TWI386440B - 吸水性樹脂之製造方法 - Google Patents
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Description
高吸水性樹脂是廣泛地被運用於農業或園藝方面的水保持劑、建築材料中的抗露珠凝結劑以及移除石油中水份的材料，或作為電纜線中的外層防水包覆劑以及用之於衛生用品如尿布、婦女衛生用品、拋棄式的擦巾等。
技藝界已知高吸水性樹脂的成分材料，有遇水分解型的澱粉－丙烯腈(hydrolyzed starchacrylonitrile)接枝聚合物(日本公開特許公報昭49(1974)－43,395)，中和之澱粉－丙烯酸接枝聚合物(日本專利公開公報昭51(1976)－125,468)，皂化乙烯醋酸－丙烯酯共聚物(日本專利公開公報昭52(1977)－14,689)，水解丙烯腈共聚物或丙烯醯胺共聚物(日本專利公報昭53(1978)－15,959)，及部份中和聚丙烯酸(日本專利公開公報昭55(1980)－84,304)等。其中澱粉－丙烯腈接枝聚合物的原料中，因為含有天然的高分子－澱粉，會引起腐爛性的分解，所以無法長時間的保存；再者，其製造方法十分複雜，所以現今高吸水性樹脂之製備方式以使用丙烯酸及丙烯酸鹽進行交聯聚合所得之高吸水性樹脂佔最大部份也最為經濟，其原因為丙烯酸鹽共聚物的原料－丙烯酸可迅速由商場上購得，且製得的高吸水性樹脂具有很高的吸水能力，及具有製造成本低廉以及不會引起腐爛性的分解且最具經濟效益，故成為最普遍化的高吸水性樹脂。
聚合丙烯酸及丙烯酸鹽形成高吸水性樹脂的方法可由數種已知的方法製得，如水溶液聚合反應、逆相懸浮液聚合反應、乳化聚合反應或將單體噴灑或塗覆於纖維基質上進行聚合反應等方法。在這些方法中，逆相懸浮液聚合反應以及乳化聚合反應必須使用到有機溶劑，但是若無法有效的控制聚合反應時的溫度，有機溶劑將造成反應系統溫度以及壓力的增加，會產生起火現象甚至引發爆炸，進而威脅到操作現場人員的安全以及造成環境污染問題，其成品也有有機溶劑殘留的疑慮。
高吸水性樹脂顆粒會因為其高吸濕的特性時，無論在儲存或是用於製造衛生用品的過程中，會因為吸收空氣中的水氣而導致樹脂彼此黏著，因而無法順利的從連續定量的供量設備中進料，使得製造出來的衛生用品中之高吸水性樹脂的含量分布不均，因此，改進高吸水性樹脂吸濕結塊之問題已成為一項新的研究趨勢。
至今仍有許多科學家一直為減少高吸水性樹脂的吸濕後會結塊的問題而努力，技藝界已有許多降低高吸水性樹脂吸濕後結塊的問題的方法被開發，如：使用具有氨基或環氧基的變性矽油與吸水性樹脂進行混合(國際公布WO95/33558)，以及添加比表面積50m2
/g以上，平均粒徑0.05um以下之疏水性二氧化矽於吸水性樹脂中(日本特開昭56－133028)；另有使用二氧化矽水合物、氧化鋁水合物或氧化鈦水合物添加於吸水性樹脂中(日本特開昭59－80459)；亦有使用具有至少12烷基的陽離子型界面活性劑噴灑於吸水性樹脂表面(日本特開昭61－69854)進行表面處理後，再添加高溶點的有機化合物粉末(如：硬脂酸鈣)等，而達到降低吸水性樹脂吸濕後結塊問題的目的。
上述使用具有氨基或環氧基的變性矽油，由於黏度偏高，容易造成清理時的困難外，使用疏水性二氧化矽於吸水性樹脂中，會降低吸水性樹脂的吸收速度。使用二氧化矽水合物、氧化鋁水合物或氧化鈦水合物添加於吸水性樹脂的方法，雖然不會降低吸收速度，但是，由於此類無機鹽粉末是微粉狀，容易產生粉塵的問題；利用陽離子型界面活性劑噴灑於吸水性樹脂表面的方法，則會降低吸水性樹脂的吸收倍率。
