JP2015522679A - ハイブリッド・カーボンブラック粒子の製造のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を製造する方法に関し、これは以下の工程を有する。ａ）第１カーボンブラック出発粒子（１６）の製造工程、ｂ）第２カーボンブラック出発粒子（２２）の製造工程、ｃ）前記第２カーボンブラック出発粒子（２２）の摩砕工程、ｄ）前記第２カーボンブラック出発粒子（２２）の前記第１カーボンブラック出発粒子（１６）の粒子流（４８）への混ぜ入れ工程、そしてｄ）前記第１および第２カーボンブラック出発粒子（１６，２２）を造粒してハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を形成する工程。本発明は、更に、ハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を製造するための装置（１０）と、前記方法または装置（１０）によって製造されたハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）にも関する。

Description

本発明は、カーボンブラック粒子の製造のための方法と装置とに関する。

カーボンブラック又は工業用ブラック（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｂｌａｃｋ）を製造する公知の方法は、炉プロセス（ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）と呼ばれ、まず、空気の供給を制御しながら、燃焼室中において高温ガスが生成され、次に、その内部において、高温で、カーボンベース材、通常は芳香族炭素化学又は石油化学オイルが燃焼され、それによって自由炭素、即ち、カーボンブラックを作り出す。形成されたカーボンブラック粒子が所望のサイズと性質になった時点で、前記炉プロセスの最後の段階において、水の添加、即ち、クエンチングによって、この反応を急速に停止する。

このようにして製造されたカーボンブラック粒子は、ナノメータ範囲のサイズと構造を有し、その低い密度により、高レベルのダストを形成するのでその搬送は困難を伴う。この理由により、前記クエンチングの直後に、その内部でカーボンブラック粒子の造粒が直接行われる圧縮プラントが設けられる。これは出発時に使用されるガス／空気流の特性を利用する。なぜならば、このガス／空気流によってカーボンブラック粒子を搬送する必要無く造粒システムに直接吹き込むことが可能なカーボンブラック粒子の粒子流が形成されるからである。前記造粒システムにおいて作り出されたペレット形態で、その後、製造されたカーボンブラックを問題無く搬送することが可能となる。

例えば、国際公開第２０１１／０３５８１２号におけるような、使用済みタイヤからの熱分解によるカーボンブラック製造における最近の進歩によって、リサイクル処理においても比較的高純度のカーボンブラックを得ることが可能である。この再利用カーボンブラックは上述した炉プロセスで製造される標準的なカーボンブラックよりも低価格である。従って、たとえばタイヤ産業用のより低価格の出発材料を提供することができるように、標準のカーボンブラックに対して再利用カーボンブラックを添加することが望まれる。

前記熱分解におけるプロセス状態により、再利用カーボンブラックは様々な粒径を有する。従って、規定の最大粒径を得るためにそれは摩砕されるが、摩砕された再利用カーボンブラックは非常に密度が低く、従って、非常に体積が大きい。それ故、それは、保存性、可搬性（ｃｏｎｖｅｙａｂｉｌｉｔｙ）および輸送性（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙ）が不良である。この理由から、その保存性、可搬性および輸送性を改良するべく再利用カーボンブラックを造粒することも可能である。

輸送前に単純に種々のカーボンブラックペレットを混合するだけでは、この混合中に作用するせん断力によって、ペレットの意図しない張り裂け（ｂｕｒｓｔｉｎｇ−ｏｐｅｎ）が生じる。従って、カーボンブラック種は、低密度、高体積というその元の望ましくない状態に戻ってしまい、これは保存性、可搬性および輸送性に関して不都合である。

