TW201343556A - 水滑石粒子之製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種平均二次粒徑為1~100nm之水滑石粒子之製造方法。本發明係一種水滑石粒子之製造方法,該水滑石粒子藉由頻率分析法所測定之平均二次粒徑為1~100nm,該製造方法係以於反應區之間隙為1~30μm之強制薄膜式微反應器中,使鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液、鹼性物質及層間陰離子進行反應為特徵,且進行反應之鹼性物質相對於鎂金屬與鋁金屬之莫耳比為2~15。
Description
本發明係關於一種細微之水滑石粒子之製造方法。
水滑石粒子自先前以來已為人知曉,其具有藉由陰離子交換而使酸鈍化或優異之酸中和能力。又,水滑石粒子具有可置換構成元素及可變換陰離子之種類的特異性質。熟悉本技藝者活用該等性質而將水滑石粒子利用於醫藥用製酸劑、吸附劑、聚烯烴系樹脂之觸媒殘餘成分之中和劑、氯系樹脂之安定劑等涉及多方面之領域中。例如,關於水滑石粒子之合成方法及其利用,已知下述專利文獻1~3。
近年來,要求提高調配水滑石作為敷料器件等中使用之聚烯烴樹脂組成物等之添加劑時之透明性。業界需要可應對該等要求之微粒子。
另一方面,微反應器係定義為反應區為每一邊小於1mm或500μm之規模之化學反應裝置,與以更大之規模進行反應之其他裝置相比,其能源效率、反應速度、產率、安全性、溫度控制、以高速均勻混合、濃度均勻性之提高、規模擴大等部分之細微條件之控制能力優異。已知細Y字管之微反應器較有名,可合成奈米粒子,但由於反應區之空間微小,因此若進行如水滑石粒子等之晶析反應則會引起配管堵塞,僅可以非常低之濃度進行合成。
然而,如專利文獻4所示之強制薄膜式微反應器雖然反
應區為1~30μm之非常微小之空間,但藉由使圖1所示之裝置圖之下表面圓盤旋轉,可以高濃度合成化合物。
(專利文獻1)日本專利特開昭49-3760號公報
(專利文獻2)日本專利特開昭61-174270號公報
(專利文獻3)WO99/015909號公報
(專利文獻4)日本專利特開2009-131831號
本發明之目的在於提供一種奈米粒子等級之水滑石粒子之製造方法。
本發明者對奈米粒子等級之水滑石粒子之製造方法進行研究。結果發現,若於強制薄膜式微反應器中藉由反應法合成水滑石,則可獲得細微之水滑石粒子,從而完成本發明。即,本發明係一種水滑石粒子之製造方法,該水滑石粒子藉由頻率分析法所測定之平均二次粒徑為1~100nm,該製造方法之特徵在於:於反應區之間隙為1~30μm之強制薄膜式微反應器中,使鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液、鹼性物質及層間陰離子進行反應。
1‧‧‧第1處理面
2‧‧‧第2處理面
3‧‧‧排出口
4‧‧‧旋轉圓盤
5‧‧‧固定圓盤
A‧‧‧鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液
B‧‧‧鹼性物質及層間陰離子
圖1係強制薄膜式微反應器之一例。
本發明之製造方法中,使作為反應原料之鎂鹽與鋁鹽之
混合水溶液、鹼性物質及層間陰離子進行反應。
作為鎂鹽,可列舉氯化鎂、硝酸鎂、硫酸鎂等。作為鋁鹽,可列舉氯化鋁、硝酸鋁、硫酸鋁等。進行反應之鎂金屬與鋁金屬之莫耳比(Mg/Al)較佳為1~12,更佳為2~5。
鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液中之鎂鹽之濃度較佳為0.1~3mol/L,更佳為0.2~2mol/L,進而較佳為0.3~1.5mol/L。鋁鹽之濃度較佳為0.05~2mol/L,更佳為0.1~1.5mol/L。
