JPH09501959A - 特に光学的および非線形光学的用途のための架橋性ポリマー、これを用いた材料または素子、および該ポリマーを製造するための方法 - Google Patents

特に光学的および非線形光学的用途のための架橋性ポリマー、これを用いた材料または素子、および該ポリマーを製造するための方法

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JPH09501959A JP7502526A JP50252695A JPH09501959A JP H09501959 A JPH09501959 A JP H09501959A JP 7502526 A JP7502526 A JP 7502526A JP 50252695 A JP50252695 A JP 50252695A JP H09501959 A JPH09501959 A JP H09501959A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、光学および非線形光学に使用するための、少なくとも1の発色団を含む架橋性ポリマーであって、その少なくとも2つの末端に、重合およびポリマー骨格の調製に主に使用された基の化学タイプと異なる化学タイプの反応性末端基を少なくとも1つ有することを特徴とする架橋性ポリマーに関する。反応性末端基は、少なくとも1のCC、CN、CS、SSもしくはNS二重結合および/または三重結合、および/またはエポキシ基および/またはチオール基またはこれら基の誘導体を含み、重合基は、以下の基、すなわちウレタン、エステル、アミド、イミド、エーテル、炭素−炭素、スルフィド、シランおよびシロキサンの少なくとも1つから選ばれ、ウレタンおよびエステル基が特に好ましい。用途は光学および光電子材料およびデバイスである。

Description

【発明の詳細な説明】 特に光学的および非線形光学的用途のための架橋性ポリマー、これを用いた材 料または素子、および該ポリマーを製造するための方法 技術分野 本発明の分野は、光学および非線形光学(NLO)に使用され得る材料のそれ である。 本発明は、とりわけ光学および/または非線形光学に活性のポリマーまたはコ ポリマーの性質の新規有機化合物に関する。 より正確には、本発明は、発色性化合物を含むオリゴマー、コ−オリゴマー、 ポリマーおよびコポリマー(以下、共通の名称であるポリマーと表示することと する)に関する。 従来の技術 本発明が関する光学ポリマーのもう一つの特徴は、架橋して、場合に応じて例 えば光学素子を製造するためにフィルムに変換され得る多かれ少なかれ堅牢なお よび/または不溶性の材料を与える能力である。 これらのマクロ分子が光学的に線形の材料および/または光学的に非線形の材 料の如く挙動するということは、、これらの光学および光電子用途に利用される 。 巨視的な規模では、これら材料の光学的に線形または光学的に非線形の挙動は 、感受性によって決定される。 上記感受性は、電磁場Eによって誘起される材料の偏光性または分極性(pola rizability)に直接関係し、以下の基本的関係: p=p0χ 1E + χ 2EE + χ 3EEE+… (ここで、 PおよびP0は、それぞれ電磁場の存在下および不存在下における偏光また は分極(polarization)であり、 Eは、電磁場であり、 χ 1は、線形感受性(linear susceptibility)であり、 χ 2およびχ 3は、材料の非線形感受性である) により支配される。 係数χ 1は、材料の線形的光学挙動を反映する。 フィルター、偏光子および導波管は、ポリマーをその線形的光学挙動似ついて 利用する部品の例である。 係数χ 2およびχ 3は、それぞれ、一次非線形材料および二次非線形材料の非線 形光学における活性を反映する。 非線形光学に活性の材料は、一般に、モデュレータ、指向性結合器、光学フリ ップフロップ、光導電性フィルム等を含むタイプの活性部品に一般に使用される 。 発色団は、光の電磁場とのその相互作用が所望の光学的効果を生じさせるいか なる構造的単位をも意味するものとして理解されなければならない。 この効果は、共鳴または非共鳴波長で生じ得る。 非線形光学におけるこれら発色団の活性は、その超偏光ま たは分極性により与えられる。 後者は、以下の基本的関係: μ=μ0 + αF + βFF + γFFF +… (ここで、 μおよびμ0は、それぞれ、電磁場の存在下または不存在下における双極子 モーメントであり、 Fは、局所的電磁場であり、 αおよびβは、偏光または分極(polarization)性および超偏光または分極 (polarization)性の係数である) によって分子の双極子モーメントに直接関係づけられる。 係数αは、発色性分子の偏光または分極 (polarization)の係数であり、線形的光学におけるその活性を反映する。 係数βおよびγは、それぞれ、超偏光または分極(polarization)性の一次お よび二次係数である。 光学および非線形的光学(NLO)ポリマーについての本明細書のよりよい理 解のために、線形および非線形導波管は、基板上にたとえばスピン塗布技術によ り順次他の上に被着されたポリマーのいくつかの層からなることが指摘されるべ きである。 最も高い屈折率を有する中間の層は、ガイド材料を構成する。高屈折率のこの 層における光の横方向の閉じ込めは、例えば成形、イオン腐食または光ブリーチ のような当業者に知られている技術を用いて、その中のガイドをトレースするこ とにより行われる。これら技術うち最後に掲げたものは、ガイド中間層が感光性 屈折率を有することを要求するものであるが、当業者に好まれている。 このことすべては、使用されるポリマーが、好ましくは光ブリーチにより調節 可能で制御される吸収および屈折率を有し、経時的におよび温度に対して安定で あることを仮定している。 光学および光電子導波路の製造のためのポリマーの使用についてのさらなる詳 細および説明が、M.デッカー(DEKKER)、ニューヨーク(1992)により刊 行されたL.A.ホーナク(HORNACK)による研究「ポリマーズ・フォー・ライ トウェーブ・アンド・インテグレーテッド・オプティックス」あるいはC.C. テン(TENG)による論文Appl.Phys.Lett.,60(13),1538,(1992)に当た ることによって得ることができる。 