BRPI0709088A2 - processo para a preparação de uma emulsão aquosa de borracha - Google Patents
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Abstract
PROCESSO PARA A PREPARAçãO DE UMA EMULSãO AQUOSA DE BORRACHA. Processo para preparação de uma emulsão aquosa de borracha (látex artificial), compreendendo as etapas de: (a) redução do tamanho da borracha, através da qual grânulos são produzidos com tempos de dissolução menores; (b) formação de cimento, em que os grânulos da etapa (a) são dissolvidos em um solvente hidrocarboneto apropriado; (c) preparação de uma solução aquosa de sabão; (d) emulsificação do cimento formado na etapa (b), usando a solução aquosa de sabão preparada na etapa (c), formando assim uma emulsão óleo-em-água; (e) remoção do solvente hidrocarboneto, resultando em uma emulsão aquosa de borracha, e opcionalmente (f) concentração da emulsão, formando um látex artificial com um teor de sólidos elevado, em que na etapa (a) a redução de tamanho é realizada usando um picador e/ou granulador caracterizado pelo fato de que um sabão é usado como auxiliar no processamento, preferivelmente idêntico ao sabão usado nas etapas (c) e (d).
Description
"PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE UMA EMULSÃO AQUOSADE BORRACHA"
Campo Técnico
A presente invenção se refere a um processo para produção deemulsões de borracha em água (chamado "látex artificial"). Maisparticularmente, a invenção se refere à preparação de um látex de polímero dedieno conjugado, mais especificamente um látex de borracha de isopreno.
Antecedentes da técnica
Ambos, látex de borracha natural e sintética são emulsões deborracha em água. As emulsões são estabilizadas com proteínas ou agentestensoativos. O diâmetro médio das partículas de borracha é tão baixo quanto0,1 mícron para alguns látices sintéticos a quase 1 mícron para látex natural.
O termo "látex" é aplicado para látex sintético assim como natural, e troncoscom o nome botânico do fluido leitoso que é derivado de árvores de borrachae que são a fonte de borracha natural. O termo "soro" é usado para o meioaquoso.
O processo para produção de emulsões de borracha em água jáé conhecido a vários anos. Por exemplo,
no Documento de Patente 0001: US 2595797 --,
as seguintes etapas são conhecidas:
1. preparar de uma solução de um polímero do tipo deborracha em um solvente orgânico volátil insolúvel em água com umaconcentração suficiente para emulsificação.
2. introduzir a solução sob pressão em água contendo umagente tensoativo (por exemplo, dioctil éster de ácido sulfo-sucínico desódio).
3. adicionar um anti-espumante (por exemplo, óleo depolissilicone) e agitar a mistura até que uma emulsão seja obtida.
4. remover o solvente através de destilação instantânea (aomesmo tempo evitando a espumação excessiva).
5. concentrar o teor de sólidos da emulsão permitindo que aemulsão descanse por 24 horas e remover o soro (contendo menos do que 2%de sólidos).
Igualmente
no Documento de Patente 0002; US 2799662 --,
é descrito um processo para produção de dispersões aquosas deelastômero em que o método consiste de diversas etapas integradas queincluem a dissolução do material polimérico seco em um solventeapropriadamente selecionado, dispersando a solução de polímero deste modopreparada em um sistema água-emulsificador cuidadosamente selecionado eajustado e, finalmente, extrair o solvente para deixar a dispersão de polímero.
De acordo com esta referência, na preparação do sistema emulsificadoraquoso, é altamente desejável ter a presença de dois emulsificadores, um dotipo que é solúvel em hidrocarboneto (por exemplo, sulfonatos de metalalcalino de petróleo tendo de 20 a 21 átomos de carbono dispostos em umaestrutura alquil-arila), e um do tipo solúvel em água (por exemplo, derivadosde sulfato de metal alcalino de álcoois superiores). A emulsificação damistura de solvente de polímero e da mistura aquosa de emulsificador érealizada sob condições que evitam a destilação instantânea do solvente.
O problema da estabilidade da emulsão quando da extração dosolvente é abordado no Documento de Patente 0003: US 2871137 --,
que provê um método para preparar agentes emulsificadorescom base nos polímeros de hidrocarbornetos que são emulsificados.
