CN112375200A - 一种低温低湿快速固化的聚氨酯组合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温低湿快速固化的聚氨酯组合物及其制备方法。该聚氨酯组合物包括聚氨酯预聚体P1、聚氨酯预聚体P2、聚氨酯预聚体P3、改性填料、炭黑、增塑剂、催化剂和粘接促进剂。本发明提供的聚氨酯组合物通过聚氨酯预聚体P1和改性填料及其它组分的配合可在低温低湿条件下快速固化,具有应用广泛,施工便利的优点。
Description
技术领域
本发明属于聚氨酯材料领域,更具体地,涉及一种低温低湿快速固化的聚氨酯组合物及其制备方法。
背景技术
聚氨酯的固化主要是含异氰酸酯基团的预聚体在一定温度、催化剂存在下与湿气反应、进行交联固化,其中温度和湿度对固化速度的影响是至关重要的。目前市面上的大多数聚氨酯胶在冬季低温低湿条件下固化速度会严重减弱,进而在很多场景限制了其应用。如主机厂的风挡玻璃的组装线,主机厂风挡玻璃的安装流程分为打胶、固定钉耙、打密封胶和拔钉耙,每个工艺都有严格的时间要求,如果在安装过程中固化速度跟不上,会导致玻璃下滑,钉耙无法及时去除的问题,影响节拍和产量;又如当汽车风挡玻璃出现破损更换玻璃时,正常的更换过程为安装人员先在玻璃上刷一层黑色底漆,再施聚氨酯粘接胶,然后扣在车框上,并在四周贴上胶带临时固定,等待一定时间才能开走,特别是大巴车玻璃的更换,由于玻璃面积大、质量重,换完玻璃后往往要放置一晚上,第二天才能开动,如果是在北方的冬季低温低湿的环境下作业,等待的时间将更长,这对安装人员和车主都是极为不便的。目前,主要通过如下方案来实现胶粘。
(1)利用双组分聚氨酯或者热熔性聚氨酯来快速实现定位;例如专利CN201680077711,CN201910198039公开了双组分型汽车用胶。但AB组分配合作业的方式对于玻璃维修,特别是户外汽车玻璃维修施胶是非常不便的,而且AB组分聚氨酯胶易混合不均匀,会影响胶的整体固化性能。
(2)利用单组份聚氨酯加热施工;US5367036,CN201680073740公开了单组分加热施工的快速实现初始强度的聚氨酯组合物,该方式主要是通过树脂从高温到低温的物理结晶提供初始粘接力,初始强度起来很快,但后期的化学交联速度无明显提高,也存在后期固化速度慢的问题,而且使用需提前加热,施工不方便。
(3)向单组分施胶的组合物中加入添加剂或调节组分用量来实现快速固化;例如CN200780008989,CN200810213869公开了以潜伏固化剂实现低温快速固化的聚氨酯组合物,尽管该专利使用的潜伏固化剂克服了绝大多数潜伏固化剂气味大的问题,但还是难易满足汽车对TVOC和气味的要求,而且制备潜伏固化剂工艺复杂,成本高;专利CN200580014891.5公开了通过催化剂比例和结晶聚酯含量实现聚氨酯组合物高的初始强度,但催化剂的浓度过高对聚氨酯胶的存储期是不利的,同时通过催化剂用量在提升初期强度会显著增加操作时间,而且结晶性树脂比例的升高会影响挤出性,尤其是低温挤出性,存在施胶困难的问题。
因此,开发一种成本低,工艺简单,施工便利,且在低温低湿环境下可快速固化的新型聚氨酯组合物具有重要的研究意义和经济价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的聚氨酯胶存在成本高、工艺复杂,施工不便等缺陷或不足,提供一种低温低湿快速固化的聚氨酯组合物。本发明提供的聚氨酯组合物将亲水链段引入聚氨酯分子中增加了聚氨酯分子的吸水性和活性,能增加组合物的吸水性,大大降低的了对湿气的依赖;选用长链硅烷分子将填料包覆改性,提高了填料的疏水性,疏水性填料与亲水的树脂相分离,有利于湿气的渗透,能促进胶体的深层固化。本发明提供的聚氨酯组合物通过聚氨酯预聚体P1和改性填料及其它组分的配合可在低温低湿条件下快速固化,具有应用广泛,施工便利的优点。
