CN116676032A - 一种快干辊涂型水性风电叶片面漆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及特种涂料技术领域，特别涉及一种快干辊涂型水性风电叶片面漆及其制备方法。其中，一种快干辊涂型水性风电叶片面漆由甲组分、乙组分组成；其中，所述甲组分包括水、水性羟基丙烯酸酯分散体、成膜助剂、水性分散剂、水性消泡剂、水性增稠剂、钛白粉、耐磨填料、消光粉、水性聚氨酯分散体和蜡乳液；所述乙组分包括水性异氰酸酯固化剂及丙二醇二乙酸酯。本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆，在具有优异的力学性能的同时，还具有可辊涂和快干的特点。同时本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆具有优异的耐磨性、耐雨蚀、耐紫外老化、耐盐雾、耐水性和耐酸碱等涂层防护性能，可满足海上风电叶片的长效保护。
Description
技术领域
本发明涉及特种涂料技术领域，特别涉及一种快干辊涂型水性风电叶片面漆及其制备方法。
背景技术
通常，风力资源主要分布于海洋、沙漠或高原山区，这些地区环境恶劣，风电叶片面临紫外光、沙尘和雨水等侵蚀，因此，风电叶片需要进行涂层防护，延长其使用寿命。
目前，陆地风电仍采用溶剂型涂料体系进行防护，海上风电由于环保要求，已经采用无溶剂和水性等环保型涂料进行防护。水性面漆是环保型风电叶片涂料的重要组成，在风电叶片涂层体系中，外界环境如光、雨水和机械冲击等直接作用在面漆上，因此，面漆需具有优异的紫外老化性能、雨蚀性能、耐水、耐湿热、交替气候、耐介质、耐冲击、耐磨等性能，一般采用力学和耐紫外俱佳的双组分水性聚氨酯体系。另外，在涂料应用领域，涂料的施工性尤为关键。目前，风电叶片涂装主要采用喷涂和辊涂施工工艺，采用喷涂涂装，漆料存在较大浪费，但是漆膜表面状态优异，辊涂涂装更省漆，成本更低。但是，辊涂容易产生辊痕、气泡等表面弊病。另外，水性涂料一般需避免厚涂，因为厚涂之后水分不易挥发，影响干燥，并且残留的水分在一些水性体系与固化剂发生反应，产生气泡，大幅降低涂层的防护性能。因此，水性面漆往往采用涂装多道的方式确保涂料具有一定的厚度，多道涂装方式对水性面漆干燥速率提出了较高的要求。
目前，外资品牌在我国风电叶片涂料市场占据主导地位。虽然近年来国内风电叶片涂料研究然逐渐增多，但是由于国内风电叶片涂料研究起步晚，国产材料限制等因素，暂无快干辊涂型水性面漆的相关研究报道。
因此，如何在涂层防护性能优异的前提下，获得可辊涂施工、干燥时间短的涂料成为风电叶片涂料研究的热点
发明内容
为解决上述现有技术无法获得防护性能优秀的同时，可辊涂施工、干燥时间短的涂料的不足，本发明提供一种快干辊涂型水性风电叶片面漆，包括
由甲组分、乙组分组成；
其中，所述甲组分包括水、水性羟基丙烯酸酯分散体、成膜助剂、水性分散剂、水性消泡剂、水性增稠剂、钛白粉、耐磨填料、消光粉、水性聚氨酯分散体和蜡乳液；
所述乙组分包括水性异氰酸酯固化剂及丙二醇二乙酸酯。
在一实施例中，以质量份数计，所述甲组分各组分为：
水6.5～14份、水性羟基丙烯酸酯分散体16.8～24份、成膜助剂2～6份、水性分散剂0.4～0.6份、水性消泡剂0.2～0.3份、水性增稠剂0.2～0.4份、钛白粉17～25份、耐磨填料5～10份、消光粉1.5～2.5份、水性聚氨酯分散体20.8～41.6份和蜡乳液3～5份；
所述乙组分各组分为水性异氰酸酯固化剂50～75份及丙二醇二乙酸酯25～50份。
在一实施例中，所述水性聚氨酯分散体包括水性聚氨酯分散体A和水性聚氨酯分散体B；所述水性聚氨酯分散体A的羟基含量为树脂总质量的0％～1％，所述水性聚氨酯分散体A的相对分子质量为15000～30000；所述水性聚氨酯分散体B的羟基含量为树脂总质量的1％～3％，所述水性聚氨酯分散体B的相对分子质量为5000～15000。
以质量份数计，所述水性聚氨酯分散体A10.4～20.8份、所述水性聚氨酯分散体B10.4～20.8份。
