CN112770891B - 用于聚合物挤压机械的超声装置 - Google Patents

Abstract

一种超声装置，其包括：腔室(10)，该腔室设置有入口孔(11)，该入口孔接纳熔融的加压聚合物；出口孔(12)；以及超声波发生器容置孔(13)，超声头(20)的远端部分(21)通过超声波发生器容置孔插入到腔室中，其中，远端部分通过第一节点平面(PN1)与超声头的其余部分分开，其中，第一表面(S1)与封闭腔室的环形密封件(30)的互补表面接触，并且其中，超声头包括远离并平行于第一节点平面(PN1)的第二节点平面(PN2)，该第二节点平面与第二表面(S2)重合或相邻，其中，锚固装置(40)将超声头压靠环形密封件，从而确保紧密密封。

Description

用于聚合物挤压机械的超声装置

技术领域

本发明涉及用于聚合物——例如热塑性塑料——挤压机械的超声装置的领域，其中，超声装置作用于熔融或再软化的聚合物(具有或不具有添加剂)以改善所获得的产品的性能和品质。

背景技术

已知在工业中超声装置被用于聚合物的熔融和流化，超声装置通常包括产生超声振动的超声换能器和传递所述振动的超声头。

已知超声装置的远端部分容纳在腔室内，熔融聚合物以加压状态进入腔室，从而允许超声装置与熔融聚合物接触。将聚合物供给至腔室是借助于设置有一个或两个螺旋输送机的挤压机设备进行的，所述一个或两个螺旋输送机压缩并熔化所述聚合物，从而将所述聚合物推入腔室内，然后将所述聚合物从腔室挤压通过出口开口。例如，文献US6528554B1示出了这种类型的解决方案。

在这种类型的装置中，超声装置的远端部分(该远端是指相对于超声换能器而言)通过超声波发生器容置孔插入腔室内。为了防止熔融聚合物通过所述超声波发生器容置孔渗出，环形密封件布置成保持围绕超声头的一部分。为了减少环形密封件对超声头的振动的干扰，所述环形密封件在近端位置中附接至超声头的节点平面。

将理解的是，环形密封件可以具有圆形形状或者可以不具有圆形形状。

通常，所述环形密封件沿径向方向保持超声头，使得环形密封件得以增加与超声头之间的接触表面，所述环形密封件将覆盖节点平面的相邻区域，在该相邻区域中，振动幅度不为零，从而导致所述环形密封件磨损。文献EP1536936B1示出了这种类型的解决方案。

在其他替代方案中，超声头将与所述节点平面一致地设置有呈围绕超声头的呈凸缘形状的环状突起。环形密封件附接在所述凸缘的上方和下方，从而保持所述凸缘并实现紧密密封。例如，文献US6036467A示出了这种类型的解决方案。

然而，所述凸缘具有一定的厚度，因此，所述凸缘的附接有环形密封件的上表面和下表面与节点平面不是共面的，而是与节点平面相邻；因此，这两个平面上的振动幅度将不会为零，而是减小，振动将会存在，导致环形密封件随着时间的推移而劣化。另外，对设置有所述凸缘的超声头的制造带来了所述凸缘的复杂性和成本增加。

文献WO2004024415描述了一种超声波发生器装置，在该超声波发生器装置上的密封凸缘被夹紧在超声波发生器的节点周围，以防止聚合物在超声头周围泄漏。

发明内容

本发明涉及一种用于聚合物挤压机械的超声装置，借助于挤压机设备对聚合物(具有或不具有添加剂)熔融或再软化。

将理解的是，超声装置是包括超声换能器的装置，该超声换能器使超声头振动，超声头布置成借助于挤压机设备与熔融聚合物接触，通过振动作用和由所述振动产生的热来改变熔融聚合物的物理化学性能。

将理解的是，聚合物的挤压机设备是意在将聚合物熔融、混合并输送至挤压出口的设备。在这种类型的设备中还已知包括通常在相对于挤压出口孔的近端位置中与熔融聚合物接触的超声装置，使得聚合物在被挤压到挤压机外部之前由超声装置处理，但是超声装置也可以位于沿着挤压机设备的其他位置。