本发明的另一目的在于提供上述低温低湿快速固化的聚氨酯组合物的制备方法。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种低温低湿快速固化的聚氨酯组合物,包括如下重量份数的组分:
具有氧化丙烯和氧化乙烯亲水单体嵌段的聚氨酯预聚体P15~15份;
固体的聚氨酯预聚体P2 0~5份;
聚氨酯预聚体P3 20~40份;
改性填料 12~30份;
炭黑 15~25份
增塑剂 10~30份;
催化剂 0.05~0.5份;
粘接促进剂 0.5~2份;
所述聚氨酯预聚体P3通过聚氧化丙烯多元醇和二异氰酸酯反应得到;
所述改性填料为长链硅烷改性后的填料。
本发明以常规的聚氨酯预聚体P3作为主体树脂,一方面通过向聚氨酯分子中引入具有氧化丙烯和氧化乙烯亲水单体嵌段(聚氨酯预聚体P1)来增加聚氨酯分子的吸水性和活性,进而增加聚氨酯组合物的吸水性,大大降低了对湿气的依赖;另一方面选用长链硅烷分子将填料包覆改性,提高了填料的疏水性,疏水性填料与亲水的树脂相分离,有利于湿气的渗透,能促进胶体的深层固化。本发明提供的聚氨酯组合物通过聚氨酯预聚体P1和改性填料及其它组分的配合可在低温低湿条件下快速固化,具有应用广泛,施工便利的优点。
应当说明的是,固体的聚氨酯预聚体P2是指常温(例如25℃)下为固体的聚氨酯预聚体。
另外,常温(25℃)下为固体的聚氨酯预聚体P2的引入可通过加速物理固化的速度进一步促进低温低湿条件下的初期快速固化。
优选地,所述聚氨酯组合物包括如下重量份数的组分:
聚氨酯预聚体 P15~10份;
聚氨酯预聚体P2 0.5~3份;
聚氨酯预聚体P3 20~40份;
改性填料 12~25份;
炭黑 15~25份
增塑剂 15~30份;
催化剂 0.05~0.1份;
粘接促进剂 0.5~1.0份。
对于聚氨酯预聚体 P1:
聚氨酯预聚体P1在常温下一般为液态。
优选地,所述聚氨酯预聚体P1具有如式(Ⅰ)所示的结构:
其中,R代表在移除2个羟基后亲水性二元醇的n-2价的残基,A代表移除两个异氰酸酯基团后的异氰酸酯的二价残基;x代表环氧丙烷单元数目,y代表环氧乙烷单元数目,z代表亲水扩链剂的单元数目,本领域常规的亲水性二元醇和二异氰酸酯均可用于本发明中。
更为优选地,所述亲水性二元醇为环氧丙烷和环氧乙烷共聚制备的聚醚多元醇,在25℃以上是液态状。
更为优选地,所述二异氰酸酯为甲苯2,4-二异氰酸酯及其异构体、甲苯2,6-二异氰酸酯及其异构体、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、萘1,5-二异氰酸酯,1,3-苯二异氰酸酯、1,4-苯二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、2,2,4-三甲基-1,6-六亚甲基二异氰酸酯、二(异氰酸酯)环己烷、1,4-环己烷二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、丙二异氰酸酯、1,12-十二碳二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或几种。更为优选为MDI或IPDI。
优选地,所述聚氨酯预聚体P1通过如下过程制备得到:将含氧化乙烯和氧化丙烯嵌段的聚醚多元醇与异氰酸酯在50~100℃下反应后,再加入亲水性扩链剂反应,即得。
更为优选地,所述异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯,4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