本發明所製成之高吸水性樹脂，係以引發自由基進行聚合反應，其所需的含酸基單體除丙烯酸外，尚可使用其它具有不飽合雙鍵的水溶性單體，如：甲基丙烯酸、馬林酸、富馬酸、2－丙烯胺－2－甲基丙烷磺酸等。單體之選用不特定限制只可使用一種，亦可合併多種單體一起使用，亦可視情況需要添加具有不飽和雙鍵之其他親水性的單體，如：丙烯醯胺、甲基丙烯醯胺、丙烯酸2－烴基乙酯、甲基丙烯酸2－烴基乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、二甲胺丙烯丙烯醯胺、氯化丙烯醯胺基三甲銨等(美國專利4,057,521號、4,062,817號、4,525,527號、4,286,082號及4,295,987號)，但添加量以不破壞高吸水性樹脂之物性為原則。
在進行自由基聚合反應前，單體水溶液濃度宜控制在重量百分比20wt%至55wt%間，適當濃度為30wt%至45wt%之間，濃度在重量百分比20wt%以下時，聚合後水合膠體太軟且有黏性不利機械加工，添加濃度在重量百分比55wt%以上，過於接近飽和濃度時有不易調配問題且反應太快反應熱過多不易控制。
含酸基單體之羧酸基應部份中和以控制成品之pH值，使呈中性或微酸性。中和劑為週期表中鹼金族或鹼土族的氫氧化物或是碳酸化合物，如：氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀或氨類化合物；中和劑可單獨使用一種或多種混合使用。含酸基單體之羧酸基部份中和成鈉鹽或鉀鹽或銨鹽，中和濃度莫耳百分比為45mol%至85mol%，較宜為50mol%至75mol%，中和濃度莫耳百分比為45mol%以下時成品之pH值會偏低，中和濃度莫耳百分比為85mol%以上時成品之pH值會偏高，成品pH值非呈中性或微酸性時，若不慎與人體接觸時均不太適合，也較不安全。
在進行自由基聚合反應前單體水溶液中，亦可添加水溶性高分子以降低成本，此等水溶性高分子如：部份皂化或完全皂化的聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯醯胺、澱粉或澱粉衍生物如甲基纖維素，丙烯酸甲基纖維素，乙基纖維素等聚合物；此等水溶性高分子的分子量並不特別限定，其中較佳的水溶性高分子為澱粉、部份皂化或完全皂化的聚乙烯醇等單獨或混合使用。高吸水性樹脂含此等添加水溶性高分子的適當重量百分比為0至20wt%，但以0至10wt%較佳，0至5wt%尤佳，添加超過20wt%時會影響物性，使物性變差。
在進行自由基聚合反應前應先添加自由基聚合反應交聯劑於未反應單體溶液中，此自由基聚合反應交聯劑可選用具有兩個或兩個以上不飽和雙鍵的化合物，如：N,N’－雙(2－丙烯基)胺、N,N’－次甲基雙丙烯醯胺、N,N’－次甲基雙甲基丙烯醯胺、丙烯酸丙烯酯、乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、甘油三丙烯酸酯、甘油三甲基丙烯酸酯、甘油附加環氧乙烷之三丙烯酸酯或三甲基丙烯酸酯、三甲醇丙烷附加環氧乙烷之三丙烯酸酯或三甲基丙烯酸酯、三甲醇丙烷三甲基丙烯酸酯、三甲醇丙烷三丙烯酸酯、N,N,N－三(2－丙烯基)胺、二丙烯酸乙二醇酯、三丙烯酸聚氧乙烯甘油酯、三丙烯酸二乙基聚氧乙烯甘油酯、二丙烯三甘醇酯等，亦可選用具有兩個或兩個以上環氧基的化合物，如山梨醇聚縮水甘油醚、聚丙三醇聚縮水甘油醚、乙二醇二縮水甘油醚、二乙二醇二縮水甘油醚、聚乙二醇二縮水甘油醚、雙丙三醇聚縮水甘油醚等。在進行自由基反應後就可使高吸水性樹脂具有適當交聯度，而使高吸水性樹脂膠體有適當的加工性。自由基聚合反應交聯劑可單獨使用或兩種以上混合使用。自由基聚合反應交聯劑適當的添加劑量在重量百分比0.001wt%至5wt%之間(以反應物總固形份為基準)，更適當的用量重量百分比在0.01wt%至3wt%之間。添加劑量在重量百分比0.001wt%以下聚合後水合體太軟且有黏性不利機械加工，添加劑量在重量百分比5wt%以上吸水性太低，降低樹脂性能。
