CN110343286A - 一种聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子材料技术领域,公开了一种聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫及其制备方法与应用。本发明制备方法包括以下步骤:将BD、SA和催化剂混合后,加热反应,然后加入DHPPO‑K的1,4‑丁二醇溶液并抽真空升温反应,再加入异氰酸酯扩链剂继续反应,制得PBSI‑K,再将PBSI‑K压制成薄片,与超临界二氧化碳混合后进行发泡得到聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫。本发明成功克服了PBS难发泡的不足,最终得到具有高压缩强度及本征导热的微孔发泡材料,该生产过程不产生废气废料,环境友好,保证了产品质量,制备得到了泡孔尺寸小、高泡孔密度、高发泡倍率的微孔发泡材料。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域,特别涉及一种聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫及其制备方法与应用。
背景技术
来源于石油基的一次性塑料制品废弃后引起的环境污染和资源的浪费日益引起全人类的关注,来源于生物基质的生物降解塑料诸如聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)以及改性芳香族聚酯(PBAT)等综合性能良好,是替代传统塑料,如聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等应用于泡沫塑料、薄膜等塑料制品的最佳选择。
泡沫塑料是以树脂为主要原料,以气体或者是发泡剂为填充,在其熔点或者软化点附近进行物理/化学发泡,从而获得内部具有许多微小气孔或者气囊的一类塑料制品。它具有质轻、优异的隔热性能、隔音降噪、可吸收冲击载荷、耐腐蚀性强等优点,广泛用做隔热、隔音、包装材料及轻量化的交通工具等。当这类型发泡塑料的泡孔直径小于10μm,泡孔密度大于109cells/cm3,即称为微孔泡沫塑料,具有更好的吸能、隔音、力学性能等特点,微孔发泡塑料在减少塑料用量的同时依然能够满足对物理性能的要求。随着航天航空、军事、医学等领域对塑料泡沫性能要求的不断提高,传统泡沫因其在物理强度、刚度以及耐热性能的不足,微孔泡沫塑料的高性能化成为研究的热点。
超临界CO2作为发泡材料的气体助剂能够起到良好的增塑作用,这有利于发泡材料微孔的形成。同时其具有成本低廉、易于操控、绿色环保等优点,成为广泛使用的替代发泡剂。
聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的分子结构单元是由亚甲基和酯键组成,这种柔顺结构也使得PBS链段彼此纠缠作用小,分子间作用力仅以范德华引力存在,因此熔体强度低。PBS在自然状态下能够逐渐被微生物完全分解,与目前常见的几种可生物降解塑料相比,PBS的生产成本较低,同时具有良好的力学性能。在堆肥等环境下,PBS塑料制品,如泡沫和薄膜制品能被自然界微生物分解成二氧化碳和水,从而可以有效地消除一次性塑料制品丢弃而造成的“白色污染”问题。遗憾的是,由于PBS熔体强度低,因此当其用于吹膜或者发泡等热塑成型加工时,容易熔体破裂,难以获得力学性能良好、泡孔直径小、发泡密度高的塑料制品,因此尚未有商品化的PBS微孔泡沫制品面世。
使用扩链剂或者交联剂提高PBS的分子量是改善PBS发泡性能的常用方法。Li等(Journal of Applied Polymer Science,2015,127:3586-3594)使用过氧化二异丙苯为交联剂进行发泡得到了具有闭孔结构的泡沫,但其泡孔孔径大多超过100微米,Lim等(Macromolecular Research,2008,16:218-223)使用HDI三聚体作为交联剂,得到的PBS泡沫发泡倍率最高可达19倍。
共混或添加成核剂是提高PBS发泡性能的另一种方法。Maria等(Journal ofApplied Polymer Science,2015,132)使用热塑性凝胶与PBS进行共混,使用超临界二氧化碳作为发泡剂得到了更小泡孔尺寸的泡沫。Kuang等(Composites Science andTechnology,2018,159:171-179)使用碳纳米管与PBS共混发泡得到了具有高电导率的泡沫。Lin等(Cellulose,2015,22:2629-2639)使用纳米微晶纤维素作为成核剂提高了PBS泡沫的力学强度。
中国专利公开文本CN102863747A制备的高强度环氧泡沫塑料密度在0.27g/cm2的压缩强度可达1.84MPa。但是高新技术领域对泡沫的综合性能要求不断提高,并且目前的泡沫强度略显不足,因此对于高压缩性能泡沫的需求不断增加。
发明内容
本发明的首要目的为提供一种聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法。
