CN111936729B - 具有低烟雾和气味的高温热声屏障 - Google Patents

Abstract

公开了一种热障材料，其用于诸如汽车和其他车辆中的热屏蔽等应用。该热障材料是在Fordenier造纸机上由浆料制成的，该浆料的有机化合物含量极低，该有机化合物在暴露于高温时会引起烟雾和气味。公开了可以承受高达650℃的温度的第一热障材料，并且公开了可以承受高达1000℃的温度的第二热障材料，在每种情况下，该热障材料都可以承受其最高温度规格，同时产生极少量的烟雾和极低水平的难闻气味。而具有相似温度规格的现有技术的热障材料在相同温度会产生许多倍的烟雾和难闻气味，并且会产生更长时间。

Description

具有低烟雾和气味的高温热声屏障

技术领域

本公开总体上涉及热屏蔽屏障，并且更具体地涉及用作汽车和其他工业中的热屏蔽的高温屏障。本公开还涉及还具有吸声特性的高温屏障。

背景技术

热屏蔽材料一直被用于汽车制造业，以屏蔽面板、电子设备、布线和其他部件免受相邻的热表面(如排气歧管或催化转化器)的热量影响。近年来，提高的发动机效率和提高的排放标准导致更高的发动机和排气系统温度。结果，与过去相比，现代车辆中发动机的某些部件，尤其是排气系统，在运行中可能会显著更热。例如，有时会在催化转化器中有意燃烧排气流中未燃烧的汽油，因此与旧技术相比，会增加转化器外表面的温度。必须保护周围的面板和部件不受此热量的影响。

车辆中的传统热屏蔽和热障通常具有三层结构，包括夹在两个镀铝钢板之间的绝热材料。随着温度升高，这些传统的热屏蔽开始表现出各种问题和缺点。例如，一些原始设备制造商(OEM)已收到客户投诉，抱怨在新车的初始运行过程中，在车厢中检测到伴随着烟雾的类似篝火的气味。气味和烟雾的根本原因通常被确定是由热屏蔽的热障材料中的有机成分如粘合剂和纤维素纤维的烧毁引起的。

要求车辆更安静也导致需要更好的吸声。对吸声的需求很大程度上是在排气系统的热表面所处的车辆地板下面。这带来挑战，因为吸声材料并不总是能够承受车辆排气部件附近存在的高温。这是需要解决的相关问题。

因此，需要一种能够解决现有技术的传统热障在暴露于现代车辆中的高温时遇到的着火、冒烟和难闻气味的问题的热障材料。还需要一种在高温区域中还具有吸声特性的热障。这些热和吸声材料应当可以在传统的造纸机上生产，并且应当可以模塑成所需的形状而不会失去其完整性。本发明主要致力于提供解决这些和其他需求的热声屏障材料。

发明内容

简而言之，提供一种高温热障材料，其能够承受高达1000℃的温度而不会产生大量的烟雾和难闻气味。该材料在传统的造纸或Fordenier机器上制成片状，并且可以在其完全干燥之前或之后形成所需的形状和构造。在用于较低温度环境的一个实施例中，该屏障材料彰显出长时间承受650℃(1112°F)的温度而不会燃烧、产生烟雾或散发出难闻气味的能力。该实施例在本文中将被称为TI650实施例。在另一实施例中，该屏障材料彰显出承受1000℃(1832°F)的温度而没有这些不良效果的能力。该实施例在本文中称为TI1000(TI1K)实施例。

在另一实施例中，该热障材料结合到吸声材料的一侧以形成热声屏障。在热屏蔽中，该热障被定向为使得其面对热表面，如催化转化器表面，该吸声材料背离热表面。该热障的导热系数低，使得热量不容易传递到吸声材料。因此，该吸声材料受到保护免受该热量影响，并且起到吸收声音的作用，否则该声音可能会渗透到车厢中。结果是使车辆更安静更凉爽，其中面板、布线和其他部件均不受排气系统的高温影响。

