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JP2001510496A - Uv光吸収剤、uv光吸収剤を含んでなるマトリックス、紫外線照射の遮断法、及びuv光吸収剤の使用法 - Google Patents

Uv光吸収剤、uv光吸収剤を含んでなるマトリックス、紫外線照射の遮断法、及びuv光吸収剤の使用法

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JP2001510496A
JP2001510496A JP52312498A JP52312498A JP2001510496A JP 2001510496 A JP2001510496 A JP 2001510496A JP 52312498 A JP52312498 A JP 52312498A JP 52312498 A JP52312498 A JP 52312498A JP 2001510496 A JP2001510496 A JP 2001510496A
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light
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light absorber
light absorbers
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ホーハイゼル,ベルナー
ホルム,ライマー
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バイエル・アクチエンゲゼルシヤフト
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、広い紫外線スペクトル範囲(UVA及びUVB、即ち約250〜400nmの波長)に使用できる新規な、実質的に改良されたUV照射吸収剤、該UV光吸収剤を含んでなるマトリックス、UV照射に対する保護法、並びに合成材料、透明容器の内容物及び化粧品分野における日焼け止めに有害なUV照射を減じるためのUV光吸収剤の使用法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 UV光吸収剤、UV光吸収剤を含んでなるマトリックス、紫外線照射の遮断法 、及びUV光吸収剤の使用法 技術分野 本発明は、広い紫外線スペクトル範囲(UVA及びUVB、即ち約250〜4 00nmの波長)に活性である新規な、かなり改良されたUV光吸収剤、UV光 吸収剤を含んでなるマトリックス、紫外線照射に対する保護法、及びプラスチッ クに対する、透明容器の内容物に対する及び化粧品分野における日焼け止めに対 する有害なUV照射を減じるためのUV光吸収剤の使用法に関する。 背景の技術 UV照射は、日光から地表へ至る強度においてでさえ、多くの物質を損傷する 。プラスチック、例えばポリカーボネート、ポリウレタンなどの場合、UV照射 は遊離基を発生させ、これが材料を破壊する。これは材料の黄変及び脆化の増大 から明白である。この過程は波長の増大と共に非常に低下するけれど、太陽光照 射の地表でのスペクトル密度が約400nmの波長まで同時に増大するから、こ れを無視することはできない。しかしながら、他の材料、例えば木材、塗料、及 びコーテイングもUV照射に対して敏感であり、従ってこれらも紫外線から保護 しなければならない。多くの食品は、日光下に貯蔵する時、UV照射が内部に通 過しない容器に貯蔵しなければならない。最後であるが、特に化粧品分野の日焼 け止めにUV光吸収剤が必要とされる。これらは有害なUV照射から皮膚を最適 に保護するために、高い光保護性をUVA領域に有する。ここに記述したすべて の用途において、全UV範囲、即ち波長約2 50〜400nmにわたって使用できるUV光吸収剤の高吸収性は、できる限り 色が中性である高透明性と組合わさって望ましい。 UV光吸収剤は、外部への適用の場合に上述の例で必要とされるように、保護 すべき対象物の中へUV光吸収剤を導入することにより、または表面にUV光吸 収コーテイングを用いることにより達成できる。