更为优选地,所述嵌段聚醚多元醇是在起始剂作用下交替通入环氧丙烷、环氧乙烷共聚而成。进一步优选为SD-40(羟值37mgKOH/g),LM220E(羟值56mgKOH/g),LM230E(羟值37.5mgKOH/g),LM240E(羟值28mgKOH/g),LM260E(羟值18.5mgKOH/g)。
更为优选地,所述亲水性扩链剂为羧基二醇或磺酸盐二元醇中的一种或几种。进一步优选为二羟甲基丙酸(DMPA)、二羟甲基丁酸(DMBA)或1,4-丁二醇-2-磺酸钠。
优选地,所述聚氨酯预聚体P1中游离异氰酸酯基团的含量为1.0~5.0%。
通过调控异氰酸酯与聚醚多元醇的比例可调控游离异氰酸酯基团的含量。
对于聚氨酯预聚体P2:
聚氨酯预聚体P2在常温下一般为固体。
优选地,所述聚氨酯预聚体P2通过如下过程制备得到:聚酯多元醇或聚己内酯多元醇或聚碳酸酯多元醇与二异氰酸酯反应,即得。
对于聚氨酯预聚体P3:
聚氨酯预聚体P3在室温下是液体,为本领域最常用的主体树脂,一般通过聚氧化丙烯多元醇和二异氰酸酯反应得到。
聚氧化丙烯多元醇既可为二元醇,也可为三元醇,或者两者的组合。
更为优选地,所述聚氧化丙烯多元醇为氧化丙基聚醚三醇。
具体地,所述聚氧化丙烯多元醇为不饱和度小于0.04meq/g,数均分子量在2000~6000g/mol的聚氧化亚烷基二元醇或聚氧化亚烷基三元醇中的一种或几种。
对于改性填料:
优选地,所述改性硅烷具有如式(Ⅱ)所示结构:
其中,R1代表具有1-6个C原子的直链或支链的一价的烃残基;n为5~13的整数,a为0~2的整数。
更为优选地,n为13。
更为优选地,a为0。
最为优选地,所述改性硅烷为十六烷基三甲氧基硅烷。
优选地,所述填料为重质碳酸钙、煅烧高岭土或滑石粉中的一种或几种。
更为优选地,所述填料为煅烧高岭土或碳酸钙中的一种或两种。
优选地,所述改性填料通过如下过程制备得到:将填料粉体预先干燥至含水量为0.1~1.0%,然后在高速分散的过程中喷洒长链硅烷,于50~80℃条件下抽真空分散30~90min,即得。
对于增塑剂、催化剂和粘接促进剂:
本领域常规的增塑剂、催化剂和粘接促进剂均可用于本发明中。
优选地,所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸二异癸酯、己二酸二辛酯、癸二酸二辛酯、壬二酸二辛酯、磷酸三苯酯、磷酸二苯异辛酯或烷基磺酸酯类增塑剂;
优选地,所述催化剂为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡(T12)、二乙酸二丁基锡、二新癸酸二甲基锡(UL-28)、三亚乙基二胺、双(二甲氨基乙基)醚、N-乙基吗啉、双吗啉二乙基醚(DMDEE)、N-甲基咪唑或复合锡类催化剂中的一种或几种。
优选地,所述粘接促进剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(A-186)、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷或γ-巯基丙基三甲氧基硅烷中一种或几种。
本领域常规的其它功能助剂也可用于本发明中。
优选地,所述聚氨酯组合物还包括其它功能助剂,所述其它功能助剂的重量份数为0.5-2份。
更为优选地,所述其它功能助剂为除水剂或耐候助剂中的一种或几种。
具体地,除水剂可为对甲苯磺酰异氰酸酯(TI),其重量份数为0.2~0.5份。耐候助剂可为抗氧剂1010,其重量份数为0.1~0.3份;紫外光吸收剂为Tinuvin213、其重量份数为0.1-0.3份。
上述聚氨酯组合物的制备方法,包括如下步骤:在50~60℃,惰性气氛下,将聚氨酯预聚体P1、聚氨酯预聚体P2和聚氨酯预聚体P3预分散,然后加入改性填料和炭黑混合润湿,分散;再加入增塑剂、粘接促进剂和催化剂混合均匀,即得所述聚氨酯组合物。
