DE69530127T2 - Polymerwerkstoff und seine verwendung in mehrschichtstoffen - Google Patents
Polymerwerkstoff und seine verwendung in mehrschichtstoffenInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verpackungsmaterial, das gute Sperreigenschaften gegenüber Gasen und Feuchtigkeit aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein polymeres Material bzw. einen Polymerwerkstoff, der als gasdichte Schicht in diesen Verpackungen verwendet wird, und außerdem mehrschichtige Produkte bzw. Mehrschichtwerkstoffe, in denen dieses Polymer verwendet wird.
- Flüssige Lebensmittel, wie Säfte, die für eine Oxidation empfindlich sind, werden im allgemeinen in Verkaufsverpackungen abgepackt, die aus laminiertem Karton bestehen. Durch die Auswahl des Verpackungsmaterials werden Anstrengungen unternommen, das Produkt mit einem guten chemischen und mechanischen Schutz zu versehen, und das Material muß ausreichend formbeständig sein, damit es sich leicht handhaben läßt.
- Allgemein wird ein Verpackungsmaterial verwendet, dessen struktureller bzw. für den Aufbau wichtiger Teil aus Pappe oder Papier besteht, die bzw. das ausreichend fest, jedoch trotzdem flexibel ist, so daß daraus eine Verpackung mit der gewünschten Form geformt werden kann. Um das für den Aufbau wichtige Material vor Flüssigkeit und anderer Feuchtigkeit zu schützen, wird es mit Kunststoff, gewöhnlich Polyethylen, beschichtet. Die Sauerstoffdurchlässigkeit von Polyethylen und Pappe ist jedoch hoch, und deshalb würde das Produkt sehr schnell verderben, wenn die Verpackung nicht auch eine gasdichte Schicht erhält. Die herkömmliche verwendete gasdichte Schicht war Aluminiumfolie, die mit der Pappe verbunden war. Eine andere Alternative war ein Gassperr-Polymer, wie ein Ethylen/Vinylalkohol-Copolymer (EVOH). Der Zweck der gasdichten Schicht besteht darin, den Zutritt von Sauerstoff in das Produkt zu verhindern und somit z. B. die große Menge an Vitamin C im Produkt zu erhalten.
- Vor einiger Zeit wurden Versuche unternommen, z. B. aus Gründen des Umweltschutzes, jedoch auch wegen ihrer schlechten Handhabung, die Aluminiumfolie zu eliminieren. Außerdem bricht Aluminiumschicht leicht.
- Das finnische Patent FI 89567 offenbart eine Sperrstruktur, in der ein Ethylen/Vinylalkohol-Copolymer verwendet wird. Genauso wie bei der Verwendung von Aluminium enthalten solche Strukturen gewöhnlich zusätzlich zu einer Trägerbahn (Polyethylen + Pappe) mindestens 5 Schichten: Polyethylen/Pappe/Polyethylen/Haftkunststoff/gasdichtes EVOH-Polymer/Haftkunststoff/Polyethylen. Diese mehrschichtige Struktur erhöht natürlich den Preis der Verpackung und macht deren Herstellung kompliziert. Außerdem ist das gasdichte Polymer selbst teuer.
- EP-Patent 423511 sucht eine Lösung, bei der geringere Mengen von EVOH ausreichend wären. Darin wird ein Gemisch aus EVOH und Polyethylen verwendet, wobei die Polyethylenmenge höchstens 80%, jedoch vorzugsweise höchstens 40% beträgt. Die EVOH/PE-Schicht auf der Innenseite der Verpackung dient hauptsächlich als aromadichte Schicht, und wenn auch eine gute Gasdichtigkeit (Sauerstoffdichtigkeit) erwünscht ist, wird eine zweite EVOH/PE-Schicht oder irgendeine andere sauerstoffdichte Schicht mit Haftkunststoffschichten auf beiden Seiten hinzugefügt. In diesem Fall beträgt die Anzahl der Schichten zusätzlich zur Trägerbahn vier.
