CN113696583A - 一种连续纤维增强mc尼龙板材、制备方法及制备系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种连续纤维增强MC尼龙板材、制备方法及制备系统，所述连续纤维增强MC尼龙板材包括：底膜、顶膜、位于所述底膜与所述顶膜之间的连续纤维铺层、以及浸渍并加热固化在所述连续纤维铺层上的MC尼龙。本发明采用MC尼龙作为树脂基材，连续纤维铺层作为增强骨架，首先铺设底膜，然后在底膜上铺设连续纤维铺层并对其进行预热，再采用MC尼龙预聚体对连续纤维铺层进行浸渍，最后对浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化，制备得到连续纤维增强MC尼龙板材产品；本发明制备的连续纤维增强MC尼龙板材具有高强度、高抗冲击以及可回收利用的特点。

Description

一种连续纤维增强MC尼龙板材、制备方法及制备系统
技术领域
本申请涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种连续纤维增强MC尼龙板材、制备方法及制备系统。
背景技术
随着工业的发展，逐步开始应用高强度、高抗冲塑料代替金属，实现以塑代钢，如发动机底护板、汽车下护板、座椅骨架、压力容器等。现有技术中的复合材料板材在生产时多采用不饱和聚酯、环氧树脂、聚丙烯等浸渍纤维束，存在如下问题：第一个问题是回收问题，采用不饱和聚酯、环氧树脂等与纤维复合得到的复合材料制品，难以回收、污染环境，第二个问题是浸渍效果不好，不饱和聚酯、环氧树脂等与纤维的结合度不够，影响材料的性能。为此，本申请提出一种连续纤维增强MC尼龙板材、制备方法及制备系统。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种连续纤维增强MC尼龙板材、制备方法及制备系统。
第一方面，本申请提供一种续纤维增强MC尼龙板材，包括底膜、顶膜、位于所述底膜与所述顶膜之间的连续纤维铺层、以及浸渍并加热固化在所述连续纤维铺层上的MC尼龙。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述底膜和所述顶膜分别为尼龙膜、聚酯膜或聚丙烯膜中的任意一种。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述连续纤维铺层包括以层叠方式铺设的若干连续纤维布或连续纤维毡；所述连续纤维布为连续玻璃纤维布、连续碳纤维布、连续芳纶纤维布、连续玄武岩纤维布、连续碳纤维/芳纶纤维混纺布、连续碳纤维/玻璃纤维混纺布或连续玻璃纤维/芳纶纤维混纺布；所述连续纤维毡为连续玻璃纤维毡、连续碳纤维毡、连续芳纶纤维毡或连续玄武岩纤维毡。
第二方面，本申请提供一种如上所述续纤维增强MC尼龙板材的制备方法，所述方法包括如下步骤：
铺设底膜，并在底膜上铺设连续纤维铺层，得到第一中间产品；
对第一中间产品进行烘干预热；
采用MC尼龙预聚体对烘干预热后的第一中间产品进行浇注浸渍，得到第二中间产品；
在第二中间产品上铺设顶膜，得到第三中间产品；
对第三中间产品进行加热固化；
对加热固化后的第三中间产品进行压实并冷却，得到连续纤维增强MC尼龙板材成品。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，在对第一中间产品进行烘干预热之前，对第一中间产品进行预压。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，对第三中间产品进行加热固化具体包括：对第三中间产品进行初步加热固化，待浸渍在连续纤维铺层上的MC尼龙预聚体处于熔融态时，自顶膜对第三中间产品施加压力以压实第三中间产品，再对压实后的第三中间产品进一步加热固化。