Um método para preparar emulsões estáveis de materiaispoliméricos ou resinosos é descrito também
no Documento de Patente 0004: US 2947715 --,
Isto é realizado através da dissolução da borracha ou resina emum solvente apropriado, adicionando um agente formador de creme à soluçãode polímero durante a emulsificação, e formando um creme do látexresultante antes da remoção do solvente, removendo o solvente e depois maisuma vez formando um creme do látex sem solvente.
No Documento de Patente 0005: US 2955094 --
ácido orto-fosfórico e sais de sulfato orgânico são usadoscomo emulsificadores na preparação de emulsões de látices a partir depolímeros de hidrocarbonetos. Como indicado nesta referência, à experiênciamostrou que látices são relativamente instáveis e tendem a coagular quandosubmetidos a tensão mecânica. A instabilidade mecânica pode ser ocasionadapelo movimento simples de um agitador misturando o colóide. Os custos demanutenção são aumentados porque o equipamento fica coberto com aborracha coagulada e, além disso, uma quantidade apreciável de borracha éperdida. Outro tipo de instabilidade encontrada com látices de polímeros éque eles liberam óleo e desenvolvem coágulos durante a etapa de remoção desolvente.
No Documento de Patente 0006: US 3250737 --,
foi mencionado que elastômeros sintéticos produzidos atravésde métodos de polimerização da solução tem recebido muita atenção devidoaos avanços e mudanças na tecnologia. Esta referência especifica comoproduzir látices concentrados de elastômeros sintéticos a partir de soluçõesorgânicas dos mesmos de uma maneira rápida, eficiente e econômica. Isto érealizado misturando uma solução de um elastômero sintético em um solventeorgânico, água e um agente emulsificante, homogeneizando a mistura pelomenos até que a emulsão resultante esteja estável, extraindo o solventeorgânico a temperaturas e pressões elevadas abaixo das condições em que aágua entra em ebulição, centrifugando o látex aquoso diluído resultante,recuperando e reciclando o soro aquoso a partir da referida etapa decentrifugação e recuperando o látex concentrado. Esta referência se concentranas etapas de destilação instantânea e centrifugação, não levando em contacomo é feita a solução de hidrocarboneto.
Para dar uma impressão do processo total como descrito natécnica antecedente, referências são feitas ao processo descrito no capítulo 9do
Documento não Patente 0001: Stanford Research Institute.
PEP Relatório N°. 82. : SRI, 1972.
Além disso, uma solução de polisopreno em isopentano éalimentada para um tanque de pré-misturação, onde ela é. pré-misturada comuma solução de sabão (na maioria das vezes reciclo de soro) doarmazenamento de soro. A mistura é alimentada para um circuito deemulsificação em que a relação de reciclo para alimentação nova é cerca de2/1. O emulsifícador é uma bomba centrífuga de alta velocidade (3,500 rpm).A emulsão passa para um tanque de contenção onde a emulsão é mantida por3 horas, permitindo que qualquer "creme" (emulsão com partículasdemasiadamente grandes) se eleve para o topo e seja reciclado. Cerca de 1%da emulsão é reciclada desta forma para assegurar a emulsificação completade qualquer quantidade menor não previamente completamente emulsificada.Se qualquer porção de cimento emulsificado está na forma de partículasdemasiadamente grandes, quando o solvente é destilado instantaneamente ouextraído desta porção, o polímero resultante não pode permanecer nasuspensão coloidal, mas irá se depositar e obstruir com incrustações oequipamento. Do tanque de contenção, a emulsão é passada para umaquecedor onde uma porção substancial de solvente (mas somente umaporção menor de água) é vaporizado em bolhas gasosas, causando a formaçãode uma espuma parecida com um creme batido. A espuma passa por umtanque sincronizado para permitir que o solvente alcance sua concentração deequilíbrio com relação ao polímero por toda parte da espuma. A espuma éentão resfriada IOO0F a cerca de 10 psig (68,9 kPa), causando a condensaçãodo solvente e o colapso da espuma. O solvente condensado forma uma faselíquida separada da fase aquosa da emulsão. A mistura passa por umcoalescedor acondicionado com lã de aço dentro de um separador. O solventeseparado é transferido para o tanque de compensação de solvente. A emulsãoé centrifugada e concentrada em uma centrífuga onde uma quantidade de soroé separada e reciclada para o tanque de armazenamento de soro. Caso aspartículas de polímero na emulsão concentrada ainda contenham solvente, aemulsão é passada por um segundo estágio de formação de espuma, colapso eseparação da fase. O solvente separado no segundo estágio é transferidotambém para o tanque de compensação de solvente. A fase em emulsão dosegundo estágio é aquecida a 82,22°C em um aquecedor para destilarinstantaneamente o solvente restante em um tanque de destilação instantânea.O solvente é condensado e armazenado no tanque de compensação desolvente. Alguma água é também destilada instantaneamente do tanque dedestilação instantânea, e é condensada, separada, e reciclada para o tanquecom a solução de sabão. O látex do tanque de destilação instantânea contémcerca de 24% de sólidos de borracha. Ele é resinado a 1IO0F em um resfriadorde emulsão, concentrado a 64% em uma centrífuga e finalmente coletado earmazenado em um vaso de armazenamento do produto látex. O soro giradona etapa de concentração é reciclado para o vaso de armazenamento de soro.
