劉西文

塑料在“輕量化”汽車中的應用及發(fā)展趨勢

劉西文

(湖南科技職業(yè)學院輕化工程學院,湖南長沙410118)

綜述了目前塑料在“輕量化”汽車發(fā)展進程中的應用進展,以及塑料用于制造汽車裝飾件、車身、動力系統(tǒng)等各系統(tǒng)零部件的主要品種及其制品性能。具體分析了我國車用塑料的生產(chǎn)和成型技術(shù)的現(xiàn)狀以及目前存在的汽車專用塑料品種少、標準混亂等問題。討論了車用塑料將向高性能、低成本、可回收、可降解的復合材料及塑料合金方向發(fā)展的趨勢。

汽車用塑料;輕量化;汽車部件;應用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

Abstract:The current application of plastics in“l(fā)ight weight”automobiles,with major plastic parts,body,decoration,and power systems was introduced.The problems of auto plastics production and processing technology in China,such as the lack of special grades and standards were analyzed.It was pointed out that the developing trend of auto plastics was composites and alloys of high performance,low cost,recoverableability,and degradableability.

Key words:auto plastics;light weight;automobile component;application status;development trend

0 前言

迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)在不斷改變世界,然而汽車尾氣的排放、油耗、廢品回收等問題已逐步使人們賴以生存的自然環(huán)境失去了往日和諧,因此在今后的年代里隨之而來的將是社會改變汽車,使汽車輕量化,從而更加節(jié)能、環(huán)保。據(jù)統(tǒng)計[1],汽車一般部件質(zhì)量每減輕1%,可節(jié)油1%,汽車運動部件質(zhì)量每減輕1%,可節(jié)油2%。為此2009年5月美國就已出臺了美國歷史上最嚴格的汽車燃料能效標準,該標準為美國客車和輕型卡車制定了清晰的“減排”和“省油”標準。塑料及其復合材料由于具有質(zhì)量輕(一般塑料的密度為0.19～1.15 g/cm3,纖維增強復合材料密度＜2.10 g/cm3),且耐腐蝕、比強度高、設計空間大、易于成型加工、易回收等特點,使汽車在輕量化、節(jié)能、安全性和制造成本等方面獲得更多的突破,從而成為了21世紀汽車工業(yè)最好的材料選擇。目前國際上已將每輛汽車塑料的用量作為衡量汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的標志之一。

1 塑料在汽車中的應用現(xiàn)狀

塑料在汽車中的應用一直被汽車工程界所重視。近些年來由于塑料材料的改性技術(shù)和加工技術(shù)的發(fā)展,塑料及其復合材料在功能結(jié)構(gòu)部件的應用領(lǐng)域不斷擴大,其在汽車中的用量也迅猛增加。據(jù)最新資料[2],全世界每年汽車用塑料總量約為4540 kt,其中美國每年約1720 kt、歐洲每年約為1360 kt。目前塑料在汽車中的用量約平均占汽車總質(zhì)量的8～12%,其中德國是世界上采用塑料汽車零部件最多的國家,每輛汽車平均使用塑料近300 kg,占汽車總消費材料的22%左右;法國Renault汽車公司小型轎車的塑料用量占汽車總質(zhì)量的15.5%;日本、美國等發(fā)達國家每輛轎車平均使用塑料已超過120 kg。預計到2030年,汽車平均用塑料量將達到500 kg以上[3]。目前塑料及其復合材料在汽車中被廣泛用作裝飾部件、車身、動力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等零部件,其零部件數(shù)量已有數(shù)百種之多。

