JP4787410B2 - カソード電着塗料、その製造および使用 - Google Patents

カソード電着塗料、その製造および使用 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は、カソードで付着可能な浸漬ラッカー(CDL)、その製造およびカソード浸漬塗装によって電気伝導性基板をコーティングする方法におけるその使用に関する。
【0002】
広く多様なCDL塗料が知られている。特許文献は、架橋触媒として多くの異なる金属化合物、特にスズおよび/またはビスマス化合物を含む、生態学上好都合な、鉛を含まないCDL塗料の多くの例を開示している。例えば、WO 93/24578 CDLからは、触媒として脂肪族ヒドロキシカルボン酸のビスマス塩を含むCDL塗料が知られている。WO 98/10024 は、ビスマスおよびアミノカルボン酸の触媒活性混合物を含むCDL塗料を記載している。EP-A-0 509 437 は、架橋触媒として芳香族カルボン酸から誘導されたジアルキルスズジカルボキシレートおよびさらなる触媒としてビスマスまたはジルコニウム化合物を含むCDL塗料を記載している。
【0003】
CDL浴は連続的にポンプで循環されており、剪断応力がかかっている。CDL塗料の品質の重要な基準は、その剪断安定性である。CDL塗料の場合、剪断不安定は沈降として現れる。このような沈降は、実際問題として、特にCDLコーティングを水平位置の基板表面に施用する工程中にCDL層に汚れの混入をまねくことになる。このような沈降現象は、CDL浴の篩分け残留物を測定することによって実験室で定量化することができる。
【0004】
本発明の目的は、良好な剪断安定性を有する鉛を含まないカソードで付着可能な塗料を提供することである。この目的は、結合剤および場合により架橋剤、顔料および/またはラッカーに慣用的に使用される添加剤を含む、鉛を含まない水性CDL塗料であって、その塗料は、バナジウム、マンガン、鉄、亜鉛、ジルコニウム、銀、スズ、ランタン、セリウムおよび/またはビスマスのスルホン酸塩および/または有機金属化合物、好ましくはスズのスルホン酸塩を金属として計算して樹脂固形物(結合剤、存在するすべての架橋剤およびCDL塗料において含まれる他のすべての樹脂、例えばペースト樹脂に基づいて)に基づいて0.2〜2重量%の総量で含むことを特徴とする前記塗料を用いて達成できることがわかった。
【0005】
本発明の鉛を含まないCDL塗料は、カソードで付着することができる、それ自体で知られている水性電気浸漬ラッカーであり、これに例えば鉛触媒に代わる架橋触媒としてバナジウム、マンガン、鉄、亜鉛、ジルコニウム、銀、スズ、ランタン、セリウムおよび/またはビスマスのスルホン酸塩および/または有機金属系スルホン酸塩、好ましくはスズのスルホン酸塩を加えたものである。
【0006】
本発明のCDL塗料は、例えば10〜30重量%の固形物含量を有する水性塗料である。固形物含量は、樹脂固形物、本発明に必須のスルホン酸塩または有機金属系スルホン酸塩、何らかの顔料および/または充填剤ならびに配合しうるさらなる添加剤の含有物から構成される。樹脂固形物は、カチオン置換基またはカチオン基に転化することができる置換基、および化学的に架橋できる基を有する慣用のCDL結合剤、ならびに何らかのCDLペースト樹脂および配合しうる架橋剤から構成される。カチオン基は、カチオン基またはカチオン基に転化することができる塩基性基、例えばアミノ、アンモニウム、例えば第4級アンモニウム、ホスホニウムおよび/またはスルホニウム基であることができる。塩基性基を有する結合剤が好ましい。アミノ基のような窒素を含む塩基性基は、特に好ましい。このような基は、第4級の形で存在することができるか、またはそれらは、慣用の中和剤、特に無機または有機酸、例えばスルホン酸、例えばアミドスルホン酸(スルファミン酸)またはメタンスルホン酸、乳酸、ギ酸、酢酸を用いて当業者に知られている方法でカチオン基に転化される。中和度は、例えば20〜80%である。
【0007】
