CN1568343A - 沥青－填充的聚合物泡沫体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及泡沫体绝缘产品，特别地挤出的聚苯乙烯泡沫体，它含有沥青作为红外衰减剂和加工添加剂，以改进绝缘性能和降低泡沫体产品的制造成本。

Description

沥青-填充的聚合物泡沫体
技术领域
本发明涉及含有红外衰减添加剂以增加绝缘能力和降低导热性的硬质发泡聚合物板。更特别地，本发明涉及硬质发泡聚合物板，其中添加沥青以增加聚合物发泡板的绝缘能力。
背景技术
硬质发泡聚合物板在各种各样的领域中的应用是公知的。例如，聚合物泡沫板广泛用作绝缘结构元件。过去，红外衰减剂(IAA)如炭黑粉化的无定形碳、石墨和二氧化钛已在聚合物泡沫板中用作填料，使材料的导热性最小，这反过来对给定的厚度使绝缘能力最大(增加R-值)。导热性，k定义为每单位截面上的热流对每单位厚度上的温降之比，其美国单位为：
和公制单位为：
W m · k
可通过固体的导热性、气体的导热性、辐射和对流发生经由绝缘材料的传热。总热阻(R-值)，R是阻值对传热的量度，并确定为：
R＝t/k
其中，t＝厚度。
日本专利申请，JP57-147510揭示了在硬质聚氨酯泡沫体中使用炭黑，和其中最大的炭黑含量低于0.7重量份，从而实现小于4％的K-因子降低。
美国专利4795763公开了含有至少2％，优选2-10％重量炭黑的炭黑填充的泡沫体。炭黑的平均粒径为约10-150纳米。泡沫体的K-因子降低至少约5％。
最近，美国专利5679718揭示了含有红外衰减剂的抽空、开孔的微孔泡沫体，以提供泡沫体导热率更大比例的降低。′718专利讨论了大多数开孔，约90％或更高，和小孔，小于70微米的聚合物泡沫体。红外衰减剂包括约1-20％重量的炭黑，和石墨，基于聚合物的重量。
WO 90/06339涉及含有1-20％重量炭黑的苯乙烯聚合物泡沫体，所述炭黑的粒度为10-100纳米和表面积为10-15000m2/g，其中泡沫体是发泡或模塑的发泡颗粒。
所有上述专利教导了具有降低导热率的泡沫体。然而，炭黑是导热材料，因此炭黑填充的泡沫体的导热率可随炭黑的高负载而增加。此外，炭黑的亲水本性使之在没有加工助剂情况下难以均匀分散在聚合物内，和结果同样涉及大的开孔。
硬质发泡塑料板广泛用作许多场合的绝热材料。高度希望在没有增加泡沫体产品的密度和/或厚度的情况下改进导热率。尤其，对于空心墙壁结构，建筑学会希望热阻值R＝10和厚度小于1.8英寸(4.572cm)的泡沫板，以保持至少1英寸(2.54cm)的空心间隙清洁(clean)。
因此，需要提供具有降低的材料导热率(K-因子)的聚合物泡沫体，以提供绝缘值(R-值)增加，而没有增加聚合物泡沫体产品的密度和/或厚度的泡沫体产品，。
发明公开
本发明涉及含有沥青作为红外衰减剂和加工添加剂的泡沫体绝缘产品，如挤出或发泡聚苯乙烯泡沫体，以改进绝热和同时保留其它性能。沥青可容易地均匀掺混在整个聚合物中。本发明沥青填充的聚苯乙烯泡沫体既降低起始导热率，又降低老化导热率，或相反，增加热阻(R值)。本发明涉及含有沥青作为红外衰减和加工添加剂的泡沫绝缘产品，尤其挤出的聚苯乙烯泡沫体，以改进泡沫体产品的绝缘性能和降低制造成本。
硬质泡沫体的泡孔由两个结构部分，即泡孔壁和泡孔支撑体(strut)组成。在硬质泡沫体中，支撑体是闭孔的，这限制空气流动并改进泡孔的热效率。如图2所示，泡孔壁是相对直棱的部分和在泡孔壁的交叉处形成支撑体。本发明叙述了基于泡沫体内聚合物的重量，用0.1-15％重量沥青作为红外衰减剂和加工添加剂填充的闭孔、硬质、聚合物泡沫体，沥青均匀掺混在整个聚合物中，以便沥青存在于泡孔壁和泡孔支撑体内。在优选的实施方案中，使用0.5-3％的沥青(重量)，以改进泡沫体的老化导热率到低于相应的未填充泡沫体的老化导热率。
