JP6753311B2 - エチレン−ビニルアルコール系共重合体及びその製造方法、並びに積層体 - Google Patents
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Description
該ケン化物は、エチレンと酢酸ビニルを共重合し、未反応の酢酸ビニルを除去した後、得られたエチレン−酢酸ビニル共重合体をケン化することによって製造される。
[1] 液体クロマトグラフィーにより測定されるエチレン含有量分布曲線において、少なくとも2つのピークを有し、かつ、下記[I]〜[IV]を満足することを特徴とするエチレン−ビニルアルコール系共重合体に関するものである。
[I]最も高いピーク(A)を示す成分のエチレン含有量(a)が20〜35モル%である。
[II]2番目に高いピーク(B)を示す成分のエチレン含有量(b)が45〜60モル%である。
[III]前記ピーク(A)と前記ピーク(B)の間の横軸を均等に4分割したときの、前記ピーク(A)と前記ピーク(B)の中心(C)を挟んだ2つの領域(W)のエチレン含有量(w)を有する成分(V)の、共重合体全体に対する含有割合(v)が5〜25重量%である。
[IV]前記2つの領域(W)において、縦軸の最大値が、前記2つの領域(W)の縦軸の平均値の2倍以下である。
[2] 前記ピーク(A)を示す成分のエチレン含有量(a)と、前記ピーク(B)を示す成分のエチレン含有量(b)の差が10〜30モル%である、前記[1]記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体。
[3] 前記[1]または[2]記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体を製造する方法であって、
エチレンとビニルエステル系化合物を溶媒中で共重合させ、エチレン−ビニルエステル系共重合体を得る工程を含み、更に前記エチレン−ビニルエステル系共重合体をケン化してエチレン−ビニルアルコール系共重合体を製造するに当たり、前記エチレンと前記ビニルエステル系化合物の共重合反応を、エチレン圧を連続的に変化させながら行うエチレン−ビニルアルコール系共重合体の製造方法。
更に前記エチレン−ビニルエステル系共重合体をケン化してエチレン−ビニルアルコール系共重合体を製造するに当たり、前記エチレンと前記ビニルエステル系化合物の共重合反応を、エチレン圧及び温度を一定に保ちながら重合させる前段反応と、エチレン圧及び温度を時間をかけて連続的に変化させながら重合させる中間反応と、エチレン圧及び温度を変化させた後のエチレン圧及び温度で一定に保ちながら重合させる後段反応とを、一回のバッチ重合反応にて行うエチレン−ビニルアルコール系共重合体の製造方法。
[5] 前記中間反応において、前記エチレン圧を25〜80kg/cm2・hrの変化速度で連続的に変化させる、前記[4]記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体の製造方法。
[6] 前記中間反応において、前記エチレン圧及び前記温度を15分〜3時間の時間をかけて連続的に変化させる、前記[4]または[5]記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体の製造方法。
[7] 前記[1]または[2]記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体を含有する層を少なくとも1層含む積層体。
本発明のEVOHは、液体クロマトグラフィーにより測定されるエチレン含有量分布曲線において、少なくとも2つのピークを有し、かつ、下記[I]〜[IV]を満足することを特徴とするものである。なお、エチレン含有量分布曲線とは、エチレン含有量の分布を示すものであり、ピークが高いほど、そのエチレン含有量を有する成分を多く含むことを意味する。また、特定範囲のエチレン含有量を有する成分の共重合体全体に対する含有割合とは、全ピーク面積に対する特定範囲のエチレン含有量におけるピーク面積比率により定義される。なお、ピークのエチレン含有量とは、ピークの頂点からベースラインに垂線を下ろした時の横軸の値(エチレン含有量)を意味する。