聚合反應由自由基聚合反應起始劑的分解產生自由基開始。自由基起始劑可選用熱分解型起始劑，適合的熱分解型起始劑有過氧化物，如：過氧化氫、二－第三丁基過氧化物、過氧化醯胺或過硫酸鹽(銨鹽、鹼金屬鹽)等，及偶氮化合物如：2.2’－偶氮基雙(2－脒基丙烷)二鹽酸鹽、2.2’－偶氮基雙(N,N－二伸甲基異丁脒)二鹽酸鹽；亦可使用還原劑，使成為氧化還原型起始劑，如：酸性亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽、抗壞血酸或亞鐵鹽；或將氧化還原型起始劑和熱分解型起始劑合併使用。首先氧化還原起始劑先進行反應產生自由基，當自由基轉移至單體上即引發聚合反應的進行，由於聚合反應進行時會釋放出大量的熱量而使溫度升高，當溫度到達熱分解型起始劑的分解溫度時，又會引發第二段熱分解型起始劑的分解，而使整個聚合反應更臻於完全。一般自由基聚合反應起始劑之適當用量為重量百分比0.001wt%至10wt%(以中和丙烯酸鹽重量為基準)，更適當用量則在0.1wt%至5wt%之間。使用重量百分比0.001wt%以下時，反應太慢不利經濟效益，使用重量百分比10wt%以上時，反應太快反應熱不易控制。
生產聚丙烯酸系的高吸水性樹脂其聚合反應，一般係於傳統批次反應容器中，或於輸送帶式反應器上進行反應，反應所得之高吸水性樹脂，先利用絞碎機切成直徑20mm以下小凝膠體，直徑10mm以下更佳，再進行篩選。
篩選固定粒徑之凝膠體直徑以2.00 mm以下為宜，以0.05 mm至1.50 mm間較佳，粒徑大於2.00 mm之凝膠體則重新送回絞碎機進行再次切碎。粒徑0.03mm以下之凝膠體進行烘乾、粉碎處理後，易產生成品細粉量提高，粒徑2.00mm以上之凝膠體進行烘乾時，容易因為熱傳導效果不佳，導致成品殘存單體偏高及其他物性表現不佳之缺點。
依據本發明，丙烯酸鹽凝膠體的顆粒大小分佈越窄，不僅可使凝膠體在烘乾後物性表現達到最佳狀態，而且有利於控制烘乾的時間及溫度，篩選完成後再進行烘乾。
烘乾溫度以溫度100℃至180℃進行烘乾為宜。烘乾溫度100℃以下烘乾，時間會太久不具經濟效益，烘乾溫度180℃以上烘乾，會使交聯劑提早進行交聯反應，使得後續的乾燥過程中，因交聯度過高而無法有效的去除殘存單體而達到降低殘存單體之效果。
乾燥後進行粉碎、篩選固定粒徑，再進行表面交聯劑塗覆處理。篩選固定粒徑以0.06mm至1.00mm間為宜，以0.10mm至0.850mm間較佳，粒徑0.06mm以下之細粉使成品粉塵提高，粒徑1.00mm以上之粒子使成品吸水速率變慢。依據本發明，丙烯酸鹽聚合物的顆粒大小分佈越窄越好。
表面交聯劑塗覆處理時，表面交聯劑之添加方式則是依據表面交聯劑的種類，分成表面交聯劑直接添加，或調成表面交聯劑水溶液添加，或調成表面交聯劑親水性有機溶劑水溶液添加。親水性有機溶劑如甲醇、乙醇、丙醇、異丁醇、丙酮、甲醚、乙醚等沒有特殊限制，可形成溶液即可，其中以甲醇、乙醇較佳。表面交聯劑添加時高吸水樹脂中可添加惰性無機鹽粉末，以幫助溶液分散。惰性無機鹽粉末可為硫酸鋁、或二氧化矽，或氧化鋁，或氧化鎂等或其混合物，其中以硫酸鋁、二氧化矽較佳。惰性無機鹽粉末的用法可單獨使用或合併兩種以上混合使用。惰性無機鹽粉末添加範圍在重量百分比0.005wt%至10.0wt%之間，其中以0.01wt%至4.0wt%較佳。
