CN104293159A - 一种环保耐热水性聚氨酯涂料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保耐热水性聚氨酯涂料，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯50-80份、水性丙烯酸树脂10-30份、环氧树脂10-20份、脂肪族聚异氰酸酯5-8份、有机改性粘土15-30份、改性纳米纤维素8-20份、丝素蛋白5-20份、纳米二氧化钛3-8份、纳米蒙脱土10-18份、植物油5-8份、丙三醇1-1.8份、乙二醇丙醚0.5-1.8份、丙二醇单醚0.8-1.9份、季戊四醇0-1.5份、有机硅微珠1-3份、改性碳纳米管3-6份。本发明公开的环保耐热水性聚氨酯涂料，其耐热性好，耐水性强，硬度高，使用寿命长。

Description

一种环保耐热水性聚氨酯涂料
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种环保耐热水性聚氨酯涂料。
背景技术
聚氨酯指的是分子主链中含氨基甲酸酯键的一类聚合物的统称，通常情况下由异氰酸酯和多元醇发生加聚反应生成。水性聚氨酯以水做分散剂替代了溶剂型聚氨酯中的有机溶剂，不仅环保无毒低能耗，而且因为分子链的物理化学结构保持不变，相比于溶剂型聚氨酯，水性聚氨酯具有以下优点:以水作为分散介质，不含或仅含有少量有机溶剂；反应过程中釆用低沸点低毒的丙酮作为溶剂，能够实现回收利用，节约能源；可通过加水调节固含量进行稀释，施工安全便捷，易清理。但是水性聚氨酯同时也具有以下的缺点：如低分子量，低光泽度，较低的硬度，较差的耐老化性能以及由于亲水基团的引入和以水作为分散体系带来的耐水性差，固含量低等，因而限制了其应用范围。当前阶段国内外许多聚氨酯方面的科研工作者致力于水性聚氨酯的改性研究,以弥补其性能方面的不足。
现存的水性聚氨酯涂料，其耐热性、耐水性欠佳，硬度低不能满足社会的要求，需要进一步研究和改进。
发明内容
本发明提出了一种环保耐热水性聚氨酯涂料，其耐热性好，耐水性强，硬度高，使用寿命长。
本发明提出了一种环保耐热水性聚氨酯涂料，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯50-80份、水性丙烯酸树脂10-30份、环氧树脂10-20份、脂肪族聚异氰酸酯5-8份、有机改性粘土15-30份、改性纳米纤维素8-20份、丝素蛋白5-20份、纳米二氧化钛3-8份、纳米蒙脱土10-18份、植物油5-8份、丙三醇1-1.8份、乙二醇丙醚0.5-1.8份、丙二醇单醚0.8-1.9份、季戊四醇0-1.5份、有机硅微珠1-3份、改性碳纳米管3-6份；
其中，所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在30-60份聚丙二醇中依次加入40-50份甲苯二异氰酸酯和2-5份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至80-85℃，保温反应150-200min，然后加入15-30份丙酮，降温至25-30℃，依次加入13-18份二甘醇、3-5份二羟甲基丙酸、0.5-2.5份辛酸亚锡和0.8-2.3份二月桂酸二丁基锡，升温至55-60℃，搅拌反应150-200min，降温至25-30℃，加入5-12份氨基磺酸钠和20-35份丙酮，升温至55-60℃，搅拌反应30-50min，降温至25-30℃，加入5-20份乙二胺和30-60份去离子水，在500-1000r/min的转速下搅拌200-350min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
优选地，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯60-70份、水性丙烯酸树脂13-25份、环氧树脂15-17份、脂肪族聚异氰酸酯6-6.9份、有机改性粘土22-26份、改性纳米纤维素10-17份、丝素蛋白9-16份、纳米二氧化钛5-6.8份、纳米蒙脱土13-16份、植物油5.9-6.8份、丙三醇1.4-1.7份、乙二醇丙醚0.9-1.5份、丙二醇单醚1.3-1.6份、季戊四醇0.5-1.2份、有机硅微珠1.4-2.3份、改性碳纳米管3.6-5.6份。
优选地，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯67份、水性丙烯酸树脂18份、环氧树脂15份、脂肪族聚异氰酸酯6.6份、有机改性粘土25份、改性纳米纤维素15.6份、丝素蛋白14.3份、纳米二氧化钛5.8份、纳米蒙脱土13.7份、植物油6.3份、丙三醇1.47份、乙二醇丙醚1.35份、丙二醇单醚1.4份、季戊四醇1.1份、有机硅微珠2.2份、改性碳纳米管4份。
优选地，所述植物油为蓖麻油、亚麻油、豆油、菜籽油中的一种或者是多种的组合。
