CN107216452B - 纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法及其在聚酯、共聚酯合成中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法及其在聚酯、共聚酯尤其是可降解聚酯合成中的应用。所述制备方法包括将纳米载体在溶剂中以20~80℃条件下与钛系化合物反应1~4小时,反应过程中加入水解剂,制备得到负载二氧化钛的纳米颗粒溶液;随后加入选自Nd、Dy、Sm、Ce、La、Y以及选自Na、Mg、Zn、Al者的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐,在50~150℃条件下反应2~8小时,去除馏出物,制备得到产品。本发明采用纳米负载的方式获得新型纳米钛系稀土复合催化剂,通过优化催化剂的制备工艺,获得催化性能稳定、抗水解的纳米稀土催化剂。使用该催化剂制备的聚酯色相好、分子量高、分子量分布窄、性能稳定,可广泛用于PBS、PBAT、PBSA、PBST、PBT等各种聚酯的工业生产中。
Description
技术领域
本发明涉及催化剂领域。更具体地,涉及一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法及其在可降解聚酯、共聚酯合成中的应用。
背景技术
聚酯、共聚酯的技术路线主要为酯化-缩聚法。首先是将羧酸与过量的醇在催化剂反应下得到酯化物,然后通过抽真空缩聚,在催化剂的作用下得到高分子量的聚酯及共聚酯。在整个聚酯、共聚酯的合成工艺中,催化剂起到了加速反应过程,提高反应效率,促进反应向正反应方向进行的作用。
目前,工业聚酯合成所使用的催化剂主要由锗系、锑系和钛系催化剂,锗系催化剂催化性能好、副反应少,但是价格昂贵,无法大规模使用。当前,全球90%的聚酯生产装置使用的都是锑系催化剂,如醋酸锑、乙二醇锑、氧化锑等,锑系催化剂的副反应少,价格便宜,但活性低,且重金属锑的使用会对环境造成严重的污染,也会使产品颜色较暗。
可生物降解聚酯、共聚酯包括PBS、PBAT、PBSA、PBST等,统称为PBS类聚酯,是当前一类重要的新型降解塑料,具有良好的加工性能和可生物降解性能,可在塑料薄膜、片材、包装、注射等多个领域替代传统塑料进行应用,是当前解决白色污染的重要途径,当前,在全球范围内已经逐步实现产业化生产,且需求量巨大,产能亟需扩大。当前,可生物降解PBS类聚酯全球产量为15万吨,但全球需要求远超过上百万吨。其良好的可生物降解性能和使用性能使得PBS类聚酯得到越来越多国家的关注。绿色环保友好材料也使得PBS类聚酯在欧盟及美洲等发达国家得到了广泛的应用。因此,开发出适合PBS系列聚酯合成使用的高活性、低价格、低毒环保、产品色泽好、酸值低的新型催化剂具有非常重要的意义。
钛系催化剂是研究较多的一类,主要使用的是各种钛系有机酯,包括钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯等等。钛系催化剂优势明显,反应快、催化效率高的特点,因此钛系催化剂得到了广泛的应用。我国的稀土资源非常丰富、而稀土元素原子中电子排布比较复杂,核外一般具有多个空的f和d轨道,可以接受电子,具有很强的配位能力,能形成各种稀土化合物及配合物,因此稀土催化剂的研究逐渐开展起来。然而,在当前的研究中,普遍为液态均相钛系催化剂和稀土化合物作为催化剂使用,将二者联合使用的研究较少。