炭黑或一些其它红外衰减剂可降低辐射部分，进而降低炭黑填充的聚合物泡沫体的导热率。然而，炭黑是高度导热材料，和它倾向于增加固体的导热部分，于是导致炭黑填充的泡沫体的总导热率可随炭黑的高负载而增加。此外，现有技术没有意识到在没有加工助剂情况下，炭黑的亲水本性使之难以均匀分散到聚合物内。
表1示出了在热塑性塑料内炭黑和沥青之间的光谱颜色差。最广泛使用的感官颜色保真度量度之一是ΔE量度，如在照明标准色空间技术规格的国际委员会部分中给出的。为了使用该量度测量两种光之间的感官差别，首先，将两种光的光谱功率分布转化成XYZ表示，所述XYZ表示反映(在线性转换内)在人类视网膜上三锥的光谱功率敏感性，然后将XYZ值转化成空间，认为在该空间内氙灯的距离相应于氙灯的感官差别(“感官均匀空间”)。然后，可通过在该空间内取两个目标的欧几里德距离来计算这两个目标的感官差别。该差别以“ΔE单位”来表达。1个ΔE单位表示接近色差的阈值检测水平。若ΔE小于1，则人眼不可能检测到它。
表1
炭黑-Ampact0.5wt％ 炭黑-Americhem0.5wt％     沥青0.5wt％     沥青2wt％
ΔE     2.82     参考值     3.52     3.68
本发明的目的是生产结合其它添加剂的沥青填充的硬质聚合物泡沫体，对于给定的厚度和密度，它显示出对泡沫体性能综合的配混效果，包括改进的导热性(降低的K-因子)和改进的绝缘值(增加的R-值)。
本发明另一目的是生产具有保留或改进的压缩强度、耐火性和吸水性的沥青填充的硬质聚合物泡沫体。
本发明另一目的是提供同样充当加工添加剂的红外衰减剂用于生产硬质聚合物泡沫体，以控制发泡工艺过程中泡孔的尺寸和聚合物的流变性。
本发明另一目的是提供对于给定的厚度具有较高绝缘值(R值)的聚合物泡沫体，以更好地满足建筑学会的需要和建筑能源法规的要求。
本发明另一目的是例如通过使用沥青作为低成本的功能着色剂，以简单和经济的方式降低聚合物泡沫体产品的成本。
根据下述公开内容，本发明前述和其它优点将变得显而易见，在下述公开内容中，详细地描述并在附图中说明了本发明的一个或多个优选实施方案。认为本领域的技术人员可看出步骤、结构特征和部件的排列的变化，而没有背离本发明的范围或牺牲本发明的任何优点。
附图的简要说明
图1是含3％沥青(run#468-3)的聚苯乙烯泡沫体的泡孔形态的扫描电子显微(SEM)图象。
图2是含3％沥青的聚苯乙烯泡沫体的壁和支撑体的SEM图象。
图3是在有和无沥青的情况下聚合物熔融指数差别的图表说明。
图4是显示在180天的时间段内，涉及R-值对数种密度水平的聚苯乙烯泡沫板中沥青用量的38次试验的试验结果的图表。
发明详述
通过开发含有沥青的硬质塑性泡沫体，以改进绝热和同时保留其它性能，可实现上述目的。本发明尤其涉及通过与沥青、发泡剂和其它添加剂一起挤出的工艺制备的硬质、闭孔聚合物泡沫体的生产。
硬质发泡的塑性材料可以是适合于制造聚合物泡沫体的任何材料，它包括聚烯烃、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚偏氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚脲、酚醛(树脂)、聚异氰脲酸酯、酚醛塑料、前述的共聚物和三元共聚物、热塑性聚合物共混物和橡胶改性的聚合物等等。合适的聚烯烃包括聚乙烯和聚丙烯，和乙烯共聚物。
优选的热塑性聚合物包括链烯基芳族聚合物材料。合适的链烯基芳族聚合物材料包括链烯基芳族均聚物和链烯基芳族化合物与可共聚的烯键式不饱和共聚单体的共聚物。链烯基芳族聚合物材料可进一步包括小量比例的非烯键式芳族聚合物。链烯基芳族聚合物材料可由单独的一种或多种链烯基芳族均聚物、一种或多种链烯基芳族共聚物、一种或多种各链烯基芳族均聚物和共聚物的共混物或任何前述与非链烯基芳族聚合物的共混物组成。
