




作者簡(jiǎn)介:,在讀碩士研究生;研究方向:現(xiàn)代制漿造紙技術(shù)。
關(guān)鍵詞:竹材化學(xué)熱磨機(jī)械漿;精漿;纖維形態(tài);濕部化學(xué);紙張強(qiáng)度中圖分類號(hào):TS743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2025.04.012
Study on the Effects of Mechanical Refining on the Properties of Bamboo CTMP
YAO Wenxuan’HUANG Fang1FANG Guigan2XIE Zhanghong4HUANG Liulian1*MIAO Qingxian1*
(1.College
IndustryofForestProducts,hineseAcademofrestryNjing,JngsuProince,;3.binPaerIdustryCo,dbin SichuanProvince,64410;4.SichuanProvinceEngineeringTechnologyResearchCenterofBambooPulpingandPapermaking,Yibin, Sichuan Province, ) (
E-mail:hl65212@163.com;miaoqingxian@163.com)
Abstract:Thefctsofechanicalefingofamboochmithemmechanicalpulp(CTP)yFeferoermohologyt-nditrandpperprotredTulodatthcalrgeeedhgtegf thecontentoffssetoeasodgfulputasdtabilittapetaldcidost ofpulp.Meanilthsiledeustigdedintilsiledefapereprovduetofgtreat thebeating degree of pulp increased from 15oSR to $4 0 \ { } ^ { \mathrm { \circ } } \mathrm { S R }$ ,the mean length-weighted of fiber was decreased from O.788 mm to O.459 mm,the content of fines was increased from 6.30% to 7 . 3 0 % ,the retention rate of fines was increased from 93. 5 % to 96. 0 % ,the dissolved charge of the pulp was increased from 1 ? 3 2 5 μ e q/ g to 2 . 0 1 0 μ e q / g .However,the Zeta potential decreased from an absolute value of 7 5 . 4 m V to 5 3 . 2 m V ,decreased by 2 9 . 4 % . The tensile index of the paper was increased from 6
to
,and the initial wet tensile index was increased from0.271 N·m/gto 0.290 N·m/g,with relativeincreasesof 4 9 . 8 % and 7 . 0 % ,respectively.
Key words: bamboo chemithermomechanical pulp;refining;fibermorphology;wet-end chemistry;paper strength
近年來(lái),我國(guó)已成為全球紙及紙板的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2023年全國(guó)紙及紙板生產(chǎn)量與消費(fèi)量分別達(dá)1.2965億t和1.3165萬(wàn)t,全國(guó)紙漿產(chǎn)量和消費(fèi)量分別達(dá)0.8823億t和1.1899億t,其中進(jìn)口紙漿占比超過(guò)
