CN102796404A - 一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法，属于复合材料制备技术领域。特指以绢云母钛为基底，分别滴加不同的无机盐，采用液相沉积法分别在绢云母钛表面包覆Fe2O3、Bi4Ti3O12、CoAl2O4无机纳米膜制备着色复合材料的方法。用此方法制备着色云母钛类无机复合材料，反应易于控制、成本低、收率高、工艺和流程简便，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种在绢云母钛上分别包覆Fe2O3、Bi4Ti3O12、CoAl2O4无机纳米膜制备着色复合材料的方法，特指以绢云母钛为基底，通过滴加不同的无机盐，采用液相沉积法分别在绢云母钛表面包覆Fe2O3、Bi4Ti3O12、CoAl2O4无机纳米膜制备着色复合材料的方法,属于复合材料制备技术领域。
背景技术
近年来，基底型无机颜料在诸如光滤波器、化妆品、塑料、油墨、涂料等许多领域中得到广泛应用，故而对其研究也越来越受到关注。基底型无机颜料，即在板状基底上包覆金属氧化物，通常是在水悬浮溶液中将金属氧化物层沉积在基底表面，然后通过煅烧获得。与人工合成的基底相比，自然界的云母由于其低廉的价格，是目前工业上最重要、被广泛应用的基底。
在基底型无机颜料中，云母钛是应用最为广泛的一种珠光颜料。介于其优异的化学稳定性、无毒性、不可燃性、绝缘性以及珠光性能，云母钛也可作为一种被用来制备基底型无机着色颜料的基底。以云母钛为基底的无机着色颜料被广泛应用于化妆品、热塑性塑料、儿童玩具、食品包装、轿车涂层中。但是，还没有诸如以云母钛为基底的无机着色颜料的演变机理和无机有色包覆层形貌的影响此类的报道。
白云母是常规的用来制备云母钛基底的一种平板层状基底。但是白云母作为一般自然资源在自然界的储备很少，而同样拥有层状结构且在自然界储藏量极大的绢云母却很少被研究。因此，以金红石TiO2包覆绢云母制备的云母钛作为用来进一步制备无机着色颜料的基底，是一个值得研究的方向。
发明内容
本发明的目的是提出一种在绢云母钛上分别包覆Fe2O3、Bi4Ti3O12、CoAl2O4无机纳米膜制备着色复合材料的方法，特指以绢云母为基底，分别滴加不同的无机盐，采用液相沉积法分别在绢云母表面包覆Fe2O3、Bi4Ti3O12、CoAl2O4无机纳米膜制备着色复合材料的方法
一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法，按照下述步骤进行：
以绢云母钛为基底，取一定量绢云母钛按质量比1：10-20比例分散在蒸馏水中，在70-90℃水浴下搅拌，用盐酸溶液调节体系pH至3.0-4.0；而后用缓慢滴加FeCl3溶液，同时滴加NaOH溶液，维持体系pH值在3.0-4.0；其中FeCl3的加入量占绢云母钛的质量比为5-20％，反应2h；滴加完毕后，悬浮液在pH=3.0-4.0，70-90℃水浴下陈化2h；而后，抽滤，洗涤，干燥；置于马弗炉中在800-1000℃下焙烧1h，得到纳米Fe2O3包覆绢云母钛复合材料。
一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法，或者按照下述步骤进行：
以绢云母钛为基底，取一定量绢云母钛质量比按1：10-20比例分散在蒸馏水中，在70-90℃水浴下搅拌，用HNO3溶液调节体系pH至5.5-6.5；用恒流泵缓慢滴加Bi(NO3)3溶液，同时滴加氨水溶液，维持体系pH值在5.5-6.5；其中Bi(NO3)3的加入量占绢云母钛的质量比为5-20％；滴加完毕后，悬浮液在pH=5.5-6.5，70-90℃水浴下陈化2h；而后，抽滤，干燥，在于马弗炉中，在500-600℃下焙烧1h，得到Bi4Ti3O12包覆绢云母钛复合材料。
一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法，或者按照下述步骤进行：
以绢云母钛为基底，取一定量绢云母钛按质量比1：10-20比例分散在蒸馏水中，在85-90℃水浴下搅拌，用NaOH溶液调节体系pH至8.0-9.0。用恒流泵缓慢滴加Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液，其中Co2+:Al3+的摩尔比为1:2；其中以使CoO与绢云母钛的质量比为1-10％计Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液的加入量；滴加完毕后，悬浮液在pH＝8.0-9.0，85-90℃水浴下陈化2h；而后，抽滤，干燥，在于马弗炉中，在1000-1100℃下焙烧1h，得到CoAl2O4包覆绢云母钛复合材料。
