CN1235692A - 同轴电缆及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括一种芯的柔性同轴电缆,所述芯包括至少一个内导体和一种环绕该内导体的闭孔发泡电介质。该柔性同轴电缆也包括一种包紧并优选连接于芯上的管状金属套。该闭孔发泡电介质为一种低密度聚烯烃发泡体,与传统发泡电介质相比,其电性能有所改善。该同轴电缆的传送速度为约90%光速,但仍保持高柔性及弯曲性。

Description

同轴电缆及其制造方法
发明领域
本发明涉及一种同轴电缆，更确切地说，涉及一种改进的低耗同轴电缆，对于一种给定标准尺寸，该同轴电缆具有改进的弯曲和操作性能以及改善的阻尼性能。
发明背景
目前，同轴电缆通常用作RF信号，如：电视信号的传输，包括一种带有内导体的芯和一种作为外导体的金属套，该金属套环绕该芯。一种电介质环绕该内导体，且将该导体与环绕的金属套绝缘隔开。在某些类型的同轴电缆中，空气用作电介质材料，电绝缘隔片遍布同轴电缆的全长度，以便轴向支承环绕套内的内导体。在其他已知的同轴电缆构造中，膨胀的发泡电介质环绕内导体，并填充内导体与环绕的金属套之间的空间。
同轴电缆的一个重要特性在于能传送一个信号，阻尼尽可能小。测定信号传送的一个方法为表示成光速的百分比，一般称作传送速度(Vp)。空气介电类同轴电缆的构造具有很好的信号传送特性，其典型Vp值为90％或更高。然而，这类同轴电缆具有相对有限的弯曲特性，且对套易弯曲或压扁，这样对同轴电缆的电性能有不利影响，并使之不实用。因此，在安装空气介电类同轴电缆时要求非常仔细，以免这种损坏。另外，这类同轴电缆不宜安装于要求小半径弯曲或经常性反向弯曲的地方。
另一方面，“发泡介电”类同轴电缆的构造比空气介电类同轴电缆具有更好的弯曲特性。这类同轴电缆更易于安装而无需过多考虑外层的弯曲或压扁，可用于空气类同轴电缆不适宜的环境中。但是，与空气介电类同轴电缆相比，这类同轴电缆因其传送速度在一定程度内下降而受到阻碍。Vp的下降和阻尼损失的增加为发泡介电类同轴电缆的特征。
早期的发泡介电类同轴电缆采用由戊烷发泡剂生产的聚苯乙烯，如Wilkenloh等人在美国专利No.4,104,481中表述的那样。虽然发泡介电类同轴电缆提供优良的信号传送，其传送速度(Vp)为90％或更高，但戊烷发泡剂的使用和所产生的聚苯乙烯发泡体的开腔特性使得这类电缆的广泛商业应用受到限制。
替代开孔聚苯乙烯发泡电介质的产品为闭孔膨胀聚烯烃发泡电介质。美国专利No.4,104,481描述了一种带有聚烯烃发泡体的同轴电缆，包括：用一种氯氟碳发泡剂和一种成核剂发泡形成的聚乙烯或聚丙烯。所得发泡电介质具有增加弯曲性能且不会产生与聚苯乙烯/戊烷体系相关的负面影响。Fox等人在美国专利No.4,472,595揭示了一种发泡电介质同轴电缆具有改进的操作和弯曲性能。
更近期地，由于环境问题和政府条例，发泡体制造商已经停止使用大多数氯氟碳，而改用另一类发泡剂，如：氮气、六氟化硫和二氧化碳。但是，要求改善由这类发泡剂产生的发泡电介质的信号传送性能。
发明概述
根据本发明，提供一种传送速度(Vp)大于90％的发泡电介质同轴电缆。这种高传送值是对目前得到的电介质同轴电缆极大的改进，且与空气电介质同轴电缆的信号传送性能相当。但是，本发明的发泡电介质同轴电缆具有的柔韧性和弯曲性远远优于空气电介质同轴电缆。因此，本发明提供的同轴电缆兼有优秀的信号传送性能和极佳的柔韧性即弯曲性。
本发明的同轴电缆包括一种芯，所述芯包括至少一种内导体和一种环绕该内导体的闭孔发泡电介质。一个管状金属套紧密环绕并优先连接于芯上。柔韧的同轴电缆也可能包括一种紧密环绕该金属套的保护夹套。该同轴电缆具有的传送速度(Vp)为90％或更高。
