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文檔簡(jiǎn)介
1、BMA協(xié)助MAH熔融接枝改性聚丙烯_王鑒 第43卷第4期 2015年4月塑料工業(yè)CHINAPLASTICSINDUSTY·5· BMA協(xié)助MAH熔融接枝改性聚丙烯 王鑒,李楊,祝寶東,張建偉,孟慶明* (黑龍江省石油化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,黑龍江大慶163318) 摘要:以甲基丙烯酸丁酯(BMA)為共單體,采用熔融擠出法制備了馬來(lái)酸酐(MAH)接枝聚丙烯(PP)共聚 g-(MAH-BMA)。通過(guò)比較水接觸角研究了單體配比和用量、引發(fā)劑用量及螺桿轉(zhuǎn)速等因素對(duì)接枝效果的影響,物PP- 并與以苯乙烯(St)為共單體和第三單體的接枝PP產(chǎn)物進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,以
2、BMA為共單體提高了接枝產(chǎn)物的接枝率,同時(shí)能有效抑制PP分子斷鏈降解,產(chǎn)品的凝膠率為零。隨著單體用量、引發(fā)劑用量和螺桿轉(zhuǎn)速的增加,改性產(chǎn)品的水接觸角均出現(xiàn)極小值。當(dāng)BMA與MAH的物質(zhì)的量比為11、MAH的含量為PP質(zhì)量的3%、引發(fā)劑DCP g-(MAH-BMA)水接觸角最低為72°,產(chǎn)物極性含量為PP質(zhì)量的0.05%、螺桿轉(zhuǎn)速為160r/min時(shí),接枝共聚物PP- g-(MAH-BMA)相差不多,但顯著提高。添加苯乙烯形成的三單體接枝物的黏均摩爾質(zhì)量和熔體質(zhì)量流動(dòng)速率與PP- 其水接觸角卻有所增加,并生成凝膠。 關(guān)鍵詞:聚丙烯;熔融接枝;甲基丙烯酸丁酯;馬來(lái)酸酐;水接觸角 DOI:
3、10.3969/j.issn.10055770.2015.04.002 +中圖分類號(hào):TQ325.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10055770(2015)04000505 ButylMethylacrylateAssistedGraftingofMaleicAnhydrideonto PolypropylenebyMeltExtrusion WANGJian,LIYang,ZHUBao-dong,ZHANGJian-wei,MENGQing-ming (ProvincialKeyLaboratoryofOilGasChemicalTechnology,ChemistryandChemicalE
4、ngineeringCollege, NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China) Abstract:PP-g-(MAH-BMA)waspreparedbygraftingofmaleicanhydride(MAH)onto polypropylene(PP)inaextrusionprocess,usingbutylmethylacrylate(BMA)asco-monomerTheeffectsofdosagesandratioofthemonomers,dosageofinitiatorandscrewrotationalspeedon
5、thegraftingreactionwerestudiedbycomparingthecontactanglesofmodifiedpolypropyleneThepropertiesofthePPgraftedwithstyrene(St)asthesecondandthirdco-monomerwerecomparedwiththatofPP-g-(MAH-BMA)TheresultsshowedthatthegraftdegreeraisedsignificantlyandthedegradationofPPchainwasrestrainedfornogelwasformedThew
