DE69201269T2 - Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen. - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen.
- Nach einem üblichen Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen wird blockförmiger Graphit hergestellt und anschließend zu feinen Graphitteilchen pulverisiert. Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird jedoch nicht nur für die Pulverisierung viel Energie benötigt, sondern man muß außerdem, da die feinen Graphitteilchen in bezug auf den Durchmesser nicht homogen sind, zum Erhalt eines homogenen Durchmessers eine Trennungsoperation durchführen. Weitere Nachteile bestehen darin, daß die Ausbeuten sehr gering sind, die feinen Graphitteilchen im allgemeinen in Form von Schuppen erhalten werden und es schwierig ist, Teilchen mit homogenem Durchmesser zu erhalten.
- Andere bekannte Verfahren sind solche, die eine Schmelzextrusion eines Vorläufers aus Kohlenstoff und anschließendes Zerschneiden des Extrudates zu Teilchen umfassen, sowie Verfahren, bei denen ein Vorläufer aus Kohlenstoff geschmolzen und danach durch eine Düse mit kleinem Durchmesser in Luft oder eine Lösung eingespritzt wird. Diese Verfahren ergeben jedoch keine feinen Graphitteilchen mit stark ausgeprägten Oberflächen in Form von Graphitschichten.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen mit homogenem Durchmesser zur Verfügung zu stellen.
- Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen mit stark ausgeprägter Oberfläche in Form von Graphitschichten zu schaffen.
- Nach Untersuchungen zur Herstellung von Kohlenstoff und Graphit unter Verwendung eines Vorläufers aus Kohlenstoff und im Hinblick auf Formgebungsverfahren für den Vorläufer aus Kohlenstoff, haben die Erfinder herausgefunden, daß durch in Kontakt bringen eines Vorläufers in Form von faserförmigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel und anschließender Entfernung des Lösungsmittels in ungefähr gleichgroßen Abständen radiale Risse in dem Vorläufer aus Kohlenstoff auftraten und durch effektive Ausnutzung dieser Risse feine Graphitteilchen hergestellt werden konnten. Auf diese Weise ist die Erfindung zustandegekommen.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen zur Verfügung gestellt, bei dem man einen Vorläufer aus gesponnenem Pech in Form von faserförmigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel in Kontakt bringt, anschließend das Lösungsmittel entfernt, danach den Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff einer Behandlung zum Unschmelzbarmachen, einer Carbonisierungs-/Graphitisierungsbehandlung und einer daran anschließenden Pulverisierung unterwirft.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen geschaffen, bei dem man einen Vorläufer aus gesponnenem Pech in Form von faserförmigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel in Kontakt bringt, anschließend das Lösungsmittel entfernt, danach den Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff der Pulverisierung und dann einer Behandlung zum Unschmelzbarmachen sowie einer Carbonisierungs-/Graphitisierungsbehandlung unterwirft.
- Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen geschaffen, bei dem man einen Vorläufer aus gesponnenem Pech in Form von faserförmigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel in Kontakt bringt, anschließend das Lösungsmittel entfernt und danach den Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff einer Behandlung zum Unschmelzbarmachen sowie einer Carbonisierungs-/Graphitisierungsbehandlung unterwirft, wobei der Vorläufer während der Behandlung zum Unschmelzbarmachen und/oder zum Carbonisieren der Pulverisierung unterworfen wird.
- Abbildung 1 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines in Beispiel 1 der Erfindung erhaltenen Vorläufers aus Kohlenstoff mit Spalten;
- Abbildung 2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme von in Beispiel 1 erfindungsgemäß erhaltenen, feinen Graphitteilchen und
- Abbildung 3 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme von Teilchen, die gemäß dem nachstehend beschriebenen Vergleichsbeispiel 1 erhalten wurden.
- Der "Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff", auf den hierin Bezug genommen wird, wird durch Schmelzspinnen eines kohlenstoffhaltigen Pechs erhalten.
- Als kohlenstoffhaltiges Pech wird ein Pech auf Kohle- oder Petroleumbasis mit einem Erweichungspunkt von üblicherweise zwischen 100 und 400 ºC und vorzugsweise zwischen 150 und 350 ºC verwendet. Als kohlenstoffhaltiges Pech können sowohl optisch isotropes als auch anisotropes Pech eingesetzt werden, wobei jedoch optisch anisotropes Pech mit einem Gehalt an optisch anisotroper Phase von 60 bis 100 Vol.-% besonders bevorzugt ist.