本发明同轴电缆的发泡电介质具有低密度，优选密度不大于0.22g/cc。该发泡体具有精细而均匀的闭孔构造，最大孔直径的优选值为170微米。该发泡电介质优选由聚烯烃形成，最优选从低密度聚乙烯和高密度聚乙烯共混物形成。这些特征产生一种高的芯劲度，从而得到优秀的柔韧性和弯曲性，并且使同轴电缆传送速度得到改进。
对于本领域普通技术人员而言，只要考虑到对本发明的优选实施例及其他实施例的详细描述，本发明的这些特征和其他特征即优点将变得更为明显。
附图简要说明
图1为按照本发明的同轴电缆横截面的透视图，为清楚说明，将部分电缆断开。
图2为生产本发明的改善同轴电缆的设备的示意图。
本发明的详细描述
图1显示本发明生产的一种同轴电缆。该同轴电缆包括一个带有内导体11的芯10，该导体11为具有适宜电导性能的材料，如：铜、铝或铜镀铝，和一种环绕连续圆柱膨胀发泡塑料电介质材料12。在所述的实施例中，仅显示一个内导体11，因为这是传送RF信号，如：电视信号，所用的同轴电缆最常见的排列方式。但是，应该理解到本发明也适用于彼此互相绝缘的一种以上的内导体且形成芯的一部分。
优选地，通过一种粘合剂13的薄层，将内导体11连接至膨胀发泡塑料电介质材料12上并形成芯10。为达此目的的适宜的粘合剂包括丙烯酸乙烯酯(EAA)及甲基丙烯酸乙烯酯(EMA)共聚物。例如在美国专利No.2,970,129；3,520,861；3,681,515和3,795,540中都描述了这种粘合剂。
电介质12为由适宜塑料如聚烯烃形成的低损介电材料。为减少单位长度的介电量，并从而减少介电常数，介电材料应该是膨胀多孔发泡组合物进一步地，发泡必须为闭孔构造以提供所要求的高的芯劲度，并避免沿电缆的潮气传送。优选地，本发明的闭孔发泡介电材料为膨胀的聚烯烃，而特别优选的发泡介电材料为膨胀的低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的共混物。本发明的优选发泡介电材料的组成将详述如下。
密闭环绕芯的为一种连续圆柱型金属套14。套14的特征为机械与电学连续。这样使套14有效地作为该电缆的机械及电学密封，以不受外界影响，同时也可密封该电缆的RF辐射泄漏。该管状金属套14可由各种导电金属形成，如：铜或铝。该管状金属套14的壁厚被选择以保证T/D(壁厚与外径之比)比小于2.5％。对于所描述的电缆，其壁厚小于0.030英寸。
在所述优选实施例中，连续套14由一种扁平金属条形成，成为一种该金属条的两边对接在一起的圆柱状构型，通过示于15的纵向焊接连续将对接边连接。虽然通过纵向焊接生产套14已作为优选例，但本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法生产机械和电学连续薄壁管状金属套。例如，正如本领域普通技术人员了解到，也可采用提供一种“无缝”纵向套。
通过一种薄粘合层16，将圆柱套14的内表面全长度沿环向连续连接至发泡电介质12的外表面上。优选地，如上所述，粘合层16为EAA或EMA共聚物。粘合层16必须尽可能薄以免对该电缆的电性能产生不利影响。期望的粘合层16的厚度为1密耳或更小。Gindrup在美国专利No.4,484,023中描述了目前优选的方法以获取这种薄的粘合层以及一种合适的粘合剂组合物。
套14的外表面任选地被一种保护夹套18环绕。外层保护夹套18的适宜组分包括热塑涂料如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和橡胶。通过粘合层19将该保护夹套18连接至套14的外表面，从而增加同轴电缆的弯曲性。优选地，如上所述，粘合层19为一种粘合薄层，如：EAA或EMA共聚物。
图2显示生产图1所示电缆的合适的设备排列方式。如图所示，内导体11直接取自于合适的供应源，如：一种线轴31，一种粘合层13涂敷于内导体的表面。涂覆后的内导体11直接通过一种挤出机32。该挤出机32连续挤出同轴环绕内导体11的可发泡聚合物组合物。一旦离开挤出机，塑料发泡并膨胀以便形成一种环绕内导体11的发泡电介质12的连续圆柱壁。