专利CN 102382287A公开了一种液态钛系催化剂的制备方法,该方法以钛系化合物如钛酸四丁酯、钛酸四丙酯、钛酸四乙酯等与正硅酸乙酯、羧酸进行共混反应,然后加入磷化物和选择Na、Mg、Al、Zn等金属元素的醋酸盐,加热反应,去除小分子,得到液态钛系催化剂。这种方法制备得到的钛系催化剂在乙二醇中有较好的溶解性且光稳定性好,具有较好的应用前景。专利CN101270185A公开了一种制备聚酯的液态钛系催化剂的制备方法,该方法将钛酸四丁酯、乙二醇、正硅酸乙酯和金属助催化剂在溶液中一起反应后,加热去除小分子馏化物,再加入络合剂得到了液态钛系催化剂。
专利CN16401A公开了一种液态钛系催化剂的制备方法,该方法中以钛酸异丙酯、乙二醇和金属助催化剂反应,馏出小分子后,与正硅酸乙酯和磷化物反应得到液态催化剂溶液。专利CN.102924698A公开了一种PBT合成的钛系催化剂制备方法,该方法将钛系化合物、丙三醇、碱性物在一定温度下反应,在反应产物中加入磷化物和选自Na、Mg、Li、Zn金属元素的醋酸盐,继续加热反应去除小分子,得到均一、稳定的液态催化剂。
专利CN1112573A公开了一种以稀土金属化合物或配合物为催化剂,得到了具有高抗降解的热塑性芳香族聚酯。专利CN1796433A、CN1796434A两个专利以含稀土催化剂C1和钛、锑、锌化物的二元催化剂合成聚酯和共聚酯,能够改善产品颜色发黄的缺点,且力学性能好,具有广泛的应用前景。欧洲专利EP626425以稀土金属复合盐作为催化剂生产热塑性芳香基聚碳酸酯,可改善聚合物的物理性能。
朱魁等将稀土制成乙酸稀土盐,并应用到PBAT的合成过程中,得到了分子量较高和较窄的分子量分布的共聚酯,且共聚酯机械性能较好。同时,朱魁等又合成了三氟甲基磺酸稀土催化剂、硬脂酸稀土催化剂,应用到芳香-脂肪族聚酯及共聚酯的合成中,获得了比较好的结果。
专利CN102492121A公开了一种采用稀土包裹钛系化合物制备聚酯催化剂的方法,在该方法中将钛系化合物、磷酸酯、硅酸酯和金属化合物溶于有机溶剂乙二醇中,再通过水解方式获得红色催化剂沉淀,最后采用丙酮反复洗涤,过滤,干燥,制备得到红色催化剂粉末。虽然该催化剂在聚酯合成中具有较好的活性和抑制副反应的作用,但其不足之处体现在制备过程需要大量有机溶剂丙酮进行洗涤,该工艺难以实现大工业化生产。另外,制备得到的催化剂为红色粉末固体,在大工业聚酯合成过程中,反应体系内为粘稠有机相,会造成催化剂分散不均匀,反应釜内反应速率不均一等问题,最终会导致分子量分布较宽,材料综合性能下降。
上述各类催化剂虽然各有各的优势,从催化剂抗水解性、催化效率、催化反应速率、副反应产物、产品颜色、产品分子量及分子量分布等综合条件来考虑,都存在了一定的缺陷,在PBS系列聚酯的大工业生产中出现了产品颜色不稳定、端羧基高、分子量低、副产物多等各种问题。因此开发出适合聚酯生产使用的高效催化剂具有很高的商业价值和应用前景。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法。该制备方法制备出一种高效、稳定、抗水解的聚酯合成用纳米钛系稀土复合催化剂,克服聚酯在大工业生产中出现的产品颜色发黄、发红,副产物高、催化剂反应效率低、易水解等问题。
本发明的另一个目的在于提供一种纳米钛系稀土复合催化剂在可降解聚酯、共聚酯合成中的应用。
为达到上述第一个目的,本发明采用下述技术方案:
一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法,包括如下制备步骤:
1)将纳米载体在溶剂中以20~80℃条件下与钛系化合物共同反应1~4小时,反应过程中加入水解剂,制备得到负载二氧化钛的纳米颗粒分散液;所述钛系化合物为Ti(OR)4,R为1~10个碳原子的烷基;