- DE-A-32 33 693 offenbart einen mehrschichtigen Aufbau einer Folie bzw. eines Films, wobei die mittlere Schicht ein Gemisch umfaßt, das mindestens 40% eines EVOH-Copolymers und höchstens 60% eines thermoplastischen, synthetischen Polymers enthält. Als äußerste Schichten dieser Struktur wird ein Copolymer von Ethylen und Vinylacetat verwendet.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines mehrschichtigen Produktes, mit dem die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt werden können. Wenn die erfindungsgemäßen Polymere verwendet werden, kann die Anzahl der Schichten gegenüber der herkömmlichen Anzahl, die gewöhnlich zusätzlich zur Trägerbahn fünf beträgt, verringert werden, da die separate Haftkunststoffschicht nicht notwendig ist. Es wurde überraschenderweise beobachtet, daß bei der Verwendung eines Gemischs aus einem gewöhnlich bekannten gasdichten Polymer, z. B. einem Ethylen/Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) und eines polaren Ethylenpolymers in der gasdichten Schicht diese Schicht gute Adhäsionseigenschaften hat und heißsiegelfähig ist, wobei auf die Verwendung der Haftkunststoffschicht verzichtet werden kann.
- Um die Probleme aus dem Stand der Technik zu lösen, wird ein neues mehrschichtiges Produkt für die Herstellung einer Verpackung vorgeschlagen. Dieses Produkt hat spezielle Dichtigkeitseigenschaften und umfaßt eine Trägerbahn (1), auf der auf einer Seite eine dichte mehrschichtige Beschichtung (2) angeordnet ist, wobei diese Beschichtung, übereinander angeordnet, eine feuchtigkeitsundurchlässige Schicht (b), die Polyethylen ist, und eine gasdichte Schicht (a), die aus einem Gemisch eines Ethylen/Vinylalkohol-Copolymers und eines polaren Ethylenpolymers besteht, aufweist.
- Im erfindungsgemäßen System enthält die gasdichte Schicht ein polares Ethylenpolymer in einer Menge von 5 bis 60%, vorzugsweise 15 bis 40%. Das polare Polymer kann ein Copolymer von Ethylen und einem Acrylester, wie ein Ethylen/Ethylacrylat-Copolymer (E/EA), ein Ethylen/Butylacrylat-Copolymer (E/BA), ein Ethylen/Methylacrylat- Copolymer (E/MA), ein Ethylen/Vinylacetat-Copolymer (E/VA) oder ein Copolymer von Ethylen und (Meth)acrylsäure (E/EA, E/MAA) sein. Das polare Polymer kann auch ein mit Anhydrid oder Säure modifiziertes Polyolefin sein, in diesem Fall kann die verwendete Säure (das verwendete Anhydrid) z. B. eine Carbonsäure oder ein -anhydrid, wie Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure (-anhydrid) sein. Außerdem kann das polare Polymer auch ein Terpolymer, wie ein Terpolymer von Ethylen, Methacrylsäure und Butylacrylsäure (E/MAA/BA) oder ein Copolymer von Ethylen, Acrylester und Maleinsäureanhydrid sein. Das Flächengewicht des gasdichten Polymers beträgt typischerweise 1 bis 20 g/m², vorzugsweise 2 bis 10 g/m².
- Es können viele Vorteile erzielt werden, wenn anstelle eines Ethylen/Vinylalkohol-Copolmers ein Gemisch davon mit einem polaren Ethylenpolymer verwendet wird. Das Polymergemisch dient auch in der gleichen Weise wie EVOH allein als gute Sauerstoffsperrschicht, wenn es sich im Inneren einer coextrudierten Struktur befindet. Wenn sich die aus dem Polymergemisch hergestellte Schicht auf der Innenseite der Verpackungsstruktur befindet, wird auch ein guter Aromaschutz erreicht. Im Vergleich mit einem reinen Ethylen/Vinylalkohol- Polymer wird eine geringere Neigung zur Blasenbildung und eine bessere Beständigkeit gegenüber Wärme und Feuchtigkeit erreicht. Da eine Komponente in dem Polymergemisch polar ist, werden somit bessere Heißsiegelfähigkeitseigenschaften, gute Klebrigkeitseigenschaften im heißen Zustand und bessere Adhäsionseigenschaften als bei der Verwendung eines reinen Polymers erreicht. Dadurch kann auf die Verwendung einer getrennten Haftkunststoffschicht verzichtet werden. Außerdem ist die Verarbeitbarkeit des Polymergemischs besser, und es können Schichten mit einer geringeren Dicke verwendet werden.