作為鹼性物質,使用苛性鈉、氨、氫氧化鉀等之水溶液。進行反應之鹼性物質相對於鎂金屬與鋁金屬之合計之莫耳比較佳為2~15,更佳為2.2~10。若該莫耳比低於2,則分散性變差而平均二次粒徑超過100nm。
作為層間陰離子,係使用碳酸鈉、碳酸銨等之水溶液。進行反應之層間陰離子相對於鋁金屬之莫耳比較佳為0.0~10,更佳為1~5。層間陰離子水溶液之濃度較佳為0.001~3mol/L,更佳為0.002~2mol/L。
關於反應溫度,可於較佳為5~90℃,更佳為10~80℃,進而較佳為15~70℃之間進行反應。
本發明之製造方法中,係於反應區之間隙為1~30μm之強制薄膜式微反應器中進行反應。
將本發明中所使用之強制薄膜式微反應器之一例示於圖1。強制薄膜式微反應器較佳為如下者,即該強制薄膜式微反應器具有由相互對向之第1處理面(1)與第2處理面(2)所形成之反應區,第1
處理面(1)與第2處理面(2)可相對地旋轉,且可相對地靠近或離開,並且,藉由原料之供給壓力而於使2個處理用面離開之方向上產生力,且藉由其他方式施加使2個處理用面於靠近之方向上移動之力,而將反應區維持為微小間隔。
原料之鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液(A)係以既定之壓力自反應器之中央部供給至反應區。原料之鹼性物質及層間陰離子(B)係自與鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液(A)不同之供給口供給至反應區。含有藉由反應所生成之細微之水滑石之漿體係自排出口(3)排出。若使用強制薄膜式微反應器,則可於薄膜流體之狀態下進行反應。
圖1中,旋轉圓盤(4)旋轉,固定圓盤(5)不旋轉,但只要旋轉圓盤(4)及固定圓盤(5)相對地旋轉即可,可一者旋轉而另一者停止,亦可彼此向相反方向旋轉。旋轉圓盤(4)之相對轉速較佳為400~3500rpm,更佳為500~2000rpm。
第1處理面(1)與第2處理面(2)之空隙,即反應區之間隙為1~30μm,較佳為3~20μm,更佳為5~15μm。
第1處理面(1)為中空圓板狀,固定於圓板狀之固定圓盤(5)上。又,第2處理面(2)為中空圓板狀,固定於圓板狀之旋轉圓盤(4)上。
鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液(A)於反應區中之流量較佳為10~250ml/s,更佳為15~200ml/s。鹼性物質及層間陰離子(B)於反應區中之流量較佳為10~250ml/s,更佳為15~200ml/s。
作為強制薄膜式微反應器,可使用M-Technique股份有限公司製造之微反應器ULREA SS-11。該裝置係反應區之間隙為1~30μm之強制薄膜式微反應器,具有藉由圓盤旋轉而將晶析形成之水滑
石漿體排出之機構。該裝置為於圓盤內進行晶析反應後,立刻排出至裝置外之連續式之反應裝置。因此,即便反應區間隙為細微之1~30μm,但所生成之晶析物不會於反應器內堵塞,可以高濃度進行反應,且可獲得奈米粒子。
根據本發明所獲得之水滑石粒子藉由頻率分析法所測定之平均二次粒徑為1~100nm,較佳為10~90nm,更佳為20~80nm。
水滑石粒子之組成並無特別限定,例如,較佳為下述式(1)所表示之組成之粒子。
[(M1 2+)y1(M2 2+)y2]1-xMx 3+(OH)2An- x/n.mH2O……(1)
式中,M1 2+係表示自Mg、Zn、Ca、Sr、Cu、Fe、Mn、Co、Ni、Sn、Pb、Cd及Ba所組成之群組中選擇之至少一種2價金屬。M2 2+係表示自Zn、Ca、Sr、Cu、Fe、Mn、Co、Ni、Sn、Pb、Cd及Ba所組成之群組中選擇之至少一種2價金屬。M3+表示Al、Fe等3價金屬。