优选的，所述水性聚氨酯分散体A及所述水性聚氨酯分散体B均为高分子量链状水性聚氨酯；所述水性聚氨酯分散体A的固含量为35％～50％，所述水性聚氨酯分散体B的固含量为35％～50％。具体的，所述水性聚氨酯分散体A及所述水性聚氨酯分散体B差别在于分子量范围及羟基含量，二者均为高分子量链状水性聚氨酯，本领域技术人员可根据需要，在限定范围内选择具体牌号的水性聚氨酯分散体A及水性聚氨酯分散体B，不作限定。
在一实施例中，所述水性异氰酸酯固化剂为聚醚改性的HD I三聚体低聚物，所述聚醚改性的HD I三聚体低聚物的结构式为
优选的，所述聚醚改性的HD I三聚体低聚物中NCO－含量为分子总质量的18％～21％。
在一实施例中，所述水性羟基丙烯酸酯分散体为一级分散体。优选的，所述水性羟基丙烯酸酯分散体的固含量为40％～55％，所述水性羟基丙烯酸酯分散体的羟基含量为树脂总质量的2.7％～4.2％，相对分子质量为1000～3000。
在一实施例中，所述成膜助剂为二丙二醇丁醚、二乙二醇单丁醚中的任意一种或组合。
在一实施例中，所述水性分散剂为BYK-180、BYK-190、优卡690w、SN5040、X-405中的任意一种或组合。
在一实施例中，所述水性消泡剂为BYK-024、Tego810、Tego901w、Tego902w、优卡295w中的任意一种或组合。
在一实施例中，水性增稠剂为聚氨酯类增稠剂。具体的，所述聚氨酯类增稠剂为WT-105A、U805、HDA519、COATEX XS71、RM2020、BR125P中的任意一种或组合。
在一实施例中，所述钛白粉为金红石型钛白粉。具体的，所述金红石型钛白粉包括R706、R996或R5566中的任意一种。
在一实施例中，所述耐磨填料为长石粉、明耐粉、硅灰石粉、石英粉及石英砂中的任意一种或组合。
在一实施例中，所述消光粉为表面经蜡处理的改性二氧化硅消光粉。优选的，所述消光粉的孔隙率为1.8mL/g，吸油值为260～300g(以100g样品计)，粒径为4.5～5.5 5m，pH为6.0～7.0。具体的，所述消光粉生产厂家为清远鑫辉化工、德谦海明斯等。
在一实施例中，所述甲组份的粘度范围为3000～4000cps。
进一步的，甲组份与乙组分混合后稀释至粘度范围为100～500cps时进行辊涂操作。
本发明还提供一种制备如上任意所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆的制备方法，步骤如下：
甲组份制备过程为
将水、成膜助剂、水性羟基丙烯酸分散体、水性分散剂、水性消泡剂和水性增稠剂添加入反应容器中，在500r/mi n下分散5mi n，添加配方量的钛白粉、耐磨填料和消光粉，1600r/mi n下砂磨90mi n至细度＜30μm；
采用100目滤网过滤出漆料，置于新的反应容器中，添加水性聚氨酯分散体，在1000r/mi n下高速分散10mi n，即得到所述甲组分；
乙组份制备过程为
将水性异氰酸酯固化剂和丙二醇二乙酸酯在500r/mi n下分散5mi n，即得到所述乙组分。
基于上述，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1、本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆以水性羟基丙烯酸酯、高分子量链状水性羟基聚氨酯作为成膜物树脂组分，采用水性异氰酸酯三聚体低聚物作为固化剂，构建了交联互穿网络结构。在交联互穿网络结构中，以高分子量链状水性聚氨酯网络结构为主体，由于水性聚氨酯的分子量高，可自固化成膜，由水性聚氨酯形成的主体网络结构具有高柔韧和快干的特性。水性聚氨酯的主体结构强度低，在交联互穿网络结构中作为软结构，而水性羟基丙烯酸酯固化反应形成的结构充当交联互穿网络的硬结构。水性羟基丙烯酸酯形成的硬结构作为非主体结构，使交联互穿网络结构保留了主体结构的柔韧和快干特性，同时又提升了交联互穿网络结构的强度。并且，构建交联互穿网络结构所采用的软单体(高分子量链状水性聚氨酯)和硬单体(羟基丙烯酸酯)均含有羟基，能够与异氰酸酯固化剂发生交联反应，因此，软硬结构之间形成了化学交联，进一步提升了体系的力学性能和耐介质性。
2、本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆首先构建了韧性优异的交联互穿网络结构；同时采用高硬度的耐磨填料，进一步提升漆膜的硬度。并且，引入蜡乳液，降低漆膜的摩擦系数，使漆膜更滑爽；在交联互穿网络结构、耐磨填料和蜡乳液三者协同作用下，使得漆膜具有高耐磨性。
