CN112480296A - 一种亲水改性的乙烯-三氟氯乙烯共聚物、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种由RX‑CH=CRY‑COOCH3改性的乙烯‑三氟氯乙烯共聚物,以及该共聚物的制备方法。本发明提供的乙烯‑三氟氯乙烯共聚物具有良好的亲水性能和优异的机械性能及热稳定性,由其制备的中空纤维膜同时兼具优异的力学性能和较高的水通量,适合用于工业过滤。
Description
技术领域
本发明属于含氟高分子材料领域,具体涉及一种亲水改性的乙烯-三氟氯乙烯共聚物。
背景技术
印制电路板(PCB)一般利用蚀刻液蚀刻,在蚀刻过程中会产生大量的含有[Cu(NH3)4]2+、NH3·H2O和Cl-等的蚀刻废液。为解决蚀刻废液排放引起的环境污染问题,国家环保部发布的《清洁生产标准—印制电路板制造业》(HJ450-2008)文件中规定了PCB生产企业对蚀刻液进行回收和再利用的要求。
乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE或者F30)是一种热塑性含氟共聚物,具有优异的抗腐蚀能力,能够抵抗强碱强酸等化合物的腐蚀。由乙烯-三氟氯乙烯共聚物制备的中空纤维膜可用于强碱、强极性溶剂等苛刻的过滤单元,如电路板碱性蚀刻废液的过滤等。
当将ECTFE中空纤维膜用于蚀刻废液过滤等领域时,由于其具有的疏水特性,造成其水通量由于膜堵孔和杂质吸附而下降,进而导致电路板碱性蚀刻废液的过滤效率降低。为解决该技术问题,需要对乙烯-三氟氯乙烯共聚物的疏水性进行改善,需要研究制备一种经亲水改性的乙烯-三氟氯乙烯共聚物。
现有技术对于乙烯-三氟氯乙烯共聚物的亲水改性方法未见报道。因此,需要开发一种具有良好的亲水性能的乙烯-三氟氯乙烯共聚物。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的提出了一种乙烯-三氟氯乙烯共聚物,具有良好的亲水性能和优异的机械性能及热稳定性,由其制备的中空纤维膜同时兼具优异的力学性能和较高的水通量,适合用于工业过滤。
本发明通过如下技术方案实现:
一种乙烯-三氟氯乙烯共聚物,用于制备所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物的单体包括:乙烯、三氟氯乙烯和改性单体,且所述改性单体为RX-CH=CRY-COOCH3,其中:
RX选自H、F、-N(CH3)2、C1-C5烷基、C1-C5氟代烷基、-OR1(R1选自C1-C5烷基);
RY选自H、F、C1-C5烷基、-R3OH(R3选自C1-C5烷基、C1-C5氟代烷基)。
本发明提供乙烯-三氟氯乙烯共聚物,用于制备所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物的单体包括乙烯、三氟氯乙烯和改性单体。所述改性单体为RX-CH=CRY-COOCH3,既可以是选自所述结构式RX-CH=CRY-COOCH3表示的任一一种化合物,也可以是选自所述结构式RX-CH=CRY-COOCH3表示的两种或两种以上的化合物。
所述改性单体RX-CH=CRY-COOCH3,可以是选自以下取代基所述的任一一种化合物:
RX选自H、F、-N(CH3)2、C1-C5烷基、C1-C5氟代烷基、-OR1(R1选自C1-C5烷基),RY选自H、F、C1-C5烷基、-R3OH(R3选自C1-C5烷基、C1-C5氟代烷基)。
作为一种实施方式,所述改性单体选自CH2=CF-COOCH3、CH2=C(CH2OH)-COOCH3、CH2=C(CF3)-COOCH3、HCF=C(CF3)-COOCH3、N(CH3)2CH=CH-COOCH3和CH2=C(OCH3)-COOCH3中的至少一种。
作为一种实施方式,所述改性单体选自CH2=C(CF3)-COOCH3和N(CH3)2CH=CH-COOCH3中的至少一种。
本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,改性单体在乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的占比,应使制备得到的乙烯-三氟氯乙烯共聚物具有较高的水通量,并同时还具备优异的机械性能及热稳定性。
作为一种实施方式,所述改性单体在乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的摩尔占比为0.1~10%。
作为一种实施方式,所述改性单体在乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的摩尔占比为1~5%。
作为一种实施方式,用于制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的乙烯与三氟氯乙烯的摩尔比为40~60:60~40,且改性单体在乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的摩尔占比为0.1~10%。
作为一种实施方式,用于制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的乙烯与三氟氯乙烯的摩尔比为45~55:55~45,且改性单体在乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的摩尔占比为1~5%。