An-表示n價陰離子。作為陰離子,可列舉氯離子、碳酸離子等。
x、y1、y2及m分別表示下述式所表示之正數。
0<x≦0.5,0.5≦y1+y2<1,0≦m<2,上述式(1)中,較佳為M1 2+為Mg,M2 2+為Zn,M3+為Al。
本發明中所使用之水滑石粒子可將其本身調配於樹脂中,亦可藉由表面處理劑對粒子進行處理後使用。
作為表面處理劑,較佳為自高級脂肪酸、高級醇之硫酸酯、鈦酸酯偶合劑、矽烷偶合劑、鋁酸酯偶合劑、多元醇與脂肪酸之酯、磷酸酯及陰離子系界面活性劑所組成之群組中選擇之至少一種。
作為高級脂肪酸,可列舉硬脂酸、芥子酸、棕櫚酸、月桂酸、二十二酸等碳數10以上之高級脂肪酸。又,可列舉該等高級脂肪酸之鹼金屬鹽。
作為高級醇之硫酸酯,可列舉硬脂醇硫酸酯、油醇硫酸酯等。
作為鈦酸酯系偶合劑,可列舉:三異硬脂醯基鈦酸異丙酯、三(二辛基焦磷醯氧基)鈦酸異丙酯(isopropyl tris(dioctyl pyrophosphate)titanate)、三(N-胺基乙基-胺基乙基)鈦酸異丙酯、三(癸基苯磺醯基)鈦酸異丙酯等。
作為矽烷偶合劑,可列舉:乙烯基乙氧基矽烷、乙烯基-三(2-甲氧基-乙氧基)矽烷、γ-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷、γ-胺基丙基三甲氧基矽烷、β-(3,4-環氧環己基)乙基三甲氧基矽烷、γ-環氧丙氧基丙基三甲氧基矽烷、γ-巰基丙基三甲氧基矽烷等。
作為鋁酸酯偶合劑,可列舉乙醯烷氧基二異丙醇鋁等。
作為多元醇與脂肪酸之酯,可列舉甘油單硬脂酸酯、甘油單油酸酯等。
作為磷酸酯,可列舉正磷酸與油醇之單酯、二酯或該等
之混合物,正磷酸與硬脂醇之單酯、二酯或該等之混合物。又,可列舉該等酯之酸式鹽或鹼金屬鹽或者胺鹽等。
作為陰離子系界面活性劑,可列舉:聚乙二醇醚之硫酸酯鹽、醯胺鍵結硫酸酯鹽、酯鍵結硫酸酯鹽、酯鍵結磺酸酯、醯胺鍵結磺酸鹽、醚鍵結磺酸鹽、醚鍵結烷基芳基磺酸鹽、酯鍵結烷基芳基磺酸鹽、醯胺鍵結烷基芳基磺酸鹽等。
使用上述表面處理劑進行水滑石粒子之表面塗佈處理可藉由其本身公知之濕式或乾式法而實施。例如,作為濕式法,將該表面處理劑以液狀或乳液狀添加於水滑石粒子之漿體中,於達約100℃之溫度下以機械方式充分混合即可。作為乾式法,於藉由亨舍爾混合機(Henschel mixer)等混合機將水滑石粒子充分攪拌下,以液狀、乳液狀、固體狀添加表面處理劑,於加熱或非加熱下充分混合即可。
表面處理劑之添加量可適當選擇,較佳為以該水滑石粒子之重量為基準為10重量%以下。
經表面處理之水滑石粒子可視需要適當選擇實施例如水洗、脫水、造粒、乾燥、粉碎、分級等手段,而獲得最終製品形態。
本發明之水滑石粒子可含於樹脂中。樹脂較佳為熱塑性樹脂。作為其例,可例示如聚乙烯、聚丙烯、乙烯/丙烯共聚合體、聚丁烯、聚(4-甲基戊烯-1)等C2~C8烯烴(α-烯烴)之聚合體或共聚合體、該等C2~C8烯烴與二烯之共聚合體類、乙烯-丙烯酸酯共聚合體、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS,Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)樹脂、丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯(AAS,Acrylonitrile-Acrylic ester-Styrene)樹脂、丙烯腈-苯乙烯(AS,Acrylonitrile-Styrene)樹脂、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS,Methyl methacrylate-Butadiene-Styrene)樹脂、