さらに、非ゼロまたはより高次の1次非線形感受性を有することと等価であり 、従って電気光学的モデュレータータイプの光電子部品に使用することができる ものである、NLOにおいて活性であるためには、超偏光または分極(polariza tion)性発色団はマトリックス中において中心対称的に配向されなければならな いことが知られている。 これは、一般に、高電場下でガラス転移温度(Tg)に近い温度でフィルムを 偏光または分極(polarization)させることによって行われる。このプロセスに より誘起される配向は、印加された電場による冷却により凍結される。 得られた配向フィルムは、その平衡状態にはなく、配向が失われる傾向にあり 、光電子部品の寿命を制限する。 貯蔵中または金属層の半田づけもしくは被着を含む工程中にフィルムは加温さ れ得るので、発色団の配向の熱安定性はポリマーの決定的な特性である。 これらの理論的な疑問に対するのさらなる詳細については、D.S.ケムラ( CHEMLA)およびJ.ジス(ZYSS)による研究「ノン−リニアー・オプティカル・ プロパティーズ・オブ・オーガニック・モレキュールズ・アンド・クリスタルズ 」、アカデミック・プレス、1987または上記L.A.ホーナクによる研究を 参照することができる。 かくして、光学および光学的に非線形のポリマーは、それらが線形光学および 光電子学における用途に使用され得るためには、4つのタイプの要件(規格)を 満足する必要がある。 1°−ポリマーは、以下の機能的性質を持たなければならない。 −好ましくは光ブリーチによって、完全に制御され調節可能な吸収および屈 折率(導波路)、 −高い1次および2次非線形感受性。 2°−これら機能的性質は、合成の過激で精密な変更をともなうことなく広範な 個々の用途に調節し得るものでなければならない。 3°−これら機能的性質は、当該材料が十分に長い寿命を持つことを確保するよ うに経時的に一定であり温度に対して安定なものでなければならない。有利には 、光学的に非線形の ポリマーは、とりわけ、光電子部品の製造のためのプロセスにおいて遭遇する最 も高い温度で双極子の配向の良好な安定性を持たなければならない。 4°−ポリマーは、光電子部品が当該技術分野で知られている標準的な方法によ り容易に製造することができるようにさせる加工性を持たなければならない。 これらの加工性は、特に、 −薄層に被着した後の不溶性、 −1の層におけるポリマーの他の隣接層との良好な接着性、 −簡単で信頼できるプロセスによる容易で再現性のある偏光または分極( polarization) である。 これらの全ての要件1ないし4を満足させるという無益な試みで数多くのマク ロ分子構造が提案されている。 光学の分野で使用されるポリマーの分野において言及し得る一例は、T.クボ カワらによる論文(アプライド・オプティックス、1980、19、3124) に記載されているポリカーボネートである。これらポリマーは、透明であるが、 可溶性であり、熱安定性が不十分であるため、電子部品のインターコネクション にはさほど好適なものではない。 それぞれリューター(REUTER)らによる刊行物(アプライド・オプティックス −1988、27、4565)およびK.K.チャクラボルティらによる刊行物 (SPIE、1389巻、Int.Conf.Adv.イン・インターコネクション・ アンド・パッケージング−1990、559)に記載され、デュポン・ドゥ・ヌ ムールズによりPI 25 66という名称の下で、およびチバ−ガイギにより 「プロビミド」(PROBIMIDE)という名称の下で販売されているタイプのポリイ ミドは、硬化後には不溶性であるが、それらの屈折率を精密に調節できないとい う特徴を有する。さらに、これらポリマーは、光ブリーチには適性に乏しい。 光学的に非線形のポリマーの分野で言及し得る一例は、C.イエ(YE)らによ る論文「マクロモレキュールズ」、20、22−23、1987、および米コッ ク特許第4,750,730号であり、これには超分極性分子の共有グラフト化 によるNLO用に機能化されたポリマーのファミリーが記載されている。 特許出願EP0363237には、主鎖に超分極性基を直接共有グラフト化さ せることにより機能化されたポリウレタンのファミリーが記載されている。これ らポリマーは、多かれ少なかれ、正しい機能特性を有する。使用されるマトリッ クスは、近赤外において良好な透明性を有する。しかしながら、これらの材料の ガラス転移温度がそれぞれ130および145℃であるため、これらの機能特性 の経時的安定性は、不適切である。 特許出願FR2630744には、コモノマーがそれぞれ懸垂側鎖を有するポ リアクリレートコポリマーが開示されている。コモノマーの1つについて、この 懸垂側鎖は発色性機能性基を有し、他のコモノマーについては、懸垂側鎖の機能 性基は架橋性である。側鎖におけるこれら2種の機能性基の共存は、各基(バル ク)の表現を妨害する。加えて、これらのコポリマーのガラス転移温度は低すぎ る。最後に、これらコポリマーは、特に上記企画の要件4を満足しない。事実、 発色性および/または架橋性コモノマーの性質に対する最もわずかな修飾も反応 性を変化させ、それ故合成を失敗させる。 特許出願WO91/03001および特許出願EP0478480は、それぞ れ、満足し得る不溶性および機能性の満足し得る安定性を持つように思われるポ リイミドおよびビスマレイミド熱架橋構造を提案している。 それにもかかわらず、これらのポリマーは製造が特に困難である。事実、それ らの分極は、好ましくはそれらのガラス転移温度に近い温度で行わなければなら ない。後者は、負荷された分極温度とともに増大するという不利点を有し、従っ て分極温度および分極場を経時的に変化させる複雑な分極プロトコールを用いる 必要がある。 この加工上の不利点とは別に、これらの架橋ポリマーはクラックが発生し得る 。ある種の用途については、単一モード(monomode)シリカ繊維との部品の接続 を容易にするためにポリマー層は比較的厚い(5ないし7ミクロン)ことが有用 であることが知られている。そのような厚さでは、上記特許の架橋ポリマーは冷 却するとクラックが発生することが時折見受けられる。 従って、問題の技術分野では、一方では満足し得るレベルであってしかも安定 な光学および/または非線形光学におけ る物性を有し、他方では接着性があり成形後不溶性である良好な機械強度の架橋 生成物に転化し得る光学ポリマーはない。 この技術的環境において、本発明の主要目的の1つは、光学および/または光 電子デバイスの製造に原料として使用し得、とりわけおよび同時に、上記要件1 ないし4に相当するすべての固有の性質を有する新規な光学ポリマーを提供する ことにある。 