王紅樂(lè)
(齊魯工業(yè)大學(xué) 制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250353)
RAFT技術(shù)用于纖維素改性的研究進(jìn)展
王紅樂(lè)
(齊魯工業(yè)大學(xué) 制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250353)
纖維素是自然界取之不盡、用之不竭的且對(duì)環(huán)境無(wú)污染的天然可再生資源。但是,由于纖維素本身特有的結(jié)晶結(jié)構(gòu),使其在應(yīng)用方面受到很大的限制,因此針對(duì)纖維素應(yīng)用領(lǐng)域的不同,對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改性是十分必要的。主要闡述了對(duì)纖維素接枝聚合的改性以及RAFT技術(shù)在纖維素接枝聚合中的應(yīng)用。
纖維素改性 接枝共聚 RAFT
纖維素作為一種天然可再生的高分子材料,大量的存在于綠色植物中,可以說(shuō)是取之不盡,用之不竭。在煤、石油、天然氣儲(chǔ)量日益減少的今天,纖維素可以作為一種可持續(xù)發(fā)展的資源來(lái)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā),而且纖維素具有生物可降解性,對(duì)環(huán)境無(wú)污染。因此,利用和開(kāi)發(fā)纖維素對(duì)人類(lèi)解決能源、資源和環(huán)境方面所面臨的問(wèn)題都具有重要意義。
纖維素是一種天然高分子化合物,在應(yīng)用性能上也有一些缺點(diǎn),如:不耐腐蝕、強(qiáng)度低等。為了改進(jìn)纖維素的性能以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,常在纖維素上接枝某些具有特殊功能的單體,纖維素接枝聚合物具有纖維素本身和接枝單體共同的優(yōu)點(diǎn)。纖維素接枝聚合的方法多種多樣,但目前最常用的接枝技術(shù)就是可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)(RAFT)。本文主要介紹纖維素接枝聚合的研究進(jìn)展以及RAFT技術(shù)應(yīng)用于纖維素接枝聚合的現(xiàn)狀。
1.1 纖維素溶劑體系的選擇
纖維素是由β-D-葡萄糖單元通過(guò)β-1,4-糖苷鍵連接而成的鏈狀高分子化合物。其分子內(nèi)和分子間存在極強(qiáng)的氫鍵作用,導(dǎo)致纖維素具有復(fù)雜的結(jié)晶狀態(tài)和高的結(jié)晶度,因此,纖維素不溶于普通的溶劑體系。試驗(yàn)已經(jīng)證明在非均相條件下對(duì)纖維素進(jìn)行接枝聚合的效果很不理想,所以人們一直在嘗試找到一種既綠色經(jīng)濟(jì)又對(duì)纖維素溶解效果良好的纖維素溶劑體系,使纖維素能夠在均相條件下進(jìn)行接枝聚合。
過(guò)去人們常用的傳統(tǒng)的溶劑體系主要有銅胺溶液體系和二硫化碳/氫氧化鈉(CS2/NaOH)體系,但這些體系不僅工藝過(guò)程復(fù)雜,而且對(duì)環(huán)境的污染也相當(dāng)嚴(yán)重[1]。目前,纖維素溶劑體系的研究主要集中在離子液體、N-甲基氧化嗎啉(NMMO)和氯化鋰/N,N-二甲基乙酰胺(LiCL/ DMAc)體系三個(gè)方面。相比于前者,LiCL/DMAc體系具有可溶解大分子量(Mw.>106)纖維素,纖維素在溶液中不發(fā)生降解,溶液黏度室溫下隨時(shí)間變化小和溶劑易回收的特點(diǎn)[2]。所以,在對(duì)纖維素進(jìn)行改性前,將其溶于LiCL/DMAc體系形成纖維素的均相溶液是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