合适的链烯基芳族聚合物包括衍生于链烯基芳族化合物如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙基苯乙烯、乙烯基苯、乙烯基甲苯、氯苯乙烯和溴苯乙烯的那些。优选的链烯基芳族聚合物是聚苯乙烯。小量的单烯键式不饱和化合物如C2-6烷基的酸和酯、离聚物衍生物和C4-6二烯可与链烯基芳族化合物一起共聚。可共聚的化合物的实例包括丙烯酸、甲基丙烯酸、乙基丙烯酸、马来酸、衣康酸、丙烯腈、马来酸酐、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙酯和丁二烯。
优选的结构基本上(即大于95％)包括和最优选包括全部聚苯乙烯。本发明涉及制备泡沫体产品的方法，它包括步骤；形成(1)重均分子量为约30000-约500000的聚合物，其中在一个实施方案中，聚苯乙烯的重均分子量为约250000，和(2)在有或无其它配混的有效添加剂的情况下，沥青，(3)发泡剂，(4)其它加工添加剂如成核剂、阻燃剂化学品的可发泡的混合物；在大气压或减压的范围内使混合物发泡，形成泡沫体产品。下述实施方案示出了通过在硬质聚苯乙烯泡沫体中添加沥青导致高绝热值的优点。
任何合适的发泡剂可在本发明的实践中使用。在本发明的实践中可用的发泡剂包括无机发泡剂、有机发泡剂和化学发泡剂。合适的无机发泡剂包括二氧化碳、氮气、氩气、水、空气、氮气和氦气。合适的有机发泡剂包括具有1-9个碳原子的脂族烃、具有1-3个碳原子的脂族醇和具有1-4个碳原子的全部与部分卤化的脂族烃。脂族烃包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷和新戊烷。脂族醇包括甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇。全部与部分卤化的脂族烃包括氟烃、氯烃和含氯氟烃。氟烃的实例包括氟化甲烷、全氟甲烷、氟化乙烷、1，1-二氟乙烷(HFC-152a)、1，1，1-三氟乙烷(HFC-143a)、1，1，1，2，-四氟乙烷(HFC-134a)、五氟乙烷、二氟甲烷、全氟乙烷、2，2-二氟丙烷、1，1，1-三氟丙烷、全氟丙烷、二氯丙烷、二氟丙烷、全氟丁烷和全氟环丁烷。本发明使用的部分卤化的氯烃和含氯氟烃包括氯化甲烷、二氯甲烷、氯化乙烷、1，1，1-三氯乙烷、1，1-二氯-1-氟代乙烷(HCFC-141b)、1-氯-1，1-二氟乙烷(HCFC-142b)、一氯二氟甲烷(HCFC-22)、1，1-二氯-2，2，2-三氟乙烷(HCFC-123)和1-氯-1，2，2，2-四氟乙烷(HCFC-124)等等。全部卤化的含氯氟烃包括三氯单氟甲烷(CFC-11)、二氯二氟甲烷(CFC-12)、三氯三氟乙烷(CFC-113)、1，1，1-三氟乙烷、全氟乙烷、二氯四氟乙烷(CFC-114)、一氯七氟丙烷和二氯六氟丙烷。化学发泡剂包括偶氮二碳酰胺、偶氮二异丁腈、苯磺酰肼、4，4-羟苯磺酰基-半氨基脲、对甲苯磺酰基-半氨基脲、偶氮二羧酸钡和N，N′-二甲基-N，N′-二亚硝基对苯二甲酰胺和三肼基三嗪。在本发明中，基于聚合物的重量，优选使用8-14％重量的HCFC-142b或4-12％HFC-134a和0-3％乙醇。或者，3-8％二氧化碳和0-4％低级醇，所述低级醇包括乙醇、甲醇、丙醇、异丙醇和丁醇。
可掺入到挤出的泡沫体产品内的任选添加剂另外包括红外衰减剂、增塑剂、阻燃剂化学品、颜料、弹性体、挤出助剂、抗氧剂、填料、抗静电剂、UV吸收剂等。可以以任何用量包括这些任选添加剂，以获得可发泡凝胶或所得挤出泡沫体产品的所需特征。优选地，将任选添加剂加入到树脂混合物中，但可以以替代的方式加入到挤出的泡沫体制造工艺中。