特に重合体材料、例えばポリカ ーボネ−トはのコーテイングの場合、さもなければ重合体の劣化生成物がコーテ イングと重合体の間の境界層に蓄積し、かくしてこのこーテイングが時期尚早に 剥離し、壊れてしまうから、UVA光のそれを含む防護は実質的に完全でなけれ ばならない。 今まで多くの場合に使用されてきたUV光吸収剤は、関連する波長領域に分子 吸収帯を有し且つ可視スペクトル領域で吸収しない有機化合物である。 これらの化合物の欠点は、その比較的低い耐候性である。即ちそれらは、天候 に露呈した時、基材から蒸発し、洗い出され、及び/または露出してしまう。化 粧品分野の日焼け止めとして高い日焼け止め性は、比較的高濃度でUV光吸収剤 を用いることのより初めて達成できるが、これはますます増えているアレルギー 反応の引き金となるし、または他の不適応性に影響を与える。 しかしながら提案されてきた他のUV光吸収剤は、粒状形で無機固体材料を含 んでなり、懸濁液形で保護すべき材料上に層として付着させ、またはその材料中 に混入せしめるものである。これらの有機粒子は、その大きさ及び材料の選択に 依存して、有害なUV光領域を吸収し及び/または散乱させる。この関連におい て、特に粒子が保護すべき材料中へ混入された時に散乱された光電子も材料を破 壊しうるから、光の散乱以 上に吸収は好適である。更に光の過度な散乱は保護すべき材料を曇らさせる。C .F.ボーレン(Bohren)、D.R.ハフマン(Huffman)、小粒 子による光の吸収と散乱、93〜104及び130〜141ページ、1983年 は、粒子の寸法が小さければ小さいほど、その光吸収能力が光散乱能力より高い ことを開示している。それゆえに透明なUV光吸収剤に対しては、非常に小さい 粒子だけが適当である。UV光吸収剤が無色であることも保証するためには、粒 子材料が約300〜400nmの波長範囲に吸収端を有さねばならない。WO第 93/06164号によれば、そのような効果に適当な材料は、波長範囲303 〜445nmに相当する2.8〜4.1eVのバンドギャップを有するものであ る。この意図された用途に対して、TiO2、ZnO、CeO2、SiCがこの種 の材料から既に使用されてきた。参照、例えばWO第93/06164号、WO 第95/09895号及びWO第92/21315号。 しかしながら、上述した無機材料の粒子を含むUV光吸収剤は、UVA領域( 320〜400nm)の広い範囲にわたって延びる吸収端を有し且つ/または比 較的小さい絶対吸収活性化断面積(absorption activatio n cross section)を有するから、全UVA領域にわたって光を 十分に吸収するために高粒子濃度が必要であるという欠点を持つ。しかしこのよ うに必要な高い粒子濃度は、より大きな曇りをもたらし、また重合体マトリック スの機械的安定性を低下させる危険を含む。従来公知の最良のUV光吸収性粒子 であるTiO2は、光触媒的にも活性である。このことは、粒子自体により開始 される遊離基による媒体の損傷を保護するために、粒子を被覆しなければ ならないということを意味する。 これに対し、WO第96/16114号は、微粉砕されたケイ素をUV光吸収 剤として開示している。そこに記述されている粒子は、凝集の起こる結果として そのUV吸収性が低下するという欠点を有する。 発明の説明 それゆえに、本発明の目的は、従来法で公知の欠点を持っていないUV光吸収 剤を提供することである。 今回、主にケイ素の及び/または固体化合物の粒子を含んでなる、但しケイ素 が化学量論的に過剰に存在し、その平均直径が120nm以下であり、該粒子が 更に厚さ1〜300nmの酸化物層で囲まれている、UV光吸収剤は、有利な性 質、例えば比較的低粒子濃度における可視スペクトル領域で高い透明性、高い空 気中安定性、高い環境的及び生物的親和性、並びに光触媒活性の皆無、UVA及 びUVB領域の光の、高効率での遮断能力を有することが発見された。それらは 、重合体材料中、コーテイング材料中、塗料中、化粧品中、及び同様な材料中に 混入するのに適当である。またそれらは、これらの材料が日光に曝され、その材 料自体をまたはその下に位置する他の物質を保護したい場合に、特に有用である 。 かくして本発明は、ケイ素が化学量論的に過剰量で存在するケイ素の及び/ま たは固体化合物の粒子を含んでなる、但しこれらの粒子が120nm以下の平均 直径を有し、更に厚さ1〜300nmの酸化物層で囲まれている、UV光吸収剤 を提供する。 