この目的および他の目的を達成するために、本出願人は、完全に驚くべきこと にしかも予期し得ないことに、特に光学および非線形光学に使用し得、そのポリ マー鎖の末端が重合およびポリマー骨格の調整に主として使用されるものとは異 なるタイプの反応性基により官能化された新規ファミリーの架橋性ポリマーを提 供することに成功した。 発明の記述 従って、本発明は、光学および非線形光学に使用するための架橋性ポリマーで あって、少なくとも1つの発色団を含み、その末端の少なくとも2つにおいて、 重合およびポリマー骨格の調整に主として使用されるものとは異なる化学タイプ の少なくとも1つの反応性末端基を有することによって特徴づけられる架橋性ポ リマーに関する。 これらの新規ポリマーは、テレケリック(telechelic)ということができ、上 記規格を完全に満足する。事実、このクラスの光学的および/または光学的に非 線形のポリマーは、架橋ネットワークの利点と熱可塑性系の利点とを同時に備え る。 これらポリマーは、架橋系の以下の性質を保持する。 −誘電性強度、 −機能性の経時的および温度的安定性、 −不溶性。 これらポリマーは、熱可塑系の以下の性質を有する。 −機能性(屈折率、吸収、非線形感受性)の精密な調節の可能性、 −良好な加工性(分極、層間接着性)、 −良好なクラック耐性。 ポリマー骨格の末端の単純な官能化が好適なレベルの架橋を達成するために十 分な数の反応性基を持ち、同時に上記性質1ないし4を当該材料に持たせること を可能とすることを先見的に示唆するものは何もないので、これらの結果は驚く べきものである。 本発明によれば、表現「反応性末端基」とは、1またはそれ以上の結合、好ま しくは共有結合を発生し得、当該ポリマー骨格を同じタイプの他のポリマー骨格 から特になり得る他の化学種と結合させることを可能とするいずれもの化学基を 指す。 より正確には、末端反応性とは、ここでは、これらポリマーの予期される光学 的性質に悪影響を及ぼすことなく光学ポリマーの凝集的(cohesive)ネットワー クを形成するような架橋の質(aptitude)を意味するものと解釈される。 本発明を実施するための好ましい形態において、各反応性末端基は、少なくと も1のC−C、C−N、C−S、S−S もしくはN−S二重結合および/または三重結合、および/またはエポキシおよ びまたはチオール基もしくは該基の誘導体を包含する。 有利には、本発明による反応性末端基は、以下の式を有する。 (ここで、 Y’は、H、CH3またはClであり、 基Rは、独立に、水素原子、または場合により置換されていることのある低分 子量(C1ないしC6)アルキルもしくはアルキリデン基であり、 R’は、独立に、場合により置換されていることのあるC1〜C6アシル基また は場合に応じて置換されていることのあるおよび/または非置換のC1ないしC6 )アシリデン基であり、 RおよびR’は、有利には、互いに結合して5ないし7員の複素環を形成する 。 択される。 (ここで、Y’は上記定義の通りである) 実施に当たっては、反応性末端基は、たとえば以下の基のリストから選ばれる 。すなわち、マレイミド、ナジミド(nadimide)、アクリル、メタクリル、アク リルアミド、ビニル、スチリル、アリル、シリル、シアネート、イソシアネート 、チオシアネート、シアナミド、ニトリル、エポキシ、アセチレン等、およびそ れらの誘導体である。 ポリマー骨格中の主要(predominant)重合基と異なる限り、反応性末端基は 当該ポリマーの各末端で同じであっても異なっていてもよい。ここで主要または 主としてとは、モルパーセントについていうものと理解されるものである。事実 、架橋特性を選定された用途に適合させる(たとえば、2段階の架橋)ために、 2つの異なる架橋性基を有することは価値のあることである。 定量的観点から、本発明により、モル比数 は、有利には、0.004ないし0.5、好ましくは、0.004ないし0.4 、さらに好ましくは、0.04ないし0.2であることを決定することが可能で あった。 ポリマー骨格に関する限り、これな種々の構造、すなわち、線状、分枝、アル ボレッセント(arborescent)、「アラクノイド」(arachnoid)等を有し得る。 このポリマー骨格は、有利には、以下の基、すなわち、ウレタン、エステル、 アミド、エーテル、炭素−炭素、イミド、スルフィド、シランおよびシロキサン の少なくとも1つから選ばれる重合基を包含する。ウレタンおよびエステル基が 特に好ましい。 本発明によるコポリマーを得るために、上記重合基のいくつかを組合わせるこ とはまったく可能である。 これら光学ポリマーの発色段は、2つの重合基を有するモノマーもしくは構造 を介して、または1またはそれ以上の結合性ブリッジによりポリマー骨格に結合 された懸垂(ペンダント)基を介して導入することができる。 H.E.カツ(KATZ)、C.W.ダーク(DIRK)、K.D.シンガー(SINGER )、T.E.ソーン(SOHN)による論文Mol.Cryst.Liq.Cryst.inc.non li n.opt(1988)、157、525、および以下の番号、すなわち88−05 214、88−12028、88−12079、88−12080、89−02 271、89−04232、89−05870、89−10696、89−10 197、89−00377、90−00575、90−02336、90−05 420を有するフランス特許出願に定義され例示されているとおりのNLOにお いて活性のいずれもの有機基であり得る。 特にフランス特許出願2667315に記載されている以下の一般式、すなわ ちE−Z1−X=Y−Z2−Nで示される発色団、およびジアゾタイプ、スチルベ ンタイプ(米国特許第4,757,130号参照)またはアルキンタイプ(米国 特許第4,603,187号参照)の発色団を言及することができる。 最後に、発色団は、アゾベンゼンまたはスチルベン単位またはその誘導体、あ るいはポリエン単位から選ぶことができる。この単位の最後のファミリーにおい て、以下の式の化合物が特に好ましい。 本発明の有利な態様によれば、ポリマーは1000〜500,000D、好ま しくは1000ないし100,000Dさらに好ましくは1000ないし50, 000Dの分子量を有する。 本発明は、さらに、上記構造を有し、架橋された形態で提供されるポリマーに 関する。 架橋ポリマーは、異なるポリマー鎖の反応性末端基からなるブリッジ、および 、適切なら、少なくとも2つの反応性末端基を結合する架橋性補助剤により生成 するブリッジを含む。 