当聚氨酯组合物中包括除水剂、耐候助剂时,上述聚氨酯组合物的制备方法,包括如下步骤:在50~60℃,惰性气氛下,将聚氨酯预聚体P1、聚氨酯预聚体P2、聚氨酯预聚体P3和除水剂预分散,然后加入改性填料和炭黑混合润湿,分散;再加入增塑剂、粘接促进剂、催化剂和耐候剂混合均匀,即得所述聚氨酯组合物。
本发明的聚氨酯组合物优选在减少湿气接触的条件下制备和储存,通常地,组合物是储存稳定的,在合适的包装(例如桶、袋或筒)中储存数月至一年和更长的时间,而其应用性能和在固化之后的性能不会有明显的变化,通常地,通过测量粘度变化值或挤出力确定储存稳定性。
本发明的聚氨酯组合物可作为湿固化性的粘合剂、密封剂或涂料,通过树脂和粉体调节可以很方便改变组合物的性能,较好地应用于建筑密封剂以及汽车工业。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供的聚氨酯组合物将亲水链段引入聚氨酯分子中增加了聚氨酯分子的吸水性和活性,能增加组合物的吸水性,大大降低的了对湿气的依赖;选用长链硅烷分子将填料包覆改性,提高了填料的疏水性,疏水性填料与亲水的树脂相分离,有利于湿气的渗透,能促进胶体的深层固化。本发明提供的聚氨酯组合物通过聚氨酯预聚体P1和改性填料及其它组分的配合可在低温低湿条件下快速固化,具有应用广泛,施工便利的优点。
具体实施方式
下面结合实施例和对照例对本发明做进一步的描述。这些实施例仅是对本发明的典型描述,但本发明不限于此。下述实施例和对比例中所用的试验方法如无特殊说明,均为常规方法,所使用的原料,试剂等,如无特殊说明,均为可从常规市购等商业途径得到的原料和试剂。
各预聚体的制备方法如下:
(1)聚氨酯预聚体P1-A的制备
EO/PO共聚聚醚醇SD-40(羟值37mgKOH/g)200g、二异癸基邻苯二甲酸酯(DIDP)68.36g在120℃,0.95Mpa下真空除水2h,降温至90℃后氮气解除真空,将30.3g异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI),加入反应物中并维持该温度,反应2h之后,滴加二羟甲基丙酸(DMPA)1.34g(预先溶于20g丙酮中)继续反应并滴定游离异氰酸酯基团含量,到达含量至2.01%(理论值1.69%),减压抽空30min,除去丙酮后得聚氨酯预聚体P1。
(2)聚氨酯预聚体P1-B的制备
EO/PO共聚聚醚醇LM240E(羟值28mgKOH/g)200g、二异癸基邻苯二甲酸酯(DIDP)68.52g在120℃,0.95Mpa下真空除水2h,降温至80℃后氮气解除真空,将30g4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)加入反应物中并维持该温度,反应2h之后,滴加二羟甲基丁酸(DMBA)1.48g(预先溶于20g丙酮中)继续反应并滴定游离异氰酸酯基团含量,到达含量至1.70%(理论值1.68%),减压抽空30min,除去丙酮后得聚氨酯预聚体P1-B。
(3)聚氨酯预聚体P1-C的制备
EO/PO共聚聚醚醇LM220E(羟值56mgKOH/g)200g、二异癸基邻苯二甲酸酯(DIDP)43.08g于120℃,0.95Mpa下真空除水2h,降温至80℃后氮气解除真空,将55g 4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)加入反应物中并维持该温度,反应2h之后,滴加1,4-丁二醇-2-磺酸钠1.92g(预先溶于20g丙酮中)继续反应并滴定游离异氰酸酯基团含量,到达含量至3.18%(理论值3.08%),减压抽空30min,除去丙酮后得聚氨酯预聚体P1-C。
(4)聚氨酯预聚体P2-A的制备