2)在步骤1)制备得到的负载二氧化钛的纳米颗粒分散液中,加入一种或几种选自Na、Mg、Zn或者Al等金属元素的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐和一种或几种选自Nd、Dy、Sm、Ce、La或者Y的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐,在50~150℃条件下反应2~8小时,去除馏出物,制备得到液相纳米颗粒悬浮液,即为具有空间配位结构的纳米钛系稀土复合催化剂。
优选地,步骤1)中,所述纳米载体为二氧化硅、三氧化二铝和氧化锆中的一种或几种的混合物;所述二氧化硅为纳米二氧化硅颗粒或者由正硅酸乙酯经水解后得到纳米二氧化硅;所述纳米载体的粒径为50~200nm。50~200nm的小尺寸纳米颗粒在溶液中能够分散均匀,会形成均相溶液,而尺寸过大的载体颗粒在有机溶液中会形成沉淀,造成分散不均匀。
优选地,步骤1)中,所述钛系化合物为钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、钛酸四乙酯、钛酸四甲酯和钛酸二异丙酯中的一种或几种混合物;所述水解剂为水、乳酸、柠檬酸、苹果酸、醋酸和盐酸中的一种或两种混合物;所述溶剂为甲醇、乙醇、丁二醇、异丙醇和乙二醇中的一种或两种混合物。在溶剂中通过水解剂的缓慢加入过程,使钛系催化剂逐步水解,形成的纳米二氧化钛颗粒负载在纳米载体上,最终在溶液中形成均相的纳米负载颗粒。
优选地,步骤1)中,所述钛系化合物与纳米载体的摩尔比为30:1~5:1,钛系化合物与水解剂的摩尔比为1:2~1:0.1,钛系化合物与溶剂的摩尔比为1:1~1:10。在此优选范围内,钛系化合物经过适当水解后能够很好的负载在纳米载体颗粒上,且适量的溶剂更利于整个体系中水解产物的分散,形成较颗粒较小的纳米粒子。
优选地,步骤2)中,所述负载二氧化钛的纳米颗粒与Na、Mg、Zn或者Al金属元素的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐的摩尔比为10:1~1:0.5。金属离子的加入在整个催化剂体系中起到助催化剂的作用,加强了Ti催化活性中心的作用。而过多的金属离子存在会造成副反应增多,打破聚酯反应过程中的真空系统平衡,较少的金属离子起不到明显的助催化作用。
优选地,步骤2)中,所述负载二氧化钛的纳米颗粒与Nd、Dy、Sm、Ce、La或者Y的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐的摩尔比为10:1~1:0.5。利用稀土元素核外的f轨道和d轨道,具有很强的电子接收能力的特点,引入稀土元素后会与Ti形成超强配位结构,将Ti活性中保护起来,形成具有空间立体结构的活性位点,提高催化效率。
采用上述制备方法获得的纳米钛系稀土复合催化剂为液相纳米颗粒悬浮溶液,与丁二醇或者乙二醇等溶剂互溶;所述液相纳米颗粒悬浮溶液中纳米颗粒粒径为40~200nm。
本发明还公开了一种采用上述方法制备得到的纳米钛系稀土复合催化剂在聚酯、共聚酯尤其是可降解聚酯合成中的应用。。
优选地,所述催化剂的用量为50-100ppm,按照催化剂中钛的含量与所加羧酸的质量比计算。同时,所述催化剂可以单独使用,无需添加抗氧化剂或者热稳定剂,即不需要与抗氧化剂和/或热稳定剂联合使用。
现有技术中,一般钛基催化剂的用量为300~500ppm(钛/产品,g/g),均是与钛酸四丁酯、钛酸四乙酯等钛酸酯与抗氧剂联合使用,来调控反应速率,抑制副反应的发生。而这种催化剂存在易水解失活、反应速率反应控制、催化剂与抗氧剂相互抑制活性、产品颜色不稳定等诸多缺点和不足。