在本发明中，所提出的超声装置以行业内本身已知的方式包括：

·腔室，该腔室设置有用于熔融的加压聚合物的入口孔、用于熔融的加压聚合物的出口孔、以及超声波发生器容置孔，所述腔室与聚合物挤压机设备可连接或结合，所述聚合物挤压机设备将熔融的加压聚合物引入入口孔；

·包括至少一个超声波发生器的超声头，该超声头设置有远端部分和近端部分，所述远端部分和近端部分由第一节点平面分隔，其中，远端部分完全由所述超声波发生器构成，并且远端部分通过超声波发生器容置孔以悬臂伸入腔室的方式引入到腔室中，所述远端部分意在保持与容纳在腔室中的熔融的加压聚合物接触，并且其中，至少部分由所述超声波发生器构成的近端部分保持在腔室的外部并与超声换能器连接，并且该近端部分包括远离并平行于第一节点平面的至少第二节点平面；

·与超声头接触并与第一节点平面重合的环形密封件，该环形密封件构造成对容纳熔融的加压聚合物的腔室的超声波发生器容置孔进行密封。

将理解的是，环形密封件可以是圆形的，或者具有任何其他闭合的几何形状。

聚合物挤压机设备是如下述的装置：该装置使聚合物熔化并对所得的熔融聚合物加压而使熔融聚合物通过入口孔进入腔室中，从而使腔室填充有熔融且加压的聚合物，推动熔融聚合物通过出口孔离开。腔室可以位于挤压机设备之后，或者可以结合在挤压机设备中，所述腔室保持在挤压机设备的两个部分之间，或者由所述挤压机设备的一部分横穿。

超声装置在聚合物的挤压之前改变聚合物的性能，以确保例如不存在粒料或未熔融的颗粒并且确保在挤压之前聚合物的质地均匀，以改善添加剂在熔融聚合物中的分散性，改善不同种类的聚合物的混合，提高生产率，减少聚合物劣化，甚至降低机械的能耗。

超声装置包括产生超声振动的超声换能器，该超声换能器与超声头接触，超声头将所述振动传递至突出到腔室内的内部部分，该内部部分保持与聚合物接触。

通常，聚合物挤压机设备在筒形熔合腔室的端部上包括用于呈粒料或粉末形式的材料的入口，该筒形熔合腔室容纳一个或两个心轴，但是也可以设想其他实施方式。在这种类型的设备中，心轴的旋转对聚合物进行压缩，将聚合物输送、揉合并且使聚合物与添加剂(如果有的话)混合，还可以包括提高聚合物的温度以促进聚合物熔融的加热器。熔融聚合物流通过入口孔被引入到容纳超声头的远端部分的腔室中以用于熔融聚合物的处理。所述腔室可以位于挤压机设备的筒形熔合腔室的端部处，或者位于筒形熔合腔室的中间部分使得一个或更多个心轴穿过超声装置的所述腔室。

熔融聚合物通过超声装置的腔室，并在由挤压机设备施加在熔融聚合物上的压力的驱动下通过出口孔从腔室排出，所述聚合物然后被引导至成型模具，聚合物在该模具处被挤压为所需形状。

当超声装置的腔室连接至挤压机设备的端部时，成型模具可以布置在所述腔室的出口孔。相反，如果超声装置的腔室结合在挤压机设备的中间部分，则聚合物将由挤压机设备本身从所述腔室中移除，该挤压机设备将把聚合物引导至挤压机设备的连接至所述成型模具的出口。

超声头设置有容纳在腔室内的远端部分以及布置在腔室外部的近端部分，整个超声头受到驻波形状的超声波振动。

在受到驻波形状振动的任何本体中，都会产生一个或多个平面，其中，振动为零的这些平面被称为节点。

在远端部分与近端部分之间存在第一节点平面，并且超声头的近端部分还包括与第一节点平面平行并远离第一节点平面的第二节点平面。

在当前情况下，超声头的远端部分位于腔室内，与熔融的加压聚合物接触。为了防止所述熔融聚合物通过超声波发生器容置孔而不是通过出口孔流动到腔室的外部，围绕超声头布置有与第一节点平面重合的环形密封件，在该第一节点平面处，振动为零。这防止了环形密封件干扰超声头的振动，同时避免所述环形密封件由于振动而磨损。

