Antihaftbeschichtungen auf Silikonbasis | Umweltbundesamt

Antihaftbeschichtungen auf Silikonbasis an der Ostseeküste

Diese Antihaftbeschichtungen basieren auf Silikonpolymeren, denen Hydrogele zugesetzt werden, um eine sowohl hydrophobe als auch hydrophile Grenzfläche zu schaffen. Die Beschichtungen sind weich wie Gummi und daher nicht beständig gegen hohe mechanische Belastungen.

Antihaftbeschichtungen wurden vor ca. 30 Jahren als biozidfreie Bewuchsschutzalternative für Schiffe und Sportboote entwickelt. Die Basis bildete Polydimethlysiloxan (PDMS) auf Grund seiner hydrophoben (Wasser abweisenden) und elastischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften reduzierten die Haftung der Bewuchsorganismen so stark, dass eine Selbstreinigung durch die Fahrt erwartet wurde. Zusätzlich zu dem PDMS-Gerüst wurden nicht-reaktive Silikonöle eingearbeitet, die durch ihr langsames Austreten an der Oberfläche die haftungsvermindernden Eigenschaften verstärken sollten. In früheren Zeiten wurden vor allem nicht-reaktive Polymere als ausschwitzende Silikonöle verwandt, die die Hydrophobie an der Oberfläche verstärken und gleichzeitig eine flüssikeitsgartige Oberfläche schaffen sollten [8, 9]. Da Bewuchsorganismen, die vorwiegend hydrophobe Oberflächen bevorzugen, auf diesen Antihaftbeschichtungen dennoch häufig zu finden waren, wurden später hydrophile (Wasser liebende) oder amphiphile (sowohl Wasser abweisende wie Wasser liebende) Substanzen eingesetzt. So sollte eine amphiphile Oberfläche geschaffen werden, welche keine Bestandteile des Bewuchses an sich binden sollten. Aktuell bestehen die meisten Antihaftbeschichtungen aus einem PDMS Basisgerüst mit hydrophilen oder amphiphilen Copolymeren, aber auch nach wie vor mit ausschwitzenden Silikonölen [1].

Bei der Erforschung von Antihaftbeschichtungen mit hydrophoben und hydrophilen Oberflächeneigenschaften wurden als hydrophile Substanzen Polyethylenoxid (PEO), oder Polyethylenglycol (PEG) mit hoher ⁠Resistenz⁠ gegen eine Anlagerung von Bewuchsorganismen eingesetzt. Besonders Polyethylenoxid wurde kürzlich in Silikone durch Vernetzung eingebracht [2, 3, 4]. In jüngster Zeit werden auch Polyphosphonate als Additive vorgeschlagen. Eines der entscheidenden Bedingungen für die Wirksamkeit der Silikon - basierten Antihaftbeschichtungen mit ausschwitzenden Blockpolymeren oder Silikonölen, PEG, oder Wachsen ist eine langlebige Ausschwitzung, die eine flüssigkeitsartige Oberflächenstruktur schafft. Diese Substanzen dürfen daher nicht leicht abbaubar sein, sondern sollen auf der Oberfläche lange verbleiben. Da sie zur ⁠Akkumulation⁠ in Sedimenten führten, wechselten die Hersteller zu abbaubaren Substanzen [1]. Diese Substitution wurde besonders durch Sediment-Untersuchungen in japanischen und chinesischen Häfen und in der Nähe von Kläranlagen gefördert, in denen sich der bio-akkumulierende, und toxische Charakter nicht abbaubarer Silikonöle gezeigt hatte [5, 6, 8, 9].

Als Teilaufgabe innerhalb des EU-Forschungsprojekts CHANGE [7] wurden verschiedene Versuche mit biozidfreien Bewuchsschutzsystemen durchgeführt. An der deutschen Küste wurden Feldversuche mit Antihaftbeschichtungen durchgeführt. Die Tests basierten auf Booten, bei denen sich die Eigner zuvor dafür entschieden hatten Antihaftbeschichtungen aufzubringen, und die bereit waren, dass ihre Boote jeweils im Herbst nach der Saison inspiziert wurden. Die Bedingungen, denen die Boote ausgesetzt waren, variierten sehr stark entsprechend der jeweiligen Aktivität der Eigner sowie durch die verschiedenen befahrenen Reviere. In den Langzeit-Tests sollte die Effektivität, die Zufriedenheit der Bootseigner sowie die Erfahrungen mit Reinigungen und Reparaturen bewertet werden.

