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JP2019137825A - リン酸エステル安定剤の作製方法 - Google Patents

リン酸エステル安定剤の作製方法 Download PDF

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JP2019137825A JP2018086365A JP2018086365A JP2019137825A JP 2019137825 A JP2019137825 A JP 2019137825A JP 2018086365 A JP2018086365 A JP 2018086365A JP 2018086365 A JP2018086365 A JP 2018086365A JP 2019137825 A JP2019137825 A JP 2019137825A
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Abstract

【課題】リン酸エステル安定剤の作製方法の提供。【解決手段】リン酸エステル安定剤の作製方法は以下のステップを含む。(1)酸素リン化合物を非プロトン性極性溶媒中に分散させ、混合液を形成する。(2)テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)を混合液に加えて、リン酸化反応を行い、反応液を得る。(3)反応液の加水分解反応を行って、以下の化学式(I)と化学式(II)が示すリン酸エステル構造を含むリン酸エステル安定剤を作製する。【選択図】なし

Description

本発明はリン酸エステル安定剤の作製方法に関し、特にポリエステル樹脂の縮合重合反応に添加されるリン酸エステル安定剤の作製方法に関する。
ポリエステル樹脂は縮合重合によって作製される高分子である。一般的に、縮合重合反応の反応速度を速めるために、反応溶液中に金属触媒を添加して、縮合重合反応の進行を促進する。ここで、上記金属触媒にはアンチモン、チタン又はゲルマニウムなどの金属、又はその錯体が含まれる。しかし、これらの金属触媒は重合反応を加速させる反面、重合反応過程において既に重合されたポリエステル樹脂の分解(degradation)反応を引き起こすため、生成物の色相を劣化させ、又は分子量を低下させる。上記問題を解決するために、この分野では反応溶液中に別途安定剤を添加して触媒の活性を抑えることが多くある。現在最もよく使われる安定剤はリンを含む安定剤であり、例えばリン酸、亜リン酸又はその誘導体などである。
しかし、上記のリンを含む安定剤を用いた場合、その他の問題が発生する。例を挙げると、安定剤が触媒の活性を過度に低下させることにより、重合反応の時間が過度に延長される可能性がある。また、このように作製されたポリエステル樹脂は通常耐熱性が比較的に低いため、二次加工の過程でポリエステル樹脂の粘着度が大幅に低下し、ポリエステル樹脂の次の加工に不利である。
これにより、重合反応の反応時間を過度に延長させることなく、且つ作製されるポリエステル樹脂の耐熱性を高めることができる改良された安定剤が求められていた。
本発明はリン酸エステル安定剤の作製方法、特にポリエステル樹脂の縮合重合反応に添加されるリン酸エステル安定剤の作製方法を提供する。
本発明の一実施形態に基づくリン酸エステル安定剤の作製方法は、少なくとも以下のステップを含み、(1)酸素リン化合物を非プロトン性極性溶媒中に分散させて、混合液を形成するステップで、酸素リン化合物と非プロトン性極性溶媒の間に化学反応が起こらず、且つ非プロトン性極性溶媒がプロトン受容性を有し、(2)テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)を混合液中に加えて、リン酸化反応を行い、反応混合液を得るステップで、前記テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)の融点が105℃から115℃の間にあり、(3)反応混合液の加水分解反応を行って、前記リン酸エステル安定剤を得るステップで、前記リン酸エステル安定剤は以下の化学式(I)と化学式(II)が示すリン酸エステル構造及び少量のリン酸を含むが、リン酸トリエステルを含まず、
Figure 2019137825
Figure 2019137825