[I]最も高いピーク(A)を示す成分のエチレン含有量(a)が20〜35モル%である。
[II]2番目に高いピーク(B)を示す成分のエチレン含有量(b)が45〜60モル%である。
[III]前記ピーク(A)と前記ピーク(B)の間の横軸を均等に4分割したときの、前記ピーク(A)と前記ピーク(B)の中心(C)を挟んだ2つの領域(W)のエチレン含有量(w)を有する成分(V)の、共重合体全体に対する含有割合(v)が5〜25重量%である。
[IV]前記2つの領域(W)において、縦軸の最大値が、前記2つの領域(W)の縦軸の平均値の2倍以下である。
なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
なお、平均のエチレン含有量とは、液体クロマトグラフィーにより測定される分布曲線から、エチレン含有量毎(液体クロマトグラフィーにおけるデータの最小所得間隔に準ずる)の成分含有割合(100分率)を求め、それぞれのエチレン含有量と成分含有割合の積の総和を100で割って求められる値である。
図1は、液体クロマトグラフィーにより測定されるエチレン含有量分布曲線の模式図であり、ピーク(A)、ピーク(B)、中心(C)、領域(W)は、図1の通りであるが、ピーク(A)及びピーク(B)はそれぞれピーク頂点から横軸に垂線を下ろしたときの値であり、中心(C)は、該ピーク(A)及びピーク(B)の間のエチレン含有量(横軸)を均等に4分割した時の中心であり、領域(W)は前記4分割した時の中心(C)を挟んだ2つの領域(真ん中の2つの領域)を意味する。
高速液体クロマトグラフィー(島津製作所製『LC−10ADvp』)に蒸発光散乱検出器(ELSD)(ポリマーラボラトリー社製『PL−ELS1000』)を取り付け、EVOHの再酢化物(エチレン−酢酸ビニル共重合体)の共重合体組成分布を測定する。
このときの移動相の流速は0.5mL/分とし、溶離液は2種類の溶媒A,Bを用いるグラジエントシステムで行う。溶媒Aはアセトニトリルと水の体積比が90対10の比で混合した溶媒で、溶媒Bはテトラヒドロフランとする。溶媒グラジエントは、溶媒Aと溶媒Bの混合比を時間とともに変え、測定開始時は、溶媒A100%で測定開始から60分後に溶媒Aが40%になるように直線的に変化させる。試料溶液は溶媒として溶媒Aを用い、約1mg/mLの試料濃度に調整する。注入量は100μLとする。カラムは逆相系カラムであるC18カラム(GLサイエンス社製『GL−Pack Nucleosil C18−100』)を1本使用する。また、カラムの温度は40℃に設定する。蒸発光散乱検出器(ELSD)は供給ガス(窒素ガス)1.0L、ネブライザー温度40℃、エバポレーターの温度は70℃で測定する。検出器からのデータの取得間隔は1.2秒毎とし、測定中はすべてのデータをこの間隔で取得する。検出器からのデータの取得間隔はこれに限定されるものではないが、エチレン含有量分布曲線を正確に求める為には少なくとも10秒以下毎に等間隔で取得し、下記の方法でエチレン含有量分布曲線が得られた際、エチレン含有量に対するデータの間隔が、全データ範囲に渡って、0.1モル%以下となるよう、データの取得間隔を設定する必要がある。
かかる手順により、液体クロマトグラムのデータを得ることができるが、ELSDでの検出強度は濃度に比例しないので、検出器の感度補正を行う必要があり、下記の要領で感度補正を行う。
なお、上記の定数a,cに関しては、計算初期に任意の値を指定すればよく、計算によって求めた和が最小になった時点で決まるものであり、cは正の整数とすればよい。
次に、溶出時間を共重合組成に変換するための検量線を作成するが、検量線作成にあたっては、平均のエチレン組成がNMR測定によって既知である試料を5点(このときの平均エチレン組成の差は2モル%以上とすることが好ましい。)測定し、得られた生のクロマトグラムに感度補正を施したクロマトグラムに対して、溶出時間と共重合組成の関係を二次関数的な関係として、各点の強度分率と共重合組成の積の和とNMRで求めた共重合組成との差の二乗が最小になるときの二次関数の係数から溶出時間を共重合組成に変換する。