ここに平均直径は数分布の最大値を意味するものとする。 元素状ケイ素は、非晶性または結晶性ケイ素、好ましくは結晶性ケイ 素である。ケィ素粒子の寸法は、好ましくは1〜120nm、特に好ましくは1 〜70nm、非常に特に好ましくは10〜50nmである。これらの粒子は好ま しくは最大半値幅が40nmの粒径分布を有する。この平均直径を有するケイ素 は、好ましくは米国特許第5472477号に記述されている方法に従って、気 相反応(CVR)により製造される。同様に、J.フィズ・ケム(Phys.C hem.)、97、1224〜1230(1993)、J.バク・サイ・テクノ ル(Vac.Sci.Technol.)、A10、1048(1992)、及 びイント(Int.)J.ヒート・マス・トランスファー(Heat Mass Transfer)、31、2236(1988)に従う製造も可能である。 固体化合物という術語は、室温で固体の化合物、例えばシリサイド、CaSi2 及び/またはBaSi2を含む。「ケイ素が化学量論的に過剰量で存在する化合 物」とは、好ましくは式Six1-x(但し、0.5<x≦1、好ましくはx>0 .7、及びZ=C、N、O、Ge、Ca、Ba及びSr)の化合物を含む。他の 物質の存在は、吸収端のエネルギー的位置をある限界内で移動させ、吸収端の形 を改変する。この関連で好適な固体化合物はSix1-xまたはSixGe1-xであ る。 本発明の好適な具体例において、ケイ素が化学量論的に過剰に存在する固体化 合物は、コア−シェル(shell)構造を有する。粒子の平均直径は好ましく は120nm以下、特に好ましくは100nm以下、非常に特に好ましくは50 nm以下である。これらは好ましくは最大半値幅40nmの粒径分布を有する。 ここに、コアは窒化チタンからなり、シェルがケイ素からなり、ケイ素の容量が 粒子当たり少なくとも30% であることが好ましい。 本発明の更に好適な具体例において、UV光吸収剤はケイ素と青−緑色(40 0nm<λ<550nm)スペクトル範囲よりも赤色(600nm<λ<700 nm)スペクトル範囲を強く吸収する材料とからなる固体化合物の形でシェル粒 子を含んでなる。 コア−シェル構造を有するものを含む固体化合物は、例えばケイ素含有ガス、 例えばシラン、有機シラン、またはSiCl4の熱分解でエーロゾルを生成させ ることにより製造できる(参照、J.フィズ・ケム、97、1224〜1230 (1973)、J.バク・サィ・テクノル、A10、1048(1992))。 例えばゲルマニウムまたは炭素を含んでなる更なるガスの混入は、対応する化学 量論的組成を有する化合物をもたらす。コア−シェル構造を有する固体化合物の 場合、先ず上述した方法によってコアを製造し、ついで適当なガス組成を有する 気相、例えばSiH4またはSiCl4中でH2と一緒に分解または反応させるこ とによりシェルを適用する。熱分解は、気相反応器、好ましくはCVR(化学的 蒸気反応)反応器中で、或いは他にレーザーの吸収により起こさせうる(参照、 イントJ.マス・トランスファー、31、2239(1988))。ガスの熱分 解は、結晶粒子の製造に特に適当である。同様にPECVD(プラズマ高揚の化 学的蒸着)法を用いる製造も可能である(参照、J.バク・サイ・テクノル、A 10、1048(1992))。後者の方法は、熱的後処理によって結晶性にす ることにできる非晶性粒子を生成する(参照、ナノ構造材料、第6巻、493〜 496(1995)). 好適な具体例において、粒子は球形である。公知のように、100n m以下の寸法を有する粒子は、実際上凝集しやすい傾向がある。結果として、隔 離された個々の粒子の有利な光学的性質、例えば低い光散乱及び/または吸収帯 の位置が予め計算された値に対応しない。今回、UV光吸収剤の新規な粒子は、 光学的意味において、凝集してない個々の粒子のように働くということが発見さ れた。この場合、粒子は電磁気的に分離されている。結果として、コーテイング された1次粒子(primary particle)の凝集にもかかわらず、 孤立した粒子の光学的性質が保持される。UV光吸収剤中に存在するケイ素粒子 は、好ましくは厚さ1〜300nm、特に好ましくは10〜100nmを有する 酸化物で囲まれている。