CN105778029B - 一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种超支化聚(异氰脲酸酯‑酯)型水性聚氨酯的制备方法,其制备方法是:首先以丙烯酸甲酯(MA)与二乙醇胺(DEA)通过迈克尔加成反应制备出AB2单体,然后使AB2单体接枝到三‑(2‑羟乙基)异氰脲酸酯(THEIC)上,制备得到端羟基超支化聚(异氰脲酸酯‑酯)(HPICE),最后通过HPICE与制备的水性聚氨酯预聚体通过接枝反应,成盐中和,乳化分散制备得到具有核‑壳结构的超支化聚(异氰脲酸酯‑酯)型水性聚氨酯;本发明实现了一种新型结构的超支化聚(异氰脲酸酯‑酯)型水性聚氨酯的制备。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域,具体涉及到一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法。
背景技术
水性聚氨酯(WPU)是指分散在连续相(水)中的聚氨酯粒子二元胶体体系,具有不易燃烧,低碳环保,安全可靠等优点而备受研究者的关注。由聚氨酯树脂制成的产品已被广泛应用于涂料、胶粘剂、塑料、建筑等行业,是一种被广泛应用的功能高分子材料。水性聚氨酯虽然具有许多优良的性能,但也存在诸多方面的不足,如大多数水性聚氨酯的链状分子呈线性结构,薄膜的耐水性差、耐热性差、固含量低、硬度低等。
端羟基超支化聚合物是一种新型高分子材料,不仅具有超支化聚合物独特的空腔结构和支化单元,同时由于结构外端含有大量的羟基,具有化学反应活性很高,溶解性好,流变性好等优点。由于端羟基超支化聚合物结构的无定型和低粘度使得反应能够顺利进行,所以端羟基超支化聚合物也是一种很好的合成高分子材料的中间体,在农业、环境保护、生命科学、医药载体、催化剂等方面有着广泛的应用前景和重要价值。因此将端羟基超支化聚合物的应用到水性聚氨酯弹性体中,使其兼具超支化聚合物的结构特性与水性聚氨酯的优异性能,从而满足市场对多功能化水性聚氨酯的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,包括:
步骤一:端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)的合成:首先将二乙醇胺(DEA)完全溶解在无水甲醇中,然后再加入丙烯酸甲酯(MA),通过迈克尔加成反应制备得到无色粘稠液体AB2单体,即N,N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯;将提纯后的AB2单体滴加到N,N-二甲基甲酰胺溶解的三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯(THEIC)中,加入催化剂,通过酯交换反应得到端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE);
步骤二:水性聚氨酯预聚体的合成:将二异氰酸酯与低聚物二元醇混合,再加入含亲水基团的二元醇和小分子扩链剂,最后用无水乙醇对异氰酸酯基进行部分封端,得到水性聚氨酯预聚体;
步骤三:超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的合成:将步骤一得到的HPICE溶解于溶剂中,与步骤二得到的水性聚氨酯预聚体进行接枝反应,最后通过成盐剂中和,乳化分散制备得到具有核-壳结构的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
所述的步骤一中端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)的合成的反应条件为:二乙醇胺(DEA)与丙烯酸甲酯(MA)摩尔比为1︰1.05~1︰2.0,于30℃~40℃反应3~5h,得到AB2单体的粗产品;再将粗产品经真空过滤,***洗涤,即得到提纯后的AB2单体;最后将28.65~30.0g AB2单体滴加到2~10g的N,N-二甲基甲酰胺溶解的三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯(THEIC)中,催化剂用量为AB2单体与THEIC的质量总和的1%~5%,通过酯交换反应得到端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE);
当n(AB2):n(THEIC)为3︰1时即可得到一代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G1(OH)6,反应温度为90℃~140℃,时间为1~6h;
以合成的一代产物为核,与AB2单体按照6︰1摩尔比例得到二代的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗产品;再将粗产品经真空过滤、丙酮溶解、二氯甲烷重沉淀、***洗涤即得到黄色的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE);
以合成的二代产物为核,与AB2单体按照12︰1摩尔比例得到三代的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗产品;再将粗产品经真空过滤、丙酮溶解、二氯甲烷重沉淀、***洗涤即得到黄色的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE)。
所述的步骤二中的将二异氰酸酯与低聚物二元醇混合,二异氰酸酯与低聚物二元醇的摩尔比为(2.5~6):1,于70~90℃反应1~3h,再加入3.0%~6.0%含亲水基团的二元醇(以二异氰酸酯与低聚物二元醇的总质量为基准)和1.0%~1.8%小分子扩链剂(以二异氰酸酯与低聚物二元醇的总质量为基准),于75~90℃反应2~3h,最后加入0.5%~2.5%的无水乙醇(以二异氰酸酯与低聚物二元醇的总质量为基准)对二异氰酸酯基进行部分封端反应,于60~80℃反应0.5~3.0h,得到水性聚氨酯预聚体。
所述的步骤三中的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的合成:将步骤一中得到的HPICE溶解于溶剂中,与步骤二得到的水性聚氨酯预聚体于40~90℃反应2~6h,控制反应体系中NCO/OH摩尔比为1.2~1.7;最后通过成盐剂中和,乳化分散制备得到具有核-壳结构的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
所述的步骤一中的催化剂为对甲苯磺酸、磷酸、浓硫酸、浓盐酸或钛酸正丁酯中的一种。