架橋性補助剤としては、以下のものを例示することができ る。 −エチレングリコールジアクリレート、 −エチレングリコールジメタクリレート、 −エチレングリコールシアノアクリレート、 −エチレングリコールビス(4−マレイミドベンゾエート)、 −エチレングリコールビス(ナジミドベンゾエート)、 −エチレングリコールビス(ベンゾシクロブテン−1−カルボキシレート)、 −エチレンジアクリルアミド、 −ジビニルベンゼン、 −フェニルジイソシアネート、 −フェニレンジイソチオシアネート、 −ポリビニルシラン、 −N−ビニルピロリジノン、 −4,4’−ジアミノジフェニルメタン、 −4,4’−ジマレイミドジフェニルメタン等。 本発明のポリマーを合成する第1の形態において、所定の反応性末端基を有す る停止剤を使用する。この停止剤は、反応性末端基によりモノ官能化された発色 性もしくは非発色性モノマーである。ポリマー骨格を形成することを意図された 重合基にたいして化学量論量未満の量において、この停止剤は重合反応中種々の 時間で加えることができる(方法A)。 本発明のポリマーを合成する第2の形態において、第1の工程は、発色団を含 んでいても含んでいなくてもよいモノマ ーからポリマー骨格を製造することであり、次に該末端基を有する(コ)モノマ ーを経由することなくポリマー骨格の末端の少なくとも2つに少なくとも1つの 反応性末端基をグラフトさせることを直接行う(方法B)。 合成のこれらの両形態において、後の段階で発色団をポリマー骨格に結合する ことも場合に応じて可能である。 工業的用途の可能性 本発明の架橋性ポリマーは、成形し(フィルム)、ついて導波路または光電子 デバイスたとえばスイッチ、モデュレータ、指向性カプラーおよびフリップ−フ ロップのような光学デバイスにおける使用のために架橋される。光学における屈 折率の調節可能性およびNLOにおける高くかつ安定な活性は、とりわけ、本発 明のポリマーの本質的な利点である。 さらに、本発明のポリマーは、架橋ネットワークの利点(誘電強度、機能性の 経時的および温度的安定性、不溶性)および熱可塑性ポリマーの利点(機能性の 精密な調節可能性、加工の容易性、クラック発生の少なさ)を併せ持つ。 本発明の他の大きな利点は、それらが有する3グループの少なくとも1つに属 する特性: 1°−機能性、 2°−これら機能性の安定性、 3°−これら機能性の調節可能性、 4°−加工性 の少なくとも1つの独立の調整の可能性から生じる。 かくして、予定の用途について、例えば必要な官能基を導 入することによって、透明性またはTgを変更することが可能であり、ウレタン 基(例16)をエステル重合基で置換すること(例17)は、ポリマーの他の性 能に悪影響を及ぼすことなく1320nmおよび1550nmでの透明性を改善 する。 発明を実施するための最良の形態 本発明の実施および変形の詳細は、指摘のみの以下に示す例からより明らかと なろう。 例 慣習により、以下例えばポリウレタン/マレイミドと表示されるテレケリック ポリマーは、その骨格がポリウレタンであり、その末端がマレイミドタイプの反 応性末端であるポリマーである。 テレケリックポリマーの合成のために使用される一官能化発色団の合成 例1:発色団1 ディスパースレッド17(VILMAX)(DR17)25.1gを乾燥ジクロロメ タン400ml中に溶解し、この溶液を氷浴により冷却する。マレイミドベンゾ イルクロライド19gおよび予めシーブ上で乾燥したピリジン7gを加える。こ の溶液をゆっくりと室温まで戻し、数時間撹拌する。この溶液をろ過し、生成物 をメタノール中で析出させる。目的とする一置換生成物をエタノールによる洗浄 および数回の再結晶により精製した。 例2:発色団2 ディスパースレッド(VILMAX)(DR1)3mmol(0.942g)を乾燥 ジクロロメタン80ml中に溶解する。この溶液を冷却し、アクリロイルクロラ イド4mmol(0.362g)および化学量論量の乾燥ピリジンを滴下する。 この溶液を撹拌し、その混合物を室温に戻す。反応が完了したら、混合物をろ過 し、生成物をエーテル中で析出させる。 ついで、これをすすぎ、乾燥した後、再結晶化させる。 例3:発色団3 3mmol(0.942g)のDR17をジクロロメタンに溶解する。この溶 液を氷浴中で冷却し、アクリロイルクロライド3mmol(0.270g)およ び化学量論量のビリジンを滴下する。この溶液を数時間撹拌する。生成物をメタ ノール中で析出させ、乾燥し、数回再結晶化させる。 例4:発色団4 3mmol(0.942g)のDR17をジクロロメタンに溶解する。この溶 液を氷浴中で冷却し、4−ビニルベンゾイルクロライド3mmol(0.270 g)および化学量論量のピリジンを滴下する。この溶液を数時間撹拌する。生成 物を析出させ、乾燥し、数回再結晶化させる。 例5:発色団5 10mmolの以下に示す化合物aをアセトンに溶解する。ついで、ファイフ ァらにより記述された手法(「マクロモレキュールズ」,25,6289,19 92)に従い、10mmolのBrCNおよび化学量論量のトリエチルアミンを 加える。 析出およびアセトン/ヘプタン混合物からの再結晶の後に、6.5mmolの 以下に示す発色団5を得る。 例6:マレイミド停止ポリウレタンの合成。方法A。 1.54グラム(4.48mmol)の発色団DR17を50mlの三つ口フ ラスコに入れ、10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素下に導入す る。この溶液を60℃に熱し、やや過剰のトリルジイソシアネート(5mmol 、0.87g)を加える。合成の6時間後、0.275gの発色団1(0.52 mmol)を加える。この溶液を一晩撹拌する。翌日、ポリマーをメタノール中 で析出させ、その粉末を真空下で乾燥した後、シクロヘキサン中での再析出のた めにTHF中に再溶解した。核磁気共鳴(NMR)、ゲル浸透クロマトグラフィ ー(GPC)、熱重量分析(TGA)および差動走査型熱量測定(differential scanning calorimetry)(DSC)により、得られたポリマーの構造が確認さ れている。 3≦n≦8。 DMAC中の溶液からスピンコートにより得たフィルムを研究する。可溶性ポ リマーフィルムのTgは96℃である。180℃での4時間の熱処理後、フィル ムは不溶性であり、そのTgは178℃である。 