1.1 汽車裝飾部件

汽車塑料裝飾部件一般分為內(nèi)飾件和外飾件。汽車的內(nèi)飾件主要是指門內(nèi)裝飾板、儀表板、頂棚、扶手等。這些部件相對于車上其他部件而言,不會影響車輛的整體運行性能,是汽車較早實現(xiàn)“塑料化”的零部件,且用量大,其用量高達整車塑料總用量的56%[4]。聚氯乙烯(PVC)因具有良好的剛性、化學穩(wěn)定性、阻燃性、電性能,且價格低廉,因此在以往的汽車內(nèi)飾件中應用較多。而由于汽車內(nèi)飾件逐步向高強、復合、美觀等方向發(fā)展,目前使用較多的是改性聚丙烯(PP)、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、不飽和聚酯片狀模塑料(SMC)及塑料合金等[5],如門內(nèi)裝飾板可用改性PP、ABS或SMC片材制成骨架,再將襯有聚氨酯(PU)發(fā)泡材料的滌綸表皮用真空成型的方法復合在骨架上形成一體,這種門內(nèi)裝飾板比鋼制產(chǎn)品便宜,比鋼制內(nèi)護板減重45%[6],而且隔熱性好,美觀。汽車儀表板有軟質(zhì)儀表板和硬質(zhì)儀表板,軟質(zhì)儀表板一般由骨架材料、表皮材料和緩沖材料3部分組成,一般以骨架為內(nèi)模,用真空吸塑法將表皮材料敷在骨架上,形成一層既美觀又有良好手感的表面。軟、硬質(zhì)儀表板目前所用材料及適用性如表1所示。

表1 汽車軟、硬質(zhì)儀表板目前所用材料及適用性Tab.1 Materials and their suitability for soft and hard instrument auto panels at present

近些年汽車外飾件也逐步實現(xiàn)了“以塑代鋼”,由于外飾件對材料的力學強度、美觀性能等方面要求高,目前主要采用高性能工程塑料及其合金、增強復合材料等制造,如聚甲醛(POM)、ABS或丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸酯共聚物(ASA)、聚碳酸酯(PC)/ABS、PC/聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、PC/聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)合金、SMC、聚酰胺/玻璃纖維(PA/GF)、環(huán)氧樹脂/碳纖維復合材料等[7]。車外門把手、門鎖采用POM制作,具有比剛度高(達2650,接近于金屬材料)、耐磨性好(對鋼的摩擦因素為0.15),特別是塑料合金啞光技術(shù)的發(fā)展,更使其具有美觀、手感好的特點。發(fā)動機罩主要采用纖維增強復合材料制造,如美國Plasan公司[8-9]環(huán)氧樹脂/碳纖維復合材料制造的發(fā)動機罩,彎曲模量達9.6×105MPa,重約5.44 kg,質(zhì)量為SMC發(fā)動機罩一半,產(chǎn)品成本可與SMC媲美。

1.2汽車車身

汽車輕量化,其中車身輕量化是非常重要的一個方面。目前世界各國均在進行車身塑料化(塑殼汽車)的開發(fā)研究。用于制造車身的塑料材料主要是 PP或PET/GF增強復合材料、PC/PBT、PC/ABS等合金。PET/GF增強復合材料具有優(yōu)良的成型性能、電性能和高耐熱性,即使在高溫下長時間使用,其力學性能仍有很高的保持率。美國 GE電器公司將PET與 PBT、PC等共混制成的Valox800 PET作為車身專用料,不僅具有良好的表面光澤和成型性,而且能在220℃的高溫下使沖擊強度達到648 J/m。對塑殼汽車而言,其關(guān)鍵是汽車穩(wěn)定性以及車架強度。據(jù)資料報道,德國尼奧普蘭公司[9]研制出的全塑殼大型轎車的質(zhì)量只是普通轎車的43%,可節(jié)省燃料20%～30%。它的一輛試驗車橫穿撒哈拉沙漠,能耐70℃的高溫,且與41 km/h時速的載貨汽車相撞時駕駛員和乘客均無損傷。另外塑殼汽車易組裝,成本低?？巳R斯勒汽車公司[10]用PET復合材料制造塑料車身,車身整體僅由6大部分組成(一般金屬車身需要大約80個部件),因此其裝拆方便、快捷,且表面不需噴涂,汽車的造價比普通汽車可降低一半。

