JP7104060B2 - 改善された光学を有するエチレン系ポリマー - Google Patents
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Description
本出願は、2017年3月21日出願の米国仮特許出願第62/474134号の利益を主張する。
本発明のLDPEを含む、本発明のエチレン系ポリマーを生成するためには、高圧フリーラジカル開始重合プロセスが典型的に使用される。典型的には、反応器としてジャケット付き管が使用され、これは1つ以上の反応ゾーンを有する。好適であるが、これに限定するものではない反応器の長さは、100~3000メートル(m)又は1000~2000メートルであり得る。反応器の反応ゾーンの始まりは、典型的には反応の開始剤、エチレン、連鎖移動剤(又はテロマー)、及びこれらの任意の組み合わせの側注によって定義される。高圧プロセスは、1つ以上の反応ゾーンを有する1つ以上の管型反応器内、又は各々が1つ以上の反応ゾーンを含むオートクレーブと管型反応器との組み合わせで実行することができる。
本発明の組成物は、1つ以上の添加剤を含み得る。添加剤としては、安定剤、可塑剤、帯電防止剤、顔料、染料、核形成剤、充填剤、滑剤、難燃剤、加工助剤、発煙防止剤、粘度制御剤、及びブロッキング防止剤が挙げられるが、これらに限定されない。本組成物は、例えば、組成物の重量に基づいて、(合計重量によって)10%未満の1つ以上の添加剤を含み得る。一実施形態において、本発明のポリマーは、1つ以上の安定剤、例えば、酸化防止剤(IRGANOX1010、IRGANOX1076、及びIRGAFOS168(Ciba Specialty Chemicals)など)で処理される。
本明細書で使用される場合、「ポリマー」という用語は、同じ種類又は異なる種類にかかわらずモノマーを重合することによって調製されるポリマー化合物を指す。したがって、ポリマーという総称は、少量の不純物(例えば、少量(例えば、1.0重量%以下、又は0.5重量%以下、又は0.3重量%以下)のCTA)がポリマー構造内に組み込まれ得るという理解の下で、ホモポリマーという用語(1種類のモノマーのみから調製されるポリマーを指すために用いられる)、及び以下に定義されるインターポリマーという用語を包含する。不純物が、ポリマー中及び/又はポリマー内に組み込まれ得る。本明細書で使用される場合、「インターポリマー」という用語は、少なくとも2つの異なる種類のモノマーの重合によって調製されるポリマーを指す。インターポリマーという総称は、コポリマー(2つの異なる種類のモノマーから調製されるポリマーを指すために用いられる)、及び3つ以上の異なる種類のモノマーから調製されるポリマーを含む。本明細書で使用される場合、「エチレン系ポリマー」という用語は、(ポリマーの重量に基づいて)50重量%又は過半量の重合エチレンモノマーを含み、かつ任意で、少なくとも1つのコモノマーを含有し得る、ポリマーを指す。本明細書で使用される場合、「プロピレン系ポリマー」という用語は、(ポリマーの重量に基づいて)過半量の重合プロピレンモノマーを含み、任意で、少なくとも1つのコモノマーを含み得る、ポリマーを指す。
密度
密度測定のための試料をASTM D4703Annex A1手順Cに従って調製した。約7gの試料を「2インチ×2インチ×135ミルの厚さ」の鋳型内に置き、これを374°F(190℃)、3,000ポンドfで6分間押圧した。圧力を4分間にわたって30,000ポンドfまで増加させた。その後、30,000ポンドfで、15℃/分で約40℃の温度まで冷却した。「2インチ×2インチ×135ミル」のポリマー試料(プラーク)を鋳型から取り外し、3つの試料を1/2インチ×1インチのダイカッターでプラークから切断した。ASTM D792、方法Bを使用して、試料の押圧から1時間以内に測定を行い、平均3回の測定値を報告した。
メルトインデックス(MI)又はI2は、ASTM D1238、条件190℃/2.16kg、手順Bに従って測定し、10分間当たりに溶出するグラム(g/10分)で報告した。