なお、X、X、Xは以下の化学式(III)が示す基(moiety)を有するものから別々に選択され、前記基の分子セグメントの繰り返し単位が1又は2であり、
Figure 2019137825
且つ、RとRは炭素数が2から4の直鎖アルキル基又は総炭素数が3から4の側鎖アルキル基から別々に選択された一つである。
上記の実施形態に基づくリン酸エステル安定剤の製作方法は、抽出する必要なく、高い含有量のリン酸モノエステルとリン酸ジエステルが得られ、且つ低い含有量のリン酸しか生成されず、リン酸トリエステルが一切生成されない。好ましくは、リン酸エステル安定剤中のリン酸エステルとリン酸のモル比が4倍より大きい。重合反応の安定剤としてリン酸を用いる従来技術に比べて、本発明のリン酸エステル安定剤を用いて作製されたポリエステル樹脂は比較的に優れた耐熱性を有するため、二次加工の過程においてポリエステル樹脂の粘着度が大幅に低下することなく、ポリエステル樹脂の次の加工に有利である。
本発明の一実施例に基づいて描かれた、水酸化カリウムでリン酸エステル物質を滴定した滴定曲線図である。 本発明の一実施例に基づいて描かれた、エレクトロスプレーイオン化質量分析装置(electrospray ionization mass spectrometer)でリン酸エステル物質を分析したグラフである。 本発明の一実施例に基づいて描かれた、31P核磁気共鳴装置(31P NMR)でリン酸エステル物質を分析したグラフである。
以下の説明において、特定の数値範囲を示すために用いる「ある数値から別のある数値まで」という表現は、この数値範囲内の任意の数値、及びこの数値範囲内の任意の数値によって限定される比較的に小さい数値範囲を含むものと理解されるべきであり、明細書に明記されたこの任意の数値とこの比較的に小さい数値範囲は同様である。また、簡潔の見地から、後文では各重合物又は基の構造を骨格式(skeleton formula)で示し、実際の構造内の炭素原子、水素原子及び炭素水素結合を省略する場合がある。なお、構造式中に特定の原子又は原子団が明確に示されている場合は、その明示されたものを基準とする。
本発明の一実施形態はリン酸エステル安定剤の作製方法を提供し、少なくとも以下のステップを含む。まず、酸素リン化合物又はその誘導体を非プロトン性極性溶媒中に分散させて、混合液を形成する。
なお、上記酸素リン化合物はリン酸(phosphoric acid、HP0)、ポリリン酸(polyphosphoric acid、PPA)、五酸化二リン(phosphorus pentoxide、P)又はその組み合わせから選ばれた少なくとも一つであり、好ましくは五酸化二リンである。
非プロトン性極性溶媒は、プロトン受容性(proton acceptor)を有する高極性溶媒であり、且つ、以下の特性も揃えるべきである。反応物と良好な相溶性を有するが、酸素リン化合物と化学反応を起こすことなく、且つ沸点がリン酸化反応の反応温度(リン酸化反応の温度は一般的に60℃〜90℃である)より高い。好ましくは、非プロトン性極性溶媒は環状炭酸エステル(cyclic carbonate)から選ばれ、例えば、炭酸エチレン(ethylene carbonate)及び炭酸プロピレン(propylene carbonate)であるが、これに限定されない。
続いて、以下の化学式(IV)が示す化合物を上記混合液に加えると、この化合物はその末端にプロトン供与体(proton donor)となる水酸基を有するため、上記プロトン受容性を有する非プロトン性極性溶媒中によく分散される。ここで、化学式(IV)中のRとRは、炭素数が2から4の直鎖アルキル基及び総炭素数が3から4の側鎖アルキル基の中から別々に選択された一つである。好ましくは、この場合の混合液中の酸素リン化合物と化学式(IV)が示す化合物のモル比が1:1から1:2の間にあり、より好ましくは1:1から1:1.5の間にある。
Figure 2019137825