1.3 汽車動力系統(tǒng)部件

目前汽車動力系統(tǒng)部件大部分均已是以塑料代替金屬材料來制造,特別是在轎車、面包車、小卡車上,用于其發(fā)動機室內(nèi)[11]使用的塑料大約占25%。它不僅質(zhì)量輕,而且強度高,耐腐蝕、耐熱性、吸音、耐磨性能優(yōu)良。美國采用一種耐熱型塑料通過玻璃纖維及碳纖維增強[11],制造的塑料發(fā)動機比金屬發(fā)動機約減重50%,試驗中省油率達到12%～15%,而且噪聲比金屬發(fā)動機低30%。巴斯夫公司[12]用天然橡膠改性PA復合材料制造了汽車輕型穩(wěn)定器,該穩(wěn)定器用于豪華型保時捷四門跑車 Pananmera上,它不但能夠十分可靠地承受高達650 N·m的發(fā)動機扭矩,而且具有良好的吸音效果,并且高強度可以保證汽車發(fā)動機的穩(wěn)固安裝,與相似功能的金屬組件相比可減重35%。采用高性能的POM、PA及其合金制造的汽車動力閥、齒輪等部件具有良好的自潤滑性和散熱性能,在使用性能方面明顯優(yōu)于普通金屬銅。用改性PA制作汽缸頭蓋等部件比金屬蓋可減重約50%,成本可降低約30%,彎曲強度可達206 MPa[13]。目前汽車動力系統(tǒng)部件主要用塑料材料如表2所示。

表2 汽車動力系統(tǒng)部件主要用塑料材料Tab.2 Major plastics for components of auto power systems

1.4汽車安全系統(tǒng)部件

汽車保險杠要求材料具有足夠的強度、剛性和耐沖擊性,以吸收汽車相撞時的沖擊能量,同時還應耐磨、耐熱、耐污染性以及具有良好的外觀等。目前用于制造保險杠的材料主要有高抗沖 PP、PC/PBT、PC/ABS、改性聚苯醚(MPPO)及 SMC等,這些材料本身的強度和韌性較高,可不加鋼襯,通過注射成型制成。中高檔車型中大都采用PC/PBT合金制造,它不僅具有較高的耐熱性和耐化學藥品性,而且還具有良好的力學性能,特別是有很高的沖擊強度。如巴斯夫公司[14]生產(chǎn)的PC/PBT合金Ultrablend,缺口沖擊強度達800 J/m以上。中低檔車型的保險杠目前主要采用高抗沖PP,它具有質(zhì)量輕、剛性及耐沖擊性良好、成本低、性價比高等特點,表3為國內(nèi)外一些企業(yè)PP保險杠專用料的主要性能。

表3 國內(nèi)外PP保險杠專用料的主要性能Tab.3 Main properties of special PP for bumpers at home and abroad

燃油箱是汽車的重要安全部件。目前一般均采用單層或多層復合結(jié)構(gòu)的塑料材料制造,如高密度聚乙烯(PE-HD)、高相對分子質(zhì)量高密度聚乙烯(PE-HMHD)、乙烯/乙烯醇共聚物(EVOH)、PA、聚酯等材料及其復合材料。它們不僅比金屬燃油箱質(zhì)輕,而且耐腐蝕性、阻透性能好,特別是多層復合共擠吹塑的燃油箱,在40℃下8周內(nèi)的平均燃油損失不超過20 g/24 h[14]。對于燃油箱所用的材料,不同的制造企業(yè)有自己不同的標準,如表4為國外一些企業(yè)燃油箱用塑料材料的主要性能指標。

汽車安全系統(tǒng)中的安全氣囊要求氣囊材料既耐高溫又耐低溫,同時還要有很高的沖擊強度、撕裂強度,以及小的斷裂伸長率。據(jù)報道,PA6、PA66和熱塑性聚酯彈性體(TPEE)等是制造安全氣囊的最佳材料[2、4、12]。但近幾年來聚烯烴彈性體(TPO)技術(shù)的突破性進展,以其具有較高性價比的優(yōu)點使其在汽車安全氣囊中的應用越來越廣泛。

表4 國外幾家企業(yè)汽車燃油箱用塑料材料的主要性能指標Tab.4 Main properties of plastics materials for oil containers of some foreign companies

