CN114874628A - 一种改性有机硅弹性体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法和应用。所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:硅橡胶预聚体100份、固化剂8~12份和寡聚物0.5~7.5份。所述制备方法包括如下步骤:(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合,脱泡,得到混合物;(2)将步骤(1)得到的混合物涂覆在基板上,脱泡,固化,得到所述改性有机硅弹性体。本发明提供的改性有机硅弹性体具有较好的柔软度、较高的安全性和较好的透气性,且在干、湿表面均具有较好粘附性,可用作可穿戴设备的柔性基底材料。
Description
技术领域
本发明属于弹性体技术领域,具体涉及一种改性有机硅弹性体及其制备方法和应用。
背景技术
随着生活质量的不断提高,人们也越来越关注自身的健康。对于运动员和一些的病人,实时监测身体中的生理指标如心电、肌电及关节运动等就显得尤为重要。但是这些生理生化指标的获取往往需要受过专业训练的人员、昂贵的大型仪器以及长时间的等待,所以,开发能够在一次粘附后进行多次检测而且能够实时监测身体各项指标的柔性可穿戴设备就显得尤为必要。近年来,随着科学技术的发展,用作可穿戴设备的柔性基底材料的种类及制备方法也引起了越来越广泛的关注。
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由上述内容可知,现有技术中制备可穿戴设备的柔性基底材料时,常需要在溶剂存在下进行,且通常需要浇筑成型。但是由于高分子溶液在高分子的固化的过程中存在不可控的蒸发现象,且在柔性基底材料厚度较低时,溶剂的蒸发对固化后柔性基底薄膜的力学性能影响严重,且浇筑制备得到的柔性基底薄膜通常较厚,其透气性较差,在穿戴过程中影响汗液排出,容易导致皮肤不适、器件脱离等结果;同时,众所周知人体会有出汗等生理现象,洗澡等行为,这些现象和行为都会在皮肤和设备表面产生界面水,严重影响柔性基底材料的粘附性能。
因此,如何提供一种柔软、在干湿表面均具有较好粘附性、透气性好、制备方法简单的可用于制备可穿戴设备的柔性基底的弹性体,已成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法和应用。本发明中通过对改性有机硅弹性体制备原料的设计,进一步通过寡聚物的使用,制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的柔软度、较高的安全性和较好的透气性,且在干、湿表面均具有较好粘附性,可用作可穿戴设备的柔性基底材料。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种改性有机硅弹性体,所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:
硅橡胶预聚体100份、固化剂8~12份和寡聚物0.5~7.5份。
本发明中,通过对改性有机硅弹性体制备原料的设计,进一步通过寡聚物的使用,通过寡聚物对硅橡胶预聚体和固化剂过程中得到的硅橡胶进行改性,可降低硅橡胶的交联程度,由此制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的柔软度(弹性模量<500KPa)和较好的透气性,且在干湿表面均具有较好粘附性;同时本发明中改性有机硅弹性体的制备原料中不含有机溶剂,其安全性更高,同时避免了制备改性有机硅弹性体的过程中,由于溶剂的挥发导致改性有机硅弹性体力学性能较差,甚至造成改性有机硅弹性体表面产生孔洞、不连贯问题的发生。本发明提供的改性有机硅弹性体可用作可穿戴设备的柔性基底材料。
本发明中,进一步通过控制寡聚物的含量在特定的范围内,制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的综合性能。若寡聚物的含量过少,则制备得到的改性有机硅弹性体的力学性能较差,其断裂伸长率较低,且附着力较差;若寡聚物的含量过多,则反应被抑制,难于固化形成改性有机硅弹性体。
本发明中,所述固化剂的重量份数可以是8份、8.5份、9份、8.5份、10份、10.5份、11份、11.5份或12份等。
所述寡聚物的重量份数可以是0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份或7.5份等。
以下作为本发明的优选技术方案,但不作为对本发明提供的技术方案的限制,通过以下优选的技术方案,可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。
作为本发明的优选技术方案,所述硅橡胶预聚体为双键封端的聚硅氧烷。
本发明中,所述固化剂中含有铂催化剂。
本发明中,硅橡胶预聚体和固化剂优先选用购自道康宁的Dow Corning Sylgard184。
