CN111909348B - 反应型聚氨酯热熔胶组合物及其制备和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反应型聚氨酯热熔胶组合物,其包含由二苯基甲烷二异氰酸酯和包含至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b)的聚合物多元醇混合物(M)得到的异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)。本发明还涉及所述反应型聚氨酯热熔胶组合物的制备以及作为热熔胶的用途。本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物具有较低的成本,施用时具有良好的表干性能,固化后具有优异的耐酸性和耐碱性。
Description
技术领域
本发明涉及一种反应型聚氨酯热熔胶组合物及其制备方法和用途。
背景技术
基于聚氨酯的热熔可湿固化(HMMC)粘合剂组合物为本领域熟知。它通常是以异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体为主基的热熔胶。NCO-封端的预聚物中的异氰酸酯基与湿气(例如空气中的或被粘物上的湿气)反应,从而发生交联来实现粘结,同时产生CO2。合适的NCO-封端的预聚物可通过使对异氰酸酯基具有反应性的聚合物如聚合物多元醇(例如聚醚多元醇和聚酯多元醇)与摩尔过量的多异氰酸酯如单体二异氰酸酯反应而获得。
聚氨酯热熔胶不含有水和溶剂,固含量为100%,是一种高性能环保型胶粘剂,它适应了国内外对环境越来越重视的需要。反应型聚氨酯热熔胶与普通热熔胶相比,具有优异的综合性能。它具有普通热熔胶粘剂无溶剂、初粘性高、应用时定位迅速的特性,应用后又具有特有的耐水、耐热、耐寒和耐蠕变性能。它们还可在通常低于普通热熔胶粘剂的施胶温度(例如150-180℃)的温度下施用,可用于某些塑料部件的粘接、复合,倍受现代自动化装配工业青睐。目前,反应型聚氨酯热熔胶已在建材、家具和木工、电气、汽车、书籍装订、制鞋和织物加工等领域获得应用。
然而,在反应型聚氨酯热熔胶的一些应用中,发现现有的反应型聚氨酯热熔胶的耐酸、耐碱性尚不足。热熔胶随着使用时间的延长会逐渐降解,从而无法正常发挥作用,需要替换或重新胶粘。
一些市购快干(秒级内失去表粘粘性)的反应型聚氨酯热熔胶包括可湿气固化的单组份胶。这些粘合剂可适用于不同的木材、金属和塑料之间的粘合。在装配线上,对基材压合或辊压后,它们能够提供强大的快速粘结力。这些粘合剂因具有良好的性能而广泛地用于各个方面,比如过滤器。然而,使用这些过滤器的某些厂商发现,当用这些粘合剂粘合的过滤器在使用较长时间后会发脆。这其中的一个原因是,这些厂商生产的废气/尾气包含一些碱性物质,这些市购可湿气固化的单组分胶不耐碱腐蚀的缘故。
US专利5530085公开了一种聚氨酯预聚物组合物,该组合物包含的作为粘结剂的预聚物为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与羟基封端的共轭二烯烃聚合物在不超过100℃的温度下反应而获得,其中MDI包含至少20%的2,4’-MDI异构体。该聚氨酯预聚物组合物可用作湿气固化热熔胶,声称可耐强酸性和强碱性溶液。然而,羟基封端的共轭二烯烃聚合物,尤其是聚丁二烯二醇作为合成聚氨酯的聚合物多元醇价格高昂。
美国专利US 4021414也提出了一种聚氨酯聚合物,该组合物通过先使二异氰酸酯与包含2,6-二烷基对甲酚和聚丁二烯多元醇的混合物反应获得预聚物,将所得预聚物溶解在溶剂中形成可喷雾的预聚物溶液,然后将所得预聚物溶液在25-100℃的温度下在2,2’-二氨基二苯基二硫化物存在下固化。该专利声称,由于聚氨酯预聚物在固化时使用了2,2’-二氨基二苯基二硫化物的缘故,因此聚氨酯聚合物固化之后对硫酸具有良好的耐受性。同样,该专利要求使用的聚丁二烯多元醇也存在价格昂贵的问题。
因此,对于耐酸和碱腐蚀的反应型热熔胶仍存在需求。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题,本申请的发明人在反应型聚氨酯热熔胶方面进行了广泛而又深入的研究,以发现一种耐酸、耐碱、价格低廉的反应型聚氨酯热熔胶。
因此,本发明的一个目的是改善反应型聚氨酯热熔胶的耐碱性。
本发明的另一个目的是改善反应型聚氨酯热熔胶的耐酸性。
本发明的再一个目的是降低反应型聚氨酯热熔胶的成本。
本发明的最后一个目的是提供一种反应型聚氨酯热熔胶,该热熔胶在施用后的合适时间内(例如不超过50秒)即变得表干,并同时表现出优异的耐酸性和耐碱性。
因此,在本发明的一个方面,提供一种反应型聚氨酯热熔胶组合物,该组合物具有优异的耐酸性和耐碱性。具体而言,该反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液(例如盐酸水溶液和氢氧化钠水溶液)的每一种中放置5周后的重量损失不超过2.0重量%,优选不超过1.5重量%,或者甚至不超过1.0重量%。
在本发明的另一个方面,提供一种反应型聚氨酯热熔胶组合物,该组合物在施用后不超过50秒、不超过40秒、不超过30秒或者甚至不超过20秒即变得表干。
在本发明的另一个方面,提供一种制备本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物的方法。
在本发明的最后一方面,提供本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物作为热熔胶的用途。
具体实施方式
根据本发明的第一个方面,提供了一种反应型聚氨酯热熔胶组合物,其包含由二苯基甲烷二异氰酸酯和包含至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b)的聚合物多元醇混合物(M)得到的异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P):
a)聚酯二醇,其为一种或多种C4-C12饱和脂族二醇与一种或多种C10-C18饱和脂族二羧酸的反应产物,一种或多种C10-C18饱和脂族二醇与一种或多种C4-C12饱和脂族二羧酸的反应产物,或者前述反应产物的组合;以及
b)聚醚二醇,其为聚丙二醇b1)和聚四氢呋喃二醇b2)中的至少一种:
b1)分子量为200-2000的聚丙二醇,和