6、atercontactangleonPP-g-(MAH-BMA)hadminimumastheincreasingofmonomerdosage,monomersratio,initiatordosageandscrewspeedTheminimumwatercontactangleof72°wasobtainedwhilethemodifiedPPwaspreparedattheconditionsofmolarratioofBMAtoMAH11,MAHdosage3%,initiator(DCP)dosage0.05%ofthemassofPPThemeanmolecularwe
7、ightandmeltflowrateofPP-g-(MAH-BMA-St)arealmostthesameasthatofPP-g-(MAH-BMA),butgreaterwatercontactangleandcontainingsomegel Keywords:Polypropylene;MeltExtrusion;ButylMethacrylate;MaleicAnhydride;WaterContact Angle 聚丙烯(PP)密度低,屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度等 機(jī)械性能比較高,綜合性能良好。但PP為非極性材 料,其染色性不好、與無(wú)機(jī)填料的相容性差等不足限 制了其在工程塑料領(lǐng)域的應(yīng)用。通
8、過(guò)在PP大分子鏈上連接功能性單體形成接枝共聚物提高PP的極性是1改善這一缺點(diǎn)的有效途徑。馬來(lái)酸酐(MAH)是改性PP最常用的接枝單體,但單一使用MAH進(jìn)行熔融接枝PP時(shí),存在接枝率低且PP降解嚴(yán)重等問(wèn) 黑龍江省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(12541065) 作者簡(jiǎn)介:王鑒,男,1960年生,教授,主要從事聚烯烴改性方面的研究。. cn ·6· 塑料工業(yè)2015年 題 2 ,加入共單體能有效改善這種情況。通常共單 體進(jìn)攻自由基的速率要超過(guò)第一單體且其形成的自由基可以與第一單體發(fā)生反應(yīng),常用的第二單體為具有供電子性的化合物 3 然揮發(fā)完全。在同向雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)
9、行熔融接枝反 應(yīng),經(jīng)過(guò)冷卻、干燥、切粒后得到接枝改性聚合產(chǎn)物,擠出機(jī)一至五區(qū)的溫度分別為175、185、195、200、195。 下文中,各單體及DCP的含量均按PP為100%計(jì)算。1.4 樣品的純化 稱取4g接枝改性聚合產(chǎn)物加入到200mL二甲苯中加熱,待其全部溶解后趁熱倒入裝有300mL丙酮的燒杯中沉淀處理,以除去未反應(yīng)的單體及其自聚物,產(chǎn)物再經(jīng)抽濾、洗滌及干燥后用于紅外測(cè)試及黏均摩爾質(zhì)量測(cè)試。1.5測(cè)試與表征 (1)熔體質(zhì)量流動(dòng)速率的測(cè)定 按GB/T36822000標(biāo)準(zhǔn),使用熔體流動(dòng)速率儀測(cè)定未純化產(chǎn)物熔體流動(dòng)速率,溫度230,載荷2.16kg。 (2)凝膠含量的測(cè)定 稱取2g的接枝產(chǎn)物
10、,以120目的銅網(wǎng)包好,120mL二甲苯中煮沸回流3h,取出后置于丙酮中浸洗,然后放入80真空干燥器中干燥至恒重。按式(1)計(jì)算凝膠含量: gel=(msmm)/mp×100% (1) 。 甲基丙烯酸丁酯(BMA)是一種直鏈供電子單4 體,由于其具有極性基團(tuán)且毒性較低,因此常被 5 用來(lái)接枝改性聚合物。Ghaggar等采用BMA和丙烯酸(AA)兩種單體通過(guò)交互伽瑪輻射接枝法接枝 PP,兩單體質(zhì)量比為11時(shí)接枝率增加了60%。Hettema等6用BMA為單體通過(guò)熔融接枝改性高密度聚乙烯(HDPE),其接枝物的沖擊強(qiáng)度比原料提高了50%210%。MAH是一種硬單體,可以提高共聚物樹脂的硬