国際公開第２０１１／０３５８１２号

従って、本発明の課題は、上述した欠点無しで、異なるカーボンブラック種を混合することを可能にする方法と装置を提案することにある。

この課題は、本発明に依れば、請求項１に記載のハイブリッド・カーボンブラック粒子製造方法によって達成される。

その他の独立請求項により、ハイブリッド・カーボンブラック粒子を製造するための装置と、前記方法によって製造されたハイブリッド・カーボンブラック粒子も提案される。

本発明の有利な構成は従属請求項に記載される。

ハイブリッド・カーボンブラック粒子を製造する方法は以下の工程を有する。
ａ）第１カーボンブラックベース粒子を提供する工程、
ｂ）第２カーボンブラックベース粒子を提供する工程、
ｃ）前記第２カーボンブラックベース粒子を摩砕する工程、
ｄ）前記第２カーボンブラックベース粒子を前記第１カーボンブラックベース粒子の粒子流に混ぜ入れる工程、そして
ｄ）前記第１および第２カーボンブラックベース粒子を造粒してハイブリッド・カーボンブラック粒子を形成する工程。

従って、まず、種々のカーボンブラック種（ｓｐｅｃｉｅｓ）が作られ、これらが互いに直接に混合される。この過程において、第２カーボンブラックベース粒子は、前記第１カーボンブラックベース粒子の粒子流に混ぜ入れられながら、所望の粒径へと摩砕される。その後、前記二種類のカーボンブラックベース粒子は互いに混合される。粒子流中に共に含まれる第１および第２カーボンブラックベース粒子を同時造粒することによって、第１カーボンブラックベース粒子と第２カーボンブラックベース粒子との両方を含むペレットが形成され、その結果、良好な保存性、可搬性および輸送性を有するハイブリッド・カーボンブラック粒子が作り出される。

所望の混合比に従って、好ましくは、０重量％〜９９重量％の第２カーボンブラックベース粒子を前記第１カーボンブラックベース粒子の前記粒子流に混ぜ入れることができる。

好ましくは、工程ａ）において下記の工程が実行される。
ａ１）好ましくは、１２００℃〜１８００℃の燃焼温度でガス／空気混合物のストリーム中で、燃焼炉においてカーボンベース材を燃やす工程、
ａ２）工程ａ１）で形成される燃焼生成物流を急冷して前記第１カーボンブラックベース粒子を形成する工程。

前記第１カーボンブラックベース粒子は、好ましくは、炉プロセスにおいて作られ、使用される前記ガス／空気燃焼流は、好ましくは、形成された前記第１カーボンブラックベース粒子を造粒システムに直接吹き込む前記第１カーボンブラックベース粒子の粒子流を形成する。前記造粒の前に、好ましくは、前記燃焼によって形成されたカーボンブラックは急冷、即ち、非常に急速に冷却されて、この急冷によって、好ましくは、マイクロメートル範囲の特定の粒径と、特定の性質とを備える粒子が沈降する。

好ましくは、所定の品質、特に、約２μｍ〜１０μｍ、好ましくは、３μｍ〜７μｍの粒径の第１カーボンブラックベース粒子を達成するために、前記ガス／空気混合物の所定の混合比と前記燃焼温度が設定される。

前記燃焼温度に応じて、様々なカーボンブラック特性が形成される。なぜなら、燃焼率を制御するために好ましくは燃焼温度を使用することができ、従って、形成されるカーボンブラック中の汚染残留物の割合を、燃焼率によって制御することが好ましいからである。例えば、カーボンブラックベース流の化学特性も前記ガス／空気流中のガスの比率の大きさに依存する。

好ましくは、前記急冷は、前記燃焼生成物流中に水を注入することによって行われる。

好ましくは、燃やされる前記カーボンベース材は、芳香族、通常は、炭素化学又は石油化学オイルである。

好適な構成において、工程ｂ）において、カーボンベースの生成物微粒子が、減圧雰囲気中において、温度の異なる複数の加熱ゾーンにおいて各加熱ゾーン中で生成物微粒子を２〜４時間の滞留時間、熱分解されることにより、熱分解生成物を得る。

より好ましくは、前記生成物微粒子は、三つの加熱ゾーン、好ましくは、中心温度が１００℃〜２００℃の第１加熱ゾーンと、中心温度が２００℃〜３５０℃の第２加熱ゾーンと、中心温度が３００℃〜６００℃の第３加熱ゾーンと、において加熱される。このように構成することで、そして、個々の加熱ゾーンでの長い滞留時間によって、前記生成物微粒子が、好ましくは、漸次熱分解され、その結果、揮発性残留物が生成物微粒子から実質的に完全に除去される。その結果、再利用カーボンブラックの純度が非常に高いものとなる。