所述的步骤三中的溶剂为丙酮、DMF及DMAc中的一种或两种种的混合溶剂。
所述的成盐剂为三乙胺、氨水、氢氧化钠中的一种或混合物,其中成盐剂占水性聚氨酯预聚体中羧基总物质的量的90%~100%。
所述的步骤二中的二异氰酸酯为4,4`-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、1,6-己二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)中的一种或多种的混合物。
所述的步骤二中的低聚物二元醇为聚四氢呋喃(PTMG)、聚丙二醇(PPG)、聚乙二醇(PEG)、聚己二酸乙二醇酯二醇(PEA)、聚己内酯二醇(PCL)、聚己二酸1,4-丁二醇酯(PBA)、聚碳酸酯二醇(PCDL)中的一种或多种的混合物。
所述的步骤二中的含亲水基团的二元醇为二羟甲基丙酸(DMPA)、二羟甲基丁酸(DMBA)、N,N-二羟基单马来酰胺酸、酒石酸中的一种或多种的混合物。
所述的步骤二中的小分子扩链剂为1,4-丁二醇(BDO)、1,6-己二醇、甘油、三羟甲基丙烷(TMP)、二甘醇(DEG)、三甘醇、新戊二醇(NPG)、山梨醇或二乙氨基乙醇(DEAE)中的一种或多种的混合物。
所述的步骤一中的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)用于水性聚氨酯预聚体的扩链阶段,制反应体系中NCO/OH摩尔比为1.2~1.7,可以制得不同分子质量的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
本发明的有益效果:本发明可以根据应用需要制备出系列端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯):一代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G1(OH)6、二代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G2(OH)12、三代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G3(OH)24、等,其中端羟基超支化聚合物结构中的三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯(THEIC)具有三嗪环骨架,极好的热稳定性,耐候性和阻燃性,三个羟基经AB2单体改性后可以形成支化结构,使其结构更具有稳定性,所以将其应用于水性聚氨酯中可以提高其综合性能。该系列产品具有良好的应用前景。
附图说明
图1为端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)的合成。
图2为部分封闭的水性聚氨酯预聚体。
图3为水性聚氨酯预聚体与端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)的接枝反应。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
步骤一:端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G1(OH)6的合成:
称取二乙醇胺(DEA)0.1mol完全溶解于温度为室温的10mL甲醇溶液中;在室温条件下,按照二乙醇胺(DEA)与丙烯酸甲酯(MA)摩尔比为1︰2的比例,滴加丙烯酸甲酯(MA),滴加完毕后升温至35℃,搅拌下保温反应3.5h,制得AB2单体;将制得的AB2单体粗品经真空过滤和***萃取洗涤得到AB2单体,为一种无色透明油状物,即N,N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯;以对甲苯磺酸为催化剂2%(以AB2单体与THEIC质量总和为准),将上述AB2单体28.7g滴加到5g N,N-二甲基甲酰胺溶解的三-(2-羟乙基)异氰脲酸酯(THEIC)溶液中,在温度为115℃条件下反应3.0h,制备得到端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPAE)的粗产品;将制得的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗品经真空过滤、丙酮溶解、二氯甲烷重沉淀、***萃取洗涤即得一代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G1(OH)6;
步骤二:水性聚氨酯预聚体的合成:
将40.0g PTMG-2000,11.2g IPDI和3~4滴二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加到三口瓶中,于70℃下反应2h,加入2.0g二羟甲基丙酸和0.6g1,4-丁二醇(BDO)80℃下反应2~3h,降温至70℃,加入0.4g无水乙醇对异氰酸酯基部分封端,反应30min,得到水性聚氨酯预聚体;
步骤三:超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的合成:
将步骤一中得到的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)0.6g溶解于丙酮中,与步骤二中得到超支化水性聚氨酯预聚体80℃下反应3h,降温至50℃,加入1.5g三乙胺进行中和,在1500r/min的搅拌速度下加去离子水乳化分散得到超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
实施例2
将30.0g PPG-2000,12.3g IPDI和3~4滴二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加到三口瓶中,于70℃下反应80min,加入1.8g二羟甲基丙酸和0.5g1,4-丁二醇(BDO)80℃下反应3~4h,降温至70℃,加入0.4g无水乙醇对异氰酸酯基部分封端,反应30min,得到水性聚氨酯预聚体;
将实施例1中的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G1(OH)6 0.4g溶解于丙酮中,与步骤二中得到超支化水性聚氨酯预聚体80℃下反应3h,降温至40℃,加入1.3g三乙胺进行中和,在1500r/min的搅拌速度下加去离子水乳化分散得到超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
实施例3