カチオン性または塩基性結合剤は、例えば、第一級、第二級および/または第三級アミノ基を含み、そのアミン価が例えば20〜250mgKOH/gである樹脂であることができる。CDL樹脂の重量平均モル質量(Mw)は、好ましくは300〜10,000である。本発明で使用できる樹脂に制限はない。多くの異なる自己架橋性CDL結合剤および広範囲の特許文献から知られている外部手段によって架橋するCDL結合剤/架橋剤の組合せを使用することができる。このようなCDL樹脂の例は、アミノ(メタ)アクリレート樹脂、アミノエポキシ樹脂、末端二重結合を有するアミノエポキシ樹脂、第一級OH基を有するアミノエポキシ樹脂、アミノポリウレタン樹脂、アミノ基を含むポリブタジエン樹脂または改質されたエポキシ樹脂−二酸化炭素アミン反応生成物である。このような結合剤は自己架橋することができるか、または当業者によく知られている知られている架橋剤との混合物で使用される。このような架橋剤の例は、アミノプラスチック樹脂、ブロックトポリイソシアネート、末端二重結合を有する架橋剤、ポリエポキシ化合物、環状炭酸エステル基を有する架橋剤、またはエステル交換および/またはアミド交換ができる基を含む架橋剤である。
【0008】
CDL結合剤および配合しうる何らかの架橋剤、ならびに本発明に必須のスルホン酸塩の含有物に加えて、本発明のCDL塗料は、顔料、充填剤および/またはラッカーに慣用的に使用される添加剤を含むことができる。適切な顔料および/または充填剤は、慣用の無機および/または有機顔料である。例としては、カーボンブラック、二酸化チタン、酸化鉄、カオリン、タルクまたは二酸化ケイ素、フタロシアニン顔料およびキナクリドン顔料、ならびに防食顔料、例えばリン酸亜鉛である。顔料の性質および量は、CDL塗料の使用意図の如何で変更しうる。クリヤコーティングを得る場合、顔料は使用しないか、または例えば超微粉化二酸化チタンまたは二酸化ケイ素のような透明顔料しか使わない。不透明コーティングを施す場合、CDL浴は着色顔料を含むのが好ましい。
【0009】
本発明で存在するスルホン酸塩に加えて、CDL塗料は、ラッカーに慣用的に使用される、例えば慣用的にCDL塗料に使用される添加剤を含むことができる。その例は、湿潤剤、くぼみ防止剤、流展剤、消泡剤、およびCDL塗料に慣用的に使用される有機溶剤である。このような溶剤の例はアルコール、例えばシクロヘキサノール、2−エチルヘキサノール;グリコールエーテル、例えばメトキシプロパノール、エトキシプロパノール、ブトキシエタノール、ジエチレングリコールジエチルエーテル; ケトン、例えばメチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン;炭化水素である。
【0010】
本発明のCDL塗料は、バナジウム、マンガン、鉄、亜鉛、ジルコニウム、銀、スズ、ランタン、セリウムおよび/またはビスマスのスルホン酸塩および/または有機金属系スルホン酸塩、好ましくは上記金属のスルホン酸塩および特に好ましくはスズのスルホン酸塩を含む。ビスマスのスルホン酸塩および有機スズスルホン酸塩が好ましい。また、以下では略して「スルホン酸塩」として一緒に引用されているスルホン酸塩および有機金属系スルホン酸塩は、一つまたはそれ以上の一または多塩基性、好ましくは水溶性のスルホン酸から誘導された塩である。本発明のCDL塗料に含まれるスルホン酸塩を誘導することができるスルホン酸の例は、アミドスルホン酸および/または有機スルホン酸、例えばN−アルキルアミドスルホン酸、例えばN−C1〜C4−アルキルアミドスルホン酸;アルカンスルホン酸(これはアルキル基において置換されることができる)、例えばメタンスルホン酸、エタンスルホン酸、プロパンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ヒドロキシエタンスルホン酸、ヒドロキシプロパンスルホン酸;アリールスルホン酸(これはアリール基において置換されることができる)、例えばベンゼンスルホン酸、ベンゼン二スルホン酸、p−トルエンスルホン酸、1−または2−ナフタレンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸である。好ましいのは、一塩基性のスルホン酸の塩である。特に好ましいのは、一塩基性アルカンスルホン酸の塩、特にメタンスルホン酸の塩である。