1.5汽車照明系統(tǒng)部件

汽車照明系統(tǒng)部件主要有車窗玻璃、擋風玻璃、車燈等,目前基本上已經(jīng)塑料化,主要采用的材料是 PC或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等,它們不僅沖擊強度高、抗震吸音效果好、透光率可達90%以上[15],而且比無機玻璃減重約40%～50%。如沙伯基礎創(chuàng)新塑料開發(fā)出的一種新型實心 PC 板材——lexan UlG10031120Q板材,已成功應用于荷蘭世爵汽車新車型——世爵C8超級跑車的頂板、坐艙蓋和后三角窗上,具有高強度、清澈透明、輕巧和出色的耐刮擦性、耐候性等特性,同時還具有波動、失真和光學缺陷最小化等特點。而對于車前大燈,考慮到大燈玻璃的透明性、耐熱性、耐沖擊性以及易于成型性,多數(shù)采用表面涂覆硬膜的PC,從而進一步提高了耐擦傷性和耐候性,比玻璃鏡片更亮,更抗破碎,更具光學加工的準確性。

2 我國車用塑料發(fā)展狀況

我國是汽車工業(yè)的產(chǎn)銷大國,2009年我國產(chǎn)銷總量達1200萬輛[1,13],是全球第三大汽車生產(chǎn)國、第二大汽車消費市場。汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展為我國塑料工業(yè)帶來巨大的快速發(fā)展空間,車用塑料的用量以每年24.7%的速度大幅增長。2000年汽車工業(yè)用塑料總量約為320 kt,2005年約為520 kt,2009年約為1200 kt。其中經(jīng)濟型轎車每輛塑料用量約為50～60 kg;中高檔轎車約為60～80 kg,有的可達100 kg;輕、中型貨車約為80 kg,平均每輛汽車塑料用量占汽車自重的5 %～10%。近年來,我國在車用塑料零部件成型領(lǐng)域已開發(fā)了不少行之有效的新技術(shù),包括氣體輔助注射成型技術(shù)、可熔型芯技術(shù)、三維和多層中空成型技術(shù)、表面處理技術(shù)等。在汽車專用料的生產(chǎn)技術(shù)和改性技術(shù)上也取得了高速發(fā)展,開發(fā)了一系列汽車專用樹脂,形成了一定的自主品牌。如揚子石化[16]開發(fā)的 K8003、K9925、K9015、YPJ1215C等系列產(chǎn)品,形成了高、中、低等不同檔次的汽車專用料系列產(chǎn)品。

但我國汽車用塑料比起歐美發(fā)達國家還存在一定的差距。這主要是由于：一是我國汽車整車自主開發(fā)落后;二是車用塑料原材料工業(yè)相對落后,一方面,汽車專用塑料牌號少,產(chǎn)品性能不能滿足選材要求,需進口或采用改性塑料替代;根據(jù)富康等10種車型統(tǒng)計,我國汽車消費的各種塑料排列次序為 PP、PVC、PU、不飽和聚酯、ABS、酚醛樹脂、PE和 PA;汽車用塑料品種較多,材料標準混亂,不利于大批量生產(chǎn)與應用,需對汽車現(xiàn)用的塑料材料進行品種簡化;另一方面,我國缺乏生產(chǎn)汽車專用塑料的領(lǐng)頭企業(yè),現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小而分散,各有地盤和服務對象,技術(shù)水平不一,模具開發(fā)能力差,塑料制品品質(zhì)難以保證,塑料原料的選擇上逐步向強度更高、沖擊性能更好的復合材料或塑料合金發(fā)展。目前國家發(fā)改委已制定相關(guān)政策,積極鼓勵發(fā)展自主品牌汽車,加速汽車零部件的國產(chǎn)化進程,限定汽車的燃油消耗標準。這無疑給我國汽車零配件和塑料原料生產(chǎn)企業(yè)提供了一個絕好的發(fā)展機遇,當然在國際化的市場競爭中也會面臨嚴峻挑戰(zhàn),因為國外大品牌公司,如巴斯夫、沙伯基礎創(chuàng)新塑料等占有絕對市場優(yōu)勢、具有雄厚資金實力和高水平研發(fā)能力,國內(nèi)塑料企業(yè)只有更新觀念,把握機遇,注重自主開發(fā),尋求合作共贏,才能在國際化競爭中取得優(yōu)勢。