11、度和拉伸強(qiáng)度,而軟單體BMA與硬單體之間有協(xié)同作用,參與共聚時(shí)能賦予樹脂一定的柔韌性與延伸性。 因?yàn)榧尤牍矄误wBMA以后產(chǎn)品的接枝率很難測(cè)定,所以本實(shí)驗(yàn)通過(guò)考察接枝產(chǎn)品極性的變化來(lái)表征接枝改性效果。用熔融法將MAH、BMA等極性單體接枝到PP分子鏈上,引入的極性基團(tuán)是聚丙烯從非極性轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性的主要原因,而PP極性的增加表現(xiàn)為其水接觸角的減小。因此測(cè)定接枝樣品的水接觸 7 角,可以表征聚丙烯極性改性的效果。 1 1.1 實(shí)驗(yàn)部分 主要原料 聚丙烯:T30S,粉料,熔體質(zhì)量流動(dòng)速率4.15 式中,ms萃取后銅網(wǎng)及凝膠的總質(zhì)量,g;mm銅網(wǎng)的質(zhì)量,g;mp萃取前接枝物的質(zhì)量,g。 (3)紅外測(cè)試 將
12、純化后的樣品在190的平板硫化機(jī)上熱壓成透明薄膜,然后測(cè)定紅外吸收光譜,掃描范圍從04000cm1。 (4)水接觸角的測(cè)量 樣品制法同紅外分析,在樣品臺(tái)上滴一滴蒸餾水,使樣品膜緊緊地黏附在樣品臺(tái)上。用微量進(jìn)樣器抽取2L去離子水滴加到樣品膜上,10s后測(cè)量接觸角。 (5)黏均摩爾質(zhì)量的測(cè)定 PP接枝物經(jīng)二甲苯抽提并清洗烘干,用十氫萘做溶劑,配成0.001g/mL的溶液,根據(jù)ISO1628131991(E)標(biāo)準(zhǔn),采用烏氏黏度計(jì)在135下以一點(diǎn)法測(cè)定特性黏數(shù)。 =2sprc (2) g/10min,中國(guó)石油大慶石化公司;過(guò)氧化二異丙苯 (DCP):分析純,上海杉浦化學(xué)有限公司,用重結(jié)晶法提純;馬來(lái)酸
13、酐(MAH):分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠;苯乙烯(St)、甲基丙烯酸丁酯(BMA):分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠,使用前減壓蒸餾提純;丙酮:分析純,天津市星月化工有限公司;二甲苯:分析純,沈陽(yáng)華東試劑廠;混合抗氧劑:市售。1.2設(shè)備及儀器 20,南京杰恩特機(jī)電有同向雙螺桿擠出機(jī):SHJ-限公司,螺桿直徑為20mm,長(zhǎng)徑比為40;平板硫 25,蘇州科晟泰機(jī)械設(shè)備有限公司;視化機(jī):XLB-360A,承德鼎盛試驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)頻接觸角測(cè)定儀:DS-400D,承德衡備有限公司;熔體流動(dòng)速率儀:XN-通試驗(yàn)檢測(cè)儀器有限公司;紅外光譜分析儀:TEN-SO27,布魯克光譜儀器公司。1.3 樣品的制備 按比例稱取
14、一定量的單體、引發(fā)劑和抗氧劑,將 其溶于一定量的丙酮中,噴灑在300gPP粉料上并混合均勻,然后放在通風(fēng)櫥中,不斷攪拌直至丙酮自 式中,特性黏數(shù);r相對(duì)黏度,且:r=t/t0;sp增比黏度,且sp=r1;c樣品濃度,g/100mL。 黏均摩爾質(zhì)量(M)按式(3)計(jì)算: 第43卷第4期 =KM 王鑒,等:BMA協(xié)助MAH熔融接枝改性聚丙烯 (3) ·7 · 8,K=1.1×104,=0.8。式中,根據(jù)文獻(xiàn) 僅使接枝率明顯提高,而且能有效抑制PP降解,對(duì) 保護(hù)PP的各項(xiàng)性能均有益。 PP-g-(MAH-BMA)的水接觸角最小,再添加St g-(MAH-BMA-St)的
15、黏均后形成的三單體接枝物PP-g-(MAH-BMA)摩爾質(zhì)量和熔體質(zhì)量流動(dòng)速率與PP-相差不多,但其水接觸角卻有所增加,并生成凝膠, 所以只用BMA做共單體更好。 BMA的極性高于St,形成的·C()HCOO自由基比St產(chǎn)生的C6H5CH2·自由基具有更高的活性,以其為共單體,可在較短的時(shí)間內(nèi)完成聚合反應(yīng),酯基對(duì)自由基的穩(wěn)定作用,有利于形成摩爾質(zhì)量較高的接枝物,同時(shí)能獲得更高的極性。 表1Tab1 4種聚丙烯改性接枝物的性能PropertiesofthefourkindsofgraftPP 2 2.1 結(jié)果與討論 幾種聚丙烯接枝改性產(chǎn)品的對(duì)比 將MAH作為主單體,BMA和S