No Documento de Patente 0007: GB 1295250
é descrita uma invenção com relação a produção de láticesaquosos a partir de dispersões de solventes de composições com alto teor depolímero. O processo envolve a remoção do solvente através de uma extraçãoalongada e progressiva. No início do processo, um polímero de elevado teoresta sendo trabalhado em um equipamento de mastigação, tal como ummoinho de borracha, Balburry ou similar, onde o material do polímero emtemperatura elevada e/ou forças de cisalhamento altas é mastigado comcompostos tal como cargas de semi- ou não reforço, amaciantes, produtosartificiais e outros auxiliares do processo para alcançar a viscosidade deprocessamento desejada. Desta maneira, parecerá que o processo destareferência introduz material estranho dentro do polímero. Além do mais, aconseqüência da mastigação é a redução do peso molecular médio, isto é, adegradação que resulta na redução da viscosidade. Um processo paragranulação de polímero, embora deixando o peso molecular intacto não édescrito.
No Documento de patente 0008: GB 893066é descrito um processo para fabricar emulsões, látices eespumas com base em eis-1,4-poliisopreno. Esta referência descreveprocessamentos que produzem eis-1,4-poliisopreno como um farelo sólido, eintroduz a preparação de emulsões e látices de eis-1,4-poliisopreno a partir desistemas de polimerização em emulsão. O poliisopreno, que de fato pode terum teor de eis-1,4 de cerca de 85 a 97% ou superior, pode ser preparado porqualquer meio de polimerização em emulsão conhecido realizado em umdiluente inerte onde o polímero resultante é contido na solução do diluente nofinal da polimerização. Esta referência provê uma descrição detalhada doprocedimento de emulsificação, onde a solução de polímero é usada. Areferência não descreve a preparação de tal solução a partir de poliisoprenoseco.
No Documento de Patente 0009: US 3310515 --,
se refere a preparação de látices a partir de soluções desolvente orgânico de elastômeros. Látex sintético é altamente utilizável naprodução de espuma de borracha ou produções de células. No procedimentousual para a preparação de um látex a partir de soluções de polímeros, oobjetivo principal é preparar um látex que, embora instável o suficiente paraconduzir a geleificação para formar uma esponja contínua ou um molde finode imersão, é resistente a formação de coagulo nas etapas de processamentode formação, extração e concentração. A invenção provê um processo para apreparação de látices de elastômeros sintéticos tendo o aspecto desejável detamanho de partícula médio dentro de uma faixa necessária para aestabilidade adequada e ao mesmo tempo sendo apropriado para aconcentração por qualquer de vários meios, que compreendam aemulsificação de um cimento de elastômero e subseqüentemente tratamentopara obter um látex de elastômero em um meio aquoso. Elastômeros que estãona forma sólida podem ser dissolvidos ou re-dissolvidos, mas como isto éfeito não é descrito.
Curiosamente, a etapa de dissolução do material poliméricoseco em um solvente apropriado não é geralmente descrita em detalhes,considerando que esta etapa possa ser um obstáculo e/ou causar problemasadicionais no processo e/ou no látex produzido a partir da solução de solventeorgânico de polímero de hidrocarboneto.