用此方法制备云母钛类着色复合材料，反应易于控制、成本低、收率高、工艺和流程简便，适合工业化生产。
附图说明
图1：绢云母（a）、云母钛（b）、Fe2O3包覆云母钛复合材料（c-e）的XRD图。其中，Fe2O3包覆云母钛复合材料（2-e）中Fe2O3与云母钛的质量比分别为5、10、20 %；
图2：云母钛（b）与Fe2O3包覆云母钛复合材料（c-e）的SEM图。样品c－e中Fe2O3与云母钛的质量比分别为5，10，以及20％；
图3：绢云母（a）、云母钛（b）、Bi4Ti3O12包覆云母钛复合材料（c1-f1）的XRD图。其中，Bi4Ti3O12包覆云母钛复合材料（c1-f1）中Bi2O3与云母钛的质量比分别为5、10、20、30 %；
图4：Bi4Ti3O12包覆云母钛复合材料（c1-f1）的SEM图；样品c1-f1中Bi2O3与云母钛的质量比分别为5，10，20，以及30％。
图5：绢云母（a）、云母钛（b）、CoAl2O4包覆云母钛复合材料（c2-f2）的XRD图。其中，CoAl2O4包覆云母钛复合材料（c2-f2）中CoO与云母钛的质量比分别为1、3、5、10 %；
图6：CoAl2O4包覆云母钛复合材料（c2-f2）的SEM图。样品c2-f2中CoO与云母钛的质量比分别为1，3，5，以及10％；
图7：根据CIE 1931国际照明委员会制定的颜色范围体系绘制的样品色度图。样品编号与图1、3、5中描述一致。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明
实施例1
取50g绢云母钛分散于500ml蒸馏水中，在70℃水浴下搅拌，用0.5mol/L的盐酸溶液调节体系pH至3.0。用恒流泵缓慢滴加FeCl3（10 wt%）溶液，同时滴加NaOH（2mol/L）溶液，维持体系pH值在3.0。改变FeCl3的量，使Fe2O3与绢云母钛的质量比为5％。FeCl3溶液的流速不变，反应2h，通过调整NaOH溶液的流速维持体系pH值在3.0。滴加完毕后，悬浮液在pH＝3.0，70℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在800℃下焙烧1h。如图1c、图2c所示。从图1c中可以看出在2θ= 27.4，54.3°出现的峰为金红石TiO2的特征峰 (PDF #21-1276)；在2θ = 24.1，33.2，35.6，49.5出现了Fe2O3的特征峰（PDF #33-0664）。从图2b、2c中可以看出，制得的云母钛材料表面包覆了一层致密而均匀的，平均粒径为18 nm的金红石TiO2纳米颗粒。当云母钛表面包覆的Fe2O3的量为5%时，在云母钛基底表面生成了致密而均匀的Fe2O3包覆层，其Fe2O3纳米颗粒的平均粒径为29nm。
实施例2
取50g绢云母钛分散于1000ml蒸馏水中，在80℃水浴下搅拌，用0.5mol/L的盐酸溶液调节体系pH至3.5。用恒流泵缓慢滴加FeCl3（10 wt%）溶液，同时滴加NaOH（2mol/L）溶液，维持体系pH值在3.5。改变FeCl3的量，使Fe2O3与绢云母钛的质量比为10％。FeCl3溶液的流速不变，反应2h，通过调整NaOH溶液的流速维持体系pH值在3.5。滴加完毕后，悬浮液在pH＝3.5，80℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在900℃下焙烧1h。如图1d、图2d所示。从图1d中可以看出在2θ = 27.4，54.3°出现的峰为金红石TiO2的特征峰 (PDF #21-1276)；在2θ = 24.1，33.2，35.6，49.5出现了Fe2O3的特征峰（PDF #33-0664）。从图2b、2d中可以看出，制得的云母钛材料表面包覆了一层致密而均匀的，平均粒径为18 nm的金红石TiO2纳米颗粒。当云母钛表面包覆的Fe2O3的量为10%时，在云母钛基底表面生成了致密而均匀的Fe2O3包覆层，其Fe2O3纳米颗粒的平均粒径为33nm。
实施例3
