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深入了解PVC聚氯乙烯樹脂和各種助劑的性能

文章出處:原創(chuàng)網(wǎng)責(zé)任編輯:小莉作者:小莉人氣:-發(fā)表時間:2014-10-10 10:14:00

  PVC塑料型材配方主要由PVC樹脂和助劑組成的,其中助劑按功能又分為:熱穩(wěn)定劑、潤滑劑、加工改性劑、沖擊改性劑、填充劑、耐老化劑、著色劑等。在設(shè)計PVC配方之前,首先應(yīng)了解PVC樹脂和各種助劑的性能。

 原料與助劑
  PVC樹脂
  生產(chǎn)PVC塑料型材的樹脂是聚氯乙烯樹脂(PVC),聚氯乙烯是由氯乙烯單體聚合而成的聚合物,產(chǎn)量僅次于PE,居第二位。
  PVC樹脂由于聚合中的分散劑的不同可分為疏松型(XS)和緊密型()兩種。疏松型粒徑為01—02mm,表面不規(guī)則,多孔,呈棉花球狀,易吸收增塑劑,緊密型粒徑為01mm以下,表面規(guī)則,實心,呈乒乓球狀,不易吸收增塑劑,目前使用疏松型的較多。
  PVC又可分為普通級(有毒PVC)和衛(wèi)生級
  (無毒PVC)。衛(wèi)生級要求氯乙烯(VC)含量低于lOXl0-6,可用于食品及醫(yī)學(xué)。合成工藝不同,PVC又可分為懸浮法PVC和乳液法PVC。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBT5761-93《懸浮法通用型聚氯乙烯樹脂檢驗標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,懸浮法PVC分為PVC-SGlPVC-SG8Jk種樹脂,其中數(shù)字越小,聚合度越大,分子量也越大,強(qiáng)度越高,但熔融流動越困難,加工也越困難。具體選擇時,做軟制品時,一般使用PVC-SGl、PVC-SG2PVC-SG3型,需要加人大量增塑劑。例如聚氯乙烯膜使用SG-2樹脂,加入50~80份的增塑劑。而加工硬制品時,一般不加或很少量加入增塑劑,所以用PVC-SG4VC-SG5、PVC-SG6PVC-SG7、PVC-SG8型。如PVC硬管材使用SG-4樹脂、塑料門窗型材使用SG-5樹脂,硬質(zhì)透明片使用SG-6樹脂、硬質(zhì)發(fā)泡型材使用SG-7、SG-8樹脂。而乳液法PVC糊主要用于人造革、壁紙及地板革和蘸塑制品等。一些PVC樹脂廠家出廠的PVC樹脂按聚合度(聚合度是單元鏈節(jié)的個數(shù),聚合度乘以鏈節(jié)分子量等于聚合物分子量)分類,如山東齊魯石化總廠生產(chǎn)的PVC樹脂,出廠的產(chǎn)品為SK-700;SK-800;SK—1000SK—1100;SK-1200等。其SG-5樹脂對應(yīng)的聚合度為1000—1100。PVC樹脂的物化性能見第四篇。
  PVC粉末為一種白色粉末,密度在135—145gcm3之間,表觀密度在04-05gcm3。視增塑劑含量大小可為軟、硬制品,一般增塑劑含量0-5份為硬制品,5-25份為半硬制品,大于25份為軟制品。
  PVC是一種非結(jié)晶、極性的高分子聚合物,軟化溫度和熔融溫度較高,純PVC一般須在160—210~C時才可塑化加工,由于大分子之間的極性鍵使PVC顯示出硬而脆的性能。而且,PVC分子內(nèi)含有氯的基團(tuán),當(dāng)溫度達(dá)到120~C時,純PVC即開始出現(xiàn)脫HCl反應(yīng),會導(dǎo)致PVC熱降解。因此,在加工時須加入各種助劑對PVC進(jìn)行加工改性和沖擊改性,使之可以加工成為有用的產(chǎn)品。
  PVC樹脂主要用于生產(chǎn)各類薄膜(如日用印花膜、工業(yè)包裝膜、農(nóng)用大棚膜及熱收縮膜等)、各類板、片材(其片材可用于吸塑制品),各類管材(如無毒上水管、建筑穿線管、透明軟管等)、各類異型材(如門、窗、裝飾板),中空吹瓶(用于化妝品及飲料),電纜、各類注塑制品及人造革、地板革、搪塑玩具等。