3、本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆易辊涂施工。本发明采用聚氨酯类增稠剂，通过配方调节使甲组分粘度范围为3000～4000cps，甲组分粘度低于此范围，储存稳定性差，粘度高于此范围，流平性差，也降低了涂料的消泡效果。另外，在辊涂时使混合后的漆料粘度为100～500cps。若粘度太低，辊涂施工在剪切力作用下，易于产生密集的气泡，粘度过高，流平性较差。
4、本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆，通过优化生产工艺，控制涂料细度小于30μm，抑制了后增稠现象，实现了涂料的粘度控制；同时，引入有机硅类强消泡剂，并且对涂料中助剂体系进行优化，去除易于稳泡的助剂成分，从而提升涂料体系的消泡效率。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1为本发明实施例1～3在无溶剂聚氨酯胶衣表面辊涂的漆膜表面状态。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
本发明对比例和实施例配方见表1及表2。
表1对比例1～6配方
表2对比例7～9和实施例1～3配方
其中，所述水性聚氨酯分散体A的羟基含量为树脂总质量的1％，所述水性聚氨酯分散体A的相对分子质量为15000；所述水性聚氨酯分散体B的羟基含量为树脂总质量的3％，所述水性聚氨酯分散体B的相对分子质量为5000。所述水性聚氨酯分散体A的固含量为50％，所述水性聚氨酯分散体B的固含量为50％。所述水性异氰酸酯固化剂中NCO－含量为分子总质量的18％。所述水性羟基丙烯酸酯分散体的固含量为55％，所述水性羟基丙烯酸酯分散体的羟基含量为树脂总质量的2.7％相对分子质量为1000；所述水性分散剂为BYK-180；所述钛白粉为R706；所述消光粉为清远鑫辉化工生产的表面经蜡处理的改性二氧化硅消光粉；所述消泡剂A为优卡290w；所述消泡剂B为Tego901w；所述聚氨酯类增稠剂为WT-105A；所述耐磨填料为长石粉。
对比例1～9和实施例1～3甲组分制备方法如下：
将配方量的去离子水、二乙二醇丁醚、水性羟基丙烯酸分散体、分散剂、消泡剂和水性增稠剂添加入通有冷凝水的不锈钢罐中，在500r/mi n下分散5mi n，添加配方量的钛白粉、长石粉和消光粉，加入1000g锆珠，在1600r/mi n下砂磨90mi n，直到细度＜30μm。随后，采用100目滤网过滤出漆料，将漆料称重后，置于铁罐中，添加配方量的水性聚氨酯分散体，在1000r/mi n下高速分散10mi n，得到甲组分。
对比例1～9和实施例1～3乙组分制备方法如下：
将配方量的水性异氰酸酯固化剂和丙二醇二乙酸酯在500r/mi n下分散5mi n，得到乙组分。
需要说明的是，上述实施例中的具体参数或一些常用试剂，为本发明构思下的具体实施例或优选实施例，而非对其限制；本领域技术人员在本发明构思及保护范围内，可以进行适应性调整。
此外，若无特殊说明，所采用的原料也可以为本领域常规市售产品，或者由本领域常规方法制备得到。
将对比例1～6的甲组分及乙组分按配方进行混合，搅拌均匀，进行力学、干燥和附着力测试，测试结果如表3所示。试验方法按相关试验标准进行。
表3对比例1～6性能测试结果
对比例1、3和5分别为软单体水性聚氨酯分散体A占树脂总质量的25％、50％和65％的样品，对比例2、4和6分别为软单体水性聚氨酯分散体B占树脂总质量的25％、50％和65％的样品。由表3可知，在水性聚氨酯A体系中，水性聚氨酯A含量由25％上升到65％，漆膜的拉伸强度由13.67下降到7.48MPa，断裂伸长率由45.85％上升到162.45％，附着力先由9.3提升到16.96Mpa，后略微下降到15.74Mpa，表干时间由3h下降到25mi n，实干时间由7h下降到1h。由此可知，对于水性聚氨酯A体系，水性聚氨酯分散体A含量越高，涂料干燥越快，漆膜柔韧性越好，但是强度越低，在水性聚氨酯分散体A添加量占树脂总质量的50％～65％时，附着力较优。