ケイ素酸化物層の場合、可視スペクトル範囲における屈 折率は、UV照射に対して保護すべき媒体、例えばポリカーボネート、ポリウレ タン、水/油乳化液などと非常に類似の値を有することが更に有利である。結果 として、光散乱の影響は減ぜられ、マトリックスが透明のままで存在する。この 酸化物層は、例えば粒子の製造後、CVR反応器への酸素を秤入することによっ て製造できる。 好適な具体例において、新規なUV光吸収剤は、更に400nm<λ<550 nmの青−緑色のスペクトル範囲よりも赤色(600nm<λ<700nmの赤 色のスペクトル範囲を強く吸収する金属の酸化物及び/または窒化物の粒子を含 んでなる。適当なそのような添加剤は、平均直径1〜400nm、好ましくは1 0〜120nmを有する窒化チタンの粒子、或いはこれらの窒化チタン1次粒子 の凝集物である。それらは例えば米国特許第5472477号におけるように製 造できる。好適な具体例において、UV光吸収剤はケイ素粒子に加えて、平均直 径10〜120nmのTiN粒子も含んでなる。このUV光吸収剤は、UVA領 域において非常に有効であり、同時に色の中性と高い透明性を保証する。例えば ヌビオラ(Nubiola)S.A.から商品名ヌビックス(NubixR)顔 料として入手できるケイ酸アルミニウム−ナトリウム(ウルトラマリン顔料)の 粒子形の添加剤も好適である。存在しうる他の添加剤は、青色の無機着色顔料、 例えば鉄(III)ヘキサシアノフェレート(II)の顔料である。 本発明の更なる具体例において、UV光吸収剤は好ましくはケイ素含有粒子と以 下の群からの粒子の混合物からなる:炭化ケイ素及び/または金属チタン、タン グステン、亜鉛、錫、及び鉄の酸化物。そのような混合物は吸収端、特にその鋭 さを操作するために使用できる。混合される粒子の寸法は好ましくは1〜200 nmである。これらも、特に米国特許第5472477号に記述された方法で得 ることができる。 新規なUV光吸収剤は、保護すべきマトリックス中に均一に分散させ、そこに 混入し(マトリックス改変)、表面で濃縮し、または表面にコーテイングとして 適用することができる。本発明は更に、少なくとも1つの新規なUV光吸収剤を 0.001〜30原子%で含んでなるマトリックスを提供する。このマトリック スは、プラスチック、コーテイング、ラッカー、塗料、木材、化粧品、及び/ま たはガラスである。新規なUV光吸収剤は、保護すべきマトリックス中に好まし くは0.01〜10%の量で存在する。 本発明は、更に少なくとも1つのUV光吸収剤を保護すべき材料に混入し或い は保護層としてそれに適用する、紫外線照射に対する保護法を提供する。適当な 混入法は、例えば撹拌または分散である。同様に保護層は、蒸着または塗布によ る常法で適用てきる。保護すべき材料(マト リックス)は、例えばプラスチック、コーテイング、ラッカー、塗料または木材 である。プラスチックは例えばポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエステル 、ポリアミド、ポリイミド及び/またはポリアクリロニトリルである。また、上 述した材料への混入の結果またはコーテイング適用の結果として、更にUV光に 鈍感な材料、例えばガラスへの混入またはコーティング付着の結果として、これ らの材料から作られた容器の内容物を、有害なUV照射から保護することも可能 である。新規なUV光吸収剤は、更に太陽光照射のUV領域の有害な影響から皮 膚を保護するために特に化粧品においても有用である。 本発明の有利な効果を示すために、好適なUV光吸収剤の吸光度を計算した。 このために、光学密度ODは、粒子の直径d及び光の波長λの関数として計算し た。これは次のように定義される。 式中、I0は入射光の強度であり、Iは180°で透過した光の強度であり、Ce xt は全吸収断面積Cscatterである吸光活性化断面積であり、cは媒体中の粒子 の濃度であり、zは層の厚さであり、そしてrは粒子物質の蜜度である。互いに 相互作用しない個々の粒子に対する吸光活性化断面積Cextは、公知のミエ(M ie)理論式を用いて計算した(参照、例えば小粒子による光の吸収及び散乱、 93〜104ページ(1983))。Cextを少分離で、即ち粒子−粒子相互作 用を考慮して粒子の波長の関数として計算するために、一般化されたミエ理論を 使用した(参照、例えばアプライド・オプチクス(Applied Optic s)、32、6173(1993))。