    助劑
  穩(wěn)定劑
  純的PVC樹脂對熱極為敏感,當(dāng)加熱溫度達(dá)到90Y:以上時,就會發(fā)生輕微的熱分解反應(yīng),當(dāng)溫度升到120C后分解反應(yīng)加劇,在150C,10分鐘,PVC樹脂就由原來的白色逐步變?yōu)辄S色紅色棕色黑色。PVC樹脂分解過程是由于脫HCL反應(yīng)引起的一系列連鎖反應(yīng),最后導(dǎo)致大分子鏈斷裂。防止PVC熱分解的熱穩(wěn)定機(jī)理是通過如下幾方面來實現(xiàn)的。
  通過捕捉PVC熱分解產(chǎn)生的HCl,防止HCl的催化降解作用琦鴻鉛鹽穩(wěn)定劑QY-298類主要按此機(jī)理作用 ,此外還有金屬皂類、有機(jī)錫類、亞磷酸脂類及環(huán)氧類等。.置換活潑的烯丙基氯原子。金屬皂類、亞磷酸脂類和有機(jī)錫類可按此機(jī)理作用。與自由基反應(yīng),終止自由基的反應(yīng)。琦鴻有機(jī)錫穩(wěn)定劑YJ-906和亞磷酸脂按此機(jī)理作用。與共扼雙鍵加成作用,抑制共扼鏈的增長。有機(jī)錫類與環(huán)氧類按此機(jī)理作用。.分解過氧化物,減少自由基的數(shù)目。有機(jī)錫YJ-906和亞磷酸脂按此機(jī)理作用。鈍化有催化脫HCl作用的金屬離子。有機(jī)錫穩(wěn)定劑YJ-906:適用于PVC透明制品,具有極高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的初期著色性,色澤純凈,氣體極少,無析出。
  潤滑劑
  潤滑劑的作用是降低物料之間及物料和加工設(shè)備表面的摩擦力,從而降低熔體的流動阻力,降低熔體粘度,提高熔體的流動性,避免熔體與設(shè)備的粘附,提高制品表面的光潔度等。
  根據(jù)不同成型方法,其潤滑作用側(cè)重不同:
  壓延成型,防止熔料粘輥;
  注射成型,提高流動,提高脫模性;
  擠出成型,提高流動,提高口模分離性;
  壓制及層壓成型, 利于壓板與制品分離。
  潤滑劑的分類:
  .按潤滑劑成份分類,主要有飽和烴和鹵代烴類、脂肪酸類、脂肪酸酯類、脂肪族酯胺類、金屬皂類、脂肪醇和多元醇類等。
  .按潤滑劑的作用分類,分為內(nèi),外潤滑劑。
  其主要區(qū)分是依其與樹脂的相容性大小。 內(nèi)潤滑劑與樹脂親和力大,其作用是降低分子間的作用力;外潤滑劑與樹脂的親和力小,其作用是降低樹脂與金屬表面之間的摩擦。
  內(nèi)外潤滑劑之分只是相對而言,并無嚴(yán)格劃分標(biāo)準(zhǔn)。在極性不同的樹脂中,內(nèi)、外潤滑劑的作用有可能發(fā)生變化。例如硬脂酸醇、硬脂酸酰胺、硬脂酸丁酯及硬脂酸單甘油酯對極性樹脂(PVCPA)而言,起內(nèi)潤滑作用;但對于非極性樹脂(PE、PP),則顯示外潤滑作用。相反,高分子石蠟等與極性樹脂相容性差,如在極性PVC中用做外潤滑劑,而在PE、PP等非極性樹脂中則為內(nèi)潤滑劑。
  在不同加工溫度下,內(nèi)、外潤滑劑的作用也會發(fā)生變化,如硬脂酸和硬脂醇用于PVC壓延成型初期,由于加工溫度低,與PVC相容性差,主要起外潤滑作用;當(dāng)溫度升高后,與PVC相容性增大,則轉(zhuǎn)起內(nèi)潤滑劑作用。
  按潤滑劑的組成可分為:飽和烴類、金屬皂類、脂肪族酰胺、脂肪酸類、脂肪酸酯類及脂肪醇類。
  1、飽和烴類
  飽和烴類按極性可分為非極性烴(如聚乙烯蠟和聚丙烯蠟)、極性烴(如氯化石蠟、氧化聚乙烯等)。飽和烴類按分子量大小可分為;液體石蠟(C16-C21)、固體石蠟(C26-C32)微晶石蠟(C32-C70)及低分子量聚乙烯(分子量1000—10000)等,主要用于PVC無毒外潤滑劑。