上記の手順により、微分分布曲線を得て、EVOHの再酢化物(エチレン−酢酸ビニル共重合体)のエチレン含有量の分布を求める。
(1)(a)のエチレン含有量を有するEVOHと、(b)のエチレン含有量を有するEVOHと、(a)と(b)の間のエチレン含有量を有する複数のEVOHと、を少量ずつ混合する方法、
(2)平均のエチレン含有量が(a)であって、特定の広いエチレン含有量の分布を有するEVOHと、平均のエチレン含有量が(b)であって、特定の広いエチレン含有量の分布を有するEVOHと、を混合する方法、
なども挙げられるが、全体が均一となり溶融成形性が良好である点から、
(3)エチレンとビニルエステル系化合物の共重合反応、とりわけ、エチレンと酢酸ビニルの共重合反応に際し、反応条件を連続的に変化させることが好ましい。
本発明においては、エチレンとビニルエステル系化合物を溶媒中で共重合させ、エチレン−ビニルエステル系共重合体を得る工程を含み、更に該エチレン−ビニルエステル系共重合体をケン化してEVOHを製造するに当たり、前記エチレンと前記ビニルエステル系化合物の共重合反応を、エチレン圧を連続的に変化させながら行うことが好ましい。
温度は50〜80℃であることが好ましく、特には53〜77℃、更には55〜75℃であることが好ましい。かかる温度が低すぎると重合効率が低下し重合時間が長くなったり、重合が進みがたい傾向があり、高すぎると重合の制御が困難となる傾向がある。
また、反応時間は30分〜4時間であることが好ましく、特には1〜3時間であることが好ましい。かかる時間が短すぎると低エチレン成分量が不足しガスバリア性が低下する傾向があり、長すぎると低エチレン成分が過剰となり二次成形性が低下する傾向がある。
温度は45〜75℃であることが好ましく、特には48〜72℃、更には50〜70℃であることが好ましい。かかる温度が低すぎると重合効率が低下し重合時間が長くなったり、重合が進みがたい傾向があり、高すぎると重合反応の制御が困難となる傾向がある。
また、反応時間は30分〜4時間であることが好ましく、特には1〜3時間であることが好ましい。かかる時間が短すぎると高エチレン成分量が不足し二次成形性が低下する傾向があり、長すぎると高エチレン成分量が過剰となりガスバリア性が低下する傾向がある。
溶媒量としては、ビニルエステル系化合物100重量部に対して1〜80重量部であることが好ましく、特には1〜70重量部、更には1〜60重量部が好ましい。
上記未反応のビニルエステル系化合物の除去により、残存ビニルエステル系化合物の含有量を好ましくは0.1重量%以下、更には0.05重量%以下にすることが好ましい。
また、不均一ケン化の際は、必要に応じてアセトン、ヒドラジン、長鎖のアルキルアミン類等を着色防止のため配合しても良い。
かかるペレット状のEVOHの形状としては、円柱状、球状等のものが好ましく、円柱状の場合は直径が1〜10mm、長さが1〜10mmが好ましく、球状の場合は直径が1〜10mmが好ましい。
かかる乾燥方法としては、種々の乾燥方法を採用することが可能である。例えば、実質的にペレット状のEVOHが、機械的にもしくは熱風により撹拌分散されながら行われる流動乾燥や、実質的にペレット状のEVOHが、撹拌、分散などの動的な作用を与えられずに行われる静置乾燥が挙げられる。流動乾燥を行うための乾燥器としては、円筒・溝型撹拌乾燥器、円管乾燥器、回転乾燥器、流動層乾燥器、振動流動層乾燥器、円錐回転型乾燥器等が挙げられる。また、静置乾燥を行うための乾燥器として、材料静置型としては回分式箱型乾燥器が、材料移送型としてはバンド乾燥器、トンネル乾燥器、竪型乾燥器等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。流動乾燥と静置乾燥を組み合わせて行うことも可能である。
かかるMFRの調整にあたっては、EVOHの重合度を調整すればよく、さらには架橋剤や可塑剤を添加して調整することも可能である。
