JP5937749B2 - ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体及びその製造方法を提供する。より具体的には、本発明は、特定炭素数の脂肪族末端を導入し、優れた低温衝撃強度及び高い透明性を有するポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体及びその製造方法に関する。
ポリカーボネートは、好ましい機械的、光学的、熱的及び電気的性質を兼ね備える透明な熱可塑性高性能プラスチック材料である。しかしながら、ポリカーボネートには、多様な用途に適用されるためにさらに高い水準の衝撃強度が必要とされている。
ポリカーボネートの機械的性質を改良するために、他の材料とブレンドする方法が提案されている。しかしながら、他の材料とブレンドする場合、物質間の溶解度差による相分離が観測される場合が多く、これによって、ポリカーボネート固有の透明性が低下するという短所が存在する。例えば、ポリカーボネートの衝撃、溶融流れ、及び離型性の改善のために、シロキサンモノマーをポリカーボネートと物理的に混合する研究が進められてきた。しかしながら、この場合、少量のシロキサンの投入にもかかわらず、透明度が著しく低下するため、近年要求される樹脂の多様な色相表現を妨げるものである。
一方、化学的混合法である共重合法は、2種類以上の単量体を共に重合して物性を改善させる方法である。この場合、一つの高分子内にそれぞれの単量体によって発現される物性を有することができ、高機能ポリカーボネートの合成に使用される。一つの例示として、ポリカーボネート−ポリシロキサンの共重合体は、高い軟性、加工性、耐候性、塗装後の耐衝撃性などが改善されると共に、高い透明度を維持することで知られている。
しかしながら、依然として低温衝撃強度が不足しており、ケイ素の含有量が増加するほど透明性が著しく低下するという問題がある。
したがって、高い透明度及び低いヘイズを維持しながらも、低温衝撃強度に優れたカーボネート単位及びシロキサン単位を含む共重合体が依然として必要とされている。
本発明の目的は、高い透明度及び低いヘイズを維持しながらも、低温衝撃強度に優れたポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、反応関与率が高いと共に、優れた物性バランスを有するポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様は、ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体に関する。前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、下記の化学式1で表示されるポリシロキサン単位を含有することを特徴とする:
(前記化学式1において、R、R、R及びRは、それぞれ独立に置換もしくは非置換のC1−C10アルキル基、置換もしくは非置換のC6−C18アリール基、ハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC1−C10アルキル基、またはハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC6−C18アリール基を、R及びRは、それぞれ独立にC3−C8アルキレン基を、nは、20〜100の整数を、*は、ポリカーボネート単位との連結部位を示す)。
一実施態様において、前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、ケイ素の含有量が1質量%〜4質量%であるとき、2.5mm厚の試片のヘイズが11%以下であり、1/8"厚の試片のASTM D256による衝撃強度が−20℃で40kgf・cm/cm以上、且つ−50℃で30kgf・cm/cm以上であってもよい。
一実施態様において、前記ポリシロキサン単位は、主鎖にエーテル基を含有しなくてもよい。
一実施態様において、前記ポリシロキサン単位は、主鎖にアリーレン基を含有しなくてもよい。
一実施態様において、前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、質量平均分子量が15,000g/mol〜50,000g/molであってもよい。
本発明の他の態様は、ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体の製造方法に関する。前記製造方法は、下記の化学式2で表示されるポリシロキサンに芳香族ジヒドロキシ化合物及びホスゲン系化合物を投入して重合することを特徴とする:
(前記化学式2において、R、R、R及びRは、それぞれ独立に置換もしくは非置換のC1−C10アルキル基、置換もしくは非置換のC6−C18アリール基、ハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC1−C10アルキル基、またはハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC6−C18アリール基であり、R及びRは、それぞれ独立にC3−C8アルキレン基であり、Xは、ヒドロキシ基、アミン基またはエポキシ基であり、nは、20〜100の整数である)。
一実施態様において、前記Xはヒドロキシ基であってもよい。
一実施態様において、前記芳香族ジヒドロキシ化合物は、前記ポリシロキサン0.1質量部〜20.0質量部に対して99.9質量部〜80.0質量部を投入してもよい。
本発明は、高い透明度及び低いヘイズを維持しながらも低温衝撃強度に優れ、反応関与率が高いと共に優れた物性バランスを有するポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体及びその製造方法を提供するという効果を有する。
