CN104530480A - ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂及其复合阻燃材料和制备方法 - Google Patents

ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂及其复合阻燃材料和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于新材料技术领域,具体涉及一种ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂及其使用该阻燃剂的复合阻燃材料和制备方法;该阻燃剂所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得,按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为2~5︰0.5~0.8︰0.8~1︰1;其中,所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为1~3︰1︰3~4;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为1︰1~3,所述亚磷酸︰水为0.07~0.08mol/ml。本发明不仅制备工艺简单,所制得到的聚合物复合阻燃材料的阻燃性能、力学性能较好,同时还不影响其加工性能。

Description

ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂及其复合阻燃材料和制备方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域,具体涉及一种ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂及其使用该阻燃剂的复合阻燃材料和制备方法。
背景技术
高分子化合物也叫高分子聚合物,它与低分子化合物相比较,分子量非常高。由于这一突出特点,使之显示出了特有的性能:高分子量、高弹性、高黏度、结晶度低、无气态。这些特点也赋予了高分子材料(如复合阻燃材料、橡胶等)具有高强度、高韧性、高弹性等优异的特点。使之被广泛应用于电气电子、结构建筑、建筑技术、车辆制造等领域。虽然它们具有良好的机械性能、可加工性和化学稳定性;但它们属于有机高分子材料,具有易燃性且燃烧速度快而难以扑灭的弊端。由此带来的火灾隐患已成为普遍关注的社会问题,如何改变高分子聚合物的易燃性已经成为科学研究的重点。
目前降低聚合物易燃性所采取的方法主要是在聚合物中添加阻燃剂。当前广泛使用的阻燃剂按其组成可分为含卤和无卤阻燃体系,其中含卤阻燃剂由于燃烧时释放大量的烟尘和有毒、有腐蚀性气体,造成大气污染、妨碍救生和逃生;而无卤阻燃剂中金属氢氧化物添加量大,又会影响材料的其他性能;另外阻燃齐聚物,阻燃效果好而且低烟低毒,但是合成工艺复杂,成本高。近年来由于环保意识的提高和可持续发展理念的推广,高效、低毒、低烟、机械和力学性能良好、具有火灾安全性、综合性能优化的新型阻燃材料成为阻燃领域发展的趋势。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种与聚合物的之间具有较好相容性的ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂;相容性好,能很好起到阻燃效果的同时,对所得阻燃聚合物的物化性能进行综合调整优化。
本发明的目的之二是提供了所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的制备方法,该方法简单易行。
本发明的目的之三是提供了所述含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料,该复合阻燃材料不仅高效、低毒、低烟,而且机械和力学性能良好。
本发明的目的之四是提供了所述复合阻燃材料的制备方法,该方法简单易行。
本发明是通过以下技术方案来实现的:
ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂,所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂为层状或介孔状,并由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得;按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为2~5︰0.5~0.8︰0.8~1︰1;
其中,所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为1~3︰1︰3~4;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为1︰1~3,所述亚磷酸︰水为0.07~0.08mol/ml。
较佳地,所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得,按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为3︰0.6︰0.9︰1;所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为2︰1︰3.73;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为0.47︰1,所述亚磷酸︰水为0.075mol/ml。
制备所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,具体为:
A.苯乙胺-N,N-双甲基膦酸(BEDPA)的合成:
(1)、将所述量的亚磷酸溶于水中后,加入装有温度计,搅拌子和回流冷凝管的三颈瓶中,再加入苯乙胺;
(2)、冰浴中滴加盐酸,加热到90℃~100℃,缓慢搅拌下滴加甲醛溶液,加热到100℃~120℃回流1~3h,90℃时缓慢搅拌下加蒸馏水浓缩、冷却、结晶、重结晶,
(3)、将(2)中所得物于90℃~110℃真空干燥,得白色鱼鳞状苯乙胺-N,N-双甲基膦酸。
B.层状苯苯乙胺-N,N-双甲基膦酸盐(ZrTi-BEDPA)的合成:
先按所数量加入ZrOCl2·8H2O和TiSO4、HF溶液,搅拌下滴加所述量的BEDPA,70℃~90℃反应4~6d,直到白色沉淀析出,离心过滤;再用水洗涤到滤饼,当pH=5时,接着用乙醇洗涤(40ml×3),最后于60℃~80℃真空干燥20~25h,制得所述层状苯苯乙胺-N,N-双甲基膦酸盐(ZrTi-BEDPA)。层状配合其他组分,能很好的提高ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂与聚合物之间的相容性。层状的无机盐经过插层处理,层间距增大,甚至呈一定程度的剥离状态,这有助于无机骨架酸性位与高分子基体充分作用,通过催化脱水,交联成炭,使膨胀碳层形成稳定的硅酸盐-炭阻隔层,从而阻隔燃烧过程中质和热的扩散,因而改善体系的耐热氧化能力。
较佳地,所述BEDPA的合成中,甲醛溶液的体积百分比为37%,甲醛溶液于15~30min滴加完毕。
较佳地,所述BEDPA的合成中,加蒸馏水浓缩3次。
较佳地,所述TiSO4为溶于10%的H2SO4的TiSO4溶液。
一种含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料,由按重量百分比计算的如下原料制备而得:
树脂                         85~98%
十六烷基三甲基溴化铵         1~5%
阻燃剂                       1~10%;
其中,所阻燃剂为所述的ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂。
其中,所述树脂为HDPE、MAPP、PE、PP、PS、PVC、ABS、EVA中的一种或几种组合物。
较佳地,所述树脂为PP与MAPP的混合物,所述PP与MAPP的质量比为4:1
制备所述复合阻燃材料的方法,具体为:先将树脂放入烘箱90℃~110℃烘1~3h,再按所数量将十六烷基三甲基溴化铵、树脂和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂放入混合机中高速混合3~6min;接着将混合好的材料放入双锟混炼机中于170℃~200℃混炼20~30min,其中剪切速度为15~25r/min;最后将混合物在平板硫化机140℃~160℃压5~10min,制得所述含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料。
本发明有机-无机介观复合相实现了有机碳源(作为膜板剂/结构导向剂)和无机层状、网状骨架的协同复合。通过简单的制备,可以获得层状或者多孔结构的MP(有机-无机磷/膦酸盐介观自组装体系),层状的MP在结构和电荷匹配(膜板剂和无机骨架通过氢键、共价键作用达到电荷匹配)。在MP体系中,对顶角四面体连接的[AlPO6]与MMT(蒙脱土)中对顶角四面体连接的[Si2O6]具有等瓣关系,相对于层间,无机骨架层内作用力较强,因此,在剪切条件下,剥离的片层具有一定的完整性,剥离分散在高分子基体中。
总之,本发明与现有技术相比,本发明阻燃剂不仅制备工艺简单,而且能很好的与聚合物相容,使含有该阻燃剂的复合阻燃材料阻燃高效、低毒、低烟、机械和力学性能良好,同时还不影响聚合物的加工性能。
具体的实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,以助于本领域技术人员理解本发明。
实施例1
ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂,由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得,按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为3︰0.6︰0.9︰1;BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为2︰1︰3.73;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为0.47︰1,亚磷酸︰水为0.075mol/ml。
制备所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,具体为:
BEDPA的合成:
(1)、将所述量的亚磷酸溶于水中后,加入装有温度计,搅拌子和回流冷凝管的三颈瓶中,再加入苯乙胺;
(2)、冰浴中滴加盐酸,加热到95℃,缓慢搅拌下滴加甲醛溶液(37%),并于20min滴加完毕。加热到110℃回流2h,90℃时缓慢搅拌下加蒸馏水浓缩3次、冷却、结晶、重结晶,
(3)、将(2)中所得物于100℃真空干燥,得白色鱼鳞状BEDPA。
层状苯苯乙胺-N,N-双甲基膦酸盐(ZrTi-BEDPA)的合成:
先按所数量的ZrOCl2·8H2O和TiSO4(溶于10%的H2SO4)的HF水溶液中,搅拌下滴加所述量的BEDPA,80℃反应5d,直到白色沉淀析出,离心过滤;再用水洗涤到滤饼,当pH=5时,接着用乙醇洗涤,最后于70℃真空干燥24h,制得所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂。
一种含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料,由按重量百分比计算的如下原料制备而得:树脂(PP与MAPP的质量比为4:1)92.8%、十六烷基三甲基溴化铵(C16)3.2%和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂4%
制备所述复合阻燃材料的方法,具体为:
先将树脂放入烘箱100℃烘2h,再按所数量将十六烷基三甲基溴化铵、树脂和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂放入混合机中高速混合5min;接着将混合好的材料放入双锟混炼机中于180℃混炼25min,其中剪切速度为20r/min;最后将混合物在平板硫化机1150℃压8min,制得所述含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料。
实施例2
ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂,所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得;按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为2︰0.5︰0.8︰1;
其中,所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为1︰1︰3;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为1︰1,所述亚磷酸︰水为0.07mol/ml。
制备所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,具体为:
BEDPA的合成:
(1)、将所述量的亚磷酸溶于水中后,加入装有温度计,搅拌子和回流冷凝管的三颈瓶中,再加入苯乙胺;
(2)、冰浴中滴加盐酸,加热到90℃,缓慢搅拌下滴加甲醛溶液(37%),并于15min滴加完毕。加热到100℃℃回流1h,90℃时缓慢搅拌下加蒸馏水浓缩3次、冷却、结晶、重结晶,
(3)、将(2)中所得物于90℃真空干燥,得白色鱼鳞状BEDPA。
层状苯苯乙胺-N,N-双甲基膦酸盐(ZrTi-BEDPA)的合成:
先按所数量的ZrOCl2·8H2O和TiSO4(溶于10%的H2SO4)的HF水溶液中,搅拌下滴加所述量的BEDPA,70℃反应4d,直到白色沉淀析出,离心过滤;再用水洗涤到滤饼,当pH=5时,接着用乙醇洗涤,最后于60℃真空干燥20h,制得所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂。
一种含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料,由按重量百分比计算的如下原料制备而得:树脂(PE)85%、十六烷基三甲基溴化铵(C16)5%和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂10%
制备所述复合阻燃材料的方法,具体为:
先将树脂放入烘箱90℃℃烘1h,再按所数量将十六烷基三甲基溴化铵、树脂和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂放入混合机中高速混合3min;接着将混合好的材料放入双锟混炼机中于170℃混炼20min,其中剪切速度为15r/min;最后将混合物在平板硫化机140℃压5min,制得所述含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料。
实施例3
ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂,所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得;按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为5︰0.8︰1︰1;
其中,所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为3︰1︰4;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为1︰3,所述亚磷酸︰水为0.08mol/ml。
制备所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,具体为:
A.BEDPA的合成:
(1)、将所述量的亚磷酸溶于水中后,加入装有温度计,搅拌子和回流冷凝管的三颈瓶中,再加入苯乙胺;
(2)、冰浴中滴加盐酸,加热到100℃,缓慢搅拌下滴加甲醛溶液(37%),并于30min滴加完毕。加热到120℃回流3h,90℃时缓慢搅拌下加蒸馏水浓缩3次、冷却、结晶、重结晶,
(3)、将(2)中所得物于110℃真空干燥,得白色鱼鳞状BEDPA。
B.层状苯苯乙胺-N,N-双甲基膦酸盐(ZrTi-BEDPA)的合成:
先按所数量的ZrOCl2·8H2O和TiSO4(溶于10%的H2SO4)的HF水溶液中,搅拌下滴加所述量的BEDPA,90℃反应6d,直到白色沉淀析出,离心过滤;再用水洗涤到滤饼,当pH=5时,接着用乙醇洗涤,最后于80℃真空干燥25h,制得所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂。
一种含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料,由按重量百分比计算的如下原料制备而得:树脂(PS与HDPE的质量比为3:2)98%、十六烷基三甲基溴化铵(C16)1%和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂1%
制备所述复合阻燃材料的方法,具体为:
先将树脂放入烘箱110℃烘3h,再按所数量将十六烷基三甲基溴化铵、树脂和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂放入混合机中高速混合6min;接着将混合好的材料放入双锟混炼机中于200℃混炼30min,其中剪切速度为25r/min;最后将混合物在平板硫化机160℃压10min,制得所述含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料。
实施例4
ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂,所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得;按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为4︰0.6︰0.8︰1;
其中,所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为2.5︰1︰3.5;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为1︰2.5,所述亚磷酸︰水为0.075mol/ml。
制备所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,具体为:
BEDPA的合成:
(1)、将所述量的亚磷酸溶于水中后,加入装有温度计,搅拌子和回流冷凝管的三颈瓶中,再加入苯乙胺;
(2)、冰浴中滴加盐酸,加热到95℃,缓慢搅拌下滴加甲醛溶液(37%),并于30min滴加完毕。加热到105℃回流1.5h,90℃时缓慢搅拌下加蒸馏水浓缩3次、冷却、结晶、重结晶,
(3)、将(2)中所得物于105℃真空干燥,得白色鱼鳞状BEDPA。
层状苯苯乙胺-N,N-双甲基膦酸盐(ZrTi-BEDPA)的合成:
先按所数量的ZrOCl2·8H2O和TiSO4(溶于10%的H2SO4)的HF水溶液中,搅拌下滴加所述量的BEDPA,75℃反应6d,直到白色沉淀析出,离心过滤;再用水洗涤到滤饼,当pH=5时,接着用乙醇洗涤,最后于80℃真空干燥20h,制得所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂。