本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫。
本发明再一目的在于提供上述聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫在泡沫塑料中的应用。
本发明的目的通过下述方法实现:
一种聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,步骤如下:
将1,4-丁二醇(BD)、丁二酸(SA)和催化剂混合后,加热进行反应,反应结束后加入2,8-(2-羟基乙氧基)羰基蒽氧杂次磷酸钾(DHPPO-K)的1,4-丁二醇溶液并进行抽真空升温反应,反应结束后再加入异氰酸酯扩链剂继续进行反应,反应结束后即制得聚丁二酸丁二醇酯离聚物(PBSI-K),最后将聚丁二酸丁二醇酯离聚物与超临界二氧化碳混合后进行发泡即得到聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫。
所述丁二酸与1,4-丁二醇的摩尔比为1:1.05~1:1.55;优选为1:1.2。
所述催化剂为钛酸四丁酯,使用量为催化量即可;优选为丁二酸和1,4-丁二醇总质量的50~200ppm,优选为100ppm。
所述的加热反应为加热至120~180℃反应1~6h,优选为加热至150℃反应3h;
所述加热反应优选在气体保护下进行;其中气体为稀有气体和氮气中的至少一种。
所述DHPPO-K与丁二酸的摩尔比为1:100~10:100,优选为5:100;
所述DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液中DHPPO-K的浓度为0.1~0.5g/mL,优选为0.25g/mL。
所述DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液由以下方法制备得到:将2,8-二(甲氧基)羰基菲氧杂次磷酸(DMPPO-OH)与1,4-丁二醇混合均匀后,加入碳酸钾,然后加热搅拌得到混合溶液,再加热反应,得到DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液。
DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液的制备方法中,所述DMPPO-OH与碳酸钾的摩尔比为0.5~5:1,优选为2:1。
DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液的制备方法中,所述加入碳酸钾前,优选为先将体系预热至40~60℃,加速DMPPO-OH的溶解。所述加热搅拌为加热至40~60℃(温度优选为50℃),搅拌反应至无气泡产生。所述加热反应为将混合溶液静置于40~100Pa下并保持在40~70℃,反应至无二氧化碳气体产生;温度优选为60℃。所述加热反应后还包括纯化过程,具体为待溶液冷却后真空抽滤得到DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液。
所述抽真空升温反应为在800~1200Pa下升温至220~260℃反应2~8h;优选为在1000Pa下升温至210~240℃反应0.1~4h。
所述异氰酸酯扩链剂为甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和赖氨酸二异氰酸酯(LDI)中的至少一种;
所述异氰酸酯扩链剂的用量为丁二酸和1,4-丁二醇总质量的100~800ppm。
所述加入异氰酸酯扩链剂后继续反应具体为:加入异氰酸酯扩链剂后在原有反应条件下继续反应直至出现爬杆现象,然后结束反应;优选为加入异氰酸酯扩链剂后在原有反应条件下反应0.5~3h,然后结束反应。
所述PBSI-K在发泡前优选压制成薄片,具体为:将制备得到的PBSI-K置于70~90℃下真空干燥8~16h,模压得到0.5~3mm的薄片;优选为在80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片。
所述发泡具体为:采用一步卸压法将所得PBSI-K和超临界二氧化碳混合后在80~140℃和15~25MPa下保持1~4h,然后降温至50~110℃保持5~30min,然后卸压发泡,冷却至室温后得到聚丁二酸丁二醇酯离聚物微孔发泡材料。
所述发泡优选为采用一步卸压法在间歇式反应釜中,将所得PBSI-K和超临界二氧化碳混合后在120℃和20MPa下保持2h,然后降温至80℃,保持10min,然后卸压至常压发泡,冷却至室温后得到聚丁二酸丁二醇酯离聚物微孔发泡材料。
聚丁二酸丁二醇酯离聚物的磷离子含量为1~10mol%。
本发明未指明温度均为在室温下进行,所述室温为25~35℃。
一种由上述方法制备得到的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫。
上述聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫在泡沫塑料领域中的应用。