好ましくは、上記化学式(IV)が示す化合物は、テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)(bis(2−hydroxyethyl)terephthalate、BHET)であり、その分子セグメントの繰り返し単位の数が1又は2で、モノマー構造(Monomer)であり、その融点が約105℃から115℃の間にあり、好ましくは106℃〜110℃である。例を挙げると、市販の試薬級の化学品(CAS NO.:959−26−2)であり、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate、PET)をエチレングリコールでアルコール分解させて得られる生成物、又はテレフタル酸(terephthalic acid、TPA)とエチレンオキシドの反応によって得られる生成物、又はテレフタル酸とエチレングリコールの重合反応によって得られる生成物である。但し、テレフタル酸とエチレングリコールのエステル化重合反応によって得られたBHETの場合、この反応によるBHETの大部分は分子セグメントの繰り返し単位数が3から10の間にあるオリゴマー構造(oligomer)であるため、本発明の作製方法に応用するのに不適であり、本発明の作製方法のテレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)の原料として適さない。
続いて、次第に加熱する方式で、反応瓶中の混合液を75℃から85℃の間まで加熱し、且つこの温度を2時間から4時間維持して、リン酸化反応を行い、反応液を得る。なお、反応液は以下の化学式(I)、(II)及び(V)が示すリン酸エステルを含む。
Figure 2019137825
Figure 2019137825
Figure 2019137825
ここで、X、X、X、X、Xは以下の化学式(III)が示す基(moiety)を有するものから別々に選択され、前記基の分子セグメントの繰り返し単位が1又は2であり、且つ上記化学式(V)のn値が1から3の正整数である。
Figure 2019137825
なお、化学式(III)におけるRとRは、炭素数が2から4の直鎖アルキル基又は総炭素数が3から4の側鎖アルキル基から別々に選択された一つである。
最後に、初期の酸素リン化合物と化学式(IV)が示す化合物の総重量を計算基準とし、前記反応瓶中に1wt%から3wt%の脱イオン水を加えて、且つ、65℃〜75℃に1時間から2時間維持し、加水分解反応を行うことでリン酸エステル物質を得て、このリン酸エステル物質は上記化学式(I)と化学式(II)が示すリン酸エステルを含むほか、以下の化学式(VI)が示すリン酸エステル及び少量のリン酸も含む。さらに、リン酸エステル物質中のリン酸エステルとリン酸の総量を100mol%として計算すると、その中に80mol%〜89mol%のリン酸エステル生成物、及び20mol%〜11mol%のリン酸(未反応物)が含まれている。
また、リン酸の含有量(未反応のリン酸)のリン酸エステル物質(リン酸エステル+リン酸)中に占める割合は20mol%以下であり、好ましくは11mol%であり、且つリン酸エステル物質中にリン酸トリエステルが含まれていない。
Figure 2019137825
ここで、化学式(VI)が示すリン酸エステルは、上記化学式(V)が示すリン酸エステルの加水分解によって得られたものであり、且つXは上記化学式(III)が示す基を有するものから選択される。
上記の実施形態はリン酸エステル安定剤の製作方法を提供し、その特徴の一つはリン酸エステル安定剤の組成にリン酸モノエステルとリン酸ジエステルが含まれ、かつリン酸モノエステル構造を主に含むことである。なお、リン酸モノエステルの構造は上記化学式(I)及び(II)が示している。
また、上記方法によって作製されたリン酸エステル安定剤には少量のリン酸しか含まれない。具体的に言うと、本発明のリン酸エステル安定剤中のリン酸含有量の値が20mol%より低い。
また、上記製作方法の別の特徴は、抽出する必要なく、高い含有量のリン酸モノエステルと低い含有量のリン酸を得ることができる。
従って、上記リン酸エステル安定剤をポリエステル樹脂の重合反応に添加した場合、重合反応の安定剤として単にリン酸を用いる従来の方法に比べて、本発明のリン酸エステル安定剤の組成が主にリン酸モノエステルとリン酸ジエステルであるため、重合過程におけるポリエステル樹脂の分解反応の速度を低減するだけではなく、このように作製されたポリエステル樹脂がより優れた耐熱性を有するため、二次加工の過程でポリエステル樹脂の粘着度が大幅に低下することなく、ポリエステル樹脂の次の加工に有利である。
当業者が本発明を実施できるよう、以下は本発明の各実施形態についてさらに詳しく説明する。なお、以下の実施形態は例示に過ぎず、本発明を制限するものと理解すべきではない。即ち、本発明の範囲を離脱しない限り、各実施例に用いられる材料、材料の使用量及び割合、及び処理プロセスなどを適宜変更することができる。
以下、次の各実施例と比較例における各化合物の略称及びその由来情報を例示する。