例7:マレイミド末端ポリウレタンの合成 方法B 1.54グラムのDR17(4.48mmol)を250mlの三つ口フラス コ内に導入し、10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲気下に 導入する。溶液を60℃に加熱し、0.8mol当量のトリルジイソシアネート (3.59mmol,0.65g)を添加する。 4時間の合成後、マレイミドベンゾイルクロリド(0.8mmol)及び化学 量論量のピリジンを添加する。溶液を室温に置き、1夜撹拌する。翌日、ポリマ ーをメタノール中で沈殿させ、粉体を真空下に乾燥し、次いで、THF中に再溶 解させ、シクロヘキサン中での再沈殿に供する。 NMR、GPC、TGA及びDSCによる分析で、得られたポリマーの構造を 確認する。構造は、例6のポリマーのそれと同一である。 このポリマー(マレイミド末端ポリウレタン)は、使用のための多くの条件: 容易な分極化サイクルを与える安定なTg、不溶性、高い配向安定性、1320 nmにおける透過性、合成の容易性を満たす。 ポリマー骨格の合成に関係する発色団を容易に交換する可能性が、以下の例( 8から16)に説明されている。 方法Bは、これら異なる生成物に用いられた。 例8:スチルベンタイプ誘導体を有するマレイミド末端ポリウレタンの合成 4−(N,N−ジヒドロキシエチルアミノ)−4’−ニト ロスチルベン(DHANS)の合成は、特許 WO 91/03001及び特許US 4 757 130に記載されている。1.5グラムのDHANS(4.48mmol)を5 0mlの三つ口フラスコ内に導入し、10mlのジメチルアセトアミド(DMA C)を窒素雰囲気下に導入する。溶液を60℃に加熱し、0.8mol当量のト リルジイソシアネート(3.59mmol,0.65g)を添加する。4時間の 合成の後、マレイミドベンゾイルクロリド(0.8mmol)及び化学量論量の ピリジンを添加する。溶液を室温に置き、一夜撹拌する。翌日、ポリマーをプロ パノール中で沈殿させ、粉体を真空下に乾燥し、次いで、THFに再溶解させ、 エーテル中の再沈殿に供する。 NMR、GPC、TGA及びDSCによる分析で、得られたポリマーの構造を 確認する。その構造を以下に示す。 このポリマーの溶液は、スピンコーティングによりフイルムに転換し得る。得 られたフイルムは、103℃のTgを有 する。180℃で4時間熱処理した後、フイルムは不溶性になり、そのTgは1 83℃である。 例9:4−ジシアノメチレン−2−メチル−6−p−ジエタノール−アミノス チリル−4H−ピラン(DCM−OH)を有するポリウレタン/マレイミドの合 成 DCM−OHは、その合成がJ.BOURSONらにより論文Optics Communication ,72(6),367,1989に記載されているレーザー染料である。これら著者は、以 下に示すこの分子 に関連するNLO特性を言及していない。 例えば、官能化(functionalization)により、ポリウレタンを合成すること を可能にする。4.48mmolのDCM−OHを、50mlの反応器内に導入 し、10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲気下に導入する。 溶液を60℃に加熱し、0.8mol当量のトリルジイソシアネート(3.59 mmol,0.65g)を添加する。4時間の合成の後、マレイミドベンゾイル クロリド(0.8mmol)及び化学量論量のピリジンを添加する。溶液を室温 に置き、一夜撹拌する。翌日、ポリマーをエタノール中で沈殿させ、橙色の粉体 を真空下に乾燥し、次いで、THF中 に再溶解させ、エタノール中での再沈殿に供する。 DSC、NMR、GPC及びTGAにより、ポリマーの構造を確認する。その 構造を以下に示す。 DMAC中の溶液からスピンコーティングにより得られたフイルムを架橋させ る。架橋前の溶解性ポリマーフイルムのTgは、90℃である。180℃におけ る4時間の熱処理後、フイルムは不溶性になり、そのTgは、175℃である。 例10:3−ジシアノメチレン−5,5−ジメチル−1−(p−ジエタノール アミノスチリル)シクロヘキセンを有するコポリウレタン/マレイミドの合成 上記染料の合成は、非線形光学用ポリマーに関する特許US 4 985 528に記 載されている。この染料の式は以下のとおり。 テレケリックコポリマーは、例6に記載された合成に基づき得ることができる 。4.48mmolの3−ジシアノメチレン−5,5−ジメチル−1−(p−ジ エタノールアミノスチリル)シクロヘキセン及び2.02mmolのN,N−ジ ヒドロキシエチルメタトルイジンを250mlの反応器内に導入し、10mlの ジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲気下に導入する。溶液を60℃に 加熱し、0.8mol当量のトリルジイソシアネート(5.2mmol)を添加 する。4時間の合成の後、マレイミドベンゾイルクロリド(0.8mmol)及 び化学量論量のピリジンを添加する。溶液を室温に置き、一夜撹拌する。翌日、 ポリマーをエタノール中で沈殿させ、赤紫色の粉体を真空下に乾燥し、次いで、 アセトン中に再溶解させ、エーテル中での再沈殿に供する。 DSC、NMR、GPC及びTGAにより、ポリマーの構造を確認する。その 構造を以下に示す。 DMAC中の溶液からスピンコーティングにより得られたフイルムを架橋させ る。架橋前の溶解性ポリマーフイルムのTgは、115℃である。180℃にお ける4時間の熱処理後、フイルムは不溶性になり、そのTgは、185℃である 。 例11:ピリジニウムタイプ発色団を有するポリウレタン/マレイミドの合成 このタイプの発色団は、非線形光学における特性を有するポリマー中の活性分 子として既に用いられている。この活性分子の特性及び合成の記載は、MARDER S.R.らによる論文、Science,245,p.626,1989に見いだすことができる。テレ ケリックポリマーは、上述の方法に従うことにより得られる。すなわち、4.5 mmolのこの活性分子を10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)内に窒 素雰囲気下に導入する。溶液を60℃に加熱し、0.8mol当量のトリルジイ ソシアネート(3.6mol)を添加する。次 いで、合成を4時間進行させ、その後、反応媒質にマレイミドベンゾイルクロリ ド(0.8mmol)及び化学量論量のピリジンを添加する。溶液を室温に置き 、一夜撹拌する。