本発明の積層体を製造するにあたっては、本発明のEVOHを含む層の片面又は両面に、他の基材(熱可塑性樹脂等)を積層するが、積層方法としては、例えば、本発明のEVOHを含むフィルム、シート等に他の基材を溶融押出ラミネートする方法、逆に他の基材に本発明のEVOHを溶融押出ラミネートする方法、本発明のEVOHと他の基材とを共押出する方法、本発明のEVOH(層)と他の基材(層)とを有機チタン化合物、イソシアネート化合物、ポリエステル系化合物、ポリウレタン化合物等の公知の接着剤を用いてドライラミネートする方法等が挙げられる。上記の溶融押し出し時の溶融成形温度は、150〜300℃の範囲から選ぶことが多い。
尚、例中「部」、「%」とあるのは、重量基準を意味する。
また、各物性の測定については下記の通り行った。
高速液体クロマトグラフィー(島津製作所製『LC−10ADvp』)に蒸発光散乱検出器(ELSD)(ポリマーラボラトリー社製『PL−ELS1000』)を取り付け、EVOHの再酢化物(エチレン−酢酸ビニル共重合体)の共重合体組成分布を測定した。
このときの移動相の流速は0.5mL/分とし、溶離液は2種類の溶媒A,Bを用いるグラジエントシステムで行った。溶媒Aはアセトニトリルと水の体積比が90対10の比で混合した溶媒で、溶媒Bはテトラヒドロフランとした。溶媒グラジエントは、溶媒Aと溶媒Bの混合比を時間とともに変え、測定開始時は、溶媒A100%で測定開始から60分後に溶媒Aが40%になるように直線的に変化させた。試料溶液は溶媒として溶媒Aを用い、約1mg/mLの試料濃度に調整した。注入量は100μLとした。カラムは逆相系カラムであるC18カラム(GLサイエンス社製『GL−Pack Nucleosil C18−100』)を1本使用した。また、カラムの温度は40℃に設定した。蒸発光散乱検出器(ELSD)は供給ガス(窒素ガス)1.0L、ネブライザー温度40℃、エバポレーターの温度は70℃で測定した。検出器からのデータの取得間隔は1.2秒毎とし、測定中はすべてのデータをこの間隔で取得した。
かかる手順により、液体クロマトグラムのデータを得ることが出来るが、ELSDでの検出強度は濃度に比例しないので、検出器の感度補正を行う必要があり、下記の要領で感度補正を行った。
なお、上記の定数a,cに関しては、計算初期に任意の値を指定すればよく、計算によって求めた和が最小になった時点で決まるものであり、cは正の整数とすればよい。
次に、溶出時間を共重合組成に変換するための検量線を作成するが、検量線作成にあたっては、平均のエチレン組成がNMR測定によって既知である試料を5点(このときの平均エチレン組成の差は2モル%以上とすることが好ましい。)測定し、得られた生のクロマトグラムに感度補正を施したクロマトグラムに対して、溶出時間と共重合組成の関係を二次関数的な関係として、各点の強度分率と共重合組成の積の和とNMRで求めた共重合組成との差の二乗が最小になるときの二次関数の係数から溶出時間を共重合組成に変換した。
上記の手順により、微分分布曲線を得て、EVOHの再酢化物(エチレン−酢酸ビニル共重合体)のエチレン含有量の分布を求めた。
EVOHを重水素化ジメチルスルホキシドに溶解した後、温度50℃でプロトン−NMR(ブルカー社製『DPX−400』)測定により求めた。
冷却コイルを持つ1m3の重合缶に酢酸ビニル340kg、メタノール85kg、t−ブチルパーオキシネオデカノエイト70g、クエン酸10gを仕込み、系を窒素ガスで一旦置換した後、次いで、エチレンで置換し、さらにエチレン圧が35.5kg/cm2となるまでエチレンを圧入して、攪拌しながら、67℃まで昇温して、3時間の重合反応を実施した(前段反応)。続いて、重合反応を継続しながら、1時間の時間をかけて、反応温度を67℃から60℃まで一定速度で下げるとともに、エチレン圧が35.5kg/cm2から70kg/cm2となるまで一定速度で連続的にエチレンを追加した(中間反応)。更に、その状態で1時間重合反応を続け(後段反応)、合計5時間の重合反応を行った。その後、重合反応を停止してエチレン−酢酸ビニル共重合体を得た。
次いで、エチレン−酢酸ビニル共重合体を含有する反応液を蒸留塔に供給し、塔下部からメタノール蒸気を導入することで未反応酢酸ビニルを除去し、エチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を得た。
また、得られたEVOHについて、下記の通りガスバリア性、溶融成形性、二次成形性の評価を行った。
