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学位论文数据集 中图分类号t q 3 3学科分类号 4 3 0 5 0 l o 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 2 5 8 密级 无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名李波学号 2 0 0 8 0 0 0 2 5 8 获学位专业名称化学获学位专业代码 0 7 0 3 0 5 课题来源其他项目研究方向橡胶加工 论文题目无卤阻燃弹性体的制备与性能及阻燃机理研究 关键词弹性体,阻燃,氢氧化物,膨胀,机理 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 4幸论文类型 应用研究 学位论文评阕及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师田明教授北京化工大学高分子材料 评阅人1 余鼎声教授 北京化工大学 高分子材料 评阅人2李晓林 教授 北京化工大学 高分子材料 评阅人3 评阅人4 评阅人5 北京橡胶工业研究 椭员会拂 吴文彪 教授高分子材料 设计院 答辩委员1余鼎声教授北京化工大学高分子材料 答辩委员2张立群教授北京化工大学高分子材料 答辩委员3王文才教授北京化工大学高分子材料 答辩委员4 李晓林教授北京化工大学高分子材料 答辩委员5 田明 教授 北京化工大学 高分子材料 1 摘要 无卤阻燃弹性体的制备与性能及阻燃机理研究 摘要 本文通过对c a s i c o 新概念膨胀型阻燃体系的研究制备及使用氢氧化 物、化学膨胀型阻燃剂对三元乙丙橡胶( e p d m ) 进行阻燃改性较为系统地 研究了橡胶( 弹性体) 的无卤阻燃机理,揭示了各主要因素对阻燃弹性体 材料性能的影响规律,为后续工作提供帮助。 本文研究了无机氢氧化物的种类及用量、阻燃协效剂、炭黑和增塑剂 等对三元乙丙橡胶力学性能和燃烧特性的影响,并分析了燃烧产物的形 貌,揭示了它们在e p d m 燃烧过程中的作用。结果表明,氢氧化物吸热 分解脱水是其进行阻燃的主要原因;高填充氢氧化物的三元乙丙橡胶适用 于制备低烟无卤阻燃橡胶材料,但阻燃橡胶的力学性能较低。阻燃协效剂 ( 红磷和硼酸锌) 可有效促进成炭,提升材料的阻燃性能,但增大了发烟 量。填充炭黑可大幅提升橡胶材料的力学性能和轻微改善阻燃性能;填充 适量的石蜡油对橡胶材料的力学性能没有明显影响,但是不利于阻燃,助 燃行为突出。通过该种阻燃技术所制备的可挤出成型的无卤阻燃密封条性 能优异,最优配方可以实现硬度7 5 3 ,拉伸强度接近8 m p a ,氧指数大 于3 2 ,挤出性能按a s t md 2 2 3 0 分级系统b 评价可达到9 a 以上。 本论文采用复合型膨胀阻燃剂n p 4 3 0 对e p d m 进行阻燃改性,研究 了基体中的外加酸源和外加碳源、阻燃剂n p 4 3 0 、增塑剂石蜡油以及多种 补强填料对e p d m 阻燃性能的影响,探讨了膨胀阻燃橡胶的机理。结果 北京化丁大学硕卜学位论文 表明,n p 4 3 0 对e p d m 具有很好的阻燃效果,发烟量很小;外加酸源乙 烯醋酸乙烯共聚物( e v a ) 和外加碳源高苯乙烯树脂( h s ) 具有更好的协同 阻燃作用。当基体中e p d m e v h s 的比例为8 0 8 6 11 4 ,n p 4 3 0 用量为 9 0 p h r 时,复合材料的氧指数可达4 7 6 。填充石蜡油不影响燃烧膨胀过 程但会明显降低阻燃性能;添加少量甲基丙烯酸锌( z d m a ) 、酚醛树脂( p f ) 等有机补强剂对膨胀过程影响很小,而添加炭黑、二氧化硅、碳酸钙、膨 胀石墨等无机填料会导致燃烧产物表面有裂缝从而引起气体逸出,严重不 利于膨胀过程,无法实现阻燃。在橡胶中填充炭黑等无机物而不影响膨胀 阻燃是制备膨胀型阻燃橡胶最大的问题。 本文通过分析c a s i c o 新概念膨胀型阻燃体系在不同温度下的分解产 物研究了c a s i c o 阻燃体系的阻燃原理,并且考察了乙烯一丙烯酸酯共聚 物、硅橡胶和碳酸钙等配合剂的种类及用量对复合材料阻燃性能的影响。 结果表明,乙烯一丙烯酸丁酯共聚物( e b a ) 最适合为作为聚合物基体,生 成的离聚物可以增大材料高温下的熔体黏度;硅橡胶在燃烧过程中生成硅 氧烷小分子与有机羧酸钙作用形成硅酸钙,对阻燃性能起着关键的作用; 而填充二氧化硅、石英等无机填料会使燃烧产物的表面形面微小的裂缝, 不利于阻燃;氢氧化铝可以复配c a s i c o 阻燃体系;过氧化物交联对阻燃 性能的影响不明显。当e b m v q c a c 0 3 的配比为5 0 2 0 3 0 时,8 5 0 时 残渣质量可达原样品的2 7 2 ,远大于理论上氧化钙的质量分数1 6 8 , 此时c a s i c o 阻燃体系的阻燃性能最佳,氧指数为3 2 5 。 