Além disso, é de conhecimento comum que partículas menores(superfície maior) se dissolvem mais rápido do que partículas maiores.Borracha de isopreno (daqui em diante "IR") e polímeros de hidrocarbonetosimilares são vendidos e transportados geralmente em pacotes. Para dissolverIR mais rapidamente no solvente orgânico, seria por esse motivo óbvio picare/ou granular os polímeros de hidrocarboneto.
Documento de Patente 0010: GB 983297
por exemplo, se refere a um processo para produzir umadispersão aquosa de um material de polímero de dieno, a dispersão sendopreparada através da formação de uma solução de polímero em um solventeimiscível em água, adicionando um agente emulsificante, formando umaemulsão da mistura resultante e removendo o solvente da emulsão. Noexemplo 1 cis-l,4-poliisopreno foi cortado/picado em pedaços de /4"quadradas por V4" de espessura. Esta referência não descreve a etapa de cortá-lo e/ou picá-lo. Por outro lado, IR e materiais de borracha similares sãodifíceis de picar e/ou granular e também tem uma tendência - caso existaalguma forma de transporte ou armazenamento antes da etapa de dissolução -a se re-aglomerarem (devido a suas propriedades de fluxo no estado frio).Conseqüentemente, permanece ainda a necessidade de melhorar os processosda técnica antecedente. Uma conclusão similar pode ser tirada com base no
Documento de Patente 0011: US 5792494que simplesmente descreve a redução de tamanho deelastômeros sólidos (por exemplo, através de trituração) para menos do quecinco centímetros. Como fazer isto eficientemente, e sem o bloqueio e/ouintrodução de material estranho, não é discutido.
O uso de agentes de polvilhamento (tais como talco, ouestereato de zinco, etc.) é comum para evitar a coagulação das partículas depolímero. Por outro lado, é altamente indesejável ter um material estranho noslátices resultantes. Na verdade, na preparação de artigos de moldes deimersão, tais como luvas cirúrgicas ou para exames e preservativos esimilares, qualquer forma de material estranho deveria ser evitada. O uso detalco é por esse motivo não recomendado.
É um objetivo desta invenção prover um processo melhoradopara a preparação de uma solução de solvente orgânico de polímero dehidrocarborneto que seja utilizável na preparação de um látex de polímero. Eainda um objetivo desta invenção prover um processo melhorado parafabricação de um látex de polímero.
Pode por este motivo ser claro que ainda existe um interesseem um processo para preparar um látex artificial sem sofrer com asdesvantagens mencionadas acima. Os requerentes provêem daqui por diante,modificações do processo que cada separadamente, mas em particular quandocombinadas, melhoram substancialmente a praticabilidade do processo depreparação, enquanto mantém a alta qualidade do látex preparado destaforma.
Descrição da Invenção
Processo para preparação de uma emulsão aquosa de borracha(látex artificial), compreendendo as etapas:
(a) redução do tamanho da borracha, por meio da qual sãoproduzidos grânulos com um tempo menor de dissolução;
(b) formação de cimento, em que os grânulos da etapa (a) sãodissolvidos em um solvente hidrocarboneto apropriado;
(c) preparação de uma solução aquosa de sabão;
(d) emulsificação do cimento formado na etapa (b), usando asolução aquosa de sabão preparada na etapa (c), formando assim uma emulsãoóleo-em-água;
(e) remoção do solvente hidrocarboneto, resultando em umaemulsão aquosa de borracha, e opcionalmente,
(f) concentração da emulsão, formando um látex artificial comum teor de sólidos elevado, em que na etapa (a) a redução de tamanho érealizada usando um picador e/ou granulador caracterizada pelo fato de queum sabão é usado como auxiliar no processamento, preferivelmente idênticoao sabão usado nas etapas (c) e (d).
