DE2361744B2 - Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von Glas - Google Patents
Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von GlasInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von Glas mit
hitzeempfindlichen Reagentien, bei dem mindestens ein Beschichtungsreagens durch die Wärme des Trägergases verdampft und als Gasgemisch mit dem Trägergas
gegen die zu beschichtende Oberfläche geführt wird. Die Erfindung richtet sich insbesondere auf das
Beschichten mit Überzügen, die in erster Linie aus Metalloxiden bestehen. Spezifischer ausgedruckt, betrifft die Erfindung das Berühren einer heißen
Glasoberfläche mit den Dämpfen der Reagenzien, die beim Berühren mit der heißen Glasoberfläche Metalloxidbeschichtungen bilden.
Vor der vorliegenden Erfindung war es bekannt, daß
Substrate mit Metalloxidbeschichtungen versehen werden können, indem die Substrate mit Lösungen in
Berührung gebracht werden, die Metall-0-diketonate
oder ähnliche Verbindungen, gelöst in geeigneten Lösungsmitteln, enthalten. In diesem Zusammenhang
wird auf die US-Patentschriften 32 02 054, 30 81 200, 36 60 061 und 36 52 246 verwiesen. In diesen Patentschriften ist eine Vielzahl von chemischen Formulierungen offenbart, die zum Beschichten von Glas mit
Metalloxidüberzügen geeignet sind. Im allgemeinen wird bei den bekannten Verfahren zum Beschichten von
Glas eine flüssige Versprühung der Überzugsmasse gegen die zu überziehende Oberfläche des Glassubstrats gelenkt In diesen Patentschriften wird das
Aufbringen von speziellen Metallen oder Metalloxiden auf Glas oder oder andere Substrate beschrieben, wobei
diese Zusammensetzungen in flüssiger oder dampfförmiger Form angewendet werden können, doch wird
stets als die beste Form der Auftragung der Zusammensetzung die Berührung des Substrats mit der Zusammensetzung in flüssiger Form herausgestellt Bei der
Entwicklung von Arbeitsweisen für das Auftragen von dampfförmigen Beschichtungsmassen auf die erwärmten Substrate bei atmosphärischem Druck ist man auf
gewisse Schwierigkeiten gestoßen. So war es z. B. schwer, Beschichtungen zu erhalten, die feinkörnig und
gleichförmig in ihrem Aussehen waren. Dicke Beschichtungen wurden dadurch hergestellt, daß man das
Substrat mit einer flüssigen Sprühung berührte, doch war es äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich,
mit den bekannten Arbeitsweisen zur Ablagerung aus der Dampfphase relativ dicke Filme zu erhalten, die eine
ίο Durchlässigkeit des sichtbaren Lichtes unterhalb etwa
50% haben.
Verfahren zur Ablagerung aus der Dampfphase sind ebenfalls bekannt Bei den meisten kommerziellen
Ausführungsformen der Ablagerung aus der Dampfpha
se wird unterhalb atmosphärischem Druck gearbeitet
Zur Verbesserung der Geschwindigkeit der Filmablagerung ist eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden,
wie z. B. die Anwendung von elektrischen Feldern, magnetischen Feldern und Radio- oder Mikro-Wellen.
Man hat auch schon Wellenleiter verwendet, um die
Dämpfe der Beschichtungszusammensetzung auf speziell begrenzte Zielflächen zu richten (vgl. US-PS
31 14 652 und 35 61 940).
