KR20220068014A - 용융 장력이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물 - Google Patents

용융 장력이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

고투명성 및 내충격성을 요구하는 생활용기용 폴리프로필렌계 수지 조성물로서 투명성이 저하되지 않으면서 용융 장력이 향상된 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물이 개시된다. 본 발명은 폴리프로필렌 77 내지 97 중량%; 선형 저밀도 폴리에틸렌 1 내지 10 중량%; 열가소성 탄성체 고무로서 에틸렌과 탄소수 2 내지 10의 α-올레핀의 공중합체 1 내지 10 중량%; 및 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물 0.01 내지 3 중량%;를 포함하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.

Description

용융 장력이 향상된 폴리프로필렌 수지 조성물{Polypropylene resin composition with improved melt strength}
본 발명은 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융 장력이 향상된 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물에 관한 것이다.
종래 고투명 및 내충격성 생활용기 시장은 폴리에틸렌 테레프탈레이트가 주를 이루었고, 불투명한 생활용기 시장은 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌이 자주 사용되었다. 하지만 플라스틱 사용 증가에 따른 재활용에 대한 이슈가 항상 대두되었고 현재는 환경부 규제로 이어졌다. 이런 분위기에서 재활용이 용이한 단일소재 제품으로 폴리프로필렌 소재에 대한 관심이 증가하였다. 또한 소비자의 심미적인 충족을 위해 고투명 폴리프로필렌 제품에 대한 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.
대부분의 이러한 생활용기는 중공품의 형태로 블로우 성형에 의해 제조되는데, 블로우 성형의 특성상 수지의 용융 장력이 일정 수준 이상으로 높아야 성형에 용이하다. 기존 폴리프로필렌계 수지는 분자량에 비해 용융 장력이 부족하여 다이 팽창(die-swell)이 적고 처짐(sagging) 현상이 나타났다. 낮은 용융 장력은 블로우 과정에서 두께 편차를 유발하기 쉬우며, 성형 자체가 불가능한 경우도 발생하게 된다. 또한 성형된 제품에서도 균일성이 떨어져 낙하충격 테스트에서 쉽게 깨지는 문제점이 나타난다.
일본 공개특허 제1998-168254호는 우수한 투명성 및 연신성을 갖는 블로우 성형용 폴리프로필렌 조성물에 관해 개시하였으나, 용융 장력 향상에 관해서는 언급하지 않고 있다.
일본 등록특허 제2942888호는 폴리올레핀계 수지에 폴리테트라플루오로에틸렌과 탄소수 5~30의 알킬(메타) 아크릴레이트를 첨가하여 용융 장력을 향상시킨 기술을 개시하였으나, 블로우 성형품의 투명성을 저하시킬 수 있다.
한국 등록특허 제1499360호는 폴리테트라플루오로에틸렌과 탄소수 5~30의 알킬(메타)아크릴레이트계 폴리머 첨가제를 포함한 폴리프로필렌계 수지 조성물로 용융장력을 향상 시킨 기술을 개시하였으나, 역시 투명성에 대한 부분은 고려되지 않았다.
본 발명은 고투명성 및 내충격성을 요구하는 생활용기용 폴리프로필렌계 수지 조성물로서 투명성이 저하되지 않으면서 용융 장력이 향상된 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 폴리프로필렌 77 내지 97 중량%; 선형 저밀도 폴리에틸렌 1 내지 10 중량%; 열가소성 탄성체 고무로서 에틸렌과 탄소수 2 내지 10의 α-올레핀의 공중합체 1 내지 10 중량%; 및 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물 0.01 내지 3 중량%;를 포함하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한 상기 폴리프로필렌은 용융지수(230℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 5 g/10min이고, 에틸렌 함량이 1 내지 10 중량%인 에틸렌-프로필렌 랜덤 공중합체이고, 상기 선형 저밀도 폴리에틸렌은 용융지수(190℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 5 g/10min이고, 밀도가 0.900 내지 0.940 g/㎤이며, 메탈로센 촉매로 제조된 선형 저밀도 폴리에틸렌이고, 상기 열가소성 탄성체 고무는 용융지수(190℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 5 g/10min이고, 밀도가 0.860 내지 0.910 g/㎤이고, 에틸렌 60 내지 80 중량% 및 부텐 20 내지 40 중량%를 포함하는 에틸렌-부텐 고무(ethylene-butene rubber; EBR)이고, 상기 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 30 내지 50 중량%와 메틸 메타크릴레이트 및 부틸 아크릴레이트 공중합체 50 내지 70 중량%의 혼합물인 것을 특징으로 하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
또한 상기 수지 조성물은 하기 방법에 따라 측정된 연신 점도가 100,000 내지 200,000 Pa·s이고, 광투과율이 77% 이상이고, 충격강도가 55 내지 70 kgf·cm/cm인 것을 특징으로 하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공한다.