本发明还提供一种制备所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法。相比较于乳液聚合法,悬浮聚合更适合用于本申请所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物的制备。
作为一种实施方式,所述悬浮聚合制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法包括:
(1)往反应釜中加入纯水和分散剂,并将反应釜抽真空至氧含量小于10ppm;
(2)往反应釜中加入液相三氟氯乙烯、改性单体RX-CH=CRY-COOCH3、链转移剂和有机溶剂,再往反应釜中加入部分乙烯单体,直至反应釜内压力为1.0~5.0MPa;
(3)加热使反应釜的温度升高至20~80℃,加入部分引发剂,并向反应釜补加剩余的乙烯单体和引发剂,在补加乙烯单体的过程中使反应釜内的压力保持为1.0~10.0MPa;
(4)一定的温度和压力下,反应单体进行自由基共聚反应,反应时间1-10小时,反应结束得到乙烯-三氟氯乙烯共聚物。
作为一种实施方式,上述制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法中,使用的分散剂可以是本领域常用的分散剂。作为示例,可以是甲基纤维素类,例如羟乙基甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素;也可以是聚乙烯醇类(PVA),例如PVA1799和PVA1788。
作为一种实施方式,上述制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法中,使用的链转移剂可以是本领域常用的链转移剂。作为示例,可以是:醇类,如乙醇、异丙醇、正丁醇;脂肪族烷烃类,如环己烷、正己烷、异戊烷;含卤代烃类,如氯仿、二氯甲烷;酯类,如乙酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯。
作为一种实施方式,上述制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法中,使用的有机溶剂为能够溶解引发剂的有机溶剂。作为示例,可以是乙酸乙酯、叔丁醇、氯仿、正己烷、三氟三氯乙烷等。
作为一种实施方式,上述制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法中,使用的引发剂为本领域常用的引发剂,如偶氮类化合物和过氧化二碳酸酯类化合物。作为示例,偶氮类引发剂可以是偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈;过氧化二碳酸酯类引发剂可以是过氧化二碳酸二异丙酯(IPP)、过氧化二碳酸二异丁酯(IBP)、过氧化二碳酸二环己酯(DCPD)。
作为一种实施方式,上述制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法中,共聚反应温度应满足使共聚反应顺利进行。所述共聚反应温度可以是20~80℃,也可以进一步地为30~60℃。
作为一种实施方式,上述制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的方法中,共聚反应压力应满足使共聚反应顺利进行。所述共聚反应压力可以是1.0~10.0MPa,也可以进一步地为2.0~5.0MPa。
本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其接触角为70~80°。
作为一种实施方式,本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其接触角为70~75°。
本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其熔点为200~220℃、热分解温度(氮气,1%失重)为380~400℃、拉伸强度为30~40MPa、断裂伸长率为200~250%、熔融指数为8~15g(230℃,21.6kg/10min)。
本发明还提供一种乙烯-三氟氯乙烯中空纤维膜。可以按照本行业常用的制备方法,将本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯共聚物制备成中空纤维膜。
本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯中空纤维膜,其水通量为1000~1500L/m2*h。
本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯中空纤维膜,适合用于工业过滤,特别适合用于腐蚀性废液的过滤,尤其特别适合用于电路板碱性蚀刻废液的过滤。
相较于现有技术,本发明提供乙烯-三氟氯乙烯共聚物,具有良好的亲水性能和优异的机械性能及热稳定性;本发明提供的乙烯-三氟氯乙烯中空纤维膜同时兼具优异的力学性能和较高的水通量,适合用于工业过滤。
本发明所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物的性能测试方法如下:
(1)按ASTM D3418测定熔点,升温程序为:以10℃/min的升温速率开始升温到260℃,以消除热历史,记录初次DSC曲线,在该温度保持5min;以10℃/min的速率冷却到120℃,记录冷却曲线,在该温度保持5min;以10℃/min的升温速率开始升温到260℃,记录第二次DSC曲线,从曲线上得到熔点。
(2)按照ISO 11358标准对样品进行TGA分析,在氮气气氛下,在动态模式下进行,记录对获得分别为1%、5%、60%、70%wt的聚合物的失重所需的温度,这些温度越高,聚合物的热稳定性越高。
(3)按ASTM D638测试拉伸强度和断裂伸长率,按标准制备样条,表面不能有裂纹、刮擦或其他缺陷,在23±2℃、50±5%相对湿度条件下进行测试,每个样品至少测试5个样条。
(4)按ASTM D1238测试熔融指数,测试温度为230℃,荷重为21.6kg。
(5)按ASTM D5725-1999测试聚合物制备成为平板膜后的表面水接触角,在25℃、50%相对湿度下测试。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明,但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到,本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例1
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、10g的2-(三氟甲基)丙烯酸甲酯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为209℃,热分解温度(氮气,1%失重)为389℃,拉伸强度为37MPa,断裂伸长率为208%,熔融指数为9.6g(230℃,21.6kg/10min);接触角为78°。
实施例2
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、12g3-二甲氨基丙烯酸甲酯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为213℃,热分解温度(氮气,1%失重)为395℃,拉伸强度为39MPa,断裂伸长率为205%,熔融指数为8.3g(230℃,21.6kg/10min);接触角为74°。
实施例3
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、9g2-氟丙烯酸甲酯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为208℃,热分解温度(氮气,1%失重)为387℃,拉伸强度为36MPa,断裂伸长率为211%,熔融指数为9.9g(230℃,21.6kg/10min);接触角为75°。
实施例4
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、15g2-(羟甲基)丙烯酸甲酯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为205℃,热分解温度(氮气,1%失重)为383℃,拉伸强度为35MPa,断裂伸长率为215%,熔融指数为10.8g(230℃,21.6kg/10min);接触角为70°。
实施例5
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、15g3-(甲氧基)丙烯酸甲酯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为207℃,热分解温度(氮气,1%失重)为381℃,拉伸强度为36MPa,断裂伸长率为213%,熔融指数为10.3g(230℃,21.6kg/10min);接触角为71°。
实施例6
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、6.5g甲基丙烯酸甲酯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为203℃,热分解温度(氮气,1%失重)为380℃,拉伸强度为34MPa,断裂伸长率为217%,熔融指数为9.0g(230℃,21.6kg/10min);接触角为78°。
实施例7
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、12.3g五氟甲基丙烯酸甲酯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为210℃,热分解温度(氮气,1%失重)为392℃,拉伸强度为38MPa,断裂伸长率为207%,熔融指数为9.8g(230℃,21.6kg/10min);接触角为80°
比较例1
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、10g三氟三氯乙烷、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丙酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丙酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为216℃,热分解温度(氮气,1%失重)为395℃,拉伸强度为39MPa,断裂伸长率为204%,熔融指数为10.5g(230℃,21.6kg/10min);接触角为99°。
