求められる。この重合反応の結果及び以下に記載される変更を伴い繰り返し試験したもの2つを表1に示す。
Figure 2015500359
実験1の重合反応は73℃で行われる。実験2及び3の重合は、それぞれ74℃及び75℃で行われる。
24時間の熱老化によって、少なくとも8℃の溶融温度の上昇がもたらされる。7日間の熱老化は、Tm2の更なる上昇をもたらすことはなかった。同一の方法で熱老化させる物品の溶融加工が押し出し成形によるものである場合、同一の結果が得られる。
実施例2−4重量%超のPPVE含有量
実施例1で使用されたプレチャージ及び開始剤溶液が、本実施例で使用される。以下の例外を伴い、実施例1の操作手順が本実施例で使用される。表2における実験4の重合反応では、75℃の反応器温度、PPVE200mLの反応器への添加、及びPPVEに対して2.0mL/分の送達速度を用いる。表2における実験5の重合反応では、72℃の反応器温度、PPVE200mLの反応器への添加、及びPPVEに対して2.0mL/分の送達速度を用いる。水溶性重合媒体からのTFE/PPVE共重合体の回収及び溶融加工は、実施例1と同一である。
Figure 2015500359
熱老化によって、少なくとも6℃の溶融温度の上昇がもたらされた。

Claims (14)

  1. 溶融温度(Tm1)を有する溶融加工可能なテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体を提供する工程と、
    前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体を溶融加工して最終形状品にする工程と、
    少なくとも295℃の温度で前記最終形状品を熱老化させ、Tm1より少なくとも6℃超の溶融温度(Tm2)を得る工程と、
    を含むプロセス。
  2. 前記熱老化の際、前記最終形状品がその形状を維持する、請求項1に記載のプロセス。
  3. 前記共重合体に存在する前記パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)の量が、少なくとも300℃の溶融温度Tm1を有する前記共重合体を提供することに効果的である、請求項1に記載のプロセス。
  4. 前記最終形状品が作成される前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体が、少なくとも310℃の溶融温度を有する、請求項1に記載のプロセス。
  5. 前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体が、10g/10分以下のメルトフローレートを有する、請求項1に記載のプロセス。
  6. 前記熱老化が、少なくとも24時間実行される、請求項1に記載のプロセス。
  7. 前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体が、テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体である、請求項1に記載のプロセス。
  8. 前記熱老化前の前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体が、少なくとも305℃の溶融温度(Tm1)を有し、且つ、前記熱老化後に少なくとも312℃の溶融温度(Tm2)を有する、請求項7に記載のプロセス。
  9. 前記熱老化前の前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)共重合体が、少なくとも308℃の溶融温度(Tm1)を有し、且つ、前記熱老化後に少なくとも316℃の溶融温度(Tm2)を有する、請求項6に記載のプロセス。
  10. 前記最終形状品が、電気絶縁体、管材料、及びキャリヤーである、請求項1に記載のプロセス。
  11. 前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融加工が、押し出し成形、射出成形、ブロー成形、又はトランスファー成形によるものである、請求項1に記載のプロセス。
  12. 前記溶融加工する工程が、少なくとも1秒−1の速度で前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融物をせん断することを伴う、請求項1に記載のプロセス。
  13. 重合時の前記テトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体の溶融温度(Tm1)より少なくとも6℃超の溶融温度(Tm2)を特徴とするテトラフルオロエチレン/パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)共重合体からなる電気絶縁体、管材料、バスケット、及びキャリヤー。
  14. 前記Tm2が310℃超である、請求項13に記載の電気絶縁体、管材料、バスケット、及びキャリヤー。
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