1.2 纖維素化學(xué)改性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
如圖1所示,纖維素是由β-D-葡萄糖單元通過(guò)β-1,4-糖苷鍵連接而成的鏈狀高分子化合物,每個(gè)葡萄糖單元中含有三個(gè)羥基(C2,C3,C6)。正是這些羥基的存在,可使纖維素能夠發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),對(duì)纖維素進(jìn)行接枝共聚,即將單體接枝到纖維素單元的羥基上。理論上,纖維素的三個(gè)羥基都能發(fā)生反應(yīng),其取代度(DS)為3,但是由于纖維素特殊的結(jié)晶結(jié)構(gòu),通常其取代度遠(yuǎn)小于3。
圖1 纖維素分子鏈結(jié)構(gòu)
1.3 纖維素化學(xué)改性的途徑
纖維素可以通過(guò)酯化、醚化或接枝共聚進(jìn)行化學(xué)改性,其中纖維素接枝聚合技術(shù)是應(yīng)用最廣的纖維素改性技術(shù)[3]。
1.3.1 纖維素的酯化
纖維素的酯化反應(yīng)是指纖維素分子鏈上的羥基在酸催化條件下與酸、酸酐和酰鹵等發(fā)生酯化反應(yīng)。羥基與無(wú)機(jī)酸(如硝酸、硫酸、磷酸等)進(jìn)行酯化反應(yīng)生成的產(chǎn)物成為纖維素的無(wú)機(jī)酸酯,羥基與有機(jī)酸(如甲酸、乙酸、高級(jí)脂肪酸和芳香酸等)發(fā)生酯化反應(yīng)生成的產(chǎn)物成為纖維素的有機(jī)酸酯。
Antova等[4]以對(duì)甲苯磺酸作為催化劑,用微波加熱,在甲醇中合成纖維素酯,但是取代度很低(DS<1)。Joly 等[5]與 Memmi 等[6]也進(jìn)行了相關(guān)研究,微波輻射下纖維素在 LiCl/DMAc和脂肪酰氯下酯化,催化劑為 N,N-二甲基-4-氨基吡啶,此法既增加了取代度,又縮短了合成時(shí)間。
1.3.2 纖維素的醚化
纖維素醚是以天然纖維素為基本原料,經(jīng)過(guò)堿化、醚化反應(yīng)的生成物。目前已開(kāi)發(fā)的纖維素醚類(lèi)包括單一醚類(lèi)和混合醚類(lèi)。例如:Narita等[7]在40 ℃下用23%的 NaOH 溶液處理4 mm×4 mm 紙片,堿處理過(guò)的纖維素放入壓力反應(yīng)容器內(nèi),抽真空,然后加入甲基氯和環(huán)氧丙烷反應(yīng),三者質(zhì)量比為 2∶4∶1,得到DS為 1.70、20 ℃下 2%的水溶液透光度為 90.0%的羥丙基纖維素,類(lèi)似方法可得到DS為1.40~1.95、透光度為90.0%~98.8%的產(chǎn)品。
纖維素醚類(lèi)各種改性產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于制藥業(yè),包括羧甲基纖維素鈉、甲基纖維素、乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素等[8]。
1.3.3 纖維素的接枝共聚
纖維素接枝共聚的方法可以保留纖維素原有的不被破壞,同時(shí)賦予纖維素新的性能。纖維素的接枝共聚技術(shù)有傳統(tǒng)的自由基接枝共聚技術(shù)、離子和開(kāi)環(huán)接枝聚合。目前常用的新型的纖維素接枝共聚技術(shù)是指活性可控自由基聚合。
(1)纖維素自由基接枝共聚。纖維素的自由基聚合是一種應(yīng)用很廣的纖維素聚合方法,大約有60%聚合物都是通過(guò)這種方法獲得[9]。自由基聚合是一個(gè)鏈的反應(yīng)過(guò)程,包括鏈引發(fā)、鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止。首先由引發(fā)劑引發(fā)生成自由基,單體獲得自由基并在不斷添加單體的條件下進(jìn)行鏈增長(zhǎng),當(dāng)兩個(gè)鏈增長(zhǎng)自由基結(jié)合或發(fā)生歧化反應(yīng)時(shí)即導(dǎo)致鏈終止。常用的引發(fā)劑有偶氮引發(fā)劑(如偶氮二異丁腈)、過(guò)氧類(lèi)引發(fā)劑和氧化還原引發(fā)劑等[10]。