本发明以现有技术未知的方式提出的是：

·第一节点平面与超声头的第一环状表面共面，环形密封件的环状表面平行于第一表面放置在超声头的第一环状表面上；

·第二节点平面与超声头的第二表面共面或共面于超声头的第二表面，所述第二表面平行于第一表面，锚固装置附接或支撑在所述第二表面上；

·压力装置，所述压力装置至少连接至锚固装置，并沿垂直于第一表面的方向施加压力，从而对近端部分的位于锚固装置与环形密封件之间的至少一部分进行压缩，并通过超声头的近端部分将压力传递至环形密封件，从而形成腔室的紧密密封。

因此，提出的是，超声头设置有与第一节点平面共面的第一环状表面，因此，在其表面的所有点的振动将为零，并且超声头设置有与第二节点平面共面或相邻的环状或非环状的第二表面。因此，所述第一表面和第二表面彼此平行。

第二表面可以例如限定为围绕超声头的呈凸缘形状的环状凸起，或者限定为在所述超声头形成的环状槽或台阶部。

压力装置将通过附接至或搁置在超声头的所述第二表面上的锚固装置对超声头的第二表面施加压力，由于第二表面对应于或靠近于第二节点平面，因此振动的幅度将为零或减少。

由压力装置施加的压力将垂直于超声头的第一表面和第二表面，并且将沿第一表面的方向推动第二表面。

超声头的第一表面将与环形密封件的环状表面接触，并且由于由压力装置施加的压力而压靠环形密封件，从而在两个表面之间实现紧密密封而不受超声头的振动的影响，这是因为第一表面与第一节点重合并且因此在其整个表面上的振动幅度为零。

根据本发明的实施方式，除超声波发生器之外，超声头的近端部分可以至少部分地由夹置在超声波发生器与超声换能器之间的超声放大器构成。在这种情况下，不建议的是，第二节点平面与超声波放大器和超声波发生器之间的接合部重合，这是因为在该区域存在较大的应力，该较大的应力可能会损坏两个元件之间的接合部。

替代性地，还设想的是，超声头的近端部分全部由超声波发生器构成，不存在超声放大器。

在任何情况下，超声头的远端部分的横截面都比超声头的近端部分的横截面小，并且在横截面较小的远端部分与横截面较大的近端部分之间的过渡部中，将限定超声头的与第一节点平面重合的第一环状表面。

还设想的是，第三环状表面，所述第三环状表面围绕腔室的超声波发生器容置孔布置成与环形密封件的另一个环状表面接触并且与超声头的第一环状表面相对。

在这种情况下，由于由压力装置施加的压力，环形密封件将是保持在第一环状表面与第三环状表面之间的管状本体(不必呈圆形)，这将避免熔融聚合物通过两个垫圈泄漏。

在超声头的远端部分与围绕的环形密封件之间包含的、将填充聚合物的空间将被视为也构成腔室的一部分。

第三环状表面可以限定环状座，该环状座构造成提供环形密封件的精确定位。

优选地，环形密封件将是金属的或陶瓷的，这使环形密封件与诸如大多数塑料之类的其他材料相比更加地耐高温和抗振动。由于金属或陶瓷与超声头的接触是通过第一节点平面——在该第一节点平面中，振动的幅度为零——精确产生的，因此可以使用金属或陶瓷来形成所述环形密封件。将环形密封件附接至超声头的任何其他表面——即使环形密封件位于与第一节点平面相邻的位置——会使所述该环形密封件受到振动，从而需要使用具有一定柔韧度的材料，比如一些类型的塑料或橡胶，但这些材料在振动和温度的影响下将受到磨损并引起熔融聚合物泄漏。

根据另一实施方式，环形密封件限定内部间隙，该内部间隙的横截面大于超声波发生器的远端部分的横截面，两个元件之间的所述横截面差优选地等于或小于2.5mm。

该尺寸差允许远端部分在其内部振动，而不会干扰围绕远端部分布置的环形密封件的壁。另外，该空间将形成与腔室的其余部分连通的环状管道，从而使腔室延长，该环状管道将填充有聚合物。在所述环状管道内，远端部分的振动幅度随环状管道越接近第一节点平面将越小，从而变为零。这意味着，容纳在所述环状管道中的聚合物将在与超声头的第一表面重合的区域中固化，与垫圈的密封配合，从而避免聚合物从环状管道泄漏。