炭酸エチレン:東聯化学(OUCC)より購入。
五酸化二リン:昭和化学(SHOWA)より購入。
BHET:テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)(bis(2−hydroxyethyl) terephthalate)、CAS NO.:959−26−2、融点が106℃〜110℃、型番:B3429、Tokyo Chemical Industry Co.より購入。
[実施例1]
52.33グラムの炭酸エチレンを反応瓶に添加し、そして、氷浴環境において14.19グラム(0.10mol)の五酸化二リン(P)を加える。添加の過程では、五酸化二リンが炭酸エチレン中に均等に分散されるよう、溶液を持続的に撹拌する。その後、総量38.14グラム(0.15mol)のBHETを上記溶液中に逐次加えるとともに、持続的に撹拌する。続いて、次第に加熱する方式により、反応瓶中の反応溶液を80℃まで加熱し、かつこの温度を3時間維持して、BHETと五酸化二リンのリン酸化反応を行った。その後、初期BHETと五酸化二リンの総重を計算基準とし、前記反応瓶に2wt%の脱イオン水を加えて、70℃に1時間維持し、加水分解反応を行った。最後に上記リン酸化反応を終了し、炭酸エチレン成分を除去した後、生成物として量が52.33グラムのリン酸エステル物質が得られ、このリン酸エステル物質をリン酸エステル安定剤(A−1)として用いることができる。その後、0.55グラムのリン酸エステル物質を取り出し、75グラムの蒸留水と25グラムのイソプロピルアルコールによって構成された溶媒中に溶解させて、pH計(型番:SevenMultiTM、Mettler Toledo)で測定されたpH値が2.27である。
上記リン酸エステル物質の組成はリン酸モノエステル、リン酸ジエステル及びリン酸を含む。続いて、さらに0.1Mの水酸化カリウム水溶液を用いて上記リン酸エステル物質を滴定し、リン酸エステル物質中のリン酸モノエステル、リン酸ジエステル及びリン酸の含有量比例を確認することができる。
図1の滴定曲線を参照すると、滴定過程において、前後順に第一滴定終点102、第二滴定終点104及び第三滴定終点106が得られ、それぞれ水酸化カリウムの滴定体積V、V及びVに対応する。以下の計算式I、計算式II及び計算式IIIに基づいて、リン酸エステル物質中のリン酸モノエステル、リン酸ジエステル及びリン酸の含有量を推算することが可能であり、且つ計算結果は以下の表1に記載されている。
リン酸モノエステルモル比(mol%)=(2V−V−V)/V×100%
計算式I
リン酸ジエステルモル比(mol%)=(2V−V)/V×100%
計算式II
リン酸モル比(mol%)=(V−V)/V×100%
計算式III
また、リン酸モノエステル及びリン酸ジエステルの種類を確認するために、さらにエレクトロスプレーイオン化質量分析装置(electrospray ionization mass spectrometer(ESI−MS)、型番:EVOQTM−ImpactTM HD、Bruker)及び31P核磁気共鳴装置(31P NMR、メーカー:Bruker)を用いて、上記リン酸エステル物質を分析する。ここで、31P NMRの測定条件として、共振周波数が400MHzであり、溶媒がDMSOであり、0ppmは内部標準物HPOである。
上記ESI−MSの測定結果は図2が示す通りである。図2が示すグラフに基づき、質量電荷比(m/z)が332.9であることから、リン酸エステル物質中のリン酸モノエステルが以下の化学式(VII)が示す構造を有することが確認され、かつ、質量電荷比(m/z)が568.8である情報から、リン酸エステル物質中のリン酸ジエステルが以下の化学式(VIII)が示す構造を有することが確認された。
Figure 2019137825
Figure 2019137825
また、31P NMRの測定結果は図3が示す通りである。図3が示すグラフに基づき、化学シフトδ=0〜−2ppmのピーク値情報からも、上記と同様に、リン酸エステル物質中のリン酸モノエステルとリン酸ジエステルが前記化学式(VII)と化学式(VIII)が示す構造を有することが確認できて、且つピロリン酸エステル又は多リン酸エステルが存在しない。
[実施例2]