これらの計算で使用される物質 依存性因子は、考慮している物質の複雑な屈折率及び取巻いている媒体の屈折率 である。この取巻いている媒体に対しては、プラスチック及びガラスに対する典 型的なnmed=1.55という値を例示として使用した。複雑な屈折率の波長依 存性は、使用する文献に依存して、互いに異なっている。この理由のために、こ こで示される例示の計算に対しては、最初に種々の文献を互いに比較し、最も信 頼性のあるように見えるものを使用した。詳しくは、次の文献を使用した。小粒 子による光の吸収及び散乱、93〜104ページ(1983)、WO第93/0 6164号、WO第95/09895号、WO第92/21315号、フィズ・ レブ(Phys.Rev.)B27、985(1983)、Si0.8Ge0.2に対 してはE.シュミット(Schmidt),フィズ・スタト・ソル(Phys. Stat.Sol.)27、57(1968)、TiO2(ルタイル)に対して はE.D.パリック(Palik)編、「固体Iの光学定数ハンドブック」(A cademic Press),1985年、795ページ、及びTiNに対し てはサーフィス・サイエンス(Surface Science)、251、2 00(1991)。層の厚さzは行なったすべての計算に対して1mmである。 図1は、孤立した結晶ケイ素粒子(対照)のUV保護性の例を示す。測定した 因子は、結晶ケイ素からなるUV光吸収剤の、粒子直径20nm(4)、30n m(3)、40nm(2)、及び50nm(1)に対する波長の関数としての光 学密度であった。粒子の濃度はc=0.25g/lであった。50nm以下の寸 法を有する全ての粒子は本質的にUV光を遮断することは公知である。特に30 〜50nmの粒子寸法の場合、低濃度においてでさえ、並びにUVB領域の光が 吸収される場合、 UVA領域からの光も非常に効果的に吸収される。このことは、その下に存在す る材料が効果的に保護されるということを意味する。かくして、例えば寸法40 nmの粒子の光透過は、波長λ=400nmで70%、及びλ=350nmで1 .5%である。濃度を増加させることにより、比較的小さい平均直径を有する粒 子に対してでさえ、非常に高い光保護性が達成され、微小な散乱画分を更に減少 させることが容易に可能である。比較の目的のために、直径20nmのルタイル −TiO2粒子の、同一濃度での吸光スペクトルも計算した。特にUVA領域に おいて、TiO2はケイ素の光吸収性からかなり劣った状態にある。同一の保護 効果を達成するために、TiO2粒子の濃度は多数倍増量しなければならないで あろう。 図2は、中心の(Siの)粒子の周囲に2つのシェル(これも純粋なケイ素か ら調製)が配列された、直径20nmを有する55の1次粒子(Si)からなる 純粋なケイ素粒子の凝集物の波長の関数として、個々の粒子に対して基準化した 活性化断面積Qを、吸収(1)及び散乱(2)に関して示す。基準化した活性化 断面積Qに対し、次の方程式を基準として採用した: 吸収((1)及び(3))の場合 散乱((2)及び(4))の場合 但し、Cext=Cabs+Cscatter及びCextは小粒子による光の吸収及び散乱、9 3〜104ページ(1983)及びアプライド・オプチクス(Applied Optics)、32、6173(1993)に従って計算した。同一の幾何的 形の新規なUV光吸収剤の(Siの)(3)吸収及び散乱(4)に対する活性化 断面積も、図2に示す。ここで計算されたSi粒子は、20nmの直径と25n mの厚さのシェルを有する。光散乱は、吸収と比べて、被覆されてない粒子の場 合に被覆された粒子の場合と比べてかなり優性であるということがはっきりと見 られる。かくして新規なUV光吸収剤は、マトリックスの曇りを減じるのに明白 に影響する。 更に本発明は、新規なUV光吸収剤の、プラスチック、塗料、ラッカー、ガラ スまたはコーテイングにおけるUV光保護に対する、自己保護としての、或いは その下に存在するまたはその中に存在するUV光に敏感な材料の保護に対する、 木材の防腐における及び/または化粧品における使用法を提供する。 保護すべき材料への混入または付着は、常法によって行なうことができる(参 照、WO第95/09895号、WO第92/21315号及びヨーロッパ特許 第628303号)。