Aus der US-PS 21 55 932 ist weiterhin ein Verfahren
bekannt, bei dem ein flüssiges oder in einer Flüssigkeit
gelöstes Beschichtungsreagens in einem Trägergas feinverteilt und dann mit dem Trägergas gegen den zu
beschichtenden Gegenstand gelenkt wird. Dadurch, daß die Substanz kälter ist, als das Gas, schlägt sich die
Flüssigkeit aus dem Gas auf dem Gegenstand nieder. Nach Verdampfen des Lösungsmittels bleibt eine feste
Schicht auf dem Gegenstand. Dieses Verfahren erlaubt zwar eine gleichmäßige Beschichtung mit bestimmten
hitzeunempfindlichen Beschichtungsmitteln, es ist je-
^ doch für die Beschichtung mit hitzeempfindlichen
Reagentien nicht geeignet. Der Versuch, es auf solche Reagentien anzuwenden, führt zu einem völlig unbefriedigenden Ergebnis, sowohl bezüglich der Stärke, als
auch der Gleichmäßigkeit der Beschichtung.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Herstellung einer gleichzeitig gleichmäßigen und ausreichend
starken Beschichtung von Oberflächen mit den erwähnten hitzeempfindlichen Reagentien.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen,
insbesondere von Glas, mit hitzeempfindlichen Reagentien, wobei mindestens ein Beschichtungsreagens durch
die Wärme des Trägergases gegen die zu beschichtende Oberfläche geführt wird. Das Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet, daß das Beschichtungsreagens in den vorher erwärmten, unter Druck stehenden Trägergasstrom, der genügend Eigenwärme besitzt, um das
Beschichtungsreagens vollständig zu verdampfen und auf eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstempe
ratur zu erwärmen, dispergiert wird, wobei unter Druck
stehendes Zerstäubungsgas verwendet wird und Zerstäubungsgas und Beschichtungsreagens eine Temperatur haben, die erheblich niedriger ist als die Temperatur
des Trägergases.
bu Bei der Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung wird ein Beschichtungsreagens in einen mit Gas gefüllten Raum dispergiert und durch den innigen
Kontakt mit dem heißen Trägergas ohne nennenswerte Zersetzung in den mit Gas gefüllten Raum verdampft,
l>5 von wo es dann durch das heiße Trägergas in Berührung
mit dem heißen Substrat gebracht wird, wobei das Beschichtungsreagens sich auf dem Substrat ablagert
und eine Schicht bzw. einen Überzug bildet Die
Vorzüge der vorliegenden Erfindung sind besonders bei
Beschichtungsreagentien augenfällig, die sich bei Temperaturen, die nur geringfügig über ihren effektiven
Verdampfungstemperaturen liegen, autokatalytisch zersetzen. Durch Dispergierung derartiger Reagentien in
einer gasförmigen Phase wird der autokatalytische Effekt von einigen isolierten Zersetzungen nahezu
eliminiert und durch Verdampfen aus einem Nebel oder Rauch des Reagens in Gas wird die Verdampfungseffiziens ausreichend erhöht, so daß sie bei niedrigen
Temperaturen, gerade über dem Siedepunkt der Reagentien für eine praktische Verwendung ausreichend ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Reagens in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst Diese Lösung wird in das heiße Trägergas
versprüht, um das Lösungsmittel und das Reagens zu verdampfen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mischung des Trägergases und des
verdampften Beschichtungsreagens bei der Temperatur, bei der diese Komponenten vermischt werden, ungesättigt
Bevorzugte reaktionsfähige Beschichtungsmaterialien sind bei der Erfindung pyrolisierbare Organometallsalze der Metalle der Gruppen IB bis HB, IHA bis VIIA
und der Gruppe VIII des Periodensystems der Elemente. Die bevorzugten Organometallsalze sind die
0-Diketonate Acetate, Hexoate, Formiate und dergleichen; die Acetylacetonate von Eisen, Kobalt und Chrom
sind besonders bevorzugt als reaktionsfähige Ingredienzien bei den Beschichtungsmassen nach der Erfindung.
Außer den bevorzugten pyrolisierbaren Materialien
können aber auch andere Beschichtungsreagentien bei der Erfindung verwendet werden. Derartige Reagentien
sind z. B. hydrolytische Reagentien, wie fluorierte beta-Diketonate, insbesondere Acetylacetonate, und
Metalldicumole. Es können auch Reagentien benutzt werden, die die Gegenwart von größeren Mengen von
anderen, mit ihnen zusammenwirkenden Reagentien, wie Sauerstoff, Wasserstoff, Halogen und dergleichen,
erfordern. Wie bereits ausgeführt wurde, wird bevorzugt das Beschichtungsreagens vor der Verdampfung in
einem geeigneten Lösungsmittel gelöst.
