JPH0222105A - 単分散セラミック粉末の製造方法 - Google Patents

単分散セラミック粉末の製造方法

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JPH0222105A
JPH0222105A JP63267310A JP26731088A JPH0222105A JP H0222105 A JPH0222105 A JP H0222105A JP 63267310 A JP63267310 A JP 63267310A JP 26731088 A JP26731088 A JP 26731088A JP H0222105 A JPH0222105 A JP H0222105A
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ギユンテル・リン
Ruediger Nass
リュディゲル・ナス
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、単分散セラミック粉末の製造方法に関し、特
に、適当な操作の後単分散セラミック粉末を与える酸化
物粒子および水酸化物粒子の製造方法に関するものであ
る。
近年、セラミック研究の中心課題は微粒子粉末の化学合
成である1、公知方法が本目的のために用いられる0例
えば、金属アルコキシドの熱分解、金属酸化物ゲルの熱
水処理および金属アルコキシドの加水分解などがある。
これらの方法によって、種々サイズの平均径を有する単
分散粒子を調製することができる。これは、用いる方法
と反応条件に依存する。しかしながら、種々サイズの単
分散酸化物粉末の再現性可能な製造は困難である0例え
ば、金属アルコキシドの加水分解の場合、溶液中の単分
散粒子の成長のため、核の形成が均一でありかつ過飽和
が核の成長の間に生じないことが重要である。このこと
は、一つには、核形成に注意が払われねばならぬものの
、一方では、水の添加の間の自発的な沈殿が防止されね
ばならない。
単分散粒子の成長のための更なる条件は、成長している
間に粒子のアグロメレーシッンを防止することである。
立体的安定化がこの目的のためにたとえば、界面活性ポ
リマー、例えば、ヒドロキシプロピルセルロース(HP
 C)などを添mすることにより利用され、また単分散
チタニウム酸化物粉末の製造のために、例えば、Cer
amic Bulletin。
vol、 65.  Na12.1986.1574〜
1577頁に記載のものが利用される。
本発明の目的は再現性可能なa様において単分散酸化物
粒子および水酸化物粒子を製造できる方法を提供するこ
と、および該方法において1つのパラメーターを変化さ
せることにより実質的に粒子サイズを制御することがで
きる方法を提供することにある。
本目的は、加水分解可能な化合物の加水分解を錯体形成
剤の存在下に実施することにより達成されることが分っ
た。
従って、本発明は、特に、加水分解可能な化合物と水と
を有機溶剤中に反応させることによって酸化物粒子およ
び水酸化物粒子を製造する方法において、該反応は錯体
形成剤の存在下に実施されることを特徴とする製造方法
である。
該加水分解可能な化合物は、好ましくは、Al、VST
i、Zr、Hf、Sn、U、B又はSiの化合物であり
、特に好ましくは、Ajl、Ti及びZrの化合物であ
る。
この出発化合物は水に対して反応性でなければならない
。即ち、この化合物は加水分解可能でなければならず、
加えて、この化合物は用いられる溶剤に実質的濃度に溶
解されねばならない、この好適な化合物は好ましくは下
記一般式(I)で表わされる。
MRn(I) 式中、Mは中心原子を表わし、nはMの結合価と等しく
、Rは同一でも異なってもよく、水によって分離され得
るものである。従ってR基は少なくとも加水分解におい
て除去されるので、経済的見地からできるだけ最も簡単
な構造であることが望ましく、例えば、ハロゲン、アル
キル基、アルコキシ基又はアシロキシ基が挙げられ、本
発明に従って、より複雑な構造を有する基を用いてもよ
く、例えば1以上の多種結合を含み、および/または例
えばハロゲン、アルコキシ基、ニトロ基又はジアルキル