本発明の実施例1で製造されたポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体のNMRスペクトルのチャートである。 本発明の比較例1で製造されたポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体のNMRスペクトルのチャートである。
以下では、本発明を詳細に説明する。
本発明に係るポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、下記の化学式1で表示されるポリシロキサン単位を含有することを特徴とする。
前記化学式1において、R、R、R及びRは、それぞれ独立に置換もしくは非置換のC1−C10(炭素数1−10の)アルキル基、置換もしくは非置換のC6−C18アリール基、ハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC1−C10アルキル基、またはハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC6−C18アリール基を、R及びRは、それぞれ独立にC3−C8アルキレン基を、nは、20〜100の整数を、*は、ポリカーボネート単位が連結される部位(連結基)を示す。
本発明において、"置換される"とは、水素が、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、アジド基、アミジノ基、ヒドラジノ基、カルボニル基、カルバミル基、チオール基、エステル基、カルボキシル基もしくはその塩、スルホン酸基もしくはその塩、ホスフェート基もしくはその塩、炭素数1−20のアルキル基、炭素数2−20のアルケニル基、炭素数2−20のアルキニル基、炭素数1−20のアルコキシ基、炭素数6−30のアリール基、炭素数6−30のアリールオキシ基、炭素数3−30のシクロアルキル基、炭素数3−30のシクロアルケニル基、炭素数3−30のシクロアルキニル基またはこれらの組み合わせに置換されることを意味する。
本発明において、R及びRは、C3−C8アルキレン基である。炭素数が3未満である場合は、反応関与率が低下するおそれがあり、炭素数が8を超える場合は、衝撃強度が低下するおそれがある。好ましくは、前記R及びRはC3−C6アルキレン基である。前記R及びRは、線形または分枝型であってもよい。
前記nは、20〜100の整数であって、好ましくは25〜90、より好ましくは30〜70の整数である。前記範囲では透明度に優れる。
前記ポリシロキサン単位は、ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体中の主鎖に含まれ、0.1質量%〜20.0質量%、好ましくは5.0質量%〜15.0質量%で含まれてもよい。前記範囲では透明度に優れる。
前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、本発明に係るポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体の製造方法によって製造されてもよく、例えば、下記の化学式2で表示されるポリシロキサンに芳香族ジヒドロキシ化合物及びホスゲン系化合物を投入して重合してもよい。
前記化学式2において、R、R、R及びRは、それぞれ独立に置換もしくは非置換のC1−C10アルキル基、置換もしくは非置換のC6−C18アリール基、ハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC1−C10アルキル基、またはハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC6−C18アリール基で、R及びRは、それぞれ独立にC3−C8アルキレン基で、Xは、ヒドロキシ基、アミン基またはエポキシ基で、nは、20〜100の整数である。
前記Xは、好ましくはヒドロキシ基であってもよい。
一実施態様において、前記ポリシロキサン単位は、主鎖にエーテル基を含有しなくてもよい。この場合、高い反応関与率を有し、同一のケイ素含有量で比較して優れた透明性を有する。
他の実施態様において、前記ポリシロキサン単位は、主鎖にアリーレン基を含有しなくてもよい。この場合、より優れた低温衝撃強度を有することができる。
前記ホスゲン系化合物としては、例えば、ホスゲン、トリホスゲン、ジホスゲンなどが挙げられてもよく、前記ホスゲン系化合物の投入量は、通常のポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体の製造時の投入量と同一であってもよいが、これに限定されることはない。
前記芳香族ジヒドロキシ化合物は、ポリシロキサン0.1質量部〜20.0質量部、好ましくは1.0質量部〜15.0質量部に対して、99.9質量部〜80.0質量部、好ましくは99.0質量部〜75質量部を投入してもよい。前記範囲では透明度に優れる。
前記芳香族ジヒドロキシ化合物は、下記の化学式3で表されてもよい。
前記化学式3において、Aは、単結合、置換もしくは非置換のC1−C30直鎖状もしくは分枝状のアルキレン基、置換もしくは非置換のC2−C5アルケニレン基、置換もしくは非置換のC2−C5アルキリデン基、置換もしくは非置換のC1−C30直鎖状もしくは分枝状のハロアルキレン基、置換もしくは非置換のC5−C6シクロアルキレン基、置換もしくは非置換のC5−C6シクロアルケニレン基、置換もしくは非置換のC5−C10シクロアルキリデン基、置換もしくは非置換のC6−C30アリーレン基、置換もしくは非置換のC1−C20直鎖状もしくは分枝状のアルコキシレン基、ハロゲン酸エステル基、SまたはSOであり、R及びRは、互いに同一または異なり、置換もしくは非置換のC1−C30アルキル基、または置換もしくは非置換のC6−C30アリール基であり、n及びnは、それぞれ独立に0〜4の整数である。