進行表面交聯劑塗覆處理後，再以80℃至230℃範圍內進行加熱處理，使表面交聯劑能均勻而且快速的進行交聯反應，並使內部交聯劑進行交聯反應而達到本發明之效果。熱處理溫度80℃以下交聯反應時間太久，不具經濟效益，熱處理溫度230℃以上樹脂易劣化影響品質，熱處理時間以2分鐘至180分鐘為宜，依照欲獲得到的表面處理效果做熱處理溫度調整，熱處理溫度高則熱處理時間短，熱處理溫度溫度低時，則熱處理溫度時間長。
本發明所指謂之無機鹽水溶液是指硫酸鋁、硫酸鎂、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、碳酸鈣、磷酸鈣、磷酸鋇、矽藻土、軟土、黏土、滑石粉、沸石、高嶺土、膨土、活性碳、二氧化矽、二氧化鈦之無機鹽粉末與水混合所產生的水溶液。混合過程中所利用的混合裝置須具能夠產生大的混合力，使混合能充分均勻；無機鹽粉末的用法可單獨使用或合併兩種以上混合使用。其無機鹽粉末之比表面積50m2
/g以上為宜，150m2
/g以上較佳。
上述本發明之無機鹽水溶液的黏度範圍在10至1400cPs之間。無機鹽水溶液之添加範圍在重量百分比0.01wt%至20.0wt%之間，其中以0.01wt%至10wt%較佳。無機鹽粉末之粒子大小最好不大於10mm，更適當的大小為0.6mm以下。
為充分彰顯本發明，本發明吸水性樹脂以及無機鹽水溶液在混合裝置中能充分混合均勻，混合過程中所利用的混合裝置必需能夠產生大的混合力，使混合能夠充分均勻。用之於本發明的混合裝置可以V－型混合器、柱式混合器、高速攪拌混合器、螺旋式混合器、氣流混合器、雙臂捏合機、雙臂錐形混合器、螺條混合器、密壁式混合器、粉碎捏合機、旋轉混合器以或螺桿擠出機。
(a)使用一種含有丙烯酸(鹽)與/或丙烯醯胺(鹽)的水溶性不飽和單體，其中和比率在45至85莫耳%之範圍內，不飽和單體水溶液的濃度在20至55重量份之範圍進行反應；(b)反應後生成的凝膠體，利用溫度100℃至180℃範圍的熱風乾燥、粉碎、篩選；(c)以表面交聯劑及無機鹽水溶液塗覆後，於80℃至230℃加熱表面處理；或先以表面交聯劑塗覆於高吸水性樹脂表面後，於80℃至230℃加熱表面處理，再使用無機鹽水溶液塗覆。
上述本發明之特徵，係利用表面交聯劑及無機鹽水溶液塗覆於高吸水性樹脂表面，經由加熱表面處理的過程，使得無機鹽粉末能完全的附著在高吸水性樹脂表面，或是將無機鹽水溶液塗覆於完成表面改質的高吸水性樹脂表面。上述的方法，均能使無機鹽粉末充分的黏著於與高吸水性樹脂表面，降低生產廠區以及高吸水性樹脂成品中的發塵量，並且減少高吸水性樹脂吸濕後之結塊問題，及減少對環境以及生物體的影響。
就本發明而言，僅利用無機鹽水溶液噴灑於吸水性樹脂表面，即可成功的將無機鹽粉末黏著於與高吸水性樹脂表面，進而降低高吸水性樹脂成品與生產廠區的發塵量及減少高吸水性樹脂吸濕後結塊問題。而用來製備合於此敘述的水溶性不飽和單體的步驟並無特殊之限制。
經由本發明所製造的高吸水性樹脂，由於具有低發塵量的特性，所以可降低對生物體與環境的影響，並且具備減少高吸水性樹脂吸濕後結塊的特性，因而大幅減低了衛生用品中之高吸水性樹脂的含量不均的問題。經由上述本發明之方法所得之高吸水性樹脂，將能更適用於各種型式的衛生用品、農業用及食品保鮮用的吸水劑。
為証示本發明之高吸水性樹脂的壓力下吸水倍率，本發明利用受壓吸收量(壓力負荷：20g/cm2
)來測定，受壓吸收量係根據歐洲專利0339461 A號說明書第七頁中所描述的方法測定；將初始重量的高吸水性樹脂放在有篩網底部的圓柱體中，對粉體加以20g/cm2