アミノ基によって置換された分枝状又は非分枝状炭化水
素が挙げられる。
これらの基は、金属原子に直接又は例えば酸素原子、窒
素原子、カルボニル基又はオキシカルボニル基を介して
結合される。
一般式(I)において、特に好ましいR基は、ハロゲン
原子(弗素、塩素、臭素、および沃素で特に、塩素およ
び臭素である);炭素数1〜8、好ましくは1〜4のア
ルキル基、例えば、メチル、エチル、n−プロピル、i
−プロピル、n−ブチル、i−ブチルおよび5ec−ブ
チルなど;炭素数1〜8、好ましくは1〜4のアルコキ
シ基、例えば、メトキシ、エトキシ、i−プロポキシ、
nプロポキシ、n−ブトキシ、i−ブトキシ、5ec−
ブトキシ、ペントキシおよび2−エチルへキシロキシ;
および炭素数2〜8、好ましくは2〜4のアシロキシ基
、例えばアセトキシ基が挙げられる。これらの基の中で
、アルコキシ基が最も好ましい。
Ttおよび特にZrの化合物が特に本発明による方法に
好適であり、特に、一般式(I)において、4つのR基
は同一で炭素数1〜4のアルコキシ基で表わすものであ
る。
勿論、すでに部分的に加水分解されたものやすでに部分
的に脱水された化合物も、これらがかなりの程度溶剤に
可溶ならば使用することができる。
単一又は数種の要素、例えば金属由来の化合物の混合物
も使用できる。ドーピングのため、例えば、Ca、、M
g、Ba、Y、Nb、Ta等の要素の加水分解可能でも
可能でなくともよい化合物少量存在下、本発明の出発化
合物の加水分解を実施することが望ましい、また、該錯
体形成剤を用いることができるが、これは対応する該要
素を有する複合体として用いられる。従って、例えば、
出発物質の加水分解可能な化合物の一部又は全部を錯体
化合物の形態で用いられる。
酸化物又は水酸化物に変化される該要素において、上述
した加水分解可能な化合物に替えてまたは加えて、他の
加水分解可能な化合物、例えば、オキシ塩化物類および
硝酸化物類で用いることが有利であることが分ろう、し
かしながら、すでに上述したように、通常、水と反応し
、かつ溶剤に十分に溶解する所望の要素の化合物ならい
かなるものでも適用できる。
特に好ましい加水分解可能な化合物の具体例として、^
1c13 、AI(OCJs)s、、AI(OCJ、)
s;TiclnTi(OCJs)s、 Ti(OCsH
))1、 Tt(0−+−CJt)a  、 Ti(O
C4H4) 4、Ti(2−エチルへキシロキシ)4、
Ti(アセチルアセトナト)g(0−i−CsHl)z
; ZrCL、Zr(OCmHs)n、Zr(OCiH
t)*、Zr(0−i−C2Ht)a 、Zr(OCa
Hs)t、Zr (2−1−チJLI へキシロキシ)
ai VOClm 、V(OCmHs)zVO(OCx
Hs)z; 5nCI4; B(OCRs)s 、B(
OCJs)ziSiC14,5i(OCH3)4.5i
(OCtHs)a、5i(OCJt)4が挙げられる。
本発明方法に用いられる溶剤は該諸成分を溶解しなけれ
ばならないが、該加水分解を妨害あるいは防止する程度
まで諸成分と反応してはならない。
溶剤は高すぎない沸点、例えば100℃以下を有するも
のが好ましい、というのも、後で溶剤は沈殿した酸化物
又は水酸化物から除去されねばならないからである。極
性有機溶剤が好ましいが、非極性有機溶剤も用いられる
。特に好ましい溶剤は、アルコールであり、特に、メタ
ノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノ
ール、ブタノールおよびそれらの混合物である。本発明
に従って用いられる他の溶剤は、例えば、メチレン、ク
ロリド、クロロホルム、四塩化炭素、エーテル、特に、
ジエチルエーテルおよびテトラヒドロフラン、ケトン類
、例えば、アセトンおよびブタノン、エステル類、例え
ば、酢酸エチル、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン
、ヘンゼン及びこれら溶剤の混合物などがある。
本発明法に用いられる錯体形成剤として好適な化合物は
溶剤中の加水分解可能な化合物と錯体を形成する能力を
有するものならば実質的に全て包含される。該錯体形成