本发明在现有技术下,具有如下的优点及有益效果:
(1)由于离子基团和聚合物分子之间具有电荷吸引作用,分子间作用力提高,得到的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的熔体强度高于未经离子化改性的PBS。
(2)本发明的PBS泡沫材料多层次的微孔结构以及高闭孔率的特性赋予全生物降解PBS泡沫高压缩强度,其中密度仅为0.14g/cm2,压缩强度高达6.5MPa,大大提高了泡沫塑料的压缩性能,另外泡沫的导热性能得到了极大提高。
(3)全生物降解PBSI-K微孔泡沫具有高压缩强度,制备工艺简单、绿色环保,其泡孔结构具有多层次,泡孔达到微米级别,平均泡孔直径小于4μm,泡孔密度大(大于1010个/cm3)、发泡倍率高(最高达10倍),所得泡沫呈现闭孔形态,具有良好的压缩性能。
(4)通过调控发泡工艺参数,如温度、压力和饱和时间等,在低压下、低浸泡时间内就可以获得高发泡倍率的闭孔泡沫材料。
附图说明
图1为对比例1中PBS泡沫的泡孔形态的模型图。
图2为实施例1所得PBS离聚物泡沫的泡孔形态的模型图。
图3为实施例1得到的PBS离聚物泡沫的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
图4为实施例2得到的PBS离聚物泡沫的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
图5为实施例3得到的PBS离聚物泡沫的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
图6为实施例4得到的PBS离聚物泡沫的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
图7为对比例1得到的PBS泡沫材料的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细的的描述,但本发明的实施方式不限于此。
下述实施例中提到的试剂均可直接购买获得。
DMPPO-OH可根据文献Polymer Chemistry,2014,5(6):1982-1991制得。
本发明实施例中所用DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液均由以下方法制备得到:
DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液的制备流程:将0.01mol 2,8-二(甲氧基)羰基菲氧杂次磷酸(DMPPO-OH)与10mL1,4-丁二醇混合均匀,加入0.005mol碳酸钾后,在50℃下搅拌至无气泡产生得到混合溶液,再于100Pa下加热至60℃反应至无二氧化碳气体产生,得到浓度为0.25g/mL的2,8-(2-羟基乙氧基)羰基蒽氧杂次磷酸钾(DHPPO-K)的1,4-丁二醇溶液。
实施例1
在装有搅拌杆的500mL烧瓶中加入1mol丁二酸、1.2mol 1,4-丁二醇和催化剂钛酸四丁酯(催化剂的量为BD和SA总质量的100ppm),通入氮气置换气体四次。在氮气保护下,逐渐升温至150℃反应3h,用冷凝装置收集酯化反应产物水,3h后反应不再产生水。然后逐渐升温至240℃,关闭氮气,并加入含0.05mol的DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液(0.25g/mL)后抽真空,在1000Pa下反应4h后,加入丁二酸和1,4-丁二醇总质量500ppm的HDI,反应1h直至出现爬杆后结束反应,得到PBSI-K。
将制备得到的PBSI-K置于80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片。将所得PBSI-K薄片放入高压发泡釜中并密封,升温至120℃,待温度稳定后,通入超临界二氧化碳吹洗2分钟,关闭卸压阀,使二氧化碳压力为20MPa,恒温下保持2小时后通冷却水快速降温至80℃,在该温度下保持10分钟,快速卸压至常压,待高压釜冷却至室温后得到PBS离聚物泡沫。
图2为实施例1所得PBS离聚物泡孔形态的模型图。
图3为实施例1所得PBS离聚物泡沫的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
实施例2
将实施例1制备得到的PBSI-K置于80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片。将所得PBSI-K薄片放入高压发泡釜中并密封,升温至110℃,待温度稳定后,通入超临界二氧化碳吹洗2分钟,关闭卸压阀,使二氧化碳压力为20MPa,恒温下保持2小时后通冷却水快速降温至80℃,在该温度下保持10分钟,快速卸压至常压,待高压釜冷却至室温后得到PBS离聚物泡沫。
图4为实施例2得到的PBS离聚物泡沫材料的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
实施例3