実施例1で得られたEVOHペレットを、単層Tダイを備えた押出装置(下記装置)に供給して、フィルム中心付近の厚みが30μmの単層フィルムを得た。
押出機径:40mm
スクリュ形状:フルフライト
スクリュ圧縮比:3.4
スクリュ回転数:40rpm
ダイス:コートハンガーダイ
ダイス幅:450mm
押出機最高温度:210℃
ダイス温度:200℃
上記で得られた単層フィルムについて、酸素透過度測定装置「MOCON社製『OXTRAN2/21』」を用いて、20℃・65%RHの条件下で酸素透過度を測定した。なお、テストガスとしては100%濃度の酸素ガスを使用し、測定終了後フィルム厚みを測定し、20μmの厚み相当値に換算した。なお、単位は、「cc.20μm/m2.day.atm」である。
上記で得られた単層フィルムの幅方向の中央部1箇所とその中央部から幅方向へ50mm毎に4箇所の計5箇所の厚みを測定した。さらに、同様の厚み測定を長さ方向に10箇所行い、計50箇所の厚み測定を行い、厚みの標準偏差を算出した。
実施例1で得られたEVOHペレットを3種5層型フィードブロック、多層フィルム成形用ダイおよび引取機を有する共押出多層フィルム成形装置を用いて、3種5層多層フィルム(ポリプロピレン層/接着樹脂層/EVOH樹脂層/接着樹脂層/ポリプロピレン層)を得た。尚、ポリプロピレン層には、日本ポリプロ株式会社製「Novatec EG7FTB」を使用し、接着樹脂には、三井化学株式会社製「ADMER QF551」を使用した。
押出成形条件は、ダイを220℃とし、50℃の冷却水が循環するチルロールにより成形品を冷却した。3種5層多層フィルムの構造(厚み(μm))は、ポリプロピレン/接着樹脂/EVOH樹脂/接着樹脂/ポリプロピレンが、540/30/60/30/540である。
上記で得た3種5層多層フィルムを5mm×30mmの短冊状に切り出した。ラジオペンチで短冊状サンプルの両端を保持した状態で液体窒素に約1分間浸漬させ、取り出した後、素早く短冊状サンプルの中央部を割断した。割断した短冊状サンプルを30mlのメタノールが入った50mlバイアル瓶に入れ、蓋をした。このバイアル瓶を60℃の水を入れた「卓上超音波洗浄機 CPXH2800(BRANSON製)」に浸漬し、超音波(FULLモード)で90分処理した。その後、割断した短冊状サンプルをバイアルから取出し、減圧乾燥機(減圧度:730mmHg、温度:室温)にて1時間乾燥させた。乾燥後サンプルの割断面を、株式会社日立製作所製「イオンスパッターE1010」を用い、白金/パラジウムコートした。コートした割断面を日本電子株式会社製走査電子顕微鏡(JSM 6510LA)を用い、高真空モード・加速電圧10kV・10,000倍の条件で二次電子像を観察した。二次電子像には空隙が認められ、その空隙の短径を測定した。
得られた多層構造体を、プラグアシスト型真空圧空成形機(株式会社浅野研究所製)に供給して、ヒーター温度500℃で延伸成形加工を行って、カップ(上面径64mm、底面径53mm、深さ105mm、絞り比(成形品の深さ(mm)/成形品の最大直径(mm))が1.64)を作製した。作製したカップの外観を目視で観察し、下記の基準にて評価した。
○・・・縦筋、局部的な偏肉がほとんど認められない
△・・・カップの側面部に縦筋あるいは局部的な偏肉が著しく認められた
×・・・カップの側面部に縦筋及び局部的な偏肉が著しく認められた
実施例1において、後段反応の時間を2時間に変更し、合計の重合反応時間を6時間に変更したこと以外は、実施例1と同様に行い、EVOH100部に対し、揮発分0.11部/ナトリウム分0.18部/リン酸根0.013部(リン換算)/ホウ酸0.13部(ホウ素換算)を含有するEVOHペレットを得た。かかるEVOHのMFRは4.9g/10分(210℃、荷重2160g)であった。
得られたEVOHは、液体クロマトグラフィーにより測定されるエチレン含有量分布曲線において2つのピークが確認された(図3参照。)。
また、得られたEVOHについて、実施例1と同様の評価を行った。