Beispiel: Zingst

Applikation

Dieses inspizierte Motorboot ist ein kleineres Forschungsschiff der Universität Rostock, welches in den flachen Gewässern der Darß-Zingster Boddenkette und westlich von Hiddensee für biologische und hydrologische Untersuchungen operiert. Der Liegeplatz ist an der Biologischen Station Zingst. Das Boot wurde 2011 gebaut und besitzt eine Länge von 9,90 m, Breite von 3,20 m und einen Tiefgang von 1,0 m. Die Dienstgeschwindigkeit beträgt 8 Kn, aber auf Station und Fahrten liegt die Geschwindigkeit deutlich niedriger. Das Boot liegt von April bis Oktober im Wasser und wird im Winter an Land gelagert. Auf Grund dieses Operationsprofils bot sich an, eine biozidfreie Antihaftbeschichtung zu applizieren, bei der nicht die Gefahr besteht, dass sie im Winter durch Treibeis zerstört wird. Die professionelle Applikation der Beschichtung erfolgte im April 2016 in der Marina „Barther Yacht-Service“, welche zusammen mit der Schiffswerft Barth schon seit Jahren Versuche und Anwendungen von umweltfreundlichen Unterwasserfarben unterstützt und fördert.

Der Stahlrumpf wurde mit einem blauen Primer vor Korrosion geschützt, gefolgt von einem gelben Haftvermittler und dem Endanstrich in dunkelrot. Die Applikation erfolgte in der Halle des Barther Yacht Service, die auf 12° C erwärmt worden war.

Ergebnisse

Das Boot wurde in der ersten Mai Woche 2016 zu Wasser gelassen und zum ersten Mal im September direkt bei einem kurzfristigen Auswassern inspiziert und zum zweiten Mal beim Auswassern im November.

Abgesehen von einigen Moostierchen-Kolonien mit Durchmessern von 10 – 30 mm in der Rumpfmitte und wenigen Nesseltieren war der Rumpf bei der ersten Inspektion im September frei von Mikro- und Makrofouling. Die Haftung der Moostierchen war schwach, sodass sie leicht mit einer Gummilippe entfernt werden konnten. Die Gesamtbedeckung mit Moostierchen wurde auf 10 % der Unterwasserfläche geschätzt. Entlang der Wasserlinie war ein schmaler Biofilm-Streifen vorhanden. Nach der Inspektion wurde der Rumpf mit einem Hochdruckreiniger mit ca. 100 bar gereinigt. Ein Streifen in der Mitte des Rumpfes wurde ausgelassen, um zu prüfen ob die Moostierchen durch die Fahrt abfallen würden.

Anfang November 2016 wurde das Boot zum Einlagern in das Winterlager gekrant und direkt beprobt. Der Rumpf war zu diesem Zeitpunkt zu 70% mit einem Biofilm bedeckt während die Bedeckung mit Moostierchen und Nesseltieren nur bei 5% lag. Zudem waren einzelne Seepocken vorhanden. Die Moostierchen besaßen eine sehr geringe Haftung und fielen schon beim Auswassern ab. Auch die Haftung des Biofilms war sehr gering und konnte mit einer Gummilippe leicht entfernt werden.

Der Rumpf wurde wiederum nach der Inspektion mit einem Hochdruckreiniger (100 bar) gereinigt. Nach der Reinigung waren noch einige Moostierchen auf der nach wie vor intakten Beschichtung vorhanden. Die im Tunnel des Querstrahlruders auch nach der Reinigung noch vorhandenen Seepocken zeigten, dass das Boot unter hartem Bewuchsdruck steht. Das Boot wurde mit einem Kran angehoben, dessen Gurte nicht miteinander verkreuzt waren. Durch die glatte Oberfläche der Beschichtung rutschen die Gurte und führten zu leichten Beschädigungen der Beschichtung.