b2)聚四氢呋喃二醇,其为分子量为200-4000的聚四氢呋喃二醇b2-a),或者为根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于42mN/m的聚四氢呋喃二醇b2-b),
其中该反应型聚氨酯热熔胶组合物还要满足下列要求X)-Z)中的一个、两个或者全部:
X)所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于1.0:3.0;
Y)该反应型聚氨酯热熔胶组合物还包含乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA),并且所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于等于1.0:4.0;以及
Z)该反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液(例如盐酸水溶液和氢氧化钠水溶液)的每一种中放置5周后的重量损失不超过2.0重量%。
在本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物中,其包含的异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)构成其粘结剂(binder)。在本发明中,粘结剂(binder)亦称粘接剂,指的是粘合剂等中提供主要粘合力将各个组分粘合在一起的物质,该物质也是主要的成膜物质,因而有时又称作成膜剂。根据本发明,形成异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)的原料包括二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。二苯基甲烷二异氰酸酯主要有三种异构体,包括4,4’-MDI、2,4’-MDI、2,2’-MDI。这些异构体都可于本发明。在本发明的一个优选实施方案中,MDI包含70%以上,优选80%以上,更优选90%以上,特别优选100%的4,4’-MDI。
根据本发明,可与MDI结合形成异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)的聚合物多元醇混合物(M)包含至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b)。即,通常要包括至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b),这两种聚合物多元醇都要与MDI反应形成聚氨酯预聚物(P)的链。
聚酯二醇a)的合适实施方案包括一种或多种C4-C12饱和脂族二醇与一种或多种C10-C18饱和脂族二羧酸的反应产物,一种或多种C10-C18饱和脂族二醇与一种或多种C4-C12饱和脂族二羧酸的反应产物,或者前述反应产物的组合。优选的是,聚酯二醇a)为一种或多种C6-C8饱和脂族二醇与一种或多种C12-C16饱和脂族二羧酸的反应产物,一种或多种C12-C16饱和脂族二醇与一种或多种C6-C8饱和脂族二羧酸的反应产物,或者前述反应产物的组合。作为形成聚酯二醇a)的饱和脂族二醇,可以是丁二醇、戊二醇、己二醇、庚二醇、辛二醇、壬二醇、癸二醇、十二烷二醇、十四烷二醇、十六烷二醇或其组合。作为形成聚酯二醇a)的饱和脂族二羧酸,可以是丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二烷二酸、十四烷二酸、十六烷二酸、十八烷二酸或其组合。优选的是,聚酯二醇a)为聚(癸二酸己二醇酯)二醇、聚(十二烷二酸己二醇酯)二醇、聚(十四烷二酸己二醇酯)二醇、聚(十六烷二酸己二醇酯)二醇、聚(癸二酸辛二醇酯)二醇、聚(十二烷二酸辛二醇酯)二醇、聚(十四烷二酸辛二醇酯)二醇、聚(十六烷二酸辛二醇酯)二醇、聚(己二酸十二烷二醇酯)二醇、聚(己二酸十四烷二醇酯)二醇、聚(己二酸十六烷二醇酯)二醇、聚(癸二酸十二烷二醇酯)二醇、聚(癸二酸十四烷二醇酯)二醇、聚(癸二酸十六烷二醇酯)二醇或者他们的任意组合。聚酯二醇a)例如可以是从赢创实业公司(Essen,德国)以商品名Dynacoll 7380(分子量3500)市购获得。
在一些实施方案中,基于本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物(P)中的结构单元形式的20-45重量%、优选25-35重量%的聚酯二醇a)。
作为聚醚二醇b),它是聚丙二醇b1)和聚四氢呋喃二醇b2)中的至少一种。也就是说,作为聚醚二醇b),既可以使用一种或多种聚丙二醇b1),也可以使用一种或多种聚四氢呋喃二醇b2),还可以使用一种或多种聚丙二醇b1)与一种或多种聚四氢呋喃二醇b2)的组合。
聚丙二醇b1)是分子量为200-2000的聚丙二醇。该聚丙二醇具有末端羟基,可与MDI反应形成聚氨酯。聚丙二醇b1)的分子量优选为300-800,更优选为350-600。该聚丙二醇既可通过本领域的常规方法制得,例如通过环氧丙烷开环聚合而获得,也可通过市购获得。例如,聚丙二醇b1)可以是从国都化工公司(首尔,韩国)以商品名DP 400(分子量400)市购获得和从陶氏化学公司(Midland,MI,USA)以商品名PPG 2000(分子量2000,商品名:VORANOL 2000L)市购获得。
聚四氢呋喃二醇b2)为分子量为200-4000的聚四氢呋喃二醇b2-a),或者为根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于42mN/m的聚四氢呋喃二醇b2-b)。该聚四氢呋喃二醇b2)具有末端羟基,可与MDI反应形成聚氨酯。
聚四氢呋喃二醇b2-a)的分子量通常为200-4000,优选为800-3500,更优选2500-3500。优选的是,聚四氢呋喃二醇b2-a)的根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于42mN/m,优选小于33mN/m,更优选小于30mN/m。
作为选择,作为聚四氢呋喃二醇b2),也可使用聚四氢呋喃二醇b2-b)。聚四氢呋喃二醇b2-b)的根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力通常小于42mN/m,优选小于33mN/m,更优选小于30mN/m。