16、t為共單體,在引發(fā)劑DCP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、螺桿轉(zhuǎn)速為160r/min的條件下,采用熔融擠出法制備了4種PP接枝 g-MAH、PP-g-(MAH-St)、PP-g-(MAH-BMA)物:PP-g-(MAH-BMA-St)。測(cè)定了其紅外吸收光譜、和PP-水接觸角、黏均摩爾質(zhì)量、熔體質(zhì)量流動(dòng)速率以及凝膠率,結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。 1 由圖1可見(jiàn),4種聚丙烯接枝物均有1820cm 1 和1760cm左右的羧基特征吸收峰,說(shuō)明MAH與PP鏈發(fā)生了接枝反應(yīng);同時(shí)加有BMA共單體的PP- g-(BMA-MAH)和PP-g-(MAH-BMA-St)在1720 cm1多出一個(gè)酯基COO的伸縮振動(dòng)吸收峰,說(shuō)g-
17、(MAH-BMA-明BMA也與PP發(fā)生了接枝反應(yīng);PP-St)和PP-g-(MAH-St)在700cm1左右有一個(gè)苯環(huán) 1 的振動(dòng)吸收峰,在760cm左右有苯環(huán)中的CH伸 1 縮振動(dòng)峰和面外彎曲振動(dòng)峰,1000cm左右有單取 代苯環(huán)上H原子面內(nèi)變形振動(dòng)吸收峰,說(shuō)明St在PP主鏈上也發(fā)生了接枝反應(yīng)。因?yàn)樵嚇右呀?jīng)過(guò)純化,由此可以確定MAH和共單體St、BMA均已通過(guò)化學(xué)鍵聯(lián)接到PP主鏈上 。 注:1)MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)是3%(相對(duì)PP);2)MAH與St物質(zhì)的量比是11;3)MAH與BMA物質(zhì)的量比是11;4)MAH、BMA、St物質(zhì)的量比是111。 g-(BMA-MAH)極性的因素研究影響PP-2.
18、2.1BMA與MAH投料比對(duì)接枝物水接觸角的影響 圖2為共單體BMA與主單體MAH配比對(duì)接枝反 應(yīng)的影響(保持?jǐn)D出機(jī)溫度是170,單體MAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%,DCP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%)。從圖中可以看出,隨著BMA用量的增加,接枝物的水接觸 圖1Fig1 不同聚丙烯接枝物的FTI譜圖FTIspectraofthedifferentgraftPPs 2.2 角呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),在BMA與MAH的物質(zhì)的量比為11時(shí)水接觸角最小,接枝產(chǎn)物親水性最強(qiáng)。BMA和MAH的共軛因子(Q值)分別為0.78和0.23,根據(jù)共聚單體的Q-e(e代表極性因 子)選擇原理可知BMA更易與PP發(fā)生反應(yīng),優(yōu)先接
19、枝到PP上形成穩(wěn)定的大分子自由基,起到了抑制PP主鏈斷裂的作用,同時(shí)BMA還能與MAH形成電 9 子轉(zhuǎn)移絡(luò)合物,輔助形成長(zhǎng)支鏈,通過(guò)BMA的橋梁作用,使MAH能夠更有效地接枝在PP上,接枝 由表1可見(jiàn),不含苯乙烯的接枝聚合物均沒(méi)有凝 g-MAH的膠,而添加苯乙烯后會(huì)形成少量凝膠。PP-水接觸角比原料有所降低,幅度不大,但是其熔體質(zhì) 量流動(dòng)速率升高極快,黏均摩爾質(zhì)量下降很多,說(shuō)明其接枝率不高,在熔融擠出過(guò)程中PP主鏈降解十分嚴(yán)重。加入共單體BMA和St后,接枝聚合產(chǎn)物的熔體流動(dòng)速率和黏均摩爾質(zhì)量均與原料PP接近,表明PP分子斷鏈得到有效抑制。無(wú)論是用BMA還是用St做共單體,接枝產(chǎn)物的水接觸角均
20、比只用MAH一種單體時(shí)小很多,極性顯著增加,表明共單體的引入不 率提高,產(chǎn)品極性增大,水接觸角減小。但是當(dāng)BMA加入量過(guò)多時(shí),反而不利于MAH的接枝,這時(shí)BMA單體更易發(fā)生自聚生成聚甲基丙烯酸丁酯(PB-MA)及其與MAH的均聚物,同時(shí)因?yàn)橐l(fā)劑分子 ·8· 塑料工業(yè)2015年 及其分解出的初級(jí)自由基始終處于BMA分子的包圍 10 之中,產(chǎn)生了籠蔽效應(yīng)及其他副反應(yīng),使部分初級(jí)自由基無(wú)法與PP和MAH單體分子接觸,導(dǎo)致接枝反應(yīng)效率下降 。 大趨勢(shì),在DCP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)水接觸角最小。DCP含量較少的情況下,隨其含量的增加,其分解產(chǎn)生的初級(jí)自由基增多,引發(fā)產(chǎn)生的PP大分