自由基聚合的優(yōu)點(diǎn)主要有[10-12]:
① 適用單體范圍廣。如丙烯酸酯、丙烯酰胺、苯乙烯、丁二烯、醋酸/乙酸乙烯酯、丙烯酸等單體都可通過(guò)自由基聚合。
② 不受反應(yīng)條件的限制。在溶液、乳液、懸浮液中都可進(jìn)行聚合。
③ 與離子聚合和配位聚合的高敏感性相比,自由基聚合在水和其他的不純物質(zhì)的存在條件下也可以順利進(jìn)行。
④ 操作簡(jiǎn)單,成本低廉。
但是其缺點(diǎn)也很多,如引發(fā)慢、增長(zhǎng)快、終止快且易發(fā)生自由基耦合、歧化、鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng),有時(shí)甚至發(fā)生支化、交聯(lián)等,嚴(yán)重影響聚合物的性能,因此限制了自由基聚合技術(shù)在纖維素接枝聚合方面的應(yīng)用。
(2)纖維素離子和開(kāi)環(huán)聚合。纖維素的離子聚合可分為陰離子型聚合和陽(yáng)離子型聚合。纖維素陰離子型接枝共聚采用纖維素骨架上的堿性金屬氧化物為初始引發(fā)劑,液態(tài)氨和其他惰性溶劑為溶劑,在較低反應(yīng)溫度下進(jìn)行。陰離子型接枝聚合已成功應(yīng)用于丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酸甲酯等單體在纖維素分子上的接枝共聚[13]。
纖維素通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合進(jìn)行纖維素接枝采用的比較少。Hafren等[14]首次用酒石酸催化ε-幾內(nèi)酯與棉纖維的開(kāi)環(huán)聚合,但接枝率很小。
(3)纖維素活性可控自由基聚合?;钚钥煽刈杂苫酆鲜墙陙?lái)才應(yīng)用于纖維素接枝聚合的一種方法。Szwarc[15]最早提出“活性聚合”的概念,即無(wú)不可逆的鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止的鏈增長(zhǎng)反應(yīng)。活性聚合與自由基聚合的結(jié)合即“活性自由基聚合”。它結(jié)合了兩種聚合方法的優(yōu)點(diǎn),如適用單體范圍廣、反應(yīng)條件溫和、實(shí)施條件多樣、能夠合成分子量及分子量分布可控的聚合物等[10]。一般我們所說(shuō)的活性/可控自由基聚合包括NMP、ATRP、RAFT[16]。
氮氧穩(wěn)定自由基聚合(NMP)是穩(wěn)定自由基聚合的一種,是最早的用于纖維素接枝改性的活性自由基聚合技術(shù)。它是在傳統(tǒng)的自由基聚合體系中,引入穩(wěn)定的氮氧自由基(如2, 2, 6, 6-四甲基氧化哌啶自由基),通過(guò)建立增長(zhǎng)鏈(Pn●)和氮氧自由基(X●)與增長(zhǎng)鏈的加成物形成的休眠種(Pn-X)之間的可逆平衡,達(dá)到控制聚合物分子量和分子量分布的目的[16]。
原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)由王錦山等人在1995年提出。ATRP是在反應(yīng)中引入鹵代烴,并以低價(jià)過(guò)渡金屬絡(luò)合物作為鹵原子轉(zhuǎn)移劑,催化可逆的鹵原子轉(zhuǎn)移過(guò)程,從而達(dá)到增長(zhǎng)自由基和休眠種間的平衡的一種可控自由基聚合,其機(jī)理如圖所示2[17]。
圖2 ATRP聚合機(jī)理ATRP具有適用單體范圍廣、反