取50g绢云母钛分散于1000ml蒸馏水中，在90℃水浴下搅拌，用0.5mol/L的盐酸溶液调节体系pH至4.0用恒流泵缓慢滴加FeCl3（10 wt%）溶液，同时滴加NaOH（2mol/L）溶液，维持体系pH值在4.0。改变FeCl3的量，使Fe2O3与绢云母钛的质量比为20％。FeCl3溶液的流速不变，反应2h，通过调整NaOH溶液的流速维持体系pH值在4.0。滴加完毕后，悬浮液在pH＝4.0，80℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在1000℃下焙烧1h。如图1e、图2e所示。从图1e中可以看出在2θ = 27.4，54.3°出现的峰为金红石TiO2的特征峰 (PDF #21-1276)；在2θ = 24.1，33.2，35.6，49.5出现了Fe2O3的特征峰（PDF #33-0664）。从图2b、2e中可以看出，制得的云母钛材料表面包覆了一层致密而均匀的，平均粒径为18 nm的金红石TiO2纳米颗粒。当Fe2O3与云母钛的质量比达到20%时，云母钛表面生成了致密的平均粒径为40nm的大尺寸的Fe2O3纳米颗粒包覆层，且包覆层中部分纳米Fe2O3颗粒发生了团聚。结合图7，可以看出随着Fe2O3包覆量的增加，Fe2O3包覆云母钛复合材料的颜色越来越红，即Fe2O3包覆层越厚，复合材料颜色越红。
实施例4
取50g绢云母钛分散于500ml蒸馏水中，在70℃水浴下搅拌，用0.5mol/L的HNO3溶液调节体系pH至5.5。用恒流泵缓慢滴加Bi(NO3)3（10 wt%）溶液，同时滴加氨水（5 wt%）溶液，维持体系pH值在5.5。改变Bi(NO3)3的量，使Bi2O3与绢云母钛的质量比为5％。Bi(NO3)3溶液的流速不变，反应2h，通过调整氨水溶液的流速维持体系pH值在5.5。滴加完毕后，悬浮液在pH＝5.5，70℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在500℃下焙烧1h。如图3c1、图4c1所示。从图3c1中可以看出在2θ = 29.9，32.9，47.1°出现了Bi4Ti3O12的特征峰（PDF #47-0398）。Bi2O3包覆层与云母钛上的金红石TiO2层发生了化学反应，在煅烧过程中生成了Bi4Ti3O12。从图4c1中可以看出，当Bi2O3与云母钛基底的质量比为5%时，云母钛基底表面几乎不能发现Bi4Ti3O12纳米片，这可能是由于硝酸铋的浓度太低。
实施例5
取50g绢云母钛分散于500ml蒸馏水中，在80℃水浴下搅拌，用0.5mol/L的HNO3溶液调节体系pH至6.0。用恒流泵缓慢滴加Bi(NO3)3（10 wt%）溶液，同时滴加氨水（5 wt%）溶液，维持体系pH值在6.0。改变Bi(NO3)3的量，使Bi2O3与绢云母钛的质量比为10％。Bi(NO3)3溶液的流速不变，反应2h，通过调整氨水溶液的流速维持体系pH值在6.0。滴加完毕后，悬浮液在pH＝6.0，80℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在500℃下焙烧1h。如图3d1、图4d1所示。从图3d1中可以看出在2θ = 29.9，32.9，47.1°出现了Bi4Ti3O12的特征峰（PDF #47-0398）。Bi2O3包覆层与云母钛上的金红石TiO2层发生了化学反应，在煅烧过程中生成了Bi4Ti3O12。从图4d1中可以看出，Bi2O3与云母钛基底的质量比增加到10%，云母钛基底表面均匀覆盖了层小尺寸的Bi4Ti3O12纳米片，其平均长度和厚度分别为95 nm与22 nm。
实施例6
取50g绢云母钛分散于1000ml蒸馏水中，在80℃水浴下搅拌，用0.5mol/L的HNO3溶液调节体系pH至6.0。用恒流泵缓慢滴加Bi(NO3)3（10 wt%）溶液，同时滴加氨水（5 wt%）溶液，维持体系pH值在6.0。改变Bi(NO3)3的量，使Bi2O3与绢云母钛的质量比为20％。Bi(NO3)3溶液的流速不变，反应2h，通过调整氨水溶液的流速维持体系pH值在6.0。滴加完毕后，悬浮液在pH＝6.0，80℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在500℃下焙烧1h。如图3e1、图4e1所示。从图3e1中可以看出在2θ = 29.9，32.9，47.1°出现了Bi4Ti3O12的特征峰（PDF #47-0398）。Bi2O3包覆层与云母钛上的金红石TiO2层发生了化学反应，在煅烧过程中生成了Bi4Ti3O12。从图4e1中可以看出，云母钛基底表面的Bi4Ti3O12包覆层由垂直生长于基底表面的Bi4Ti3O12纳米片所组成。当Bi2O3与云母钛基底的质量比为20%时，基底表面的Bi4Ti3O12纳米片进一步生长，其平均长度和厚度分别为158，28 nm，云母钛基底表面完全被致密的Bi4Ti3O12纳米片层所覆盖。
实施例7