翌日、ポリマーをメタノール中で沈殿させ、橙色の粉体を真空 下に乾燥し、次いで、アセトン中に再溶解させ、エーテル中での再沈殿に供する 。 DMAC中の溶液からスピンコーティングにより得られたフイルムを架橋させ る。架橋前の溶解性ポリマーフイルムのTgは、85℃である。180℃におけ る4時間の熱処理後、フイルムは不溶性になり、そのTgは、165℃である。 例12:アクリル末端ポリウレタンの合成 1.54グラムの発色団DR17(4.48mmol)を50mlの三つ口フ ラスコ内に導入し、10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲気 下に導入する。溶液を60℃に加熱し、わずかに不足したトリルジイソシアネー ト(4mmol,0.69g)を添加する。6時間の合成後、0.45gのアク リロイルクロリド(0.5mmol)及び化学量論量のピリジンを添加する。溶 液を室温で、2、3時間撹拌し、次いで、ポリマーをメタノール中で沈殿させる 。粉体を真空下に乾燥し、次いで、THF中に再溶解させ、ヘプタン中での再沈 殿に供する。 注:方法Aは、発色団3を用いることを念頭におき得る。 NMR、GPC、TGA及びDSCによる分析で、得られたポリマーの構造を 確認する。その構造を以下に示す。 スピンコーティングにより得られたフィルムを180℃で4時間の熱架橋に供 する。Tgは、架橋前は113℃であり、架橋後は147℃である。マット(ma tt)の外観であるフイルムは、不溶性である。 例13:アクリルアミド末端ポリウレタンの合成 1.54グラムの発色団DR17(4.48mmol)を250mlの三つ口 フラスコ内に導入し、10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲 気下に導入する。溶液を60℃に加熱し、わずかに過剰のトリルジイソシアネー ト(5mmol,0.87g)を添加する。6時間の合成後、0.037gのア クリルアミド(0.52mmol)を添加する。溶液を室温で1時間撹拌する。 ポリマーをメタノール中で沈殿させ、真空下に乾燥し、次いで、THF中に再溶 解させ、シクロヘキサン中での再沈殿に供する。 NMR、GPC、TGA及びDSCによる分析で、得られ たポリマーの構造を確認する。その構造を以下に示す。 例14:スチリル末端ポリウレタンの合成 1.54グラムの発色団DR17(4.48mmol)を250mlの三つ口 フラスコ内に導入し、10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲 気下に導入する。溶液を60℃に加熱し、わずかに不足したトリルジイソシアネ ート(4mmol,0.69g)を添加する。6時間の合成後、0.250gの 発色団4(0.5mmol)を添加する。溶液を室温で、2、3時間撹拌し、次 いで、ポリマーをメタノールで沈殿させる。それを真空下に乾燥し、次いで、T HF中に再溶解させ、ヘプタン中での再沈殿に供する。 NMR、GPC、TGA及びDSCによる分析で、得られたポリマーの構造を 確認する。その構造を以下に示す。 例15:シアネート末端ポリウレタンの合成 このポリマーを、例12、方法Bの方法に従い合成する。すなわち、出発材料 は、10mlの無水DMAC中に溶解した1.54gのDR17である。この溶 液を60℃に加熱し、0.930g(5.3mmol)のTDIを添加する。4 時間の合成の後、0.2mol当量の発色団5を添加する。合成を2、3時間継 続し、次いで、溶液を放置し、室温まで戻す。ポリマーをアセトン中で沈殿させ る。沈殿を濯ぎ、次いで、真空下に乾燥する。分光法分析により、ポリマーの構 造を確認する。 例16:例10で用いられた発色団を有するマレイミド末端ポリウレタンの合 成 例10で用いた発色団5.3mmol、1,5−ナフチルジイソシアネート6 .32mmol、及びDMAC8mlを100mlの反応器内に導入する。溶液 を60℃に加熱し、 窒素雰囲気下に撹拌する。30分後、2.1mmolの4−マレイミドフェノー ルを添加し、次いで、混合物を3時間撹拌する。ポリマーをメタノール中の沈殿 により回収し、次いで、15時間50℃で真空下に乾燥する。 架橋前の溶解性ポリマーのTgは、155℃である。220℃における熱処理 1時間の後、ポリマーは、DMAC中で不溶性になり、そのTgは、192℃で ある。 例17:マレイミド末端ポリエステルの合成 1.54グラムのDR17(4.48mmol)を250mlの三つ口フラス コに導入する。10mlの無水DMACを窒素雰囲気下に添加し、60℃に加熱 し、二塩化テレフタロイルとイソフタル酸との等モル混合物、すなわちそれぞれ 1.78mmolを、制御された動作のシリンジにより添加する。この添加前に 、DMAC溶液に化学量論量のピリジンを添加する。6時間の合成の後、180 mgのマレイミドベンゾイルクロリド、20mgのマレイミド安息香酸20mg 、 及び65μlのピリジンを添加する。混合物を室温で1夜撹拌する。翌朝、溶液 をメタノール中で沈殿に供する。 NMR、GPC、DSC及びTGAによる分析で、ポリマーの性質及び構造を 確認する。その構造を以下に示す。 DMAC中の27重量%溶液からスピンコーティングにより得られたフィルム を調べる。溶解性ポリマーフィルムのTgは125℃である。180℃で4時間 熱処理した後、フイルムは不溶性であり、そのTgは135℃である。 例18:発色団1を用いるポリエステル/マレイミドの合成(方法A) 例6、方法Aのポリウレタンの合成用に記載された方法に従う。得られたポリ エステルは、上記例のそれと全ての面において匹敵する。 例19:マレイミド末端ポリアクリレート(方法B) 上記のポリマーは、その合成が上述された染料を用いて得られる。5mmol の発色団2(1.91g)、1mmolの発色団3(0.4g)及び2mmol のメチルアクリレート(0.13g)を、窒素雰囲気下の新たに希釈されたジオ キサン100ml中に溶解する。5重量%のAIBN(0.150g)を添加し 、溶液を80℃に加熱する。2、3時間後、更なる1%AIBNを添加し、重合 を進行させる。6時間後、GPCにより、重合が完了したことが示される。次い で、1.5mmol(0.332g)のマレイミドベンゾイルクロリド及び化学 量論量のピリジンを添加する。合成温度を40℃に下げ、撹拌を一夜継続する。 翌日、ポリマーをヘプタン中で沈殿させ、洗浄し、そして真空下で乾燥する。 NMR、GPC、IR及びDSCによる分析で、得られたポリマーの構造を確 認する。その構造を以下に示す。 