ポリマーペレット(重合ペレット化プロセスから(更なる修正なし)、「1インチ×1インチ」の正方形フィルム1枚当たり約2.2グラム)を、Carver Pressで3.0~4.0ミルの厚さに押圧した。ペレットを、40,000ポンドfで、190℃で3分間圧縮した。非残留手袋(PIP*CleanTeam*CottonLisle Inspection Gloves、部品番号:97-501)を着用して、作業者の手からの残留油によるフィルムの汚染を防止した。各フィルムを、「1インチ×1インチ」の正方形にトリミングし、秤量した(2.5±0.05g)。フィルムを、加熱した水浴中、49.5±0.5℃で、約1000mlのヘキサンを含有するヘキサン容器内で2時間抽出した。ヘキサンは、異性体「ヘキサン」混合物(例えば、ヘキサン(Optima)、Fisher Chemical、HPLC用の高純度移動相及び/又はGC用途用抽出溶媒)であった。2時間後、フィルムを取り出し、清潔なヘキサン中で濯ぎ、真空オーブン(80±5℃)内、完全真空(ISOTEMP真空オーブン、モデル281A、約30インチHg)で2時間乾燥させた。その後、フィルムを乾燥器内に置き、室温まで最低1時間冷却させた。その後、フィルムを再秤量し、ヘキサン中での抽出による質量損失量を計算した。この方法は、21CRF177.1520(d)(3)(ii)に基づいているが、n-ヘキサンの代わりにヘキサンを使用することによってFDAプロトコルから1点逸脱しており、3回の測定の平均を報告する。
各試料は、10mmのNMR管内、約「3gの0.025MのCr(AcAc)3を含有するテトラクロロエタン-d2/オルトジクロロベンゼンの50/50混合物」を「0.25gのポリマー試料」に添加することによって調製した。その後、加熱ブロック及びヒートガンを使用して、管及びその内容物を150℃まで加熱することによって試料を溶解し、均質化した。各溶解試料を目視検査して、均質性を確保した。全てのデータは、Bruker Dual DUL高温CryoProbeを備えた、Bruker400MHz分光計を使用して収集された。データは、120℃の試料温度で、6秒間のパルス繰り返し遅延、90度のフリップ角、及び逆ゲート付きデカップリングを使用して取得された。全ての測定は、固定様式で非回転試料に対して行われた。13C NMR化学シフトは、30.0ppmでEEEトライアドを内部参照した。C6+値はLDPE中のC6+分岐の直接的な尺度であり、長い分岐は鎖末端とは区別されなかった。6個以上の炭素の全ての鎖又は分岐の末端から3番目の炭素を表す、32.2ppmのピークを使用して、C6+値を決定した。ポリマー組成を決定するための周知のNMR分光法を使用して、LLDPEのC6分岐を決定した。ASTM D5017-96,J.C.Randall et al.,in“NMR and Macromolecules”ACS Symposium series247,J.C.Randall,Ed.,Am.Chem.Soc.,Washington,D.C.,1984,Ch.9、及びJ.C. Randall in“Polymer Sequence Determination」,Academic Press,New York(1977)は、NMR分光法によるポリマー分析の一般的な方法を提供している。対象となる他のピークを表Aに列挙する。
各試料は、NORELL1001-7、10mmのNMR管内、約130mgの試料を、0.001MのCr(AcAc)3を有する「3.25gの50/50重量比のテトラクロロエタン-d2/ペルクロロエチレン」に添加することによって調製された。管内に挿入したピペットを介して、約5分間溶媒を通してN2を通気することによって試料をパージして、酸化を防止した。管にキャップをし、TEFLONテープで密閉し、その後室温で一晩浸漬して、試料の溶解を促進した。試料を115℃で加熱し、ボルテックスして、均質性を確保した。1H NMRは、Bruker Dual DUL高温CryoProbeを備えた、Bruker AVANCE400MHz分光計で、120℃の試料温度で実行した。全ポリマープロトンを定量化するための対照スペクトル、及び強度のポリマー骨格ピークを抑制し、末端基の定量化のための高感度スペクトルを可能にする二重飽和前実験の2つの実験を行って、スペクトルを得た。対照は、ZGパルス、16回のスキャン、AQ1.64秒、D1 14秒で行われた。二重飽和前実験は、修正パルスシーケンス、100回のスキャン、AQ1.64秒、飽和前遅延1秒、緩和遅延13秒で行われた。TCE-d2(6.0ppm)中の残留1Hからのシグナルを積分し、100の値に設定し、3~-0.5ppmの積分を、対照実験におけるポリマー全体からのシグナルとして使用した。飽和前実験について、TCEシグナルもまた100に設定し、不飽和の対応する積分(約5.40~5.60ppmのビニレン(シス及びトランス)、約5.16~5.35ppmの三置換体、約4.95~5.15ppmのビニル、約4.70~4.90ppmのビニリデン)を得た。