好適に使用される前記生成物微粒子は粉砕された廃タイヤである。これにより、カーボンブラック粒子を使用して製造されたタイヤを再利用して、たとえば、タイヤ産業において利用可能なカーボンブラックを得ることが可能となる。

特にタイヤ産業における再利用カーボンブラックの再使用を可能にするために、前記熱分解製品は、好ましくは、約８００℃で事後精製される。

好ましくは、前記第２カーボンブラックベース粒子は、約５μｍ以下の粒径にまで摩砕される。

これは、レガシー（ｌｅｇａｃｙ）炉で作り出される前記第１カーボンブラックベース粒子の粒径におよそ対応するものであって、その結果、二つのカーボンブラック種の特に均質な混合を達成することが可能となる。

好ましくは、ハイブリッド・カーボンブラック粒子を得るための前記カーボンブラックベース粒子の造粒のための前記第１および第２カーボンブラックベース粒子の前記粒子流は、工程ｄ）において、水および／又はその他の添加物と混合される。

前記水および／又はその他添加物によって、前記第１および第２カーボンブラックベース粒子は互いにしっかりくっつき、好ましくは、それによって圧縮されてペレット状のハイブリッド・カーボンブラック粒子を提供する。

好ましくは、前記粒子流は、工程ｄ）においてその元の体積の少なくとも１／２まで圧縮される。

前記第１および第２カーボンブラックベース粒子の体積の減少が大きければ大きいほど、作り出されるペレットの適合性、たとえば、その保存、搬送および輸送のための適合性がより良好なものとなる。

好ましくは、前記ハイブリッド・カーボンブラック粒子は、工程ｄ）の後に乾燥される。

前記乾燥によって、急冷と造粒との間に添加された水が除去される。

第１カーボンブラックベース粒子と第２カーボンブラックベース粒子から形成される好適なハイブリッド・カーボンブラック粒子が上述した方法によって製造される。

ハイブリッド・カーボンブラック粒子の製造のための装置は、第１カーボンブラックベース粒子の粒子流を作り出す製造ユニットと、第２カーボンブラックベース粒子を前記粒子流に供給する供給ユニットと、前記第１および第２カーボンブラックベース粒子を造粒してハイブリッド・カーボンブラック粒子を提供する圧縮ユニットとを有し、前記供給ユニットは、カーボンベースの熱分解生成物を摩砕することによって前記第２カーボンブラックベース粒子を作り出す摩砕ユニットを有する。

前記摩砕ユニットは、前記熱分解生成物、即ち、再利用カーボンブラック、の摩砕のために、前記供給ユニット内に配設され、それにより、前記再利用カーボンブラックは、それが前記第１カーボンブラックベース粒子の前記粒子流中に供給される時に、直接摩砕される。その後、摩砕された第２カーボンブラックベース粒子は、前記炉燃焼室内で生成される前記第１カーボンブラックベース粒子の粒子流によって乗せられ、これによって、二種類のカーボンブラックベース粒子の大きな体積又は低密度の問題が克服される。

好ましくは、前記ハイブリッド・カーボンブラック粒子を乾燥するための乾燥ユニットが設けられ、これにより、好ましくは、これらを後続の処理工程、たとえば、タイヤ製造において、追加の処理無しで、利用することを可能にするべく、前記ペレットからの処理レジームにおいて供給された水を除去する。

本発明の好適な構成について以下、図面を参照しながら詳細に説明する。

ハイブリッド・カーボンブラック粒子の製造のための装置を図示する。 再利用カーボンブラックの製造のための装置を図示する。 ハイブリッド・カーボンブラック粒子を形成するための、第１および第２カーボンブラックベース粒子の混合を図示する。