- Das kohlenstoffhaltige Pech wird mit Hilfe eines bekannten Verfahrens zur Darstellung des Vorläufers aus faserförmigem Kohlenstoff schmelzgesponnen.
- Erfindungsgemäß wird der Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff zunächst mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht. Dabei ist jedes Lösungsmittel geeignet, welches den Kohlenstoffvorläufer aufquillt. Beispiele hierfür sind Kohlenwasserstofflösungsmittel, Gemische aus zwei oder mehr Arten von Kohlenwasserstofflösungsmitteln, polare organische Lösungsmittel, Mischungen aus zwei oder mehr Arten polarer organischer Lösungsmittel und Mischungen aus Kohlenwasserstoff- und polaren organischen Lösungsmitteln sowie eine wäßrige Lösung polarer organischer Lösungsmittel.
- Insbesondere seien als Beispiele für Kohlenwasserstofflösungsmittel Kohlenwasserstoffe mit etwa 5 bis ungefähr 12 Kohlenstoffatomen, wie n-Hexan, Cyclohexan, Pentan und Benzol, und für polare Lösungsmittel Sauerstoff enthaltende Kohlenwasserstoffe mit bis zu 8 Kohlenstoffatomen genannt, wie Methanol, Ethanol, Butanol und Aceton, wobei Aceton besonders bevorzugt ist.
- Als Beispiel für Mischungen aus Kohlenwasserstoff- und polarem Lösungsmittel wird ein Aceton-Benzol-Gemisch genannt. In diesem Fall beträgt beispielsweise der Anteil an Aceton 100 Gewichtsanteile, wobei der Benzolanteil üblicherweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 40, vorzugsweise zwischen 1 und 30 Gewichtsanteilen liegt.
- Das Verfahren zur Kontaktierung des Vorläufers aus faserförmigem Kohlenstoff mit dem Lösungsmittel ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise kann der Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff in das Lösungsmittel getaucht werden oder das Lösungsmittel kann auf den faserförmigen Kohlenstoffvorläufer aufgesprüht werden.
- Geeignete Bedingungen für den Kontakt mit dem Lösungsmittel können entsprechend dem Faserdurchmesser sowie entsprechend den Eigenschaften des verwendeten faserförmigen Kohlenstoffvorläufers und des Lösungsmittels gewählt werden. Beispielsweise liegt die Tauchzeit, wenn der Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff in das Lösungsmittel eingetaucht wird, üblicherweise in einem Bereich von 0,01 Sekunden bis zu 1000 Stunden, in bevorzugter Weise 0,1 Sekunden bis 100 Stunden und noch stärker bevorzugt zwischen 0,5 Sekunden und 50 Stunden.
- Die Tauchzeit beträgt vorzugsweise mindestens 0,01 Sekunden, da es bei einer kürzeren Tauchzeit schwierig sein kann, ringförmige oder spiralförmige Spalten im Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff zu bilden. Andererseits beträgt die Tauchzeit vorzugsweise nicht länger als 1000 Stunden, da der Erhalt der Faserform bei längeren Tauchzeiten problematisch sein kann. Sind das Molekulargewicht und der Erweichungspunkt des Vorläufers aus faserförmigem Kohlenstoff hoch oder ist der Faserdurchmesser groß, so ist es im allgemeinen wünschenswert, die Tauchzeit relativ lang anzusetzen.
- Erfindungsgemäß wird der faserförmige Kohlenstoffvorläufer mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht und das Lösungsmittel anschließend entfernt. Das Verfahren zur Entfernung des Lösungsmittels ist nicht sonderlich eingeschränkt; ein geeignetes Verfahren kann der Art des verwendeten Lösungsmittels und den Kontaktbedingungen entsprechend ausgewählt werden. Beispielsweise kann ein Verfahren, bei dem der Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff in ein Lösungsmittel getaucht wird, danach aus dem Lösungsmittel genommen und bei Raumtemperatur stehengelassen wird, oder ein Verfahren, bei dem das verwendete Lösungsmittel unter reduziertem Druck oder durch Erhöhung der Temperatur abgedampft wird, oder eine Kombination beider oder weiterer Verfahren angewandt werden.