在一些实施方案中,聚四氢呋喃二醇b2)可通过本领域的常规方法制得,例如通过四氢呋喃开环聚合而获得,也可通过市购获得。例如,聚四氢呋喃二醇b2)可以是从巴斯夫公司(Ludwigshafen,德国)以商品名Poly THF 1000(分子量1000)市购获得和从中国台湾大连化学公司以商品名PTG 3000(分子量3000)市购获得。
在本发明的一个优选实施方案中,所述至少一种聚醚二醇b)为聚丙二醇b1)与聚四氢呋喃二醇b2)的组合。此时,有利的是,聚丙二醇b1)与聚四氢呋喃二醇b2)的重量比为2:1-1:2,优选1.5:1-1.1:1。
在一些实施方案中,基于本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物(P)中的结构单元形式的8-35重量%、优选9-30重量%的聚醚二醇b)
在一些实施方案中,本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物需要满足要求X)-Z)中的一个、两个或者全部:
X)至少一种聚醚二醇b)与至少一种聚酯二醇a)的重量比大于1.0:3.0;
Y)反应型聚氨酯热熔胶组合物还包含乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA),并且至少一种聚醚二醇b)与至少一种聚酯二醇a)的重量比大于1.0:4.0;以及
Z)反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液(例如盐酸水溶液和氢氧化钠水溶液)的每一种中放置5周后的重量损失不超过2.0重量%。
根据本发明,在要求X)中,至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比通常大于1.0:3.0。如果该重量比低于1.0:3.0,则所得反应型聚氨酯热熔胶组合物的表干性能会变差,在开放时间后表面仍旧发粘和/或需要较长时间(例如超过50秒)来达到表干。在要求X)中,至少一种聚醚二醇b)与至少一种聚酯二醇a)的重量比优选大于1.1:3.0,更优选为1.2:3.0-1.0:1.0。
根据本发明,在要求Y)中,反应型聚氨酯热熔胶组合物还包含乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA),并且至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于等于1.0:4.0。在要求Y)中,至少一种聚醚二醇b)与至少一种聚酯二醇a)的重量比优选为1.0:4.0-1.0:1.0。在一些特别优选的实施方案中,在要求Y)中,本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物基于其总重量包含10-25重量%,更优选15-20重量%的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。
在根据本发明,在要求Z)中,反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液(例如盐酸水溶液和氢氧化钠水溶液)的每一种中放置5周后的重量损失不超过2.0重量%,不超过1.5重量%,或者甚至不超过1.0重量%。
用于形成异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)的聚合物多元醇混合物(M)还可包含其他聚合物多元醇。例如,聚合物多元醇混合物(M)还可包含一种或多种如下聚合物多元醇化合物:
i)分子量为2000-10000、优选4000-6000的羟基封端的聚丁二烯二醇及其部分加氢产物,
ii)分子量为300-1000、优选400-700的邻苯二甲酸和/或其酸酐与C2-C4亚烷基二醇和/或二(C2-C4亚烷基二醇)的羟基封端的聚酯二醇,以及
iii)基于包含至少12个碳原子的不饱和脂肪酸二聚体的聚酯二醇和/或其氢化产物。
在一些实施方案中,聚合物多元醇化合物i)既可以是羟基封端的聚丁二烯二醇本身,也可以是羟基封端的聚丁二烯二醇的部分加氢产物,抑或其组合。其分子量通常为2000-10000、优选4000-6000。作为该聚合物多元醇,可以提及可从Cray Valley公司(巴黎,法国)以商品名LBH-P 2000、LBH-P 3000、LBH-P 5000和LBH-P 10000等市购获得的那些。
在一些实施方案中,本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物基于其总重量包含5-18重量%、优选8-14重量%的前述羟基封端的聚丁二烯二醇和/或其部分加氢产物i)。
在一些实施方案中,聚合物多元醇化合物ii)可以是邻苯二甲酸和/或其酸酐与C2-C4亚烷基二醇和/或二(C2-C4亚烷基二醇)的羟基封端的聚酯二醇。作为这里的C2-C4亚烷基二醇,可以是乙二醇、丙二醇和丁二醇,优选乙二醇。作为这里的二(C2-C4亚烷基二醇),可以是二乙二醇、二丙二醇和二丁二醇,优选二乙二醇。例如,聚合物多元醇化合物ii)可以是邻苯二甲酸酐与二(C2-C4亚烷基二醇)形成的羟基封端的聚酯二醇,尤其是邻苯二甲酸酐与二乙二醇形成的羟基封端的聚酯二醇。聚合物多元醇化合物ii)的分子量通常为300-1000,优选400-700。
在一些实施方案中,聚合物多元醇化合物iii)可以是基于包含至少12个碳原子的不饱和脂肪酸二聚体的聚酯二醇和/或其氢化产物。不饱和脂肪酸二聚体是一种成分复杂的混合物,其主要成分含有两个羧酸基团。不饱和脂肪酸二聚体通常采用包含至少一个,比如两个或三个烯属双键的不饱和脂肪酸,如油酸和亚油酸通过相互聚合而得到。具体而言,包含至少12个碳原子的不饱和脂肪酸二聚体通常由干性油、半干性油等植物油,例如大豆油、棉子油、米糠油等含高亚油酸、油酸的天然油脂,经精制而得到脂肪酸,再通过间歇加压催化聚合或连续催化聚合等工艺而制得。常见脂肪酸二聚体有十八碳二烯酸二聚体。以不饱和脂肪酸二聚体作为原料可以进一步合成聚酯二醇。这些聚酯二醇取决于原料有时还包含烯属不饱和双键,因此还可部分或全部氢化。作为聚合物多元醇化合物iii)的实例,可以提及从巴斯夫公司以商品名SOVERMOL 908(聚酯二醇)市购获得的商品,其为氢化的二聚C18不饱和脂肪酸二甲酯二醇。
当本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物包含聚合物多元醇化合物i)、ii)和iii)中的一种或多种时,其总量不超过聚酯二醇a)总量的50重量%,优选不超过聚酯二醇a)总量的40重量%。