  (1)液體石蠟:俗稱白油,為無色透明液體,可用作PVC的透明性外潤滑劑,用量為05份左右,用量大會嚴(yán)重影響焊角強(qiáng)度。
  (2)固體石蠟,又稱為天然石蠟,白色固體,可用作pvc的外潤滑劑,用量為01—10份,用量太大會影響透明度。
  (3)微晶石蠟,又稱為高熔點石蠟,外觀為白色或淡黃色固體,因結(jié)晶微細(xì)而稱為微晶石蠟。潤滑效果和熱穩(wěn)定性好于其他石蠟。在PVC中用量較小,一般為01-03份。
  (4)低分子量聚乙烯,又稱聚乙烯蠟,外觀為白色或淡黃色固體粉末,透明性差,可用于PVC擠出和壓延加工外潤滑劑,用量一般為05份以下。
  (5)氧化聚乙烯蠟,為聚乙烯蠟部分氧化產(chǎn)物,外觀為白色粉末。有優(yōu)良的內(nèi)、外潤滑作用,透明性好,價格低,用量在02-10份。
  (6)氯化石蠟,與PVC相容性好,透明性差,與其他潤滑劑并用效果好,用量05份以下為宜。
  2、金屬皂類
  既是優(yōu)良的熱穩(wěn)定劑,又是一種潤滑劑,其內(nèi)、外潤滑作用兼有,不同品種側(cè)重稍有不同,潤滑性以硬脂酸鈣、硬脂酸鉛為最好。
  3、脂肪族酸胺
  包括單脂肪酸酰胺和雙脂肪酰胺兩大類,單脂肪酸胺主要呈內(nèi)潤滑作用,主要品種包括乙基雙硬脂酰胺、N,N.亞乙基雙蓖麻醇酸酰胺等。
  4、脂肪酸類
  如琦鴻硬脂酸G01,是僅次于金屬皂類而廣泛應(yīng)用的潤滑劑,可用于PVC,用量少時,起內(nèi)潤滑作用;用量大時,起外潤滑作用。硬脂酸的加入量低于05份。
  5、脂肪酸酯類
  (1)硬脂酸丁酯,外觀為無色或淡黃色油狀液體,在PVC中以內(nèi)潤滑為主兼具外潤滑作用,用量05—15份。
  (2)單硬脂酸甘油酯,代號GMS,外觀為白色蠟狀固體,為PVC優(yōu)良內(nèi)潤滑劑,對透明性影響小,加入量低于15份,可與硬脂酸并用。
  (3)酯蠟和皂化蠟,主要指以褐煤蠟為主要原料、經(jīng)漂白等工序制成的后序產(chǎn)品。漂白蠟有S蠟和L蠟,皂化蠟有0蠟和OP蠟。主要用于HPVC,用量01-03份。
  6、脂肪醇類
  硬脂醇,外觀為白色細(xì)珠狀物,起內(nèi)潤滑作用,透明好,在PVC中用量02-05份。還可用于PS中。如琦鴻高溫潤滑劑GW-916, 916 是一種高分子氧化聚合物,一種性能極佳的功能性加工助劑,適用于PVC發(fā)泡板材制品增塑、后期脫膜,增大擠出扭矩。作為PVC高溫潤滑劑,用量02-05份。
  加工改性助劑
  1、加工助劑的作用原理
  由于PVC熔體延展性差,易導(dǎo)致熔體破碎;PVC熔體松弛慢,易導(dǎo)致制品表面粗糙、無光澤及鯊魚皮等。因此,PVC加工時往往需要加人加工助劑,以改善其熔體上述缺陷。
  加工助劑為可以改善樹脂加工性能的助劑,其主要作用方式有三種:促進(jìn)樹脂熔融、改善熔體流變性能及賦予潤滑功能。
  .促進(jìn)樹脂熔融:PVC樹脂在加熱的狀態(tài)下,在一定的剪切力作用下熔化時,加工改性劑首先熔融并粘附在PVC樹脂微粒表面,它與樹脂的相容性和它的高分子量,使PVC粘度及摩擦增加,從而有效地將剪切應(yīng)力和熱傳遞給整個PVC樹脂,加速PVC熔融。
  .改善熔體流變性能:PVC熔體具有強(qiáng)度差、延展性差及熔體破裂等缺點,而加工改性劑可改善熔體上述流變性。其作用機(jī)理為:增加PVC熔體的粘彈性,從而改善離模膨脹和提高熔體強(qiáng)度等。
  .賦予潤滑性:加工改性劑與PVC相容部分首先熔融,起到促進(jìn)熔融作用;而與PVC不相容部分則向熔融樹脂體系外遷移,從而改善脫模性。