溶融強度測定は、Gottfert Rheotester2000細管レオメーターに取り付けた、Gottfert Rheotens71.97(Goettfert Inc.、Rock Hill,SC)で実行した。溶融試料(約25~30グラム)を、長さ30mm、直径2.0mm、及びアスペクト比(長さ/直径)15の平坦な入口角(180度)を備えた、Goettfert Rheotester2000細管レオメーターで供給した。試料を190℃で10分間平衡化した後、ピストンを0.265mm/秒の一定のピストン速度で稼働した。標準試験温度は、190℃であった。試料を、ダイの100mm下に位置する一組の加速ニップに対して、2.4mm/秒2の加速度で、一軸延伸した。引張力を、ニップロールの巻き取り速度の関数として記録した。溶融強度を平均プラトー力(cN)として報告し、破断時速度をmm/秒で報告する。溶融強度測定において以下の条件、プランジャー速度=0.265mm/秒、車輪加速度=2.4mm/秒2、キャピラリー直径=2.0mm、キャピラリー長さ=30mm、及びバレル直径=12mmを使用した。
樹脂を、空気中、20,000ポンドf下、350°Fで6.5分間、「3mmの厚さ×1インチ」の円形プラークに圧縮成形した。その後、試料を圧縮機から取り出し、カウンターに置いて、冷却させた。
クロマトグラフィーシステムは、Precision Detectors(現Agilent Technologies)二角レーザー光散乱(LS)検出器モデル2040、及び続いてPolymerCharの4-キャピラリー粘度検出器に結合された内部IR5赤外検出器(IR5)(直列した3つの検出器)を備えた、PolymerCharのGPC-IR(Valencia,Spain)高温GPCクロマトグラフからなった。全ての光散乱測定について、15度の角度を測定目的で使用した。オートサンプラーオーブン区画を摂氏160度に設定し、カラム区画を摂氏150度に設定した。使用したカラムは、各々30cm、かつ各々20ミクロンの直鎖状混合床粒子が充填された、4つのAGILENT「Mixed A」カラムであった。使用したクロマトグラフィー溶媒は、200ppmのブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)を含有した、1,2,4-トリクロロベンゼンであった。溶媒源を、窒素スパージした。注入量は200マイクロリットルであり、流量は1.0ml/分であった。少なくとも20の狭い分子量分布、580~8,400,000g/molの範囲の分子量を有するポリスチレン標準物で、GPCカラム組の較正を実行した。これらの標準物を、個々の分子量を約10離して、6つの「カクテル」混合物中に配置した。標準物は、Agilent Technologiesから購入した。ポリスチレン標準物は、1,000,000g/mol以上の分子量について「50ミリリットルの溶媒中0.025グラム」、及び1,000,000g/mol未満の分子量について「50ミリリットルの溶媒中0.05グラム」で調製した。ポリスチレン(PS)標準物を、穏やかに撹拌しながら80℃で30分間溶解させた。(Williams and Ward,J.Polym.Sci.,Polym.Let.,6,621(1968)に記載の)等式1を使用して、PS標準ピーク分子量(IR5検出器)をポリエチレン分子量に変換した。
Mn(従来)、Mw(従来)、及びMz(従来)の計算は、PolymerCharのGPC-IRクロマトグラフの内部IR5検出器(測定チャネル)を使用し、等式4~6に従って、PolymerCharのGPCOne(商標)ソフトウェア(バージョン2013G)、等間隔の各データ収集点(i)でベースラインを差し引いたIRクロマトグラム、及び等式1の点(i)の狭い標準較正曲線から得たポリエチレン相当分子量を使用する、GPC結果に基づいた。表4は、従来のGPCについての下記の等式4~6を使用して、実施例及び比較例の従来のGPC結果を列挙する。