Als Lösungsmittel kommt eine Vielzahl von aliphatischen gesättigten oder olefinischen Kohlenwasserstoffen oder halogenierten Kohlenwasserstoffen in Betracht. Es können Lösungsmittel verwendet werden, die
nur aus einer Komponente bestehen, insbesondere ein Lösungsmittelsystem, bei dem Methylenchlorid verwendet wird. Es sind aber auch Lösungsmittelsysteme
geeignet, die zwei oder mehrere Lösungsmittel enthalten.
Einige repräsentative Lösungsmittel, die bei der Erfindung verwendet werden können, sind:
Methylenbromid, Kohlenstofftetrachlorid,
Kohlenstofftetrabromid, Chloroform, Bromoform, 1,1,1 -Trichloräthan, Perchloräthylen,
1,1,1-Trichloräthan, Dichloriodmethan,
1,1,2-Tribromäthan, Trichloräthylen,
Tribromäthylen,Trichlormonofluoräthan,
Hexachloräthan, l,l,l^-Tetrachlor-2-chloräthan, 1,1,2-Trichlor-1,2-dichIoräthan,
Tetrafluorbromäthan, Hexachlorbutadien,
Tetrachloräthan und dergleichen.
Es können auch andere Lösungsmittel verwendet werden, insbesondere Mischungen von einem oder
mehreren organischen polaren Lösungsmitteln, wie ein
Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und einer
Hydroxylgruppe und eine oder mehrere aromatische nicht-polare Verbindungen, wie Benzol, Toluol oder
Xylol. Die Flüchtigkeit dieser Materialien erschwert ' ihre Verwendbarkeit im Vergleich zu den vorstehend
genannten und bevorzugten halogenierten Kohlenwasserstoffen und halogenierten Kohlenstoffen, doch sind
diese Lösungsmittel aus wirtschaftlichen Gründen von Interesse.
■o Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine
Lösung eines reaktionsfähigen Organometallsalzes in einem organischen Lösungsmittel in eine Verdampfungskammer geführt Die Verdampfungskammer ist so
konstruiert, daß sie ein Heizelement besitzt, welches den
Raum um das Element auf eine Temperatur erwärmt, die ausreichend ist, um die Verdampfungslösung
innerhalb dieses Raums und nicht nur die Flüssigkeit die im Kontakt mit dem Heizelement steht, zu verdampfen.
Ein Trägergas wird über das Heizelement und davon
weg geleitet, um die Zusammensetzungsmischung
aufzunehmen, sie bei ihrer zunehmenden Verdampfungsgeschwindigkeit zu mischen und die Dämpfe durch
den Erhitzer dem zu beschichtenden Substrat zuzuführen.
Dämpfe des Lösungsmittels und des reaktionsfähigen Organometallsalzes werden aus der Verdampfungskammer einer länglichen Verteilereinrichtung zugeführt, die
über die Breite des erwärmten Substrates, das überzogen werden soll, angeordnet ist. Verbunden mit
dieser Verteilereinrichtung ist eine längliche Düse, um die Dämpfe gegen das Substrat zu richten. Diese
längliche Düse hat als kleinere Querschnittsdimension eine gleichförmig konvergierende Form, um eine im
wesentlichen kontinuierliche Beschleunigung des hindurchgehenden Dampfes an den Grenzschichten zu
bewirken. Die größere Querschnittsdimension der Düse ist geringfügig kleiner als die Breite des entsprechenden
Substrats, so daß sich ein Substrat, das sich in Gegenüberstellung zu der Düse befindet, über die
größere Dimension der Düse an beiden Enden erstreckt. Diese Anordnung stellt sicher, daß ein im wesentlichen
gleicher Druckabfall entlang der größeren Dimension der Düse aufrechterhalten wird und verhindert, daß ein
unverhältnismäßig großer Teil der Dämpfe aus der Düse an jedem Ende der Düse entweicht, so daß
insgesamt alle Dämpfe einen guten Kontakt mit dem Substrat erlangen.