特别地，当水性聚氨酯分散体A含量为65％时，实干达到了1h，干燥速率满足快干的标准。在水性聚氨酯分散体B体系中，水性聚氨酯B含量由25％上升到65％，漆膜的拉伸强度由14.13提升到17.85MPa，断裂伸长率由52.43％下降到到34.87％，表干时间由2.5h下降到15mi n，实干时间由5h下降到30mi n，附着力由8.6先上升到15.74MPa，后下降到12.4MPa。由此可知，对于水性聚氨酯B体系，水性聚氨酯分散体B含量越高，涂料干燥越快，漆膜柔韧性越差，但是强度越高，在水性聚氨酯分散体B添加量占树脂总质量的50％～65％时，附着力较优。由上可知，在相同添加量下，水性聚氨酯分散体A柔韧性更好，但强度低，而水性聚氨酯分散体B干燥速率快，强度高，柔韧性相对差。因此，二者在干燥和力学性能方面可以互补。
将对比例7～9的甲组分及乙组分按配方进行混合，搅拌均匀，进行力学、干燥和附着力测试，测试结果如表4所示。试验方法按相关试验标准进行。
表4对比例7～9性能测试结果
对比例7、8和9为在对比例5和6基础上，采用复合水性聚氨酯分散体的样品，水性聚氨酯分散体A和水性聚氨酯分散体B的比例依次为2：1、1：1和1：2；实施例1、2和3分别与对比例7、8和9采用相同的成膜物和填料组成，助剂优化后的样品。由表4可知，随着水性聚氨酯分散体A和水性聚氨酯分散体B的比例由2：1下降到1：2，漆膜的拉伸强度由9.33上升到15.21MPa，断裂伸长率由100.01％下降到53.37％，表干时间由25mi n下降到15mi n，实干时间由50mi n下降到35mi n，附着力由15.27下降到14.22MPa。由此可知，水性聚氨酯分散体A和水性聚氨酯分散体B的比例在2：1～1：2之间时，漆膜的干燥速率、力学性能和附着力均较为优异。
将实施例1～3的甲组分及乙组分按配方进行混合，搅拌均匀，进行辊涂试验，观察表面漆膜状态，测试其涂料和涂层性能，测试结果如表5所示。试验方法按相关试验标准进行。
表5实施例1～3性能测试结果
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实施例1、2和3为辊涂施工表面状态优化后的配方样品，分别与对比例7、8和9采用相同的成膜物和颜填料组成。图1展示了实施例1、2和3的漆膜辊涂表面状态。由图1可知，实施例1、2和3漆膜辊涂表面状态均较平整，无气泡和针眼等异常。由表5可知，实施例1、2和3的干燥速率、附着力、拉伸强度和断裂伸长率等性能分别与对比例7～9相当，这表明助剂体系的调整未对涂料的干燥速率、附着力和力学性能产生不利影响。实施例1～3的耐磨性(1000g/1000r，CS-10)分别为71.7、56.1和53.8mg，耐盐雾(3000h)表面均无异常，耐人工加速老化(UVA-340,3000h)均无开裂、起泡和粉化，耐雨蚀分别为2、3和2.5h，耐水、耐酸、耐碱、耐湿热和交替气候试验后均无气泡、脱落等异常。
同时，考虑到雨蚀性能是风电叶片涂料的关键指标，而实施例2整体辊涂施工漆膜表面平整且无气泡和针眼等缺陷；室温下，表干15mi n，实干30mi n；耐磨性(1000g/1000r，CS-10)为53.8mg，耐盐雾(3000h)表面无异常，耐人工加速老化(UVA-340,3000h)无开裂、起泡和粉化，耐雨蚀3h，耐水、耐酸、耐碱、耐湿热和交替气候试验后均无气泡、脱落等异常，在具有优异的涂层防护性能的同时，具有可辊涂和快干的特点，同时具有最高的雨蚀性能，说明实施例2相较于实施例1和实施例3性能更优，即实施例2为更优选方案。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆，在具有优异的力学性能的同时，还具有可辊涂和快干的特点。同时本发明提供的快干辊涂型水性风电叶片面漆具有优异的耐磨性、耐雨蚀、耐紫外老化、耐盐雾、耐水性和耐酸碱等涂层防护性能，可满足海上风电叶片的长效保护。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