【0011】
本発明のCDL塗料中のスルホン酸塩の比率は、金属として計算し、CDL塗料の樹脂固形物に基づいて0.2〜2重量%、好ましくは0.5〜1.5重量%である。スルホン酸塩または有機金属系スルホン酸塩は、水性相または分散相中に溶解または微細に分配されて本発明のCDL塗料中に存在することができる。金属スルホン酸塩または有機金属スルホン酸塩は、スルホン酸を適切な金属化合物、例えば金属酸化物、水酸化物もしくは炭酸塩、例えば好ましくは酸化ビスマスと、または適切な有機金属化合物、例えばヒドロカルビル金属酸化物、例えば好ましくはジアルキルスズオキシド、例えばジブチルスズオキシドもしくはジオクチルスズオキシドと反応させることによって製造することができる。混合物中の一つまたはそれ以上の金属化合物および/または混合物中の一つまたはそれ以上の有機金属化合物を一つまたはそれ以上のスルホン酸と反応させることができる。塩形成は、例えば水の存在下、場合により有機溶剤との混合物中で実施することができる。
【0012】
金属または有機金属化合物のスルホン酸との反応による塩形成は、化学量論的にまたは不十分な量もしくは過剰のスルホン酸を用いて実施することができる。金属スルホン酸塩の場合、これを好ましいビスマススルホン酸塩の例を用いて説明すると、例えば酸化ビスマス対一塩基性スルホン酸のモル比が1:2〜例えば8、好ましくは1:3〜7、化学量論反応に相当する1:6のモル比で酸化ビスマス(Bi23)を一塩基性スルホン酸と反応させて形成することができる。同様のことが有機金属スルホン酸塩に適用され、好ましいジアルキルスズスルホン酸塩の例を用いて説明すると、例えばジブチルスズオキシド対一塩基性スルホン酸のモル比が1:0.5〜例えば3、好ましくは1:1〜2.5、化学量反応に相当する1:2のモル比でジブチルスズオキシド(Bu2SnO)を一塩基性スルホン酸と反応させて形成することができる。反応後、過剰のスルホン酸は、形成したスルホン酸塩から分離することができるし、またはそれとともに本発明のCDL塗料に入れて一つの中和剤としてもしくは中和剤としてその中に含まれる酸全体の一部として働かせることができる。スルホン酸塩は、このように単離して本発明のCDL塗料の製造に使用することができるし、または単離して精製することなく、スルホン酸塩の製造からの反応媒体のさらなる構成要素との混合物で、例えば水溶液の形態で使用される。
【0013】
スルホン酸塩は、種々のやり方でCDL塗料に配合することができる。例えば、スルホン酸塩は、希釈剤として実質的な量の水を添加する前に、場合によりすでに中和されたCDL結合剤溶液に加えることができ、次いで撹拌しながら均質化する。その代わりに、対応するスルホン酸を結合剤のための中和剤として使用する場合、例えば金属酸化物、水酸化物または有機金属酸化物を用いて対応するスルホン酸塩をその場で形成させることもでき、その場合一般に100%を超える中和度に相当するCDL結合剤の中和に必要なスルホン酸の量に合わせて増量されたスルホン酸を使用するのが都合がよい。スルホン酸塩を仕上がった水性CDL結合剤分散液にまたは仕上がったCDL塗料それ自体に、例えばスルホン酸塩溶液の形態で、例えばスルホン酸塩水溶液の形態で加えるのは好ましい。また、スルホン酸塩溶液の形態の添加は、本発明のCDL塗料の製造における初期の段階でも行われる。
【0014】
本発明のCDL塗料が顔料入りであるかまたは透明であるかどうかにかかわらず、それは例えばいわゆる単一成分法によって完全に製造することができる。顔料入りCDL塗料の場合、単一成分原液は、例えばCDL塗料に適したペースト樹脂のCDL結合剤の有機溶液中に、顔料および充填剤を分配、例えば分散し、そして場合によりミル処理し、さらなる有機的に溶解されたCDL結合剤を加え、酸で中和し、そして一般に水で希釈することによって製造される。原液は、水が少ないかまたは水を含まなくてもよく、一般に中和されている。新しいCDL浴を製造する場合、原液を水と混合し、または固形物の埋合わせをする場合、CDLの付着によって固形物の減少したCDL浴の中味と混合する。本発明に必須のスルホン酸塩の添加は、上に記載した全ての添加法に従って実施することができる。