[측정방법]
ARES EVF(Extensional Viscosity Fixture)를 이용하여 160℃ 온도 및 0.1/sec 속도 조건에서 시편의 최대 연신 점도를 측정하고, ASTM D1003에 준하여 시편(3 mm 두께)에 대하여 Hazemeter를 사용하여 광투과율(Total Transmittance)을 측정하고, ASTM D256에 준하여 상온에서 시편(3 mm 두께)의 u-notched Izod 충격강도를 측정함.
본 발명에 따르면 고투명 및 고충격 폴리프로필렌 수지에 특정 조성의 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물을 소량 첨가하여 용융 장력을 증가시켜 블로우 성형성을 향상시키면서도 기존에 가지고 있던 투명성 및 내충격성이 유지되도록 하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물을 제공할 수 있다.
이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명자들은 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물에 있어 종래 고투명성 및 고충격성을 유지하면서 향상된 용융 장력을 갖는 수지 조성물이 부재한 사실에 직시하고 연구를 거듭한 결과, 고투명 및 고충격 폴리프로필렌 수지에 특정 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물의 첨가량을 최소화함으로써 고투명성 및 고충격성을 유지하면서도 용융 장력을 향상시켜 블로우 성형성을 개선시킬 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
따라서, 본 발명은 폴리프로필렌 77 내지 97 중량%; 선형 저밀도 폴리에틸렌 1 내지 10 중량%; 열가소성 탄성체 고무로서 에틸렌과 탄소수 2 내지 10의 α-올레핀의 공중합체 1 내지 10 중량%; 및 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물 0.01 내지 5 중량%;를 포함하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물을 개시한다.
본 발명에서 상기 폴리프로필렌은 투명성 및 내충격성을 부여하는 베이스 수지로서 프로필렌 단독 중합체 또는 프로필렌과 탄소수 2 내지 10의 α-올레핀이 10 중량% 이하로 공중합된 랜덤 공중합체일 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 용융 장력 향상 측면에서 바람직하게는 랜덤 공중합체가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 에틸렌 함량이 1 내지 10 중량%인 에틸렌-프로필렌 랜덤 공중합체가 사용될 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 에틸렌 함량이 2 내지 5 중량%인 에틸렌-프로필렌 랜덤 공중합체가 사용될 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 용융지수(230℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 5 g/10min인 것이 바람직하고, 0.5 내지 2 g/10min인 것이 더욱 바람직하다. 상기 용융지수가 0.1 g/10min 미만일 경우 겔 발생이나 피쉬아이 발생과 같은 표면 불량이 발생할 수 있고, 5 g/10min을 초과할 경우 반응 시 장측쇄 구조가 상대적으로 약하게 생성되어 용융 장력이 저하될 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 전체 수지 조성물에서 77 내지 97 중량% 포함되며, 바람직하게는 81 내지 90 중량%, 더욱 바람직하게는 84 내지 88 중량% 포함될 수 있다. 폴리프로필렌 함량이 77 중량% 미만일 경우 최종 수지 조성물의 투명성 및 내충격성이 저하되고, 97 중량%를 초과할 경우 최종 수지 조성물의 용융 장력이 저하된다.