絶対分子量データ(MW絶対)は、PolymerCharのGPCOne(商標)ソフトウェアを使用して、Zimm(Zimm,B.H.,J.Chem.Phys.,16,1099(1948))及びKratochvil(Kratochvil,P.,Classical Light Scattering from Polymer Solutions,Elsevier,Oxford,NY(1987))によって公開されたものと一貫した様式で得た。分子量の決定に使用される全体的な注入濃度は、好適な直鎖状ポリエチレンホモポリマー、又は既知の重量平均分子量のポリエチレン標準物(NBS1475ホモポリマーポリエチレン基準試料へと追跡可能なもの)のうちの1つから導出した、質量検出器面積及び質量検出器定数から得た。(GPCOne(商標)を使用して)計算した分子量は、以下に述べるポリエチレン標準物のうちの1つ以上から導出した光散乱定数、及び0.104の屈折率濃度係数、dn/dcを使用して得られた。一般に、(GPCOne(商標)を使用して決定される)質量検出器応答(IR5)及び光散乱定数は、約50,000g/molを超える分子量を有する直鎖状標準物から決定するべきである。Mw(絶対)の等式は、GPCOne(商標)ソフトウェアから決定される、ベースラインを差し引いた15度の光散乱シグナル及びベースラインを差し引いたIR5測定センサーシグナルを使用する(質量及び光散乱定数を適用)、面積に基づく結果である。
絶対固有粘度データ(IV(絶対))は、NBS1475の既知の固有粘度に対して較正した場合にPolymerChar粘度計検出器から得られる、比粘度クロマトグラムの面積を使用して得た。固有粘度の決定に使用される全体的な注入濃度は、好適な直鎖状ポリエチレンホモポリマー、又は既知の固有粘度のポリエチレン標準物(NBS1475ホモポリマーポリエチレン基準試料へと追跡可能なもの)のうちの1つから導出した、質量検出器面積及び質量検出器定数から得た。IV(絶対)の等式は、GPCOne(商標)ソフトウェアから決定される、ベースラインを差し引いた比粘度シグナル(DV)及びベースラインを差し引いたIR5測定センサーシグナルを使用する(質量及び粘度定数を適用)、面積に基づく結果である。
gpcBR分岐指数は、前述の光散乱、粘度、及び濃度検出器をまず較正することによって決定された。その後、光散乱、粘度計、及び濃度クロマトグラムからベースラインを差し引いた。その後、屈折率クロマトグラムからの検出可能なポリマーの存在を示す光散乱及び粘度計クロマトグラムにおける低分子量保持体積範囲の全ての積分を確保するために、積分ウィンドウを設定した。その後、直鎖状ポリエチレン標準物を使用して、ポリエチレン及びポリスチレンのマルク-ホウインク定数を確立した。定数を得た後、2つの値を使用して、式(9)及び(10)に示すように、溶出体積の関数としてのポリエチレン分子量及びポリエチレン固有粘度についての2つの線形基準従来較正を構築した。
LCBfは、各ポリマー試料について、以下の手順によって計算した。
1)光散乱、粘度、及び濃度検出器をNBS1475ホモポリマーポリエチレン(又は相当する基準物)を用いて較正した。2)光散乱及び粘度計検出器のオフセットを、較正の節で上記の濃度検出器に対して補正した(Mourey及びBalkeへの参照を参照されたい)。3)光散乱、粘度計、及び濃度クロマトグラムからベースラインを差し引き、積分ウィンドウを設定して、屈折計クロマトグラムから観察可能な光散乱クロマトグラムの低分子量保持体積範囲の全てを確実に積分した。4)少なくとも3.0の多分散性を有する標準物を注入することによって、直鎖状ホモポリマーポリエチレンのマルク-ホウインク基準線を確立し、(上記の較正法から)データファイルを計算し、各クロマトグラフスライスについての質量定数補正データからの固有粘度及び分子量を記録する。5)対象となるLDPE試料を分析し、(上記の較正法から)データファイルを計算し、各クロマトグラフィースライスについての質量定数補正データからの固有粘度及び分子量を記録した。より低い分子量では、測定される分子量及び固有粘度が直鎖状ホモポリマーのGPC較正曲線に漸近的に接近するように、固有粘度及び分子量データを外挿する必要があり得る。6)ホモポリマーの直鎖状基準物の固有粘度を、以下の因子によって各点(i)でシフトさせた:IVi=IVi*0.964(式中、IVは固有粘度である)。7)ホモポリマーの直鎖状基準物の分子量を、以下の因子によってシフトさせた:M=M*1.037(式中、Mは分子量である)。