在本发明的另一个实施例中，该发泡电介质12可具有密度梯度，其中：发泡电介质的密度从发泡电介质的内侧向发泡电介质的外侧径向增加。该密度梯度可能是改变发泡聚合物组成或存在于该挤出机设备32的条件造成的。但是，典型地，通过依次挤出第一种发泡聚合物组合物及第二种聚合物组合物提供该密度梯度，从而形成电介质12。该第一种聚合物组合物及第二种聚合物组合物可共同挤出或分别挤出以形成一种内侧发泡介电层及一种外介电层。一旦发泡并膨胀，该外介电层的密度将大于该内侧介电层的密度。该外介电层可以是一种发泡的电介质或者一种能采用与内侧发泡介电层相同的材料形成的未发泡的电介质表层。该发泡电介质12的外表面密度增加将导致芯的劲度增加，从而改善该同轴电缆的弯曲性。
该芯10的外表面被一层粘合剂16涂覆。通过采用适宜的涂覆方式将一种共聚物粘合组分涂敷于该发泡电介质12的表面，以便形成粘合层16。例如，该粘合组分可共同挤出到该发泡聚合物组合物或位于挤出机设备32的第二种聚合物组合物上，或者挤出到位于另一种挤出设备的该发泡电介质12上。另一方面，该内导体11及环绕的电介质12可直接通过一种粘合涂敷站34，在此处，通过采用合适的方式，比如：喷涂或浸渍，形成一种粘合组分的一种薄层，如：EAA或EMA薄层。离开该粘合涂敷站34之后，采用合适方式可除去多余的粘合剂，粘合剂涂覆的芯10直接通过一种粘合干燥站36，比如：一种加热的通道或室。一旦离开干燥站36，该芯直接通过一种冷却站37，比如：水槽。
一旦该粘合层16已经涂敷于芯10上，一种金属S窄条直接取自于一种合适的供应源，如：线轴38，并形成一种环绕该芯的管状构造。然后，该条S进入一种焊接设备39，该条S的两侧端定位成对接关系，并通过一种连续纵向焊接连接在一起。然后，该芯及环绕套通过一种卷轴或一种固定收缩模40，在此处管状套14的直径减小，且与芯10更紧密。这样，形成的组件可通过一种涂层挤出设备42，在此处一种聚合物组合物环绕该金属套14挤出以形成环绕该套的一种保护夹套18。另外，在涂聚合物以形成夹套18之前，一种粘合剂19的薄层可通过合适的方式涂敷于套14的表面，如：在涂层挤出设备42上共同挤出。该涂层挤出设备42也用作活化粘合剂16，并因此在套14及电介质12的外表面之间形成一种连接。然后，可在适于贮存及运输的合适容器上，如：线轴44，获取所产生的电缆。典型地，该电缆的直径约大于0.25英寸。
与传统同轴电缆相比，本发明的同轴电缆具有改善的弯曲性。改善本发明同轴电缆的弯曲性的一个特征在于：套14粘接于发泡电介质12上。在这种关系中，该发泡电介质12在弯曲性方面支承该套，以免损坏电缆。此外，如上所述的发泡电介质12可能具有密度梯度，以便在弯曲性方面支承该套。因此，已增加的与套劲度相关的芯劲度对于改善该同轴电缆的弯曲性十分有利。特别地，本发明的焊接套同轴电缆的芯套劲度比至少为5，优选至少为10。此外，本发明焊接套同轴电缆的最小弯曲半径远小于10倍电缆直径，更多地，数量级小于7倍电缆直径或更小。对于具有焊接套的电缆，其管状套壁厚值下降，使得壁厚与外径之比(T/D比)不大于2.5％。套壁厚的降低对于同轴电缆的弯曲性有利，并降低该同轴电缆的阻尼性。结合这些特征和如上所述的套14的性能，将使外套具有显著的弯曲特性。
如上所述，虽然带有焊接套的同轴电缆比无缝套的机械性能更好，但本发明也涉及无缝套并改善其电学性能及机械性能。在这些套中，芯层劲度比至少约为2，优选至少约5。此外，本发明中无缝套同轴电缆的最小弯曲半径显著小于15倍电缆直径，更多地，数量级小于约10倍电缆直径或更低。对于带有无缝套构造的电缆，管状套壁的降低以便使壁厚与外径之比(T/D比)不大于约5％。