ATRP具有適用單體范圍廣、反應(yīng)條件較溫和、分子量可控、分子設(shè)計(jì)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛應(yīng)用。但是,ATRP催化劑配體昂貴且用量較大,不利于環(huán)境保護(hù),且金屬鹽作催化劑會(huì)殘留在聚合物中較難以除去,不僅影響聚合物的性能,還使聚合產(chǎn)物帶有顏色并有毒性[18]。
下面重點(diǎn)介紹一下RAFT接枝聚合技術(shù)及其在纖維素接枝聚合中的應(yīng)用。
2.1 RAFT聚合機(jī)理
RAFT聚合機(jī)理[19-22]如圖3所示。首先,由引發(fā)劑分解生成初級(jí)自由基(I●),初級(jí)自由基(I●)引發(fā)單體聚合成鏈增長(zhǎng)自由基(Pn●);鏈增長(zhǎng)自由基(Pn●)進(jìn)攻 RAFT 鏈轉(zhuǎn)移試劑1上的碳硫雙鍵從而發(fā)生加成反應(yīng),生成不穩(wěn)定自由基中間體2,自由基中間體2分解形成休眠聚合物3 及離去自由基 R·;同時(shí)也可反向分解產(chǎn)生其反應(yīng)物;離去自由基 R·能夠再引發(fā)單體聚合得鏈增長(zhǎng)自由基(Pm·);含有【-S(S)C-Z】二硫代羰基結(jié)構(gòu)的休眠聚合物3也可作為鏈轉(zhuǎn)移試劑與其他的自由基發(fā)生加成反應(yīng);鏈平衡(Chain equilibration)反應(yīng)中,大分子的 RAFT 鏈轉(zhuǎn)移試劑3與增長(zhǎng)自由基(Pm·)反應(yīng),RAFT鏈轉(zhuǎn)移試劑中的休眠聚合物3生成新的增長(zhǎng)自由基可繼續(xù)進(jìn)行增長(zhǎng)反應(yīng),增長(zhǎng)自由基(Pm·)形成大分子休眠聚合物5;新的大分子休眠聚合物5又可作為RAFT鏈轉(zhuǎn)移試劑與增長(zhǎng)自由基進(jìn)行活化反應(yīng);隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行,聚合物鏈增長(zhǎng)自由基與含有RAFT試劑的二硫代基團(tuán)鏈段發(fā)生迅速的可逆鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng),建立減小自由基在反應(yīng)體系中的濃度,避免了增平衡以長(zhǎng)鏈自由基的不可逆終止反應(yīng),從而控制自由基聚合反應(yīng)的進(jìn)行。
圖3 RAFT聚合機(jī)理
2.2 RAFT聚合的特點(diǎn)
RAFT聚合作為一種新型的活性自由基聚合技術(shù),兼具自由基聚合和活性聚合的優(yōu)點(diǎn),成為目前最有發(fā)展前景的聚合方法之一。與其他的活性/可控聚合相比,RAFT接枝聚合具有眾多優(yōu)點(diǎn),如:
(1)適用單體范圍廣。苯乙烯類(lèi)、丙烯酸酯類(lèi)、丙烯酰胺、丙烯酸類(lèi)等單體均適用。
(2)反應(yīng)條件溫和。 RAFT聚合可在傳統(tǒng)自由基聚合要求的條件下進(jìn)行,反應(yīng)溫度適用范圍較寬(40~160 ℃),而且聚合過(guò)程無(wú)需保護(hù)和解保護(hù)措施。
(3)聚合實(shí)施方法多。 本體、溶液、乳液、懸浮等均可進(jìn)行RAFT聚合,RAFT的常見(jiàn)聚合方式是本體和溶液聚合。本體聚合速度一般大于溶液聚合速度[23],但RAFT聚合中高轉(zhuǎn)化率帶來(lái)的體系黏度問(wèn)題可在溶液聚合中得到解決。