前記化学式3の芳香族ジヒドロキシ化合物の具体例としては、4,4'−ジヒドロキシジフェニル、2,2−ビス−(4−ヒドロキシフェニル)−プロパン、2,4−ビス−(4−ヒドロキシフェニル)−2−メチルブタン、1,1−ビス−(4−ヒドロキシフェニル)−シクロヘキサン、2,2−ビス−(3−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)−プロパン、2,2−ビス−(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)−プロパンなどを挙げてもよく、必ずしもこれらに限定されることはない。これらのうち、2,2−ビス−(4−ヒドロキシフェニル)−プロパン、2,2−ビス−(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)−プロパン、1,1−ビス−(4−ヒドロキシフェニル)−シクロヘキサンなどが好ましく、"ビスフェノール−A"とも呼ばれる2,2−ビス−(4−ヒドロキシフェニル)−プロパンが最も好ましい。
一実施態様において、ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、塩基性水溶液に芳香族ジヒドロキシ化合物を投入した後、有機溶媒及び前記化学式2で表示されるポリシロキサンを投入・混合し、ホスゲン系化合物を投入して界面重合で製造することができ、このように界面重合を適用することによって、溶融重合を適用した場合に比べて著しく優れた透明性を確保することができる。
前記の製造されたポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、主鎖に前記化学式1の単位を含み、優れた透明性、常温耐衝撃性及び低温耐衝撃性を有する。
本発明のポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、ケイ素の含有量が1質量%〜4質量%であるとき、2.5mm厚の試片のヘイズが11%以下であってもよく、好ましくは0.1%〜10.5%、より好ましくは1%〜3%であってもよい。
前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、1/8"厚の試片のASTM D256による衝撃強度が−50℃で30kgf・cm/cm以上であってもよく、好ましくは40kgf・cm/cm以上、より好ましくは45kgf・cm/cm以上であってもよく、例えば、48kgf・cm/cm〜90kgf・cm/cmであってもよい。
前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、1/8"厚の試片のASTM D256による衝撃強度が−20℃で40kgf・cm/cm以上であってもよく、好ましくは45kgf・cm/cm以上、より好ましくは50kgf・cm/cm以上であってもよく、例えば、52kgf・cm/cm〜100kgf・cm/cmであってもよい。
また、前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、1/8"厚の試片のASTM D256による衝撃強度が常温で55kgf・cm/cm以上であってもよく、好ましくは60kgf・cm/cm以上であってもよく、例えば、60kgf・cm/cm〜120kgf・cm/cmであってもよい。
前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、GPC(gel permeation chromatography)で測定した質量平均分子量が15,000g/mol〜50,000g/molであってもよく、好ましくは19,000g/mol〜40,000g/molであってもよい。
以下、実施例を通じて本発明をより具体的に説明するが、これら実施例は、説明の目的のためのものであって、本発明を限定するものと解釈してはならない。
実施例1
20Lのガラス反応器に50質量%NaOHと蒸留水7Lとを混合・撹拌した後、これにビスフェノール−A 1.50kgを投入した。溶液の温度が22℃以下に到達した後、塩化メチレン3L、t−ブチルフェノール41.5g、そして、下記の化学式2−1で表されるシロキサン化合物118gを投入して強く撹拌した。この撹拌液に、974gのトリホスゲンを3Lの塩化メチレンに溶かした溶液を1分当たり60mLの速度で投入した。反応温度の上昇が観察され、約1時間後に反応溶液の温度が23℃以下に下がったらトリエチルアミン7.80gを入れ、反応器の温度を30℃以上に維持した。2時間撹拌した後で分離された有機層は、水6Lと50質量%NaOH 10mLとの混合液で1回洗浄し、水6Lと35%HCl 60mLとの混合水溶液で1回洗浄し、蒸留水12Lで2回洗浄した。有機層を撹拌器でゆっくり掻き混ぜながら、同一の体積比のメタノール溶液を1時間にわたって投入することによって白色沈殿を得た。沈殿物をろ過・分離し、80℃で12時間乾燥することによって最終的に1.5kgのポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体を得た。重合体のDOSY(拡散配向分光法)とH NMRの分析の結果、シロキサンポリマーがポリカーボネートの主鎖中に結合されて存在することを確認し、H NMRで分析した結果、ケイ素の含有量(Si含有量)は2.02質量%であった。ここで、H NMRの結果は図1に示した。GPC分析の結果、質量平均分子量(Mw)は21,300g/molであった。H NMRスペクトル上で3.45ppmの未反応PDMS(ポリジメチルシロキサン)単量体と4.18ppmの共重合されたPDMS単量体との積分値を通じて、93%の末端ヒドロキシ基が共重合に関与したことを確認した。