硬质聚苯乙烯泡沫体具有改进的绝热性能。与在挤出工艺过程中增加聚合物粘度的大多数红外衰减剂(IAA)不同，沥青降低聚合物的粘度。熔融聚合物通过孔隙的流动速度，描述为熔体流动指数，或简单地熔体指数(MI)，这根据ISO 1133：1977(E)来测试。熔体流动指数可用作与聚合物的分子量和粘度有关的特征参数(图1)。小量的沥青证明改进的绝热值(R/英寸)的益处。典型地，沥青的用量范围为约0.1-15％，优选0.5％-3％重量，基于聚合物。沥青可以是软化点为约105℃(221°F)-约155℃(311°F)的任何石油-衍生的沥青。在本发明的硬质泡沫体中使用的一种特别合适的沥青是粒化沥青，如粒度约2.4mm(8目)和软化点约123℃(253°F)的SU 7606(OwensCorning，Trumbull，OH，USA)。可将粒化沥青在挤出工艺过程中直接加入到熔融聚合物中，或与聚苯乙烯球预共混，或与最多60％负载，典型地约30％与聚合物共混的沥青预配混，然后挤出并切成粒料或球粒。
优选的添加剂包括粒度小于100纳米最多约10微米的，硅酸盐(例如滑石、云母)、氧化物(例如氧化铜(II)、氧化铁(III)、氧化锰(IV))和第IB、IIB、IIIA、IVA族的化学元素(例如碳、铝)。沥青也有助于防止包括无机IAA和成核剂在内的这些添加剂的聚集，和同样充当分散助剂。
可通过本领域已知的任何方式如采用挤出机、混合机或掺合机等制备挤出的泡沫体产品。加热含有沥青、聚合物、红外衰减剂和其它添加剂的塑化树脂混合物到熔融混合温度并彻底混合。熔融混合温度必需足以塑化或熔化聚合物。因此，熔融混合温度处于或高于聚合物的玻璃化转变温度或熔点。优选地，在优选的实施方案中，熔融混合温度为约200℃(392°F)-280℃(536°F)，最优选约220℃(428°F)-240℃(464°F)，这取决于沥青的用量。
然后掺入发泡剂，形成可发泡的凝胶。然后冷却可发泡的凝胶到模头熔融温度。模头熔融温度典型地低于熔融混合温度，在优选的实施方案中，模头熔融温度为100℃(212°F)-约150℃(302°F)，和最优选约110℃(230°F)-约120℃(248°F)。模头压力必需足以防止含有发泡剂的可发泡凝胶的预发泡，预发泡牵涉在挤出到减压区域之前可发泡凝胶非所需的过早发泡。因此，模头压力随可发泡凝胶内发泡剂的本性和用量的变化而变化。优选地，在优选的实施方案中，压力为约40-70bar，最优选约50bar。发泡倍率，即每一模头间隙的泡沫体厚度范围为20-70，典型地约60。
在优选的实施方案中，通过具有扁平模头和板式压形机(plateshaper)的双螺杆挤出机(低剪切)制备挤出的聚苯乙烯聚合物泡沫体。或者，可使用具有星形模头和纤细(slinky)压形机的单螺杆挤出机。将沥青与聚苯乙烯、发泡剂和/或成核剂、阻燃剂、红外衰减剂一起通过多个喂料器加入到挤出机内。在挤出工艺中，沥青可均匀地掺混在聚合物内，从而导致均匀的泡沫体结构(图2和3)。
以下是本发明的实施例，和不应当作为限制来解释。
实施例
通过下述实施例进一步阐述本发明，其中所有泡沫板厚1.5英寸(2.81cm)，和所有R-值为180天老化的R-值，除非另有说明。在下述实施例和对照例中，通过具有扁平模头和定形板(shaper plate)的双螺杆LMP挤出机制备硬质聚苯乙烯泡沫板。在挤出工艺中施加真空。
表2、表3的概述示出了在双螺杆挤出机中实施例和没有沥青添加剂的对照例的工艺条件。所使用的沥青是Trumbull#3706粒化沥青(Owens Corning)，它是由加工到高软化点，约116℃(240°F)的石油基材料配制的(ASTM D-36)。所使用的聚苯乙烯树脂是70％熔体指数为3的聚苯乙烯和30％熔体指数为18.8的聚苯乙烯(二者均获自DelTech，其中分子量Mw为约250000)。在配混中复合材料的熔体指数为约7.8。稳定的六溴环十二烷(Great Lakes Chemical，HBCD SP-75)用作阻燃剂，其用量为固体泡沫体聚合物重量的1％。
表2
    实施例1-10     对照例(实施例11-12)
    沥青wt％     1-5     0
    滑石wt％     0.5-1.5     1.4-1.6
    纳米炭黑wt％     0-6     0