図１は、ハイブリッド・カーボンブラック粒子１２の製造のための装置１０を図示している。前記装置１０は、燃焼室１８としての、第１カーボンブラックベース粒子１６の製造のために製造ユニット１４を有する。前記装置１０は、更に、第２カーボンブラックベース粒子２２を供給するための供給ユニット２０を有する。更に、前記装置１０には、前記第１および第２カーボンブラックベース粒子１６，２２を同時に圧縮するための造粒システム２６として構成された圧縮ユニット２４が設けられている。前記造粒システム２６の下流側には、乾燥ユニット２８が設けられている。前記供給ユニット２０内には、その内部で前記第２カーボンブラックベース粒子２２が摩砕される摩砕ユニット３０が設けられている。

前記燃焼炉１８は、それによって当該燃焼炉１８にガスが供給される第１供給管３２と、それによって当該燃焼炉１８に空気が供給される第２供給管３４とを備えている。従って、これら供給管３２，３４を使用して、第３供給管３８を介して予め１２００℃〜１８００℃の高温にされているガス／空気流３６を作り出し、燃焼炉１８内に供給された鉱物オイル４０を燃やす。

前記燃焼炉１８内において前記鉱物オイル４０を燃やすことによって、自由炭素が形成され、これが前記ガス／空気流によって冷却ユニット４２内に取り込まれ、ここで、それはノズル４６を介して冷却ユニット４２内に注入された水４４によって急冷される。この急冷によって、前記ガス／空気流３６によって取り込まれた第１カーボンブラックベース粒子１６が前記造粒システム２６に直接に入る粒子流４８を形成する。

図２は、前記供給ユニット２０によって、前記第１カーボンブラックベース粒子１６の粒子流４８内に導入される熱分解生成物５０の製造を図示している。

熱分解炉５２内には、たとえば、断片化された使用済みタイヤを生成物微粒子５６として当該熱分解炉５２を通って搬送するスクリュー５４が設けられている。漏斗５８を介して、前記断片化使用済みタイヤが、減圧雰囲気が形成される前記熱分解炉５２中の圧力条件に影響を与えることなく、前記熱分解炉５２内に導入される。

前記熱分解炉５２は、前記生成物微粒子５６がそれぞれ異なる温度で加熱される三つの加熱ゾーン６０を有している。第１加熱ゾーン６２では１００℃〜２００℃の温度である。第２加熱ゾーン６４では２００℃〜３５０℃の温度である。第３加熱ゾーン６６では３００℃〜６００℃の温度である。これら三つの加熱ゾーン６２，６４，６６のそれぞれにおいて、凝縮システム６８を使用して質量の異なるオイルが気化、抽出される。

次に、この精製された熱分解生成物５０は図１の供給ユニット２０に導入され、前記摩砕ユニット３０内の粒子流４８への搬送中に摩砕されて前記第２カーボンブラックベース粒子２２を提供する。これは、２μｍ〜１０μｍの粒径を有する第２カーボンブラックベース粒子２２が形成されるまで前記熱分解生成物５０を摩砕するものである。

前記供給ユニット２０は前記冷却ユニット４２内へ開口し、これにより、その内部に形成された前記第１カーボンブラックベース粒子１６は供給された第２カーボンブラックベース粒子２２と均質に混合される。但し、前記供給ユニット２０が前記ノズル４６の上流側で前記燃焼炉１８内へと開口するように構成することも可能である。

前記第１および第２カーボンブラックベース粒子１６，２２は、前記供給ユニット２０を超えて、下流側の粒子流４８中に存在する。これらが、前記粒子流４８内に存在する運動エネルギによって共に前記造粒システム２６内に吹き込まれ、その内部でペレット７２へと圧縮される。それらは、更に、前記乾燥ユニット２８内に搬送されて、そこで、冷却と造粒のために使用された水４４がペレット７２から除去される。

前記ハイブリッド・カーボンブラック粒子１２の製造方法が再度図３に図示されている。第１カーボンブラックベース粒子１６と第２カーボンブラックベース粒子２２とを均質な分布状態で含む粒子流４８が前記造粒システム２６において圧縮されてペレット７２を形成する。各ペレット７２は、第１カーボンブラックベース粒子１６と第２カーボンブラックベース粒子２２との両方を含んでいる。