根据优选实施方式，所述压力装置将包括多个连接器，所述多个连接器的一个端部附接至锚固装置，并且所述多个连接器的另一端部附接至包含腔室的本体。由连接器施加的力将压缩超声头的近端部分，从而确保腔室的正确密封。优选地，由压力装置产生的力将是可调节的。

压力装置的示例性实施方式可以包括：多个杆，所述多个杆围绕超声头布置，垂直于第一节点平面和第二节点平面，用作锚固装置的轴向移位的导引件；以及多个紧固装置，所述多个紧固装置允许向超声头施加一定量的应力。锚固装置可以是例如与第一节点平面和第二节点平面平行的平板，该平板具有孔以允许超声头的一部分通过该平板，从而将所述孔的周缘部分支撑在超声头的第二表面上。

如果构成所述锚固装置的平板在其周缘中包括多个通孔，所描述的杆可以作为压力装置的一部分插入所述多个通孔中，则所述杆将能够引导所述锚固装置的轴向移位。另外，如果杆是带螺纹的并且包括螺母作为紧固装置，则可以将压力调节至超声头调节所述螺母所受到的压力。

还设想其他解决方案，比方说例如使用活塞或弹簧。

还设想的是，包含腔室的本体由单个部件或者由两个或更多个联接的互补半本体形成。在由两个或更多个半本体形成的情况下，优选的是，入口孔和出口孔限定在两个半本体之间的接合平面，部分地限定在两个相对的半本体中的一个本体或另一个本体中，使得：通过分开所述半本体，将能够容易地进入所述入口孔和出口孔的内部，从而允许清洁可能残留的任何聚合物。

优选地，超声波发生器容置孔将被限定在所述半本体中的其中一个半本体中，并且压力装置也将被附接至该半本体，使得：该半本体、环形密封件、锚固装置和超声头形成一个接合组件。这将允许把两个半本体分开以进行腔室和孔的内部的清洁或维护任务，而无需将超声头与超声头所连接的半本体脱开联接。

本发明的其他特征将在示例性实施方式的以下详细描述中显现。

附图说明

根据参考附图对示例性实施方式的以下详细描述将更全面地理解前述及其他优点和特征，所述附图必须以说明而非限制的方式参考，在附图中：

图1示出了超声装置的示意性横截面，其中，未示出聚合物挤压机设备，但是其中，熔融聚合物从所述挤压机设备移位至出口孔的方向借助于以简化方式示出的箭头指示；以及

图2以分解图示出了与图1的超声装置相同的超声装置。

具体实施方式

附图示出了本发明的具有说明性的非限制性特征的示例性实施方式。

根据优选实施方式，所提出的超声装置将特别适合于其在聚合物挤压机械中的使用(具有或不具有添加剂)。

所述挤压机包括聚合物挤压机设备，该聚合物挤压机设备对熔融聚合物进行加压而使熔融聚合物通过入口孔11进入到腔室10中。除了入口孔11之外，所述腔室还将设置有超声波发生器容置孔13以及与成型模具连通的出口孔12，成型模具确定由所述挤压机设备生产的挤压聚合物产品的几何结构。

入口孔11和出口孔12可以对准或者不对准。

在该示例中，聚合物挤压机设备包括筒形熔合腔室，该筒形熔合腔室容纳一个或两个心轴以及位于筒形熔合腔室的起始处的颗粒状聚合物入口，但是也可以考虑其他实施方式。在这种类型的设备中，心轴的旋转对聚合物进行压缩，将聚合物输送、揉合并且使聚合物与添加剂(如果有的话)混合，还可以包括提高聚合物的温度以促进聚合物熔融的加热器。熔融聚合物流通过入口孔11被引入到容纳超声头的远端部分的腔室。

容纳超声头的远端部分的所述腔室可以通过入口孔连接在挤压机设备的端部处，或者相反，容纳超声头的远端部分的所述腔室可以结合在所述挤压机设备的中间部分，使得由超声头产生的振动将被施加至容纳在挤压机设备中的聚合物。在这样的实施方式中，一个或多个心轴将优选地穿过所述腔室，但是也可以设想的是，一个或两个心轴可以位于所述腔室之前，或者一个或两个心轴可以位于所述腔室之后。