    云母wt％     0-4     0
    HCFC-142bwt％     11     10-11
    二氧化碳wt％     0     0-0.5
    挤出机压力，Kpa(psi)     13000-17000(1950-2400)     15800(2290)
    模头熔融温度，℃     117-123     121
    模头压力，Kpa(psi)     5400-6600(790-950)     5600(810)
    线速度，m/hr(ft/min)     110-170(6-9.5)     97(5.3)
    产量，kg/hr     100     100
    口模间隙，mm     0.6-0.8     0.8
    真空Kpa(英寸汞柱)     0-3.4(0-16)     3.39(15.2)
表3示出了上述实施例和对照例，和在没有添加沥青的情况下常规方法的对比例的结果。
表3
  Ex.No.   R-值10天K.m2/W(F.ft2.hr/Btu) 老化的R-值180天K.m2/K(F.ft2.hr/Btu)   密度Kg/m3(pcf) 泡孔的各向异性比*K＝z/(xyz)1/3 平均泡孔微米 滑石wt％ 其它添加剂wt％ 沥青wt％
    1     1.156(6.57)     0.986(5.60)     26.72(1.67)     0.92     270     1     0     1
    2     1.142(6.49)     0.973(5.53)     27.04(1.69)     0.94     280     1     0     2
    3     1.153(6.55)     0.98(5.57)     26.08(1.63)     0.94     290     1     0     3
    4     1.144(6.50)     0.975(5.54)     25.44(4.59)     0.93     290     1     0     4
    5     1.104(6.27)     0.961(5.46)     25.92(1.62)     0.90     240     15     0     5
    6     1.151(6.54)     0.996(5.66)     33.44(2.09)     0.95     250     15     0     5
    7     1.146(6.51)     0.968(5.5)     32.32(2.02)     1.01     200     0.75   4云母     4
    8     1.192(6.77)     1.008(5.73)     27.68(1.73)     0.92     240     0.5  2.1CB**     2.1
    9     1.153(6.55)     1.007(5.72)     28.64(1.79)     1.00     180     1   4CB     2
   10     1.228(6.98)     1.033(4.87)     29.76(1.86)     0.97     190     1   3CB     2
   11     1.024(5.82)     0.885(5.03)     27.68(1.73)     1.02     240     1.6     0     0
   12     0.998(5.67)     0.889(5.05)     23.2(1.45)     0.97     250     1.4     0     0