Método para a Invenção
A borracha que é usada para formar o látex artificial pode serqualquer polímero, tipicamente fabricado através da polimerização dosolvente, conhecido na técnica. Isto inclui, por exemplo, poliisobutileno ecopolímeros do mesmo, compostos de polivinila tais como ésteres de ácidoacrílico e metacrílico e éteres de polivinila e também derivados de celulose,copolímeros de estireno e dieno (s) conjugado (s) e/ou acrinolitrilo e(co)polímeros de diolefinas. Uma outra classe de polímeros e copolímerospreparados a partir de etileno e uma outra mono-olefina tendo até 8 átomos decarbono, tal como o copolímero elastomérico de etileno e propileno, ocopolímero de etileno e butano-1, e similares. Outra classe de polímeros dotipo de borracha são terpolímeros obtidos de etileno, propileno e um dieno talcomo 1,5-hexadieno e similares.De particular interesse são (co)polímeros de diolefinas, combutadieno e isopreno como representantes dos dienos. Preferivelmente, estes(co)polímeros, são polimerizados através da polimerização em solução paraum eis-1,4 de teor elevado (pelo menos na ordem de cerca de 90%). Estes(co)polímeros são ainda caracterizados por terem um peso molecular (muito)elevado. Mais preferivelmente, eles são fabricados através de polimerizaçãoaniônica na presença de um catalisador de lítio, em vez de um catalisador dotipo Ziegler, conseqüentemente assegurando um teor muito baixo de cinza.Mais preferivelmente, o polímero do tipo de borracha é borracha de isopreno,por exemplo, qualquer uma do tipo comercializado pelo KRATON Polymers.
O processo da invenção é aplicável também no caso de umlátex artificial fabricado usando pacotes de borracha natural.
O polímero do tipo de borracha, preferivelmente borracha deisopreno, pode ser dissolvido em qualquer solvente apropriado. Com relaçãoao solvente a ser selecionado, a sua escolha dependerá um tanto da naturezaexata da borracha e do ponto de ebulição do solvente. E necessário que osolvente a ser usado dissolva a borracha (rapidamente e facilmente). Para ospolímeros menos polares, solventes hidrocarbonetos alifáticos tendo de quatroaté cerca de dez átomos de carbono são utilizáveis. Estes incluem isopentano,ciclopentano, n-pentano, os hexanos, os heptanos, octanos, e similares. Paraborracha de isopreno, o solvente preferido é n-pentano.
O limite normal para a quantidade de polímero do tipo deborracha dissolvido no solvente será a extensão da solubilidade do polímerono solvente. No caso de borracha de isopreno, a concentração preferida é umteor de sólidos menor do que 20 por cento em peso, preferivelmente de 10-15por cento em peso. Outra maneira de definir a quantidade de polímero do tipode borracha é através da viscosidade da solução de polímero, que deveriapreferivelmente ser abaixo de 20.000 centipoises (a 25°C).
Para a redução de tamanho dos pacotes de borracha, seborracha natural ou sintética, picadores e/ou granuladores podem ser usados.Preferivelmente, picadores e/ou granuladores são usados de modo que emuma etapa ou duas etapas de preparação possa reduzir a borracha do tamanhode pacote padrão para tamanhos médios de partículas menores do que 50 nm,preferivelmente menores do que 25 nm, mais preferivelmente menores do que15 nm. Tamanhos médios de partículas menores do que cerca de 5 nmgeralmente não provêem vantagens adicionais.
Não existem condições específicas com relação a esta etapapreparatória. Obviamente, as condições de segurança especificadas pelofabricante do equipamento devem ser seguidas, e a degradação da borrachadeve ser evitada.
A princípio, qualquer sabão pode ser usado. Entretanto, desdeque o problema fundamental da invenção é evitar material estranho querestringe o uso do látex produzido desta forma, o sabão é preferivelmenteaprovado para produtos alimentícios e produtos para o cuidado da pele. Maispreferivelmente é idêntico ao sabão que esta sendo usado nas etapassubseqüentes (c) e (d). Para a preparação de um látex de IR, preferivelmenteum sabão do tipo de colofônia é usado.
O sabão é preferivelmente usado em uma concentração deentre 0,5 e 5,0% em peso em água. Soluções mais concentradas podem serusadas, mas geralmente não provêem vantagens. Note que a este respeito, adureza da água usada para a preparação da solução de sabão é importante.Para a preparação da solução de sabão, água muito mole (0-4 DH) ou águamole (48 DH) deveria ser usada.