PVC加工改性助劑K-311是采用乳液聚合工藝制得丙烯酸類加工助劑,

能促進(jìn)促進(jìn)PVC在低溫下熔融,增強(qiáng)PVC熔融的內(nèi)聚力和均質(zhì)性,降低加工溫度。

賦予制品優(yōu)異的透明性,特別適合于高透明制品和高檔異型材。

改善PVC的流變性能,促進(jìn)PVC樹脂的塑化、熔融,提高制品的外觀質(zhì)量。

尤其適用于 PVC 高透明制品的加工成型。


  2、常用加工改性劑一ACR
  ACR為甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸酯、苯乙烯等單體的共聚物。除可用做加工助劑外,還可用做沖擊改性劑。我國的ACR可分為QH201、QH301QH401QH402幾種,國外的牌號有:K120N、K125K175、P530、P501、P551、P700、PAl00等。。
  ACR加工改性劑的重要作用是促進(jìn)PVC的塑化,縮短塑化時間,提高熔體塑化的均勻性,降低塑花溫度。表4是用BLANBENDE塑度儀測得的ACR對塑化時間、溫度等的影響情況。
  在PVC塑料門窗型材中一般使用ACR201ACR401,用量為15-3份。
  沖擊改性劑
  高分子材料改性的一個重要內(nèi)容是改善其耐沖擊性能,PVC樹脂是一個極性非結(jié)晶性高聚物,分子之間有較強(qiáng)的作用力,是一個堅硬而脆的材料;抗沖擊強(qiáng)度較低。加人沖擊改性劑后,沖擊改性劑的彈性體粒子可以降低總的銀紋引發(fā)應(yīng)力,并利用粒子自身的變形和剪切帶,阻止銀紋擴(kuò)大和增長,吸收掉傳人材料體內(nèi)的沖擊能,從而達(dá)到抗沖擊的目的。改性劑的顆粒很小,以利于增加單位重量或單位體積中改性劑的數(shù)量,使其有效體積份數(shù)提高,從而增強(qiáng)了分散應(yīng)力的能力。目前應(yīng)用比較廣泛的為有機(jī)抗沖擊改性劑。
  按有機(jī)抗沖擊改性劑的分子內(nèi)部結(jié)構(gòu),可將其分為如下幾類。
  1、預(yù)定彈性體(PDE)型沖擊改性劑,它屬于核一殼結(jié)構(gòu)的聚合物,其核為軟狀彈性體,賦予制品較高的抗沖擊性能,殼為具有高玻璃化溫度的聚合物,主要功能是使改性劑微粒子之間相互隔離,形成可以自由流動的組分顆粒,促進(jìn)其在聚合物中均勻分散,增強(qiáng)改性劑與聚合物之間相互作用和相容性。此類結(jié)構(gòu)的改性劑有:MBS、ACR、MABSMACR等,這些都是優(yōu)良的沖擊改性劑。