【0015】
本発明のCDL塗料が顔料入りであるかまたは透明であるかどうかにかかわらず、それは、例えばいわゆる二成分方法によっても製造することができる。その場合、本発明に必須のスルホン酸塩の添加は、下記のように実施することができる。
【0016】
本発明のCDL塗料を製造するために使用できる二成分CDL物質は、a)溶剤を含まないかまたは低溶剤の形態の結合剤成分、CDL結合剤を含む水性分散液、および場合により架橋剤(CDL分散液)ならびにb)別々の顔料ペーストおよび/または触媒ペーストである。不透明顔料で着色されたCDL塗料の場合、不透明顔料を含む顔料ペーストb)を使用する。透明CDL塗料の場合、透明顔料を含む顔料ペーストb)を使用することができる。成分a)および/または成分b)は、スルホン酸塩を含むことができる。
【0017】
二成分CDL物質は、好ましくはa)溶剤を含まないまたは低溶剤のCDL結合剤を含む水性分散液の形態の結合剤成分および場合により架橋剤(CDL分散液)ならびにb1)別個の顔料ペーストおよび/またはb2)触媒スルホン酸塩を含む別個のペーストまたはb3)スルホン酸塩を含む別個の触媒調合剤である。不透明顔料で着色されたCDL塗料の場合、不透明顔料を含む顔料ペーストb1)を使用する。透明CDL塗料の場合、透明顔料を含む顔料ペーストb1)を使用することができる。顔料ペーストb1)を使用する場合、それはスルホン酸塩触媒を含むことができ、その場合触媒ペーストb2)または触媒調合剤b3)は必要でない。顔料ペーストb1)がスルホン酸塩触媒を含まない場合、または顔料ペーストb1)を使わずにCDL塗料を製造する場合、触媒ペーストb2)または好ましくは触媒調合剤b3)を使用する。
【0018】
成分a)およびb)またはa)およびb1)および/またはb2)またはb3)の水によるまたはCDL付着によって固形物の減少したCDL浴の中味による希釈は、例えば別々にであるが平行して水に添加することによって(新しいCDL浴の製造)、または固形物の減少したCDL浴(固形物の埋合わせ)によって別々に実施するのが好ましい。
【0019】
顔料ペーストb1)は、スルホン酸塩を含むことができるし、または含まなくてもよい。顔料ペーストb1)は、CDL結合剤中、好ましくはCDLペースト樹脂中に、顔料および充填剤、場合によりスルホン酸塩を分散することによって製造することができる。このような樹脂は、当業者に知られている。CDL浴に使用できるペースト樹脂の例は、EP-A-0 183 025 および EP-A-0 469 497 に記載されている。
【0020】
触媒ペーストb2)は、例えば有機溶剤および/または水の存在下で適切な金属または有機金属化合物をスルホン酸と予備混合、例えば予備分散し、続いて分散し、そして場合により得られた混合物をCDL結合剤と共に、好ましくはCDLペースト樹脂および水と共にミル処理することによって製造することができる。
【0021】
触媒調合剤b3)は、微細に分割された懸濁液、例えばコロイドまたは分子の溶液であることができ、最も単純な場合、それは金属スルホン酸塩または有機金属スルホン酸塩の水溶液である。
【0022】
CDLコーティング層は、本発明のCDL塗料を用いて、電気伝導性である、例えば電気伝導性であるか、または電気伝導性にされた、例えば金属化によって電気伝導性にされたプラスチック基板上に、または特に金属基板上に、慣用の方法でカソードに付着させることができる。従って、また本発明はこのような基板上に本発明のCDL塗料をカソード付着させる方法を提供する。
【0023】
全ての慣用の金属でできている部品、例えば自動車産業で慣用的に使用される金属部品、特に自動車ボディおよびその部品は金属基板として使用することができる。例としては、例えば亜鉛メッキされてないまたは純粋な亜鉛、亜鉛−ニッケル合金もしくは亜鉛−鉄合金で亜鉛メッキされた、アルミニウム、マグネシウムまたはその合金、および特にスチールの部分である。金属基板は、慣用の方法でリン酸処理および不動態化することができる。また、例えばスチール上に本発明のCDL塗料を付着させたプライマーコートの腐食防止は、光沢のあるスチール上またはリン酸処理のみ施され、不動態化されていないスチール上で顕著である。