将实施例1制备得到的PBSI-K置于80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片。将所得PBSI-K薄片放入高压发泡釜中并密封,升温至120℃,待温度稳定后,通入超临界二氧化碳吹洗2分钟,关闭卸压阀,使二氧化碳压力为15MPa,恒温下保持2小时后通冷却水快速降温至80℃,在该温度下保持10分钟,快速卸压至常压,待高压釜冷却至室温后得到PBS离聚物泡沫。
图5为实施例3得到的PBS离聚物泡沫材料的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
实施例4
将实施例1制备得到的PBSI-K置于80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片。将所得PBSI-K薄片放入高压发泡釜中并密封,升温至120℃,待温度稳定后,通入超临界二氧化碳吹洗2分钟,关闭卸压阀,使二氧化碳压力为20MPa,恒温下保持2小时后通冷却水快速降温至60℃,在该温度下保持10分钟,快速卸压至常压,待高压釜冷却至室温后得到PBS离聚物泡沫。
图6为实施例4得到的PBS离聚物泡沫材料的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
实施例5
在装有搅拌杆的500mL烧瓶中加入1mol丁二酸、1.2mol1,4-丁二醇和催化剂(钛酸四丁酯,用量为BD和SA总质量的100ppm),通入氮气置换气体四次。在氮气保护下,逐渐升温至150℃反应3h,用冷凝装置收集酯化反应产物水,3h后反应不再产生水。然后逐渐升温至240℃,关闭氮气,加入含0.01mol的DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液(0.25g/mL)后抽真空,在1000Pa下反应4h后,加入丁二酸和1,4-丁二醇总质量500ppm的HDI,反应1h到爬杆后结束,得到PBSI-K。
将制备得到的PBSI-K置于80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片。将所得PBSI-K薄片放入高压发泡釜中并密封,升温至110℃,待温度稳定后,通入超临界二氧化碳吹洗3分钟,关闭卸压阀,使二氧化碳压力为15MPa,恒温下保持2.5小时后通冷却水快速降温至70℃,在该温度下保持15分钟,快速卸压至常压,待高压釜冷却至室温后得到PBS离聚物泡沫。
实施例6
在装有搅拌杆的500mL烧瓶中加入1mol丁二酸、1.2mol1,4-丁二醇和催化剂(钛酸四丁酯,用量为BD和SA总质量的100ppm),通入氮气置换气体四次。在氮气保护下,逐渐升温至150℃,用冷凝装置收集酯化反应产物水,3h后反应不再产生水。然后逐渐升温至240℃,关闭氮气,加入含0.1mol DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液(0.25g/mL)后抽真空,在1000Pa下反应4h后,加入丁二酸和1,4-丁二醇总质量500ppm的HDI,反应到爬杆后结束(1h),得到PBSI-K。
将制备得到的PBSI-K置于80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片。将所得PBSI-K薄片放入高压发泡釜中并密封,升温至125℃,待温度稳定后,通入超临界二氧化碳吹洗2分钟,关闭卸压阀,使二氧化碳压力为18MPa,恒温下保持1.5小时后通冷却水快速降温至85℃,在该温度下保持20分钟,快速卸压至常压,待高压釜冷却至室温后得到PBS离聚物泡沫。
对比例1
将PBS(分子量28000)样品置于80℃下真空干燥12h,模压得到1mm的薄片,然后放入高压发泡釜中并密封,升温至120℃,待温度稳定后,通入超临界二氧化碳吹洗2分钟,关闭卸压阀,使二氧化碳压力为20MPa,恒温下保持2小时后通冷却水快速降温至80℃,在该温度下保持10分钟,快速卸压至常压,待高压釜冷却至室温后得到PBS泡沫。
图1为对比例1中PBS泡沫的泡孔形态的模型图。
图7为对比例1得到的PBS泡沫材料的SEM图;其中a为×1000,b为×5000。
对上述实施例中1~4制备得到的PBS离聚物泡沫和对比例1所得PBS泡沫进行压缩强度测试,结果列于表1。
对上述实施例中1~4制备得到的PBS离聚物泡沫和对比例1所得PBS泡沫使用SEM观察,并使用Image-Pro Plus 6图形处理软件计算出发泡材料的平均尺寸,泡孔密度和孔径分布,结果列于表2。
对上述实施例中1,5,6制备得到的PBS离聚物泡沫和对比例1所得PBS泡沫进行导热性能测试,结果列于表3。
表1实施例1~6和对比例1所得发泡材料在不同工艺下的压缩性能
表2实施例1~4和对比例1所得发泡材料泡孔统计
表3实施例1,5,6和对比例1所得发泡材料的导热率