*其中，x在纵向方向上的平均泡孔尺寸，y在横向方向上的泡孔尺寸，和z在板厚度方向上的泡孔尺寸。
**CB纳米炭黑
如表3所示，在有或无额外添加剂的情况下，在发泡工艺中添加沥青，优选占固体泡沫体聚合物重量的1-3％，改进聚苯乙烯泡沫板的耐热性达5-18％。基于38个样品的试验数据，多个可变的回归计算得到图4所示的R-值比沥青用量，它表明与没有使用沥青填充的密度不同的聚合物泡沫体情况下的一些相同泡孔结构的预计R-值相比，添加1-5％重量的沥青R-值增加2-8％。

Claims (28)

1.一种聚合物泡沫体材料，它包括：
a)聚合物；
b)沥青；和
c)发泡剂。
2.权利要求1的聚合物泡沫体材料，其中添加用量为约0.1-约15％重量的沥青，基于聚合物。
3.权利要求2的聚合物泡沫体材料，其中添加用量为约1-约4％重量的沥青，基于聚合物。
4.权利要求1的聚合物泡沫体材料，其中沥青的软化点为约105℃(221°F)-约155℃(311°F)。
5.权利要求1的聚合物泡沫体材料，进一步包括一种或多种选自红外衰减剂、增塑剂、阻燃剂化学品、颜料、弹性体、挤出助剂、抗氧剂填料、抗静电剂和UV吸收剂中的添加剂。
6.权利要求1的聚合物泡沫体材料，其中聚合物是热塑性聚合物。
7.权利要求6的聚合物泡沫体材料，其中聚合物是链烯基芳族聚合物。
8.权利要求7的聚合物泡沫体材料，其中链烯基芳族聚合物是聚苯乙烯。
9.权利要求1的聚合物泡沫体材料，进一步包括选自硅酸盐、氧化物和第IB、IIB、IIIA、IVA族化学元素中的红外衰减剂。
10.一种聚合物泡沫体材料，它包括：
a)聚合物；
b)沥青；
c)发泡剂；和
d)红外衰减剂。
11.权利要求9的聚合物泡沫体材料，其中添加用量为约0.1-约15％重量的沥青，基于聚合物。
12.权利要求10的聚合物泡沫体材料，其中添加用量为约1-约4％重量的沥青，基于聚合物。
13.权利要求9的聚合物泡沫体材料，其中沥青的软化点为约105℃(221°F)-约155℃(311°F)。
14.权利要求9的聚合物泡沫体材料，其中红外衰减剂选自硅酸盐、氧化物和第IB、IIB、IIIA、IVA族化学元素。
15.权利要求9的聚合物泡沫体材料，进一步包括一种或多种选自增塑剂、阻燃剂化学品、颜料、弹性体、挤出助剂、抗氧剂填料、抗静电剂和UV吸收剂中的添加剂。
16.权利要求9的聚合物泡沫体材料，其中聚合物是热塑性聚合物。
17.权利要求14的聚合物泡沫体材料，其中聚合物是链烯基芳族聚合物。
18.权利要求15的聚合物泡沫体材料，其中链烯基芳族聚合物是聚苯乙烯。
19.一种制造挤出的聚合物泡沫体的方法，包括步骤：
a)将含聚合物、红外衰减剂和沥青的树脂混合物加热到熔融混合温度，变为可发泡的凝胶；
b)在足以防止凝胶预发泡的压力下，将一种或多种发泡剂掺入到树脂混合物内；
c)冷却凝胶到模头熔融温度；和
d)通过模头挤出凝胶到较低模头压力的区域，形成泡沫体。
20.权利要求19的方法，其中添加用量为约0.1-约15％重量的沥青，基于聚合物。
21.权利要求20的方法，其中添加用量为约1-约4％重量的沥青，基于聚合物。
22.权利要求19的方法，其中沥青的软化点为约105℃(221°F)-约155℃(311°F)。
23.权利要求19的方法，进一步包括步骤：添加一种或多种选自红外衰减剂、增塑剂、阻燃剂化学品、颜料、弹性体、挤出助剂、抗氧剂填料、抗静电剂和UV吸收剂中的添加剂。
24.权利要求19的方法，其中聚合物是热塑性聚合物。
25.权利要求24的方法，其中聚合物是链烯基芳族聚合物。
26.权利要求24的方法，其中聚合物是链烯基芳族聚合物。
27.权利要求25的方法，其中链烯基芳族聚合物是聚苯乙烯。
28.权利要求19的方法，进一步包括步骤：添加选自硅酸盐、氧化物和第IB、IIB、IIIA、IVA族化学元素中的红外衰减剂。
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