取50g绢云母钛分散于1000ml蒸馏水中，在90℃水浴下搅拌，用0.5mol/L的HNO3溶液调节体系pH至6.5。用恒流泵缓慢滴加Bi(NO3)3（10 wt%）溶液，同时滴加氨水（5 wt%）溶液，维持体系pH值在6.5。改变Bi(NO3)3的量，使Bi2O3与绢云母钛的质量比为30％。Bi(NO3)3溶液的流速不变，反应2h，通过调整氨水溶液的流速维持体系pH值在6.5。滴加完毕后，悬浮液在pH＝6.5，90℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在600℃下焙烧1h。如图3f1、图4f1所示。从图3f1中可以看出在2θ = 29.9，32.9，47.1°出现了Bi4Ti3O12的特征峰（PDF #47-0398）。Bi2O3包覆层与云母钛上的金红石TiO2层发生了化学反应，在煅烧过程中生成了Bi4Ti3O12。从图4f1中可以看出，云母钛基底表面的Bi4Ti3O12包覆层由垂直生长于基底表面的Bi4Ti3O12纳米片所组成。当Bi2O3与云母钛基底的质量比达到30%时，基底表面的Bi4Ti3O12纳米片进一步生长，其平均长度和厚度分别为169，32 nm，云母钛基底表面完全被致密的Bi4Ti3O12纳米片层所覆盖。反应溶液中高浓度的硝酸铋溶液促使了生成的Bi2O3沉积在云母钛基底表面，经过高温煅烧后形成了致密的Bi4Ti3O12纳米片层。结合图7，可以看出当在云母钛表面包覆了Bi4Ti3O12后，得到了黄色的复合材料，且复合材料的颜色随着Bi4Ti3O12包覆量的增加越来越黄，表明Bi4Ti3O12包覆绢云母复合材料的颜色性受Bi4Ti3O12包覆层的厚度的影响。
实施例8
取50g绢云母钛分散于500ml蒸馏水中，在85℃水浴下搅拌，用2mol/L的NaOH溶液调节体系pH至8.0。用恒流泵缓慢滴加Co(NO3)2/Al(NO3)3（10 wt%）混合溶液，其中Co2+: Al3+的摩尔比为1:2。改变Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液的量，使CoO与绢云母钛的质量比为1％，反应2h，通过调整维NaOH溶液的流速持体系pH值在8.0。滴加完毕后，悬浮液在pH＝8.0，85℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在1000℃下焙烧1h。如图5c2、图6c2所示。从图5c2中可以看出在2θ = 31.2，36.7，59.2以及65.0°出现了CoAl2O4的特征峰（PDF #44-0160）。从图6c2中可以看出，当CoO与云母钛基底的质量比为1%时，仅发现很少量的、平均长度和厚度分别为130 nm和22 nm的岛状CoAl2O4纳米片。
实施例9
取50g绢云母钛分散于500ml蒸馏水中，在85℃水浴下搅拌，用2mol/L的NaOH溶液调节体系pH至8.5。用恒流泵缓慢滴加Co(NO3)2/Al(NO3)3（10 wt%）混合溶液，其中Co2+: Al3+的摩尔比为1:2。改变Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液的量，使CoO与绢云母钛的质量比为3％，反应2h，通过调整维NaOH溶液的流速持体系pH值在8.5。滴加完毕后，悬浮液在pH＝8.5，85℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在1000℃下焙烧1h。如图5d2、图6d2所示。从图5d2中可以看出在2θ = 31.2，36.7，59.2以及65.0°出现了CoAl2O4的特征峰（PDF #44-0160）。从图6d2中可以看出，CoAl2O4纳米片垂直生长与云母钛基底表面。当CoO与云母钛基底的质量比为3%时，CoAl2O4纳米片均匀分布在云母钛基底表面。其CoAl2O4纳米片的平均长度和厚度分别为145，28 nm。
实施例10
取50g绢云母钛分散于1000ml蒸馏水中，在90℃水浴下搅拌，用2mol/L的NaOH溶液调节体系pH至9.0。用恒流泵缓慢滴加Co(NO3)2/Al(NO3)3（10 wt%）混合溶液，其中Co2+: Al3+的摩尔比为1:2。改变Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液的量，使CoO与绢云母钛的质量比为5％，反应2h，通过调整维NaOH溶液的流速持体系pH值在9.0。滴加完毕后，悬浮液在pH＝9.0，90℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在1100℃下焙烧1h。如图5e2、图6e2所示。从图5e2中可以看出在2θ = 31.2，36.7，59.2以及65.0°出现了CoAl2O4的特征峰（PDF #44-0160）。从图6e2中可以看出，CoAl2O4纳米片垂直生长与云母钛基底表面。当CoO与云母钛基底的质量比为5%时，CoAl2O4纳米片均匀分布在云母钛基底表面。其CoAl2O4纳米片的平均长度和厚度分别为151，30 nm。