本发明主要采用纳米负载的方式(以Ti(OR)4为原料,以二氧化硅、三氧化二铝和/或氧化锆为载体)先制备负载二氧化钛的纳米颗粒溶液,再加入含金属元素化合物(Na、Mg、Zn或者Al金属元素的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐)和稀土元素化合物(Nd、Dy、Sm、Ce、La或者Y的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐),最终获得新型复合纳米级钛系催化剂,引入稀土元素(Nd、Dy、Sm、Ce、La或者Y),通过优化催化剂的制备工艺(先20~80℃反应1-4小时,再在50~150℃条件下反应2~8小时),获得催化性能稳定、抗水解、催化活性高、副反应少、产品颜色稳定的纳米稀土催化剂。使用该催化剂制备的聚酯色相好、分子量高、分子量分布窄、性能稳定,可广泛用于PBS、PBAT、PBSA、PBST、PBT等各种聚酯的工业生产中。
在本发明中,PBS系列合成方法如下:第一步在常压下将丁二酸或己二酸或对苯二甲酸、丁二醇和催化剂一同加入反应釜进行酯化反应,反应温度200~250℃,反应时间为2~5小时,得到酯化物。第二步对反应系统抽真空至50~200Pa,反应温度为200~250℃,进行缩聚反应,反应时间为2~5小时,得到PBS系列聚酯产品。
在本发明中,PBS系列聚酯产品的分子量、端羧基、力学性能通过以下方法测试:
(1)分子量:称取0.5样品,溶于色谱级氯仿溶液中,采用GPC(waters 1515)进行分子量测试。
(2)端羧基:称取0.5g样品,溶于苯酚-氯仿溶液中,采用电位滴定仪(梅特勒T50)滴定,滴定液为0.01mol/L的氢氧化钾-苯甲醇溶液。
(3)力学性能:拉伸性能采用力学试验机测试(Instron 5960),拉伸速度为50mm/min。
本发明的有益效果如下:
本发明方法制备所得纳米钛系稀土复合催化剂为液相纳米颗粒悬浮溶液,可与丁二醇、乙二醇等溶剂互溶,纳米颗粒粒径为40~200nm。该催化剂具有较好的抗水解性、光稳定性,可以长期保存,其在聚酯、共聚酯尤其是可降解聚酯合成中应用广泛。尤其在PBS系列聚酯合成中,可将该催化剂直接加入合成原料中,用于聚酯酯化和缩聚过程,催化加添加量为50~100ppm(钛含量与所加羧酸质量比)。该催化剂可以单独使用,不需要加抗氧化剂、热稳定剂。在PBS系列聚酯合成过程中,催化效率高、所产生的副产物THF(四氢呋喃)低、反应稳定、真空系统稳定,合成的PBS系列产品颜色色泽白、有光泽、分子量高、分子量分布窄、端羧基低、产品机械性能高。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1-6:纳米钛系稀土复合催化剂的合成
实施例1
在三口烧瓶中加入50g丁二醇,加入钛酸四丁酯(0.1mol),纳米二氧化硅(0.01mol),搅拌混合均匀,在搅拌下(50rpm/min)将乳酸溶液(0.3mol)缓慢滴加至三口烧瓶的混合物中,控温在50℃直至乳酸滴完。,升温至80℃,直至无馏出液为止,加入氯化镁(0.01mol)及醋酸镝(0.02mol),继续搅拌控温至90℃反应2~8小时,去除小分子,得到纳米钛系稀土复合催化剂A。
实施例2
在三口烧瓶中加入50g无水乙醇,加入钛酸四乙酯(0.1mol),纳米三氧化二铝(0.02mol),搅拌混合均匀,在搅拌下(50rpm/min)将柠檬酸-乙醇溶液(0.3mol)缓慢滴加至三口烧瓶的混合物中,控温至50℃反应1~4小时,直至柠檬酸-乙醇溶液滴加完毕。再加入硬脂酸钠(0.02mol)及硬脂酸钕(0.02mol),升温至100℃反应2~8小时,去除小分子,得到纳米钛系稀土复合催化剂B。
实施例3
在三口烧瓶中加入50g异丙醇,加入钛酸四丙酯(0.1mol),正硅酸乙酯(0.015mol),搅拌混合均匀,在搅拌条件下(50rpm/min)将苹果酸-异丙醇溶液(0.4mol)缓慢滴加至三口烧瓶的混合物中,控温30℃直至滴完。加入50ml丁二醇溶液,升温至90℃,直至无馏出液为止,加入醋酸铝(0.01mol)和醋酸钕(0.02mol),继续搅拌控温100℃反应2~8小时,去除小分子,得到纳米钛系稀土复合催化剂C。