还公开一种形成所述高温热声屏蔽的方法。简而言之，该方法包括在吸声材料的表面上散布一层浆料形式的热障材料，以形成分层的热声复合材料。可以在热障材料散布在吸声材料的表面上之前对吸声材料进行打孔。热障材料流入孔中，并将两层材料牢固地结合在一起。然后将热障材料在造纸机中脱水并干燥。最后，热声材料可以形成为特定的期望构造以适合于指定区域，并且夹在镀铝金属板之间，以用于支撑、耐用性和热反射。

通过阅读下面结合附图所作的详细描述，将更好地理解本发明的这些和其他方面、特征和优点，这些附图将简要描述如下。

附图说明

图1是体现本发明原理的平板形式的热声屏障的立体图。

图2是图1的屏障的立视图，示出了屏障的分层结构。

图3是从相对侧看到的热声屏障的立体图。

图4是设计用于测试热声屏障的热障材料的冷成形性的测试装置的照片。

图5是根据图3的方法形成的热障材料的杯状件的照片，并进行了加热和断裂测试。

图6是示出并排测试现有技术的热障和本发明的热障在加热时的烟雾和难闻气味的排放的照片。

图7是示出图5中所示的烟雾和难闻气味测试的结果的图表。

图8是示出并排测试现有技术的热障和本发明的热障加热时的着火点的照片。

图9示出说明并排测试现有技术的热障和本发明的热障的热导率(热图)的结果的图表和相关曲线图。

图10是示出并排测试现有技术的热障和本发明的热障在加热时产生的气体的毒性的结果的图表。

图11是汇总对本发明的TI1000热障和具有类似性能规格的现有技术的热障进行的各种测试的结果的总结图表。

图12是汇总对本发明的TI650热障和具有类似性能规格的现有技术的热障进行的各种测试的结果的总结图表。

具体实施方式

现在将更详细地参考附图，其中在所有附图中，相同的附图标记指示相同的部分。图1示出以一种优选形式体现本发明原理的热声屏障。热声屏障16包括结合到吸声层18的高温热障层17。本文所用的术语“高温”是指在现代发动机和排气系统的热表面附近遇到的温度。这种温度通常在650℃至1000℃(1112°F和1832°F)之间，但在某些情况下可能会更低或更高。高温热障层17的配制和制造如下所述，以承受高温，同时产生极低的(与现有技术相比)烟雾和极低的气味强度和难闻度。

吸声层18的一侧固定到热障层17。吸声层18可以通过任何适当的方式固定到热障层，例如用粘合剂。图2和图3中示出了将层固定在一起的一种优选方法。图2示出吸声层朝上的热声屏障16，图3示出该热声屏障的横截面。在该实施例中，吸声层18被冲压以形成延伸穿过吸声层的多个孔19。

首先将热障层17以浆料的形式施加到吸声层18的朝上的表面上。浆料部分地流入孔19中，如图2中最清楚地示出的那样。当优选地使用Fourdrinier或其他类型的造纸机对浆料进行脱水和干燥时，孔19中的热障材料干燥并通过机械结合将热障层18和吸声层17锁定在一起。

吸声层18可以由在声音进入车辆的车厢之前执行吸收声音的功能的任何材料形成。在优选实施例中，吸声层18由无纺玻璃纤维吸声材料制成，例如可从俄亥俄州托莱多的欧文斯·康宁公司和其他供应商那里购得的材料。可能适合于吸声层的其他可能材料包括但不限于棉和有机吸声垫、二氧化硅纤维垫和吸声泡沫等。

尽管在图1和图2中热声屏障被显示为平板或瓦片，但是应当理解，在使用中，该屏障通常被成形为适合于热表面(如催化转化器)和车辆的地板之间的特定紧密空间。此外，热声面板可以粘附到成形的镀铝金属板的一侧或夹在两个金属板之间，这两个金属板可以被压制成所需的形状并且还可以用作热反射器。因此，该说明性实施例中所示的平板或瓦片并不旨在限制本发明，而仅以简单且易于理解的形式示出屏障的分层构造。