关键词:弹性体,阻燃,氢氧化物,膨胀,机理 i i t h er e s e a r c ho n p r e p a r 钔 i o na n dp e r f o r m a n c e o fh a l o g e n f r e ef l a m e r e t a r d a n te l a s t o m e r c o m p o s i t e sa n ds t u d yo nt h e f l a m e r e t a r d a n t m e c h a n i s m a b s t r a c t i nt h i sp 印e r t h el a w so fv 撕o u si n g r e d i e n t s i n f l u e n c e si nh a l o g e n 舶e f 1 锄e - r e t a r d a mm a t 嘶a l sw e r er e v e a l e d b ys m d y i n gt h en e wc o n c 印t i n t u m e s c e n tf l 锄e r e t a r d a n t s y s t e mn 锄e da r e r c a s i c oa n dp r 印撕n g e t h y l e n e p r o p y l e n e d i e n ec o p o l y m e r ( e p d m ) m o d i f i e db yh y d r o x i d e sa n d c h e m i c a l i n t u m e s c e n tn a m er e t a r d a n t ( i f r ) i no r d e rt oo f r e rh e l pf o rm t u r e i i e s e a r c h t h eb u m i n gb e h a v i o r so fe p d mm o d i f i e db yh y d r o x i d e sw e r ea n a l y z e d b yt h ea d v a n c e de v a l u a t i o nm e t h o do fc o n ec a l o r i m e t e r t h ee f r e c t so f d i 髋r e n ta d d i t i v e ss u c ha sm o d i f i e dh y d r o x i d e s ,s y n e 略i s t i cf l a m er e t a r d a n t s ( r e dp h o s p h o l l l sa n dz i n cb o r a t e ) a n dp l a s t i c i z i n ga g e n to fp a r a f 行no i lw e r e m i n u t e l yd i s c u s s e d t h em o 印h o l o g i e so fc o m b u s t i o np r o d u c t sw e r ea l s o a n a l y z e dt or e v e a lt h e i rr o l e so ft h ea d d i t i v e si nt h ec o m b u s t i o np r o c e s so f e p d m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h en a m e r e t a r d a n t p r o p e i t i e so fe p d m w o u l db eg r e a t l y i m p r o v e dw h e ni t w a sf i l l e dw i t ha l a 略ea m o u n to f 北京化工大学硕士学位论文 h y d r o x i d e s t h ef l a m m a b i l i 哆p a r a m e t e r sa l s oi n d i c a t e dt h a tt h er e d p h o s p h o m sa n dz i n cb o r a t em i g h tp r o m o t et h ef l a m er e s is t a n tp e r f o m a n c e , b u tb o t hl e a dt om o r es m o k e ;t h ec a r b o nb l a c kw a sh e l p f h l i np r o m o t i n gt h e f 1 锄e 。r e t a r d a n tp r o p e n i e so fe p d mw h i l ep a r a f j f i no i lw a sh a m l 如le v i d e n t l y o nt h em e c h a n i c a lp r o p e n i e s ,ap r o p e ra m o u mo fc a r b o nb l a c kc o u l db e s i g n i f i c a n t l ye f r e c t i v e a1 a 玛ea m o u n tt h eh y d r o x i d ei sh a m l 向lo w i n gt ot h e w e a ki n t e r f a c ei n t e r a c t i o nb e t w e e ni t a n de p d mm a t r i x ,t h ep a r a 伍no i l w a s n ts oa d v e r s ew h e ni tw a su pt o4 0p h r h i g hp e 墒m a n c es t r i pc o u l d p r 印a r e db yt h i sb yt h i sm e t h o d ,w h i c hm a