KR101406264B1 - 하이브리드 복합 나노 부직포 - Google Patents

하이브리드 복합 나노 부직포 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 복합 나노 섬유 구성에 관한 것으로 기본 필름위에 400~700nm의 평균 직경인 제 1 나노 부직포와 100~300nm의 평균 직경인 제 2 나노 부직포층이 교효적으로 적층되어 있는 복합 나노 부직포를 제조하는 것이다. 제조한 복합 나노 부직포를 이용한 필터를 구현시 높은 단가뿐만 아니라 차압과 여과 효율 문제도 발생할 수 있는데, 기존의 나노 부직포 직경 두께의 차이와 제조기술을 연속화하여 가격 경쟁력도 있으면서 여과 효율문제도 해결하고 고효율 및 고기능이 보장되는 기능성 필터를 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 복합 나노 부직포 {Hybrid nanofiber filter media}
본 발명은 하이브리드 복합 나노 부직포 구성에 관한 것으로 기본 필름위에 400~700nm의 평균 직경을 갖는 제 1 나노 부직포와 100~300nm의 평균 직경을 갖는 제 2 나노 부직포층이 교효적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
통상적으로 제조되고 있는 대부분의 마이크로 섬유는 용융방사, 건식방사, 습식방사 등과 같은 방사방식 요컨대, 그 고분자 용액을 기계적인 힘으로 미세구멍을 통해 강제압출 방사시킴으로써 제조되어진다. 하지만 이러한 방식으로 제조되는 나노 부직포의 직경은 대략 5~500㎛범위를 가지며, 1㎛ 이하의 나노급 섬유를 제조하는 것에는 곤란함이 있다. 그러므로 이러한 직경이 큰섬유로 구성된 필터로는 직경이 큰 오염입자를 필터링할 수 있지만 나노사이즈의 미세 오염입자를 필터링하는 것은 사실상 불가능하다.
이에 나노사이즈의 섬유(부직포)를 제조하기 위한 다양한 방식들이 개발되고 사용되고 있는 실정이다. 유기 나노 부직포를 형성하는 방법은 블록 세그먼트에 의한 나노구조 물질 형성, 자기조립에 의한 나노구조 물질형성, 실리카 촉매하에 중합에 의한 나노 부직포 형성, 용융방사 후 탄화공정에 의한 나노 부직포 형성, 고분자 용액 또는 용융체의 전기방사에 의한 나노 부직포형성 등이 있다.
이와 같이 제조되는 나노 부직포를 이용하여 나노 부직포 필터를 구현할 경우, 직경이 큰 나노 부직포 필터에 비해서 그 비표적이 매우 크고, 표면 작용기에 대한 유연성도 좋으며 나노급 기공사이즈를 가지므로 유해한 입자나 가스 등을 효율적으로 제거할 수 있다.
하지만 나노 부직포를 이용한 필터 구현은 그 생산비용이 엄청나며 생산을 위한 여러가지 조건 등을 맞추기가 쉽지 않으므로, 나노 부직포를 이용한 필터를 상대적으로 낮은 단가로 생산보급하지 못하는 실정이다.
나노 부직포를 이용한 필터를 구현시 위 언급한 높은 단가뿐만 아니라 차압과 여과 효율 문제도 발생할 수 있는데, 본 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있고, 아울러 기존의 나노 부직포 직경 두께의 차이와 제조기술을 연속화하여 가격 경쟁력도 있으면서 여과 효율문제도 해결하고 고효율 및 고 기능이 보장되는 기능성 필터를 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 하이브리드 복합 나노 부직포는 400~700nm의 평균 직경을 갖는 제 1 나노 부직포층; 100~300nm의 평균 직경을 갖는 제 2 나노 부직포층을 포함하는 필터용 하이브리드 복합 나노 부직포로 상기 복합 나노 부직포는 전기방사법에 의해서 형성된 400~700nm의 평균 직경을 갖는 나노 부직포와 100~300nm의 평균 직경을 갖는 나노 부직포를 연속적으로 적층하여 형성된 다층구조이며, 상기 다층구조는 400~700nm의 평균 직경을 갖는 나노 부직포와 100~300nm의 평균 직경을 갖는 나노 부직포를 교호적으로 적층하여 형성된 다층구조인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 복합 나노 부직포는 400~700nm의 평균직경을 갖는 나노 부직포가 60중량%, 100~300nm의 평균직경을 갖는 나노 부직포가 40중량%인 하이브리드 복합나노 부직포를 포함하는 필터이다.