如下所述，通过实验发现，现有技术的热障(消费者抱怨的)经常产生的烟雾和难闻气味是由存在于这些屏障的材料中的有机粘合剂和其他有机化合物的烧毁引起的。相反，与现有技术的热障相比，用于制造本发明的热障的材料的有机化合物和粘合剂的含量非常低。在一个优选实施例中，本发明的热障可以如下制备。

制备热障

下面的表1示出用于制备本发明的热障的配料，并且针对每种配料，示出要在造纸机中制成热障的浆料中所使用的该配料的重量百分比。

表1

使用碎浆机将表1中除了玄武岩纤维之外的纤维和粘土与水(在7至50℃之间)混合成浆料。为了保持玄武岩纤维的长度，可将其直接添加到混合箱中，并将其均匀化到混合料中，以避免碎浆机中产生的剪切力。然后加入乳胶并沉淀到纤维和填料上。所得浆料散布在传统的Fourdrinier造纸机的湿端的传送带上，形成湿的纤维网。如果要将热障与吸声障壁结合在一起，则可以将浆料散布在吸声材料的薄板上，该薄板可以被制备有孔，以利于将两层结合在一起。在机器中，将湿网脱水并干燥。然后可以将所得的网切成所需的形状，并且根据需要模制成型，以适合于要使用的区域。

测试

下面描述的大多数测试是根据相应的既定行业方法(通常为ASTM标准)进行的。然而，由于难闻气味测试的主观性质，开发了量化由现有技术的热障材料和本发明的热障材料产生的气味的强度和难闻度的内部测试方法。还对已知会产生难闻气味的化学物质的存在进行了客观测试。另外，使用历来用于评估热屏蔽隔热材料的各种导热性质的内部测试方法进行热屏蔽测试。下面详细描述这些测试。

1.冷成形性和振动测试

图4和图5示出用于测试根据上述方法制造的热障材料的冷成形性的装置。根据测试方法WI-TP-033_0进行测试。测试了TI650和TI1000(TI1K)实施例的热障材料。针对每种材料，从片材上冲切(die-cut)该材料的圆形样品23，并将其放置在压机22的砧座上的球形凹陷上。然后将球形冲头24压在样品上，直到将样品推入凹陷中，从而将样品模制成碗形构造。

在如上所述将每个样品模制成碗形之后，将其在炉中加热至400℃30分钟，然后将其放在台式振动器26(图5)中放置5分钟。未被模制的平的冲切样品也以这种方式被加热和振动。该测试试图模拟材料在汽车中使用时可能经历的受热和振动。如果样品在受热和振动后破碎成几片或显示出大的分离，则该材料可能在商用热屏蔽的碰撞成形期间或者在正常使用期间破裂或破碎。如图11的总结测试结果图表中所示，针对TI650材料的测试表明没有裂纹，并且在如上所述加热和振动之后样品保持完好无损。观察到TI1000材料显示出一些小裂纹，但是在加热和振动之后样品仍保持完好无损。结论是本发明的热障材料表现出可接受的冷成形性性质。

为了确定与现有技术的热障材料相比由粉化(dusting)引起的质量损失，测试了本发明的冲切和冷成形的热障样品以及现有技术的热障材料的样品。在每种情况下，将样品称重，加热到400℃30分钟，放在台式振动器中5分钟，然后再次称重。重量的损失是由于在加热和振动过程中材料从样品粉化而造成的。图5a示出这些测试的结果。可以看出，对于所测试的三个现有技术的样品，由粉化导致的总重量损失(冲切样品的损失加上冷成形样品的损失)在0.65％和1.04％之间。对于这些现有技术的热障材料中的每一种，冲切样品的损失都明显小于冷成形样品的损失。

与之形成鲜明对比的是，在相同的测试条件下，TI1000热障样品由粉化造成的总重量损失仅为0.14％，其中该损失的大约一半(0.06％)是由冲切样品的损失造成的。对于本发明的TI650样品，总重量损失仍仅为0.14％，但是该损失的大部分(0.12％)是由冲切样品的粉化损失造成的。在测试期间，冷成形的样品仅损失其重量的0.02％。结论是，根据本发明形成的热障表现出与所测试的现有技术的热障相比，由粉化造成的重量损失少很多。