ya c h i e v et h ec o m p r e h e n s i v e p r o p e r t i e so f8 m p o nt e n s i l es t r e n 昏h ,7 5 3o nh a r d n e s s ( s h o r ea ) ,3 2 o n l o ia n d9 a o n a s t md 2 2 3 0b i nt h i sp 印e r ,e p d mm o d i f i e db yi f r ( n p 4 3 0 ) w a ss t u d i e d t h ee f r e c t s o fe l a s t o m e rm a t r i xi n c l u d i n ge x t r a - a d d e da c i ds o u r c ea n dc a 内o ns o u r c es u c h w e r ea n a l y z e d t h ee f r e c t so fn p 4 3 0 ,a sw e ua st h ei n g r e d i e n t ss u c ha s p a r a 历no i l ,c a r b o nb l a c k ,c a l c i u mc a r b o n a t e ,s i l i c o nd i o x i d e ,e x p a n d a b l e g r a p h i t e ( e g ) ,z i n cd i m e t h a c 巧l a t e ( z d m a ) a n dp h e n o lr e s i n ( p f ) o nt h e n 锄m a b i l i t yp r o p e r t i e so fe p d mw e r ee v a l u a t e d t h ef l a m er e t a r d a n c e m e c h a n i s mo fi f ro n1 1 j b b e rw a sa l s od i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t n p 4 3 0e x h i b i t e de x c e l l e mn a m er e s i s t a n c et oe p d m ,a n de x t r a a d d e da c i d s o u r c ee t h y l e n ev i n y la c e t a t e ( e v a ) a n dc a r b o ns o u r c eh i g hs t y r e n er e s i n ( h s ) c o u l d 如r t h e ri m p r o v ei t se 矗e c t w 1 1 e nt h em a s sr a t i oo fe p d m e v h sw a s 8 0 8 6 11 4a n dt h e 锄o u n to fn p 4 3 0w a s9 0p h r ,t h eh m i t e do x y g e ni n d e x i v 一 丝兰堡笪! ( l o i ) r e a c h e d4 7 6 t h ea d d i t i o no f p a r a f j f i no i lw a s e v i d e n t l yh a n i l 向lt ot h e f l a m e 。r e s i s t a n c eb u tl i t t l ee f f e c to nt h ei n t l l m e s c e n c e d u r i n gb u m i n g t h e c o m p o s i t ec o u l di n t u m e s c ew e nw i t has m a l l 锄o u n to f o 玛a n i cp a n i c l e ss u c h a sz d m aa n dp fi tw a sa l s of o u n dt h a tt h en o m a li n m m e s c e n c ew a s o b v i o u s l yr e s t r a i n e db ya d d i n gt h ei n o 玛a n i cf i l l e r ss u c ha sc a r b o nb l a c l ( c a l c i u mc a r b o n a t e ,s i l i c o nd i o x i d ea n de x p a n d a b l eg r a p h i t e ,s i n c et h eg a s e s r a no u td u r i n gc o m b u s t i o n a sa r e s u l t ,t h er o l eo fi f r w a sg r e a t l yw e a k e n e d t h i sp 印e rs t u d i e dt h en e wc o n c 印tn a m e - r e t a r d a ms y s t e mo fc a s i c o w h i c hw a sm a d eu po fe t h y l e n e a c 聊a t ec o p o l y m e r ,s i l i c o n ee l a s t o m e ra