또한 본 발명은, 전기방사 장치를 이용하여 하이브리드 복합 나노 부직포를 제조하는 방법은 전기방사 장치의 하부에는 고전압이 발생되는 컬렉터가 노즐의 상단에 위치하는 상향식 전기방사장치 및 상부에는 고전압이 발생되는 컬렉터가 노즐의 하단에 위치하는 하향식 전기방사장치를 포함하여 구성되되, 상기 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치가 수평방향을 향하여 교대로 연속되게 배열설치되어 방사용액을 분사하는 것을 특징으로 하는 필터용 하이브리드 복합 나노 부직포의 제조방법으로, 상향식 전기방사장치의 노즐에서 분사되는 고분자 방사용액과 상기 하향식 전기방사장치의 노즐에서 분사되는 고분자 방사용액이 동일한 종류이거나, 서로 다른 2종 이상의 고분자 방사용액으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 고분자 용액을 전기방사기로 전기방사하여 섬유의 평균직경이400~700nm인 제 1 나노 부직포층과 섬유의 평균직경이 100~300nm인 제 2 나노 부직포층으로 하이브리드화 하여 미세한 기공을 가지면서도 압력의 증가를 초래하지 않는 새로운 형태의 고효율 기능성 복합섬유필터를 구현한다.
도 1은 상/하방식 전기방사가 복합적으로 되어있는 복합 나노 부직포 제조 장치의 모식도이다.
도 2는 복합 나노 부직포의 모식도이다.
도 3은 복합 나노 부직포 종류 마다의 효율에 관한 데이터이다.
도 4는 복합 나노 부직포 종류 마다의 공기투과도와 압력강화에 관한 데이터이다.
본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 400~700nm의 평균 직경을 갖는 제 1 나노 부직포층과 100~300nm의 평균 직경을 갖는 제 2 나노 부직포층를 교호적으로 적층하여 미세한 기공을 가지면서도 압력의 증가를 초래하지 않는 새로운 형태의 고효율 기능성 복합섬유필터를 구현한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 나노 부직포 제조 장치의 구성이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 복합 나노 부직포의 모식도이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 도 1의 복합식 전기방사장치(1)는 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 포함하여 구성되되, 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)가 수평방향을 향하여 교대로 연속되게 배열설치된다.
여기서, 상기 상향식 전기방사장치(10)와 하향식 전기방사장치(30)는 고분자 방사용액(도번 미도시)이 내부에 충진되는 방사용액 주탱크(11, 31)와 상기 방사용액 주탱크(11, 31) 내에 충진된 고분자 방사용액의 정량 공급을 위한 계량 펌프(미도시)와 상기 방사용액 주탱크(11, 31) 내의 고분자 방사용액을 토출하되, 핀 형태로 이루어지는 노즐(15, 35)이 다수 개 배열설치되는 노즐블록(13, 33)과 상기 노즐(15, 35)의 하단에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐(15, 35)에서 일정간격 이격되는 컬렉터(17, 37) 및 상기 컬렉터(17, 37)에 전압을 발생시키는 전압 발생장치(미도시)를 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 혼합식 전기방사장치(1)는 상향식 전기방사장치(10)의 방사용액 주탱크(11) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(15) 내에 연속적으로 정량 공급되고, 노즐(15)로 공급되는 고분자 방사용액은 노즐(15)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(17) 상에 방사, 집속되어 나노 부직포 웹을 형성하며, 형성된 나노 부직포를 엠보싱 또는 니들펀칭하여 부직포로 제조한다.