的壓力，接著將此圓柱體置於吸收性需求測試器上，讓此高吸水性樹脂吸收0.9%的氯化鈉水溶液一小時，再將測吸水重量將所得數值除以高吸水性樹脂的重量，即得受壓吸收量數值。
本發明之保持力係利用茶袋試驗法測定，並以五次量測結果，去除最高值以及最低值後，取平均值；將0.2g的高吸水性樹脂裝在茶袋裡，並浸泡於0.9%的氯化鈉水溶液20分鐘，然後將此浸泡後的茶袋置於離心機中離心(直徑23cm、轉速1400rpm)三分鐘後秤重。所得之數值先減去未充填高吸水性樹脂的空白組茶袋重(以相同步驟操作)再除以聚合物重即得保持力數值。
本發明之吸濕後結塊效果的判定，係利用3.0克高吸水性樹脂置入直徑6公分的培養皿中，將該培養皿放入底部含有300mL淨水的抽氣裝置(vacuum desiccator)內，並利用抽氣幫浦將壓力抽至200mmHg抽氣1分鐘，關閉抽氣幫浦，7分鐘後取出培養皿並緩慢旋轉180度後，以分析天平秤取殘留在培養皿中的高吸水性樹脂(W)。當W值小於0.4克，表示吸濕後抗結塊效果良好，W值界於1.0－0.4克之間，表示吸濕後抗結塊效果尚可，當W值大於1.0克，表示吸濕後抗結塊效果不良。
本發明之發塵量，係在密閉空間中距離底部高度為60cm處放置一漏斗，並利用隔板蓋住漏斗底部，將100g吸水性樹脂放置於漏斗內，打開隔板，使吸水性樹脂落下，利用粉塵計HAZ－DUST HD－1100型儀器，以雷射光掃瞄方法測定粉塵濃度，並以五次量測結果，去除最高值以及最低值後，取平均值。
以下以實施例說明本發明；但本發明之專利範圍不受這些實例所限制。
1)取48%氫氧化鈉水溶液218.7g緩慢加入放270g丙烯酸及291.6g的水之500c.c圓錐瓶中，氫氧化鈉/丙烯酸的滴加比率在0.85至0.95範圍內，滴加時間為2小時，並保持瓶內中和反應系統的溫度在20℃至40℃範圍內；此時得單體濃度42wt%水溶液，其中70mol%(莫耳比)丙烯酸部份中和為丙烯酸鈉。
2)再加入0.414 g的N,N’－次甲基雙丙烯醯胺於水溶性不飽和單體溶液，並維持溫度於20℃左右。
3)加入0.144g雙氧水，1.8 g亞硫酸氫鈉及1.8 g過硫酸銨以起始反應。
4)利用切式粉碎機將反應後生成的凝膠體切碎，並篩選出粒徑大小為2mm直徑以下的凝膠體。
5)以130℃溫度乾燥2小時；利用篩網篩選0.1mm~0.85mm固定粒徑，得粉狀高吸水性樹脂。
6)秤取此高吸水性樹脂100g，加入二氧化矽/水＝1/9(重量比)溶液4.0g(黏度＝40cPs)，待混合均勻後再加入乙二醇碳酸酯/水/甲醇＝1/1/1(重量比)溶液3.9g，以200℃溫度加熱處理15分鐘，冷卻後，即得高性能高吸水性樹脂之測定保持力為31.2g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率29.6g/g，W值＝0.20g(吸濕後抗結塊效果良好)，發塵量0.72mg/m3
。
秤取100g高吸水性樹脂(品名：台速保BC286LE)，加入二氧化矽/水＝1/9(重量比)溶液4.0g(黏度＝40cPs)，其測定保持力為30.4g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率29.2g/g，W值＝0.11g(吸濕後抗結塊效果良好)，發塵量0.53mg/m3
。
重覆實例二，但高吸水性樹脂改用(品名：台速保BC283)，其測定保持力為30.5g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率29.4g/g，W值＝0.07g(吸濕後抗結塊效果良好)，發塵量0.42mg/m3
。