n d c h a l k h e a tt r e a t m e n tu n d e rd i a e r e n tc o n d i t i o n sh a sa l s ob e e np e r f o m e dt o o b t a i ni n s i g h ti n t om en a m er e t a r d a n tm e c h a n i s m t h ec o m b u s t i o np r o d u c t s w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ef l a m er e t a r d a n tm e c h a n i s mo f c a s i c ow a sc o m p l e xa n dw a sr e l a t e dt oam l m b e ro fr e a c t i o n s ,e g e s t e r p ”o l y s i so fa c 巧l a t eg r o u p s ,f o m a t i o no fi o n o m e rb yr e a c t i o nb e t w e e n c a r b o x y l i ca c i da n dc h a l ka n df o m l a t i o no f a ni n t u m e s c e n ts t m c t u r es t a b i l i z e d b y ap r o t e c t i n gc h 孤t h ea d d i t i o no f i n o 唱a n i cm a t e r i a l ss u c ha ss i l i c ar e s u l t e d i nc r a c l ( si nt h es u r f a c eo fc o m b u s t i o nr e s i d u e ,w h i c hi sh a r m 如lt of l a m e r e t a r d a n c y ,b u tt h ea d d i t i o no fa l u m i n i u mh y d r o x i d e s ( a t h ) c o u l ds t r e n g t h e n t h et h en a m er e t a r d a n c yo fc a s i c os y s t e ma saa b s o 印t i o no fh e a t t h ee f 瓷c t o f c r o s s l i n k i n gw i t hp e r o x i d ed c p w a sn o ts i g n 语c a n t 、e nt h em a s sr a t i oo f e b m v q c a c 0 3w a s5 0 2 0 3 0 ,t h em a s sr a t i oo fr e s i d u a lw a s2 7 2 a t 8 5 0 ,w h i c hi sm u c h1 a 唱e rt h a nt h em a s sr a t i oo fc a o t h e o r e t i c a l l ya tt h e v 北京化工大学顾仁学位论文 l e v e lo f16 8 t h e nt h en a m e r e t a r d a n t s y s t e mo fc a s i c oo b t a i n e da n e x c e l l e n tf l a m er e t a r d a n c y ,t h el o io ft h a tw a sa sh i g ha s3 2 5 1 ( e yw o r d s :e l a s t o m e r h a l o g e n - f r e e f l a m e r e t a r d a n t ,h y d r o x i d e ,i f r , m e c h a n i s m v i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 日i 苦l 1 2 弹性体材料的燃烧和阻燃机理2 1 2 1 弹性体材料的燃烧机理2 1 2 2 弹性体材料的阻燃机理2 1 3 阻燃弹性体材料的研究进展4 1 3 1 含卤弹性体的阻燃进展4 1 3 2 无卤弹性体的阻燃进展4 1 3 3c a s i c o 新概念膨胀型阻燃体系5 1 4 阻燃剂的研究进展6 1 4 1 含卤阻燃剂6 1 4 2 无机物阻燃剂一7 1 4 3 化学膨胀型阻燃剂9 1 4 4 物理膨胀型阻燃剂1o 1 4 5 硅系阻燃剂l l 1 4 6 协效阻燃机理1 1 1 5 橡胶燃烧实验方法与分析技术12 1 5 1 极限氧指数法13 1 5 2u l 一9 4 法13 1 5 3 锥形量热仪13 1 5 4 烟密度测试1 4 1 5 5 热分析法1 4 1 5 6 红外光谱分析谱图。1 4 1 5 7x 射线衍射15 1 5 8 扫描电镜15 1 6 本课题的目的和意义1 5 1 7 本课题的研究内容15 1 8 本课题的难点16 1 9 本课题的创新点1 6 北京化工大学硕十学位论文 第二章实验部分1 7 2 1 实验原料与仪器设备1 7 2 1 1 实验原料17 2 1 2 实验仪器18 2 2 实验方法18 2 2 1 无机物阻燃橡胶的加工工艺1 8 2 2 2 化学膨胀型阻燃橡胶加工工艺。