21、子自由基數(shù)目增加,使PP鏈段上可與單體反應(yīng)的活性點(diǎn)增多,導(dǎo)致接枝率上升,使得接枝物水接觸角減小;當(dāng)DCP含量過(guò)多時(shí),單體在接枝PP的同時(shí)自聚反應(yīng)不斷增加,在單體用量一定的情況下,自聚反應(yīng)的增加導(dǎo)致參與接枝反應(yīng)的單體數(shù)量變少并使PP大分子斷裂的幾率增大,不利于接枝反應(yīng) 。 圖2Fig2 BMA與MAH物質(zhì)的量比對(duì)共聚物水接觸角的影響 WatercontactanglechangingwithmolarratioofBMAtoMAH 2.2.2g-(MAH-BMA)水接觸單體MAH用量對(duì)PP- 角的影響 圖3為MAH含量對(duì)接枝物水接觸角的影響(保持?jǐn)D出機(jī)溫度是170,BMA與MAH物質(zhì)的量比為11
22、,DCP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%,)。由圖可見(jiàn),隨著單體用量的增加,接枝物的水接觸角先減小后增大,在馬來(lái)酸酐含量為3%時(shí),水接觸角達(dá)到最小值。此后繼續(xù)增加單體用量,水接觸角反而快速增大。當(dāng)單體濃度比較小的時(shí)候,增加單體濃度,有利于單體接枝到PP上,主鏈上接枝的功能性基團(tuán)增多,表面極性變大,水接觸角減?。坏?dāng)單體濃度過(guò)高時(shí),大量的單體來(lái)不及與大分子自由基反應(yīng)便發(fā)生均聚或共聚 11 等副反應(yīng),反而使接枝到PP鏈段上的單體減少,接枝率降低,水接觸角增大 。 Fig4 圖4引發(fā)劑用量對(duì)水接觸角的影響 Effectofinitiatordosageonwatercontactangle 2.2.4影響 g-
23、(MAH-BMA)水接觸角的 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)PP- 圖5 Fig5 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)水接觸角的影響 Effectofscrewspeedonwatercontactangle 圖5為螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)接枝反應(yīng)的影響(保持?jǐn)D出 機(jī)溫度是170,MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)是3%,BMA與MAH物質(zhì)的量比為11,DCP質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.05%)。 圖3 Fig3 MAH含量對(duì)接枝物水接觸角的影響 由圖可見(jiàn),隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大,其水接觸角呈減小趨勢(shì),當(dāng)轉(zhuǎn)速為160r/min時(shí),接觸角最小。繼續(xù)增大螺桿轉(zhuǎn)速,水接觸角開(kāi)始變大。PP熔融接枝MAH、BMA過(guò)程中,螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)接枝率的影響主要表現(xiàn)在剪切力的大小和反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短兩方面。當(dāng)喂料速率