그리고, 상기 혼합식 전기방사장치(1)의 전단에는 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)에서 고분자 방사용액이 분사되어 나노 부직포(미도시)가 적층형성되는 지지체(3)를 공급하는 공급롤러(5)가 구비되고, 후단에는 나노 부직포가 적층형성되는 지지체(3)를 권취하기 위한 권취롤러(7)가 구비된다.
여기서, 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 고분자 방사용액이 적층되는 지지체(3)는 부직포 또는 직물 등으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
이때, 상기 상향식 전기방사장치(10)와 하향식 전기방사장치(30)는 컬렉터(17, 37)를 기준으로 그 하, 상방향으로 상호 대칭되게 각각 배열설치된다. 즉, 상기 상향식 전기방사장치(10)는 컬렉터(17)가 노즐(15)의 상단에 위치하고, 상기 하향식 전기방사장치(30)는 컬렉터(37)가 노즐(35)의 하단에 위치한다.
그리고, 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)에 각각 구비되는 컬렉터(17, 37)의 전극방향은 상호 대향되게 위치한다. 즉, 상기 각 상향식 전기방사장치(10, 10')에 구비되는 각 컬렉터(17)의 전극방향은 다수 개의 노즐(15)이 구비되는 노즐블록(13)을 향하도록 컬렉터(17)의 상부면에 위치하고, 상기 각 하향식 전기방사장치(30, 30')에 구비되는 각 컬렉터(37)의 전극방향은 다수 개의 노즐(35)이 구비되는 노즐블록(33)을 향하도록 컬렉터(37)의 하부면에 위치한다.
한편, 상기 각 컬렉터(17, 37)의 양 단부에는 이송롤러(9)가 각각 구비되고, 상기 각 이송롤러(9)를 통하여 각 컬렉터(17, 37)에 집적되어 나노 부직포가 적층형성되는 지지체(3)가 수평방향으로 이송된다. 즉, 상기 상향식 전기방사장치(10)의 노즐(15)에서 분사되는 고분자 방사용액을 컬렉터(17)의 지지체(3) 상에 적층형성시켜 제조된 나노 부직포를 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 수평 이동시킴과 상기한 공정을 반복적 및 연속적으로 진행하기 위한 이송롤러(9)가 상기 각 컬렉터(17, 37)의 양 단부에 각각 구비된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 상향식 전기방사장치(10)의 방사용액 주탱크(11) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(15)을 통하여 컬렉터(17)의 지지체(3) 상에 분사되고, 상기 컬렉터(17)의 지지체(3) 상에 분사된 고분자 방사용액이 집적되면서 나노 부직포를 형성한 후 나노 부직포가 적층형성된 지지체(3)가 이송롤러(9)를 통하여 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 이송되고, 상기 컬렉터(37) 상으로 이송된 나노 부직포가 적층된 지지체(3)에 상기 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(31) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(35)을 통하여 분사되는 등 상향식 전기방사장치(10, 10')와 하향식 전기방사장치(30, 30')가 교대로 연속되게 배열설치되어 상기한 과정을 연속되게 반복적으로 수행하면서 최종 제품이 제조된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 복합식 전기방사장치(1)의 선단에 상향식 전기방사장치(10)가 구비되고, 상기 상향식 전기방사장치(10)의 후단에 하향식 전기방사장치(30)가 구비되는 등 상향식 전기방사장치(10, 10')와 하향식 전기방사장치(30, 30')의 순서로 연속되게 배열설치되어 있으나, 상기 복합식 전기방사장치(1)의 선단에 하향식 전기방사장치(30)가 구비되고, 상기 하향식 전기방사장치(30)의 후단에 상향식 전기방사장치(10)가 구비되는 등 하향식 전기방사장치(30, 30')와 상향식 전기방사장치(10, 10')의 순서로 연속되게 배열설치되는 것도 가능하다.