第三方面，本申请提供一种如上所述续纤维增强MC尼龙板材的制备系统，包括依次设置的预热箱、浸渍箱以及加热固化箱；所述预热箱具有水平设置的第一牵引通道；所述浸渍箱具有水平设置的第二牵引通道；所述加热固化箱具有水平设置的第三牵引通道；所述第一牵引通道、所述第二牵引通道以及所述第三牵引通道位于同一水平线上；所述预热箱相对远离所述浸渍箱的一侧设有用于铺设底膜的底膜卷以及用于铺设连续纤维铺层的连续纤维卷；所述浸渍箱的顶部设有用于浇注MC尼龙预聚体的浇注口；所述浸渍箱和所述加热固化箱之间设有用于铺设顶膜的顶膜卷；所述加热固化箱相对远离所述浸渍箱的一侧设有第三组压辊。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述浸渍箱内的所述第二牵引通道的下方设有超声波振动装置。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述加热固化箱内的所述第三牵引通道上预留辊压口；所述辊压口处设有第二组压辊。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，设有第一组压辊所述预热箱相对远离所述浸渍箱的一侧设有第一组压辊。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本发明采用MC尼龙作为树脂基材，连续纤维铺层作为增强骨架，首先铺设底膜，然后在底膜上铺设连续纤维铺层并对其进行预热，再采用MC尼龙预聚体对连续纤维铺层进行浸渍，最后对浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化，制备得到连续纤维增强MC尼龙板材产品；本发明制备的连续纤维增强MC尼龙板材具有高强度、高抗冲击以及可回收利用的特点，本发明所采用的MC尼龙基体拉伸强度在90-100MPa，高于不饱和聚酯、环氧树脂、聚丙烯，且MC尼龙在固化以前粘度很低，流动性好，有利于与连续纤维铺层结合，结合度高，此外MC尼龙为热塑性树脂，加热后可以熔融塑化成型其它形状，因此采用MC尼龙所制备的本复合材料板材可以回收和再次利用，防止污染环境。
附图说明
图1为本申请实施例2提供的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统的结构示意图；
图2为本申请实施例2提供的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统的浸渍箱的俯视结构示意图；
图3为本申请实施例2提供的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统的加热固化箱的内部结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、连续纤维卷；2、底膜卷；3、第一组压辊；4、第一加热管；5、预热箱；6、第一风扇；7、第一容器；8、第二容器；9、控制阀门；10、过滤网；11、浸渍箱；12、超声波振动装置；13、顶膜卷；14、第三牵引通道；15、第二组压辊；16、第三组压辊；17、平行牵引装置。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
本实施例提供一种连续纤维增强MC尼龙板材，包括底膜、顶膜、位于所述底膜与所述顶膜之间的连续纤维铺层、以及浸渍并加热固化在所述连续纤维铺层上的MC尼龙。
所述底膜为尼龙膜、聚酯膜或聚丙烯膜中的任意一种；所述底膜的覆膜厚度为0.0025-1.5mm。
所述顶膜为尼龙膜、聚酯膜或聚丙烯膜中的任意一种；所述顶膜的覆膜厚度为0.0025-1.5mm。
所述连续纤维铺层包括以层叠方式铺设的若干连续纤维布或连续纤维毡；所述连续纤维铺层的层数为1-50层，所述连续纤维铺层的宽度为0.1-10米。