A quantidade de sabão a ser usada durante a etapa (a)dependerá do equipamento usado na etapa de redução de tamanho. Sabãosuficiente deveria ser usado para evitar a re-aglomeração no picador e/ougranulador ou logo depois disso. O excesso de sabão pode ser reciclado. Emoutras palavras, a quantidade de sabão não é muito crítica e certamente fácilde determinar para os versados na técnica. Um bom ponto de partida é umaquantidade de solução de sabão versus borracha em uma relação de peso de3:1 a 1:3, preferivelmente de 2:1 a 1:2.
Tendo fabricado partículas pequenas de material inicial deborracha, ele pode ser dissolvido no solvente por qualquer meio comum. Porexemplo, ele pode ser dissolvido no solvente (abaixo da temperatura deebulição do mesmo) em um tanque de agitado.
O látex pode ser fabricado por qualquer dos processos jáconhecidos na técnica. Isto inclui cada das referências à técnica antecedentereferidas nos parágrafos de [0003] a [015], incluídos aqui como referência,assim como, NL287078; GB1004441; US3249566; US3261792; US3268501;
US3277037; US3281386; US3287301; US3285869; US3305508US3310151; US3310516; US3313759; US3320220; US3294719GBl 162569; GBl 199325; US3424705; US3445414; SU265434; US3583967 15 GB1327127; US3644263; US3652482; US3808166; US3719572DE2245370; JP48038337; FR2153913; GB1296107; FR2172455US3815655; US3839258; US3842052; GB1384591; US3879326US3 892698; US3862078; US3879327; US3886109; US3920601JP51080344; JP50127950; JP54124042; JP54124040; US4243566JP56161424; US4344859; SU1014834; JP58091702; SU1375629JPl 123834; SU520769 e R0102665; assim como US3007852; US3622127
US4160726; GB2051086; JP58147406; SU1058974; EP512736; JP8120124 eUS6075073, também incluídas aqui como referência.
Os exemplos seguintes ilustrarão ainda em maiores detalhescomo esta invenção pode ser realizada, mas não são planejados para que ainvenção se restrinja de qualquer forma.EXEMPLO 1
Vários testes de redução de tamanho foram feitos usando tantouma combinação de aparelhos (por exemplo, picador e moedor) quanto umaúnica máquina (por exemplo, um granulador). Resultados muito bons foramobtidos usando um granulador.
Pacotes de borracha de isopreno (cerca de 34 kg) e pacotescom a metade do tamanho foram usados em um teste usando um granuladorequipado com uma calha de transporte, rotor e facas de estator no moinho defacas e uma tela com o tamanho de malha certo (menor do que 25 mm).
Pacotes de IR poderiam ser granulados com pouco bloqueiousando um agente de polvilhamento. Entretanto o bloqueio ocorreu quandonenhum agente de polvilhamento foi usado. Usando um sabão do tipo decolofônia com uma concentração de 1,5% em peso (preparado em águadesmineralizada) com uma relação de cerca de 34 kg de sabão para 5 kg deborracha resultou numa excelente produção com partículas de borracha comum tamanho médio menor do que 25 nm.
Claims (3)
1. Processo para a preparação de uma emulsão aquosa deborracha (látex artificial), caracterizado pelo fato de que compreende asetapas de:(a) Redução do tamanho da borracha, através da qual grânulossão produzidos com tempos de dissolução menores;(b) formação de cimento, em que os grânulos da etapa (a) sãodissolvidos em um solvente hidrocarboneto apropriado;(c) preparação de uma solução aquosa de sabão;(d) emulsificação do cimento formado na etapa (b), usando asolução aquosa de sabão preparada na etapa (c), formando assim uma emulsãoóleo-em-água;(e) remoção do solvente hidrocarboneto, resultando em umaemulsão aquosa de borracha, e opcionalmente,(f) concentração da emulsão, formando um látex artificial comum teor de sólidos elevado,em que na etapa (a) a redução de tamanho é realizada usandoum picador e/ou granulador, e que um sabão é usado como auxiliar noprocessamento, preferivelmente idêntico ao sabão usado nas etapas (c) e (d).
2. Processo para preparação de um látex artificial de acordocom a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sabão usado comoauxiliar no processamento é idêntico ao sabão usado nas etapas (c) e (d).
3. Processo para preparação de um látex artificial de acordocom a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que aborracha é borracha de isopreno e o sabão é um sabão do tipo colofônia.
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