또한, 상기 복합식 전기방사장치(1)의 선단에 상향식 전기방사장치(10)가 연속되게 2개 이상으로 배열설치되고, 그 후단에 하향식 전기방사장치(30)가 연속되게 2개 이상으로 배열설치되거나, 선단에 하향식 전기방사장치(30)가 연속되게 2개 이상으로 배열설치되고, 그 후단에 상향식 전기방사장치(10)가 연속되게 2개 이상으로 배열설치되는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 복합식 전기방사장치(1)의 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)를 통과하면서 제조되는 나노 부직포는 지지체(3)에 상기 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 각 노즐(15, 35)을 통하여 고분자 방사용액이 분사되어 컬렉터(17, 37) 상의 지지체(3) 하부면 및 상부면에 나노 부직포가 적층형성되는 등 상기 지지체(3)에 상향식 전기방사장치(10) 및 하향식 전기방사장치(30)의 노즐(15, 35)에서 분사되는 고분자 방사용액이 적층되어 나노 부직포가 다수 층으로 형성됨으로써 최종 나노 부직포 제품이 제조된다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 제 1 공급장치에 충진된 제 1 고분자를 유기용매에 용해시켜 제조한 용액을 기본 필름 윗면에 전기방사하여 제 1 나노 부직포를 형성하는 단계; 제 2 공급장치에 충진된 제 2 고분자를 유기용매에 용해시켜 제조한 용액을 상기 기본필름 아래면에 전기방사하여 제 2 나노 부직포을 적층하는 단계; 제 3 공급장치에 충진된 제 3 고분자를 유기용매에 용해시켜 제조한 용액을 상기 제 1 나노 부직포 위에 방사하는 단계를 포함하는 하이브리드 복합 나노 부직포의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 제조방법 예시로 제 1 공급장치에서 나노 부직포를 구성하는 섬유의 평균직경이 400~700nm인 제 1 나노 부직포의 용융 방식이면, 제 3 공급장치는 나노 부직포를 구성하는 섬유의 평균직경이 100~300nm인 제 2 나노 부직포층의 용융방식이어야 한다.
도 2에서 도시된 것과 같이 제조된 나노 부직포는 직경이 큰 나노 부직포와 직경이 작은 나노 부직포가 격층으로 적층된 형태를 보여주고 있다.
본 발명의 나노 부직포를 이용한 필터 구현시 직경이 다른 나노 부직포 기술과 나노 섬유 제조기술을 융합하여 제조하므로, 나노 부직포층은 전기방사가 가능하도록 하는 일정 이상의 유전상수를 가지는 고분자 수지 재질로 소재를 구현하는 것이 바람직하다.
복합전기방사기에서 전기방사가 가능한 합성수지 재질로서 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리부틸렌텔레프탈레이트, 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에티렌이민, 폴리술폰, 폴리올레핀 등이 있으며, 그중 폴리프로필렌(PP)재질을 소재로 하는 것이 바람직하다.
나노 부직포층을 구성하는 일정 이상의 유전상수를 가지는 고분자 수지로는 물을 포함한 유기용매에 용해 가능한 고분자수지로서, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile: PAN)수지 또는 폴리아미드(나일론 6)가 바람직하다.물을 포함한 유기용매에 용해 가능한 고분자 수지의 다른 일 예로는 폴리비닐알콜, 폴리스티렌, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에티렌이민, 폴리술폰, 니트로셀룰로오스 등도 포함된다. 그 다른 일예들중 폴리스티렌, 폴리비닐리덴플루라이드, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리술폰, 니트로셀룰로오스는 내수성 및 내화학성(내알카리성, 내산성 등)이 좋아서 정수용 필터의 나노 부직포층을 구성하는데에 바람직하게 적용될 수 있다.
이하에서는 본 발명이 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
-섬유의 평균 직경-
실시예 및 비교예들의 나노 부직포를 구성하는 섬유의 평균 직경은 전기주사현미경(Scanning Electron microscope, HITACHI S-4300) 및 이미지 분석기 (Image-Pro Plus의 소프트웨어에 JVC Digital Camera KY-F70B)를 이용하여 측정하였다. 이때, 10개 이상의 측정시료를 채취한 후 측정하여 이를 평균화하였다.