进一步地，本发明的同轴电缆除改善弯曲性能外，还具有传送速度(Vp)大于约90％的光速，甚至大于约91％的光速。本发明的高Vp值能在较大程度上归功于膨胀闭孔发泡电介质。
典型地，该闭孔发泡电介质来自于加入到挤出机设备32的一种聚合物片如一种聚烯烃。典型的聚烯烃包括聚乙烯、聚丙烯及乙烯与丙烯的共聚物。优选地，聚乙烯片用于形成本发明的发泡电介质12，最优选地，聚乙烯包括高密聚乙烯(HDPE)或高密聚乙烯(HDPE)与低密聚乙烯(LDPE)的组合。
通常，少量的一种成核剂与聚合物片一起以便在发泡过程中提供气泡成芯点。比如：Wilkenloh等在美国专利No.4,104,481中描述，使用偶氮二甲酰胺，如偶氮二酰胺，作为生产同轴电缆发泡电介质的成核剂。由于成核剂用量很少，如：重量百分比低至0.01，含有该聚合物和浓度相对高的成核剂的一种共混物的母炼胶片可与未改性聚合物片混合，以便得到所期望的均匀分布于聚合物中的成核剂总浓度。传统地，含有母炼胶片的成核剂通过成核剂与聚合物复合并形成片。
成核剂的特征在于：或为放热成核剂，或为吸热成核剂。典型的放热成核剂包括偶氮二甲酰胺，如从Uniroyal化学公司购得的商标为Celogen的偶氮二酰胺。典型的吸热成核剂包括碳酸氢钠/柠檬酸剂、碳酸钠/柠檬酸剂、碳酸氢钠或碳酸钠与其他弱有机酸组合等。本发明的优选成核剂为放热成核剂与吸热成核剂的组合。特别地，已经发现一种聚烯烃聚合物，如聚乙烯，当与一种放热成核剂及一种吸热成核剂的混合物膨胀时，提供一种闭孔发泡电介质，与使用仅与放热成核剂混合的聚乙烯所得的传统发泡电介质相比，该闭孔电介质的密度更低。优选地，成核剂为一种偶氮二甲酰胺，如偶氮二酰胺，和一种碳酸钠/柠檬酸吸热成核剂的混合物。
如上所述，典型的成核剂已经与该聚合物复合，形成带有该成核剂的片。这涉及到当加热至熔融聚合物时，该成核剂与聚合物在一种挤出机中的完全混合过程。然后将混合物挤出并切断成片，以备使用。在本发明中，特别优选使用带有几乎不被加热的成核剂片，即：片没有任何热历史。一种提供没有热历史的成核剂的方法为使用一种粘合剂，如一种热塑性树脂。典型地，用一种热塑性树脂粘合剂包覆新片、珠、微片、粉末或树脂粒，然后用成核剂进行包覆，以备本发明之用。典型的热塑性粘合剂包括聚乙烯、乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、氟聚物等。在低于200°F下，用该热塑性粘合剂及该成核剂包覆该树脂，这样，成核剂的性能将不受影响。在本发明中，聚烯烃片可用一种热塑粘合剂和一种放热/吸热成核剂混合物包覆。比如，从北卡罗来纳Hickory的Nitech公司可得这种片。
一般，用于本发明的包覆有成核剂的片包括约80％至小于100％(重量)之间的聚烯烃，约0％至约20％(重量)之间的放热成核剂，约0％至约20％(重量)的吸热成核剂。优选地，该片包括约85％至95％(重量)之间的聚烯烃，约1％至约10％(重量)之间的放热成核剂，约1％至约10％(重量)的吸热成核剂。用作本发明发泡电介质的一种典型的有用片组分包括重量百分比为90的HDPE、重量百分比为7.5的偶氮二酰胺放热成核剂，以及重量百分比为2.5的碳酸氢钠/柠檬酸吸热成核剂。
包覆有成核剂的片与未改性的聚烯烃混合，以提供所期望的均匀存在于聚合物原料中的成核剂浓度，该聚合物原料供应给挤出机设备32。优选地，重量百分比在0.1至10的片为含有放热成核剂和吸热成核剂的HDPE片，重量百分比在99至99.9的片为未改性的LDPE及HDPE片。
在该挤出机32中，该聚合物片被加热至熔融态，并进一步与发泡剂，如氮气或二氧化碳进行混合。这一组合物从环绕该中心导体11的挤出机十字头模中挤出，并膨胀及发泡以产生该闭孔发泡电介质12。