2.烟雾和难闻气味测试

图6和图7示出对本发明的热障材料在高温产生烟雾和难闻气味的主观测试。如上所述，消费者的抱怨集中在现有技术的这一令人不快的方面。对于该测试，将实验室热板29加热至400℃。将现有技术的热障材料的样品28放置在热板29上，并用重物33压住。然后，由专注该样品随着温度升高产生的气味的小组成员观察该材料。小组成员对样品在5分钟内产生的气味的强度和难闻度进行评级。然后将小组成员的所有答复制成表格。

对根据本发明制备的TI1000(TI1K)热障样品29的样品和具有类似规格的现有技术的热障进行了相同的测试。小组成员再次对样品产生的气味的强度和难闻度进行评级，就像对现有技术的样品28所做的那样。在图7的图表36中示出该测试的结果，该图表绘制了等级评定与时间的测试结果。可以看出，现有技术的热障材料39产生的气味强度等级在0.5分钟至2分钟之间为4至5之间，然后在2.5分钟之后缓慢地稳定为大约1。在测试进行至第2分钟之前，这些气味的难闻度40的等级甚至更高达到6，然后到第4分钟缓慢降至1。

与之相反，在整个测试过程中，根据本发明制备的TI1000(TI1K)和TI650样品产生的气味强度38、42的等级非常低，仅略高于零。刚开始时，这些样品的气味难闻度37、41的等级在1至1.5之间，在测试进行到一分钟时逐渐下降到仅略高于零。因此，根据本发明制备的热障显示出在高温产生的气味的强度和难闻度与现有技术的热障产生的气味相比大幅减少。

除了这些主观测试之外，外部实验室还委托进行了客观的气味评估。该实验室测试了当如上所述加热时从现有技术的热障材料的样品和根据本发明制备的热障材料的样品中释放的气体。使用气相色谱(GC)和质谱(MS)技术来确定1-丁醇和二甲氧基甲烷的存在，此二者被大多数人认为是与难闻气味有关并指示难闻气味。

从图11的总结图表可以看出，现有技术的样品被确定为产生百万分之4.58(ppm)的1-丁醇，而本发明的样品产生的1-丁醇少于3ppm，少于1ppm，并且在该测试中，未检测到1-丁醇。对于二甲氧基甲烷，现有技术的样品产生的为190ppm，而本发明的样品产生的小于100ppm，小于50ppm，具体地是42.6ppm。这样的水平被认为表示人类觉得气味的难闻水平低。

图12示出TI650热障样品与对比的现有技术的样品的相同数据。现有技术的样品产生6.14ppm的1-丁醇，而TI650样品产生的1-丁醇小于4ppm，小于2ppm，并且在该特定测试中，没有1-丁醇。现有技术的样品产生224ppm的二甲氧基甲烷，而本发明的TI650样品产生的二甲氧基甲烷小于150ppm，小于100ppm，并且在该特定测试中为55ppm。这样的范围被认为表示少量的难闻气味。该客观测试支持主观测试的结论，即本发明的热障在加热时产生的难闻气味比现有技术少得多。

还测量了本发明的屏障产生的烟雾的密度。针对TI650和TI1000(TI1K)样品测量的密度均小于5g/cm³，小于2g/cm³，更具体地说，测量为大约0.88g/cm³。这样的烟雾密度被认为几乎不可检测。如图6中所示，该图示出现有技术的样品28和TI1000(TI1K)样品29并排在400℃的热板27上，TI 1000样品29产生的烟雾32的密度远小于现有技术的样品28产生的烟雾31的密度。结论是，本发明的高温热障材料在加热到高温时产生的烟雾可忽略不计，而现有技术产生被消费者抱怨的大量烟雾。