实施例4
在三口烧瓶中加入50g无水甲醇,加入钛酸四甲酯(0.1mol),正硅酸乙酯(0.02mol),搅拌混合均匀,在搅拌条件下(50rpm/min)将醋酸-甲醇溶液(0.1mol)缓慢滴加至三口烧瓶的混合物中,控温60℃直至滴完。加入50ml丁二醇溶液,升温至100℃,直至无馏出液为止,加入醋酸锌(0.02mol)和醋酸镧(0.02mol),继续搅拌控温100℃反应2~8小时,去除小分子,得到纳米钛系稀土复合催化剂D。
实施例5
在三口烧瓶中加入50g异丙醇,加入钛酸二丙酯(0.05mol)和钛酸四丁酯(0.05mol),纳米二氧化硅(0.01mol),搅拌混合均匀,在搅拌条件下(50rpm/min)将盐酸-异丙醇溶液(0.05mol)缓慢滴加至三口烧瓶的混合物中,控温60℃直至滴完。加入50ml丁二醇溶液,升温至90℃,直至无馏出液为止,加入氯化锌(0.01mol)和氯化铈(0.02mol),继续搅拌控温100℃反应2~8小时,去除小分子,得到纳米钛系稀土复合催化剂E。
实施例6
在三口烧瓶中加入50g丁二醇,加入钛酸四丁酯(0.05mol)和钛酸四乙酯(0.05mol),纳米二氧化锆(0.01mol),搅拌混合均匀,在搅拌条件下(50rpm/min)将盐酸-丁二醇溶液(0.05mol)缓慢滴加至三口烧瓶的混合物中,控温60℃直至滴完。加入50ml丁二醇溶液,升温至90℃,直至无馏出液为止,加入硬脂酸锌(0.01mol)和硬脂酸钕(0.02mol),继续搅拌控温100℃反应2~8小时,去除小分子,得到纳米钛系稀土复合催化剂F。
实施例7-20:采用纳米钛系稀土复合催化剂合成PBS聚酯和PBAT共聚酯
实施例7-13:在三口烧瓶中加入丁二酸(0.1mol)、丁二醇(0.12mol)、按照表1中顺序加入催化剂50ppm(钛和成品质量比)升温至220℃,反应时间为3小时,完成酯化过程。升温至240℃,抽真空至150Pa以下,进行缩聚反应,反应4小时,得到PBS聚酯产品。
表1.不同催化剂合成PBS(聚丁二酸丁二醇酯)产品的性能
由表1中数据可以得出,在使用纳米钛系稀土复合催化剂合成PBS时,在相同缩聚时间内,分子量具有明显的上升趋势,材料的力学性能也得到大幅度提高,分子量分布变窄,PBS颜色白,丁二醇产生的四氢呋喃量明显降低,说明副反应少、反应底物转化率增高、催化剂催化反应向正方向进行效率提高。
实施例14-20:在三口烧瓶中加入对苯二甲酸(0.045mol)、己二酸(0.055mol)丁二醇(0.12mol)、按照表2中顺序加入催化剂50ppm(钛和成品质量比)升温至220℃,反应时间为3小时,完成酯化过程。升温至240℃,抽真空至150Pa以下,进行缩聚反应,反应4小时,得到PBAT共聚酯产品
表2.不同催化剂合成PBAT(聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯)产品的性能
由表2中数据可以得出,在使用纳米钛系稀土复合催化剂合成PBS时,在相同缩聚时间内,分子量具有明显的上升趋势,材料的力学性能也得到大幅度提高,分子量分布变窄,PBAT颜色白,丁二醇产生的四氢呋喃量明显降低,说明副反应少、反应底物转化率增高、催化剂催化反应向正方向进行效率提高。
实施例21-27:在三口烧瓶中加入对苯二甲酸(0.1mol)、丁二醇(0.12mol)、按照表3中顺序加入催化剂50ppm(钛和成品质量比)升温至220℃,反应时间为3小时,完成酯化过程。升温至240℃,抽真空至150Pa以下,进行缩聚反应,反应4小时,得到PBT聚酯产品。