本发明的聚氨酯热熔胶组合物为反应性的,所包含的聚氨酯预聚物(P)含有端异氰酸酯基,这些基团在施用后固化时,会与湿气发生反应释放出二氧化碳。因此,在本发明一个优选实施方案中,用于形成聚氨酯预聚物(P)的MDI所含异氰酸酯基与聚合物多元醇所包含羟基的摩尔比通常为1.4:1.0-4.0:1.0,优选1.5:1.0-3.5:1.0,更优选为1.5:1.0至1.7:1.0。在本发明的另一优选实施方案中,异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物基于其总重量包含0.4-4.0重量%、优选0.6-3.7重量%、更优选0.7-3.3重量%的未反应(即游离)异氰酸酯基。
本发明的反应型聚氨酯热熔胶组合物还可任选地包含非反应聚合物。这里的“非反应性”指的是,该聚合物在本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物的制备、施用和固化过程中不参与任何化学反应。该类型聚合物的添加在热熔胶组合物固化之后可以提高其本体强度。在一些实施方案中,该非反应性聚合物的典型实例包括乙烯/乙酸乙烯酯(EVA)(当不满足要求Y)时)、热塑性聚氨酯(TPU)、无定形聚-α-烯烃(APAO)、热塑性弹性体(TPE)例如烯属热塑性弹性体(TPO或TPES)或热塑性酰胺(TPA)等。
在本发明的一个优选实施方案中,作为非反应性聚合物,它是热塑性聚氨酯(TPU)、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)(当不满足要求Y)时)、无定型聚-α-烯烃(APAO)或其组合。特别合适的实例包括乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(当不满足要求Y)时)。这些非反应性聚合物例如可以是从科思创聚合物(中国)有限公司以商品名DESMOCOLL 540/1(TPU)市购获得,从埃克森美孚公司(Irving,TX,USA)以商品名ESCORENE UL7710(EVA)市购获得,和从赢创实业公司(Essen,德国)以商品名VESTOPLAST 508(APAO)市购获得。
可以选取有用量的非反应性聚合物以提高反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后的内聚力而又不显著地削弱本发明热熔胶组合物的耐酸性、耐碱性和表干性能。基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,非反应性聚合物的用量通常不超过40%,优选为5-30重量%,更优选10-25重量%,特别优选15-20重量%。
本文述及的分子量在没有特别指明的情况下均通过凝胶渗透色谱法(GPC)测得,并且指的是重均分子量(Mw)
本发明聚氨酯热熔胶组合物还可包含聚氨酯固化催化剂,尤其是适于单组分湿固化的催化剂,以缩短固化时间。有用的固化催化剂包含醚和吗啉官能团,其实例包括2,2’-二吗啉乙基醚、二(2,6-二甲基吗啉乙基)醚和4,4'-(氧基二-2,1-乙烷二基)双吗啉。合适的市售催化剂例如包括JEFFCAT DMDEE 4,4'-(氧基二-2,1-乙烷二基)双吗啉,其可购自Huntsman Corp.(Houston,Texas)。各种金属催化剂也是适合的,这包括例如基于锡(如二月桂酸二丁基锡和乙酸二丁基锡)、铋、锌和钾的催化剂。
当本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物包含聚氨酯固化催化剂时,该固化催化剂的含量可以为0.01-2重量%,优选0.05-1重量%,基于聚氨酯热熔胶组合物的总重量。
本发明的反应型聚氨酯热熔胶组合物还可包含反应型聚氨酯热熔胶组合物通常所包含的各种其他常规添加剂。这些添加剂例如包括:增粘剂,增塑剂,蜡,稳定剂,抗氧化剂,填料(滑石,粘土,二氧化硅和其经处理变体,炭黑和云母,微粒,包括例如微球(如玻璃微球,聚合物微球及其组合)),紫外清除剂和吸收剂,着色剂(例如颜料和染料),荧光剂,气味遮盖剂,生物杀伤剂,腐蚀抑制剂,粘合促进剂,表面活性剂,消泡剂,阻燃剂,和它们的组合。
有用的增粘剂包括例如芳香族、脂肪族和脂环族烃树脂,混合的芳香族和脂肪族改性树脂,芳香族改性烃树脂,和其氢化变体;萜烯,改性萜烯,和其氢化变体;松香酯;和它们的组合。
有用的蜡包括例如羟基改性蜡,一氧化碳改性蜡,羟基硬脂酰胺蜡,脂肪酰胺蜡,烃蜡包括例如高密度低分子量聚乙烯蜡,石蜡和微晶蜡,和它们的组合。
有用的稳定剂包括碳二亚胺稳定剂,例如可从德国Rhein Chemie公司以商品名STABAXOL 7000市购获得。
有用的市售抗氧化剂的实例包括来自Ciba-Geigy(巴塞尔,瑞士)的商品名为IRGANOX 565,1010和1076的受阻酚抗氧化剂,和来自Great Lakes Chemicals(WestLafayette,IN,USA)的商品名为ANOX 20的受阻酚抗氧化剂。这些抗氧化剂可以作为自由基清除剂起作用并且能够单独使用或与其他抗氧化剂联合使用。本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物任选包含不超过2重量%的抗氧化剂。
有用的市售填料的实例包括来自Luzenac America,Inc.(Englewood,Colorado)的MISTRON VAPOR滑石。本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物任选包含约3、4、5或约7至约12、13、15或约20重量%的填料,或者任选包含位于前述任何一对前述值之间的重量百分含量的填料。
本发明的反应型聚氨酯热熔胶组合物在室温/环境温度下呈固态,不含溶剂。基于本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,聚氨酯预聚物(P)的含量通常为15-95重量%,优选50-85重量%,更优选60-75重量%。
本发明的反应型聚氨酯热熔胶组合物于140℃的粘度通常小于100,000cPs,优选为3000-80,000cPs,尤其为3000-50000cPs。