Die Stirnseite der Düse ist gegenüberliegend zu dem
zu überziehenden Substrat in einer derartigen Weise angeordnet, daß der Abstand zwischen der Stirnfläche
und der Oberfläche, die während des Beschichtens am nächsten dazu kommt, mindestens das 0,5fache der
Weite der Düse an ihrem Ausgang ausmacht. Bevorzugt ist das Verhältnis zwischen diesem Abstand und der
Düsenweite mindestens 0,65 und besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 5. Ein noch stärker bevorzugter
Bereich befindet sich für dieses Verhältnis zwischen 1,25 und 5.
Der Verdampfer und der Verteiler der Beschichtung3cinrichtung werden bei dieser Erfindung bei einem
ausreichenden Druck betrieben, um ein Strömen des Dampfes durch die Düse bei einer Reynoldszahl von
mindestens 2500 und bevorzugt mindestens etwa 5000 zu bewirken, wodurch eine schnelle, wirksame und
gleichförmige Ablagerung der Schicht erreicht wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können dazu verwendet werden, eine
Vielzahl von Substraten zu beschichten. Beispiele
derartiger Substrate sind wärmebeständige Substrate,
wie Glas, Glaskeramik, Keramik, mit Porzellan übezogene Metalle und dergleichen. Andere Substrate, die in
Betracht kommen, sind Metalle, Kunststoffe, Papier und dergleichen. Die Erfindung eignet sich ganz besonders
für das Beschichten von Flachglas mit transparenten Metalloxidüberzügen. Für derartige Glasartikel besteht
im Bauwesen ein besonderes Interesse.
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung wird
bevorzugt Luft als Trägergas verwendet. Luft wirkt dabei nicht nur als Trägergas, sondern stellt gleichzeitig
auch Sauerstoff zur Verfügung, der sich mit den verdampften Metaüreagentien, wie Metallacetylacetonat,
innig mischt und in Berührung mit der heißen Glasoberfläche unter Bildung eines abgelagerten
Metalloxidfilms reagiert
Luft wird bevorzugt dem Verdampfer mit einer Temperatur zugeführt, die ausreichend ist, um die
Wärme für die Verdampfung des Lösungsmittels, das das Meialfreagens enthält, zu liefern. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform liegt die Temperatur der Luft-Dampf mischung beim Austritt aus dem Verdampfer
bei etwa 204 bis 216° C. Die Temperatur der Heizeinrichtung wird zweckmäßigerweise bei etwa
2100C durch Zuführung von heißem öl gehalten. Die
Trägerluft wird auf etwa 260°C erwärmt und die Zerstäubungsluft und die Lösung des Metallreagens
werden bei etwa 21 "C zugeführt.
Die Zufuhr an Zerstäubungsluft ist im Vegleich zu der
Trägerluft vernachlässigbar. Die Zerstäubungsluft hat in der Regel einen Druck von 0,14 bis 0,70 bar, bevorzugt
etwa 035 bar.
Die Trägerluft wird in der Regel aus Leitungen bei einem Druck von etwa 3,5 bis etwa 7,0 bevorzugt etwa
4,2 bar zugeführt. Die Geschwindigkeit der über die Heizeinrichtung aus den Schlitzen der Verteilungsplatte
streichenden Luft liegt bevorzugt bei etwa 1,5 bis 3,0 m/Min. Das Volumen der strömenden Trägerluft ist
höher als das Minimum, das notwendig ist, um die Dämpfe in der Dampfphase zu halten. Das bedeutet, daß
die Menge der angelieferten Trägerluft im Hinblick auf das Metallreagens und das Lösungsmittel unterhalb der
Sättigung (100%) über die ganzen Einrichtungen, wie Verdampfer, Verteiler, Düsen und Dampfbeschichtungskammer,
bleibt. Die Trägerluft wird im allgemeinen in einer Menge geliefert, die das Minimum für die
Sättigung übersteigt, so daß die relative Sättigung niedriger als 95% und bevorzugt niedriger als 85% ist.