본 발명에서 상기 선형 저밀도 폴리에틸렌은 상기 폴리프로필렌에 혼합되어 블로우 성형성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, 메탈로센 촉매로 제조된 선형 저밀도 폴리에틸렌(mLLDPE)이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 선형 저밀도 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌에 비해 낮은 압력과 온도에서 중합되는 것으로, 일반적으로 에틸렌에 탄소수 2 내지 10인 α-올레핀 공단량체를 소량 첨가하여 공중합된 것이 사용될 수 있으며, 이때 상기 α-올레핀은 1-헥센 또는 1-옥텐인 것이 바람직하고, 1-헥센인 것이 더욱 바람직하다.
상기 선형 저밀도 폴리에틸렌은 밀도가 0.900 내지 0.940 g/㎤일 수 있고, 바람직하게는 0.910 내지 0.930 g/㎤일 수 있으며, 상기 폴리프로필렌과의 혼합 시 투명성 및 내충격성을 유지하면서 용융 장력을 향상시키는 측면에서 용융지수(230℃, 2.16 kg 하중)는 0.1 내지 5 g/10min인 것이 바람직하고, 1 내지 3 g/10min인 것이 더욱 바람직하다.
상기 선형 저밀도 폴리에틸렌은 전체 수지 조성물에서 1 내지 10 중량% 포함되며, 바람직하게는 2 내지 8 중량%, 더욱 바람직하게는 3 내지 7 중량% 포함될 수 있다. 선형 저밀도 폴리에틸렌 함량이 1 중량% 미만일 경우 최종 수지 조성물의 용융 장력 향상 효과가 미비하고, 10 중량%를 초과할 경우 최종 수지 조성물의 투명성 및 내충격성이 저하된다.
본 발명에서는 최종 수지 조성물의 내충격성 저하를 방지하기 위해 열가소성 탄성체 고무로서 에틸렌과 탄소수 2 내지 10의 α-올레핀의 공중합체를 포함한다.
상기 열가소성 탄성체 고무는 상기 폴리프로필렌과 선형 저밀도 폴리에틸렌, 후술하는 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물과의 조합에서 고투명성 및 개선된 블로우 성형성을 유지시키는 측면에서 에틸렌 60 내지 80 중량% 및 부텐 20 내지 40 중량%를 포함하는 에틸렌-부텐 고무(ethylene-butene rubber; EBR)가 바람직하게 사용될 수 있고, 이때 밀도는 0.860 내지 0.910 g/㎤, 바람직하게는 0.870 내지 0.900 g/㎤일 수 있고, 용융지수(190℃, 2.16 kg 하중)는 0.1 내지 5 g/10min, 바람직하게는 1 내지 3 g/10min일 수 있다.
상기 열가소성 탄성체 고무는 전체 수지 조성물에서 1 내지 10 중량% 포함되며, 바람직하게는 3 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 5 내지 10 중량% 포함될 수 있다. 열가소성 탄성체 고무 함량이 1 중량% 미만일 경우 최종 수지 조성물의 내충격성 저하 방지 효과가 미비하고, 10 중량%를 초과할 경우 최종 수지 조성물의 투명성 및 블로우 성형성이 저하된다.
본 발명에서 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물은 전술한 성분들과의 조합에서 매우 적은 함량으로도 최종 수지 조성물의 투명성 및 내충격성의 저하 없이 용융 장력을 향상시킨다.
이러한 특성 부여에 적합한 혼합물 조성으로서 본 발명에서는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 30 내지 50 중량%와 메틸 메타크릴레이트 및 부틸 아크릴레이트 공중합체 50 내지 70 중량%가 혼합된 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물이 적용될 수 있다.
상기 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물은 전체 수지 조성물에서 0.01 내지 3 중량% 포함되며, 바람직하게는 0.01 내지 1 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.1 중량% 포함될 수 있다. 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물 함량이 0.01 중량% 미만일 경우 목적하는 효과 구현이 미비하고, 그 함량이 과도할 경우 최종 수지 조성물의 투명성 및 내충격성의 저하된다.