Das Boot war im November 2017 aus dem Wasser gehoben, aber nicht inspiziert worden. Das Boot war in der Saison 2017 von April bis November nicht viel gefahren worden und hatte nur 20 Tage auf See verbracht. Im August war es kurz aus dem Wasser gehoben und mit einem Hochdruckreiniger gereinigt worden. Bei dem Auswassern im November 2017 war der Rumpf dicht mit Makrofouling-Organismen bewachsen, wobei Moostierchen dominierten. Nach Auskunft der Werft in Barthe mussten bis 2022 immer nur beschädigte Stellen ausgebessert werden. Bis auf diese Stellen blieb die gesamte Beschichtung intakt und wirksam.

Direkt nach dem Kranen war der Rumpf mit einem Hochdruckreiniger mit 150 bar gereinigt worden. Bei der Inspektion im Februar 2018 zeigte sich eine intakte Beschichtung frei von jeglichem Bewuchs. Lediglich im Bugbereich traten lokale Beschädigungen auf und einige schwach haftende Reste von Moostierchen-Kolonien waren sichtbar.

Beispiel: Travemünde

Dieses Segelboot hat eine Länge von 9 m, eine Breite von 3 m und einen Tiefgang ohne Schwert von 0,5 m. Das Schwert ist aufholbar, so dass auch sehr flache Gewässer befahren werden können. Das Boot wurde im April 2013 mit der Antihaftbeschichtung versehen, nachdem alle alten Beschichtungen bis auf den Gel Coat herunter, entfernt worden waren. Danach wurden der Primer, der Haftvermittler und die Endschicht aufgetragen. Der Liegeplatz des Bootes ist Travemünde, einer der Ostseehäfen an der deutschen Küste mit dem stärksten Bewuchsdruck. In diesem Hafen werden sonst nur Kupferantifouling-Beschichtungen mit einem Kupfergehalt von 20% als wirksam empfohlen. Trotzdem werden diese so behandelten Boote in der Mitte der Saison aus dem Wasser gehoben und mit dem Hochdruckreiniger gereinigt, da sonst ein zu starker Bewuchs entsteht.

Das Boot wurde im Oktober 2015 gekrant und zeigte einen irregulär verteilten Biofilm, Nesseltiere und einzelne Seepocken auf dem Rumpf, welche mit einem Schwamm entfernt werden konnten. Anschließend wurde der Rumpf mit einem Hochdruckreiniger unter Einsatz von 200 bar gereinigt. Dieses war die übliche Praxis in dieser Marina, obwohl solche Art der Reinigung in diesem Fall nicht nötig gewesen wäre und eine Reinigung mit einem Schwamm oder einem Tuch dasselbe Ergebnis erbracht hätte.

Nach der Reinigung war der Rumpf völlig frei von Bewuchs bis auf das Schwert, welches zuvor nicht korrekt beschichtet werden konnte.

Zusätzlich zu der Antihaftbeschichtung war das Boot mit einem Ultraschallsystem mit einem Überträger ausgerüstet. Da nur ein Überträger angebracht worden war, ist davon auszugehen, dass das Ultraschallsystem nicht an der Bewuchsverhinderung effektiv beteiligt war.

Das Boot wurde zum zweiten Mal im November 2016 in Travemünde inspiziert. Das Boot war einige Tage zuvor aus dem Wasser genommen worden und der Rumpf mit dem Hochdruckreiniger unter Einsatz von 100 bar gereinigt worden. Die Bewuchsgemeinschaft auf dem Rumpf setzte sich vor allem aus Moostierchen zusammen mit einem Bedeckungsgrad von ca. 20%. In der Saison 2016 war das Boot im April zu Wasser gelassen worden und Ende Oktober gekrant. Das Boot wurde jedes zweite Wochenende in der süd-westlichen Ostsee bewegt.

In der Saison 2017 wurde das Boot im April zu Wasser gelassen und im Oktober wieder ausgekrant. In 2017 wurde das Boot nur dreimal für kurze Ausfahrten bewegt. Beim Herausheben des Bootes im Oktober war der Rumpf völlig frei von Mikro- wie Makrofouling. Trotzdem wurde das Boot mit einem Hochdruckreiniger, aber verminderter Leistung von 40 bar gereinigt. Abgesehen von einigen mechanischen Beschädigungen im Bugbereich war die Beschichtung intakt. Das aufholbare Schwert wies Beschädigungen an den Kanten auf. Auch bei diesem Boot reichte es bis 2022, die beschädigten Stellen auszubessern. Erst dann wurde eine komplette Neubeschichtung mit der Silikonbeschichtung vorgenommen.