一种含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料,由按重量百分比计算的如下原料制备而得:EVA 90%、十六烷基三甲基溴化铵(C16)2%和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂8%
制备所述复合阻燃材料的方法,具体为:
先将树脂放入烘箱110℃烘1h,再按所数量将十六烷基三甲基溴化铵、树脂和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂放入混合机中高速混合3min;接着将混合好的材料放入双锟混炼机中于170℃混炼30min,其中剪切速度为25r/min;最后将混合物在平板硫化机140℃压10min,制得所述含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料。
上述实施例,只是本发明的较佳实施例,并非用来限制本发明实施范围,故凡以本发明权利要求所述的特征及原理所做的等效变化或修饰,均应包括在本发明权利要求范围之内。
结果表明,Ti的掺杂,改变了膦酸盐表面酸性,在加热或燃烧过程中与高分子基体充分作用,通过催化脱水,交联成炭,使膨胀碳层形成稳定的阻隔层,从而阻隔燃烧过程中质和热的扩散,进而改善体系的耐热氧化能力。但nZr:nTi=9:1时,阻燃性能最好,极限氧指数(LOI)最高,达到了21.7。
从以上实例评价结果可知,有机-无机磷酸/膦酸盐自组装体系,由于含有有机碳氢链,与高分子材料相容性加好,在高分子集体中,曾分散状态,由于其它元素的残渣,增强了MP的表面酸性,更好的催化交联成炭,形成阻隔层,提高高分子材料的阻燃性能。

Claims (10)

1.ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂,其特征在于,所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂为层状或介孔状,并由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得;按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为2~5︰0.5~0.8︰0.8~1︰1;其中,所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为1~3︰1︰3~4;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为1︰1~3,所述亚磷酸︰水为0.07~0.08mol/ml。
2.如权利要求1所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂,其特征在于,所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂由ZrOCl2·8H2O、TiSO4、HF和BEDPA制得,按照摩尔比计算,ZrOCl2·8H2O︰TiSO4︰HF︰BEDPA为3︰0.6︰0.9︰1;所述BEDPA由亚磷酸、苯乙胺、盐酸和甲醛制得,按照摩尔比计算,所述亚磷酸︰苯乙胺︰甲醛为2︰1︰3.73;所述苯乙胺︰盐酸之间按体积比为0.47︰1,所述亚磷酸︰水为0.075mol/ml。
3.制备权利要求1或2中所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,其特征在于,具体为:
A.BEDPA的合成:
(1)、将所述量的亚磷酸溶于水中后,加入装有温度计,搅拌子和回流冷凝管的三颈瓶中,再加入苯乙胺;
(2)、冰浴中滴加盐酸,加热到90℃~100℃,缓慢搅拌下滴加甲醛溶液,加热到100℃~120℃回流1~3h,90℃时缓慢搅拌下加蒸馏水浓缩、冷却、结晶、重结晶,
(3)、将(2)中所得物于90℃~110℃真空干燥,得白色鱼鳞状BEDPA。
B.层状苯苯乙胺-N,N-双甲基膦酸盐(ZrTi-BEDPA)的合成:
先按所数量加入ZrOCl2·8H2O和TiSO4、HF溶液,搅拌下滴加所述量的BEDPA,70℃~90℃反应4~6d,直到白色沉淀析出,离心过滤;再用水洗涤到滤饼,当pH=5时,接着用乙醇洗涤,最后于60℃~80℃真空干燥20~25h,制得所述ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂。
4.如权利要求3所述制备ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,其特征在于,所述BEDPA的合成中,甲醛溶液的体积百分比为37%,甲醛溶液于15~30min滴加完毕。
5.如权利要求3所述制备ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,其特征在于,所述BEDPA的合成中,加蒸馏水浓缩3次。
6.如权利要求3所述制备ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的方法,其特征在于,所述TiSO4为溶于10%的H2SO4的TiSO4溶液。
7.一种含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料,其特征在于,由按重量百分比计算的如下原料制备而得:
树脂                       85~98%
十六烷基三甲基溴化铵        1~5%
阻燃剂                     1~10%;
其中,所阻燃剂为权利要求1-6中任意一项所述的ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂。
8.如权利要求7所述复合阻燃材料,其特征在于,所述树脂为HDPE、MAPP、PE、PP、PS、PVC、ABS、EVA中的一种或几种组合物。
9.如权利要求8所述复合阻燃材料,其特征在于,所述树脂为PP与MAPP的混合物,所述PP与MAPP的质量比为4:1。
10.制备权利要求7-9中任意一项所述复合阻燃材料的方法,其特征在于,具体为:
先将树脂放入烘箱90℃~110℃烘1~3h,再按所数量将十六烷基三甲基溴化铵、树脂和ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂放入混合机中高速混合3~6min;接着将混合好的材料放入双锟混炼机中于170℃~200℃混炼20~30min,其中剪切速度为15~25r/min;最后将混合物在平板硫化机140℃~160℃压5~10min,制得所述含有ZrTi-BEDPA膦酸盐阻燃剂的复合阻燃材料。
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