乙烯/氯乙烯共聚合樹脂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物樹脂、乙烯-氯乙烯-乙酸乙烯酯接枝聚合樹脂、偏二氯乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、氯化聚丙烯、氯乙烯-丙烯共聚合體、乙酸乙烯酯樹脂、苯氧基樹脂、聚縮醛、聚醯胺、聚醯亞胺、聚碳酸酯、聚碸、聚苯醚、聚苯硫醚、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、甲基丙烯酸系樹脂等熱塑性樹脂。
作為聚烯烴,係聚丙烯均聚物、乙烯-丙烯共聚合體之類之聚丙烯系樹脂,高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、直鏈狀低密度聚乙烯、超低密度聚乙烯、EVA(乙烯-乙酸乙烯酯(Ethylene-Vinyl Acetate)樹脂)、EEA(乙烯-丙烯酸乙酯(Ethylene-Ethyl Acrylate)樹脂)、EMA(乙烯-丙烯酸甲酯(Ethylene-Methyl Acrylate)共聚合樹脂)、EAA(乙烯-丙烯酸(Ethylene-Acrylic Acid)共聚合樹脂)、超高分子量聚乙烯之類之聚乙烯系樹脂,及聚丁烯、聚(4-甲基戊烯-1)等C2~C6之烯烴(α-乙烯)之聚合體或共聚合體。該等中,聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚(4-甲基戊烯-1)或該等之共聚合體尤其適合於本發明之組成物。該等聚烯烴含有源自聚合觸媒之鹵素,本發明之組成物對於因該鹵素而引起之熱劣化極為有效。
進而,可列舉環氧樹脂、酚樹脂、三聚氰胺樹脂、不飽和聚酯樹脂、醇酸樹脂、脲樹脂等熱硬化性樹脂。又,可例示乙烯-丙烯-二烯單體(EPDM,Ethylene-Propylene-Diene Monomer)、丁基橡膠、異戊二烯橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR,Styrene-Butadiene Rubber)、丁腈橡膠(NBR,Nitrile-Butadiene Rubber)、氯磺化聚乙烯等合成橡膠。樹脂較佳為聚烯烴、聚氯乙烯或橡膠。
調配於樹脂中之水滑石粒子之比例係每100重量份樹脂
為0.001~300重量份,較佳為0.01~200重量份,但其調配比例根據目的之不同而其較佳之比例不同。例如,於作為安定劑使用之情況,每100重量份樹脂為0.001~10重量份,較佳為0.01~5重量份,例如,作為難燃劑使用之情況,每100重量份樹脂為10~300重量份,較佳為30~200重量份。
為了製備樹脂組成物而將水滑石粒子調配於樹脂中之手段並無特別限制,例如,藉由與將安定劑或填充劑等調配於該等樹脂中之公知慣用之調配手段相同之手段,與其他樹脂調配材一起或單獨地儘可能均勻地調配於合成樹脂中即可。例如,可例示:利用帶型攪拌機、高速混合器、捏合機、造粒機、擠出機等公知混合手段進行調配之手段,或將以水滑石粒子作為有效成分之熱劣化劑之懸浮液添加於聚合後之漿體中進行攪拌而混合,且進行乾燥之手段等。
本發明之樹脂組成物中,除上述成分以外亦可調配慣用之其他添加劑。
作為此種添加劑,例如可例示:抗氧化劑、紫外線抑制劑、抗靜電劑、顏料、發泡劑、可塑劑、填充劑、增強劑、有機鹵素難燃劑、交聯劑、光安定劑、紫外線吸收劑、滑劑、其他無機系及有機系熱安定劑等。