从前面的介绍中了解到，根据本发明的一种闭孔发泡电介质明显不同于使用传统成核剂产生的电介质。比如，除密度较低外，该发泡体的特征在于，带有剩余量的放热成核剂及吸热成核剂。此外，也可检测到剩余量的热塑树脂粘合剂(或其降解产物)。
本发明的发泡电介质密度低，若给定密度值，该发泡电介质比使用偶氮二酰胺并采取已知技术得到的发泡电介质的芯劲度更好。该发泡电介质的密度小于0.22g/cc，优选小于0.19g/cc，优选小于0.17g/cc。众所周知，一般，该发泡电介质12的较低密度会导致同轴电缆的传送速度增加。此外，该闭孔的密度下降一般会导致该孔尺寸的增加。该发泡电介质的典型孔尺寸小于170微米，而平均孔尺寸在90微米与130微米之间。特别地，密度为0.22g/cc的最大孔尺寸约为125微米，密度为0.19g/cc的最大孔尺寸约为150微米，密度为0.17g/cc的最大孔尺寸约为170微米。虽然不希望受任何理论束缚，但本发明的孔尺寸和密度似乎归功于聚合物片缺乏热历史，从而提供一种细微粒比例较高的成核剂，因此该成核剂具有较小的平均粒子尺寸。
在阅读本发明的上述描述后，本领域普通技术人员将能作出某些改变和改进。这些改变及改进都将包括在后附的权利要求书中。

Claims (33)

1．一种挠性同轴电缆，包括一个芯和一个包紧所述芯的管状金属套，所述芯包括至少一个内导体和一个环绕该内导体的闭孔发泡电介质，所述的同轴电缆具有的传送速度(Vp)为90％光速或更大。
2．根据权利要求1所述的同轴电缆，进一步包括一种环绕所述管状金属套的保护夹套。
3．根据权利要求2所述的同轴电缆，其特征在于，所述保护层粘接到所述管状金属套上。
4．根据权利要求3所述的同轴电缆，其特征在于，所述管状金属套包括一种连接于所述芯上的电学及机械连续光滑壁金属管。
5．根据权利要求4所述的同轴电缆，其特征在于，所述至少一个内导体连接于所述发泡电介质上，以便形成所述芯。
6．根据权利要求1所述的同轴电缆，其特征在于，所述至少一个内导体连接于所述发泡电介质上，以便形成所述芯。
7．根据权利要求1所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质具有密度梯度，从所述电介质的内表面到所述电介质的外表面，所述的密度梯度径向增加，所述电介质的外表面连接至所述管状金属套上。
8．根据权利要求7所述的同轴电缆，其特征在于，所述发泡体电介质包括一种内发泡电介层及一种外电介层，所述外电介层具有的密度大于所述内发泡电介层的密度。
9．根据权利要求8所述的同轴电缆，其特征在于，所述外电介层为一种未发泡电介表层。
10．根据权利要求1所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质包括一种发泡聚烯烃，其密度不大于0.22g/cc。
11．根据权利要求1所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质包括一种发泡聚烯烃，其密度不大于0.19g/cc。
12．根据权利要求1所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质包括一种发泡聚烯烃，其密度不大于0.17g/cc。
13．根据权利要求10所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质为一种低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的掺合物。
14．根据权利要求10所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质的孔最大直径为170微米。
15．根据权利要求10所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质的孔平均直径为90至130微米。