剤は例えば、加水分解可能な化合物の中心原子へ自由電
子対を存する原子を介して配位する。従って、錯体形成
化合物として適用できる化合物は、用いられる少なくと
も0、NおよびSの2原子を有するものがある。酸素原
子を介して該中心原子に配位する錯体形成剤は特に、本
発明法に好ましく用いられる。この種のグループの化合
物として、例えば、β−ジカルボニル化合物が属してい
る。特に好適な錯体形成化合物は、下記一般式(I[)
で表わされる。
式中、R1とR2は各々炭素数1〜4のアルキル基を表
わし、特に、メチルまたはエチル、または炭素数1〜4
のアルコキシ基、特に、メトキシおよびエトキシ、およ
びR1とR3は同一でも異なってもよく、水素、ハロゲ
ンおよび炭素数1〜4のアルキル基であり、特に、水素
である。
アセチルアセトンとエチルエセトアセテートは一般式(
II)の化合物中特に好ましい化合物である。
今日、本発明に用いられる他の錯体形成剤としてて、例
えば、エチレンジアミン、S−メチルメルカプト酢酸、
N、N−ジエチルカルバミン酸、蓚酸、サクチルアルデ
ヒド、2.2′−ビピリジル、1.10−フェナントロ
リン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン
、ニトリロトリ酢酸、エチレンジアミンテトラ酢酸、ピ
ロカテコールおよびこれらの関連化合物などが挙げられ
る。
なお、錯体形成剤は上記化合物に限定されず、他の化合
物、例えば、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセ
トアミドなどを錯体形成剤としても用いることができる
本発明の特に好ましい態様においては、本発明は安定化
剤の存在下に実施される。アグロメレーション、即ち、
溶液中圧いに成長核が接着する現象を防止し得る化合物
ならばどんなものでも安定化剤として用いることができ
る。そのような化合物は保護コロイドとして機能する。
即ち、立体又は静電気的反発の結果として、安定化剤に
よって包まれた粒子は互いにアグロメレーションする程
十分に近接することができない。もし適正ならば、安定
化剤は溶液の粘度をある範囲に増大させることにより、
互いの粒子の速度をかなり減少させることができその結
果粒子の衝突の確率を小さくする。従って、考えられる
陰イオン、陽イオンまたは中性の界面活性剤および保護
コロイドが本発明方法に好適に用いられる。ただし、そ
れらは、系に可溶であり、かつ所望でないLi様におい
て、系の他の成分と相互作用または反応しないことが必
要である。
通常用いられる安定化剤の具体例は、ゼラチン、カゼイ
ン、アラビアゴム、リサルビン酸、スターチ、ポリビニ
ルアルコール、ポリビニルピロリドンおよびポリ (メ
タ)アクリレートがある。他の具体例は、例えば、Ul
lmanns Enzyklopadie derte
chnischen Chemie、第4版、22巻、
455〜500頁に記載がある0本発明に用いられる特
に好ましい安定化剤はセルロール誘導体であり、特に、
セルロースエステル類およびセルロースエーテル類であ
る。このような化合物の具体例としては、ベンジルセル
ロース、エチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロ
キシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース
およびカルボキシメチルセルロースが挙げられる。安定
化剤の分子量は広範囲のものが使用でき、通常、to、
ooo〜2.000,000の範囲で、特に、20,0
00〜1,000,000の範囲である。通常、分子量
が増大すると溶解度が凍少し、かつ溶液の粘度が大きく
なることを念頭に置かねばならない。又、2種以上の異
なる安定化剤又は分子量の異なる類似した安定化剤を用
いることもできる。即ち、安定化剤はアグロメレーショ
ンの防止という目的が実現できることのみが重要である
。ヒドロキシプロピルセルロース、特に、分子1i50
,000〜100,000 のヒドロキシプロピルセル
ロースが特に好ましく用いられる安定化剤である。
多くの場合、酸の存在下に加水分解が実施されることが