実施例2の製造プロセスは実施例1の製造プロセスと略同じであるが、実施例2で使用される炭酸エチレンが40.56グラムであり、BHETの総量が26.37グラム(0.10mol)である。リン酸化反応及び加水分解反応の後、炭酸エチレン成分を除去すると、総重40グラムのリン酸エステル物質が得られ、このリン酸エステル物質をリン酸エステル安定剤(A−2)として用いることができる。そして、0.4グラムのリン酸エステル物質を取り出し、75グラムの蒸留水及び25グラムのイソプロピルアルコールによって構成された溶媒中に溶解させて、pH計で測定されたpH値が2.42である。上記計算式I、計算式II及び計算式IIIに基づき、リン酸エステル物質中のリン酸モノエステル、リン酸ジエステル及びリン酸の含有量を推算することが可能であり、且つ計算後の結果が以下の表1に記載されている。
[比較例]
比較例1の製造プロセスは実施例1の製造プロセスと略同じであるが、比較例1では炭酸エチレンの代わりに三塩化メタンを用いて、五酸化二リンを分散する溶媒を作製した。反応過程で、五酸化二リンとBHETが反応瓶の底部に沈殿し、三塩化メタン中に充分分散されることができない。最後に0.1Mの水酸化カリウム水溶液を用いて反応後の生成物を滴定し、その結果が表1に記載されている。
Figure 2019137825
表1が示す結果に基づくと、実施例1と実施例2のリン酸エステル物質は主にリン酸モノエステルとリン酸ジエステルによって構成されている(80〜89mol%の間にある)。具体的に言うと、リン酸モノエステルの含有量が42〜79mol%の間にあり、リン酸ジエステルの含有量が10〜38mol%の間にあり、且つ、リン酸の含有量がいずれも20mol%より少ない。これに対し、比較例1のリン酸エステル物質は主にリン酸によって構成され、そのリン酸の含有量99mol%より高く、且つリン酸エステルの含有量が1mol%より遥かに低い。
上記のリン酸エステル物質をポリエステル反応中の安定剤として用いることで,ポリエステル樹脂の二次加工の耐熱性を高めることができる。当業者が本発明を一層理解できるよう、以下はリン酸エステル物質をエステル化反応中の安定剤として使用する場合の作製方法及び物性測定についてさらに説明する。
[作製例1]
5リットルの反応容器に2161.5g(13.021mol)のテレフタル酸、及び1009.1g(16.276mol)のエチレングリコールを入れて、260℃及び2Kg/cmの窒素酸素加圧の条件でテレフタル酸とエチレングリコールのエステル化反応を行った。エステル化反応の転化率が80%以上になった時、予めエチレングリコール中に分散され、かつポリエステル樹脂中の理論的リン含有量が15.8ppmである前記リン酸エステルを含む安定剤(A−1)、及び300ppmの三酸化二アンチモンを前記反応器中に加えて、混合物を得た。270℃から275℃で、前記混合物の重合反応を行って、リン酸エステル物質を含むポリエステル樹脂(B‐1)を得た。
ポリエステル樹脂(B‐1)を225℃で1時間処理し、且つその熱処理前後の固有粘着度値(intrinsic viscosity、IV)及び色b値を測定し、測定結果を表2に記録した。なお、色b値はハンター表色系(Hunter L,a,b scale)によって決められ、ポリエステル樹脂の外観性質の判断に用いられ、色b値の数値が大きい程、樹脂の外観が黄色寄りであることを意味し、色b値が低い程、表色がよく、黄色寄りではないことを意味する。
[作製例2]
作製例2の製造プロセスは作製例1の製造プロセスと略同じであるが、作製例2ではリン酸エステル安定剤(A‐1)の添加量を30ppm(リン酸エステル安定剤(A−1)がポリエステル樹脂における理論的リン含有量を計算基準とする)まで引き上げて、ポリエステル樹脂(B‐2)を得た。その後、ポリエステル樹脂(B−2)を225℃で1時間処理し、且つその熱処理前後のIV値及び色b値を測定した。関連する製造パラメータ及び測定結果は表2に記録されている。
[対照例1]
対照例1の製造プロセスは作製例1の製造プロセスと略同じであるが、対照例1ではてリン酸エステル安定剤(A−1)を一切添加せず、ポリエステル樹脂(B‐3)を得た。そして、ポリエステル樹脂(B‐3)を225℃で1時間処理し、かつその熱処理前後のIV値及び色b値を測定した。関連する製造パラメータ及び測定結果は表2に記録されている。
[対照例2]
対照例2の製造プロセスは作製例1の製造プロセスと略同じであるが、対照例2ではリン酸エステル安定剤(A−1)をリン酸に替えて、ポリエステル樹脂(B−4)を得た。そして、ポリエステル樹脂(B−4)を225℃で1時間処理し、且つその熱処理前後のIV値及び色b値を測定した。関連する製造パラメータ及び測定結果は表2に記録されている。