3.冲击(shock)火焰测试

测试了现有技术的热障材料和本发明的TI1000(TI1K)热障材料，以确定它们在高温时着火的趋势。这两种产品具有1000℃的相似最高温度规格。图8中示出了测试装置。将炉43预热至650℃，然后在将2英寸乘6英寸的现有技术的样品和2英寸乘6英寸的TI000(TI1K)热障样品46放入炉中。炉壁中的观察孔允许目视确定火焰点和烟雾的产生，如果有的话。在炉中短暂的时间之后，如图8中所示，现有技术的热障样品44着火并开始燃烧45。这被认为是屏障的灾难性失效。本发明的TI1000(TI1K)热障样品46在650℃不着火。实际上，随后在其1000℃的设计温度测试了TI1000(TI1K)热障46，并且也没有着火或失效。

类似地，使用相同的程序测试了现有技术的热障材料和本发明的TI650热障材料的着火性。这两种产品具有650℃的相似最高温度规格。同样，将两个样品置于预热至650℃的炉中并观察。如图12的照片中所示，现有技术的样品在该温度着火并失效，而本发明的TI650样品没有。

4.热图测试

测试了现有技术的热障和本发明的热障，以确定材料的热导率。该测试有时称为热图测试，是根据ASTM标准F433进行的。在该测试中，将目标样品直接置于预热到400℃的热板上。使用红外温度计绘制样品顶部(暴露)侧的温度上升图。针对现有技术的热障材料、本发明的TI650屏障和本发明的TI1000屏障中的每一个的厚度为0.8mm和1.0mm的样品进行了测试。结果示于图7中，其中右侧的图表用曲线示出了现有技术的热障到其暴露面的热传导明显大于本发明的TI650或TI1000样品。对于0.8和1.0mm厚度的样品都是如此。

图9中在左侧用数字示出了测试结果。对于0.8mm厚的样品，现有技术的样品的暴露面温度升高到324℃，而TI650和TI1000样品的暴露面温度仅分别升高到313℃和304℃。类似地，对于1.0mm厚的样品，现有技术的样品的暴露面升高至323℃，而IT650和TI1000样品的暴露面分别升高到312℃和289℃的温度。这些结果表明，现有技术的热障材料的热导率(热K)为0.188，而本发明的热障的TI650材料的电导率为0.114，TI1000材料的电导率为0.095。结论是，本发明的热障具有比现有技术低得多的热导率，并且从一个表面到相对的表面传递更少的热量。

5.所产生的气体的毒性测试

根据与火灾期间存在或产生的气体的测量有关的ASTM标准800，测试了现有技术的热障材料的样品和本发明的TI1000(TI1K)热障材料的样品。具体来说，收集这些样品在燃烧时产生的气体，并使用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析所产生的烟雾中含有的有毒化合物。该测试测量了以下化合物的存在：CO；CO₂；HCL；HCN；HBr；HF；NO；NO₂；和SO₂。除了一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)之外，没有任何有毒化合物存在。至于气体中的CO和CO₂水平，已确定并显示在图10的表中。可以看出，TI1000(TI1K)热障材料产生的CO量比现有技术的热障材料少8倍以上，而CO2则少13倍以上，具有实质性的重大改进。TI1000(TI1K)热障材料的样品产生的且根据ASTM 800标准测得的CO气体小于100ppm，小于50ppm，大约为46ppm。TI1000(TI1K)热障材料的样品产生的且根据ASTM 800标准测得的CO₂气体小于700ppm，小于600ppm，大约为599ppm。

6.测试总结

图11给出了TI1000热障材料样品的上述测试和其他测试的比较结果的表。还示出了具有类似性能规格的现有技术的热障材料样品的相同测试的结果。现有技术样品的结果显示在第4列中，而本发明的TI1000样品的结果显示在第5列中。首先，使用所指出的ASTM标准测量每个样品的尺径(厚度)和密度。确定现有技术样品的齿径为0.80mm，确定其密度为1.15g/cm³。与之相比，本发明的TI1000样品的齿径为0.857mm，密度为0.90g/cm³。两个样品的厚度和密度非常相似。