DMAC中の27重量%溶液からスピンコーティングにより得られたフィルム を調べる。溶解性ポリマーフィルムのT gは75℃である。160℃で4時間熱処理した後、フィルムは不溶性であり、 そのTgは120℃である。 例20:マレイミド末端ポリカーボネートの合成(方法B) 発色団DR17(4.48mmol)1.54グラムを250mlの三つ口フ ラスコ内に導入し、8mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲気下 に導入する。溶液を60℃に加熱し、DMAC2ml中のわずかな化学量論的に 不足したトリホスゲン(4.0mmol)溶液を、制御された動作のシリンジに より添加する。6時間の合成の後、0.45gのマレイミドベンゾイルクロリド (0.5mmol)及び化学量論量のピリジンを添加する。溶液を室温で2、3 時間撹拌し、次いで、ポリマーをメタノール中で沈殿させる。粉体を真空下に乾 燥し、次いで、THFに再溶解させ、ヘプタン中での再沈殿に供する。 NMR、GPC、TGA及びDSCによる分析で、得られたポリマーの構造を 確認する。その構造を以下に示す。 例21:ポリシロキサン/マレイミドの合成(方法B) 上記ポリマーは、特許US 4 230 898に記載された方法に基づき合成される 。3−ブロモプロペン及びN−エチルアミノ−4’−シアノビフェニルからの( N−エチル−N−2−エンプロピル)アミノ−4’−シアノビフェニルの合成は 、当業者に既知である。ポリマーは、2段階で合成される。まず初めに、発色団 を、トルエン/1,2−ジクロロエタン混合物中のシラノール末端ポリメチル− ハイドロゲン−シロキサン(silanol−terminated polymethyl−hydrigen−silo xane)の溶液と、5重量%の触媒(クロロ白金酸)と共に24時間95℃で反応 させる。次いで、溶液をアセトン中で沈殿させ、沈殿をエタノール中で濯ぐ。部 分的に官能化されたポリシロキサンをTHF中に再溶解させ、その後、過剰のマ レイミドベンゾイルクロリドを添加する。反応を室温で一夜進行させる。翌日、 ポリマーをメタノール中の沈殿により回収し、次いで、真空下に乾燥する。NL Oペンダント基を有するマレイミド末端ポリシロキサンを回収する。 ポリマーのTgは15℃である。120℃で2時間及び160℃で2時間の熱 処理の後、このポリマーのフィルムは不溶化し、85℃付近のTgを有する。 例22:ポリウレタン/マレイミドテレケリック分枝ポリマー(方法B) 極めてわずかの割合の多官能性(トリ−、テトラ−又はペ ンタ官能性)のもをのから、全ての重合コモノマーを反応させてテレケリック分 枝ポリマーを製造する。これにより、重合反応が正常に進行するところである開 始分枝点(incipient branching point)が与えられる。以下の例を示すこと ができる。2gのDR17(5.85mmol)を12mlの無水DMACに窒 素雰囲気下に溶解させる。溶液を60℃に加熱し、次いで、0.5mlの以下に 示すヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)トリマーのDMAC溶液を同時 に添加する(この体積は、0.25mmolイソシアネート基の添加に相当する )。この溶液を60℃で1時間撹拌し、次いで、4.5mmolのTDI(すな わち、780mg)を制御された動作のシリンジをにより添加する。溶液を60 ℃で8時間放置する。温度が低下している間に、1.8mmolのマレイミドベ ンゾイッククロリド及び化学量論量のピリジンを添加する。この溶液を一夜撹拌 する。翌日、これをメタノール中で沈殿させる。ポリマーを真空下に乾燥する。 分光学分析により、意図したポリウレタン/マレイミド分枝構造を確認する。 例23:ポリウレタン/マレイミド−アクリル(方法B)の合成 1.54gの発色団DR17(4.48mmol)を50mlの三つ口フラス コ内に導入し、10mlのジメチルアセトアミド(DMAC)を窒素雰囲気下に 導入する。溶液を60℃に加熱し、わずかな不足のトリルジイソシアネート(4 mmol、0.69g)を添加する。 6時間の合成の後、0.25gのアクリロイルクロリド(0.25mmol) 、0.25mmolのマレイミドベンゾイッククロリド及び化学量論量のピリジ ンを添加する。溶液を室温で2、3時間撹拌し、次いで、ポリマーをメタノール 中で沈殿させる。粉体を真空下に乾燥し、次いで、THF中に再溶解させ、ヘプ タン中の沈殿に供する。統計学的に、両末端においてマレイミド又はアクリルで 終わるポリマーがマイナーな割合で、マレイミド−アクリルで終わるポリマーが 大部分の割合で得られる。 例24:テレケリックポリマーのフイルム形成、配向、及び架橋:ポリウレタ ン/マレイミドの例 例6のポリマーを窒素雰囲下のジメチルアセトアミドに溶解する(20重量% 濃度)。得られた溶液を0.2μフィルター上でろ過し、次いで、約200オン グストロームの層厚の金により被覆されたガラス基質(コーニング7059)上 のプレートコーティング技術(1000rpm)によりフイルムに転換する。こ れにより、約3μのフイルムが得られる。このフイルムを、窒素雰囲気下に50 ℃で5時間予備乾燥し、次いで、真空下に150℃で16時間乾燥する。2番目 の金の層(200オングストローム)をフイルムの上面の上に蒸着させ、第二の 分極電極が構成される。 次いで、金属化されたフイルムを、窒素雰囲気下で、温度を±0.1℃に制御 された光学チャンバ内に導入する。フィ ルムを架橋させるため、光学チャンバの温度を200℃に上昇させ、1時間この 値で維持する。架橋後のTgは、185℃である。 次いで、フイルムを190℃に加熱し、150ボルトのd.c.分極電位Vp を30分間適用する。次いで、試料を室温に冷却し、分極電位を維持する。次い で、フイルムの電気光学係数r13及びr33を光学チャンバ内でファブリー−ペロ 定する。この技術は、R.MEYRUEIXらによる、Nonlinear Optics、vol.1,p.2 01-211,(1991)又はC.A. ELDRINGらによる、Journal of Applied Physics 、vol.69(6),p.3676-3686,(1991)に詳細に記載されている。測定の結果 、r13=1.8pm/V及びr33=6.5pm/Vが得られる。 実験を、数個の資料を用いて、分極場の異なった値で繰り返す。結果を以下の 表に示す。