有利である。このことは加水分解において酸化合物が生
じないならば特にそうである(ハロゲン化物の加水分解
は例えばハロゲン化水素酸を生成する)、酸の添加がな
いと加水分解生成物が加水分解の間溶液中に残留する可
能性がある(例えば、大量の錯体形成剤存在下)か、あ
るいは不規則な沈殿が形成する可能性がある(少量の錯
体形成剤が存在する場合)。
原理的には、溶剤に可溶なら任意の無機酸又は有機酸が
核酸として使用される。しかし、酸形成陰イオンは後で
沈殿あるいはセラミック粉末から例えば、熱分解などに
より容易に除去できるように注意されねばならない、好
ましく用いられる酸の具体例として、硝酸、硫酸および
ハロゲン化水素酸、更に、ギ酸、酢酸およびプロピオン
酸が挙げられる。硝酸が特に好ましい。
本発明に用いられる上述の酸化合物の濃度は、当然多く
の因子に依存するが、例えば、溶剤、加水分解可能な化
合物、その他存在する化合物等の因子がある。しかしな
がら、当業者は、数少ないテストにより容易に所望の目
的のための最適条件を決めることができよう、更に、定
量的に限定された濃度比は後述の本発明の具体的実施態
様に記載した。
通常、加水分解可能な化合物はそれが溶剤に可溶ならば
どの位の濃度で存在でき得るか決定することができる。
濃度の下限は得られる加水分解物が反応混合物中にほん
のわずかでも溶解できるべきでないということを考慮し
て決められる。なぜなら、さもなければ収率に悪影響を
与えるからである。
錯体形成剤の濃度は、本発明において得られる加水分解
物の粒子サイズをかなりの程度まで決定する。その粒子
サイズは添加された錯体形成剤の量によって以下のよう
に制御される。即ち、錯体形成剤の濃度を高くすれば粒
子サイズも大きくなる。添加される錯体形成剤の量は一
般的にはその妥当な上限はないものの、すでに述べた経
済的理由から、錯体形成剤対加水分解可能な化合物のモ
ル比を1=1より高くすることはすすめられない。
更に、過大量の錯体形成剤はもはや沈殿を形成させなく
する。一方、過小量の錯体形成剤の添加はゲル形成を生
じさせる。
上述した様に、酸の存在又は非存在もまた錯体形成剤溶
液への添加の際、溶剤中における加水分解物の沈殿の特
質に影響を与えている。
安定化剤の濃度は懸濁液を安定化するのに十分でなけれ
ばならない、即ち、添加された安定化剤はできる限り完
全にアグロメレーシ日ンの成長およびすでに成長した加
水分解物粒子のアグロメレーシッンを防止しなければな
らない、安定化剤濃度の上限はその溶液の粘度、そして
、特に、安定化剤の分子量および用いられる溶剤の種類
に支配される。更に、該安定化剤はその使用される量が
可溶でなければならない。
上述したように、酸の最も好ましい濃度は錯体形成剤の
濃度に依存する。しかしながら、錯体形成剤と対照的に
、酸の濃度は粒子サイズに全く影響しない、酸の濃度は
自発的沈殿を生じない程度に高くしなければならないが
、同時に、溶液の過飽和を防止しなければならない。
加水分解に使用する水の量は、通常、完全加水分解がで
きるように十分でなければならないが、加水分解物が溶
解する程大くてはならない。水、酸および錯体形成剤の
総和は中心原子に存在する全ての基を置換するのになお
十分でないことが好ましい、このことは、例えば、化合
物MR,の場合、4モル以下、好ましくは、3モルの水
+酸十錯体形成剤がこの化合物1モルに当り存在すべき
である。具体的には、安定化剤としてヒドロキシフロヒ
ルセルロース、錯体形成剤としてアセチルアセトンおよ
び酸として硝酸の存在下ジルコニウムテトラプロピレー
トのエタノール溶液の加水分解の場合、そのジルコニウ
ムプロピレートは0.1〜2、好ましくは0.5〜1モ
ルの溶液の形で存在することが好ましい。該濃度が高す
ぎると、加水分解中にアグロメレーションの形成が増加
する。
Zr1モル当りヒドロキシプロピルセルロース約15g
の添加は、粒子の順調な成長を確保し、かつ得られた懸
濁液を安定化するのに十分である。粒子の平均直径は添
加されたアセチルアセトンの量に依存してかわる。アセ
チルアセトン濃度が高くなればなる程、粒子はそれだけ
大きくなる。Zr化合物1モル当り0.7〜1.0モル
の硝酸濃度は最善の結果をもたらす、実験条件に依存す