エチレン含有量29モル%、ケン化度99.7モル%のEVOH(日本合成化学工業社製)80部とエチレン含有量48モル%、ケン化度99.7モル%のEVOH(日本合成化学工業社製)20部を溶融混練し、ストランド状に押し出し、得られたストランド状物をカッターで切断し、EVOHペレットを得た。かかるEVOHのMFRは5.0g/10分(210℃、荷重2160g)であった。
得られたEVOHは、液体クロマトグラフィーにより測定されるエチレン含有量の分布を示すエチレン含有量分布曲線において2つのピークが確認された(図4参照。)。
また、得られたEVOHについて、実施例1と同様の評価を行った。
冷却コイルを持つ1m3の重合缶に酢酸ビニル350kg、メタノール80kg、t−ブチルパーオキシネオデカノエイト60g、クエン酸10gを仕込み、系を窒素ガスで一旦置換した後、次いでエチレンで置換し、さらにエチレン圧が35kg/cm2となるまでエチレンを圧入して、攪拌しながら、67℃まで昇温して重合反応を開始した後、反応温度は67℃に保ちながら、5時間の時間をかけてエチレン圧を35kg/cm2から67kg/cm2となるまで一定速度でエチレンを追加しながら重合反応を行った(中間反応のみ)。その後、重合反応を停止してエチレン−酢酸ビニル共重合体を得た。
該エチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液に、該共重合体中の残存酢酸基に対して、0.009当量の水酸化ナトリウムを含むメタノール溶液を供給することにより、ケン化を行い、EVOHのメタノール溶液(EVOH30%、メタノール70%)を得た。かかるEVOHのアセチルオキシ部分のケン化度は99.6モル%であった。
得られたEVOHは、液体クロマトグラフィーにより測定されるエチレン含有量の分布を示すエチレン含有量分布曲線において2つのピークが確認された(図5参照。)。
また、得られたEVOHについて、実施例1と同様の評価を行った。該EVOHは溶融成形性に優れるが、ガスバリア性は劣るものであった。
実施例及び比較例の結果を表1に示す。表1中、「成分量(v1)/成分量(v2)の平均値」とは、2つの領域(W)において、縦軸の最大値が、前記2つの領域(W)の縦軸の平均値の何倍であるかを示すものであり、前記要件のうち[IV]に相当する。
Claims (4)
- 液体クロマトグラフィーにより測定されるエチレン含有量分布曲線において、少なくとも2つのピークを有し、かつ、下記[I]〜[IV]を満足するエチレン−ビニルアルコール系共重合体。
[I]最も高いピーク(A)を示す成分のエチレン含有量(a)が20〜35モル%である。
[II]2番目に高いピーク(B)を示す成分のエチレン含有量(b)が45〜60モル%である。
[III]前記ピーク(A)と前記ピーク(B)の間の横軸を均等に4分割したときの、前記ピーク(A)と前記ピーク(B)の中心(C)を挟んだ2つの領域(W)のエチレン含有量(w)を有する成分(V)の、共重合体全体に対する含有割合(v)が5〜25重量%である。
[IV]前記2つの領域(W)において、縦軸の最大値が、前記2つの領域(W)の縦軸の平均値の2倍以下である。 - 前記ピーク(A)を示す成分のエチレン含有量(a)と、前記ピーク(B)を示す成分のエチレン含有量(b)の差が10〜30モル%である、請求項1記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体。
- 請求項1または2記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体を製造する方法であって、
エチレンとビニルエステル系化合物を溶媒中で共重合させ、エチレン−ビニルエステル系共重合体を得る工程を含み、更に前記エチレン−ビニルエステル系共重合体をケン化してエチレン−ビニルアルコール系共重合体を製造するに当たり、前記エチレンと前記ビニルエステル系化合物の共重合反応を、エチレン圧を連続的に変化させながら行うエチレン−ビニルアルコール系共重合体の製造方法。 - 請求項1または2記載のエチレン−ビニルアルコール系共重合体を含有する層を少なくとも1層含む積層体。
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