。但長(zhǎng)期以來(lái)存在自給優(yōu)良原料供應(yīng)不足、主要依賴進(jìn)口的問(wèn)題,尤其是我國(guó)“禁廢令”的實(shí)施,使得我國(guó)造紙行業(yè)纖維原料短缺的現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。因此,提高現(xiàn)有自給原材料的利用率對(duì)于解決我國(guó)造紙纖維原料短缺的問(wèn)題具有重要意義。
我國(guó)擁有豐富的竹材資源,品種多、生長(zhǎng)快,用于制漿造紙的竹材主要是薄壁的中小徑竹。高得率漿尤其是化學(xué)機(jī)械漿(以下簡(jiǎn)稱化機(jī)漿)具有原料利用率高、生產(chǎn)成本低、污染少等優(yōu)點(diǎn),所抄紙張松厚度與不透明度和挺度高、可廣泛用于多種紙及紙板的生產(chǎn)[2-4]。相對(duì)于化學(xué)漿,高得率漿存在木質(zhì)素含量高、抄紙時(shí)纖維間結(jié)合強(qiáng)度低的問(wèn)題,因此,為了提高高得率漿纖維間的結(jié)合強(qiáng)度,需要對(duì)其進(jìn)行物理、化學(xué)或生物改性處理5。精漿是一種典型的纖維物理改性方法,傳統(tǒng)上認(rèn)為精漿處理是通過(guò)磨漿機(jī)的纖維分絲帚化作用,使更多的羥基暴露出來(lái),從而提高紙張的結(jié)合面積和結(jié)合強(qiáng)度。針對(duì)化機(jī)漿的精漿處理,更多的研究集中于如何通過(guò)改變磨漿工藝降低制漿能耗和改善紙漿以及紙張的性能5,但關(guān)于精漿對(duì)化機(jī)漿濕部化學(xué)特性方面的研究較少。本研究以竹材化學(xué)熱磨機(jī)械漿(CTMP)為原料,利用PFI磨漿機(jī)對(duì)其進(jìn)行機(jī)械精漿處理,研究精漿對(duì)其纖維形態(tài)和紙張性能的影響規(guī)律,并率先研究精漿對(duì)竹材CTMP濕部化學(xué)特性和初始濕抗張強(qiáng)度的影響,為進(jìn)一步了解竹材化機(jī)槳的特性,拓寬竹材化機(jī)漿的應(yīng)用領(lǐng)域提供一定的理論指導(dǎo)。
1實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
竹材化學(xué)熱磨機(jī)械漿(CTMP),由宜賓紙業(yè)股份有限公司提供,打漿度
,綜纖維素含量7 3 . 2 2 % ,硝酸-乙醇纖維素含量 5 9 . 3 6 % ,木質(zhì)素含量2 4 . 8 8 % ,苯-醇抽出物含量 0 . 9 % 。纖維質(zhì)均長(zhǎng)度0 . 7 8 8 m m ,寬度
,細(xì)小纖維含量 6 . 3 0 % 。陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM,相對(duì)分子質(zhì)量約500萬(wàn)),取自福建某紙業(yè)有限公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
PFI磨漿機(jī)(S401100000,德國(guó)Frank-PTI公司),纖維解離器(ZQS4,咸陽(yáng)通達(dá)輕工設(shè)備有限公司),打漿度測(cè)定儀(J-DJY100,四川長(zhǎng)江造紙儀器有限責(zé)任公司),高速冷凍離心機(jī)(Mulyifuge-X1R,美國(guó)賽默飛公司),纖維形態(tài)分析儀(MorfiCompact,法國(guó)Techpap公司),Zeta電位儀(MutekTMSZP-10,瑞典BTG公司),電導(dǎo)率儀(DDS-11A,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司),顆粒電荷測(cè)定儀(MutekPCD-03,瑞典BTG公司),動(dòng)態(tài)濾水儀(MutekTMDFR-O5,瑞典BTG公司),快速凱塞紙頁(yè)成型器(S958540014,德國(guó)西門子公司),耐破度測(cè)試儀(CE180,瑞典Lamp;W公司),抗張強(qiáng)度測(cè)試儀(CE066,瑞典Lamp;W公司),濕抗張強(qiáng)度儀(S815020001,德國(guó)PTI公司),撕裂度測(cè)試儀(CE009,瑞典Lamp;W公司)。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