氮气保护下,聚酯多元醇7380(羟值34mgKOH/g)200g,20.32g邻苯二甲酸二异癸基酯(DIDP),异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)29.68g,辛酸亚锡(T9)0.002g,于60℃下反应30min,逐步升温至90度反应,滴定游离异氰酸酯基团含量,到达含量至2.6%(理论值2.45%),得到室温为固体聚氨酯预聚体P2-A。
(5)聚氨酯预聚体P2-B的制备
氮气保护下,聚酯多元醇7360(羟值34mgKOH/g)200g,邻苯二甲酸二异癸基酯(DIDP)20.32g,异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)29.68g,辛酸亚锡(T9)0.002g,60℃下反应30min,逐步升温至90℃反应,滴定游离异氰酸酯基团含量,到达含量至2.6%(理论值2.45%),得到室温为固体聚氨酯预聚体P2-B。
(6)聚氨酯预聚体P3的制备
聚醚二醇DL-4000D(羟值28mgKOH/g)100g、EP-330NG(羟值34mgKOH/g)200g,二异癸基邻苯二甲酸酯(DIDP)38g,于120℃,0.95Mpa下真空除水2h,降温至80℃后氮气解除真空,将45g 4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)加入反应物中并维持该温度,滴定游离异氰酸酯基团含量,到达含量至2.2%(理论值2.45%),停止反应,得聚氨酯预聚体P3。
(7)改性粉体的制备:先将碳酸钙(3000目)或者高岭土(3500目)预先在烘箱(125℃)中干燥水份至0.4-0.8%范围内,加入粉体混合机中,将预先溶于正己烷的十六烷基三甲氧基硅烷(9116)(浓度为5%),分批次喷洒至反应釜,用量为粉体的0.2%,75℃抽空分散60min,检测粉体水份含量,当水份降至0.08%以下,停止反应,反之补加硅烷,得改性碳酸钙粉体和改性高岭土粉体。
实施例1~7
本实施例提供一系列的聚氨酯组合物,其配方如表1。
表1实施例1~7提供的聚氨酯组合物的配方(份)
对比例1~3
本对比例提供一系列的聚氨酯组合物,其配方如表2。
表2各对比例的配方(份)
各实施例和对比例的聚氨酯组合物通过如下过程制备得到:氮气氛围下,先将液体聚氨酯预聚体P3,聚氨酯预聚体P2,聚氨酯预聚体P1,除水剂预分散15min,随后加入预先改性填料和炭黑(粉体),60℃下混合15min,当粉体全部润湿后,真空下高速分散30min,通过控制循环水控制温度在60±5℃,氮气解除真空,加入粘接促进剂,耐候剂,催化剂等助剂,继续抽空分散15min,混合成均匀糊剂,然后将其装填在铝管中。
性能测试
表干时间,固化速度:参照GB/T13477,其中5℃表干,固化速度放置在恒温恒湿箱环境中测试;
拉伸强度和断裂伸长率:参照GB/T 528;
剪切强度:参照GB/T 13936标准测定;
硬度(邵氏A):参照GB/T 531;
挤出性:样品分别23℃/5℃放置24H,0.6Mpa气压,0.5mm胶嘴进行进挤出性测试,15S内的挤出质量,称重;
初粘强度:在两片4.0x100x6.0MM的玻璃片上施上底涂,将倒三角型胶粘剂涂敷在玻璃片上,压至10.0x4.0cm的长方体,分别在23℃/50%,5℃/30%的环境下放置2.0h后进行拉伸测试,记入最大力(N),最大力除以面积(400cm2)的初粘强度Mpa。
测试结果如表3。
表3实施例和对比例的测试结果
a*5℃条件下胶体变硬,需在60℃放置30min,挤出变为60g/15s
b*基本无强度,未进行测试