比较例2
先将7g羟丙基甲基纤维素完全溶解于1L纯水,将溶解好的纤维素水溶液和2.5L纯水加入到5L聚合釜中,开启搅拌300r/min,反应釜抽真空氮气置换,直至反应釜内氧含量低于10ppm,再加入400g的三氟氯乙烯、10g乙酸乙酯、5g氯仿,通入乙烯至反应釜压力为2.5MPa。将反应釜搅拌速度提高到500r/min,反应釜内温度升至50℃,加入2g过氧化二碳酸二异丁酯,开始聚合反应,通过持续补加乙烯单体,使反应釜内压力维持在3.0MPa,反应进行到1.5h时,补加1g过氧化二碳酸二异丁酯,继续反应1.5h。反应结束后,收集物料,洗涤,干燥,得到白色的改性ECTFE共聚物树脂粉末。
将制备得到的改性ECTFE共聚物进行性能测试,性能数据为:
熔点为217℃,热分解温度(氮气,1%失重)为393℃,拉伸强度为38MPa,断裂伸长率为203%,熔融指数为11.9g(230℃,21.6kg/10min);接触角为98°。
表1、聚合物性能数据表
由上述表1的结果可知,本发明提供的改性乙烯-三氟氯乙烯共聚物的水接触角明显降低,亲水性明显改善,适合用于高通量中空纤维膜的制备。
Claims (12)
1.一种乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于用于制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物的单体包括:乙烯、三氟氯乙烯和改性单体,且所述改性单体为RX-CH=CRY-COOCH3,其中:
RX选自H、F、-N(CH3)2、C1-C5烷基、C1-C5氟代烷基、-OR1(R1选自C1-C5烷基);
RY选自H、F、C1-C5烷基、-R3OH(R3选自C1-C5烷基、C1-C5氟代烷基)。
2.按照权利要求1所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于所述改性单体选自CH2=CF-COOCH3、CH2=C(CH2OH)-COOCH3、CH2=C(CF3)-COOCH3、HCF=C(CF3)-COOCH3、N(CH3)2CH=CH-COOCH3和CH2=C(OCH3)-COOCH3中的至少一种。
3.按照权利要求2所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于所述改性单体选自CH2=C(CF3)-COOCH3和N(CH3)2CH=CH-COOCH3中的至少一种。
4.按照权利要求1所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于所述改性单体在乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的摩尔占比为0.1~10%。
5.按照权利要求4所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于所述改性单体在乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的摩尔占比为1~5%。
6.按照权利要求1所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其接触角为70~80°。
7.按照权利要求6所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其接触角为70~75°。
8.按照权利要求6所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其特征在于所述乙烯-三氟氯乙烯共聚物,其熔点为200~220℃、热分解温度(氮气,1%失重)为380~400℃、拉伸强度为30~40MPa、断裂伸长率为200~250%、熔融指数为8~15g(230℃,21.6kg/10min)。
9.一种如权利要求1所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物的制备方法,其特征在于所述方法包括:
(1)往反应釜中加入纯水和分散剂,并将反应釜抽真空至氧含量小于10ppm;
(2)往反应釜中加入液相三氟氯乙烯、改性单体RX-CH=CRY-COOCH3、链转移剂和有机溶剂,再往反应釜中加入部分乙烯单体,直至反应釜内压力为1.0~5.0MPa;
(3)加热使反应釜的温度升高至20~80℃,加入部分引发剂,并向反应釜补加剩余的乙烯单体和引发剂,在补加乙烯单体的过程中使反应釜内的压力保持为1.0~10.0MPa;
(4)一定的温度和压力下,反应单体进行自由基共聚反应,反应时间1-10小时,反应结束得到乙烯-三氟氯乙烯共聚物。
10.一种中空纤维膜,其特征在于所述中空纤维膜由如权利要求1所述的乙烯-三氟氯乙烯共聚物制备,且所述中空纤维膜的水通量为1000~1500L/m2*h。
11.一种如权利要求10所述的中空纤维膜的用途,其特征在于所述中空纤维膜用于工业过滤。
12.按照权利要求11所述的中空纤维膜的用途,其特征在于所述中空纤维膜用于电路板碱性蚀刻废液的过滤。
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