Beispiel: Neustadt

Ein Segelboot vom Typ Bavaria Cruiser 40 mit einer Länge von 13,10 m, eine Breite von 3,99 m und einen Tiefgang von 1,85 m wurde ebenfalls mit einer Antihaftbeschichtung auf Silikonbasis versehen. Der Liegeplatz ist in der Neustädter Bucht mit relativ hohem Bewuchsdruck. Das Boot wird vor allem in der westlichen und südwestlichen Ostsee ca. jedes zweite Wochenende gefahren. Die Antihaft-Beschichtung wurde im März 2014 aufgetragen und die erste Inspektion erfolgte im August 2014. Zu diesem Zeitpunkt war der Rumpf nur von einem Biofilm entlang der Wasserlinie bedeckt sowie einzelnen Seepocken.

Die zweite Inspektion erfolgte am Ende der Segelsaison 2014 und zeigte nur einen Biofilm entlang der Wasserline, einige irregulär verteilte Moostierchen-Kolonien und einzelne Seepocken auf dem Rumpf.

Ähnlich wie in der Saison 2014 war das Boot in 2015 jedes zweite Wochenende bewegt worden. Im Winter 2014 war der Top Coat an Backbord von der Bootsmitte bis zum Heck aufgefrischt worden. Nach der Saison 2015 wurde das im November aus dem Wasser genommen. Der Rumpf war dicht mit zahlreichen Moostierchen-Kolonien bedeckt zwischen denen sich verstreut Nesseltiere angesetzt hatten. Die Haftigkeit der Kolonien war sehr gering, so dass sie mit dem Finger leicht abgeschoben werden konnten. Die Reinigung des Rumpfes erfolgte mit einem Hochdruckreiniger unter Einsatz von ca. 100 bar und war anschließend völlig frei von Bewuchs und wie sich an den abperlenden Wassertropfen zeigte, hatte die Beschichtung ihre hydrophoben Eigenschaften behalten. Trotz der Auffrischung des Top Coats an Backbord konnte kein Unterschied in der Bewuchsentwicklung festgestellt werden.

In 2016 war der Liegeplatz des Bootes weiterhin Neustadt und das Boot wurde wiederum relativ intensiv alle 2 Wochen in der westlichen Ostsee gefahren. Das Boot wurde im Oktober aus dem Wasser genommen und unmittelbar danach besichtigt. Der Rumpf war zu ca. 60% mit Moostierchen bedeckt. Es wurden keine anderen Bewuchsorganismen beobachtet. Die Besiedelung durch die Moostierchen war so dicht, dass die Kolonien teilweise miteinander verschmolzen. Trotz des hohen Bedeckungsgrades war die Haftung der Moostierchen sehr gering, so dass sie mit einer Gummilippe leicht entfernt werden konnten. Trotzdem wurde der Rumpf mit einem Hochdruckreiniger mit 100 bar gereinigt, was eine halbe Stunde in Anspruch nahm. Trotz dieses Bewuchsbildes war der Bootseigner mit der Beschichtung zufrieden, da während der Saison keinerlei Geschwindigkeitsverlust festzustellen gewesen war.

Im März 2017 wurde das Boot zu Wasser gelassen und im November wieder gekrant. Die Aktivität war deutlich niedriger als in den Vorjahren. Es wurde bis September überhaupt nicht bewegt, es fanden nur zwischen September und Oktober 3 kürzere Ausfahrten statt. Beim Auswassern war der Rumpf abermals dicht mit Moostierchen und einigen Seepocken bedeckt. Die Reinigung erfolgte wieder mit dem Hochdruckreiniger bei 100 bar und dauerte eine halbe Stunde, anschließend war der Rumpf völlig frei von Bewuchs und die Beschichtung nach wie vor intakt.