1 9 2 2 3c a s i c o 新概念膨胀型阻燃体系加工工艺1 9 2 3 测试方法1 9 2 3 1 静态力学性能测试1 9 2 3 2 硬度测试2 0 2 3 3 水平燃烧性能测试2 0 2 3 4 垂直燃烧性能实验2 0 2 3 5 极限氧指数测定实验2 1 2 3 6 锥形量热仪实验。2 1 2 3 7 热失重分析天平实验2 1 2 3 8 扫描电镜分析21 2 - 3 9x 射线衍射2 l 2 3 1 0 热失重与红外分析联用2 1 第三章氢氧化物阻燃三元乙丙橡胶的制备及性能研究。2 3 3 1 前言2 3 3 2 氢氧化物阻燃三元乙丙橡胶力学性能的影响因素2 3 3 2 1e p d m 基体对性能的影响2 3 3 2 2 无机阻燃剂对性能的影响2 3 3 2 3 阻燃协效剂对性能的影响2 4 3 2 4 炭黑用量对性能的影响2 5 3 2 5 石蜡油用量对对性能的影响2 6 3 3 氢氧化物阻燃三元乙丙橡胶燃烧性能的影响因素2 7 3 3 1 无机氢氧化物对性能的影响2 7 3 3 2 阻燃协效剂对性能的影响2 9 3 3 3 炭黑对用量对性能的影响3 0 3 3 4 石蜡油用量对性能的影响3 2 目录 3 4 无卤阻燃密封条的制备3 3 3 5 本章结论3 3 第四章化学膨胀型阻燃三元乙丙橡胶的阻燃性能与机理3 5 4 1 前言3 5 4 2 基体橡胶、外加酸源和碳源的影响3 5 4 2 1 外加碳源和酸源对性能的影响3 5 4 2 2h s 和e v a 并用比例对性能的影响3 7 4 2 3e p d m 用量对性能的影响3 7 4 3i f r 用量对性能的影响3 8 4 4 增塑剂对性能的影响3 9 4 5 补强剂对性能的影响4 0 4 6 膨胀型阻燃e p d m 的燃烧产物的形貌4 1 4 7 本章结论4 3 第五章c a s ic o 阻燃体系的制备与性能及机理研究4 5 5 1 日i 言4 5 5 2c 商c 0 体系的阻燃机理研究4 5 5 1 1 材料的阻燃性能4 5 5 1 2 材料的热稳定性4 6 5 1 3 分解产物中的气体分析4 7 5 1 4 分解产物中的残渣分析5 l 5 1 5 阻燃机理总结5 4 5 2c a s i c 0 阻燃体系的制各与性能研究5 4 5 2 1 不同聚合物基体对性能的影响5 4 5 2 3 不同硅胶对性能的影响5 6 5 2 4 不同e b m v q 比例对性能的影响5 7 5 2 5 碳酸钙用量对阻燃性能的影响5 9 5 2 6 不同无机填充物的影响6 0 5 2 7 交联对阻燃性能的影响6 3 5 3 本章结论6 4 第六章结论与展望6 5 北京化工大学硕上学位论文 6 1 结论6 5 6 2 展望6 5 参考文献6 7 致谢7 3 研究成果及发表的学术论文:7 5 作者及导师介绍7 7 x c o n t 即t s c0 n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1f 0 n a r d l 1 21 1 1 eb u m i n g 锄d 丘r er e t 矾舭tm e c h a n i s mo fe l a s t o m e rm a t e r i a l l s 2 1 2 1t h eb u m i n gm e c h a n i s mo fe l a s t o m e rm a t e r i a l s 。2 1 2 2t h en 锄er e ta 】r d 锄tm e c h a n i s mo fe l a s t o m e rm a t e r i a l s 。2 1 3t h er e c e n tp r o g r e s so f t h en 锄e - r e t a r d a me l a s t o m e r 4 1 3 1h a l o g e n c o n t a i l l i n ge l a s t o m e r s 4 1 3 2h a l o g e n f 砘ee l a s t o m e r s 4 1 3 3t h en a m r - r e t a r d a n ts y s t 锄o f c a s i c o 5 1 4t h er e c e n tp r 0 罂e s so f t h ef l 锄er e t 莉a n t1 1 l b b e r 6 1 4 1h a l o g e nn 锄er e t a r d a n t s 6 1 4 2i i l o 硭r a n i cf l 锄er e t a r d a n t s 。7 1 4 3c h e m i c a li n n 】m e s c e n tf l a m er e t ,i r d a n t s 。