3 車用塑料未來發(fā)展趨勢

隨著“汽車塑料化”進程的不斷加速,以及人們對于汽車的使用、安全、環(huán)保等性能要求的不斷提高,對于車用塑料無疑也提出了更高要求,使得車用塑料向成本更低、強度更高、沖擊性能更好、可回收和可降解等復合材料及塑料合金方向發(fā)展。

3.1 通用塑料高性能化

PP、ABS密度小,具有良好的力學性能和加工性能,且成本低,其通過纖維增強和抗沖改性的品種用于汽車內(nèi)飾、儀表板、保險杠、輪罩等部件已被人們廣泛接受,其在汽車中的用量逐年增加,特別是在多功能汽車、小型車上的用量大幅增加。據(jù)統(tǒng)計[17],2009年每輛汽車 PP最高用量達60 kg,其中 PP改性復合材料用量為45 kg,純PP用量為15 kg,PP在汽車塑料件中約占50%。由于未來的汽車基于風格和法規(guī)的要求,保險杠、儀表板的尺寸進一步增大,這就要求材料具有良好的加工性。另外多功能和小型汽車產(chǎn)量在不斷增大,因此在未來汽車塑料應用中,車用塑料材料仍會以PP、ABS為主導,通過共混、共聚、纖維增強等各種改性和復合技術(shù),使其高性能化、工程化和功能化,進一步擴展塑料在汽車中的應用領(lǐng)域,降低汽車的制造成本。

3.2 高科技復合技術(shù)應用不斷增加

(1)增強材料高性能化、環(huán)?；?/p>

玻璃纖維增強塑料雖然可提高塑料的力學強度和耐熱性,但是存在脆性較大、加工流動性差、視覺疵點、易翹曲等缺點。因此應用其他高強質(zhì)輕的纖維增強塑料是今后復合增強材料的一個發(fā)展方向。最近寶馬、奔馳等公司[18]均已先后研制開發(fā)了高強質(zhì)輕的碳纖維復合材料(CFRP)用于車體板等部件,其剛性比普通鋼制部件還高,表面手感舒適。碳纖維作為汽車材料,最大的優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度大,質(zhì)量僅相當于鋼材的20%～30%,硬度卻是鋼材的10倍以上。

另外用天然纖維,如亞麻、劍麻增強塑料制造車身零件,在汽車行業(yè)也已經(jīng)得到認可[19]。一方面,由于天然纖維是環(huán)保材料,如用亞麻增強 PP制作車身底板,材料的拉伸強度比鋼要高,剛度不低于玻璃纖維增強材料,制件更易于回收;另一方面,植物纖維比玻璃纖維輕40%,可減輕車重,降低油耗。

(2)納米復合技術(shù)的應用

隨著納米塑料技術(shù)的發(fā)展,納米塑料以其具有優(yōu)異的力學性能耐熱性能和阻燃性能,及其抗菌、防輻射性能、耐老化等高附加功能,被譽為21世紀“最有前途的材料”[20],將會成為車用塑料的主流。由于納米粒子的尺寸效應、表面效應和強界面結(jié)合,在改性通用塑料 PE、PVC、PS、PS-HI、PP 及工程塑料 ABS、PA、POM、PET、PBT等時,使復合材料具有高的韌性、高強度、高模量、高耐溫等其他優(yōu)異性能。如美國Cascade工程公司[21]研究出的納米高流動性 PP(Forte35CPP091),密度為0.928 g/cm3,熔體流動速率達30.2 g/10 min,缺口沖擊強度為10.3 J/m(23 ℃)和6.76 J/m(-30℃),拉伸強度為26.1 MPa,彎曲強度為38.3 MPa,斷裂伸長率為16.8%,彎曲模量為1.66 GPa,熱變形溫度為114℃。該材料用于生產(chǎn)汽車部件不僅具有高的力學性能,而且還可減重10%～20%[22]。