RAFT聚合也存在某些方面的問(wèn)題[24]。首先,RAFT聚合所需的鏈轉(zhuǎn)移劑一般為雙硫酯類(lèi)化合物,這類(lèi)化合物商品試劑少,制備過(guò)程需要多步有機(jī)合成,且RAFT聚合也存在聚合物的純化問(wèn)題;其次,RAFT聚合體系中也存在雙基終止:雙基終止生成的無(wú)活性死聚物,使產(chǎn)物的分子量分散系數(shù)增大,而要減少雙基終止,體系中的自由基濃度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于RAFT試劑的濃度,這在本體和溶液聚合中聚合速率會(huì)較低;而在制備嵌段共聚物過(guò)程中,需要再加入引發(fā)劑才能活化反應(yīng),這就難免會(huì)有后續(xù)單體的均聚副產(chǎn)物產(chǎn)生;此外,RAFT聚合存在控制程度與分子量的矛盾,單體濃度一定,要得到高分子量的產(chǎn)物,就必須減少鏈轉(zhuǎn)移劑的用量,鏈轉(zhuǎn)移劑用量的減少會(huì)使聚合的可控性減弱;最后,RAFT聚合產(chǎn)物的鏈端基團(tuán)為活性基團(tuán),所以在反應(yīng)的最后階段需進(jìn)行基團(tuán)轉(zhuǎn)化。
2.3 RAFT在纖維素接枝共聚中的應(yīng)用
RAFT聚合不但可以合成分子量可控且分布窄的聚合物,而且可以合成特殊結(jié)構(gòu)聚合物,因此在聚合物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面?zhèn)涫芮嗖A。通過(guò)對(duì)RAFT試劑及聚合方式的設(shè)計(jì)控制,可以制備出星形、超支化、梯度等特殊結(jié)構(gòu)的聚合物[25]。
2.3.1 RAFT在合成星形聚合物中的應(yīng)用
星形聚合物是指三條及以上無(wú)主支區(qū)分的鏈以化學(xué)鍵方式連接于同一個(gè)核上形成的星狀結(jié)構(gòu)聚合物,其核心尺寸比整個(gè)聚合物的尺寸小得多[26]。星形聚合物具有較低的溶液和本體黏度、較高的溶解度、較低的粘滯性、較小的流體力學(xué)體積、較高的功能團(tuán)密度及非晶化等特點(diǎn)[27]。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能使其應(yīng)用前景廣闊。
用RAFT聚合方法合成星形聚合物一般有兩種方式[28]。一種設(shè)計(jì)路線為先核后臂法(Core first),即選用多官能團(tuán)RAFT試劑為“核”,通過(guò)核上的活性點(diǎn)進(jìn)行鏈增長(zhǎng)反應(yīng)得到星形聚合物。該方法的主要工作是合成多官能團(tuán)RAFT試劑。多官能團(tuán)RAFT試劑可由相應(yīng)的多羥基、多鹵代等化合物制備,此路線在高轉(zhuǎn)化率下不存在屏蔽效應(yīng),且聚合物結(jié)構(gòu)明確。另一種設(shè)計(jì)路線為先臂后核法(Arm First),即首先合成出脫離核的末端含活性點(diǎn)的線性鏈段聚合物前體,然后鏈接到官能化核上得到相應(yīng)星形聚合物。此路線易發(fā)生屏蔽效應(yīng),并易混有線性聚合物。
2.3.2 RAFT在合成嵌段共聚物中的應(yīng)用
RAFT聚合方法制備嵌段共聚物的設(shè)計(jì)思路一般是首先制備出大分子RAFT試劑,然后鏈轉(zhuǎn)移劑與另一單體進(jìn)一步發(fā)生聚合反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)[29]。
合成兩嵌段共聚物:制備窄分子量分布AB嵌段共聚物的前提條件是作為大分子鏈轉(zhuǎn)移劑的A段聚合物應(yīng)有較高的向B單體轉(zhuǎn)移的鏈轉(zhuǎn)移常數(shù),即A段的增長(zhǎng)鏈自由基和B段應(yīng)具有相當(dāng)或者較強(qiáng)的離去能力。一般聚合物鏈的離去性能有以下趨勢(shì):甲基丙烯酸酯基 >苯乙烯基>丙烯酸酯基[30]。