优选地，所述有机改性粘土的改性剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂为氨基硅烷偶联剂。
优选地，所述氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基三乙氧基硅烷、γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或者多种的组合。
优选地，所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在39-50份聚丙二醇中依次加入43-47份甲苯二异氰酸酯和2.9-4.5份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至82-85℃，保温反应175-190min，然后加入22-29份丙酮，降温至26-28℃，依次加入15-17.8份二甘醇、3.9-4.5份二羟甲基丙酸、1.8-2.3份辛酸亚锡和1.5-2.1份二月桂酸二丁基锡，升温至57-59℃，搅拌反应169-189min，降温至27-29℃，加入8-11份氨基磺酸钠和26-32份丙酮，升温至57-59℃，搅拌反应39-46min，降温至27-29℃，加入11-17份乙二胺和40-53份去离子水，在700-950r/min的转速下搅拌260-320min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
优选地，所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在42份聚丙二醇中依次加入45份甲苯二异氰酸酯和4.3份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至83℃，保温反应179min，然后加入27份丙酮，降温至26℃，依次加入17.3份二甘醇、4.2份二羟甲基丙酸、2.1份辛酸亚锡和1.9份二月桂酸二丁基锡，升温至58℃，搅拌反应185min，降温至28℃，加入9.6份氨基磺酸钠和31.3份丙酮，升温至58℃，搅拌反应42min，降温至28℃，加入13.6份乙二胺和42份去离子水，在930r/min的转速下搅拌315min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
本发明所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其原料中，改性水性聚氨酯的重量份可以为50.6、51、52、53.6、55、57、58、59.6、62、63.5、65、66.7、68、69.5、72、72.3、75、76.8、77、78、78.3、79、79.4份，水性丙烯酸树脂的重量份可以为10.5、11、11.3、12、12.4、13.5、14、14.6、15、15.8、16、16.9、18.3、19、19.4、20、20.5、21、21.3、22、22.5、23、23.6、24、24.9、26、26.8、27、27.9、28、29.5份，环氧树脂的重量份可以为10.3、11、11.5、12、12.6、13、13.5、14、14.6、15.8、16、16.7、17.5、18、18.5、19、19.3份，脂肪族聚异氰酸酯的重量份可以为5.2、5.6、6.2、7、7.1、7.36、7.8份，有机改性粘土的重量份可以为15.6、16、16.3、17、17.4、18、18.9、19.6、20、20.35、21、22.6、23、23.8、24、24.6、25.9、27、29.3份，改性纳米纤维素的重量份可以为8.6、9、9.3、10.5、11、11.26、12、12.3、13、13.4、14、14.6、15、15.3、16、16.78、17.9、18、18.3、19、19.4份，丝素蛋白的重量份可以为5.3、6、6.4、7、7.2、8、8.3、9.5、10、11、12.3、13、13.5、14、14.6、15、15.9、16.8、17、17.36、18、18.9、19、19.6份，纳米二氧化钛的重量份可以为3.2、3.26、3.5、3.59、3.9、4.2、4.6、4.98、5.3、5.6、5.87、6、6.3、6.8、7、7.8份，纳米蒙脱土的重量份可以为10.6、11、11.3、12、12.5、13.5、14、14.6、15、15.6、16.3、17、17.5份，植物油的重量份可以为5.2、5.6、6、6.1、7、7.4、7.89份，丙三醇的重量份可以为1.15、1.2、1.26、1.3、1.45、1.5、1.56、1.6、1.67、1.75份，乙二醇丙醚的重量份可以为0.6、0.8、0.95、1.1、1.23、1.3、1.34、1.4、1.46、1.56、1.6、1.67、1.7、1