用于納米復合材料的主要是一些無機剛性納米粒子、層狀無機物和納米碳管等,常用的有納米碳酸鈣(CaCO3)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦 (TiO2)、層狀硅酸鹽、云母等。納米復合材料主要采用溶膠-凝膠、插層復合、原位聚合和共混等技術(shù)進行制備。其中插層復合和共混復合技術(shù)既經(jīng)濟又實用,且易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。聚合物/層狀硅酸鹽納米復合技術(shù)是目前制備納米復合材料較為成熟的技術(shù),在一定的外力作用下,使層狀無機物發(fā)生層間剝離,碎裂成納米級的片層間距,使聚合物插入片層間,并且使片層均勻穩(wěn)定分散于聚合物中。日本豐田汽車公司已將PA/層狀硅酸鹽納米材料用來制造汽車發(fā)動機的配件[23]。共混納米復合技術(shù)比較簡單,適合各種形態(tài)的納米粒子,但目前技術(shù)上還存在納米粒子分散難的問題,需采用超聲波輔助分散及對納米粒子進行表面處理加以改善。

此外無機納米粒子對紫外線具有極好的吸收和反射能力[24],如將納米級 ZnO、TiO2等無機抗紫外線粉體混煉填充到塑料基材中可以制得紫外線防護因子(UPF值)高達20以上的抗紫外線塑料,這種塑料能夠吸收和反射波長為250～380 nm之間的紫外線,較普通塑料的抗紫外線能力提高20倍以上,能有效延長汽車部件的使用壽命。且由于納米粒子小于可見光波長,因此可制備透明和高光澤度零部件。無機納米粒子還具有廣譜抗菌性,抗菌率高,24 h接觸殺菌率達90%以上[25],其納米復合材料應用于車門把手、坐椅靠背、轉(zhuǎn)向盤、車身內(nèi)飾等部件可以顯著改善車內(nèi)(特別是出租車、公交車等)衛(wèi)生條件,防止疾病傳播。

(3)塑料合金的需求增大

工程塑料具有良好的力學性能,耐熱、耐酸、壽命長、可靠性好,有的還具有良好的自潤滑性等特點,是通用塑料無可比擬的,已被廣泛應用于汽車的結(jié)構(gòu)零部件,特別是汽車動力系統(tǒng)部件。據(jù)統(tǒng)計,2007年國內(nèi)工程塑料在汽車中的用量占總量的11.89%,其中PA在汽車中的應用達21.08%[26-27]。但工程塑料通常存在成型溫度高、成型加工難的缺點,而隨著塑料共混合金技術(shù)的發(fā)展,不僅可以改善工程塑料的加工性能,而且還可以制備高強度的優(yōu)良綜合性能的合金材料,如 PC/ABS、PPO/PA等,以滿足汽車部件的性能要求。

3.3 擴展材料的通用性

目前塑料及其復合材料在汽車中的應用有上百種之多,這對于產(chǎn)品的標準化及資源合理的開發(fā)應用、產(chǎn)品回收、分離篩選、再利用帶來很大困難。為了有效合理地利用能源及原材料、降低汽車成本,不同類型汽車部件采用統(tǒng)一的幾種材料類型,不僅可以擴大原料的生產(chǎn)規(guī)模,降低成本,而且還更有利于提高材料品質(zhì),也有利于廢舊車的回收處理。

3.4 生物塑料的應用

由于汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,隨之而來的是廢品回收處理問題,因此目前對汽車的環(huán)保性提出了更高要求。生物塑料具有可降解性,是未來汽車用材料的一大發(fā)展方向。豐田汽車公司[28]采用聚乳酸和洋麻的復合材料已研制開發(fā)了汽車輪胎罩和車墊,并打算到2015年逐漸將以往豐田汽車中的一些通用塑料部件全部采用生物制件代替,而且首先更換的是汽車內(nèi)飾件。

4 結(jié)語

隨著汽車向輕量化、環(huán)?；较虻陌l(fā)展,塑料及其復合材料的研究進一步深入,納米技術(shù)在生產(chǎn)中得到逐步應用,可以預料,在不久的將來,開發(fā)并使用全塑料汽車已不是夢想,一個塑料化的汽車工業(yè)時代即將到來。

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Application and Developing Trend of Plastics Used in“Light Weight”Automobiles

LIU Xiwen
(Institute of Light Chemical Engineering,Hunan Vocational College of Science&Technology,Changsha 410118,China)

TQ322

A

1001-9278(2010)12-0008-06

2010-05-12

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