본 발명에 따른 폴리프로필렌 수지 조성물은 상기 성분들 이외에도 투명용기용으로 적용 시 일반적으로 사용되는 중화제, 산화방지제, 핵제, 대전방지제 등이 추가로 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물은 당 업계에 알려진 통상의 방법에 따라 상기 성분들을 혼합 및 압출하여 제조될 수 있다. 예컨대, 상기 성분들을 2축 압출기에 투입하여 용융 혼련하여 폴리프로필렌 수지 조성물을 제조할 수 있다.
이상의 본 발명에 따른 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물은 고투명성 및 고충격성을 유지하면서 용융 장력이 향상되며, 구체적으로 하기 방법에 따라 측정된 연신점도가 100,000 내지 200,000 Pa·s, 바람직하게는 100,000 내지 150,000 Pa·s이고, 광투과율이 77% 이상, 바람직하게는 79% 이상이고, 충격강도가 55 내지 70 kgf·cm/cm, 바람직하게는 60 내지 65 kgf·cm/cm일 수 있다.
[측정방법]
ARES EVF(Extensional Viscosity Fixture)를 이용하여 160℃ 온도 및 0.1/sec 속도 조건에서 시편의 최대 연신 점도를 측정하고, ASTM D1003에 준하여 시편(3 mm 두께)에 대하여 Hazemeter를 사용하여 광투과율(Total Transmittance)을 측정하고, ASTM D256에 준하여 상온에서 시편(3 mm 두께)의 u-notched Izod 충격강도를 측정함.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예에서 밀도, 용융지수 및 분자량 특성은 하기 방법에 따라 측정되었다.
[측정 방법]
(1) 밀도
ASTM D1505에 준하여 측정하였다.
(2) 용융지수(MI, Melt flow Index)
ASTM D1238에 준하여 2.16 kg 하중 조건에서 측정하되, (A) 폴리프로필렌의 경우 230℃ 조건에서, (B) 선형 저밀도 폴리에틸렌 및 (C) 에틸렌-부텐 고무(EBR)의 경우 190℃ 조건에서 측정하였다.
실시예 1
(A) 폴리프로필렌(MI 0.9 g/10min, 에틸렌 함량 3.5 중량%인 에틸렌-프로필렌 랜덤 공중합체) 87 중량%, (B) 메탈로센 촉매로 제조된 선형 저밀도 폴리에틸렌(MI 2 g/10min, 밀도 0.918 g/㎤, SP310, LG화학) 5 중량%, (C) 에틸렌 70 중량% 및 부텐 30 중량%를 포함하는 에틸렌-부텐 고무(EBR)(MI 2 g/10min, 밀도 0.885 g/㎤, Tafmer DF810, Mitsui chemical) 8 중량%, (D) 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 40 중량%와 메틸 메타크릴레이트 및 부틸 아크릴레이트 공중합체 60 중량%의 혼합물(A-3800, Mitsubishi) 0.01 중량% 및 기타 첨가제로 (E) 산화방지제(페놀계 산화방지제(AO-1010) 및 인계 산화방지제(A-240) 혼합) 0.5 중량%를 스크류 길이/직경(L/D) 비가 40인 2축 압출기에 투입하여 180 내지 220℃ 조건에서 용융 혼련 후 냉각 고화하여 펠렛상의 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 2 내지 3, 비교예 1 내지 2
실시예 1에서 성분 함량을 하기 표 1의 조건으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수지 조성물을 제조하였다.
성분 비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2 실시예 3
A (중량%) 86.5 81.5 86.49 86.4 85.5
B (중량%) 5 5 5 5 5
C (중량%) 8 8 8 8 8
D (중량%) 0 5 0.01 0.1 1
E (중량%) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
실험예
상기 제조된 수지 조성물로 각종 시험편을 제조하여 하기 방법으로 연신 점도(용융 장력을 대신하여 측정함), 광투과율 및 충격강도를 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[측정방법]
(1) 연신 점도
ARES EVF(Extensional Viscosity Fixture)를 이용하여 160℃ 온도 및 0.1/sec 속도 조건에서 시편(1 mm 두께)의 최대 연신 점도를 측정하였다.