- Polyolefin, vorzugsweise Polyethylen, das irgendein Polyethylen sein kann (LD, HD, LLD, VLD usw.), wird als feuchtigkeitsundurchlässige Schicht verwendet. Vorzugsweise wird dem Polyethylen ein polares Ethylenpolymer, das aus der gleichen Gruppe wie die Polymere im gasdichten Polymergemisch ausgewählt ist, in einer Menge von 2 bis 50%, vorzugsweise 20 bis 30% zugesetzt. Durch diese Zugabe wird eine gute Haftung der Schichten aneinander, sowie auch eine gute Festigkeit der Versiegelung bei geringeren Versiegelungstemperaturen gesichert. Außerdem ist die Neigung zur Blasenbildung geringer. Die Beständigkeit gegenüber dem durch Umweltbelastungen hervorgerufenem Reißen (ESCR), der Wasserdampfdurchlässigkeitsgrad (WVTR) und die Reibungen lassen sich leichter regeln. Die Verschleißfestigkeit ist ebenfalls besser, besonders wenn Polyethylen hoher Dichte (HD) oder lineares Polyethylen (LLD) verwendet werden, und folglich entsteht auf Anlagen zur schnellen Herstellung von Verpackungen kein Kunststoffstaub, und die Rohlinge bewegen sich gleichmäßig auf den Anlagen.
- Das polare Polymer kann nach irgendeinem herkömmlichen Mischverfahren mit dem Ethylen/Vinylalkohol-Polymer bzw. dem Polyolefin gemischt werden. Es kann entweder das Mischen in der Schmelze oder das Trockenmischen angewendet werden.
- Die Trägerbahn kann irgendeine Bahn sein, die beschichtet sein kann, eine Kombination aus Pappe und Polyethylen ist jedoch für Verpackungen für Flüssigkeiten sehr gut geeignet. Die anderen Schichten werden typischerweise durch Coextrusionbeschichten mit der Trägerbahn verbunden.
- Die Anzahl der Schichten, die auf einer Seite der Trägerbahn angeordnet werden, und deren wechselseitige Reihenfolge kann je nach Anwendungszweck und insbesondere entsprechend der vom zu verpackenden Produkt vorgegebenen Anforderungen geändert werden. Somit kann das mehrschichtige Produkt außerdem eine dritte Oberflächenschicht einschließen, die eine gasdichte Schicht sein kann (a-b-a). Bei einer geringeren Anzahl der Schichten ist der Preis der mehrschichtigen Struktur, d. h. des Verpackungsmaterials, beträchtlich geringer. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist für viele Anwendungszwecke eine zweischichtige Coextrusion anstelle der bisherigen fünfschichtigen Coextrusion ausreichend. Aufgrund der geringeren Anzahl der Schichten wird die Aufschließbarkeit beträchtlich verbessert und die Neigung zur Blasenbildung beim Heißsiegelschritt ist gleich Null. Die verbesserte Aufschließbarkeit beruht vor allem auf der Tatsache, daß sich die direkt mit der Pappe verbundene EVOH/PE-Schicht leichter von der Pappe löst als eine Haftkunststoffschicht. Als Folge der leichteren Aufschließbarkeit wird die Wiederverwertung des Materials einfacher.
- In Abhängigkeit von der Anwendung können die gasdichte Schicht (a) und die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht (b) eine unterschiedliche Reihenfolge auf der Trägerbahn haben: a-b, b-a, a-a- a-b-a. Die Reihenfolge hängt vom zu verpackenden Produkt, d. h. davon ab, ob insbesondere ein Schutz gegenüber dem Eindringen von Feuchtigkeit, Sauerstoff, aromatischen Stoffen usw. gefordert ist.