表3可知,本发明各实施例提供的聚氨酯组合物可在低温低湿条件下开始固化。添加了聚氨酯预聚物P1,P2以及改性填料组合物的低温表干,固化速度,2H初粘强度都比较大(实施例1~6),随着P2预聚物添加量的增加(实施例6),挤出性降低,尤其是低温(5℃)挤出性,这是由于物理结晶引起,添加了聚氨酯预聚物P2得到的聚氨酯组合物(实施例3)与未添加相比(实施例7),具有更快的固化速度和更大的初粘强度;而未添加改性填料以及本发明中的预聚物P1、P2(对比例1),在低温低湿条件下固化速度最慢,低温表干长,2h低温初粘强度低;未添加聚氨酯预聚体P1和改性粉体的聚氨酯组合物(对比例2)23℃固化变干以及初粘性能可以接受,但低温(5℃)下对应性能提升不明显;未对填料进行改性处理且含有本发明聚氨酯组合物(对比例3)的性能不如实施例。
最后应当指出的是,以上实施例仅是本发明的具有代表性的例子。显然,本发明的技术方案并不限于上述实施例,还可有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明内容直接导出或联想到所有变形,均应认为是本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种低温低湿快速固化的聚氨酯组合物,其特征在于,包括如下重量份数的组分:
具有氧化丙烯和氧化乙烯以及亲水单体嵌段的聚氨酯预聚体 P15~15份;
固体的聚氨酯预聚体 P20~5份;
聚氨酯预聚体P3 20~40份;
改性填料 12~30份;
炭黑 15-25份;
增塑剂 10~30份;
催化剂 0.05~0.5份;
粘接促进剂 0.5~2份;
所述聚氨酯预聚体P3通过聚氧化丙烯多元醇和二异氰酸酯反应得到;
所述改性填料为长链硅烷改性后的填料。
2.根据权利要求1所述聚氨酯组合物,其特征在于,包括如下重量份数的组分:
聚氨酯预聚体 P15~10份;
聚氨酯预聚体P2 0.5~3份;
聚氨酯预聚体P3 20~40份;
改性填料 12~25份;
炭黑 15~25份;
增塑剂 15~30份;
催化剂 0.05~0.1份;
粘接促进剂 0.5~1.0份。
4.根据权利要求1所述聚氨酯组合物,其特征在于,所述聚氨酯预聚体P1通过如下过程制备得到:将含氧化乙烯和氧化丙烯嵌段的聚醚多元醇与二异氰酸酯在50~100℃下反应后,再加入亲水性扩链剂反应,即得。
5.根据权利要求1所述聚氨酯组合物,其特征在于,所述聚氨酯预聚体P2通过如下过程制备得到:聚酯多元醇或聚己内酯多元醇或聚碳酸酯多元醇与二异氰酸酯反应,即得。
7.根据权利要求1所述聚氨酯组合物,其特征在于,所述填料为重质碳酸钙、煅烧高岭土或滑石粉中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述聚氨酯组合物,其特征在于,所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸二异癸酯、己二酸二辛酯、癸二酸二辛酯、壬二酸二辛酯、磷酸三苯酯、磷酸二苯异辛酯或烷基磺酸酯类增塑剂;所述催化剂为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、二新癸酸二甲基锡、三亚乙基二胺、双(二甲氨基乙基)醚、N-乙基吗啉、双吗啉二乙基醚、N-甲基咪唑或复合锡类催化剂中的一种或几种;所述粘接促进剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述聚氨酯组合物,其特征在于,所述聚氨酯组合物还包括其它功能助剂;所述其它功能助剂的重量份数为0.5~2.0份。
10.权利要求1~9任一所述聚氨酯组合物的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:在50~60℃,惰性气氛下,将聚氨酯预聚体P1、聚氨酯预聚体P2和聚氨酯预聚体P3预分散,然后加入改性填料和炭黑混合润湿,分散;再加入增塑剂、粘接促进剂和催化剂混合均匀,即得所述聚氨酯组合物。
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