作为本发明的优选技术方案,所述寡聚物的聚合度≤100,例如可以是10、20、30、40、50、60、70、80、90或100等,所述寡聚物的重均分子量≤10000,例如可以是1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000或10000等。
优选地,所述寡聚物在25℃下为液态。
作为本发明的优选技术方案,所述寡聚物选自聚乙二醇、聚丙二醇、聚甘油、吐温或司盘中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述聚乙二醇的重均分子量为200~700,例如可以是聚乙二醇200、聚乙二醇400或聚乙二醇600等;聚丙二醇的重均分子量为200~8000,例如可以是200、500、1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000或8000等;所述聚甘油选自二聚甘油、三聚甘油、五聚甘油或十聚甘油等;所述吐温选自吐温20、吐温40、吐温60或吐温80等;所述司盘选自司盘20、司盘40、司盘60或司盘80等。
本发明中,选用的寡聚物具有高配位性能的官能团或高极性亲水链段和低极性的烷基链,进一步利用具有高极性官能团和低极性主链的寡聚物对硅橡胶预聚体和固化剂反应得到的硅橡胶进行改性,首先寡聚物中的高配位性能的官能团或高极性亲水链段可与固化剂中的铂催化剂结合紧密,寡聚物中的低极性主链与硅橡胶预聚物结合力较强,因此,在反应过程中,寡聚物的使用可减少铂催化剂与硅橡胶预聚物的接触,进而可降低其交联程度,由此制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的柔软度和粘附性;同时由于寡聚物与硅橡胶中硅橡胶预聚物部分和固化剂部分均具有较强的作用力,因此反应后的得到的混合体系具有较高的粘度,在后续旋涂制备改性有机硅弹性体过程中,不会发生分离现象,可制备得到较薄的改性有机硅弹性体。
优选地,所述寡聚物为聚丙二醇,所述聚丙二醇的重均分子量为6000~8000,例如可以是6000、6200、6400、6800、7000、7200、7400、7600、7800或8000等。
本发明中,优选选用重均分子量较大的聚丙二醇作为寡聚物对硅橡胶预聚体和固化剂过程中得到的硅橡胶进行改性,得到的改性有机硅弹性体具有优异的综合性能。当加入量相同时,使用分子量更大的寡聚物可以更好的减少铂催化剂与硅橡胶预聚物的接触,降低其交联程度,使弹性体具有更高的柔软度和粘附性,同时通过链间的物理缠结,改善其机械性能;而分子量较低的寡聚物则不能很好的减少催化剂与反应物的接触,相同条件下所得改性有机硅弹性体柔软性和粘附性差。因此,在加入量相同的情况下,若选用分子量相对较低的寡聚物制备改性有机硅弹性体,可适当降低固化温度,延长固化时间,用以得到柔软度和粘附性较好的改性有机硅弹性体,但是该弹性体的制备时间较长。
同时,需要说明的是,若寡聚物的含量较低,则固化剂中的催化剂与硅橡胶预聚体的接触较好,导致其固化效率较快,硅橡胶预聚体的交联程度较大,由此制备得到的改性有机硅弹性体柔软性和粘附性差,因此,当寡聚物的含量较低时,可适当降低固化温度,延长固化时间,用以得到柔软度和粘附性较好的改性有机硅弹性体;若寡聚物的含量较高,则固化剂中的催化剂与硅橡胶预聚体的接触较差,导致其固化效果较差,甚至导致其不能固化,因此,当寡聚物的含量较高时,可适当提高固化温度,制备得到能够使用的改性有机硅弹性体。
第二方面,本发明提供一种如第一方面所述的改性有机硅弹性体的制备方法所述制备方法包括如下步骤:
(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合,脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物涂覆在基板上,脱泡,固化,得到所述改性有机硅弹性体。
作为本发明的优选技术方案,所述基板的材质选自PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或PTFE(聚四氟乙烯)。
优选地,所述涂覆的方法为旋涂。
优选地,步骤(1)和步骤(2)所述脱泡的方法各自独立地选自静置脱泡和/或真空脱泡。
作为本发明的优选技术方案,所述固化的温度为40~100℃,例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等。
优选地,所述固化的时间为0.5~6h,例如可以是0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h等。
作为本发明的优选技术方案,所述改性有机硅弹性体的厚度为20~100μm,例如可以是20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等。
需要说明的是,步骤(2)所述固化后还包括去除基板的步骤。
作为本发明的优选技术方案,所述制备方法具体包括如下步骤:
(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合后,进行静置脱泡和/或真空脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物旋涂在基板上,进行静置脱泡和/或真空脱泡,在40~100℃下固化0.5~6h,得到厚度为20~100μm的改性有机硅弹性体。
第三方面,本发明提供一种如第一方面所述的改性有机硅弹性体在柔性可穿戴设备中的应用。
以本发明提供的改性有机硅弹性体作为可穿戴设备的柔性基底材料与皮肤接触,当人体运动出汗或者洗澡后,在皮肤表面会产生界面水,本发明中通过特定寡聚物对硅橡胶的改性,最终制备得到的硅橡胶表面含有高极性官能团/亲水链段,因此,当其与表面有界面水的皮肤接触使,经寡聚物改性份硅橡胶对皮肤上的界面水具有一定的吸附作用,同时由于制备得到的硅橡胶为疏水材料,因此,可通过按压排除界面水,实现湿润条件下的稳定黏附,因此,制备得到的改性有机硅弹性体在干湿表面均具有较好粘附性。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明中,通过对改性有机硅弹性体制备原料的设计,进一步通过特定寡聚物的使用,并控制寡聚物的含量在特定的范围内,同时配合特定的工艺条件,制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的柔软度、较好的粘附性、较高的透气性、较好的力学性能和较好的生物相容性,其弹性模量为50~360kPa,断裂伸长率可达260~600%,在干燥表面附着力为0.63~0.89N/cm,在湿润表面附着力为0.47~0.74N/cm,水汽透过速率可达74g/(m2·h),具体为14~74g/(m2·h),水滴在改性有机硅弹性体上静置10min后,其水接触角变化可达19°,具体为7~19°。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的改性有机硅弹性体的明场显微镜图,标尺为200μm;
图2是本发明对比例4提供的有机硅弹性体的明场显微镜图,标尺为200μm;
图3是本发明实施例1提供的改性有机硅弹性体的钙黄绿素染色荧光显微镜图,标尺为200μm;
图4是本发明对比例4提供的有机硅弹性体的钙黄绿素染色荧光显微镜图,标尺为200μm。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
下述实施例和对比例中部分组分来源如下所述:
实施例和对比例中部分组分来源如下:
硅橡胶预聚体和固化剂:道康宁,Dow Corning Sylgard 184;
聚丙二醇:重均分子量为8000(聚丙二醇8000)。
实施例1
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:
硅橡胶预聚体100份、固化剂10份和聚丙二醇8000 5份。
上述改性有机硅弹性体的制备方法如下:
(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合后,进行静置脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物旋涂在基板上,静置脱泡后,在80℃下固化2h,得到厚度为100μm的改性有机硅弹性体。
实施例2
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:
硅橡胶预聚体100份、固化剂12份和聚丙二醇8000 7份。
上述改性有机硅弹性体的制备方法如下:
(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合后,进行静置脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物旋涂在基板上,静置脱泡后,在100℃下固化0.5h,得到厚度为40μm的改性有机硅弹性体。
实施例3
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:
硅橡胶预聚体100份、固化剂8份和聚乙二醇600 4份。
上述改性有机硅弹性体的制备方法如下:
(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合后,进行静置脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物旋涂在基板上,静置脱泡后,在40℃下固化5.5h,得到厚度为20μm的改性有机硅弹性体。
实施例4
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:
硅橡胶预聚体100份、固化剂10份和十聚甘油6份。
上述改性有机硅弹性体的制备方法如下:
(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合后,进行静置脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物旋涂在基板上,真空脱泡后,在70℃下固化1.5h,得到厚度为50μm的改性有机硅弹性体。
实施例5
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,将聚丙二醇8000替换为聚乙二醇200,其他条件与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,将聚丙二醇8000替换为聚乙二醇200,且制备方法中固化的条件为:在40℃下固化6h;其他条件与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述聚丙二醇8000的重量份数为0.5份,固化条件为:在40℃下固化6h;其他条件与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述聚丙二醇8000的重量份数为7.5份,固化条件为:在100℃下固化2h;其他条件与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述硅橡胶预聚体和固化剂为Wacker ELASTOSIL RT 601,其他条件与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述聚丙二醇8000的重量份数为0.2份,固化条件为:在40℃下固化7h;其他条件与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述聚丙二醇8000的重量份数为10份,固化条件为:在110℃下固化2h;其他条件与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种改性有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:
硅橡胶预聚体100份、固化剂10份和聚乙烯亚胺(重均分子量为70000)0.1份和水0.9份;
其他条件与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种有机硅弹性体及其制备方法,与实施例1的区别仅在于,所述有机硅弹性体的制备原料中不包括聚丙二醇8000,其他条件与实施例1相同。
使用激光共聚焦显微镜,将细胞在本发明实施例1和对比例4提供的弹性体上培养3天后对本发明实施例1和对比例4提供的弹性体进行明场成像,测试结果分别如图1和图2所示。由图1和图2可知:细胞能在本发明实施例1提供的弹性体上粘附增殖且形态饱满,证明本发明提供的弹性体具有良好的生物相容性。
同时,使用激光共聚焦显微镜荧光模式,将细胞在本发明实施例1和对比例4提供的弹性体上培养3天后对本发明实施例1和对比例4提供的弹性体进行了荧光成像,测试结果分别如图3和图4所示。由图3和图4可知:本发明实施例1提供的弹性体上细胞存活率非常高,证明其具有良好的生物相容性。
对上述实施例和对比例提供的改性有机硅弹性体的性能进行测试,测试方法如下:
以下测试均在25℃、50%湿度、常压条件下进行,样品为上述实施例和对比例提供的有机硅弹性体(未去除基板);
弹性模量与断裂伸长率:使用机械/激光切割,将固化后样品切割成长度为50mm×15mm的样条,去除基板后,将两端固定在测试机架的夹具上,以100mm/min的速度进行拉伸直至断裂,将应力与应变作图,取最初应力与应变正比例相关的部分,其斜率为弹性模量,断裂时改性有机硅弹性体的应变为断裂伸长率。
附着力:使用机械/激光切割,将固化后样品切割成长度为50mm×15mm的样条,将样品一端固定在测试机架的夹具上,另一端放置在光滑的表面(光滑表面置于空气中或者置于水中)上并按压(压力为30N),将其夹具以100mm/min的速度移动,直至样品与表面脱离,记录最大力,除以样品宽度得到粘附力/剥离力;
其中,当光滑表面置于空气中时,测得的是干燥表面的附着力;当光滑表面置于水中时,测得的是湿润表面的附着力。
水汽透过速率:将固化后样品称重并使其包覆盛有一定质量水的敞口塑料皿口,12h后测试蒸发掉的水的质量,通过除以面积和时间得到水汽透过速率,即:
水汽透过速率=(m0-m1)÷(S×t);
其中,m0为初始盛有一定质量水的敞口塑料皿的质量(g),m1为12h后盛有水的敞口塑料皿的质量(g),S为敞口塑料皿口的面积(m2),t为测试时间(h)。
水接触角:(立刻测试和水滴放置10min后进行测试)使用接触角测试仪进行测试。
上述实施例和对比例提供的改性有机硅弹性体的性能测试结果如下表1所示:
表1