尽管本文中较多的使用了诸如甲组分、乙组分、水性羟基丙烯酸酯分散体、成膜助剂、水性分散剂、水性消泡剂、水性增稠剂、钛白粉、耐磨填料、消光粉、水性聚氨酯分散体、蜡乳液等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：
由甲组分、乙组分组成；
其中，所述甲组分包括水、水性羟基丙烯酸酯分散体、成膜助剂、水性分散剂、水性消泡剂、水性增稠剂、钛白粉、耐磨填料、消光粉、水性聚氨酯分散体和蜡乳液；
所述乙组分包括水性异氰酸酯固化剂及丙二醇二乙酸酯。
2.根据权利要求1所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于，以质量份数计，所述甲组分各组分为：
水6.5～14份、水性羟基丙烯酸酯分散体16.8～24份、成膜助剂2～6份、水性分散剂0.4～0.6份、水性消泡剂0.2～0.3份、水性增稠剂0.2～0.4份、钛白粉17～25份、耐磨填料5～10份、消光粉1.5～2.5份、水性聚氨酯分散体20.8～41.6份和蜡乳液3～5份；
所述乙组分各组分为：
水性异氰酸酯固化剂50～75份及丙二醇二乙酸酯25～50份。
3.根据权利要求2所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：所述水性聚氨酯分散体包括水性聚氨酯分散体A和水性聚氨酯分散体B；所述水性聚氨酯分散体A的羟基含量为树脂总质量的0％～1％，所述水性聚氨酯分散体A的相对分子质量为15000～30000；所述水性聚氨酯分散体B的固含量为35％～50％，所述水性聚氨酯分散体B的羟基含量为树脂总质量的1％～3％，所述水性聚氨酯分散体B的相对分子质量为5000～15000；
以质量份数计，所述水性聚氨酯分散体A10.4～20.8份、所述水性聚氨酯分散体B10.4～20.8份。
4.根据权利要求1所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：所述水性异氰酸酯固化剂为聚醚改性的HDI三聚体低聚物，所述聚醚改性的HDI三聚体低聚物的结构式为
5.根据权利要求1所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：所述水性羟基丙烯酸酯分散体为一级分散体。
6.根据权利要求1所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：所述成膜助剂为二丙二醇丁醚、二乙二醇单丁醚中的任意一种或组合；
所述水性分散剂为BYK-180、BYK-190、优卡690w、SN5040、X-405中的任意一种或组合。
7.根据权利要求1所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：所述水性消泡剂为BYK-024、Tego810、Tego901w、Tego902w、优卡295w中的任意一种或组合。
8.根据权利要求1所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：所述水性增稠剂为聚氨酯类增稠剂。
9.根据权利要求1所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆，其特征在于：所述钛白粉为金红石型钛白粉；所述耐磨填料为长石粉、明耐粉、硅灰石粉、石英粉及石英砂中的任意一种或组合；所述消光粉为表面经蜡处理的改性二氧化硅消光粉。
10.一种制备如权利要求1～9任一项所述的快干辊涂型水性风电叶片面漆的制备方法，其特征在于，步骤如下：
甲组份制备过程为
将水、成膜助剂、水性羟基丙烯酸分散体、水性分散剂、水性消泡剂和水性增稠剂添加入反应容器中，在500r/min下分散5min，添加配方量的钛白粉、耐磨填料和消光粉，1600r/min下砂磨90min至细度＜30μm；
采用100目滤网过滤出漆料，置于新的反应容器中，添加水性聚氨酯分散体，在1000r/min下高速分散10min，即得到所述甲组分；
乙组份制备过程为
将水性异氰酸酯固化剂和丙二醇二乙酸酯在500r/min下分散5min，即得到所述乙组分。
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