表3.不同催化剂合成PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)产品的性能
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下制备步骤:
1)将纳米载体在溶剂中以20~80℃条件下与钛系化合物共同反应1~4小时,反应过程中加入水解剂,制备得到负载二氧化钛的纳米颗粒分散液;所述钛系化合物为Ti(OR)4,R为1~10个碳原子的烷基;
2)在步骤1)制备得到的负载二氧化钛的纳米颗粒分散液中,加入一种或几种选自Nd、Dy、Sm、Ce、La或者Y的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐,以及加入一种或几种选自Na、Mg、Zn或者Al金属元素的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐在50~150℃条件下反应2~8小时,去除馏出物,制备得到液相纳米颗粒悬浮液,即为具有空间配位结构的纳米钛系稀土复合催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤1)中,所述纳米载体为二氧化硅、三氧化二铝和氧化锆中的一种或几种的混合物;所述二氧化硅为纳米二氧化硅颗粒;所述纳米载体的粒径为50~200nm。
3.根据权利要求1所述的一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤1)中,所述钛系化合物为钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、钛酸四乙酯、钛酸四甲酯中的一种或几种混合物;所述水解剂为水、乳酸、柠檬酸、苹果酸、醋酸和盐酸中的一种或两种混合物;所述溶剂为甲醇、乙醇、丁二醇、异丙醇和乙二醇中的一种或两种混合物。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤1)中,所述钛系化合物与纳米载体的摩尔比为30:1~5:1,钛系化合物与水解剂的摩尔比为1:2~1:0.1,钛系化合物与溶剂的摩尔比为1:1~1:10。
5.根据权利要求1所述的一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤2)中,所述负载二氧化钛的纳米颗粒与Na、Mg、Zn或者Al金属元素的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐的摩尔比为10:1~1:0.5。
6.根据权利要求1所述的一种纳米钛系稀土复合催化剂的制备方法,其特征在于:步骤2)中,所述负载二氧化钛的纳米颗粒与Nd、Dy、Sm、Ce、La或者Y的氯化物、醋酸盐或硬脂酸盐的摩尔比为10:1~1:0.5。
7.一种采用如权利要求1-6任一制备方法制备得到的纳米钛系稀土复合催化剂,其特征在于:含有液相纳米颗粒的悬浮液与丁二醇或者乙二醇溶剂互溶;所述液相纳米颗粒悬浮溶液中纳米颗粒粒径为40~200nm。
8.一种如权利要求7所述的纳米钛系稀土复合催化剂在聚酯、共聚酯合成中的应用。
9.根据权利要求8所述的纳米钛系稀土复合催化剂在聚酯、共聚酯合成中的应用,其特征在于:所述催化剂的用量为50-100ppm,按照催化剂中钛的含量与所加羧酸的质量比计算。
10.根据权利要求8所述的纳米钛系稀土复合催化剂在聚酯、共聚酯合成中的应用,其特征在于:所述催化剂单独使用,不需要与抗氧化剂和/或热稳定剂联合使用。
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