るが、この範囲をかなり下まわる量だと、清浄な溶液を
生じるか(高濃度のアセチルアセトンそれを少量の時)
、ゲルを形成するか(平均濃度の錯体形成剤、大量の水
)変則的な沈殿形成を生じる(低濃度の錯体形成剤およ
び大量の水)。Zr化合物1モル当り 1.5〜2.5
モルの水量は加水分解反応にとって特に好ましい範囲で
ある:これより大きな水量は、粒子サイズの増大および
アグロメレーションおよび収率の減少(粒子の再溶解の
ため)をもたらす。
本発明は好ましくは、加水分解可能な化合物、錯体形成
剤および必要に応じて、安定化剤を溶剤に溶解し、次い
で、水および必要に応じて酸を添加し激しく攪拌する。
水の添加は1又は数ケ所で実施されるが、1ケ所での添
加がより有利である。
というのも、全ての核の同時的形成が起曇り、単分散系
の調製品を得るには通常有利であるためである。
反応温度は本発明方法にとっては重要ではない。
ただ基本的にはその下限値は溶剤の凝固点または低温度
における粘度により限定され、一方、その上限値は溶剤
の沸点が自然な限度を表している。
本発明方法は通常、室温でまたはそれより若干高い温度
で実施されるが、温度の上昇は反応速度に好影響を与え
るものである。従って、例えば、上述のジルコニウムテ
トラプロピレートの場合、反応開始から沈殿形成っての
時間は室温で約2時間であったが、40〜60℃ではた
ったの数分であった。
同様に、沈殿が完了するのに室温では数時間必要であっ
たが、若干温度を上げることにより沈殿の完了は15〜
30分であった。
沈殿は次いで公知の方法で、例えば、遠心又は口過によ
り単離される0次いで、通常の沈殿の精製に移されるが
、沈殿はそれが不溶な溶剤によって洗浄される。非極性
溶剤、例えば、低沸点石油分、石油エーテル、ヘキサン
等がそのような溶剤として好ましく用いられる。続いて
、沈殿になお付着している液体を、公知な方法、例えば
、加熱により除去する。他の操作として、沈殿を再分散
させて後噴霧乾燥する手段もある。最後に、単分散金属
酸化物粒子になる残存する所望外の物、例えば、加水分
解可能な化合物、安定化剤又は酸を由来とする物は例え
ば400℃以上の高温で加熱することによりこれらを分
解又は蒸発させることができる。
本発明により製造される単分散セラミック粉末は、焼結
特性を改善したセラミック部品の製造に特に好ましく用
いられる。更に、より良好な粉末強固物は未焼結体に、
より均一な孔の分配を与える。更にまた、限定された孔
を有する非アグロメレーション金属酸化物粉末は、触媒
の担体として好適に用いられる。
次に、下記実施例により更に詳細に本発明を説明する。
実施例 Zr(i  0Pr)n の1モル/lエタノールt9
M40mlヲ5%ヒドロキシブロピルセJレロースのエ
タノール溶液20m1とエタノール10m1を混合した
次いで、4つの独立した試験において、アセチルアセト
ン1.2.1.6.2.0または2.4g、即ち、各々
Zrlモリ当リアリアセチルアセトン30.0.40゜
0.50または0.6O−v−ル、および65%HN 
Os 2.1 糟1および水0.61の混合物を添加し
た。この反応溶液を均一になるまで混合し、次いで40
’C11hr水溶中に置いた。沈殿された粉末はアセチ
ルアセトン濃度に対応してZr30、Z r40. Z
 r50またはZr60として示した。
沈殿の単離は攪拌しながら石油エーテル50+elを懸
濁液に滴下することにより実施した0次いでこの粒子を
遠心し、エタノール20m1と石油エーテル20彌1の
混合液に再分散した。更に、石油エーテル30−1を超
音波浴中に添加した0次いで、この懸濁液を噴霧乾燥す
ることによりアグロメレーションのない粉末を製造した
。得られた粉末の特性を熱分析および電子顕微鏡により
調べた。
この粉末を200〜400 ℃の範囲で加熱すると、硝
酸化物の分解および有機化合物の蒸発により約40%の
重量減少が認められた。ジルコニウム−アセチルアセト
ン錯体の熱分解により生じた炭素を空気中650℃以上
の温度で加熱することにより除去した。
添付図面から分るように、アセチルアセトン濃度の増加
により粉末の平均直径が増大している。
即ち、100℃乾燥後では平均直径0.6.1.01.