従って、各ハイブリッド・カーボンブラック粒子１２中に第１カーボンブラックベース粒子１６と第２カーボンブラックベース粒子２２とを所望の混合比率で含む、ハイブリッド・カーボンブラック粒子１２が形成された。

これまで、熱分解によって得られた再利用カーボンブラックは低品質なものであり、せいぜい、道路工事の充填材等として利用されるにすぎなかった。

国際公開第２０１１／０３５８１２号から知られる手段によって得られる再利用カーボンブラックは、その高い品質によって、ゴムおよびタイヤ製造において再使用可能な、再利用カーボンブラックの工業生産を可能にする。

再利用カーボンブラックは、熱分解における処理構成により、様々な粒径を有する。規定された最大粒径を有し、従って、ゴム混合物中における再利用カーボンブラックの良好な分布を得るためには、再利用カーボンブラックを摩砕することが可能である。しかしながら、摩砕再利用カーボンブラックは、普通のカーボンブラックと同様、密度が非常に低く、体積が非常に大きい。低密度の製品は、保存、搬送又は輸送が困難である。従って、より良い取扱いのために、標準カーボンブラックは造粒される。標準カーボンブラックと全く同様に、摩砕された再利用カーボンブラックを造粒することができ、それによってその保存性、可搬性および輸送性が改善される。

特にここ５年〜１０年間におけるゴム混合物とケイ酸塩の混合物の益々増大する多様化によって、様々な組成、特に、ケイ酸塩の含有率の異なる熱分解最終生成物が出現している。しかしながら、タイヤの工業生産のためには、組成が実質的に一定であることが有利である。ゴム混合物の調合における化学組成のバランス、化学特性の一定性は、たとえば、再利用カーボンブラックに標準カーボンブラックをブレンド（混合）することによって達成することができる。

しかし、単に輸送前に異なるペレットを混合するだけであると、意図しないペレットの張り裂けが起こってしまう。

しかしながら、本発明は、輸送の前に、再利用カーボンブラックを標準カーボンブラックと混合するための方法と装置を含む。

摩砕された再利用カーボンブラックは長期保存中に凝集する傾向があるので、標準カーボンブラックと共に造粒されるべく、本発明の装置によって、それを標準処理に直接供給することができる。

標準カーボンブラックの工業作業における生産のために通常使用される乾燥装置は、前記炉の全体を通したサイズのために設置され、これを低いスループットで運転することができない。

この問題に対する解決手段は、再利用カーボンブラックを摩砕するためのミルを備える混合装置であって、これは、好ましくは、前記造粒の上流側の前記炉燃焼室の出口又は、前記造粒装置への移行部で前記急冷の下流側に設けられ、それによって前記炉処理の出力が低減された分量の再利用カーボンブラックが、正確に測定された追加によって供給される。あるいは、再利用カーボンブラックのフィードを、前記炉燃焼室の始まりにおいてオイルと共に吹き込み、追加として炉プロセスを通してフラッシングすることも可能である。これによって、摩砕された再利用カーボンブラックの質が更に改善されるかもしれない。

１０ 装置
１２ ハイブリッド・カーボンブラック粒子
１４ 製造ユニット
１６ 第１カーボンブラックベース粒子
１８ 燃焼炉
２０ 供給ユニット
２２ 第２カーボンブラックベース粒子
２４ 圧縮ユニット
２６ 造粒システム
２８ 乾燥ユニット
３０ 摩砕ユニット
３２ 第１供給管
３４ 第２供給管
３６ ガス／空気流
３８ 第３供給管
４０ 鉱物オイル
４２ 冷却ユニット
４４ 水
４６ ノズル
４８ 粒子流
５０ 熱分解生成物
５２ 熱分解炉
５４ スクリュー
５６ 生成物微粒子
５８ 漏斗
６０ 加熱ゾーン
６２ 第１加熱ゾーン
６４ 第２加熱ゾーン
６６ 第３加熱ゾーン
６８ 凝縮システム
７０ 精錬システム
７２ ペレット