Bevorzugt ist die Mischung mindestens zu 50% gesättigt.
Die minimale Menge an Luft, die zum Tragen der Reagentien und des Lösungsmittels erforderlich ist,
kann durch die üblichen Beziehungen er mit IeIt werden, wie die ideale Gasgleichung, den Dampfdruck und das
Molekulargewicht der im einzelnen verwendeten Reagentien und Lösungsmittel.
Die relative Menge an Lösungsmittel und an Reagens, die verdampft werden muß, läßt sich aus der
Löslichkeitsinformation und dem gewünschten gesamten Fluß des Reagens in Nachbarschaft des Substrats für
eine gewünschte Beschichtungsstärke bei einem gegebenen Substrat und einer gegebenen Temperatur leicht
ermitteln.
Das Verfahren nach der Erfindung kann verwendet werden, um Substrate in Form von kontinuierlichen
Bändern oder eine Serie von diskreten Substraten zu behandeln. Bei der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird ein kontinuierliches Flachglas beschichtet. Das Flachglas kann nach beliebigen Verfahren z. B.
nach dem Colburn-, Fourcault- oder Pittsburgh-Pennvernon-Verfahren
oder nach dem Floatprozeß hergestellt sein. Die vorliegende Erfindung kann dazu dienen,
um eine Beschichtung auf ein Substrat in vertikaler, horizontaler oder beliebig orientierter Ebene aufzubringen.
Dieses ist ein besonders großer Vorteil der Erfindung.
In den folgenden Beispielen wird die Erfindung noch näher erläutert
Die hier verwendete Vorrichtung ist quer über ein Band von Floatglas zwischen dem Floatbad und einem
Entspannungsofen angeordnet
Ein kontinuierliches Band aus klarem Glas von einer Breite von etwa 3 m und einer Dicke von etwa 635 mm
wird unter der Beschickungsvorrichtung mit einer linearen Geschwindigkeit von etwa 635 m/Min, bewegt
Oas Glas ist übliches Soda-KaJk-Siliciumdioxid-Glas mil
einer Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts von etwa 88%.
Es wird eine Beschichtungslösung hergestellt, die pro
1 folgende Bestandteile enthält:
Eisenacetylacetonat | 135,0 g |
Chromacetylacetonat | 39,6 g |
Cobaltacetylacetonat | 14,5 g |
Melhylenchlorid | 1 Liter |
Die Beschichtungslösung wird durch die Leitung mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,761 pro Minute bei
einem Druck von etwa 0,70 bar und einer Temperatur von etwa 21°C angefördert Die Zerstäubungsluft wird
durch die Gasleitung bei einem Druck von etwa 035 bar und einer Temperatur von etwa 21°C angefördert.
Die Trägerluft wird durch die Verteilereinrichtung bei
einem Druck von etwa 2,7 bar mit einer Geschwindigkeit von etwa 4,81 m3 pro Minute gefördert In den
Vorheizern wird die Trägerluft auf etwa 2600C erwärmt
und der Verdampfungskammer mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,5 bis 3 m durch die Gasverteilungsplatten
zugeführt Die Eigenwärme der Luft ist ausreichend, um die Beschichtungslösung zu verdampfen und der
erhaltenen Mischung aus Luft und den Dämpfen eine Temperatur im Bereich von etwa 204 bis 216° C zu
geben.
Allen Erhitzern wird heißes öl von einer Temperatur von etwa 2100C zugeleitet Die die Verdampfungskammer
verlassende Beschichtungsmischung, die durch den Verteiler und die Düsen geht, hat infolgedessen eine
stabilisierte Temperatur von etwa 2100C Die Glastemperatur
unter den Düsen liegt bei etwa 565° C. Das Verhältnis von Düse zu Abstand von dem Substrat ist
b/a=2. Diese Bedingungen führen zu einer Strömung am Düsenausgang mit einer Reynoldszahl von 5000.