1.3.1竹材化學(xué)熱磨機(jī)械漿的精磨
每次取
的紙漿(絕干質(zhì)量,下同),調(diào)整漿濃為 1 0 % ,通過(guò)改變PFI磨漿機(jī)的磨漿轉(zhuǎn)數(shù),分別得到打漿度為30、40、50、6 0的漿樣,冷藏備用。
1.3.2 紙漿濾水性和留著率的測(cè)定
取
的紙漿用水稀釋到 1 0 0 0 m L ,攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至配置有40目篩網(wǎng)的動(dòng)態(tài)濾水儀中,在轉(zhuǎn)速7 0 0 r / m i n 下攪拌一定時(shí)間后開(kāi)啟放液閥,測(cè)定120s內(nèi)流出的濾液質(zhì)量。一定時(shí)間內(nèi)獲得的濾液質(zhì)量越大,紙漿濾水性能越好。
取
清水測(cè)試,濾液濃度為0。取
的紙漿用水稀釋到
,攪拌均勻后轉(zhuǎn)移到配置有40目篩網(wǎng)動(dòng)態(tài)濾水儀中,在運(yùn)行30s后,加入 1 0 m L 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0 . 0 4 % 的CPAM溶液,在轉(zhuǎn)速 4 0 0 r / m i n 下攪拌30s后,開(kāi)啟放液閥,直至濾水質(zhì)量達(dá) 3 0 0 g ,測(cè)量得到細(xì)小纖維的留著率。
1.3.3紙漿中溶解電荷的測(cè)定
稱取
的紙漿,加水稀釋到漿濃 2 % ,磁力攪拌 5 m i n ,然后將漿料在 3 0 0 0 r / m i n 下離心 3 0 m i n 取 1 0 m L 上層清液,以質(zhì)量濃度 0 . 0 0 1 m o l/ L 的聚二甲基二烯丙基氯化銨(P-DADMAC)為標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)離子溶液,采用顆粒電荷滴定儀測(cè)定其中的溶解電荷。
1.3.4 紙漿Zeta電位的測(cè)定
首先將一定量的紙漿充分疏解,然后稀釋至漿濃約 0 . 4 % ,取 5 0 0 m L 紙漿懸浮液,采用Zeta電位儀測(cè)定紙漿的Zeta電位。
1.3.5紙漿中磺酸基和羧基的測(cè)定
采用電導(dǎo)滴定法進(jìn)行測(cè)定。準(zhǔn)確稱取
的紙漿,在
的 0 . 1 m o l/ L HCI溶液中浸泡2次,在磁力攪拌下每次浸泡 4 5 m i n 。然后,用去離子水洗滌至電導(dǎo)率穩(wěn)定。過(guò)濾,把漿樣分散到 4 5 0 m L 的
溶液中,在氮?dú)猸h(huán)境和磁力攪拌下,用 0 . 1 m o l / L N a O H 標(biāo)準(zhǔn)溶液在 0 . 5 m L/ 5 m i n 的速度進(jìn)行滴定。用電導(dǎo)率儀記錄滴定曲線,最后用去離子水洗滌漿料,并干燥至質(zhì)量恒定。磺酸基和羧酸基含量的計(jì)算分別見(jiàn)式(1)和式(2)。
磺酸基含量
試樣)
羧酸基含量
試樣)
式中,
表示HCI標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度, m o l / L ;
表示加入HCI標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
表示NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度, m o l / L ;
表示第一個(gè)等當(dāng)點(diǎn)消耗 N a O H 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
表示第二個(gè)等當(dāng)點(diǎn)消耗 N a O H 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