所提出的超声装置由与超声头20连接的产生振动的超声换能器25形成，超声换能器25将所产生的振动传递给超声头20。

所述超声头20将依次由与超声换能器25直接接触的超声放大器24以及连接至所述超声放大器24的超声波发生器23形成。

超声头20的与超声波发生器23的一部分相对应的远端部分21将容纳在腔室10内，超声头20的远端部分21通过超声波发生器容置孔13以悬臂伸入的方式插入到腔室10，所述远端部分21保持与加压的熔融聚合物接触，振动施加至加压的熔融聚合物，从而在通过出口孔12离开腔室之前改变加压的熔融聚合物的性能。

超声头20的其余部分构成保留在腔室10外部的近端部分22。

超声换能器25通常产生呈正弦波形状的振动，该振动以驻波的形式在超声头20中传播。受到驻波作用的任何本体都会产生一个或多个节点平面，其中，振动幅度将始终为零。

所提出的超声头20将构造成使得在远端部分21与近端部分22之间限定第一节点平面PN1。这允许的是：环形密封件30可以与所述第一节点平面PN1相对应地布置在超声头20的周围，并与超声头20接触，从而密封超声波发生器容置孔13，进而防止容纳在腔室10中的熔融的加压聚合物通过该超声波发生器容置孔13流向腔室10的外部。

所述环形密封件30可能影响超声头20的振动，或者所述振动可能影响由环形密封件30产生的密封。为此，提出的是，环形密封件30由管状本体构成，超声头20的远端部分21插入通过管状本体，所述管状本体设置有与超声头20的第一节点平面PN1平行且共面的环形密封件30的环状表面。超声头20还设置有与第一节点平面PN1共面的第一环状表面S1，第一环状表面S1与环形密封件30的环状表面互补。

当处于组装姿态时，超声头20布置成使得超声头20的第一环状表面S1搁置在环形密封件30的环状表面上并与环形密封件30的环状表面接触。

所述表面与第一节点平面PN1共面，所述环状表面的所有点上的振动幅度将等于零，使得在所述表面与所述环状表面之间产生的密封将不受超声头20的振动的影响。

超声头20还将构造成在超声头20的近端部分22中产生与第一节点平面PN1平行并与第一节点平面PN1分离的第二节点平面PN2。优选地，所述第二节点平面PN2将远离超声波发生器23与超声放大器24之间的接合部，以避免使所述接合部承受过大的应力，该过大的应力可能损坏比方说诸如螺纹接合部之类的接合装置。

超声头20还将设置有与第一表面S1平行并且与第二节点平面PN2共面或相邻的第二表面S2，使得第二表面S2中的振动幅度将为零或大大减小。

第二表面S2可以由多个第二部分表面形成，所述多个第二部分表面全部彼此共面，从而形成环状不连续表面，而不会影响本发明。

锚固装置40布置成搁置在第二表面S2上并与第二表面S2接触，在该实施方式中提出的是，锚固装置40为平板，该平板设置有中央通孔，超声头20的一部分穿过该中央通孔，中央孔保持与超声头20的第二表面S2接触。

压力装置41沿与第一节点平面PN1和第二节点平面PN2垂直的方向对所述锚固装置40施加压力，压力通过第二表面S2传递至超声头20，从而使超声头20的一部分压靠环形密封件30，由此确保容纳在腔室10中的熔融聚合物的压力不会引起通过环形密封件30与超声头20的第一表面S1的接合部而发生的泄漏。由压力装置41施加的压力将大于腔室10的熔融聚合物的压力。

第一表面S1的布置和环形密封件30的几何结构与施加在超声头20上的压缩方向一起沿所述超声头20的轴向方向——而不是如本领域中常见的沿径向方向——在超声头20与环形密封件30之间产生密封。

在本实施方式中，压力装置41包括彼此平行并且垂直于超声头20的第一节点平面PN1和第二节点平面PN2的至少两个杆，所述至少两个杆具有附接至包含腔室10的本体的端部以及横穿锚固装置40的通孔的端部，从而允许沿由杆限定的轴向方向引导锚固装置。