实施例11
取50g绢云母钛分散于1000ml蒸馏水中，在90℃水浴下搅拌，用2mol/L的NaOH溶液调节体系pH至9.0。用恒流泵缓慢滴加Co(NO3)2/Al(NO3)3（10 wt%）混合溶液，其中Co2+: Al3+的摩尔比为1:2。改变Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液的量，使CoO与绢云母钛的质量比为10％，反应2h，通过调整维NaOH溶液的流速持体系pH值在9.0。滴加完毕后，悬浮液在pH＝9.0，90℃水浴下陈化2h。而后，抽滤，用蒸馏水洗涤至其滤液电导率小于10mS/m。将滤饼置于150℃下干燥8h，在于马弗炉中，在1100℃下焙烧1h。如图5f2、图6f2所示。从图5f2中可以看出在2θ = 31.2，36.7，59.2以及65.0°出现了CoAl2O4的特征峰（PDF #44-0160）。从图6f2中可以看出，CoAl2O4纳米片垂直生长与云母钛基底表面。当CoO与云母钛基底的质量比到10%时，基底表面几乎完全被CoAl2O4纳米片所覆盖，其平均长度和厚度为167 nm和33 nm。随着反应溶液中反应溶液浓度的增加，促使了生成的CoAl2O4沉积在云母钛基底表面，经过高温煅烧后提高了基底表面CoAl2O4纳米片的覆盖程度。结合图7，可以看出增加CoAl2O4的包覆量使得CoAl2O4包覆云母钛复合材料的颜色越来越蓝，说明了CoAl2O4包覆云母钛复合材料中CoAl2O4包覆层的厚度影响着该复合材料的颜色性能。
Claims (3)
1.一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法，其特征在于按照下述步骤进行：
以绢云母钛为基底，取一定量绢云母钛按质量比1：10-20比例分散在蒸馏水中，在70-90℃水浴下搅拌，用盐酸溶液调节体系pH至3.0-4.0；而后用缓慢滴加FeCl3溶液，同时滴加NaOH溶液，维持体系pH值在3.0-4.0；其中FeCl3的加入量占绢云母钛的质量比为5-20％，反应2h；滴加完毕后，悬浮液在pH=3.0-4.0，70-90℃水浴下陈化2h；而后，抽滤，洗涤，干燥；置于马弗炉中在800-1000℃下焙烧1h，得到纳米Fe2O3包覆绢云母钛复合材料。
2.一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法，其特征在于按照下述步骤进行：
以绢云母钛为基底，取一定量绢云母钛质量比按1：10-20比例分散在蒸馏水中，在70-90℃水浴下搅拌，用HNO3溶液调节体系pH至5.5-6.5；用恒流泵缓慢滴加Bi(NO3)3溶液，同时滴加氨水溶液，维持体系pH值在5.5-6.5；其中Bi(NO3)3的加入量占绢云母钛的质量比为5-20％；滴加完毕后，悬浮液在pH=5.5-6.5，70-90℃水浴下陈化2h；而后，抽滤，干燥，在于马弗炉中，在500-600℃下焙烧1h，得到Bi4Ti3O12包覆绢云母钛复合材料。
3.一种在云母钛上包覆无机纳米膜制备着色复合材料的方法，其特征在于按照下述步骤进行：
以绢云母钛为基底，取一定量绢云母钛按质量比1：10-20比例分散在蒸馏水中，在85-90℃水浴下搅拌，用NaOH溶液调节体系pH至8.0-9.0；
用恒流泵缓慢滴加Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液，其中Co2+:Al3+的摩尔比为1:2；其中以使CoO与绢云母钛的质量比为1-10％计Co(NO3)2/Al(NO3)3混合溶液的加入量；滴加完毕后，悬浮液在pH＝8.0-9.0，85-90℃水浴下陈化2h；而后，抽滤，干燥，在于马弗炉中，在1000-1100℃下焙烧1h，得到CoAl2O4包覆绢云母钛复合材料。
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|---|---|---|---|---|
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2012
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