.78份，丙二醇单醚的重量份可以为0.9、0.96、1.0、1.1、1.23、1.34、1.46、1.5、1.56、1.67、1.7、1.8、1.86份，季戊四醇的重量份可以为0.2、0.3、0.45、0.56、0.6、0.67、0.7、0.75、0.8、0.86、0.9、0.94、1.0、1.12、1.23、1.3、1.35、1.4、1.46份，有机硅微珠的重量份可以为1.2、1.3、1.45、1.5、1.56、1.67、1.7、1.8、1.85、1.9、1.96、2.03、2.1、2.4、2.46、2.5、2.56、2.6、2.67、2.7、2.78、2.8、2.95份，改性碳纳米管的重量份可以为3.2、3.6、4.5、4.9、5、5.3、5.86份。
本发明中，将葡萄糖作为高交联度的改性剂引入聚氨酯体系中，使体系的分子链交联程度提高很大，体系中的空隙减小，水分子进入体系的概率减小，葡萄糖中含有的羟基会使体系的亲水性增加，因此调节了葡萄糖和聚氨酯体系中各组分的含量，使其处于最佳比例，体系宏观表现为胶膜吸水率减小，耐水性得到改善，加入氨基磺酸钠后，体系中亲水基团含量减小，分子链在水中呈卷曲状态，拒水性增加，进一步促使胶膜吸水率下降，改善了体系的耐水性；葡萄糖作为交联剂引入分子链中，显著提高了体系的化学交联程度，使分子链运动受阻，在应力作用下，分子链的伸展比较困难，刚性增强，拉伸强度增加，另外，葡萄糖中的环状结构具有刚性，引入分子链中，导致聚氨酯体系内聚能上升，提高了胶膜的硬度；葡萄糖引入聚氨酯体系中后，体系化学交联度的增加很好的束缚了分子链之间的相互滑动，使胶膜结构致密，提高了体系的耐热性；添加的有机改性粘土在体系中分散均匀，有机改性粘土被聚氨酯分子链剥离或者插层，有机改性粘土限制了聚氨酯分子链的运动，进一步提高了体系的拉伸强度和断裂伸长率，有机改性粘土有明显的增强作用，使体系的邵氏硬度、热稳定性也增加，吸水率降低；改性纳米纤维素、丝素蛋白进一步改善了体系的耐水性，提高了体系的拉伸强度；植物油是一种可再生的天然物质，其中含有多个羟基，添加到体系中，可以与葡萄糖、环氧树脂、水性丙烯酸树脂产生交联互传网络，进一步减小了体系中的空隙，限制了分子链的运动，进一步提高了体系的拉伸强度、断裂伸长率、硬度、耐水性和耐热性；改性碳纳米管的表面具有很多羧基和羟基，其可以与葡萄糖、环氧树脂以及各种填料形成氢键，增加了与体系的结合强度，改善了体系的力学性能，同时改性碳纳米管具有润滑性能，加入到体系中，减小了摩擦系数，提高了体系的耐磨性。
本发明中，各种原料相互配合，性能优势互补，得到的涂料耐热性好，耐水性强，硬度高，使用寿命长。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出详细说明，应当了解，实施例只用于说明本发明，而不是用于对本发明进行限定，任何在本发明基础上所做的修改、等同替换等均在本发明的保护范围内。
实施例1
本发明所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯50份、水性丙烯酸树脂30份、环氧树脂10份、脂肪族聚异氰酸酯5份、有机改性粘土30份、改性纳米纤维素8份、丝素蛋白20份、纳米二氧化钛3份、纳米蒙脱土18份、植物油5份、丙三醇1.8份、乙二醇丙醚0.5份、丙二醇单醚1.9份、季戊四醇0份、有机硅微珠3份、改性碳纳米管3份；
其中，所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在30份聚丙二醇中依次加入40份甲苯二异氰酸酯和2份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至85℃，保温反应150min，然后加入30份丙酮，降温至25℃，依次加入18份二甘醇、3份二羟甲基丙酸、2.5份辛酸亚锡和0.8份二月桂酸二丁基锡，升温至60℃，搅拌反应150min，降温至30℃，加入5份氨基磺酸钠和35份丙酮，升温至55℃，搅拌反应50min，降温至25℃，加入20份乙二胺和30份去离子水，在1000r/min的转速下搅拌200min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
实施例2
本发明所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯80份、水性丙烯酸树脂10份、环氧树脂10份、脂肪族聚异氰酸酯8份、有机改性粘土15份、改性纳米纤维素20份、丝素蛋白5份、纳米二氧化钛8份、纳米蒙脱土10份、蓖麻油8份、丙三醇1份、乙二醇丙醚1.8份、丙二醇单醚0.8份、季戊四醇1.5份、有机硅微珠1份、改性碳纳米管6份；
其中，所述有机改性粘土为氨基硅烷偶联剂改性有机粘土，所述氨基硅烷偶联剂为N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基三乙氧基硅烷重量份按1:3的组合；