8)各クロマトグラフィースライスでのg’を、同じMについて、以下の等式:g’=(IV(LDPE)/IV(直鎖状基準物))に従って計算した。IV(直鎖状基準物)を、基準マルク-ホウインクプロットの5次多項式の当て嵌めから計算し、式中、IV(直鎖状基準物)は、直鎖状ホモポリマーポリエチレン基準物の固有粘度である(同じ分子量(M)での6)及び7)を通したバックバイティングを説明するために、ある量のSCB(短鎖分岐)を付加する)。IV比は、光散乱データにおける自然散乱を説明するために、3,500g/mol未満の分子量で1であると仮定する。9)各データスライスにおける分岐の数を、以下の等式に従って計算した:
様々なポリマー組成物の分子構造を決定するために、次の手順を使用した。クロマトグラフィーシステムは、4キャピラリー粘度計及びAgilent Technologiesの2角レーザー光散乱検出器モデル2040を備えた、PolymerCharのGPC-IR高温クロマトグラフからなった。15度の角度の光散乱検出器を計算目的で使用し、IR5「測定チャネル」を濃度の尺度として使用した。データを収集し、PolymerCharのGPC One(登録商標)ソフトウェアを使用して処理した。このシステムは、オンライン溶媒脱ガスデバイスを備えた。カラム区画は、160℃で操作された。使用したカラムは、4つのAgilentの「Mixed A」30cm、20ミクロンカラムであった。使用した溶媒は、1,2,4-トリクロロベンゼンであった。試料は、50ミリリットルの溶媒中0.1グラムのポリマーの濃度で調製された。クロマトグラフィー溶媒及び試料調製溶媒は、200ppmのブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)を含有した。両方の溶媒源を窒素スパージした。ポリエチレン試料を、摂氏160度で3時間穏やかに(速度1)振盪した。使用した注入量は200マイクロリットルであり、流量は1.0ml/分であった。
示差走査熱量測定(DSC)を使用して、広範囲の温度にわたるポリマーの溶融及び結晶化挙動を測定することができる。例えば、RCS(冷蔵冷却システム)及びオートサンプラーを備えたTA Instruments Q2000DSCを使用して、この分析を実行する。試験中、50ml/分の窒素パージガス流を使用する。各試料を約190℃で薄フィルムに溶融圧縮し、その後溶融試料を室温(約25℃)まで空冷する。「0.5~0.9グラム」の試料を、190℃、20,000ポンドfで10秒間圧縮して、「0.1~0.2ミルの厚さ」のフィルムを形成することによって、フィルム試料を形成した。3~10mg、直径6mmの試験片を冷却したポリマーから抽出し、秤量し、アルミニウム皿(約50mg)に置き、圧着して閉じた。その後、分析を実行して、その熱特性を決定した。
実験の節に記載のように、フィルムについて以下の物理的特性を測定した。試験前に、フィルムは、23℃(+/-2℃)及び50%の相対湿度(+/-10%の相対湿度)で(フィルム生成後)少なくとも40時間条件付した。各フィルムの厚さについては、表12を参照されたい。総(全体)ヘイズ及び内部ヘイズ:内部ヘイズ及び総ヘイズは、ASTM D1003に従って測定した。内部ヘイズは、フィルムの各表面上のコーティングとして適用した鉱油(小匙1~2)を使用した屈折率整合を介して得た。試験には、Hazegard Plus(BYK-Gardner USA、Columbia,MD)を使用した。各試験について、5つの試料を調査し、平均を報告した。試料寸法は、「6インチ×6インチ」であった。45°のグロス:ASTM D2457(5つのフィルム試料の平均、各試料は「10インチ×10インチ」)。透明度:上記のA Hazegard Plus装置を使用して測定(5つのフィルム試料の平均、各試料は「10インチ×10インチ」)。Zebedee透明度:Zebedee ClarityメーターモデルCL-100を使用したASTM D1746(5つのフィルム試料の平均、各試料は「4.5インチ×4.5インチ」)。2%のセカント係数-MD(縦方向)及びCD(横方向):ASTM D882(各方向において5つのフィルム試料の平均)。4インチの接触点(ゲージ長)間隔で線接触グリップを使用して、1インチ幅の試験片を引張試験フレームに装填する。試料は、2インチ/分のクロスヘッド速度で最大5%の公称歪みまで試験する。縦方向及び横方向エルメンドルフ引き裂き強度:ASTM D1922。