表示漿樣絕干質(zhì)量,g。
1.3.6 紙漿纖維保水值的測(cè)定
取
的紙槳,放入帶有濾網(wǎng)的離心管中,在轉(zhuǎn)速 5 0 8 0 r / m i n 下離心 1 5 m i n ,取出漿料進(jìn)行稱量,然后放入烘箱中干燥
至質(zhì)量恒定。每個(gè)槳樣同時(shí)測(cè)定2份,以算術(shù)平均值表示結(jié)果,保水值具體計(jì)算見(jiàn)式(3)。
保水值 
式中,
為離心后濕漿質(zhì)量, g
為絕干漿質(zhì)量,g。
1.3.7 紙漿纖維形態(tài)的觀察
稱取約
的紙槳,用
去離子水充分分散,然后利用纖維形態(tài)分析儀測(cè)定紙漿纖維的平均長(zhǎng)度、寬度和數(shù)均細(xì)小纖維含量。
1.3.8纖維形態(tài)的顯微鏡觀察
取一定量的紙漿纖維,將其加入
蒸餾水中,用纖維解離器充分疏解 3 m i n 。隨后,取出1 0 m L 的紙漿懸浮液置于樣品瓶中,晃動(dòng)分散均勻后,取1滴混合液置于載玻片上,并利用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察。
1.3.9 紙張抄造及其性能分析
為了減少細(xì)小纖維的流失,抄造過(guò)程中將產(chǎn)生的白水進(jìn)行3次循環(huán)使用,最后1次循環(huán)獲得的紙張為最終的紙樣,然后在
下干燥 5 m i n ,將紙張?jiān)诤銣睾銤駰l件下放置 2 4 h 后進(jìn)行性能測(cè)定。所抄紙張定量為
。
紙張厚度采用肖波爾式厚度儀測(cè)定,并結(jié)合定量 計(jì)算紙張的松厚度;紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破 指數(shù)分別按照GB/T12914—2018、GB/T455—2002、 GB/T1539—2007進(jìn)行測(cè)定;采用濕抗張強(qiáng)度儀測(cè)定紙 張的初始濕抗張強(qiáng)度,測(cè)試前調(diào)整紙張干度為 2 5 % 。
2 結(jié)果與討論
2.1機(jī)械精漿對(duì)竹材CTMP纖維形態(tài)的影響
圖1和圖2分別為機(jī)械精漿處理對(duì)竹材CTMP纖維長(zhǎng)度、寬度和細(xì)小纖維含量的影響。由圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn),隨著紙漿打漿度的增加,紙漿纖維的質(zhì)均長(zhǎng)度呈明顯下降的趨勢(shì),由
下降至
",而纖維的寬度變化不大,細(xì)小纖維含量隨之增加,由 6 . 3 0 % 提高到 7 . 3 0 % 。機(jī)械精漿處理引起紙漿纖維的細(xì)小纖維含量明顯增加。這主要是由于紙漿纖維在機(jī)械精漿過(guò)程中受機(jī)械剪切和纖維之間的摩擦作用,導(dǎo)致紙漿纖維發(fā)生細(xì)纖維化(圖3),進(jìn)而引起纖維的長(zhǎng)度下降,細(xì)小纖維含量增加。當(dāng)然,紙漿中細(xì)小纖維的存在也能夠促進(jìn)纖維之間的結(jié)合,進(jìn)而提高紙張的強(qiáng)度性能。



2.2機(jī)械精漿對(duì)竹材CTMP濕部化學(xué)特性的影響
2.2.1 濾水性和細(xì)小纖維留著性能
本研究根據(jù)漿料在DFR-05動(dòng)態(tài)濾水儀中120s內(nèi)的濾水質(zhì)量表征其濾水性能,過(guò)濾水的質(zhì)量越大說(shuō)明紙漿的濾水性越好。圖4為不同打漿度下竹材CTMP的濾水性能。由圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著紙漿打漿度的增加,紙漿的濾水速度明顯下降。在打漿度為
時(shí),在6s內(nèi)的濾水質(zhì)量達(dá)
,而打漿度 5 0% , 時(shí),70s濾水質(zhì)量才達(dá) 8 0 0 g 。這是因?yàn)殡S著打漿度的提高,細(xì)小纖維含量增加,水流過(guò)纖維表面時(shí),將細(xì)小纖維固著在纖維表面,細(xì)小纖維對(duì)纖維間過(guò)濾孔隙造成了堵塞,增加了固形物的總持水量,從而增加了濾水阻力,減少了自由濾水的面積;雖然原槳的濾水性最好,但是濾水速率過(guò)快會(huì)影響細(xì)小組分在紙幅中的留著以及紙張的成形]。