由表1的内容可知,本发明中,通过对改性有机硅弹性体制备原料的设计,进一步通过特定寡聚物的使用,并控制寡聚物的含量在特定的范围内,同时配合特定的工艺条件,制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的柔软度、较好的粘附性、较高的透气性、较好的力学性能和较好的生物相容性,其弹性模量为50~360kPa,断裂伸长率可达260~600%,在干燥表面附着力为0.63~0.89N/cm,在湿润表面附着力为0.47~0.74N/cm,水汽透过速率可达74g/(m2·h),具体为14~74g/(m2·h),水滴在改性有机硅弹性体上静置10min后,其水接触角变化可达19°,具体为7~19°。
由实施例1与实施例5-6的数据可知,本发明中,通过特定重均分子量的寡聚物与特定工艺条件的配合,制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的柔软性、较好的力学性能和较好的粘附性。
与实施例1相比,若选用其他硅橡胶预聚体和固化剂(实施例9),其制备得到的改性有机硅弹性体的性能也有所下降。
与实施例1相比,若改性有机硅弹性体的制备原料中寡聚物的含量过少(对比例1),即便延长其固化时间,制备得到的改性有机硅弹性体的综合性能较差;若寡聚物的含量过多(对比例2),即便提高其固化温度,弹性体也难以固化成形,不能使用。
与实施例1相比,若采用交联网状高聚物(聚乙烯亚胺)作为寡聚物并使用溶剂制备改性有机硅弹性体(对比例3),在制备得到的弹性体的附着力与本发明相当的情况下,由于对比例3在制备改性有机硅弹性体的过程中,溶剂的挥发导致了改性有机硅弹性体力学性能较差,且制备得到的改性有机硅弹性体表面有微孔的产生。
与实施例1相比,若未采用寡聚物制备有机硅弹性体,则制备得到的弹性体的综合性能较差。
综上所述,本发明中,通过对改性有机硅弹性体制备原料的设计,进一步通过特定寡聚物的使用,并控制寡聚物的含量在特定的范围内,同时配合特定的工艺条件,制备得到的改性有机硅弹性体具有较好的柔软度、较好的粘附性、较高的透气性、较好的力学性能和较好的生物相容性,适用作可穿戴设备的柔性基底材料。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种改性有机硅弹性体,其特征在于,所述改性有机硅弹性体的制备原料包括如下重量份数的组分:
硅橡胶预聚体100份、固化剂8~12份和寡聚物0.5~7.5份。
2.根据权利要求1所述的改性有机硅弹性体,其特征在于,所述硅橡胶预聚体为双键封端的聚硅氧烷。
3.根据权利要求1或2所述的改性有机硅弹性体,其特征在于,所述寡聚物的聚合度≤100,所述寡聚物的重均分子量≤10000;
优选地,所述寡聚物在25℃下为液态。
4.根据权利要求1-3任一项所述的改性有机硅弹性体,其特征在于,所述寡聚物选自聚乙二醇、聚丙二醇、聚甘油、吐温或司盘中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述寡聚物为聚丙二醇,所述聚丙二醇的重均分子量为6000~8000。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的改性有机硅弹性体的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将改性有机硅弹性体的制备原料混合,脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物涂覆在基板上,脱泡,固化,得到所述改性有机硅弹性体。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述基板的材质选自PET或PTFE;
优选地,所述涂覆的方法为旋涂;
优选地,步骤(1)和步骤(2)所述脱泡的方法各自独立地选自静置脱泡和/或真空脱泡。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述固化的温度为40~100℃;
优选地,所述固化的时间为0.5~6h。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述改性有机硅弹性体的厚度为20~100μm。
9.根据权利要求5-8任一项所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法具体包括如下步骤:
(1)将硅橡胶单体、固化剂和寡聚物混合后,进行静置脱泡和/或真空脱泡,得到混合物;
(2)将步骤(1)得到的混合物旋涂在基板上,进行静置脱泡和/或真空脱泡,在40~100℃下固化0.5~6h,得到厚度为20~100μm的改性有机硅弹性体。
10.一种如权利要求1-4任一项所述的改性有机硅弹性体在柔性可穿戴设备中的应用。
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刘浩亮: ""硅橡胶介电弹性体复合材料的制备与性能研究"" * |
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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