フィルム又はシーティング試験片にわたって引き裂きを伝播させるのに必要とされる力(グラム)を、精密に較正した振り子デバイスを使用して測定する。重力によって作用して、振り子は円弧を描いて振動し、試験片を予めカットしたスリットから引き裂く。試験片は、片側が振り子によって保持され、反対側が固定部材によって保持される。振り子によるエネルギーの損失は、ポインター又は電子秤によって示される。秤表示は、試験片を引き裂くのに必要とされる力の関数である。使用した試料は、D1922に明記される「一定の半径形状」である。試験は、典型的には縦方向及び横方向の両方から切断された試料で実行する。試験前に、試料の厚さを試料の中心で測定する。方向当たり合計15個の試験片を試験し、平均引き裂き強度を報告する。垂直線から60°を超える角度で引き裂かれる試料は、「斜め」引き裂きとして記載され、このような引き裂きは留意すべきであるが、強度値は平均強度計算に含まれる。
本発明のエチレン系ポリマーの調製
図4は、本発明のエチレン系ポリマー(LDPE)の生成に使用されるプロセス反応システムのブロック図である。図4のプロセス反応システムは、部分閉鎖ループ、二重循環、高圧、低密度ポリエチレン生成システムである。プロセス反応システムは、新鮮なエチレン供給ライン[1]、ブースター及び一次圧縮機(「一次」)、ハイパー圧縮機(「ハイパー」)、及び4ゾーン管型反応器(「4ゾーン反応器」)で構成される。流[3]は、「予熱器」によって十分に高い温度まで加熱され、反応器のフロント部に供給される。流[11]は、側流として反応器に供給される。反応器内では、重合は、各反応ゾーン(図示せず)の入口で注入される、各々が1つ以上のフリーラジカル開始システム(表1を参照されたい)を含有する、4つの混合物の補助によって開始される。
Claims (10)
- エチレン系ポリマーを含む組成物であって、前記エチレン系ポリマーが、以下の特性、
a)130,000~162,000g/molのMw(絶対)、b)1.5~3.0g/10分のメルトインデックス(I2)、及びc)500,000g/mol以上の分子量について0.350~0.450のADF LSを含む、組成物。 - 前記エチレン系ポリマーが、15,000g/mol以下の分子量について0.200~0.250のADF IRを更に含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記エチレン系ポリマーが、200,000g/mol以上の分子量について0.180~0.240のADF DVを更に含む、請求項1又は請求項2に記載の組成物。
- 前記エチレン系ポリマーが、200,000g/mol以上の分子量について0.210以下のADF DVを更に含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記エチレン系ポリマーが、0.923~0.927g/cc(1cc=1cm3)の密度を有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記エチレン系ポリマーが、0.0508±0.0076mm(2.0±0.3ミル)のフィルム厚さについて、72%超の45°のグロス、及び207MPa(30,000psi)超の2%の縦方向セカント係数を有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記エチレン系ポリマーが、0.0508±0.0076mm(2.0±0.3ミル)のフィルム厚さについてそれぞれ、7.0未満の縦方向収縮張力対横方向収縮張力の比を有し、横方向収縮張力が6205Pa(0.9psi)超である、請求項1~6のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記エチレン系ポリマーが、低密度ポリエチレンである、請求項1~7のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記組成物が、第2のエチレン系ポリマーを含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項1~9のいずれか一項に記載の組成物から形成される少なくとも1つの構成要素を含む、物品。
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