所述杆将优选地是螺纹杆，并且将设置有多个螺母作为紧固装置42，紧固装置42将允许锚固装置40朝向包含腔室10的本体移位，从而对夹置的超声头20进行压缩。替代性地，设想的是，螺纹杆可以例如在电机驱动下旋转，螺母附接至锚固装置40或结合在锚固装置40中。

还提出的是，环形密封件30是包含腔室10的本体的独立部件，由此便于其维护和更换。在这种情况下，包含腔室10的本体将围绕超声波发生器容置孔13设置有与超声头20的第一表面S1平行且相对的第三表面S3，并且环形密封件30还将具有环状平坦表面，该环状平坦表面构造成保持坐置在第三表面S3上，从而将环形密封件30保持在超声头20与包含腔室10的本体之间。由压力装置施加的压力确保环形密封件30的两个垫圈均被密封，从而避免喷出熔融聚合物。

将理解的是，在实施方式中描述的构成本发明的不同部分可以与在其他不同实施方式中描述的部分自由地组合，即使没有明确描述这种组合，只要该组合中不存在任何损害即可。

Claims (11)

1.一种用于聚合物挤压机的超声装置，所述超声装置包括：

腔室，所述腔室设置有用于熔融的加压聚合物的入口孔、用于熔融的加压聚合物的出口孔、以及超声波发生器容置孔，所述腔室与聚合物挤压机设备可连接或结合，用于将熔融的加压聚合物进料至所述入口孔；

包括至少一个超声波发生器的超声头，所述超声头设置有远端部分和近端部分，所述远端部分和近端部分由第一节点平面分隔，其中，所述远端部分完全由所述超声波发生器构成，并且所述远端部分通过所述超声波发生器容置孔以悬臂伸入所述腔室的方式插入到所述腔室中，所述远端部分意在保持与容纳在所述腔室中的熔融的加压聚合物接触，并且其中，至少部分地由所述超声波发生器构成的所述近端部分保持位于所述腔室的外部并与超声换能器连接，并且所述近端部分包括远离所述第一节点平面并与所述第一节点平面平行的至少一个第二节点平面；

与所述超声头接触并与所述第一节点平面重合的环形密封件，所述环形密封件构造成对容纳熔融的加压聚合物的所述腔室的所述超声波发生器容置孔进行密封；

其特征在于，

所述第一节点平面与所述超声头的第一环状表面共面；

所述第二节点平面与所述超声头的平行于所述第一环状表面的第二表面共面或相邻，

所述环形密封件具有第一环状表面，所述环形密封件的第一环状表面放置在与之平行的所述超声头的所述第一环状表面上；

锚固装置附接或支撑在所述超声头的所述第二表面上，

压力装置至少连接至所述锚固装置，并沿垂直于所述超声头的所述第一环状表面的方向施加压力，从而对所述近端部分的位于所述锚固装置与所述环形密封件之间的至少一部分进行压缩，并将压力传递至所述环形密封件，从而形成所述腔室的紧密密封。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声头的所述近端部分至少部分地由夹置于所述超声波发生器与所述超声换能器之间的超声放大器构成。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二节点平面远离所述超声波发生器与所述超声放大器之间的接合部。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声头的整个所述近端部分由所述超声波发生器构成。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述超声头的所述远端部分相比于所述超声头的所述近端部分具有更小的直径。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，直径较小的所述远端部分和直径较大的所述近端部分之间的过渡部限定第一环状表面。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述腔室围绕所述超声波发生器容置孔设置有第三环状表面，所述第三环状表面与所述超声头的所述第一环状表面相对并且与所述环形密封件的另一环状表面接触，所述环形密封件包括保持在所述第一环状表面与所述第三环状表面之间的管状本体。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第三环状表面限定环状座，所述环状座构造成提供所述环形密封件的精确定位。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述环形密封件是金属的或陶瓷的。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述环形密封件限定内部间隙，所述内部间隙的横截面大于所述超声波发生器的所述远端部分的横截面。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压力装置包括多个连接器，所述多个连接器的一个端部附接至所述锚固装置，并且所述多个连接器的另一端部附接至包含所述腔室的本体。

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