  2、非預(yù)定彈性體型(NPDE)沖擊改性劑,它屬于網(wǎng)狀聚合物,其改性機(jī)理是以溶劑化作用(增塑作用)機(jī)理對塑料進(jìn)行改性。因此,NPDE必須形成一個包覆樹脂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),它與樹脂不是十分好的相容體。此類結(jié)構(gòu)的改性劑有:CPE、EVA
  3、過度型沖擊改性劑,其結(jié)構(gòu)介于兩種結(jié)構(gòu)之間,如ABS。用于PVC樹脂的具體品種有:
  (1)氯化聚乙烯(CPE)是利用HDPE在水相中進(jìn)行懸浮氯化的粉狀產(chǎn)物,隨著氯化程度的增加使原來結(jié)晶的HDPE逐漸成為非結(jié)晶的彈性體。作為增韌劑使用的C?E,含C1量一般為25-45%。CPE來源廣,價格低,除具有增韌作用外,還具有耐寒性、耐候性、耐燃性及耐化學(xué)藥品性。目前在我國CPE是占主導(dǎo)地位的沖擊改性劑,尤其在PVC管材和型材生產(chǎn)中,大多數(shù)工廠使用CPE。加入量一般為5—15份。CPE可以同其它增韌劑協(xié)同使用,如橡膠類、EVA等,效果更好,但橡膠類的助劑不耐老化。
  (2)ACR為甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯等單體的共聚物,ACR為近年來開發(fā)的最好的沖擊改性劑,它可使材料的抗沖擊強(qiáng)度增大幾十倍。ACR屬于核殼結(jié)構(gòu)的沖擊改性劑,甲基丙烯酸甲酯丙烯酸乙酯高聚物組成的外殼,以丙烯酸丁酯類交聯(lián)形成的橡膠彈性體為核的鏈段分布于顆粒內(nèi)層。尤其適用于戶外使用的PVC塑料制品的沖擊改性,在PVC塑料門窗型材使用ACR作為沖擊改性劑與其它改性劑相比具有加工性能好,表面光潔,耐老化好,焊角強(qiáng)度高的特點,但價格比CPE,高13左右。國外常用的牌號如K-355,一般用量6—10份。目前國內(nèi)生產(chǎn)ACR沖擊改性劑的廠家較少,使用廠家也較少。
  (3)MBS是甲基丙烯酸甲酯、丁二烯及苯乙烯三種單體的共聚物。MBS的溶度參數(shù)為94-95之間,與PVC的溶度參數(shù)接近,因此同PVC時相容性較好,它的最大特點是:加入PVC后可以制成透明的產(chǎn)品。一般在PVC中加人4-6份,可將PVC的沖擊強(qiáng)度提高6—15倍,但MBS的加入量大于30份時,PVC沖擊強(qiáng)度反而下降。MBS本身具有良好的沖擊性能,透明性好,透光率可達(dá)90%以上,且在改善沖擊性同時,對樹脂的其他性能,如拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等影響很小。