実施例2
化学式2−1で表されるシロキサン化合物の代わりに、化学式2−2で表されるシロキサン化合物を適用したことを除いては、前記実施例1と同一に行い、最終的に1.5kgのポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体を得た。重合体のDOSYとH NMRの分析の結果、シロキサンポリマーがポリカーボネートの主鎖中に結合されて存在することを確認し、H NMRで分析した結果、Si含有量は2.12質量%であった。GPC分析の結果、Mwは22,300g/molであった。H NMRスペクトル上で3.45ppmの未反応PDMS単量体と4.18ppmの共重合されたPDMS単量体との積分値を通じて、95%の末端ヒドロキシ基が共重合に関与したことを確認した。
実施例3
化学式2−1で表されるシロキサン化合物の代わりに、化学式2−3で表されるシロキサン化合物を適用したことを除いては、前記実施例1と同一に行い、最終的に1.5kgのポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体を得た。重合体のDOSYとH NMRの分析の結果、シロキサンポリマーがポリカーボネートの主鎖中に結合されて存在することを確認し、H NMRで分析した結果、Si含有量は2.10質量%であった。GPC分析の結果、Mwは20,600g/molであった。H NMRスペクトル上で3.60ppmの未反応PDMS単量体と4.20ppmの共重合されたPDMS単量体との積分値を通じて、88%の末端ヒドロキシ基が共重合に関与したことを確認した。
比較例1
化学式2−1で表されるシロキサン化合物の代わりに、化学式4の末端−OHを有するポリシロキサン117gを投入したことを除いては、前記実施例1と同一に行い、最終的に1.5kgのポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体を得た。重合体のDOSYとH NMRの分析の結果、シロキサンポリマーがポリカーボネートの主鎖中に結合されて存在することを確認し、H NMRで分析した結果、Si含有量は1.68質量%であった。ここで、H NMRの結果は図2に示した。GPC分析の結果、Mwは21,000g/molであった。H NMRスペクトル上で3.47ppmの未反応PDMS単量体と4.30ppmの共重合されたPDMS単量体との積分値を通じて、77%の末端ヒドロキシ基が共重合に関与したことを確認した。
比較例2
化学式2−1で表示されるシロキサン化合物の代わりに、化学式5の末端−OHを有するポリシロキサン117gを投入したことを除いては、前記実施例1と同一に行い、最終的に1.5kgのポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体を得た。重合体のDOSYとH NMRの分析の結果、シロキサンポリマーがポリカーボネートの主鎖中に結合されて存在することを確認し、H NMRで分析した結果、Si含有量は1.75質量%であった。GPC分析の結果、Mwは21,800g/molであった。H NMRスペクトル上で3.47ppmの未反応PDMS単量体と4.30ppmの共重合されたPDMS単量体との積分値を通じて、71%の末端ヒドロキシ基が共重合に関与したことを確認した。
比較例3
化学式2−1で表示されるシロキサン化合物の代わりに、化学式6の末端−OHを有するポリシロキサン107gを投入したことを除いては、前記実施例1と同一に行い、最終的に1.5kgのポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体を得た。重合体のDOSYとH NMRの分析の結果、シロキサンポリマーがポリカーボネートの主鎖中に結合されて存在することを確認し、H NMRで分析した結果、Si含有量は1.58質量%であった。GPC分析の結果、Mwは22,400g/molであった。H NMRスペクトル上で3.47ppmの未反応PDMS単量体と4.30ppmの共重合されたPDMS単量体との積分値を通じて、71%の末端ヒドロキシ基が共重合に関与したことを確認した。
比較例4
シロキサンが共重合されていない第一毛織社製のポリカーボネートSC−1190を評価時に使用した。
比較例5
化学式2−1で表示されるシロキサン化合物の代わりに、化学式8の末端−OHを有するポリシロキサン100gを投入したことを除いては、前記実施例1と同一に行い、最終的に1.5kgのポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体を得た。重合体のDOSYとH NMRの分析の結果、シロキサンポリマーがポリカーボネートの主鎖中に結合されて存在することを確認し、H NMRで分析した結果、Si含有量は1.57質量%であった。GPC分析の結果、Mwは19,500g/molであった。H NMRスペクトル上で3.50ppmの未反応PDMS単量体と4.35ppmの共重合されたPDMS単量体との積分値を通じて、65%の末端ヒドロキシ基が共重合に関与したことを確認した。
前記実施例及び比較例で製作した共重合体を120℃で4時間乾燥した後、10Oz.射出機で成形温度250℃〜290℃、金型温度70℃の条件で射出することによって試片を製造し、下記の方法で物性を測定した。その結果を下記の表1に示した。
物性測定方法