根据本发明的第二方面,提供了一种制备本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物的方法,包括使二苯基甲烷二异氰酸酯与上文描述的包含至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b)的聚合物多元醇混合物(M)反应,得到异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)。
由MDI和聚合物多元醇混合物(M)反应得到异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)的方法可包括本领域技术人员知晓的任何合适的方法。通常而言,使包含MDI、至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b)的反应混合物在移除水分的条件下,在升高的温度下,通常为60-160℃,优选80-120℃下反应。该反应时间通常为1-2小时。例如,首先将聚合物多元醇混合物(M)引入反应器中,加热至反应温度,并且在真空下干燥以除去多元醇吸收的环境湿气,然后将MDI加入该反应器中。MDI与聚合物多元醇的反应可以在抽真空条件下或者惰性气体比如氮气中进行。
为了获得异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P),MDI相对于聚合物多元醇要摩尔过量使用。在本发明的一个实施方案中,MDI与聚合物多元醇之间的反应通常在NCO:OH摩尔比为1.4:1.0-4.0:1.0,优选1.5:1.0-3.5:1.0,更优选1.5:1.0-1.7:1.0下进行。
由于本发明的反应型聚氨酯热熔胶组合物容易与湿气发生固化反应,因此有利的是,在制得该组合物之后,将其储存在防湿容器中以抑制不想要的反应。
本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物可以使用各种机制固化。主要是在具有可用的活性氢原子的化合物和聚氨酯预聚物(P)的NCO基团之间发生固化反应。各种具有游离活性氢的反应性化合物是本领域中已知的,包括水、硫化氢、多元醇、氨和其它活性化合物。出于成本、环保及操作简便性,优选采用湿气固化本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物。
因此,在本发明的一个优选实施方案中,本发明的反应型聚氨酯热熔胶组合物是一种单组份湿固化型热熔胶组合物。
单组分湿固化聚氨酯胶粘剂主要靠空气中的水分固化,故应维持合适的空气湿度,宜以室温(例如约22℃至约25℃)缓慢固化为宜。若空气干燥,可将少量水分施加于涂胶面,以促进固化。若胶被夹于干燥、硬质的被粘物之间,且胶层较厚时,界面及外界的水分不易渗入胶中,则易固化不完全,这种情况下可以在胶中注入极少量水分。
根据本发明的最后一个方面,提供了本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物作为热熔胶的用途。本发明的反应型聚氨酯热熔胶组合物可用于HMMC粘合剂的通常已知的所有用途。优选的是,本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物在建材、家具和木工、电气、汽车、书籍装订、制鞋、过滤器装配和织物加工领域中用作热熔胶,尤其是用作单组分湿固化热熔胶。
本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物可以使用任何合适的施加方法施加于基材,包括例如自动细线分散,喷射分散,狭缝模具涂布、辊涂、凹版涂布、转移涂布、模型涂布(pattern coating)、丝网印刷、喷涂、长丝涂布、挤出、空气刮刀、拖刀、刷涂、浸涂、刮刀涂布、凹版胶印涂布、轮转凹版涂布及其组合。该湿固化型粘合剂组合物可以以连续或非连续的涂布,以单层或多层,和它们的组合的方式应用。该湿固化型粘合剂组合物可以在任何合适的温度下施用,使用温度通常为60-200℃,优选80-175℃,更优选110-150℃。
任选地,本发明反应型聚氨酯热熔胶组合物施加在其上的基材表面使用任何合适的用于增强基材表面粘合性的方法进行表面处理以增强粘合性,包括例如,电晕处理,化学处理(例如,化学刻蚀),火焰处理,摩擦,和它们的组合。
对于单组分湿固化胶粘剂,加热也不能太快,否则NCO基团与胶中或基材表面、空气中的水分加速反应,产生的CO2气体来不及扩散,而胶层粘度增加很快,气泡就留在胶层中。除非另外指明,否则本文述及的所有份数、比率、百分比和量均按重量计。
本发明涉及如下实施方案:
1.一种反应型聚氨酯热熔胶组合物,其包含由二苯基甲烷二异氰酸酯和包含至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b)的聚合物多元醇混合物(M)得到的异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P):
a)聚酯二醇,其为一种或多种C4-C12饱和脂族二醇与一种或多种C10-C18饱和脂族二羧酸的反应产物,一种或多种C10-C18饱和脂族二醇与一种或多种C4-C12饱和脂族二羧酸的反应产物,或者前述反应产物的组合;以及
b)聚醚二醇,其为聚丙二醇b1)和聚四氢呋喃二醇b2)中的至少一种:
b1)分子量为200-2000、优选为300-800、更优选350-600的聚丙二醇,和
b2)聚四氢呋喃二醇,其为分子量为200-4000、优选为800-3500、更优选2500-3500的聚四氢呋喃二醇b2-a),或者根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于42mN/m,优选小于33mN/m,更优选小于30mN/m的聚四氢呋喃二醇b2-b),
其中该反应型聚氨酯热熔胶组合物还要满足下列要求X)-Z)中的一个、两个或者全部:
X)所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于1.0:3.0,优选大于1.1:3.0,更优选为1.2:3.0至1.0:1.0。
Y)该反应型聚氨酯热熔胶组合物还包含乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA),并且所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于等于1.0:4.0,优选为1.0:4.0-1.0:1.0;以及