琦鴻BS-156是采用先進(jìn)的合成樹脂技術(shù)精心研制成的MBS產(chǎn)品,它是由甲基丙烯酸甲酯、丁二烯及苯乙烯三元共聚而成,是改善聚氯乙烯制品耐沖擊強(qiáng)度和加工性能的綜合性樹脂。在聚氯乙烯配方中添加BS-156,制品的沖擊強(qiáng)度能得到明顯的改善,并且對聚氯乙烯固有的特性無不良影響。它廣泛用于聚氯乙烯薄膜、透明片材、管材、管件、瓶粒料等產(chǎn)品。
  (4)ABS為苯乙烯(40-50)、丁二烯(25—30)、丙烯腈(25-30)三元共聚物,主要用做工程塑料,也用做PVC沖擊改性,對低溫沖擊改性效果也很好。ABS加入量達(dá)到50份時,PVC的沖擊強(qiáng)度可與純ABS相當(dāng)。ABS的加入量一般為5—20份,ABS的耐候性差,不適于長期戶外使用制品,一般不用做塑料門窗型材生產(chǎn)的沖擊改性劑使用。
 ?。?/span>5EVA是乙烯和醋酸乙烯酸的共聚物,醋酸乙烯酯的引入改變了聚乙烯的結(jié)晶性,醋酸乙烯酯含量大量差,而且EVAPVC折光率不同,難以得到透明制品,因此,常將EVA與其它抗沖擊樹脂并用。EVA添加量為10份以下。上述幾種沖擊改性劑改性PVC性能比較見表5所示。
  4、橡膠類抗沖擊改性劑
  是性能優(yōu)良的增韌劑,主要品種有:乙丙橡膠(EPR)、三元乙丙橡膠(EPDM)、丁腈橡膠
  (NBR)及丁苯橡膠、天然橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、聚異丁烯、丁二烯橡膠等,其中EPR、EPDMNBR三種最常用,其是改善低溫耐沖擊性優(yōu)越,但都不耐老化,塑料門窗型材一般不使用這類沖擊改性劑。
  常用的其它助劑
  1、光穩(wěn)定劑
  PVC制品多數(shù)暴露在陽光和其它各種光線下,根據(jù)制品應(yīng)用環(huán)境添加一定量的光穩(wěn)定劑可防止和延緩其分解和老化,延制品使用壽命。
  光穩(wěn)定劑大體可以分為四類:
  (1)光屏蔽劑。如鈦白和碳黑,可以阻擋紫外線進(jìn)入型材的內(nèi)部,以阻止聚合物的光降解進(jìn)行。如加入2%的碳黑的LDPE片材其耐老化程度比不加碳黑的LDPE片材提高20倍。鈦白對型材的耐老化程度有較大的提高,鈦白應(yīng)使用金紅石型的,在PVC塑料門窗型材中的使用量在3-6份。
  (2)紫外線吸收劑??梢詮?qiáng)烈吸收280-400nm的紫外線,轉(zhuǎn)換成可見光或熱量。常用的有UV—531、UV-327、UV-326UV-p等產(chǎn)品,用量一般為01-05%。但價格較高。
  (3)淬滅劑。主要是消滅受激發(fā)的聚合物分子的能量,使之回到基態(tài)。具體品種為鎳、鈷絡(luò)合物,品種有光穩(wěn)定劑2002、光穩(wěn)定劑1084等。一般與其它光穩(wěn)定劑配合使用,用量01-05%。
  (4)自由基捕捉劑。是一種高效的光穩(wěn)定劑,它捕捉光降解分解出的自由基,終止降解反應(yīng)的進(jìn)行。一般使用在LDPE農(nóng)膜中。品種主要有:光穩(wěn)定劑GW-540、GW—544、CW-310、BW—10LD、光穩(wěn)定劑744、光穩(wěn)定劑622、光穩(wěn)定劑944等,用量002-05%。
  2、填料
  使用填料的主要目的是占據(jù)空間以降低成本,當(dāng)然,一些填料也賦予材料一些特殊的性能,如阻燃、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、剛性等。
  填料的主要指標(biāo)為:白度、粒徑、顆粒形狀和顆粒表面活性。
  其主要品種有:
  (1)碳酸鹽類 主要為重質(zhì)碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣和活性碳酸鈣。一般在PVC塑料型材使用的是活性輕質(zhì)碳酸鈣;
  (2)炭黑 如天然氣槽黑、混氣槽黑、高耐磨爐黑、熱裂法炭黑、乙炔炭黑等。主要作用橡膠的補(bǔ)強(qiáng),有些品種亦作填充劑,如用于導(dǎo)電和防靜電高分子材料制品中。
  (3)硫酸鹽類 有硫酸鋇、硫酸鈣、鋅鋇白(立德粉)等,主要作填充劑,也有著色作用,硫酸鋇可減少X光透過度。
  (4)金屬氧化物 如氧化鋁、氧化鐵、氧化錳、氧化鋅、氧化銻、氧化鎂、氧化鐵、磁粉等,作填充劑和著色劑。
  (5)金屬粉 如鋁、青銅、鋅、銅、鉛等粉末,作裝飾用和改善導(dǎo)熱性。在塑料型材生產(chǎn)中有時用銅粉、鋁粉生產(chǎn)仿鋁窗的型材。
  (6)含硅化合物 陶土中最常使用的為高嶺土,作填充劑。硬質(zhì)陶土有補(bǔ)強(qiáng)作用?;圩魈畛鋭?/span>
  (7)纖維類 如玻璃纖維、硼纖維、碳纖維等,作增強(qiáng)劑。
   助劑

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