所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在60份聚丙二醇中依次加入50份甲苯二异氰酸酯和5份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至80℃，保温反应200min，然后加入15份丙酮，降温至30℃，依次加入13份二甘醇、5份二羟甲基丙酸、0.5份辛酸亚锡和2.3份二月桂酸二丁基锡，升温至55℃，搅拌反应200min，降温至25℃，加入12份氨基磺酸钠和20份丙酮，升温至60℃，搅拌反应30min，降温至30℃，加入5份乙二胺和60份去离子水，在500r/min的转速下搅拌350min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
实施例3
本发明所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯62份、水性丙烯酸树脂20.5份、环氧树脂17.5份、脂肪族聚异氰酸酯7.1份、有机改性粘土19.6份、改性纳米纤维素17.9份、丝素蛋白14份、纳米二氧化钛5.3份、纳米蒙脱土14.6份、菜籽油3.4份、亚麻油4份、丙三醇1.56份、乙二醇丙醚1.4份、丙二醇单醚1.67份、季戊四醇0.94份、有机硅微珠1.5份、改性碳纳米管5.3份；
其中，所述有机改性粘土的改性剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷；
所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在36份聚丙二醇中依次加入47份甲苯二异氰酸酯和2.9份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至82℃，保温反应175min，然后加入19份丙酮，降温至28℃，依次加入16份二甘醇、3.7份二羟甲基丙酸、1.6份辛酸亚锡和1.87份二月桂酸二丁基锡，升温至56℃，搅拌反应178min，降温至27℃，加入11份氨基磺酸钠和29份丙酮，升温至59℃，搅拌反应37min，降温至29℃，加入13.6份乙二胺和47.9份去离子水，在750r/min的转速下搅拌305min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
实施例4
本发明所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯67份、水性丙烯酸树脂18份、环氧树脂15份、脂肪族聚异氰酸酯6.6份、有机改性粘土25份、改性纳米纤维素15.6份、丝素蛋白14.3份、纳米二氧化钛5.8份、纳米蒙脱土13.7份、植物油6.3份、丙三醇1.47份、乙二醇丙醚1.35份、丙二醇单醚1.4份、季戊四醇1.1份、有机硅微珠2.2份、改性碳纳米管4份；
其中，所述植物油为蓖麻油、亚麻油、豆油、菜籽油按任意重量比的组合；所述有机改性粘土的改性剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基三乙氧基硅烷、γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷按任意重量份比的组合；
所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在42份聚丙二醇中依次加入45份甲苯二异氰酸酯和4.3份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至83℃，保温反应179min，然后加入27份丙酮，降温至26℃，依次加入17.3份二甘醇、4.2份二羟甲基丙酸、2.1份辛酸亚锡和1.9份二月桂酸二丁基锡，升温至58℃，搅拌反应185min，降温至28℃，加入9.6份氨基磺酸钠和31.3份丙酮，升温至58℃，搅拌反应42min，降温至28℃，加入13.6份乙二胺和42份去离子水，在930r/min的转速下搅拌315min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯50-80份、水性丙烯酸树脂10-30份、环氧树脂10-20份、脂肪族聚异氰酸酯5-8份、有机改性粘土15-30份、改性纳米纤维素8-20份、丝素蛋白5-20份、纳米二氧化钛3-8份、纳米蒙脱土10-18份、植物油5-8份、丙三醇1-1.8份、乙二醇丙醚0.5-1.8份、丙二醇单醚0.8-1.9份、季戊四醇0-1.5份、有机硅微珠1-3份、改性碳纳米管3-6份；