由表1可知,DHPPO-K的添加使PBS离聚物泡沫的压缩强度显著提高,这是因为离子簇聚集形成的物理交联点数量增多,分子链运动纠缠点增加,因此增加了熔体的黏度,熔体流动受限,其中实施例1的发泡倍率和泡孔密度最高,同时泡孔孔径最小,泡孔开孔率最低(表2)。由此说明,本发明正是通过引入DHPPO-K离子单体和异氰酸酯扩链剂,并通过调控发泡温度、压力与时间等参数获得具有更高压缩强度以及高闭孔结构的PBS泡沫材料。
由图3~6的SEM图可以看出,改性泡沫材料的泡孔多数为狭长状的不规则五边形和六边形,在发泡方向上呈现明显的拉伸取向。这是因为熔体在水平方向上的运动受到模具限制,离子交联点使分子链在垂直方向上更容易伸展,因此呈现狭长的泡孔形态,图3b和图5b中箭头所指方向即为取向方向。如图1所示的泡孔形态模型图展现出了PBS离聚物泡沫多层次的泡孔结构,其高闭孔率和泡孔的规整排列赋予PBS离聚物高压缩强度。由表3可知,对PBS泡沫进行改性后,泡沫的导热率从34mW/m·k提高到了315mW/m·k(含0.05molDHPPO-K的PBSI-K泡沫),这是因为含0.05mol DHPPO-K的PBSI-K泡沫具有高的泡孔密度及取向的闭孔结构,因此具有更多的导热通路,导热能力大幅提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于,步骤如下:
将1,4-丁二醇、丁二酸和催化剂混合后,加热进行反应,反应结束后加入2,8-(2-羟基乙氧基)羰基蒽氧杂次磷酸钾的1,4-丁二醇溶液并进行抽真空升温反应,反应结束后再加入异氰酸酯扩链剂继续进行反应,反应结束后即制得聚丁二酸丁二醇酯离聚物,最后将聚丁二酸丁二醇酯离聚物与超临界二氧化碳混合后进行发泡即得到聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫。
2.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于:
所述丁二酸与1,4-丁二醇的摩尔比为1:1.05~1:1.55;
所述催化剂为钛酸四丁酯,使用量为催化量。
3.根据权利要求1或2所述的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于:
所述2,8-(2-羟基乙氧基)羰基蒽氧杂次磷酸钾与丁二酸的摩尔比为1:100~10:100;
所述2,8-(2-羟基乙氧基)羰基蒽氧杂次磷酸钾的1,4-丁二醇溶液中2,8-(2-羟基乙氧基)羰基蒽氧杂次磷酸钾的浓度为0.1~0.5g/mL。
4.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于:
所述的加热反应为加热至120~180℃反应1~6h;
所述抽真空升温反应为在800~1200Pa下升温至220~260℃反应2~8h。
5.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于:
所述异氰酸酯扩链剂为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和赖氨酸二异氰酸酯中的至少一种;
所述异氰酸酯扩链剂的用量为丁二酸和1,4-丁二醇总质量的100~800ppm;
所述加入异氰酸酯扩链剂后继续反应具体为:加入异氰酸酯扩链剂后在原有反应条件下反应至出现爬杆现象,然后结束反应。
6.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于:
所述PBSI-K在发泡前压制成薄片,具体为:将制备得到的PBSI-K置于70~90℃下真空干燥8~16h,模压得到0.5~3mm的薄片。
7.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于,
所述发泡具体为:采用一步卸压法将所得PBSI-K和超临界二氧化碳混合后在80~140℃和15~25MPa下保持1~4h,然后降温至50~110℃保持5~30min,然后卸压发泡,冷却至室温后得到聚丁二酸丁二醇酯离聚物微孔发泡材料。
8.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫的制备方法,其特征在于,所述DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液由以下步骤得到:
将DMPPO-OH与1,4-丁二醇混合均匀后,加入碳酸钾,然后加热搅拌得到混合溶液,再加热反应,得到DHPPO-K的1,4-丁二醇溶液;
所述DMPPO-OH与碳酸钾的摩尔比为0.5~5:1;
所述加热搅拌为加热至40~60℃,搅拌反应至无气泡产生;
所述加热反应为将混合溶液静置于40~100Pa下并保持在40~70℃,反应至无二氧化碳气体产生。
9.一种根据权利要求1~8任一项所述方法制备得到的聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫。
10.根据权利要求9所述聚丁二酸丁二醇酯离聚物泡沫在泡沫塑料中的应用。
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