分極場は、全て不溶性で、割れず、基質に完全に接着する(同じ特徴 が、別の基質上に形成された非分極化及び非金属化フイルムについて見られる) 。 これら電気光学係数の安定性は優れており、r33の減少 は、20℃及び100℃でさえも測定し得ない。 17時間後には、r33は135℃で−8%、また155℃で−50%だけ減少 する。 例25:テレケリックポリマーのフイルム形成、配向、及び架橋;ポリウレタ ン/マレイミドの例 例10のポリマーをフイルムに転換し、例24で詳細に述べた方法により乾燥 し、分極化を200℃の光学チャンバ内で行なう。測定された電気光学(EO) 係数は、以下の通りである。 ポリマーは、以下の特徴も有す。 1−数種の熱処理後、Tgは安定である。 2−フイルムは、完全に基質に接着する。 3−フイルムは、不溶性である。 4−電気光学係数の安定性は、先の例で述べたそれに匹敵する。 例26:テレケリックポリマーの形成、配向、及び特徴づけ:ポリウレタン/ シアネートの例 例15のポリマーをフイルムに転換し、例24で詳細に述 べた方法により乾燥する。フイルムへの分極化を187℃で行なう。得られたE O係数は、以下の通り。 特徴づけされたフイルムは、先の例の特徴に匹敵する特徴(アニーリング後T gが安定、フイルムが不溶性、割れない、基質に接着する等)を有する。 電気光学係数の安定性は、顕著である。すなわち、r13が17時間後にわずか 10%減少する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI C08G 69/00 NRB 9286−4J C08G 69/00 NRB 73/00 NTB 9285−4J 73/00 NTB 73/10 NTF 9285−4J 73/10 NTF 75/02 NTW 7446−4J 75/02 NTW 77/04 NUA 7729−4J 77/04 NUA G02B 1/04 9219−2H G02B 1/04 G02F 1/35 504 7625−2K G02F 1/35 504 (72)発明者 メイリュイクス、レミ フランス国、69009 リヨン、リュ・エク トール・ベルリオズ 42 (72)発明者 ルコント、ジャン − ピエール フランス国、69007 リヨン、リュ・デ ュ・リュトナン・コロネル・ジラール 45 (72)発明者 ディケンス、マイケル フランス国、69005 リヨン、リュ・デ・ フォセ ― ドゥ ― トリオン 3

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.光学および非線形光学に使用するための、少なくとも1の発色団を含む架橋 性ポリマーであって、その少なくとも2の末端に、重合およびポリマー骨格の調 製に主に使用された基の化学タイプと異なる化学タイプの反応性末端基を少なく とも1つ有することを特徴とする架橋性ポリマー。 2.反応性末端基が、少なくとも1のCC、CN、CS、SSもしくはNS二重 結合および/または三重結合、および/またはエポキシ基および/またはチオー ル基またはこれら基の誘導体を含むことを特徴とする請求項1記載のポリマー。 3.反応性末端基が、以下の式: (ここで、 Y’は、H、CH3またはClであり、 基Rは、独立に、水素原子、または場合により置換されていることのある低 分子量(C1ないしC6)アルキルもしくはアルキリデン基であり、 R’は、独立に、場合により置換されていることのある C1〜C6アシル基または場合に応じて置換されていることのあるおよび/または 非置換のC1〜C6アシリデン基であり、 RおよびR’は、好ましくは、互いに結合して5ないし となるように選ばれる)を有することを特徴とする請求項1記載のポリマー。 4.反応性末端基が、以下の基のリスト、すなわち、マレイミド、ナジミド(na dimide)、アクリル、メタクリル、アクリルアミド、ビニル、スチリル、アリル 、シリル、シアネート、イソシアネート、チオシアネート、シアナミド、ニトリ ル、エポキシ、アセチレン等、およびそれらの誘導体から選ばれる請求項1また は2記載のポリマー。 5.モル比数:反応性末端基/ポリマー骨格の基本的重合基が、0.004ない し0.5、好ましくは、0.004ないし0.4、さらに好ましくは、0.04 ないし0.2であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載のポ リマー。 6.ポリマー骨格が、以下の基、すなわちウレタン、エステル、アミド、エーテ ル、炭素−炭素、イミド、スルフィド、シランおよびシロキサンの少なくとも1 つから選ばれ、ウレタンおよびエステル基が特に好ましい重合基を包含すること を特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載のポリマー。 7.発色団が、アゾベンゼン、スチルベンおよびブリッジされたスチルベン単位 から選ばれることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項記載のポリマー 。 8.分子量が、1000〜500,000D、好ましくは1000ないし100 ,000D、さらに好ましくは1000ないし50,000Dであることを特徴 とする請求項1ないし7のいずれか1項記載のポリマー。 9.架橋された形態にあることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項記 載のポリマー。 10.ポリマーの反応性末端基と反応し得る化合物から選ばれる架橋性補助剤に より形成されたブリッジを包含することを特徴とする請求項9記載のポリマー。 11.特に請求項1ないし8のいずれか1項記載のポリマーを製造するための方 法であって、 反応性末端基によりモノ官能化された発色団を調製し、 この発色団を少なくとも2つの重合基を有する同種または異種の発色団と反 応させる ことを特徴とする方法。 12.特に請求項1ないし8のいずれか1項記載のポリマー を製造するための方法であって、 官能化された発色団を含むか含まないモノマーからポリマー骨格を調製し、 該ポリマー骨格の末端の少なくとも2つに少なくとも1つの反応性末端基を グラフトさせ、 場合に応じて、ポリマー骨格に発色団を結合する ことを特徴とする方法。 13.請求項1ないし10のいずれか1項記載のポリマーを含有することを特徴 とする材料。 14.請求項13記載の材料で形成されたことを特徴とする光学デバイス。
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