Z)该反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液(例如盐酸水溶液和氢氧化钠水溶液)的每一种中放置5周后的重量损失不超过2.0重量%,不超过1.5重量%,或者甚至不超过1.0重量%。
2.根据实施方案1的组合物,其中组合物满足要求Y)时,该组合物基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量包含10-25重量%,更优选15-20重量%的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。
3.根据实施方案1或2的组合物,其中所述至少一种聚醚二醇b)为聚丙二醇b1)与聚四氢呋喃二醇b2)的组合,此时优选聚丙二醇b1)与聚四氢呋喃二醇b2)的重量比为2:1-1:2,优选1.5:1-1.1:1。
4.根据实施方案1-3中任一项的组合物,其中二苯基甲烷二异氰酸酯包含70%以上,优选80%以上,更优选90%以上,特别优选100%的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯。
5.根据实施方案1-4中任一项的组合物,其中聚四氢呋喃二醇b2-a)根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于42mN/m,优选小于33mN/m,更优选小于30mN/m。
6.根据实施方案1-5中任一项的组合物,其中聚酯二醇a)为一种或多种C6-C8饱和脂族二醇与一种或多种C12-C16饱和脂族二羧酸的反应产物,一种或多种C12-C16饱和脂族二醇与一种或多种C6-C8饱和脂族二羧酸的反应产物,或者前述反应产物的组合。
7.根据实施方案1-6中任一项的组合物,其中聚合物多元醇混合物(M)还包含分子量为2000-10000、优选4000-6000的羟基封端的聚丁二烯二醇和/或其部分加氢产物,其量基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量优选为5-18重量%,更优选为8-14重量%。
8.根据实施方案1-7中任一项的组合物,其中MDI所含异氰酸酯基与聚合物多元醇所包含羟基的摩尔比为1.4:1.0-4.0:1.0,优选1.5:1.0-3.5:1.0,更优选1.5:1.0-1.7:1.0。
9.根据实施方案1-8中任一项的组合物,其中异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)基于其总重量包含0.4-4.0重量%、优选0.6-3.7重量%、更优选0.7-3.3重量%的未反应异氰酸酯基。
10.根据实施方案1-9中任一项的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物(P)中的结构单元形式的20-45重量%、优选25-35重量%的聚酯二醇a)。
11.根据实施方案1-10中任一项的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物中形式的8-35重量%、优选9-30重量%的聚醚二醇b)。
12.根据实施方案1-11中任一项的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含3-20重量%、优选5-15重量%的填料。
13.根据实施方案1-12中任一项的组合物,其为单组分湿固化聚氨酯热熔胶组合物。
14.一种制备根据实施方案1-13中任一项的反应型聚氨酯热熔胶组合物的方法,包括使二苯基甲烷二异氰酸酯与包含所述至少一种聚酯二醇a)和所述至少一种聚醚二醇b)的聚合物多元醇混合物(M)反应,得到异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物(P)。
15.根据实施方案1-13中任一项的反应型聚氨酯热熔胶组合物作为热熔胶的用途,优选在建材、家具和木工、电气、汽车、书籍装订、制鞋、过滤器装配和织物加工领域中作为热熔胶的用途,尤其是作为单组分湿固化热熔胶的用途。
实施例
下文的非限制性实施例包括用来进一步阐述本公开的各种实施方案,但不限制本公开的范围。
表面张力测定
本文述及的表面张力按照国标GB/T22237-2008于50℃下测定。
原料信息
·DP 400:聚丙二醇,Mw=400,表面张力为30.324mN/m,购自国都化学公司
·Poly THF 1000:聚四氢呋喃二醇,Mw=1000,购自巴斯夫公司
·PTG 3000:聚四氢呋喃二醇,Mw=3000,表面张力为27.951mN/m,购自中国台湾大连化学公司
·SOVERMOL 908:氢化的二聚C18不饱和脂肪酸二甲酯二醇,Mw=543.7,表面张力为32.853mN/m,购自巴斯夫公司
·PS 2002:邻苯二甲酸酐与二乙二醇反应获得的聚酯二醇,Mw=575,表面张力为41.631mN/m,购自斯泰潘化学公司;
·KRASOL LBH-P 5000:聚丁二烯二醇,Mw=5000,表面张力为26.581mN/m,购自Cray Valley公司
·Dynacoll 7380:聚酯二醇,Mw=3500,购自赢创实业公司
·Mistron Vapor:滑石,购自Luzenac America,Inc.(Englewood,Colorado)
·Evernox 10GF:抗氧化剂,购自Everspring公司
·ESCORENE UL7710:EVA,VA:26.7%,MI:420g/10min@190℃,购自埃克森美孚公司
·VESTOPLAST 508:无定型聚-α-烯烃,购自赢创实业公司
·Desmodur CD-C:碳二亚胺异氰酸酯,购自科思创聚合物(中国)有限公司
·DMDEE:4,4'-(氧基二-2,1-乙烷二基)双吗啉,购自Huntsman Corp.(Houston,Texas)
热熔胶组合物的制备
将下表1所示的每个组合物配方中除了MDI和固化催化剂DMDEE之外的所有组分按表1所示各量加入反应器中,升温至130-140℃抽真空除去湿气,然后降温至100℃,加入MDI并搅拌保温1小时,然后加入表1所示量的固化催化剂DMDEE,再搅拌20分钟,降至室温,制得各聚氨酯熔胶组合物。
热熔胶组合物的性能测试
粘度测试
粘度使用Brookfield Thermosel粘度计(AMETEK Brookfield of Middleboro,MA,USA)和27号转子测定。粘度于140℃下测定。