圖5為不同打漿度下竹材CTMP漿的細(xì)小纖維留著性能。從圖5可以看出,原漿的細(xì)小纖維留著率為9 3 . 5 % ,當(dāng)對(duì)其進(jìn)行機(jī)械精漿處理至打漿度為 3 0% "時(shí),細(xì)小纖維留著率為 9 5 . 1 % ,當(dāng)打漿度為 4 0"% , ,細(xì)小纖維的留著率進(jìn)一步提高到 9 6 . 0 % 。雖然隨著機(jī)械精漿程度的增加,竹材CTMP的細(xì)小纖維含量增加,但細(xì)小纖維的留著率也隨之增加,有助于纖維間的結(jié)合和紙張強(qiáng)度的提高。


2.2.2 溶解電荷量和Zeta電位
紙漿的濕部電荷特性會(huì)嚴(yán)重影響濕部化學(xué)助劑的使用以及紙機(jī)的運(yùn)行與紙張質(zhì)量。紙漿中的溶解性物質(zhì)主要來(lái)自制漿過(guò)程中產(chǎn)生的木質(zhì)素衍生物、部分降解的半纖維素、脂肪酸、樹(shù)脂酸以及少量果膠類物質(zhì)。圖6為不同打漿度下竹材CTMP的溶解電荷量和Zeta電位。由圖6可以發(fā)現(xiàn),隨著竹材化機(jī)漿打漿度的增加,紙漿的溶解電荷量隨之增加,打漿度由
增加至
時(shí),紙漿溶解電荷量增加了5 1 . 7 % 。此時(shí),紙漿Zeta電位絕對(duì)值從 7 5 . 4 m V 下降至 5 3 . 2 m V ,下降了 2 9 . 4 % ,表明在機(jī)械精槳過(guò)程中有部分陰離子性可溶性物質(zhì)和膠體類物質(zhì)溶出。本研究采用的紙漿為竹材CTMP漿,是經(jīng)過(guò)磺化處理的漿料,因此這些溶解電荷可能來(lái)源于磺化的木質(zhì)素、部分溶解的半纖維素以及由膠體轉(zhuǎn)化為溶解物的脂肪酸和樹(shù)脂酸等,其經(jīng)過(guò)機(jī)械攪拌進(jìn)而溶出到水相中。

通常,隨著機(jī)械磨漿處理程度的增加,紙漿的Zeta電位會(huì)隨之升高,但本研究中隨著紙漿打漿度的增加,竹材CTMP的Zeta電位絕對(duì)值卻隨之下降。機(jī)械磨漿對(duì)紙漿Zeta電位的影響通常有2種情況,當(dāng)磨漿作用使部分陰離子性的物質(zhì)進(jìn)入液相,并在纖維表面出現(xiàn)部分再吸附,使纖維表面電荷增多,進(jìn)而使得紙漿纖維的Zeta電位增加;另一方面,當(dāng)紙漿纖維受到電中性的溶劑化作用增強(qiáng),在纖維周圍形成1個(gè)厚層,使離子化層的運(yùn)動(dòng)困難,造成紙漿纖維的Zeta電位下降。
2.2.3磺酸基和羧基含量
表1為不同打漿度下竹材CTMP纖維的磺酸基和羧基含量。由表1可知,隨著打漿度的增加,紙漿纖維的磺酸基和羧基含量逐漸下降,這與傳統(tǒng)的化學(xué)漿打漿對(duì)紙漿酸性基團(tuán)的含量影響不同。但此結(jié)果與前面機(jī)械精漿對(duì)竹材CTMP溶解電荷和Zeta電位的影響結(jié)果相符,也即隨著機(jī)械磨漿程度的增強(qiáng),大量的磺酸基和羧基溶出到水相中,溶解電荷增加,但該部分酸性基團(tuán)并沒(méi)有產(chǎn)生在纖維上的再吸附,因此,測(cè)得的紙漿纖維Zeta電位和磺酸基以及羧基含量下降。
2.3機(jī)械精漿對(duì)竹材CTMP保水值的影響
纖維保水值是評(píng)估纖維浸潤(rùn)膨脹和水化程度的重要參數(shù),同時(shí)也反應(yīng)了細(xì)纖維化的程度。圖7為不同打漿度下竹材CTMP的保水值。從圖7可以看出,隨著機(jī)械精漿程度的增強(qiáng),竹材化機(jī)漿纖維的保水值呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),當(dāng)打漿度從