- Die Erfindung wird mit Hilfe der folgenden Beispiele ausführlicher beschrieben.
- Ein gasdichter Kunststoff wurde hergestellt, indem eine Menge von 80 % Ethylen/Vinylalkohol-Copolymer, EVOH (44% Ethylen), Hersteller Du Pont und Handelsbezeichnung SELAR OH 4416, mit einer Menge von 20% Ethylen/Ethylacrylat-Copolymer, EEA, Hersteller Borealis und Handelsbezeichnung NCPE 5860, gemischt wurde. Das Mischen erfolgte in einem Berstoff-Doppelschneckenextruder ( = 40 mm).
- Eine Trägerbahn (15 g/m² PE-LD und 300 g/m² Pappe) wurde auf einer Beloit-Pilotanlage durch Coextrusion mit einer zweischichtigen Beschichtung überzogen, bei der die gasdichte Schicht aus 10 g/m² (EVOH + EEA) bestand und die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht aus 30 g/m² Polyethylen niedriger Dichte, PE-LD, Hersteller Borealis Polymers Oy und Handelsbezeichnung NCPE7518, bestand. Zusätzlich zur Trägerbahn wurden folglich nur zwei Schichten verwendet. Die Sauerstoffdurchlässigkeit des Materials betrug 6 cm³/m² pro 24 h bei einer Temperatur bei 23ºC und einer relativen Feuchte von 50%.
- Die Sauerstoffdurchlässigkeit der entsprechenden herkömmlichen fünfschichtigen Struktur betrug 4 cm³/m² pro 24 h. Die Schichten der herkömmlichen Struktur lauteten: Trägerbahn 15 g/m² PE-LD und 300 g/m² Pappe und darauf eine fünfschichtige Coextrusionsschicht, die aus 20 g/m² PE-LD, 6 g/m² Haftpolymer, 10 g/m² EVOH, Haftkunststoff 6 g/m² und PE-LD 20 g/m² bestand (Fig. 1). Das verwendete Haftpolymer war mit Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polyethylen, Handelsbezeichnung NCPE 0470, Hersteller Borealis Polymers Oy.
- Die Materialeinsparung in der erfindungsgemäßen Struktur ist im Vergleich mit herkömmlichen Strukturen beträchtlich, und die Gasdichtigkeit hat im wesentlichen den gleichen Wert.
- Die erfindungsgemäße Struktur ist in Fig. 2 gezeigt.
- Ein gasdichter Kunststoff wurde hergestellt, indem eine Menge von 80 % Ethylen/Vinylalkohol-Copolymer, EVOH (38% Ethylen), Hersteller Kuraray und Handelsbezeichnung EVAL 101H, mit einer Menge von 20% Polyethylen, das mit Maleinsäure modifiziert war, Hersteller Borealis Polymers Oy und Handelsbezeichnung NCPE 0470, gemischt wurde. Das Mischen erfolgte in der gleichen Weise wie in Beispiel 1.
- Eine Trägerbahn wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 durch Coextrusion beschichtet, die Dicke der gasdichten Schicht betrug jedoch nur 6 g/m². Die Sauerstoffdurchlässigkeit betrug 3 cm³/m² pro 24 h bei 23ºC, 50% relativer Feuchte.
- Bei mehrschichtigen Verpackungsmaterialien gibt es oft das Problem der Blasenbildung beim Versiegeln bzw. Verschweißen. Die Neigung zur Blasenbildung des Produktes gemäß Beispiel 2 war 50% geringer als die des Kontrollproduktes gemäß Fig. 1.
- Um die interne Adhäsion und Siegelfähigkeit zu maximieren wurde als Polyethylenschicht auch modifiziertes Polyethylen (PE-LD) verwendet. Eine Menge von 25% mit Anhydrid modifiziertem Polyethylen, NCPE 0470, und eine Menge von 75% PE-LD, NCPE 7518, wurden gemischt. Die Dicke der Schichten war die gleiche wie in Beispiel 2. Dadurch wurden die Adhäsion an der gasdichten Schicht und die Heißsiegeleigenschaften weiter verbessert. Die Neigung zur Blasenbildung nahm auch weiter ab.