24、一定時(shí),螺桿轉(zhuǎn)速越快,剪切力越大,有利于單體在高分子基體中的分散,提高接枝率;另一方面,螺桿轉(zhuǎn)速增加,物料在擠出機(jī)中的停留時(shí)間變短,對(duì)接枝反應(yīng)不利。正是這兩種相互矛盾的影響共同作用的結(jié)果,使接枝率隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加出現(xiàn)了極 EffectofMAHdosageonwatercontactangleofgraftPP 2.2.3的影響 g-(MAH-BMA)水接觸角引發(fā)劑用量對(duì)PP- 圖4為引發(fā)劑含量對(duì)接枝物水接觸角的影響 (保持?jǐn)D出機(jī)溫度是170,MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)是3%,BMA與MAH物質(zhì)的量比為11,)。可以看出,隨DCP含量的增加接枝物的水接觸角也呈先減小后增 第43卷第4期王鑒,等:BMA協(xié)助
25、MAH熔融接枝改性聚丙烯 55 ·9· 大值,表現(xiàn)為水接觸角有最小值。 3結(jié)論 4WANGJ,WANGDF,DUW,etalSynthesisoffunc-tionalpolypropyleneviasolid-phasegraftingsoftvinylmmono-meranditsmechanismJJApplPolymSci,2009,113:18031810 5GHAFFAAMA,EL-ANAOUTLYMB,ABOULFO-TOUHME,etaladiationgraftcopolymerizationofbutylmethacrylateandacrylamide
26、ontolowdensitypolyethyleneandpolypropylenefilms,anditsapplicationinwastewatertreat-mentJadiatEffDefectSolids,2014(9):741753 6HETTEMA,PASMANJ,JANSSENLBMeactiveex-trusionofrecycledbottlewastematetialJPolymEngSci,2002(4):665679 7CHASHMEJAHANBINM,SSLIMIA,LANGOUDIA EThestudyofthecoatingadhesiononPPsurfac
27、emodifiedindifferentplasma/acrylicacidsolutionJIntJAdhesAdhes,2014,49:4450 8ZHANGYC,CHENJY,LIHLFunctionalizationof polyolefinswithmaleicanhydrideinmeltstatethroughultra-sonicinitiationJPolymer,2006,47:475047599WANGJ,ANYX,ZOUEG,etalSupercriticalCO2 assistedternary-monomergraftingcopolymerizationofpol
28、ypro-pyleneJJPolymes,2009,16:739744 10馮杰聚丙烯親水/親油改性研究D青島:青島科 技大學(xué),2010 11魏玉坤,楊新華,王浩江,等多組分極性單體對(duì)PP 塑料工業(yè),2007(1):制品表面親水性能的影響J5355 (修改稿于20150212收到) 1)以甲基丙烯酸丁酯為共單體,采用反應(yīng)擠出 g-(MAH-BMA),法合成馬來(lái)酸酐接枝改性聚丙烯PP-提高了接枝率,同時(shí)能有效抑制PP分子斷鏈降解, 且產(chǎn)品的凝膠率為零,產(chǎn)品性能好;適宜的共單體用量是BMA與MAH的物質(zhì)的量比為11。 2)添加第三單體苯乙烯形成的三單體接枝物PP-g-(MAH-BMA-St)的黏均摩爾質(zhì)量和熔體質(zhì)量流動(dòng)速率與 PP-g-(MAH-BMA)有所改善,但其水接觸角卻有所增加,并生成凝膠,所以只用BMA做共單體更好。 3)隨著單體用量、引發(fā)劑用量和螺桿轉(zhuǎn)速的增g-(MAH-BMA)的水接觸角均出現(xiàn)加,改性產(chǎn)品PP-極小值。當(dāng)BMA與MAH的物質(zhì)的量比為11,MAH的含量為3%、引發(fā)劑含量為0.05%、螺桿轉(zhuǎn)g-(MAH-BMA)速為160r/min時(shí),接枝共聚物PP-水接觸角減小到72°,極性顯著提高。 參 考 文 獻(xiàn) 1LEEJ,KIMJK,SONYGEvaluationofpolypr
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