16．根据权利要求10所述的同轴电缆，其特征在于，所述电缆的最小弯曲半径小于10倍电缆直径。
17．一种同轴电缆，包括一种芯和一个包紧所述芯的管状金属套，所述芯包括至少一个内导体和一个环绕该内导体的聚烯烃闭孔发泡电介质，所述闭孔发泡电介质的密度不大于0.22g/cc，并含有剩余量的一种吸热成核剂。
18．根据权利要求17所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质也包括剩余量的一种放热成核剂。
19．根据权利要求17所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质也包括剩余量的一种热塑性粘合剂。
20．根据权利要求17所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质为一种低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的掺合物。
21．根据权利要求17所述的同轴电缆，其特征在于，所述电缆具有的传送速度(Vp)为90％光速或更大。
22．根据权利要求17所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质的孔最大直径为170微米。
23．根据权利要求17所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质的孔平均直径为90至130微米。
24．根据权利要求17所述的同轴电缆，其特征在于，所述闭孔发泡电介质具有密度梯度，从所述电介质的内表面到所述电介质的外表面，所述的密度梯度径向增加。
25．根据权利要求24所述的同轴电缆，其特征在于，所述发泡电介质包括一种内发泡电介层及一种外电介层，所述外电介层具有的密度大于所述内发泡电介层的密度。
26．根据权利要求24所述的同轴电缆，其特征在于，所述外电介层为一种未发泡电介表层。
27．一种同轴电缆，包括一种芯，一个包紧并粘接到所述芯上的电学和机械连续光滑壁管状金属套和一个包紧所述管状金属套的保护夹套，所述芯包括至少一个内导体和一个环绕并连接到该内导体上的聚烯烃闭孔发泡电介质，所述闭孔发泡电介质的密度不大于0.22g/cc，所述同轴电缆具有的传送速度(Vp)为90％光速或更大。
28．一种制造一种同轴电缆的方法，包括以下步骤：将一种导体放入并通过一种挤出机，并挤出一种发泡聚合物组合物，该组合物包括一种聚烯烃、一种吸热成核剂以及一种发泡剂；将该发泡聚合物组合物发泡并膨胀以形成一种电缆芯，该电缆芯由一种环绕该进入的导体的膨胀后的发泡电介质组成；和形成一种环绕该电缆芯的电学及机械连续金属套，以生产一种同轴电缆。
29．根据权利要求28所述的方法，进一步包括将这样形成的同轴电缆放入并通过一种挤出机，且挤出一种环绕该金属套的聚合物组合物以便形成一种环绕该同轴电缆的保护夹套。
30．根据权利要求28所述的方法，其特征在于：该发泡聚合物组合物进一步包括一种放热成核剂。
31．根据权利要求28所述的方法，进一步包括在该发泡聚合物组合物上挤出第二种聚合物组合物，其特征在于：将该发泡聚合物组合物发泡并膨胀之后，第二种聚合物组合物比膨胀后的发泡聚合物组合物的密度值更大。
32．根据权利要求28所述的方法，其特征在于：挤出该可发泡聚合物组合物的步骤包括共同挤出该可发泡聚合物组合物，且第二种聚合物组合物环绕该发泡聚合物组合物，其中使该发泡聚合物组合物发泡并膨胀之后，第二种聚合物组合物比该膨胀发泡聚合物组合物的密度值更大。
33．根据权利要求28所述的方法，其特征在于：该发泡聚合物组合物进一步包括一种热塑粘合剂。
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