- Die Temperatur zur Entfernung des Lösungsmittels unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Sie liegt aber üblicherweise oberhalb des Gefrierpunktes des verwendeten Lösungsmittels.
- Speziell in dem Fall, daß der Entfernung des Lösungsmittels die Pulverisierung folgt, ist anzustreben, daß die Temperatur zur Entfernung des Lösungsmittels unterhalb der Temperatur der Behandlung zum Unschmelzbarmachen liegt, wobei sie üblicherweise zwischen -40 ºC bis 150 ºC, vorzugsweise zwischen 0ºC und 100 ºC beträgt.
- Alternativ dazu können die Entfernung des Lösungsmittels und die Behandlung zum Unschmelzbarmachen gleichzeitig ausgeführt werden.
- Erfindungsgemäß werden in dem Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff Spalten gebildet, indem man den Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel in Kontakt bringt und das Lösungsmittel anschließend entfernt.
- Solche Spalten sind üblicherweise ring- oder spiralförmig und werden in einem Winkel von annähernd 90 bis 45 º, vorzugsweise von 85 bis 60 º zur Faserachse gebildet.
- Erfindungsgemäß wird der faserförmige Kohlenstoffvorläufer mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht und anschließend das Lösungsmittel entfernt, wonach er einer Behandlung zum Unschmelzbarmachen sowie zum Carbonisieren und dann einer Pulverisierung unterworfen wird. Alternativ dazu wird der Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff, nachdem er mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht und das Lösungsmittel darauf entfernt worden ist, pulverisiert, weiterhin gefolgt von einer Behandlung zum Unschmelzbarmachen und zum Carbonisieren. Eine dritte Möglichkeit ist die, daß der Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht, das Lösungsmittel entfernt und die Pulversierung während der Behandlung zum Unschmelzbarmachen und/oder zum Carbonisieren ausgeführt wird.
- Das Pulversierungsverfahren unterliegt keiner besonderen Beschränkung und setzt lediglich voraus, daß eine zur Pulverisierung ausreichende Kraft auf den faserförmigen Kohlenstoffvorläufer ausgeübt wird, beispielsweise durch Schütteln, Zermahlen oder Rühren. Beispielsweise kann eine Schwingvorrichtung, wie ein Schüttler, oder ein Ultraschallgenerator, eine Mühle, wie eine Feinmühle oder eine Kugelmühle, ein Mörser oder ein Rührer eingesetzt werden. Ein Verfahren, bei dem auf das zu behandelnde Produkt keine starken Kompressionskräfte ausgeübt werden, ist wünschenswert.
- Das Behandlungsverfahren zum Unschmelzbarmachen unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Diese Behandlung kann auf herkömmliche Weise durchgeführt werden, üblicherweise also in einer oxidierenden Gasatmosphäre für 10 Minuten bis 100 Stunden bei einer Temperatur von gewöhnlich 50 bis 400 ºC, vorzugsweise von 100 bis 350 ºC. Als Beispiele für das obige oxidierende Gas seien Luft, Sauerstoff, Stickoxid, Schwefeloxid, Halogen, Ozon oder eine Mischung derselben genannt. Der Druck des oxidierenden Gases ist nicht weiter begrenzt, entspricht aber üblicherweise atmosphärischem Druck.
- In Bezug auf die Carbonisierungsbehandlung ist keine besondere Beschränkung vorgesehen; diese kann auf herkömmliche Weise durchgeführt werden. Die Carbonisierungstemperatur liegt üblicherweise in einem Bereich von 600 bis 3500 ºC, vorzugsweise von 800 bis 3000 ºC und am meisten bevorzugt von 1000 bis 3000 ºC. Die zum Carbonisieren benötigte Zeit beträgt üblicherweise zwischen 1 Sekunde und 10 Stunden, vorzugsweise zwischen 5 Sekunden und 5 Stunden.
- Erfindungsgemäß können durch das In-Kontakt-bringen des Vorläufers aus faserförmigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel und anschließende Entfernung des Lösungsmittels ring- oder spiralförmige Spalten gebildet werden, die im wesentlichen senkrecht zur Faserachse des faserförmigen Kohlenstoffvorläufers stehen; anschließend können durch Zerschneiden der Spalten unter Vibration oder unter Verwendung jedes anderen geeigneten Hilfsmittels feine Graphitteilchen mit homogenem Durchmesser erhalten werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können feine Graphitteilchen mit homogenem Durchmesser in hoher Ausbeute erhalten werden.