Beispiel: Neuhof, Strelasund

Dieses Boot hat eine Länge von 11,70 m, eine Breite von 3,60 m und einen Tiefgang von 1,75 m und wurde im April 2014 mit einer Antihaftbeschichtung versehen. Der Liegeplatz ist Neuhof am Strelasund. Von dort wurden die Gewässer rund um Rügen und die Darß-Zingster Boddenkette jedes zweite Wochenende befahren. Bei der Auswasserung im November 2016 war der Rumpf fast ausschließlich mit Moostierchen in einem Bedeckungsgrad von 60 % bewachsen. Die anschließende Reinigung erfolgte auf Wunsch des Eigners nur mit Schwamm und Wasser und dauerte nach Angaben der Bootswerft ca. 3 Stunden. Diese Art der Reinigung war teurer als die Reinigung mit einem Hochdruckreiniger. Der Eigner nahm aber die Mehrkosten zur Schonung der Beschichtung in Kauf. Nach der Reinigung war der Rumpf frei von Bewuchs und komplett intakt. Wie am Querstrahlruder und am Propellerschaft sichtbar war, war das Boot einem hohen Bewuchsdruck ausgesetzt. Seit 2014 ist die Beschichtung nicht aufgefrischt worden.

Die zweite Inspektion fand nach der Saison 2017 im Februar 2018 statt. Nach dem Auswassern des Bootes wurde der Rumpf wiederum gründlich mit Schwamm und Wasser gereinigt. Bei der Inspektion im Februar war die Beschichtung völlig frei von Bewuchs und intakt.

Beispiel: Barth, Darß-Zingster Boddenkette

Das Boot mit einer Länge von 12,10 m, einer Breite von 4,04 m und einem Tiefgang von 2,05 m wurde im Frühjahr 2014 mit einer Antihaftbeschichtung versehen. Das Boot mit Liegeplatz in Barth, wird sehr unregelmäßig in der Darß-Zingster Boddenkette bewegt. Nach Angaben der Bootswerft ist das Boot im Oktober 2015 ausgewassert worden und der Rumpf war nur mit einem schwach haftenden Biofilm und wenigen Seepocken bedeckt. Der Bewuchs konnte leicht mit Schwamm und Wasser entfernt werden. Die erste Inspektion fand im April 2016 im Winterlager auf der Bootswerft statt. Der Rumpf wurde zuvor gereinigt und war völlig frei von Bewuchs. Eine Ausnahme stellte die Unterseite des Kiels dar, von der offenbar durch Bodenkontakt die Beschichtung abgerieben wurde. Die Unterseite war stark mit Seepocken bewachsen, somit wurde deutlich, dass das Boot unter starkem Bewuchsdruck stand.

Das Boot wurde im November 2016 gekrant, und der Rumpf zeigte einen dichten Bewuchs mit einem Bedeckungsgrad von 80 % durch Moostierchen. Direkt nach dem Auswassern wurde der Rumpf mit Schwamm und Wasser gereinigt, welches ca. 3 Stunden in Anspruch nahm. Einige Reste von Moostierchen-Kolonien blieben haften. Der unbeschichtete Schaft des Sail Drive’s war wiederum dicht mit Seepocken bewachsen. Trotz des Mehraufwands bei der Reinigung ist der Eigner mit der Beschichtung nach wie vor zufrieden und hält auch eine Auffrischung des Top Coat‘s seit der Applikation in 2014 nicht für notwendig.

Auch bei der dritten Inspektion im Februar 2018 war der Rumpf zuvor mit Schwamm und Wasser von Hand gereinigt worden. Der Bugbereich war völlig frei von Bewuchs und die Beschichtung intakt. Mittschiffs erschien eine große Fläche auf den ersten Blick stumpf, offensichtlich lag es an einer unzureichenden Reinigung, da der Biofilm nicht entfernt worden war. Deutlich wurde dies auch an den Bereichen, wo die Gurte angelegt worden waren. Auf den gereinigten Flächen waren noch Reste von Moostierchen-Kolonien verblieben.

Fazit

Seit mehreren Jahren sind silikonbasierte Antihaftbeschichtungen auf dem Sportbootmarkt erhältlich. Sie werden als Beschichtungen angeboten, die eine Entfernung aller existierenden Antifouling-Beschichtungen bis auf das Rumpfmaterial erfordern oder mit einem Haftvermittler/Sealer aufgebracht werden können. Zugleich sind Antihaftbeschichtungen als selbstklebende Folien im Handel, welche auf einen beliebigen Primer aufgebracht werden können. Beide Verfahren sind anspruchsvoll, können aber je nach Empfehlung der Hersteller im „Do it yourself“ Verfahren durchgeführt werden.