5および2.5 μmのものが得られた。700℃での
強熱は最大40%の粉末の線形な収縮をもたらし、平均
直径0.4〜1.5 μmが得られた。
【図面の簡単な説明】
添付第1図〜第8図は100℃で乾燥および700℃で
強熱した酸化ジルコニウム粉末の走査型電子顕微鏡写真
である。第1図、第3図、第5図および第7図は100
℃で乾燥後のz「30、Zr40、Zr50およびZr
60の粉末を示し、第2図、第4図、第6図および第8
図は700℃で強熱した後の各々対応する粉末を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)加水分解可能な化合物と水とを有機溶剤中に反応さ
    せることによって酸化物粒子および水酸化物粒子を製造
    する方法において、該反応は錯体形成剤の存在下に実施
    されることを特徴とする製造方法。 2)該反応は安定化剤、好ましくはセルロースエーテル
    またはセルロースエステル存在下に実施されることを特
    徴とする請求項1記載の製造方法。 3)安定化剤としてヒドロキシプロピルセルロースが用
    いられることを特徴とする請求項2記載の製造方法。 4)該反応は酸、好ましくは硝酸の存在下に実施される
    ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の製
    造方法。 5)該加水分解可能な化合物は、Al、V、Ti、Zr
    、Hf、Sn、U、B又はSiの化合物、好ましくは、
    Al、Ti又はZrの化合物であることを特徴とする請
    求項1〜4の何れか1項に記載の製造方法。 6)該加水分解可能な化合物は、下記一般式( I )で
    表わされることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項
    に記載の製造方法。 MR_n( I ) (式中、Mは中心原子を表わし、nはMの結合価と等し
    く、Rは、同一でも異なってもよく、ハロゲン、特に、
    ClおよびBr、炭素数1〜8、好ましくは炭素数1〜
    4のアルキル基、炭素数1〜8、好ましくは炭素数1〜
    4のアルコキシ基および炭素数2〜8、好ましくは炭素
    数2〜4のアシロキシ基を表わす。) 7)該一般式( I )において、MはTi又はZrを表
    わし、nは4であり、Rは炭素数1〜4の同一アルコキ
    シ基、特に、エトキシ基、n−プロポキシ基、i−プロ
    ポキシ基又はブトキシ基であることを特徴とする請求項
    6の製造方法。 8)有機溶剤として、メタノール、エタノール、n−プ
    ロパノール、i−プロパノール又はこれらの混合物が用
    いられることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に
    記載の製造方法。 9)錯体形成剤として、β−ジカルボニル化合物、好ま
    しくは、下記一般式(II)で表わされることを特徴とす
    る請求項1〜8の何れか1項に記載の製造方法。 ▲数式、化学式、表等があります▼(II) (式中、R^1とR^4は同一でも異なってもよく、各
    々、C_1_−_4−アルキル基又はC_1_−_4−
    アルコキシ基で表わし、R^2とR^3は同一でも異な
    ってもよく、水素、ハロゲンおよびC_1_−_4−ア
    ルキルを表わす。) 10)錯体形成剤として、アセチルアセトンおよび/ま
    たはエチルアセトアセテートが用いられることを特徴と
    する請求項1〜9の何れか1項に記載の製造方法。 11)下記段階からなるセラミック粉末の製造方法: a)加水分解可能な化合物と水とを有機溶剤中に反応さ
    せること; b)得られた沈殿物を単離し、必要ならば精製すること
    ;および c)沈殿物を強熱すること、 からなり、該a)段階は錯体形成剤の存在下に実施され
    る。 12)セラミック部品の製造のためのあるいは触媒の担
    体としての請求項11によって製造された粉末の利用品
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