- Weiterhin weisen die erfindungsgemäß erhaltenen Graphitteilchen eine stark ausgeprägte Oberfläche in Form von Graphitschichten auf.
- Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Graphitteilchen in bezug auf Durchmesser und Form sehr homogen; sie weisen eine tadellose zylindrische Form auf, wobei der Durchmesser der Unterseite und die Höhe des Zylinders nahezu gleich sind. Diese Eigenschaften ergeben ein Material mit hoher Pseudoisotropie zur Verwendung als Rohmaterial für Formmaterialien aus Graphitpuvler von hoher Qualität.
- Zusätzlich wird in den Fällen, in denen die feinen Graphitteilchen als Füllstoff in ein Harz eingearbeitet werden, um dieses elektrisch leitfähig zu machen, aufgrund der oben genannten Eigenschaften ein Mischzustand mit im dreidimensionalen Raum hoher Pseudoisotropie erhalten, so daß dem Harz eine im dreidimensionalen Raum isotrope elektrische Leitfähigkeit verliehen wird. Insbesondere im Falle eines dünnen, filmähnlich geformten Gegenstandes ist ein deutlicher Unterschied im Vergleich zu herkömmlichen Graphitpulver zu bemerken.
- Die folgenden Beispiele sollen der Erläuterung der Erfindung dienen; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
- Ein Petroleumpech mit einem Erweichungspunkt von 280 ºC und einem Gehalt an optisch anisotroper Phase von 95 Vol.-% wurde zum Erhalt eines Vorläufers aus faserförmigem Kohlenstoff schmelzgesponnen, wobei der Vorläufer einen mittleren Durchmesser von 12 um hatte. Der faserförmige Kohlenstoffvorläufer wurde 12 Stunden lang in Aceton getaucht, danach entnommen und bei Raumtemperatur getrocknet, wodurch ein Kohlenstoffvorläufer mit im wesentlichen zur Faserachse senkrechten Spalten erhalten wurde. Abbildung 1 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme desselben.
- Anschließend wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1 ºC/min in Luft auf 300 ºC erhöht und der Vorläufer aus Kohlenstoff 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten und dadurch unschmelzbar gemacht. Danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 5 ºC/min in Stickstoff auf 650 ºC erhöht und der auf diese Weise unschmelzbargemachte Vorläufer aus Kohlenstoff 15 Minuten bei dieser Temperatur gehalten, gefolgt von einer weiteren Temperturerhöhung auf 2500 ºC in Stickstoff zur Durchführung einer Behandlung zum Carbonisieren, wodurch eine Kohlenstoffaser mit Spalten erhalten wurde.
- Die Kohlenstoffaser wurde dann leicht in einem Mörser zum Zerteilen entlang der gespaltenen Abschnitte zermahlen. Die resultierenden feinen Graphitteilchen wiesen einen Durchmesser von etwa 10 um und eine Höhe von etwa 5 bis 10 um auf. Abbildung 2 stellt eine elektronenmikroskopische Aufnahme derselben dar.
- Die feinen Graphitteilchen wurden auf ihre Röntgenstrahlbeugung hin untersucht, mit dem Ergebnis, daß der Abstand der Schichten d(002) der Graphitkristalle 3,401 Å, die Stapelung der Schichtflächen Lc, 204 Å und die Flächenausdehnung La, 203 Å betrug. Es wurde eine sehr stark ausgeprägte Graphitstruktur beobachtet.
- Ein Petroleumpech mit einem Erweichungspunkt von 280 ºC und einem Gehalt an optisch anisotroper Phase von 95 Vol.-% wurde zum Erhalt eines Vorläufers aus faserförmigem Kohlenstoff schmelzgesponnen, wobei der Vorläufer einen mittleren Durchmesser von 12 um hatte. Der faserförmige Kohlenstoffvorläufer wurde 12 Stunden lang in Aceton getaucht, danach entnommen und bei Raumtemperatur getrocknet, wodurch ein Kohlenstoffvorläufer mit im wesentlichen zur Faserachse senkrechten Spalten erhalten wurde.
- Der Vorläufer aus Kohlenstoff wurde entlang der gespaltenen Abschnitte durch Bestrahlung mit Ultraschallwellen in Wasser gespalten.