種々の基板は、ワークピース(混合構成)上で一緒にして存在させることができる。また、すでに部分的にまたは完全にプレコートされた金属部分またはプラスチック部分をワークピース上に存在させて、この部分を、例えば変化させずに、すなわちCDLコーティング層を、特に本発明の方法の間にそれらの表面に付着させずに本発明の方法を通過させることもできる。本発明のCDL塗料で被覆した後、コーティグは、例えば直接および/または間接燃焼焼付炉中、例えば130〜200℃の目的温度で、焼付けによって架橋される。コーティングが例えばCDLプライマーコートである場合、次いでさらなる次の層を塗布することができる。
【0024】
本発明のCDL浴は、鉛を含まず、剪断力にかけられたときでも、沈降現象を全くまたは極めて僅かしか示さない。
【0025】
実施例1
(ビスマスヒドロキシカルボン酸塩の製造):
脱イオン水およびヒドロキシカルボン酸を容器中に入れ、70℃に加熱した。市販の酸化ビスマス(Bi23)を撹拌しながら少しずつ加えた。70℃でさらに6時間撹拌した後、バッチを約20℃に冷まし、そして撹拌することなく12時間放置した。最後に、沈殿をろ過し、少量の水およびエタノールで洗浄し、そして40〜60℃の温度で乾燥した。
【0026】
以下の塩を所定の量を用いて製造した。
ビスマス乳酸塩:
酸化ビスマス466部(1mol) + 水中の70%乳酸901部(7mol)
ビスマスジメチロールプロピオネート:
酸化ビスマス466部(1mol) + ジメチロールプロピオン酸938部(7mol)+水2154部
【0027】
実施例2
(ビスマスメタンスルホネートの製造):
脱イオン水296gおよびメタンスルホン酸576g(6mol)の混合物を容器中に入れ、そして80℃に加熱した。市販の酸化ビスマス(Bi23)466g(1mol)を撹拌しながら少しずつ加えた。3時間後、濁った液体が形成され、これを5400gの脱イオン水で希釈して乳白色の溶液を得た。蒸発による溶液の濃縮の後、ビスマスメタンスルホネートが残った。
【0028】
実施例3
(CDL分散液の製造)
a) ビスフェノールAに基づくエポキシ樹脂のモノカーボネート832部(市販製品 Epikote 828)を市販のポリカプロラクトンポリオール(市販製品205)830部およびジグリコールジメチルエーテル712部と混合し、そしてエポキシ価が0になるまで70〜140℃で約0.3%BF3エーテラートと反応させた。その生成物に、0.3%ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシドを添加したトルイレンジイソシアネート174部と2−エチルヘキサノール137部との反応生成物307部を40〜80℃で、触媒として0.3%Znアセチルアセトネートの存在下で加えた。反応はNCO値が約0になるまで実施し、次いでジグリコールジメチルエーテルを用いて70重量%の固形物含量に混合物を調節した。
【0029】
b) ビスフェノールA(市販製品 Epikote 1001)に基づくエポキシ樹脂の重炭酸塩1759部に、0.3%ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシドを添加したトルイレンジイソシアネート348部と2−エチルヘキサノール274部との反応生成物618部を60〜80℃でゆっくりと加えた。NCO値が約0になるまで反応を続けた。
【0030】
c) メトキシプロパノール2315部に溶解したビスヘキサメチレントリアミン860部に、2−エチルヘキサノール137部とトルイレンジイソシアネート174部とベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド触媒(0.3%)との反応生成物622部を、温度で20〜40℃の温度で加え、そしてNCO含量が約0になるまで反応を実施した。そして反応生成物b)4737部および反応生成物a)3246部(それぞれジグリコールジメチルエーテル中70%)を加え、そして混合物を60〜90℃で反応させた。約32mgKOH/gのアミン価で反応を終了した。得られた生成物を約85%の固形物含量に真空蒸留した。
【0031】