於將本發明之水滑石粒子用作樹脂用難燃劑之情況,雖然係以上述樹脂及水滑石粒子實質地形成,但亦可進一步調配難燃助劑。藉由調配該難燃助劑,可減少水滑石粒子之調配比例,又,可增大難燃效果。作為難燃助劑,較佳為紅磷、碳粉末或該等之混合物。作為紅磷,除難燃劑用之通常之紅磷以外,例如可使用以熱硬化性樹脂、聚烯烴、羧酸聚合體、氧化鈦或鈦鋁縮合物將表面被覆之紅磷。
又,作為碳粉末,可列舉碳黑、活性碳或石墨,作為該碳黑,可為藉由油爐法、燃氣爐法、槽法(channel method)、熱法或乙炔法中之任一方法所製備者。
將上述樹脂組成物成形可製造成形品。
以下,藉由實施例及比較例詳細地說明本發明之內容,但本發明並不僅限於該等實施例。
水滑石粒子之(a)粒度分佈及平均二次粒徑、(b)X射線構造分析係根據以下之方法進行測定。
使用日機裝之粒度分佈裝置UPA-UT151(動態光散射法頻率分析)、日機裝之Microtrac MT3300EX II進行測定。測定時之溶劑為離子交換水,利用超音波對水滑石漿體進行5分鐘處理後實施測定。進行合計2次測定,將各自之平均測定值作為試樣之平均二次粒徑。
使用Rigaku公司之RINT2200V。
使用微反應器ULREA SS-11,原料係以10ml/min之流量供給0.688mol/L之氯化鎂與0.172mol/L之硫酸鋁之混合水溶液,
且以250ml/min之流量供給0.300N之苛性鈉與0.017mol/L之碳酸鈉之鹼性混合溶液,於反應溫度20℃、反應區間隙10μm、旋轉圓盤之轉速1700rpm下進行反應而獲得漿體。
對所獲得之漿體藉由離心分離機進行沉澱分離,且利用離子交換水洗淨。利用離子交換水將洗淨後之固形份乳化,利用超音波處理5分鐘後,使用日機裝之粒度分佈裝置UPA-UT151(動態光散射法頻率分析)進行測定,結果獲得平均二次粒徑19.8nm之粒子。利用X射線繞射裝置進行分析,結果為下述式所表示之水滑石粒子。
Mg0.70Al0.30(OH)2(CO3)0.15.0.49H2O
使用上述ULREA SS-11,原料係於水溶液溫度77℃下,以10ml/min之流量供給0.688mol/L之氯化鎂與0.172mol/L之硫酸鋁之20℃之混合水溶液,且以250ml/min之流量供給0.300N之苛性鈉與0.017mol/L之碳酸鈉之鹼性混合溶液,於反應區間隙10μm、旋轉圓盤之轉速1700rpm下進行反應而獲得漿體。
對所獲得之漿體藉由離心分離機進行沉澱分離,且利用離子交換水洗淨。利用離子交換水將洗淨後之固形份乳化,利用超音波進行5分鐘處理後,使用日機裝之粒度分佈裝置UPA-UT151(動態光散射法 頻率分析)進行測定,結果獲得平均二次粒徑30.1nm之粒子。利用X射線繞射裝置進行分析,結果為下述式所表示之水滑石粒子。
Mg0.70Al0.30(OH)2(CO3)0.05.0.49H2O
使用上述ULREA SS-11,原料係以10ml/min之流量供給0.516mol/L之氯化鎂與0.129mol/L之硫酸鋁之混合水溶液,且以250ml/min之流量供給0.225N之苛性鈉與0.013mol/L之碳酸鈉之鹼性混合溶液,於反應溫度35℃、反應區間隙10μm、旋轉圓盤之轉速1700rpm下進行反應而獲得漿體。
對所獲得之漿體藉由離心分離機進行沉澱分離,且利用離子交換水洗淨。利用離子交換水將洗淨後之固形份乳化,利用超音波進行5分鐘處理後,使用日機裝之粒度分佈裝置UPA-UT151(動態光散射法頻率分析)進行測定,結果獲得平均二次粒徑69.5nm之粒子。利用Rigaku股份有限公司之X射線繞射裝置RINT2200V進行分析,結果為下述式所表示之水滑石粒子。
Mg0.70Al0.30(OH)2(CO3)0.15.0.49H2O