合成三嵌段共聚物:Rizzardo[31]等首次使用三硫代碳酸酯為RAFT試劑,由兩步法合成了BA和St的ABA型三嵌段共聚物。最近,McCormick[32]教授研究組用RAFT聚合制備了含有聚(N-異丙基丙烯酰胺) (PNIPAM)鏈段的溫敏性ABC型三嵌段聚[環(huán)氧乙烷-b-(二甲胺-s-硫化鈉)-b-N-丙烯酰氧基丁二酰亞胺]。在水溶液中,當(dāng)溫度超過(guò)PNIPAM的臨界溶解溫度時(shí),聚合物自組裝成為膠束。
2.3.3 RAFT在合成樹(shù)枝狀共聚物中的應(yīng)用
樹(shù)枝狀大分子是指從核心分子不斷向外重復(fù)支化增長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似樹(shù)枝狀的大分子[33]。樹(shù)枝狀聚合物具有線性聚合物所不具備的低黏度、高溶解性、多官能團(tuán)且其分子尺寸一般為納米級(jí)等物化特性,在生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
Hao等[34-35]制得表面具有6和12個(gè)羥基的樹(shù)枝狀單體,與3-芐基磺酰基二代磺酰丙酰氯作用得到樹(shù)狀三硫代酸酯類(lèi)鏈轉(zhuǎn)移劑(DCTA-1)(圖4)和(DCTA-2)(圖5),并以DCTA-1和DCTA-2為鏈轉(zhuǎn)移劑,實(shí)現(xiàn)了低溫(60 ℃)下對(duì)苯乙烯的活性聚合調(diào)控。這是目前單體苯乙烯RAFT聚合技術(shù)所報(bào)道的最低溫度。
2.3.4 RAFT在合成梯度共聚物中的應(yīng)用
圖4 樹(shù)枝狀RAFT鏈轉(zhuǎn)移劑DCTA-1
圖5 樹(shù)枝狀RAFT鏈轉(zhuǎn)移劑DCTA-2
梯度共聚物是指隨相對(duì)分子量的增加,其分子主鏈段從以一種單體單元占主體地位連續(xù)變化成以另一種單體單元占主體地位的一類(lèi)聚合物[36]。梯度聚合物兼具有無(wú)規(guī)及嵌段共聚物的性能,可使不相容聚合物的界面親和力得到改善。Rizzardo等[37]首次通過(guò)RAFT溶液聚合方法合成了低分子量的MMA-BA梯度共聚物。
纖維素是一種天然可再生,含量極為豐富且對(duì)環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展資源,對(duì)纖維素進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究在替代煤、石油、天然氣等這些日益減少的資源方面具有很重要的意義。但是由于纖維素本身結(jié)構(gòu)的局限,在性能上也有一些缺陷,如難溶解性、不抗折性、空間不穩(wěn)定性、可塑性差等。為了克服纖維素的這些缺點(diǎn),并進(jìn)一步賦予纖維素新的功能以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,對(duì)纖維素進(jìn)行改性就顯得格外重要。
RAFT接枝聚合是對(duì)纖維素接枝改性的一種最有潛力的聚合方法,在聚合物分子設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),問(wèn)世幾年來(lái)受到廣泛關(guān)注。RAFT聚合研究已不僅僅停留于實(shí)驗(yàn)室階段,用其合成高分子新穎材料的研究工作日漸增多,且有大量專(zhuān)利報(bào)道。在規(guī)?;a(chǎn)精細(xì)聚合物尤其結(jié)構(gòu)受控共聚物方面,RAFT聚合技術(shù)尤其領(lǐng)先于其他活性聚合方法。但是,帶特殊結(jié)構(gòu)多官能團(tuán)的RAFT轉(zhuǎn)移劑的合成仍是一個(gè)難點(diǎn),今后將會(huì)成為高分子合成設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)突破點(diǎn)。
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