- Anschließend wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1 ºC/min in Luft auf 300 ºC erhöht, gefolgt von 1 stündigem Stehenlassen bei dieser Temperatur zur Bewirkung einer Behandlung zum Unschmelzbarmachen; danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 5 ºC/min in Stickstoff auf 650 ºC erhöht, gefolgt von Beibehalten der Temperatur für 15 Minuten; danach wurde die Temperatur zur Carbonisierung in Stickstoff auf 2500 ºC erhöht, wodurch feine Graphitteilchen erhalten wurden.
- Die feinen Graphitteilchen hatten einen Durchmesser von etwa 10 um und eine Höhe von etwa 5 bis 10 um.
- Die feinen Graphitteilchen wurden auf ihre Röntgenstrahlbeugung hin untersucht, mit dem Ergebnis, daß der Abstand der Schichten d(002) der Graphitkristalle 3,410 Å, die Stapelung der Schichtflächen Lc, 190 Å und die Flächenausdehnung La, 196 Å betrug. Es wurde eine stark ausgeprägte Graphitstruktur beobachtet.
- Der in Beispiel 1 erhaltene Vorläufer aus faserförmigem Kohlenstoff wurde auf dieselbe Weise und unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 unschmelzbar gemacht und carbonisiert, um graphitisierte Fasern mit einem Durchmesser von 10 um zu erhalten.
- Die graphitisierten Fasern wurden anschließend in einem Mörser zum Erhalt eines schuppenförmigen Pulvers aus inhomogenen Teilchen zermahlen. Der Teilchendurchmesser war gleichermaßen inhomogen. Abbildung 3 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme desselben.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung von feinen Graphitteilchen, bei dem man einen Vorläufer
aus gesponnenem Pech in Form von faserigem Kohlenstoff mit einem Lösungsmittel
in Kontakt bringt, dann das Lösungsmittel entfernt und diesen Vorläufer aus
faserigem Kohlenstoff danach einer Behandlung zum Umschmelzbarmachen, einer
Carbonisierungs-/Graphitisierungsbehandlung sowie der Pulverisierung unterwirft.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Pulverisierung nach der Behandlung zum
Carbonisieren und Graphitisieren durchgeführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Pulverisierung zwischen der Entfernung
des Lösungsmittels und der Behandlung zum Unschmelzbarmachen ausgeführt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Pulverisierung während mindestens einer
der Behandlungen zum Unschmelzbarmachen und zum Carbonisieren und
Graphitisieren ausgeführt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der faserige
Kohlenstoffvorläufer durch Schmelzspinnen eines optisch anisotropen Pechs mit einem
Gehalt an optisch anisotroper Phase von 60 bis 100 Vol.-% erhalten wurde.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Lösungsmittel ein
Kohlenwasserstofflösungsmittel, ein Gemisch aus zwei oder mehr Arten von
Kohlenwasserstofflösungsmitteln, ein polares organisches Lösungsmittel, eine Mischung aus
zwei oder mehr Arten polarer organischer Lösungsmittel, eine Mischung aus
Kohlenwasserstoff- und polaren organischen Lösungsmitteln oder eine wäßrige Lösung
polarer organischer Lösungsmittel darstellt, wobei das Lösungsmittel den Vorläufer
in Form von faserigem Kohlenstoff aufquellen kann.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Kohlenwasserstofflösungsmittel ein
Kohlenwasserstoff mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen ist.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das polare organische Lösungsmittel einen
Alkohol oder ein Keton mit bis zu 8 Kohlenstoffatomen darstellt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem das Keton Aceton ist.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Vorläufer aus
gesponnenem Pech in Form von faserigem Kohlenstoff für 0,01 Sekunden bis etwa
1000 Stunden in das Lösungsmittel eingetaucht wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Pulverisierung
mit Hilfe einer Schüttel-, Mahl- oder Rührvorrichtung durchgeführt wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung zum
Unschmelzbarmachen für 10 Minuten bis 100 Stunden in einer oxidierenden
Gasatmosphäre bei einer Temperatur von 50 ºC bis 400 ºC ausgeführt wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Behandlung zum
Carbonisieren und Graphitisieren für eine zur Carbonisierung ausreichenden Zeit bei
einer Temperatur von 600 º C bis 3500 º C durchgeführt wird.
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---|---|---|---|
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