表干时间测试
将热熔胶组合物于140℃的温度下熔融,以100μm的厚度施加到PET离型膜的非离型面,即刻计时。每1-2秒用食指按压粘合剂层表面。手不再感觉到粘性的时间即为表干时间,测试时间最多60秒。
耐酸性和耐碱性测试
将制备的热熔胶组合物涂布在离型PET薄膜上,在环境湿度(约50%)下室温固化7天,得到厚100μm的粘合剂薄膜。利用压机硫化机在120℃下将多层粘合剂薄膜层压在一起,剪切成15mm×20mm×2mm的薄片试样,并称重。
将pH为1的盐酸水溶液和pH为13的氢氧化钠水溶液各自放入烘箱中,加热至80℃。然后将薄片试样分别放入这两种溶液中浸泡。在浸泡给定天数之后取出试样,冲洗、干燥、称重,计算各试样的重量损失百分数。
除对比实施例C-1以外的所有热熔胶组合物的配方及实验结果汇总在下表1中。
HL9810为一种湿气固化聚氨酯热熔胶,购自H.B.Fuller,St.Paul,MN USA。该热熔胶标记为对比实施例C-1。根据上文所述的各项测试方法测试了该热熔胶的各项性能。需要指出的是,在测试粘度时,HL9810的粘度测试温度为163℃,而不是140℃。结果汇总在下表2中。
表2
由上表1和表2可见,对比实施例C-1与发明实施例1-8的对比表明,本发明热熔胶组合物就耐酸性和耐碱性而言好于HL9810。不仅如此,本发明热熔胶组合物的干燥速度快于C-1。
对比实施例C-3和C-4与发明实施例1-8的对比表明,作为多异氰酸酯,使用MDI比使用碳二亚胺二异氰酸酯,耐酸性和耐碱性大大提高,尤其是耐碱性显著地提高。
对比实施例C-2、C-6、C-7和C-8与发明实施例1-8的对比表明,当不使用本发明的聚醚二醇b),而是使用其他聚酯二醇和聚丁二烯二醇来代替制备聚氨酯预聚物时,所得热熔胶组合物要么耐酸碱性差,尤其是耐碱性差,要么表干时间长,在施用后60秒表面还发粘。
对比实施例C-5与发明实施例1-8的对比表明,当根据本发明使用的聚醚二醇b)的用量较少并且不使用EVA时,所得热熔胶组合物的表干时间长,在施用后60秒表面还发粘,耐碱性也不如本发明热熔胶组合物。
Claims (45)
1.一种反应型聚氨酯热熔胶组合物,其包含由二苯基甲烷二异氰酸酯和包含至少一种聚酯二醇a)和至少一种聚醚二醇b)的聚合物多元醇混合物M得到的异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物P:
聚酯二醇a),其为一种或多种C4-C12饱和脂族二醇与一种或多种C10-C18饱和脂族二羧酸的反应产物,或一种或多种C10-C18饱和脂族二醇与一种或多种C4-C12饱和脂族二羧酸的反应产物,或者前述反应产物的组合;以及
聚醚二醇b),其为聚丙二醇b1)和聚四氢呋喃二醇b2)中的至少一种:
分子量为200-2000的聚丙二醇b1),和
聚四氢呋喃二醇b2),其为分子量为200-4000的聚四氢呋喃二醇b2-a),或者根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于42mN/m的聚四氢呋喃二醇b2-b),
其中该反应型聚氨酯热熔胶组合物还要满足下列要求Y):
Y)该反应型聚氨酯热熔胶组合物还包含乙烯/乙酸乙烯酯共聚物EVA,并且所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于等于1.0:4.0;
其中该组合物基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量包含10-25重量%的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物;和
其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物中的结构单元形式的8-35重量%的聚醚二醇b)。
2.根据权利要求1的组合物,其中所述聚丙二醇b1)的分子量为300-800。
3.根据权利要求2的组合物,其中所述聚丙二醇b1)的分子量为350-600。
4.根据权利要求1的组合物,其中所述聚四氢呋喃二醇b2-a)的分子量为800-3500。
5.根据权利要求4的组合物,其中所述聚四氢呋喃二醇b2-a)的分子量为2500-3500。
6.根据权利要求1的组合物,其中所述聚四氢呋喃二醇b2-b)根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于33mN/m。
7.根据权利要求6的组合物,其中所述聚四氢呋喃二醇b2-b)根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于30mN/m。
8.根据权利要求1的组合物,其中所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比为1.0:4.0-1.0:1.0。
9.根据权利要求1的组合物,其中该反应型聚氨酯热熔胶组合物还要满足下列要求X)和Z)中的一个或两个:
X)所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于1.0:3.0;以及
Z)该反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液的每一种中放置5周后的重量损失不超过2.0重量%。
10.根据权利要求9的组合物,其中所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比大于1.1:3.0。
11.根据权利要求10的组合物,其中所述至少一种聚醚二醇b)与所述至少一种聚酯二醇a)的重量比为1.2:3.0至1.0:1.0。
12.根据权利要求9的组合物,其中该反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液的每一种中放置5周后的重量损失不超过1.5重量%。
13.根据权利要求12的组合物,其中该反应型聚氨酯热熔胶组合物固化后在pH值分别为1和13的水溶液的每一种中放置5周后的重量损失不超过1.0重量%。
14.根据权利要求9的组合物,其中pH值为1的水溶液为盐酸水溶液。
15.根据权利要求9的组合物,其中pH值为13的水溶液为氢氧化钠水溶液。