Figure 2019137825
注1:リン酸エステル安定剤(A−1)は実施例1で作製されてリン酸エステル物質に対応する。
注2:リン原子の含有量がポリエステル樹脂の総量に占める割合を計算基準とする。
表2からわかるように、熱処理前後のIV値変化について言うと、作製例1、2(リン酸エステル安定剤(A−1)を添加した形態)のIV値変化幅が対照例1、2のIV値変化幅より小さく、且つ作製例1、2の色b値が熱処理後に依然として比較的に低い数値を維持している。言い換えれば、対照例1、2で作製されたポリエステル樹脂(B−3、B−4)に比べて、作製例1、2で作製されたポリエステル樹脂(B−1、B−2)は、より優れた二次加工耐熱性を有することは明らかである。
102 第一滴定終点
104 第二滴定終点
106 第三滴定終点

Claims (9)

  1. リン酸エステル安定剤の作製方法であって、以下のステップを含み、
    (1)酸素リン化合物又はその誘導体、及び非プロトン性極性溶媒を含む混合液を作製するステップで、前記酸素リン化合物と前記非プロトン性極性溶媒の間に化学反応が起こらず、且つ前記非プロトン性極性溶媒がプロトン受容性を有し、
    (2)テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)を前記混合液中に加えて、リン酸化反応を行い、反応混合液を得るステップで、前記テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)の融点が105℃から115℃の間にあり、
    (3)前記反応混合液の加水分解反応を行って、リン酸エステル安定剤を得るステップで、前記リン酸エステル安定剤は以下の化学式(1)と化学式(II)が示すリン酸エステル及び少量のリン酸を含むが、リン酸トリエステルを含まず、
    Figure 2019137825
    Figure 2019137825
    なお、X、X、Xは以下の化学式(III)が示す基(moiety)を有するものから別々に選択され、
    Figure 2019137825
    とRは炭素数が2から4の直鎖アルキル基又は総炭素数が3から4の側鎖アルキル基から別々に選択された一つである、リン酸エステル安定剤の作製方法。
  2. 前記酸素リン化合物は、リン酸、ポリリン酸、五酸化二リン又はこれらの組み合わせから選択されたものである、請求項1に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
  3. 前記非プロトン性極性溶媒は環状炭酸エステルである、請求項1に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
  4. 前記非プロトン性極性溶媒は、炭酸エチレン、炭酸プロピレン又はこれらその組み合わせから選択されたものである、請求項3に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
  5. 前記酸素リン化合物と前記テレフタル酸ビス(2−ヒドロキシエチル)の反応物のモル比が1:1から1:2の間にある、請求項1に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
  6. ステップ(2)におけるリン酸化反応は、前記混合液を80℃まで次第に加熱し、且つ3時間保温して反応を行う、請求項1に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
  7. ステップ(3)における加水分解反応は、前記反応混合液を70℃まで次第に加熱し、且つ1時間保温して反応を行う、請求項1に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
  8. 前記リン酸エステル安定剤において、前記リン酸エステルと前記リン酸のモル比が4倍より大きい、請求項1に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
  9. 前記リン酸エステル安定剤の総含有量値を100モル%として計算した場合、前記リン酸エステル安定剤中のリン酸含有量が20モル%より低い、請求項8に記載のリン酸エステル安定剤の作製方法。
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