- Um einen maximalen Aromaschutz, die maximale Undurchlässigkeit und Geschmacksdichtigkeit bei ätherischen Ölen zu erreichen, wurde eine Struktur gemäß Beispiel 4 hergestellt, es wurde jedoch eine Oberflächenschicht hinzugefügt, die der gasdichten Schicht ähnlich war (Fig. 3). Eine solche Struktur hat sehr gute Eigenschaften, jedoch zusätzlich zur Trägerbahn hat sie trotzdem nur drei Schichten anstelle der herkömmlichen fünf.
- Um die Versiegelungseigenschaften und die Wasserundurchlässigkeit der Schicht, die mit dem Produkt in Kontakt kommt, weiter zu verbessern, wurden die Mischungsverhältnisse der gasdichten Schicht (a) optimiert. Ein gasdichter Kunststoff wurde hergestellt, indem eine Menge von 60% Ethylen/Vinylalkohol-Copolymer, Hersteller Du Pont und Handelsbezeichnung SELAR OH 4416, und eine Menge von 40% mit Maleinsäure modifiziertem Polyethylen, Hersteller Borealis Polymers Oy und Handelsbezeichnung NCPE 0470, gemischt wurden. Das Mischen erfolgte wie in Beispiel 1.
- Aus dem Gemisch wurde ein 40 um dicker Film hergestellt. Die Durchlässigkeit des Films gegenüber Sauerstoff betrug 1,3 cm³/m² pro 24 h bei 23ºC und 50% relativer Feuchte. Die Sauerstoffdurchlässigkeit eines Films mit der gleichen Dicke, der nur aus einem Ethylen/Vinylalkohol-Copolymer hergestellt worden war, betrug 0,3 cm³/m² pro 24 h bei 23ºC und 50% relativer Feuchte. Wenn ein gasdichtes Gemisch wie dieses, bei dem das Verhältnis der Polymere 60/40 beträgt, in einer Schichtstruktur a-b-a verwendet wird, d. h. es gibt 2 gasdichte Schichten, werden gute Eigenschaften in bezug auf Gasdichtigkeit und Aromaschutz erreicht, und die Verarbeitbarkeit des gasdichten Gemischs ist beträchtlich besser als die des reinen Ethylen/Vinylalkohohl-Copolymers.
- Die Neigung zur Blasenbildung war sehr gering.
- Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Polymergemische kann die Schmelzfestigkeit der gasdichten Schicht wesentlich verbessert werden, und die sogenannte Neigung zur Blasenbildung der Struktur wird vermindert. Die Neigung zur Blasenbildung wurde mit einem speziell für diesen Zweck entwickelten Gerät gemessen, bei dem das Blasen von Heißluft angewendet wird.
- Die zu testende Probe wird an einer Halterung angebracht, die unter dem Heißluftstrom eine Hin- und Herbewegung mit konstanter Geschwindigkeit vornimmt. Der Abstand vom Gebläse zur Probe beträgt 7 mm, und die Temperatur der Heißluft lag bei 350ºC. Das Blasen führte zum Schmelzen des Kunststoffs. Die Probe widersteht der Heißluft ohne zu schmelzen bei einer Anzahl von Hin- und Herbewegungen, die um so höher ist, je besser die Beständigkeit der Probe gegenüber der Blasenbildung ist.
- Das Testgerät liefert einen deutlichen Zusammenhang mit den praktischen Ergebnissen bei Verpackungsmaschinen, bei denen zum Verschweißen ebenfalls Heißluft verwendet wird.
- Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des Blasenbildungstests für ein Kontrollmaterial gemäß Fig. 1 und für die Materialien der Beispiele 3 und 5. Die Zahl kennzeichnet die Anzahl der schwingenden Hin- und Herbewegung. Die Neigung zur Blasenbildung der erfindungsgemäßen Strukturen ist beträchtlich geringer als die der Kontrollstruktur. Tabelle 1 Blasenbildungstests in einer Heißluftgebläsevorrichtung
- U = nicht zerbrochen
- V = sehr wenige Löcher
- F = einige Löcher
- M = viele Löcher
- Wie aus den vorstehenden Bespielen ersichtlich ist, können durch die Verwendung der erfindungsgemäßen gasdichten und feuchtigkeitsundurchlässigen Polymergemische beträchtliche Materialeinsparungen erreicht und einfachere Herstellungsverfahren angewendet werden und trotzdem sind die Durchlässigkeit und die anderen Eigenschaften, die bei der Verpackung erreicht werden, mindestens genauso gut wie die, die mit herkömmlichen Alternativen erzielt werden. Die Verarbeitbarkeit des EVOH/PE-Gemisches ist besser als die von reinem EVOH, was auf der besseren Schmelzfestigkeit des Gemisches beruht. Somit ist eine gasdichte Schicht ausreichend, die dünner als eine herkömmliche ist.
Claims (15)
1. Mehrschichtiges Produkt für die Herstellung einer Verpackung,
wobei das Produkt bestimmte Dichtigkeitseigenschaften aufweist
und eine Trägerbahn (1) umfaßt, auf der auf einer Seite eine
dichte mehrschichtige Beschichtung (2) angeordnet ist, wobei die
Beschichtung, übereinander angeordnet, eine
feuchtigkeitsundurchlässige Schicht (b), die Polyethylen ist, und eine gasdichte
Schicht (a), die aus einem Gemisch eines Ethylen/Vinylalkohol-
Copolymers und eines polaren Ethylenpolymers besteht, aufweist.
2. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 1, wobei das polare
Polymer in der gasdichten Schicht (a) ein Copolymer von Ethylen und
Acrylester, ein Copolymer von Ethylen und Vinylacetat oder ein
Copolymer von Ethylen und (Meth)acrylsäure ist.
3. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 2, wobei das Acrylester-
Comonomer aus der Gruppe von Ethylacrylat, Butylacrylat und
Methylacrylat ausgewählt ist.
4. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 1, wobei das polare
Ethylenpolymer in der gasdichten Schicht ein mit Carbonsäure oder
Carbonsäureanhydrid modifiziertes Polyolefin ist.
5. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 4, wobei das polare
Polymer ein mit Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polyethylen ist.
6. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 1, wobei das polare
Polymer in der gasdichten Schicht ein Copolymer von Ethylen, Acrylester
und Carbonsäure oder -anhydrid, wie ein
Ethylen/Butylacrylat/Methacrylsäure-Terpolymer, ist.
7. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 1 bis 7, wobei das
Gemisch das polare Ethylenpolymer in einer Menge von 5 bis 60%
enthält.
8. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 1 bis 8, wobei das
Flächengewicht der gasdichten Schicht 1 bis 20 g/m²,
vorzugsweise 2 bis 10 g/m² beträgt.
9. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 11, wobei die
feuchtigkeitsundurchlässige Schicht (b) ein Gemisch von Polyethylen und
einem polaren Ethylenpolymer ist und wobei das Gemisch 2 bis 50
%, vorzugsweise 20 bis 30% des polaren Ethylenpolymers enthält.
10. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 12, wobei das in der
feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht verwendete polare Polymer
gemäß den Ansprüchen 2 bis 6 ist.
11. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 1, wobei die Schichten in
der Reihenfolge a-b auf der Oberseite der Trägerbahn vorliegen.
12. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 1, wobei die Schichten in
der Reihenfolge b-a auf der Oberseite der Trägerbahn vorliegen.
13. Mehrschichtiges Produkt nach einem der vorstehenden Ansprüche,
das außerdem eine dritte Oberflächenschicht aufweist.
14. Mehrschichtiges Produkt nach Anspruch 17, wobei die dritte
Oberflächenschicht eine gasdichte Schicht (a-b-a) ist.
15. Mehrschichtiges Produkt nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das mehrschichtige Beschichten durch
Coextrusionsbeschichten vorgenommen worden ist.
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