Die Vorrichtung wird für einen Zeitraum von 20 Minuten betrieben, um etwa 18,6 m2 Glas zu beschichten.
Die erhaltene Beschichtung des Glases ist
Wi gleichförmig und das beschichtete Glas besitzt eine
mittlere Durchlässigkeit des sichtbaren Lichtes von 40%, wobei die Schwankungen bei weniger als ±2%
liegen, ausgenommen die extremen Randkanten des Glases, die außerhalb der Dimension der Düsen liegen.
1.5 Die Beschichtung zeichnet sich nicht nur dadurch aus,
daß sie gleichförmiger ist sondern sie besitzt auch eine viel feinere Körnung als Beschichtungen, die unter
Verwendung der gleichen Beschichtungsmaterialien
durch die bekannten Sprühmethodcn hergestellt wurden.
Die Arbeitsweise von Beispiel I wird cinigemale wiederholt, mit der Ausnahme, daß jedesmal ein
Verliihrcnsparamcter geändert wird, um seinen EinfluQ
auf die erhaltene Beschichtung zu ermitteln.
Das Verfahren wird zuerst bei einer Austrittsströmung
mit einer Reynoldszahl von 2500 wiederholt. Die erhaltene Beschichtung besitzt eine ausgezeichnete
Qualität, wie bei Beispiel I, obwohl die mittlere Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts 50% beträgt,
woraus hervorgeht, daß eine geringere Dcschiehtungs- oder Ablagerungs-Effizienz als bei der bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung erreicht wurde.
Dann wird das Verfahren mit einer Austrittsströmung mit einer Reynoldszahl von 2000 wiederholt. Die
erhaltene Beschichtung ist dünner und weniger gleichförmig als bei Beispiel 1. Die mittlere Durchlässigkeit
des sichtbaren Lichtes beträgt 60% mit einer Schwankung von ±5%. Derartige Schwankungen sind für
Anwendungen im Bauwesen nicht zulässig.
In einem weiteren Versuch wird das Verfahren mit einer Austrittsöffnung mil einer Reynoldszahl von 7000
wiederholt. Die erhaltene Beschichtung besitzt eine ausgezeichnete Qualität, wie bei Beispiel 1.
Schließlich werden zwei Versuche mit Austrittsströ·
ίο iTHingcn mit einer Rcynolds/.ahl von 5000 gemacht. Bei
einem Versuch ist das Verhältnis von Düse zum Subslratabstancl das 0,9faelic der Düsenweile und bei
dem anderen isi der Abstand das 5fache der Düsenwcilc. Die erhaltenen Beschichtungen ergeben
Produkte mit einer l.ichtdurchlassigkeit von weniger als 50%, doch liegen die Schwankungen in jedem Fall bei
etwa ±3%, woraus hervorgeht, daß es sich hierbei um Grenzqualilätcn für zahlreiche Anwendungen im
Bauwesen handelt.
Claims (3)
1. Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere von GIa:, mit hitzeempfindlichen
Reagentien, wobei mindestens ein Beschichtungsreagenz durch die Wärme des Trägergases verdampft und als Gasgemisch mit dem Trägergas
gegen die zu beschichtende Oberfläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsreagens in den vorher erwärmten, unter
Druck stehenden Trägergasstrom, der genügend Eigenwärme besitzt, um das Beschichtungsreagens
vollständig zu verdampfen und auf eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur zu erwärmen,
dispergiert wird, wobei unter Druck stehendes Zerstäubungsgas verwendet wird und Zerstäubungsgas und Beschichtungsreagens eine Temperatur
haben, die erheblich niedriger ist, als die Temperatur des Trägergases.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsreagens in einem
Lösungsmittel gelöst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Temperatur, bei der
Trägergas und verdampftes Beschichtungsreagens vermischt werden, die Mischung ungesättigt ist.
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