其中，所述连续纤维布为连续玻璃纤维布、连续碳纤维布、连续芳纶纤维布、连续玄武岩纤维布、连续碳纤维/芳纶纤维混纺布、连续碳纤维/玻璃纤维混纺布或连续玻璃纤维/芳纶纤维混纺布；所述连续纤维毡为连续玻璃纤维毡、连续碳纤维毡、连续芳纶纤维毡或连续玄武岩纤维毡。
实施例2
请参考图1，本实施例提供一种制备如实施例1所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统，该制备系统包括从左到右依次设置的预热箱5、浸渍箱11以及加热固化箱；所述预热箱5内具有水平设置的第一牵引通道；所述浸渍箱11内具有水平设置的第二牵引通道；所述加热固化箱内具有水平设置的第三牵引通道14；所述第一牵引通道、所述第二牵引通道以及所述第三牵引通道14位于同一水平线上。
所述预热箱5相对远离所述浸渍箱11的一侧(即图1中所述预热箱5的左侧)设有铺设台；所述铺设台靠近所述第一牵引通道的进口处，并且所述铺设台的台面与所述第一牵引通道齐平；所述铺设台上设有第一组压辊3；所述第一组压辊3相对远离所述预热箱5的一侧设有底膜卷2和连续纤维卷1；所述底膜卷2用于铺设底膜；所述连续纤维卷1用于在底膜上铺设连续纤维铺层；所述第一组压辊3用于预压铺设的连续纤维铺层。
在制备连续纤维增强MC尼龙板材时，通过平行牵引装置17牵引铺设在底膜上的连续纤维铺层沿水平方向运动，在运动的过程中，会依次经过预制箱5内的第一牵引通道、浸渍箱11内的第二牵引通道以及加热固化箱内的第三牵引通，其中平行牵引装置17的牵引速度为0.1-0.5米/分钟。
所述预热箱5内设有若干第一加热管4和若干第一风扇6，用于对经过第一牵引通道的连续纤维铺层进行烘干、预热处理；所述预热箱5内的预热温度为160-220℃；设置预热箱5的作用有两个，一是烘干连续纤维铺层，减少水分子对MC尼龙聚合的影响，二是给连续纤维铺层进行预热，使其接近MC尼龙预聚体的固化温度范围。
请进一步参考图2，所述浸渍箱11的顶部设有用于浇注MC尼龙预聚体的浇注口；所述浇注口上连接有浇注组件；所述浇注组件包括用于盛放真空脱水的己内酰胺与氢氧化钠反应后并再次真空脱水所得到溶液的第一容器7、用于盛放固化剂TDI的第二容器8、与浇注口相连通的进液管、连通第一容器7与进液管的第一分管、以及连通第二容器8与进液管的第二分管；其中，第一分管和第二分管上分别设有控制阀门9，进液管内设有过滤网10，所述过滤网10的滤网目数为10-500目。
当连续纤维铺层被牵引至浸渍箱11内时，第一容器7内的已经开环脱水的己内酰胺和第二容器8内的固化剂TDI在进液管内混合均匀后经浇注口浇注到连续纤维铺层上，对连续纤维铺层进行浸润；所述浸渍箱11内的所述第二牵引通道的下方设有超声波振动装置12；所述超声波振动装置12发出的超声波振动频率为20-80KHZ；所述超声波振动装置12的设置有利于增加MC尼龙预聚体对连续纤维铺层的浸渍效果，提高连续纤维铺层与MC尼龙预聚体的结合度。
所述第二牵引通道和所述第三牵引通道14的连接处设有顶膜卷13，所述顶膜卷13用于向浇注浸渍MC尼龙预聚体的连续纤维铺层上铺设顶膜，以进一步提高连续纤维增强MC尼龙板材的表面质量。
请进一步参考图3，所述加热固化箱内设有若干第二加热管和若干第二风扇，用于对经过第三牵引通道14的浸渍有MC尼龙预聚体的连续纤维铺层进行加热固化处理；所述加热固化箱内的加热固化温度为180℃。
所述加热固化箱内的所述第三牵引通道14上预留辊压口，所述辊压口开设在所述第三牵引通道14的顶部，并且所述辊压口的长度范围为0.3-1米；所述辊压口的左端与所述第三牵引通道14进口处之间的距离为0.5-1.5米；所述辊压口处设有第二组压辊15；当浸渍有MC尼龙预聚体的连续纤维铺层经所述第三牵引通道14进入到所述加热固化箱内后，浸渍在连续纤维铺层上的MC尼龙预聚体逐渐被加热固化，当其被牵引至所述辊压口处时，MC尼龙预聚体已经被固化了一段时间，呈现出粘稠状，处于未完全固化的状态(即熔融态)，此时，所述第二组压辊15作用在顶膜上，对熔融体施加压力，所施加的压力为0.05-1Mpa。