9 1 4 4p y s i c a li n 劬 1 1 e s c e i l tf l 锄er e 伽d 锄t s 1 l 1 4 5s i l i c o nn a m er e t a r d a n t s 11 1 4 6t h es y n e r 酉s t i cf l 栅e - r e t a r d a n tm e c h a l l i s m 1 1 1 51 1 1 et e s ta n d 觚a l y s i st e c l l i l o l o g yo f n 锄e - r e t 删a n te l a s t o m e r 12 1 5 1 “m i to x y g e ni n d e xt e s t 1 3 1 5 2u l - 9 4 是,a d eo f h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lb u m i n g 13 1 5 3c o n ec a l o r i m e t e r 13 1 5 4s m o k ed e n s i t yt e s t 1 4 1 5 5 ,r h e 唧a la n a l y s i s 1 4 1 5 6f o 谢e ri n 矗a r e ds p e c 昀s c o p i ca n a l y s i s 1 4 1 5 7x - r a yd i m a c t i o n 15 1 5 8s c 猢i n ge l e c 仃o nm i c r o s c o p e l5 1 6t l l eg o a la 1 1 dm e 觚i n go f t h i ss u b j e c t 1 5 1 7t i l er e s e a r c hc o n t e n t so f “ss u b j e c t 1 5 1 8t h et e c h n i c a ld i 伍c u l t i e so f t h i ss u b j e c 1 6 1 9t h ei 衄o v a t i o np o i n t so f t h i ss u b j e c 1 6 北京化工大学硕十学位论文 c h a p t e r2 t h ep a r to fe x p e r i m e n t s 1 7 2 1t h ee x p e d m e l l tm a t e r i a l sa j l dt h ee q u i p m e n t s 。17 2 1 1t h ee x p e r i m e n tm a t e r i a l 17 2 1 2t h ee q u i p m e n t so fe x p e r i m e n t “l8 2 2e x p e r i m e n t a lm e m o d s 1 8 2 2 1t l l ep r o c e s st e c h o l o g yo f n 锄e - r e t 矾眦e p d mc o n t 赫n g h y d r o x i d e s 1 8 2 2 2t h ep r o c e s st e c h n 0 1 0 9 yo fc h 锄i c a li 砷啪e s c e n tf l a m e r e t a r d a i l te p d m 1 9 2 2 3t h ep r o c e s st e c h n o l o g yo fc a s i c 0i n n l m e s c 胁tn 锄e - r e t 矾a n ts y s t 锄19 2 3t h em e m o do f t e s t i n g 1 9 2 3 1t 1 1 et e s t i n go f m e c h a n i c a lp r o p e n i e s 1 9 2 3 2t h et e s t i n go f h a r d n e s s 2 0 2 3 31 1 1 et e s t i n go f h o r i z o n t a lb u m i n g 2 0 2 3 4t h e t e s t i n go f v e n i c a lb u m i n g 2 0 2 3 5t l l et e s t i n go f l i m i to x y g e ni n d e x 2 l 2 3 6t h et e s t i n go f c o n ec a l o r i m e t e r 2 1 2 3 7t h et e s t i n go f t h e m o 伊a v i m e t r i ca 1 1 a l y s i s 2 l 2 3 8t h et e s t i n go f s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e 2 l 2 3 9t h e t e s t i n go f x r a yd i f 行a c t i o n 2l 2 3 10t h et e s t i n go f t g f t i r 2l c h a p t e r3t h ep r e p a r i n ga n dp e r f o r m a n c eo fn a m e r e t a r d a n te p d i c o n t a i n i n gh y d r o x i d e s 2 3 3 1f o r w a r d 2 3 3 2t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f e p d m 2 3 3 2 1t h ee f f e c to fe p d mm a t r i x 2 3 3 2 2t h ee f f e c to f h v d r o x i d e s 2 3 3 2 3t 1 1 ee 仃e c to f m es y l l e 哂s t i cn 锄er e t 莉觚t s 2 4 3 2 4t h ee 行e c to f c a r b o nb l

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