(2) 광투과율
ASTM D1003에 준하여 시편(2 mm 두께)에 대하여 Hazemeter를 사용하여 광투과율(Total Transmittance)을 측정하였다.
(3) 충격강도
ASTM D256에 준하여 상온에서 시편(3 mm 두께)의 u-notched Izod 충격강도를 측정하였다.
구분 비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2 실시예 3
연신 점도(Pa·s) 78,045 289,402 115,270 132,905 172,635
광투과율(%) 79.7 76.9 79.8 79.5 79.0
충격강도(kgf·cm/cm) 62.5 59.2 62.5 62.2 61.0
표 2를 참조하면, 본 발명에 따라 폴리프로필렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌 및 특정 조성의 열가소성 탄성체 고무에 PTFE를 포함하는 특정 조성의 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물을 혼합하여 제조된 폴리프로필렌 수지 조성물의 경우(실시예 1 내지 3) 광투과율 및 내충격성의 저하 없이 용융 장력을 향상시키는 효과를 확인할 수 있다.
반면, 상기 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물을 첨가하지 않을 경우(비교예 1) 용융 장력 향상 효과가 나타나지 않고, 다만, 상기 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물을 과량 첨가할 경우(비교예 2) 용융 장력은 더욱 향상되나, 광투과율과 충격강도가 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물의 함량이 증가할수록 용융 장력은 향상되나 매우 적은 함량에서도 충분한 용융 장력 향상 효과가 구현되고, 나아가, 투명성 및 내충격성의 저하 방지를 더욱 고려할 때 상기 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물의 함량은 상대적으로 적은 함량에서 사용되는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

  1. 폴리프로필렌 77 내지 97 중량%;
    선형 저밀도 폴리에틸렌 1 내지 10 중량%;
    열가소성 탄성체 고무로서 에틸렌과 탄소수 2 내지 10의 α-올레핀의 공중합체 1 내지 10 중량%; 및
    불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물 0.01 내지 3 중량%;
    를 포함하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌은 용융지수(230℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 5 g/10min이고, 에틸렌 함량이 1 내지 10 중량%인 에틸렌-프로필렌 랜덤 공중합체이고,
    상기 선형 저밀도 폴리에틸렌은 용융지수(190℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 5 g/10min이고, 밀도가 0.900 내지 0.940 g/㎤이며, 메탈로센 촉매로 제조된 선형 저밀도 폴리에틸렌이고,
    상기 열가소성 탄성체 고무는 용융지수(190℃, 2.16 kg 하중)가 0.1 내지 5 g/10min이고, 밀도가 0.860 내지 0.910 g/㎤이고, 에틸렌 60 내지 80 중량% 및 부텐 20 내지 40 중량%를 포함하는 에틸렌-부텐 고무(ethylene-butene rubber; EBR)이고,
    상기 불소계 수지 및 아크릴계 수지의 혼합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 30 내지 50 중량%와 메틸 메타크릴레이트 및 부틸 아크릴레이트 공중합체 50 내지 70 중량%의 혼합물인 것을 특징으로 하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수지 조성물은 하기 방법에 따라 측정된 연신 점도가 100,000 내지 200,000 Pa·s이고, 광투과율이 77% 이상이고, 충격강도가 55 내지 70 kgf·cm/cm인 것을 특징으로 하는 투명용기용 폴리프로필렌 수지 조성물:
    [측정방법]
    ARES EVF(Extensional Viscosity Fixture)를 이용하여 160℃ 온도 및 0.1/sec 속도 조건에서 시편의 최대 연신 점도를 측정하고, ASTM D1003에 준하여 시편(3 mm 두께)에 대하여 Hazemeter를 사용하여 광투과율(Total Transmittance)을 측정하고, ASTM D256에 준하여 상온에서 시편(3 mm 두께)의 u-notched Izod 충격강도를 측정함.
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