(1)質量平均分子量(単位:g/mol):GPC(ViscoTek社製)を用いてPSスタンダード(PS standard)を基準にして測定した。
(2)Si含有量(単位:質量%):Bruker社製の300MHz Topspin NMRを用いて測定した。
(3)耐衝撃性(単位:kgf・cm/cm):ASTM D256評価方法によって1/4"、1/8"アイゾッド試片にノッチを作り、常温と−20℃及び−50℃でそれぞれ評価した。
(4)ヘイズ及び透過度(単位:%):日本電色工業株式会社(NIPPON DENSHOKU社)製のヘイズメーター(装置名:YDPO2−0D)を使用して2.5mm厚の試片に対して測定した。
前記表1に示したように、本発明に係るポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体の場合、シロキサンが共重合されていないポリカーボネートである比較例4に比べて衝撃強度が著しく向上したことが分かる。主鎖にエーテル基を含有する比較例1の場合、−50℃で衝撃強度が低下したことが分かる。また、同一のSi数である実施例3と比較例2及び比較例5を対比すると、実施例3の場合、反応関与率に優れ、ヘイズも著しく低く、優れた低温衝撃特性を有することを確認することができる。Si数が大きい比較例3の場合、実施例2に比べてヘイズが著しく増加したことが分かる。
以上では、本発明の各実施例を説明したが、本発明は、前記各実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に製造されてもよく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須な特徴を変更せずとも他の具体的な形態に実施可能であることを理解できるだろう。したがって、以上で説明した各実施例は、全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないことを理解しなければならない。

Claims (7)

  1. 下記化学式1で表されるポリシロキサン単位を含有し、前記ポリシロキサン単位は、主鎖にアリーレン基を含有しないことを特徴とするポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体:
    (前記化学式1において、R、R、R及びRは、それぞれ独立に置換もしくは非置換のC1−C10アルキル基、置換もしくは非置換のC6−C18アリール基、ハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC1−C10アルキル基、またハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC6−C18アリール基を、R及びRは、それぞれ独立にC3−C8アルキレン基を、nは、20〜100の整数を、*は、ポリカーボネート単位との連結部位を示す)。
  2. 前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、ケイ素の含有量が1質量%〜4質量%であるとき、2.5mm厚の試片のヘイズが11%以下であり、1/8"厚の試片のASTM D256による衝撃強度が−20℃で40kgf・cm/cm以上、且つ−50℃で30kgf・cm/cm以上であることを特徴とする、請求項1に記載のポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体。
  3. 前記ポリシロキサン単位は、主鎖にエーテル基を含有しないことを特徴とする、請求項1または2に記載のポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体。
  4. 前記ポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体は、質量平均分子量が15,000g/mol〜50,000g/molであることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載のポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体。
  5. 下記化学式2で表されるポリシロキサンに芳香族ジヒドロキシ化合物及びホスゲン系化合物を投入して重合することを特徴とするポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体の製造方法:
    (前記化学式2において、R、R、R及びRは、それぞれ独立に置換もしくは非置換のC1−C10アルキル基、置換もしくは非置換のC6−C18アリール基、ハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC1−C10アルキル基、またはハロゲンもしくはC1−C10アルコキシ基で置換されたC6−C18アリール基であり、R及びRは、それぞれ独立にC3−C8アルキレン基であり、Xは、ヒドロキシ基、アミン基またはエポキシ基であり、nは、20〜100の整数である)。
  6. 前記Xはヒドロキシ基であることを特徴とする、請求項に記載のポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体の製造方法。
  7. 前記芳香族ジヒドロキシ化合物は、前記ポリシロキサン0.1質量部〜20.0質量部に対して、99.9質量部〜80.0質量部を投入することを特徴とする、請求項5または6に記載のポリカーボネート−ポリシロキサン共重合体の製造方法。
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