所述加热固化箱相对远离所述浸渍箱11的一侧(即图1中所述加热固化箱的右侧)设有第三组压辊16；加热固化后的板材经所述第三牵引通道14被牵引至加热固化箱的外部，此时，板材刚固化完全还未冷却，所述第三组压辊16用于对加热固化后的板材进一步压实，所述第三组压辊15所施加的辊压力为0.2-3Mpa。
实施例3
本实施例提供一种采用如实施例2所述的制备系统制备如实施例1所述的连续纤维增强MC尼龙板材的方法，在本实施例中，采用200g/m2和600g/m2规格的连续玻璃纤维布来铺设连续纤维铺层，连续玻璃纤维布的宽度为1米。所述方法包括如下步骤：
a、通过底膜卷在铺设台上铺设一层聚酯膜作为底膜，底膜的厚度为0.1mm；
b、通过连续纤维卷以层叠的方式在底膜上铺设连续纤维铺层，得到第一中间产品；其中，连续纤维铺层铺设的层数为12层，其中第一层和第十二层铺设规格为200g/m2的连续玻璃纤维布，其余层铺设规格为600g/m2的连续玻璃纤维布，连续纤维铺层的宽度为100cm；
需要说明的是，在铺设连续纤维铺层的时候，尽量在中间层铺设孔隙较大的连续纤维布/连续纤维毡，不宜在中间层铺设致密度过高的连续纤维布，这会导致浸渍液体难以渗透，导致MC尼龙预聚体和连续纤维之间的结合度不够。
c、采用平行牵引装置牵引第一中间产品移动，牵引方向自第一牵引通道朝向第三牵引通道，牵引速度为0.1米/分钟，第一中间产品首先通过第一组压辊，第一组压辊对第一中间产品预压，预压之后，继续向前运动；
d、当预压之后的第一中间产品被牵引至位于预热箱内的第一牵引通道内时，预热箱通过第一加热管和第一风扇对铺设在底膜上的连续纤维铺层进行烘干预热，预热温度设定为170℃；
e、当烘干预热后的第一中间产品被牵引至位于浸渍箱内的第二牵引通道内时，打开浇注组件上的控制阀门，MC尼龙预聚体经浇注口浇注到连续纤维铺层上对连续纤维铺层进行浸渍，得到第二中间产品；在浇注的同时，打开超声波振动装置，将连续纤维铺层振松，使得MC尼龙预聚体能够更好的浸渍连续纤维铺层，提高连续纤维铺层与MC尼龙预聚体的结合度；
f、通过顶膜卷在第二中间产品上铺设一层聚酯膜作为顶膜，得到第三中间产品，其中，顶膜的厚度为0.1mm；
g、当第三中间产品被牵引至位于加热固化箱内的第三牵引通道内时，加热固化箱通过第二加热管和第二风扇对第三中间产品进行加热固化，加热固化的温度设定为180℃；
h、当第三中间产品被牵引至第二组压辊处时，浸渍在连续纤维铺层上的MC尼龙预聚体已经被固化了一段时间，呈现出粘稠状，处于未完全固化的状态(即熔融态流体)，此时，所述第二组压辊作用在顶膜上，对熔融体施加压力，使得板材内部更加密实，有利于提高板材的性能，其中所施加的压力为0.1Mpa；
i、当固化完全的第三中间产品被牵引至加热固化箱的外部时，此时还未冷却处于高温状态，将其牵引至第三组压辊处，通过第三组压辊对其进一步压实，第三组压辊所施加的辊压力为1.5Mpa；
j、对经第三组压辊压实后的第三中间产品进行冷却、裁切，得到连续玻璃纤维增强MC尼龙板材成品。
对采用上述制备方法制备的连续纤维增强MC尼龙板材成品进行拉伸、弯曲、冲击性能测试，测试结果如表1所示。
表1
项目 测试结果 单位 测试方法
密度 1.76 g/cm<sup>3</sup> ISO 1183
拉伸强度 280 MPa ISO 527-1-2
拉伸模量 17000 MPa ISO 527-1-2
断裂伸长率 4％ ％ ISO 527-1-2
弯曲强度 230 MPa ISO 178