其中，所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在30-60份聚丙二醇中依次加入40-50份甲苯二异氰酸酯和2-5份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至80-85℃，保温反应150-200min，然后加入15-30份丙酮，降温至25-30℃，依次加入13-18份二甘醇、3-5份二羟甲基丙酸、0.5-2.5份辛酸亚锡和0.8-2.3份二月桂酸二丁基锡，升温至55-60℃，搅拌反应150-200min，降温至25-30℃，加入5-12份氨基磺酸钠和20-35份丙酮，升温至55-60℃，搅拌反应30-50min，降温至25-30℃，加入5-20份乙二胺和30-60份去离子水，在500-1000r/min的转速下搅拌200-350min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
2.根据权利要求1所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯60-70份、水性丙烯酸树脂13-25份、环氧树脂15-17份、脂肪族聚异氰酸酯6-6.9份、有机改性粘土22-26份、改性纳米纤维素10-17份、丝素蛋白9-16份、纳米二氧化钛5-6.8份、纳米蒙脱土13-16份、植物油5.9-6.8份、丙三醇1.4-1.7份、乙二醇丙醚0.9-1.5份、丙二醇单醚1.3-1.6份、季戊四醇0.5-1.2份、有机硅微珠1.4-2.3份、改性碳纳米管3.6-5.6份。
3.根据权利要求1或2所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，其原料按重量份数包括以下组分：改性水性聚氨酯67份、水性丙烯酸树脂18份、环氧树脂15份、脂肪族聚异氰酸酯6.6份、有机改性粘土25份、改性纳米纤维素15.6份、丝素蛋白14.3份、纳米二氧化钛5.8份、纳米蒙脱土13.7份、植物油6.3份、丙三醇1.47份、乙二醇丙醚1.35份、丙二醇单醚1.4份、季戊四醇1.1份、有机硅微珠2.2份、改性碳纳米管4份。
4.根据权利要求1-3中任一项所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述植物油为蓖麻油、亚麻油、豆油、菜籽油中的一种或者是多种的组合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述有机改性粘土的改性剂为硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂为氨基硅烷偶联剂。
6.根据权利要求5所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基三甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基三乙氧基硅烷、γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或者多种的组合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在39-50份聚丙二醇中依次加入43-47份甲苯二异氰酸酯和2.9-4.5份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至82-85℃，保温反应175-190min，然后加入22-29份丙酮，降温至26-28℃，依次加入15-17.8份二甘醇、3.9-4.5份二羟甲基丙酸、1.8-2.3份辛酸亚锡和1.5-2.1份二月桂酸二丁基锡，升温至57-59℃，搅拌反应169-189min，降温至27-29℃，加入8-11份氨基磺酸钠和26-32份丙酮，升温至57-59℃，搅拌反应39-46min，降温至27-29℃，加入11-17份乙二胺和40-53份去离子水，在700-950r/min的转速下搅拌260-320min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
8.根据权利要求7所述环保耐热水性聚氨酯涂料，其特征在于，所述改性水性聚氨酯按照以下工艺进行制备：在氮气的保护下，按重量份在42份聚丙二醇中依次加入45份甲苯二异氰酸酯和4.3份葡萄糖，在红外灯下搅拌加热至83℃，保温反应179min，然后加入27份丙酮，降温至26℃，依次加入17.3份二甘醇、4.2份二羟甲基丙酸、2.1份辛酸亚锡和1.9份二月桂酸二丁基锡，升温至58℃，搅拌反应185min，降温至28℃，加入9.6份氨基磺酸钠和31.3份丙酮，升温至58℃，搅拌反应42min，降温至28℃，加入13.6份乙二胺和42份去离子水，在930r/min的转速下搅拌315min，降温后，挥发，得到所述改性水性聚氨酯。
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