步骤一:端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G2(OH)12的合成:
将实施例1中得到的G1(OH)6 4.2g与AB2单体按照摩尔比1︰6,以对甲苯磺酸为催化剂2%(以AB2单体与THEIC质量总和为准),在120℃下搅拌反应5h,得到第2代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗品G2(OH)12;将制得的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G2(OH)12粗品经真空过滤、丙酮溶解、二氯甲烷重沉淀、***萃取洗涤即得到第二代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G2(OH)12;
步骤二:水性聚氨酯预聚体的合成:
将40g PPG-2000,13.4g IPDI和3~4滴二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加到三口瓶中,于85℃下反应1h,加入2.1g二羟甲基丙酸和0.5g 1,4-丁二醇(BDO)于80℃下反应2~3h,降温至70℃,加入0.3g无水乙醇对异氰酸酯基部分封端,反应30min,得到水性聚氨酯预聚体;
步骤三:超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的合成:
将步骤一中得到端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G2(OH)12 1.3g溶解于丙酮中,与步骤二中得到超支化水性聚氨酯预聚体80℃下反应4h,降温至45℃加入1.6g三乙胺进行中和,在1500r/min的搅拌速度下加去离子水乳化分散得到超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
实施例4
将30.0g PTMG-2000,16.7g IPDI和3~4滴二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加到三口瓶中,于70℃下反应80min,加入2.2g二羟甲基丙酸和0.6g1,4-丁二醇(BDO)80℃下反应3~4h,降温至70℃,加入0.3g无水乙醇对异氰酸酯基部分封端,反应30min,得到水性聚氨酯预聚体;
将实施例3中的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G2(OH)121.5g溶解于丙酮中,与步骤二中得到超支化水性聚氨酯预聚体80℃下反应4h,降温至40℃,加入1.7g三乙胺进行中和,在1500r/min的搅拌速度下加去离子水乳化分散得到超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
实施例5
步骤一:端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G3(OH)24的合成:
将实施例3中得到的G2(OH)12 6.9g与AB2单体按照摩尔比1︰12,以对甲苯磺酸为催化剂2%(以AB2单体与赛克质量总和为准),在120℃下搅拌反应6h,得到第3代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗品G3(OH)24。将制得的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗品经真空过滤、丙酮溶解、二氯甲烷重沉淀、***萃取洗涤即得到第三代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G3(OH)24;
步骤二:水性聚氨酯预聚体的合成:
将30g聚碳酸酯二醇(PCDL),10.5g甲苯二异氰酸酯(TDI),0.5g1,4-丁二醇(BDO)和3~4滴二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加到三口瓶中,于85℃下反应1h,加入2.1g二羟甲基丙酸(DMPA)于80℃下反应2.5h,降温至70℃,加入0.3g无水乙醇对异氰酸酯基部分封端,反应30min,得到水性聚氨酯预聚体;
步骤三:超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的合成:
将步骤一中端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G3(OH)241.8g溶解于DMF中,与步骤二中得到超支化水性聚氨酯预聚体80℃下反应5h,加入1.6g三乙胺中和,在1500r/min的搅拌速度下加去离子水乳化分散得到超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
实施例6
将30.0g聚碳酸酯二醇(PCDL),13.1g TDI和3~4滴二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加到三口瓶中,于70℃下反应80min,加入2.2g二羟甲基丙酸和0.6g1,4-丁二醇(BDO)80℃下反应3~4h,降温至70℃,加入0.4g无水乙醇对异氰酸酯基部分封端,反应30min,得到水性聚氨酯预聚体;
将实施例5中的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G3(OH)241.5g溶解于DMF中,与步骤二中得到超支化水性聚氨酯预聚体80℃下反应5h,降温至40℃,加入1.7g三乙胺进行中和,在1500r/min的搅拌速度下加去离子水乳化分散得到超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
本发明中,主要涉及的反应方程式如下:其中图示结构仅为以IPDI、聚醚二醇、二羟甲基丙酸以及含有6个末端羟基的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)制得的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的结构,不限于采用权利要求所述其他原料制得的其他结构超支化水性聚氨酯的结构。
Claims (10)
1.一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,包括:
步骤一:端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)的合成:
首先将二乙醇胺(DEA)完全溶解在无水甲醇中,然后再加入丙烯酸甲酯(MA),通过迈克尔加成反应制备得到无色粘稠液体AB2单体,即N,N-二羟乙基-3-胺基丙酸甲酯;将提纯后的AB2单体滴加到N,N-二甲基甲酰胺溶解的三(2-羟乙基)异氰脲酸酯(THEIC)中,加入催化剂,通过酯交换反应得到端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE);
步骤二:水性聚氨酯预聚体的合成:
将二异氰酸酯与低聚物二元醇混合,再加入含亲水基团的二元醇和小分子扩链剂,最后用无水乙醇对异氰酸酯基进行部分封端,得到水性聚氨酯预聚体;
步骤三:超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的合成:
将步骤一得到的HPICE溶解于溶剂中,与步骤二得到的水性聚氨酯预聚体进行接枝反应,最后通过成盐剂中和,乳化分散制备得到具有核-壳结构的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
2.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤一中端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)的合成的反应条件为:二乙醇胺(DEA)与丙烯酸甲酯(MA)摩尔比为1︰1.05~1︰2.0,于30℃~40℃反应3~5h,得到AB2单体的粗产品;再将粗产品经真空过滤,***洗涤,即得到提纯后的AB2单体;最后将28.65~30.0g AB2单体滴加到2~10g的N,N-二甲基甲酰胺溶解的三(2-羟乙基)异氰脲酸酯(THEIC)中,催化剂用量为AB2单体与THEIC的质量总和的1%~5%,通过酯交换反应得到端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE);
当n(AB2):n(THEIC)为3︰1时即可得到一代端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)G1(OH)6,反应温度为90℃~140℃,时间为1~6h;
以合成的一代产物为核,与AB2单体按照6︰1摩尔比例得到二代的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗产品;再将粗产品经真空过滤、丙酮溶解、二氯甲烷重沉淀、***洗涤即得到黄色的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE);
以合成的二代产物为核,与AB2单体按照12︰1摩尔比例得到三代的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)粗产品;再将粗产品经真空过滤、丙酮溶解、二氯甲烷重沉淀、***洗涤即得到黄色的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)(HPICE)。
3.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤二中的将二异氰酸酯与低聚物二元醇混合,二异氰酸酯与低聚物二元醇的摩尔比为(2.5~6):1,于70~90℃反应1~3h,再加入3.0%~6.0%含亲水基团的二元醇和1.0%~1.8%小分子扩链剂,二元醇以二异氰酸酯与低聚物二元醇的总质量为基准,小分子扩链剂以二异氰酸酯与低聚物二元醇的总质量为基准,于75~90℃反应2~3h,最后加入0.5%~2.5%的无水乙醇对二异氰酸酯基进行部分封端反应,于60~80℃反应0.5~3.0h,得到水性聚氨酯预聚体。
4.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤三中的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯的合成:将步骤一中得到的HPICE溶解于溶剂中,与步骤二得到的水性聚氨酯预聚体于40~90℃反应2~6h,控制反应体系中NCO/OH摩尔比为1.2~1.7;最后通过成盐剂中和,乳化分散制备得到具有核-壳结构的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
5.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤一中的催化剂为对甲苯磺酸、磷酸、浓硫酸、浓盐酸或钛酸正丁酯中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤三中的溶剂为丙酮、DMF及DMAc中的一种或两种的混合溶剂。
7.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的成盐剂为三乙胺、氨水、氢氧化钠中的一种或混合物,其中成盐剂占水性聚氨酯预聚体中羧基总物质的量的90%~100%。
8.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤二中的二异氰酸酯为4,4`-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、1,6-己二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)中的一种或多种的混合物。
9.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤二中的低聚物二元醇为聚四氢呋喃(PTMG)、聚丙二醇(PPG)、聚乙二醇(PEG)、聚己二酸乙二醇酯二醇(PEA)、聚己内酯二醇(PCL)、聚己二酸1,4-丁二醇酯(PBA)、聚碳酸酯二醇(PCDL)中的一种或多种的混合物。
10.根据权利要求1所述的一种超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯制备方法,其特征在于,所述的步骤二中的含亲水基团的二元醇为二羟甲基丙酸(DMPA)、二羟甲基丁酸(DMBA)、酒石酸中的一种或多种的混合物;所述的步骤二中的小分子扩链剂为1,4-丁二醇(BDO)、1,6-己二醇、甘油、三羟甲基丙烷(TMP)、二甘醇(DEG)、三甘醇、新戊二醇(NPG)或山梨醇中的一种或多种的混合物;
所述的步骤一中的端羟基超支化聚(异氰脲酸酯-酯)用于水性聚氨酯预聚体的扩链阶段,反应体系中NCO/OH摩尔比为1.2~1.7,可以制得不同分子质量的超支化聚(异氰脲酸酯-酯)型水性聚氨酯。
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