16.根据权利要求1的组合物,其中该组合物基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量包含15-20重量%的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。
17.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中所述至少一种聚醚二醇b)为聚丙二醇b1)与聚四氢呋喃二醇b2)的组合。
18.根据权利要求17的组合物,其中聚丙二醇b1)与聚四氢呋喃二醇b2)的重量比为2:1-1:2。
19.根据权利要求18的组合物,其中聚丙二醇b1)与聚四氢呋喃二醇b2)的重量比为1.5:1-1.1:1。
20.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中二苯基甲烷二异氰酸酯包含70%以上的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯。
21.根据权利要求20的组合物,其中二苯基甲烷二异氰酸酯包含80%以上的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯。
22.根据权利要求20的组合物,其中二苯基甲烷二异氰酸酯包含90%以上的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯。
23.根据权利要求20的组合物,其中二苯基甲烷二异氰酸酯包含100%的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯。
24.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中聚四氢呋喃二醇b2-a)根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于42mN/m。
25.根据权利要求24的组合物,其中聚四氢呋喃二醇b2-a)根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于33mN/m。
26.根据权利要求25的组合物,其中聚四氢呋喃二醇b2-a)根据国标GB/T22237-2008于50℃下测定的表面张力小于30mN/m。
27.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中聚酯二醇a)为一种或多种C6-C8饱和脂族二醇与一种或多种C12-C16饱和脂族二羧酸的反应产物,或一种或多种C12-C16饱和脂族二醇与一种或多种C6-C8饱和脂族二羧酸的反应产物,或者前述反应产物的组合。
28.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中聚合物多元醇混合物M还包含分子量为2000-10000的羟基封端的聚丁二烯二醇和/或其部分加氢产物,其量基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量为5-18重量%。
29.根据权利要求28的组合物,其中聚合物多元醇混合物M还包含分子量为4000-6000的羟基封端的聚丁二烯二醇和/或其部分加氢产物,其量基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量为8-14重量%。
30.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中MDI所含异氰酸酯基与聚合物多元醇所包含羟基的摩尔比为1.4:1.0-4.0:1.0。
31.根据权利要求30的组合物,其中MDI所含异氰酸酯基与聚合物多元醇所包含羟基的摩尔比为1.5:1.0-3.5:1.0。
32.根据权利要求31的组合物,其中MDI所含异氰酸酯基与聚合物多元醇所包含羟基的摩尔比为1.5:1.0-1.7:1.0。
33.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物P基于其总重量包含0.4-4.0重量%的未反应异氰酸酯基。
34.根据权利要求33的组合物,其中异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物P基于其总重量包含0.6-3.7重量%的未反应异氰酸酯基。
35.根据权利要求34的组合物,其中异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物P基于其总重量包含0.7-3.3重量%的未反应异氰酸酯基。
36.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物P中的结构单元形式的20-45重量%的聚酯二醇a)。
37.根据权利要求36的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物P中的结构单元形式的25-35重量%的聚酯二醇a)。
38.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含呈引入聚氨酯预聚物中的结构单元形式的9-30重量%的聚醚二醇b)。
39.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含3-20重量%的填料。
40.根据权利要求39的组合物,其中基于反应型聚氨酯热熔胶组合物的总重量,该组合物包含5-15重量%的填料。
41.根据权利要求1-16中任一项的组合物,其为单组分湿固化聚氨酯热熔胶组合物。
42.一种制备根据权利要求1-41中任一项的反应型聚氨酯热熔胶组合物的方法,包括使二苯基甲烷二异氰酸酯与包含所述至少一种聚酯二醇a)和所述至少一种聚醚二醇b)的聚合物多元醇混合物M反应,得到异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚物P。
43.根据权利要求1-41中任一项的反应型聚氨酯热熔胶组合物作为热熔胶的用途。
44.根据权利要求43的用途,其中所述反应型聚氨酯热熔胶组合物在建材、家具和木工、电气、汽车、书籍装订、制鞋、过滤器装配和织物加工领域中用作热熔胶。
45.根据权利要求43的用途,其中所述反应型聚氨酯热熔胶组合物用作单组分湿固化热熔胶。
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