根据SAE J369测试标准，对两个样品进行了水平火焰蔓延测试。在该测试中，将每个样品以水平定向悬挂，并在样品的一端下方放置本生灯。如果样品着火并且火焰未自熄，则将观察到的火焰蔓延速率制成表格。在该测试中，现有技术样品未着火(DNI)，TI1000热障样品也未着火。

使用Armstrong静态压痕机，根据ASTM F36K标准对两个样品进行了压缩/恢复测试。该测试测量了材料吸收压缩力的能力，并且测量了测量材料被压缩后恢复其原始齿径的能力。测量了样品的厚度，然后使样品经受足以压缩该材料的极限载荷，持续指定时间。然后除去载荷，使材料部分地回弹至其原始厚度。然后测量最终厚度。回弹厚度除以原始厚度代表以百分比表示的压缩/回弹测量值。更大的回弹是所期望的。在这些测试中，现有技术的样品回弹了16/28或57％，而本发明的样品回弹了20/27或74％，因此，本发明的热障与现有技术的热障更能耐受压缩载荷。

根据上述程序测量了每个样品的热导率。在图11的总结图表中再次列出该结果。

图12给出了TI650热障材料的样品的上述测试和其他测试的比较结果的表。还示出了具有类似性能规格的现有技术的热障材料的样品的相同测试的结果。与TI1000样品的测试一样，在第4列中示出了现有技术样品的结果，在第5列中示出了本发明的TI650样品的结果。从图12可以看出，几乎在每个测试中，根据本发明制备的TI650样品均明显优于现有技术的样品。

本文已经就发明人认为代表实施本发明的最佳方式的示例性实施例描述了本发明。然而，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对示例性实施例进行各种细微和粗略的添加、删除和修改，本发明的精神和范围仅由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于与排气系统表面隔开的车辆屏蔽部件中使用的热障材料，包括：层状硅酸铝粘土、水合硅酸铝、水合硅酸镁、层状硅酸盐、硅酸镁、氢氧化铝、铝硼硅酸盐玻璃、岩棉、玄武岩纤维、丙烯酰胺共聚物凝聚剂、丙烯酸乳胶、烷氧基化脂肪醇和阴离子型聚丙烯酰胺，

其中所述热障材料的样品在暴露于400℃的温度时产生的烟雾具有测得的小于5g/cm³密度。

2.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品在暴露于400℃的温度时产生的烟雾具有测得的小于2g/cm³的密度。

3.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品在暴露于400℃的温度时产生的烟雾具有测得的大约0.88g/cm³的密度。

4.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的小于4ppm的1-丁醛气体。

5.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的小于3ppm的1-丁醛气体。

6.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的小于2ppm的1-丁醛气体。

7.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的小于1ppm的1-丁醛气体。

8.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)检测不到的1-丁醛气体。

9.根据权利要求8所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的小于150ppm的二甲氧基甲烷气体。

10.根据权利要求8所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的小于100ppm的二甲氧基甲烷气体。

11.根据权利要求10所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的大约为55ppm的二甲氧基甲烷气体。

12.根据权利要求8所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的小于50ppm的二甲氧基甲烷气体。

13.根据权利要求12所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生通过气相色谱(GC)和质谱(MS)测得的大约为42.6ppm的二甲氧基甲烷气体。

14.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生根据ASTM 800标准测得的少于100ppm的CO气体。

15.根据权利要求14所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生根据ASTM 800标准测得的少于50ppm的CO气体。

16.根据权利要求15所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生根据ASTM 800标准测得的大约46ppm的CO气体。

17.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生根据ASTM 800标准测得的少于700ppm的CO₂气体。

18.根据权利要求17所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生根据ASTM 800标准测得的少于600ppm的CO₂气体。

19.根据权利要求18所述的热障材料，其中所述热障材料的样品还产生根据ASTM 800标准测得的大约599ppm的CO₂气体。

20.根据权利要求1所述的热障材料，其中所述热障材料的样品在炉中暴露于650℃的温度时不会着火。

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