d1) ギ酸30mmol/樹脂100gを用いて中和を実施した。次いで、混合物を70℃に加熱し、2時間の間に固形物含量に基づいて1.5重量%のビスマスがバッチ中に存在するような量で、乳酸ビスマス(実施例1から)を撹拌しながら少しずつ加えた。次いで、60〜70℃でさらに6時間撹拌を実施した。冷ました後、脱イオン水を用いてバッチを40重量%の固形物含量を有する分散液に転化した。
d2) d1)に記載した操作に従ったが、乳酸ビスマス塩の代わりにビスマスメタンスルホネート(実施例2)を使用した。
【0032】
実施例4
(顔料ペーストの製造)
酢酸(50%)15部、市販の湿潤剤(50%)30部および脱イオン水374部を高速撹拌機の下で、EP-A-0 469 497 A1 実施例1のペースト樹脂(55%)223部に加えた。カーボンブラック5部、発熱性シリカ5部および二酸化チタン560部をそれに加えた。混合物を、脱イオン水で約50%の固形物含量に調節し、そしてビーズミルでミル処理した。安定な顔料ペーストが形成された。
【0033】
実施例5
(ビスマスを含むCDL浴の製造、比較)
ギ酸(50%)4.5部および脱イオン水1760部を実施例3d1)の分散液815.5部に加えた。実施例4の顔料ペースト420部をよく撹拌しながら加えた。得られたCDL浴を、予め計量したメッシュサイズ30μmの篩を通して注いだ。篩を乾燥した後、CDL浴の篩分け残留物を再計量して測定した。それは、10mg/L未満のCDL浴であった。CDL浴をカバーをかけて、マグネティックスターラ(テフロン(R)−コーティングされた磁石のかき混ぜ棒)を用いて48時間撹拌することによって剪断力にかけた。次いでCDL浴の篩分け残留物を再び測定した:83mg/L CDL浴。
【0034】
実施例6
(ビスマスを含むCDL浴の製造、本発明)
ギ酸(50%)4.5部および脱イオン水1760部を実施例3d2)の分散液815.5部に加えた。実施例4の顔料ペースト420部をよく撹拌しながら加えた。
剪断力にかける前および後の篩分け残留物を実施例5と同様の方法で測定した。それは、剪断力にかける前および後の両方で10mg/L未満のCDL浴であった。

Claims (9)

  1. 結合剤を含み、架橋剤、顔料および/またはその他の添加剤を含みまたは含まずに、水性で鉛を含まない、カソードで付着可能(CDL)な塗料であって、
    一つまたはそれ以上のビスマスのアルカンスルホン酸塩および/または一つまたはそれ以上の有機ビスマス化合物のアルカンスルホン酸塩(ここでアルカンスルホン酸塩はアルキル基が置換されていても良い)を、ビスマス金属として計算して樹脂固形物に基づいて0.2〜2重量%の総量で含むことを特徴とする上記塗料。
  2. アルカンスルホン酸塩としてメタンスルホン酸塩を含むことを特徴とする請求項1に記載のCDL塗料。
  3. 請求項1または2に記載のスルホン酸塩をCDL塗料またはCDL結合剤の水性分散液中に配合することを特徴とする請求項1または2に記載のCDL塗料の製造法。
  4. 1)顔料および/または充填剤ならびにCDL結合剤および/またはペースト樹脂を含む顔料ペーストの形態、2)CDL結合剤もしくはペースト樹脂を含む触媒ペーストの形態、または3)懸濁液もしくは溶液からなる触媒調合剤の形態でスルホン酸塩を配合することを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 浸漬浴中に入れた電気伝導性の表面を有する基板をカソードとして接続するカソード浸漬塗装法であって、請求項1または2に記載のCDL塗料を浸漬浴として使用することを特徴とする上記方法。
  6. 請求項1または2に記載のCDL塗料のカソード浸漬塗装における使用。
  7. 電気伝導性の表面を有する基板のカソード浸漬塗装によるプライマー層の製造における請求項1または2に記載のCDL塗料の使用。
  8. 自動車またはその部品のラッカー塗装における請求項6または7に記載の使用。
  9. 請求項5の方法によって得られるラッカーコーティングを有する基板。
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