重覆實例二，加入二氧化矽/水＝2/8(重量比)溶液2.0g(黏度＝90cPs)。其測定保持力為30.1g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率29.1g/g，W值＝0.09g(吸濕後抗結塊效果良好)，發塵量0.42mg/m3
。
重覆實例二，加入高嶺土/水＝2/8(重量比)溶液2.5g(黏度＝158cPs)。其測定保持力為29.8g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率28.9g/g，W值＝0.14g(吸濕後抗結塊效果良好)，發塵量0.37mg/m3
。
重覆實例二，加入碳酸鈣/水＝2/8(重量比)溶液2.5g(黏度＝142cPs)。其測定保持力為29.6g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率28.7g/g，W值＝0.11g(吸濕後抗結塊效果良好)，發塵量0.32mg/m3
。
重覆實例四，加入二氧化矽水溶液的添加量提高至6.0g(黏度＝90cPs)。其測定保持力為28.9g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率28.7g/g，W值＝0.09g(吸濕後抗結塊效果良好)，發塵量0.11mg/m3
。
重覆實例二，但先加入二氧化矽粉末0.4g，待混合均勻後，再添加山梨糖醇/水＝1/9(重量比)溶液3.8g。其測定保持力為29.4g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率28.3g/g，W值＝0.81g(吸濕後抗結塊效果尚可)，發塵量6.71mg/m3
。
重覆實例二，但先加入高嶺土粉末0.4g，待混合均勻後，再添加山梨糖醇/水＝1/9(重量比)溶液3.8g。其測定保持力為27.2g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率26.3g/g，W值＝0.96g(吸濕後抗結塊效果尚可)，發塵量8.44mg/m3
。
重覆比較例一，但改用聚乙二醇(PEG－8000)/水＝1/9(重量比)溶液。其測定保持力為26.3g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率24.1g/g，W值＝0.92g(吸濕後抗結塊效果尚可)，發塵量9.16mg/m3
。
重覆實例一，但加入純水1.0g，並充分攪拌均勻。其測定保持力為25.6g/g，20g/cm2
壓力下吸水倍率23.7g/g，49g/cm2
壓力下吸水倍率13.9g/g，W值＝2.79g(吸濕後抗結塊效果不良)，發塵量8.54mg/m3
。
Claims (2)
- 一種高吸水性樹脂的製造方法，該方法包括：(a)使用一種含有丙烯酸(鹽)與/或丙烯醯胺(鹽)的水溶性不飽和單體，中和比率在45至85莫耳%之範圍內，不飽和單體水溶液的濃度在20至55重量份之範圍進行反應；(b)反應後生成的凝膠體，利用溫度100℃至180℃範圍的熱風乾燥、粉碎、篩選，其特徵在於；(c)先以佔凝膠4重量%的表面交聯劑塗覆；(d)溫度80℃至230℃加熱表面處理；再以(e)佔凝膠體0.4~4重量%的無機鹽水溶液塗覆處理。
- 根據申請專利範圍第1項之高吸水性樹脂的製造方法，其無機鹽水溶液之無機鹽選自硫酸鋁、碳酸鈣、氧化鎂、沸石、高嶺土、二氧化鈦或二氧化矽。
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