增加到$4 0 \ { ^ \circ } \mathrm { S R }$ 時(shí),纖維的保水值呈增加的趨勢(shì),這是因?yàn)闄C(jī)械精漿破壞了纖維細(xì)胞壁,使纖維的結(jié)構(gòu)變得松弛,有利于水分子向纖維內(nèi)部的浸入,導(dǎo)致保水值增加;當(dāng)打漿度從 $4 0 \ { ^ \circ } \mathrm { S R }$ 增加到 $6 0 \ { ^ \circ } \mathrm { S R }$ 時(shí),纖維的保水值出現(xiàn)下降,后逐漸趨于平穩(wěn),這是由于隨著機(jī)械精槳作用的增強(qiáng),纖維表面的微細(xì)纖維脫落破壞了毛細(xì)通道結(jié)構(gòu),同時(shí)纖維內(nèi)部空間坍塌,脫落的微細(xì)纖維阻礙了更多水分子的滲人,使纖維的保水性能逐漸下降至平穩(wěn)狀態(tài)。另外,磺酸基和羧基等親水性基團(tuán)的減少也是導(dǎo)致紙漿纖維保水值下降的原因之一。
表1不同打漿度下竹材CTMP的磺酸基和羧基含量


2.4機(jī)械精漿對(duì)竹材CTMP紙張性能的影響
表2為不同打漿度下竹材CTMP的紙張性能。由表2可知,隨著竹材CTMP打漿度的增加,紙張的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、初始濕抗張指數(shù)均隨之增加,而松厚度和撕裂指數(shù)不斷下降。這是由于在對(duì)竹材CTMP進(jìn)行機(jī)械精漿過(guò)程中,纖維發(fā)生潤(rùn)脹、分絲帚化和細(xì)纖維化,纖維的分散更均勻,纖維之間的結(jié)合面積和結(jié)合力增加,引起紙張的松厚度下降,抗張指數(shù)、耐破指數(shù)和初始濕抗張指數(shù)增加。另外,機(jī)械精漿一定程度上破壞了纖維的表面結(jié)構(gòu),表面的木質(zhì)素和抽出物含量相對(duì)減少,含有大量羥基的碳水化合物更多暴露出來(lái),從而增加了纖維間氫鍵的含量[]。影響紙張撕裂度的主要因素是纖維的平均長(zhǎng)度,隨著磨漿程度的加強(qiáng),纖維的平均長(zhǎng)度下降,進(jìn)而導(dǎo)致紙張的撕裂指數(shù)下降。

3結(jié)論
本研究利用PFI磨漿機(jī)對(duì)竹材化學(xué)熱磨機(jī)械漿(CTMP)進(jìn)行機(jī)械精漿處理,探討了機(jī)械精漿處理對(duì)紙漿纖維形態(tài)、濾水性、細(xì)小纖維留著率、溶解電荷和Zeta電位、磺酸基和羧基含量、保水值以及紙張性能的影響規(guī)律。3.1機(jī)械精漿處理使得竹材CTMP發(fā)生了潤(rùn)脹和細(xì)纖維化,當(dāng)紙漿打漿度從
增加到 $4 0 \ { ^ \circ } \mathrm { S R }$ 時(shí),纖維的質(zhì)均長(zhǎng)度從 0 . 7 8 8 m m 減少至 0 . 4 5 9 m m ,細(xì)小纖維含量從6. 3 0 % 提高到 7 . 3 0 % 。3.2機(jī)械精漿處理提高了竹材CTMP的打漿度,紙漿的濾水性下降;當(dāng)紙槳打漿度從
增加到$4 0 \ { ^ \circ } \mathrm { S R }$ 時(shí),細(xì)小纖維留著率從 9 3 . 5 % 提高到 9 6 . 0 % ,紙漿溶解電荷量增加了 5 1 . 7 % ,但其 Z e t a 電位絕對(duì)值從 7 5 . 4 m V 下降至 5 3 . 2 m V ,下降了 2 9 . 4 % ;磺酸基與羧基的含量分別從83.6和
漿下降至58.8和 3 7 . 8 m m o l / k g 漿。3.3機(jī)械精漿處理引起纖維潤(rùn)脹和細(xì)纖維化,提高了纖維之間的結(jié)合面積和結(jié)合強(qiáng)度,進(jìn)而改善竹材化機(jī)漿的紙張強(qiáng)度。當(dāng)紙槳打漿度從
增加到
時(shí),紙張的抗張指數(shù)從 6 . 5 5 N ? m / g 增加到9 . 8 1 N ? m / g ,耐破指數(shù)從
增加到
,初始濕抗張指數(shù)從
提高至
,但是由于纖維平均長(zhǎng)度的下降而導(dǎo)致紙張的撕裂指數(shù)從
降低至
。
參考文獻(xiàn)
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