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C08L 101/00 C08L 101/00 C09C 1/28 C09C 1/28 3/06 3/06 C09D 7/12 C09D 7/12 Z 201/00 201/00 (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S D,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG ,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT ,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA, CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,F I,GB,GE,GH,HU,ID,IL,IS,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR, LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,M W,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD ,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR, TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZW

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.主にケイ素の及び/またはケイ素が化学量論量的に過剰量で存在する固体 化合物の粒子を含んでなる、但しその平均直径が120nm以下であり、該粒子 が更に厚さ1〜300nmの酸化物層で囲まれている、UV光吸収剤。 2.ケイ素が化学量論的に過剰量で存在する固体化合物が式Six1-xの化合 物である、但し0.5<x≦1及びZ=C、N、O、Ge、Ca、Ba及び/ま たはSrである、請求の範囲1のUV光吸収剤。 3.粒子が球形である、請求の範囲1または2の1つのUV光吸収剤。 4.ケイ素が化学量論的に過剰量で存在する固体化合物がコア−シェル構造を 有する、請求の範囲1〜3の1つまたはそれ以上のUV光吸収剤。 5.粒子が窒化チタンのコア及びケイ素のシェルからなる、但しケイ素の容量 割合が粒子当たり少なくとも30%である、請求の範囲4のUV光吸収剤。 6.粒子が最大半値幅40nmの粒径分布を有する、請求の範囲1〜5の1つ またはそれ以上のUV光吸収剤。 7.400nm<λ<550nmの青−緑色スペクトル範囲よりも600nm <λ<700nmの赤色スペクトル範囲を強く吸収する材料の酸化物及び/また は窒化物の粒子を更に含んでなる、請求の範囲1〜6の1つまたはそれ以上のU V光吸収剤。 8.更なる粒子が平均粒子直径1〜400nmの窒化チタンからなり、または これらの窒化チタン1次粒子の凝集物である、請求の範囲7のUV光吸収剤。 9.更なる粒子がケイ酸アルミニウム−ナトリウムである、請求の範囲7のU V光吸収剤。 10.それが更に鉄、チタン、セシウム、タングステン、錫及び/または亜鉛 の酸化物を含んでなる、請求の範囲1〜9の1つまたはそれ以上のUV光吸収剤 。 11.請求の範囲1〜10の1つまたはそれ以上による少なくとも1つのUV 光吸収剤を0.001〜30原子%で含んでなる、プラスチック、コーテイング 、ラッカー、塗料、木材、化粧品及び/またはガラスから作られたマトリックス 。 12.請求の範囲1〜11の1つまたはそれ以上による少なくとも1つのUV 光吸収剤を、保護すべき材料中へ混入し、またはそれに保護層として適用する、 紫外線照射に対する保護法。 13.請求の範囲1〜11の1つまたはそれ以上によるUV光吸収剤の、プラ スチック、塗料、ラッカー、ガラスまたはコーテイングのUV光保護に対する、 自己保護としての、或いはその下に存在するUV光に敏感な材料の保護に対する 、木材の防腐における及び/または化粧品における使用法。
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