Einige Hersteller empfehlen eine Auffrischung des Top Coat‘s nach ein bis zwei Saisons. Da statt persistenter Silikonöle zunehmend abbaubare oberflächenaktive Substanzen wie Hydrogele, oder Wachse eingesetzt werden, bedarf es nach deren Abbau einer Auffrischung.

Die Langzeittests entlang der deutschen Ostseeküste zeigten eine gute Performance und Beständigkeit der Antihaftbeschichtungen über Zeiträume von 3 – 5 Jahren. Die Bewuchsverhinderung war besonders in solchen Häfen überraschend, in denen ein sehr hoher Bewuchsdruck herrscht. Inzwischen liegen auch vergleichbare Ergebnisse von der deutschen Nordseeküste vor.

Dennoch liegt die Wirksamkeit dieser Beschichtungen nicht in der völligen Bewuchsfreiheit des Rumpfes, sondern in der Verminderung der Haftfestigkeit der Bewuchsgemeinschaft und einer gewissen Selbstreinigungsfähigkeit bei Fahrt. Der Bewuchs konnte in allen Fällen mit Schwamm und Wasser oder mit einem Hochdruckreiniger entfernt werden. Eigner müssen sich an diese Art der Bewuchsverhinderung gewöhnen und akzeptieren, dass sie nicht einen völlig bewuchsfreien Rumpf erwarten können. Bleibt der Bewuchs auch nach Fahrt haften, ist zu empfehlen während der Saison entweder am Kran oder im Wasser den Bewuchs zu entfernen. Dieses ist insbesondere sinnvoll, wenn Lot und Logge nicht mehr ansprechen.

Da den heutigen Produkten auch hydrophile, also wasserlösliche Substanzen zugefügt werden, sollte überlegt werden, ob eine Reinigung mit dem Hochdruckreiniger die adäquate Reinigungsmethode ist. Diese entfernt die wasserlöslichen Bestandteile stärker aus dem Top Coat als eine schonende Reinigung mit Schwamm und Wasser. So können sich die Eigner zwischen den Kosten für eine Auffrischung oder den Mehrkosten für eine Handreinigung entscheiden, falls sie diese beauftragen.

Die deutliche Zunahme des Anteils von Moostierchen in der Bewuchsgemeinschaft deutete auf die zunehmende Hydrophobie der Beschichtung hin. Moostierchen lieben Wasser abweisende Oberflächen. Gleichzeitig deutete sich eine Verminderung der hydrophilen bzw. wasserlöslichen Verbindungen an, die offenbar ausgewaschen wurden. Die Moostierchen sind in aller Regel sehr flach aufwachsend und ragen nur wenige Millimeter aus der Oberfläche hervor. Daher rufen sie nur eine geringe Zunahme des Reibungswiderstandes hervor, so dass diese Bewuchsgemeinschaft von vielen Eignern toleriert wird und die Beschichtung häufig nicht aufgefrischt wird.

Bezüglich der Überarbeitung der Beschichtung für eine Auffrischung oder Reparatur, wird eine leichte Aufrauhung der Oberfläche mit einem rotierenden harten Schwamm empfohlen. Tiefergehende Beschädigungen müssen bis zu dem Primer herausgeschnitten und neu aufgebaut werden.

Abschließend können die Ergebnisse der Langzeittests folgendermaßen zusammengefasst werden:

• Die Wirksamkeit der Beschichtungen war sehr unterschiedlich in Bezug auf die Entwicklung einer Bewuchsgemeinschaft. Dagegen war die Haftfestigkeit des vorhandenen Bewuchses bei allen Booten sehr gering. Der Bewuchs konnte daher immer ohne Beschädigung der Oberfläche entfernt werden.
• Auf Booten mit geringer Aktivität war die Bewuchsentwicklung entweder extrem gering oder stark entwickelt, ohne dass plausible Gründe erkennbar gewesen wären.
• Trotz der sehr unterschiedlichen Performance der Beschichtungen waren alle Eigner mit den Produkten zufrieden und hatten nicht vor, wieder auf ein biozidhaltiges Antifouling-Produkt umzusteigen. Trotz des höheren Preises dieser Beschichtungen oder Folien im Verhältnis zu biozidhaltigen Produkten, ist bei einer Standzeit von 5 Jahren ein ökonomischer Vorteil gegeben.

Referenzen

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