[실시예 1]
분자량이 157,000인 폴리아크릴로니트릴(한일합성)을 디메틸포름아마이드(DMF) 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 나노 부직포를 구성하는 섬유의 평균 직경이 500nm인 경우에는 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 10kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%에서, 나노 부직포를 구성하는 섬유의 평균 직경이 200nm인 경우에는 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%인 전기방사조건에서 기본 필름 위에 나노 부직포의 평균 직경이 500nm인 나노 부직포 대 나노 부직포의 평균 직경이 200nm인 나노 부직포의 중량 비를 85 대 15로 하여 방사하였다.
[실시예 2]
폴리아크릴로니트릴를 DMF 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 나노 부직포의 평균 직경이 500nm인 경우에는 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 10kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%의 전기방사 조건에서, 나노 부직포의 평균 직경이 200nm인 경우에는 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%인 전기방사조건에서 기본 필름 위에 나노 부직포의 평균 직경이 500nm인 나노 부직포 대 나노 부직포의 평균 직경이 200nm인 나노 부직포의 중량 비를 70 대 30로 하여 방사하였다.
[실시예 3]
폴리아크릴로니트릴을 DMF 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 나노 부직포의 평균 직경이 500nm인 경우에는 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 10kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%에서, 나노 부직포의 평균 직경이 200nm인 경우에는 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%인 전기방사조건에서 기본 필름 위에 나노 부직포의 평균 직경이 500nm인 나노 부직포 대 나노 부직포의 평균 직경이 200nm인 나노 부직포의 중량 비를 60 대 40로 하여 방사하였다.
[비교예 1]
폴리아크릴로니트릴을 DMF 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 10kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%인 전기방사조건에서 기본 필름 위에 나노 부직포의 평균 직경이 500nm인 나노 부직포 100중량% 방사하였다.
[비교예 2]
폴리아크릴로니트릴를 DMF 용매에 용해시켜 방사용액을 제조하고, 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%로 전기방사조건에서 기본 필름 위에 나노 부직포의 평균 직경이 200nm인 나노 부직포 100중량% 방사하였다.
도 3에서 보면 같은 효율이라고 가정하였을때 복합 나노 부직포의 무게비가 작다는 것을 확인 할 수 있다.
도 4에서 보면 복합 나노 부직포의 400~700nm인 나노 부직포 대 100~300nm인 나노 부직포의 중량 비가 60 대 40일 경우의 공기투과도와 압력강하율을 100으로 설정할 경우 섬유의 직경이 클수록 공기투과도는 높고 압력강하는 낮으며, 섬유 직경이 작을 수록 공기투과도는 낮고 압력강하는 높은 것을 볼 수 있다.
본 발명에서는 복합 나노 부직포의 400~700nm인 나노 부직포 대 100~300nm인 나노 부직포의 중량비가 60 대 40일 때가 가장 좋은 효율을 나타내는 것을 알 수 있다.
1 : 복합식 전기방사장치 3 : 지지체
5 : 공급롤러 7 : 권취롤러
9 : 이송롤러
10, 10' : 상향식 전기방사장치 11 : 주탱크
13 : 노즐블록 15 : 노즐
17 : 컬렉터
30, 30' : 하향식 전기방사장치 31 : 주탱크
33 : 노즐블록 35 : 노즐
37 : 컬렉터

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 전기방사 장치를 이용하여 하이브리드 복합 나노 부직포를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 전기방사 장치의 하부에는 고전압이 발생되는 컬렉터가 노즐의 상단에 위치하는 상향식 전기방사장치; 및
    상부에는 고전압이 발생되는 컬렉터가 노즐의 하단에 위치하는 하향식 전기방사장치;
    를 포함하여 구성되되, 상기 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치가 수평방향을 향하여 교대로 연속되게 배열설치되어 방사용액을 분사하는 것을 특징으로 하는 필터용 하이브리드 복합 나노 부직포의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 상향식 전기방사장치의 노즐에서 분사되는 고분자 방사용액과 상기 하향식 전기방사장치의 노즐에서 분사되는 고분자 방사용액이 동일한 종류이거나, 서로 다른 2종 이상의 고분자 방사용액으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 필터용 하이브리드 복합 나노 부직포의 제조방법.
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