ハイブリッド・カーボンブラック粒子を製造する方法は以下の工程を有する。
ａ）第１カーボンブラックベース粒子を提供する工程、
ｂ）第２カーボンブラックベース粒子を提供する工程、
ｃ）前記第２カーボンブラックベース粒子を摩砕する工程、
ｄ）前記第２カーボンブラックベース粒子を前記第１カーボンブラックベース粒子の粒子流に混ぜ入れる工程、そして
ｅ）前記第１および第２カーボンブラックベース粒子を造粒してハイブリッド・カーボンブラック粒子を形成する工程。

Claims (14)

1. ハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を製造する方法であって、
   ａ）第１カーボンブラックベース粒子（１６）を提供する工程と、
   ｂ）第２カーボンブラックベース粒子（２２）を提供する工程と、
   ｃ）前記第２カーボンブラックベース粒子（２２）を摩砕する工程と、
   ｄ）前記第２カーボンブラックベース粒子（２２）を前記第１カーボンブラックベース粒子（１６）の粒子流（４８）へ混ぜ入れる工程と、
   ｄ）前記第１および第２カーボンブラックベース粒子（１６， ２２）を造粒してハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を形成する工程と、
   を有する方法。
2. 前記工程ａ）において、
   ａ１）好ましくは、１２００℃〜１８００℃の燃焼温度でガス／空気混合物（３６）のストリーム中で、燃焼炉（１８） においてカーボンベース材を燃やす行程と、
   ａ２）前記工程ａ１）で形成される燃焼生成物流を急冷して前記第１カーボンブラックベース粒子（１６）を形成する行程と、
   が実行される請求項１記載の方法。
3. 所定の品質、特に、約２μｍ〜１０μｍ、好ましくは、３μｍ〜７μｍの粒径の前記第１カーボンブラックベース粒子（１６）を達成するために、前記ガス／空気混合物の所定の混合比と前記燃焼温度が設定される請求項２記載の方法。
4. 前記急冷は、前記燃焼生成物流中に水（４４）を注入することによって行われる請求項２又は３記載の方法。
5. 燃やされる前記カーボンベース材は、鉱物オイル（４０）、芳香族オイル、好ましくは、炭素化学又は石油化学オイルである請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記工程ｂ）において、カーボンベースの生成物微粒子（５６）が、減圧雰囲気中において、温度の異なる複数の加熱ゾーン（６０，６２，６４，６６）において各加熱ゾーン（６０，６２，６４，６６）中で生成物微粒子（５６）を２〜４時間の滞留時間、熱分解されることにより、熱分解生成物（５０）を得る請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 使用される前記生成物微粒子（５６）は粉砕された廃タイヤである請求項６記載の方法。
8. 前記第２カーボンブラックベース粒子（２２）は、約２μｍ〜１０μｍ、好ましくは、３μｍ〜７μｍの粒径にまで摩砕される請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. ハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を得るための前記第１および第２カーボンブラックベース粒子（１６，２２）の造粒のための前記第１および第２カーボンブラックベース粒子（１６，２２）の前記粒子流（４８）は、前記工程ｄ）において、水（４４）および／又はその他の添加物、と混合される請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記粒子流（４８）は、前記工程ｄ）においてその元の体積の少なくとも１／２まで圧縮される請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）は、前記工程ｄ）の後に乾燥される請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 請求項１〜１１のいずれかの方法によって製造される、第１カーボンブラックベース粒子（１６）と第２カーボンブラックベース粒子（２２）とから成るハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）。
13. ハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）の製造のための装置であって、第１カーボンブラックベース粒子（１６）の粒子流（４８）を作り出す製造ユニット（１４）と、第２カーボンブラックベース粒子（２２）を前記粒子流（４８）に供給する供給ユニット（２０）と、前記第１および第２カーボンブラックベース粒子（１６，２２）を造粒してハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を提供する圧縮ユニット（２４）とを有し、前記供給ユニット（２０）は、カーボンベースの熱分解生成物（５０）を摩砕することによって前記第２カーボンブラックベース粒子（２２）を作り出す摩砕ユニット（３０）を有する装置。
14. 前記ハイブリッド・カーボンブラック粒子（１２）を乾燥するための乾燥ユニット（２８）が設けられている請求項１３に記載の装置。

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