使用ULREA SS-11,原料係以50.0ml/min之流量供給1.032mol/L之氯化鎂與0.258mol/L之硫酸鋁之混合水溶液,且以55.8ml/min之流量供給2.703N之苛性鈉與0.154mol/L之碳酸鈉之鹼性混合溶液,於反應溫度35℃、反應區間隙10μm、旋轉圓盤之轉速1700rpm下進行反應而獲得漿體。
對所獲得之漿體藉由離心分離機進行沉澱分離,且利用離子交換水洗淨。利用離子交換水將洗淨後之固形份乳化,利用超音波進行5分鐘處理後,使用日機裝之粒度分佈裝置UPA-UT151(動態光散射法頻率分析)進行測定,結果獲得平均二次粒徑344nm之粒子。利用Rigaku股份有限公司之X射線繞射裝置RINT2200V進行分析,
結果為下述式所表示之水滑石粒子。
Mg0.67Al0.33(OH)2(CO3)0.17.0.5H2O
使用與實施例3相同之原料,反應器使用通常之燒杯而進行批次式反應,溫度調整為35℃歷時1分鐘將0.516mol/L之氯化鎂與0.129mol/L之硫酸鋁之混合水溶液10ml注入至攪拌下之0.225mol/L之苛性鈉與0.013mol/L之碳酸鈉的鹼性混合溶液250ml中而獲得漿體。
對所獲得之漿體藉由離心分離機進行沉澱分離,且利用離子交換水洗淨。利用離子交換水將洗淨後之固形份再乳化而獲得漿體。使用日機裝之Microtrac MT3300EX II藉由雷射繞射散射法進行粒度測定,結果平均二次粒徑為3818nm。利用Rigaku股份有限公司之X射線繞射裝置RINT2200V進行分析,結果為下述式所表示之水滑石粒子。
Mg0.70Al0.30(OH)2(CO3)0.15.0.48H2O
藉由使用M-Technique股份有限公司製造之微反應器ULREA SS-11進行水滑石之晶析反應,可獲得平均二次粒徑未滿100nm之奈米粒子。
根據本發明之製造方法,可獲得平均二次粒徑(藉由頻率分析法進行測定)為1~100nm,較佳為10~90nm之水滑石粒子。
若將藉由習知方法所獲得之水滑石粒子粉碎,則存在因與粉碎介質接觸而產生之污染,藉由添加包含有機物等之添加劑而獲得之水滑石粒子有可能該添加劑發揮作為雜質之作用,但根據本發明所獲得之水滑石粒子由於係由使用習知之水滑石原料之反應而合成,故而無污染,即便不添加添加劑亦可獲得奈米粒子。
根據本發明所獲得之水滑石粒子為非常小之100nm以下,透明性較高,故而可期待獲得透明性優於習知之100nm以上之水滑石的成形品。
使用習知之反應容器之水滑石粒子之反應中,分散性較差而形成凝集粒子,但藉由本發明可提供為微粒子且分散性良好之水滑石粒子。
本發明之水滑石粒子由於粒徑為非常小之數十奈米,因此可期待應用於小型電子機器或薄膜等迄今為止之次微米級之粒子無法適用之領域中。又,由於粒子尺寸細微,因此透明性亦較高,亦可考慮使用於需要透明性之領域中。
本發明之水滑石粒子可用於熱安定劑、耐熱劣化劑、導熱劑、受酸劑、吸附劑、增黏劑、難燃劑、增強劑等。
Claims (3)
- 一種水滑石粒子之製造方法,該水滑石粒子藉由頻率分析法所測定之平均二次粒徑為1~100nm,該製造方法之特徵在於:於反應區之間隙為1~30μm之強制薄膜式微反應器中,使鎂鹽與鋁鹽之混合水溶液、鹼性物質及層間陰離子進行反應。
- 如申請專利範圍第1項之製造方法,其中,鹼性物質相對於鎂金屬與鋁金屬之合計之莫耳比為2~15。
- 如申請專利範圍第1項之製造方法,其中,強制薄膜式微反應器係具有由相互對向之第1處理面(1)與第2處理面(2)所形成之反應區,第1處理面(1)與第2處理面(2)可相對地旋轉,且可相對地靠近或離開,並且,藉由原料之供給壓力而於使2個處理用面離開之方向上產生力,且藉由其他方式施加使2個處理用面於靠近之方向上移動之力,而將反應區維持為微小間隔。
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