弯曲模量 12500 MPa ISO 178
无缺口冲击强度 87 KJ/m<sup>2</sup> ISO 179
纤维含量 43 ％ 内部测试
采用同样的测试方法对现有技术中的一种长玻璃纤维增强聚丙烯板材成品进行性能测试，测试结果如表2所示。
表2
项目 测试结果 单位 测试方法
密度 1.29 g/cm3 ISO 1183
拉伸强度 88 MPa ISO 527-1-2
拉伸模量 7250 MPa ISO 527-1-2
断裂伸长率 3 ％ ISO 527-1-2
弯曲强度 158 MPa ISO 178
弯曲模量 6100 MPa ISO 178
无缺口冲击强度 41 KJ/m2 ISO 179
纤维含量 24 ％ 内部测试
通过表1和表2可以看出，采用本实施例提供的制备方法制备的连续玻璃纤维增强MC尼龙板材具有较高的拉伸强度、弯曲强度和无缺口冲击强度。
实施例4
本实施例提供一种采用如实施例2所述的制备系统制备如实施例1所述的连续纤维增强MC尼龙板材的方法，在本实施例中，采用连续碳纤维布来铺设连续纤维铺层，其规格为3K，200g/m2，宽度为1米；具体的方法步骤与实施例3中的相同，此处不再赘述，最终制备得到的成品即为连续碳纤维增强MC尼龙板材，采用与实施例3中相同的测试方法对其进行拉伸、弯曲、冲击性能测试，得到的测试结果如表3所示。
表3
项目 测试结果 单位 测试方法
密度 1.41 g/cm<sup>3</sup> ISO 1183
拉伸强度 810 MPa ISO 527-1-2
拉伸模量 42000 MPa ISO 527-1-2
断裂伸长率 2.5 ％ ISO 527-1-2
弯曲强度 640 MPa ISO 178
弯曲模量 26500 MPa ISO 178
无缺口冲击强度 143 KJ/m<sup>2</sup> ISO 179
纤维含量 38 ％ 内部测试
通过表3可以看出，采用本实施例提供的制备方法制备的连续碳纤维增强MC尼龙板材具有较高的拉伸强度、弯曲强度和无缺口冲击强度。
实施例5
本实施例提供一种采用如实施例2所述的制备系统制备如实施例1所述的连续纤维增强MC尼龙板材的方法，在本实施例中，采用连续芳纶纤维布来铺设连续纤维铺层，其规格为800D，130g/m2，宽度为1米；具体的方法步骤与实施例3中的相同，此处不再赘述，最终制备得到的成品即为连续芳纶纤维增强MC尼龙板材，采用与实施例3中相同的测试方法对其进行拉伸、弯曲、冲击性能测试，得到的测试结果如表4所示。
表4
项目 测试结果 单位 测试方法
密度 1.26 g/cm<sup>3</sup> ISO 1183
拉伸强度 225 MPa ISO 527-1-2
拉伸模量 15000 MPa ISO 527-1-2
断裂伸长率 6 ％ ISO 527-1-2
弯曲强度 192 MPa ISO 178
弯曲模量 12300 MPa ISO 178
无缺口冲击强度 178 KJ/m<sup>2</sup> ISO 179
纤维含量 35 ％ 内部测试
通过表3可以看出，采用本实施例提供的制备方法制备的连续芳纶纤维增强MC尼龙板材具有较高的拉伸强度、弯曲强度和无缺口冲击强度。
本发明采用MC尼龙作为树脂基材，连续纤维铺层作为增强骨架，首先铺设底膜，然后在底膜上铺设连续纤维铺层并对其进行预热，再采用MC尼龙预聚体对连续纤维铺层进行浸渍，最后对浸渍的MC尼龙预聚体进行加热固化，制备得到连续纤维增强MC尼龙板材产品；本发明制备的连续纤维增强MC尼龙板材具有高强度、高抗冲击以及可回收利用的特点，所制备的板材的厚度最大可达100mm；本发明所采用的MC尼龙基体拉伸强度在90-100MPa，高于不饱和聚酯、环氧树脂、聚丙烯，且MC尼龙在固化以前粘度很低，流动性好，有利于与连续纤维铺层结合，结合度高，此外MC尼龙为热塑性树脂，加热后可以熔融塑化成型其它形状，因此采用MC尼龙所制备的本复合材料板材可以回收和再次利用，防止污染环境。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强MC尼龙板材，其特征在于，包括：底膜、顶膜、位于所述底膜与所述顶膜之间的连续纤维铺层、以及浸渍并加热固化在所述连续纤维铺层上的MC尼龙。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强MC尼龙板材，其特征在于，所述底膜和所述顶膜分别为尼龙膜、聚酯膜或聚丙烯膜中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强MC尼龙板材，其特征在于，所述连续纤维铺层包括以层叠方式铺设的若干连续纤维布或连续纤维毡；所述连续纤维布为连续玻璃纤维布、连续碳纤维布、连续芳纶纤维布、连续玄武岩纤维布、连续碳纤维/芳纶纤维混纺布、连续碳纤维/玻璃纤维混纺布或连续玻璃纤维/芳纶纤维混纺布；所述连续纤维毡为连续玻璃纤维毡、连续碳纤维毡、连续芳纶纤维毡或连续玄武岩纤维毡。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
铺设底膜，并在底膜上铺设连续纤维铺层，得到第一中间产品；
对第一中间产品进行烘干预热；
采用MC尼龙预聚体对烘干预热后的第一中间产品进行浇注浸渍，得到第二中间产品；
在第二中间产品上铺设顶膜，得到第三中间产品；
对第三中间产品进行加热固化；
对加热固化后的第三中间产品进行压实并冷却，得到连续纤维增强MC尼龙板材成品。
5.根据权利要求4所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备方法，其特征在于，在对第一中间产品进行烘干预热之前，对第一中间产品进行预压。
6.根据权利要求4所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备方法，其特征在于，对第三中间产品进行加热固化具体包括：对第三中间产品进行初步加热固化，待浸渍在连续纤维铺层上的MC尼龙预聚体处于熔融态时，自顶膜对第三中间产品施加压力以压实第三中间产品，再对压实后的第三中间产品进一步加热固化。
7.一种如权利要求1-3任一项所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统，其特征在于，包括依次设置的预热箱、浸渍箱以及加热固化箱；所述预热箱具有水平设置的第一牵引通道；所述浸渍箱具有水平设置的第二牵引通道；所述加热固化箱具有水平设置的第三牵引通道；所述第一牵引通道、所述第二牵引通道以及所述第三牵引通道位于同一水平线上；所述预热箱相对远离所述浸渍箱的一侧设有用于铺设底膜的底膜卷以及用于铺设连续纤维铺层的连续纤维卷；所述浸渍箱的顶部设有用于浇注MC尼龙预聚体的浇注口；所述浸渍箱和所述加热固化箱之间设有用于铺设顶膜的顶膜卷；所述加热固化箱相对远离所述浸渍箱的一侧设有第三组压辊。
8.根据权利要求7所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统，其特征在于，所述浸渍箱内的所述第二牵引通道的下方设有超声波振动装置。
9.根据权利要求7所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统，其特征在于，所述加热固化箱内的所述第三牵引通道上预留辊压口；所述辊压口处设有第二组压辊。
10.根据权利要求7所述的连续纤维增强MC尼龙板材的制备系统，其特征在于，设有第一组压辊所述预热箱相对远离所述浸渍箱的一侧设有第一组压辊。
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