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KR101926865B1 - 전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법 및 이에 의해 제조되는 멀티레이어 강판 - Google Patents

전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법 및 이에 의해 제조되는 멀티레이어 강판 Download PDF

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KR101926865B1
KR101926865B1 KR1020120071443A KR20120071443A KR101926865B1 KR 101926865 B1 KR101926865 B1 KR 101926865B1 KR 1020120071443 A KR1020120071443 A KR 1020120071443A KR 20120071443 A KR20120071443 A KR 20120071443A KR 101926865 B1 KR101926865 B1 KR 101926865B1
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KR
South Korea
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conductive polymer
polymer film
steel sheet
adhesive
weight
Prior art date
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KR1020120071443A
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English (en)
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KR20140002423A (ko
Inventor
오영현
김태정
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현대자동차주식회사
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Publication date
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Priority to KR1020120071443A priority Critical patent/KR101926865B1/ko
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Abstract

본 발명은 차량용 강판의 제조 방법에 관한 것으로서, 전도성 고분자 수지를 사용하여 점 용접이 가능하면서도 차열 성능을 동시에 가지는 멀티레이어 구조의 강판을 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 강판 위에 접착제를 도포하는 단계; 상기 접착제 위에 전도성 고분자와 글라스 버블을 함유한 전도성 고분자 필름을 적층하는 단계; 상기 전도성 고분자 필름 위에 접착제를 도포하는 단계; 상기 전도성 고분자 필름에 도포된 접착제 위로 또 다른 강판을 적층하는 단계; 및 상기 두 강판과 전도성 고분자 필름의 적층물을 가열장치와 압연롤러로 통과시켜 가열과 동시에 압연함으로써 상기 전도성 고분자 필름이 형성하는 전도성 고분자층이 상기 두 강판 사이에서 접착제에 의해 일체화된 멀티레이어 구조의 강판을 완성하는 단계;를 포함하는 전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법을 제공한다.

Description

전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법 및 이에 의해 제조되는 멀티레이어 강판{Method for manufacturing multi-layer steel plate having conduction and thermal insulation properties, and multi-layer steel plate manufactured by the same}
본 발명은 차량용 강판의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전도성 고분자 수지를 사용하여 점 용접이 가능하면서도 차열 성능을 동시에 가지는 멀티레이어(multi-layer) 구조의 강판을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
최근 CO2 배출량의 규제가 엄격해지고 있는 가운데 유가가 급상승하고 있는 관계로 대부분의 자동차 제조 회사에서는 차량 경량화를 통한 연비 개선에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다.
이러한 차량 경량화의 노력에 있어서 무엇보다 큰 비중을 차지하고 있는 것이 차체의 경량화이며, 차체를 구성하는 각종 패널을 위한 보다 경량화된 소재의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
통상적으로 차체 경량화를 위해서는 차체용 패널 소재인 강판의 두께를 축소하는 것이 일반적이지만, 이 경우 강판의 얇은 두께로 인해 강성 및 덴트(dent)성이 저감되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 고분자 수지를 사용한 멀티레이어 구조의 복합재 강판이 개발되고 있지만, 이들 복합재 강판은 강판 사이에 개재된 고분자 수지층으로 인해 강판 양면 간의 전도성을 가지지 못하므로 차체 대량 생산의 필수 공정인 점 용접(spot welding)이 불가능하다는 단점을 가진다.
상기한 복합 소재의 강판은 차량 경량화의 목적과 더불어 소음 및 진동이 발생하는 부품의 제진 강판으로도 사용될 수 있는데, 이러한 제진 강판은 강판과 강판 사이에 점탄성 수지층을 형성시켜 진동을 흡수 또는 감소시키는 기능을 가지도록 제작한 강판을 말한다.
이러한 제진 강판은 소음 및 진동이 발생하는 부위에서 소음 및 진동에너지를 열에너지와 같은 다른 종류의 에너지로 변환시키며, 고온 환경에 주로 노출되는 부품의 경우 고온용 수지가 사용된 강판이, 차체 부품 등에는 상온용 수지가 사용된 강판이 사용될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 복합재 강판의 구성을 나타내는 단면도로서, 강판(11)과 강판(12) 사이의 중간층으로서 강도 향상 또는 제진을 목적으로 하는 수지층(14)이 개재된 강판 구조를 보여주고 있다.
도 1에서 도면부호 13은 강판과 수지층을 접착 고정하는 접착제층을 나타낸다.
그러나, 도시된 바와 같이 중간층에 고분자 수지를 사용한 강판(10)의 최대 단점은 강판(11,12) 사이의 수지층(14)이 절연층으로 작용하여 전기가 통하지 않으므로 점 용접이 불가능하다는 점이다.
절연층에 의해 점 용접이 불가능할 경우 자동차 등의 대량 생산 소재로 적합하지 않으며, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 용접 지그 변경이나 기존 차체 공정 라인의 개조 등이 필요하고, 이는 큰 비용 상승을 유발한다.
또는 강판을 접합함에 있어서 용접 대신 강판을 기계적으로 접합하여야 하는데, 이 역시 고가의 장비를 필요로 하므로 비용 상승의 요인이 된다.
더불어 종래의 차체 패널의 경우 충분한 차열 성능을 제공하지 못하므로 여름철 차량 내부의 온도 상승을 억제하는 효과를 기대하기 어렵고, 에어컨의 과다 사용으로 인한 차량 연비 저하를 억제하는데 큰 도움을 주지 못한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 전도성 고분자 수지를 사용하여 점 용접이 가능하면서도 차열 성능을 동시에 가지는 멀티레이어 구조의 차량용 강판을 제조하는 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 강판 위에 접착제를 도포하는 단계; 상기 접착제 위에 전도성 고분자와 글라스 버블을 함유한 전도성 고분자 필름을 적층하는 단계; 상기 전도성 고분자 필름 위에 접착제를 도포하는 단계; 상기 전도성 고분자 필름에 도포된 접착제 위로 또 다른 강판을 적층하는 단계; 및 상기 두 강판과 전도성 고분자 필름의 적층물을 가열장치와 압연롤러로 통과시켜 가열과 동시에 압연함으로써 상기 전도성 고분자 필름이 형성하는 전도성 고분자층이 상기 두 강판 사이에서 접착제에 의해 일체화된 멀티레이어 구조의 강판을 완성하는 단계;를 포함하는 전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 전도성 고분자 필름으로 필름의 전체 중량 100 중량%에 대해 2 ~ 10 중량%의 글라스 버블을 함유한 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전도성 고분자 필름으로 전도성 고분자인 폴리피롤을 함유한 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직한 실시예에서, 상기 전도성 고분자 필름은 폴리피롤 40 ~ 50 중량%, 필름 성형용 고분자 물질 42 ~ 52 중량%, 무기 충전제 3 ~ 6 중량%, 글라스 버블 2 ~ 10 중량%을 함유한 것임을 특징으로 한다.
또한 상기한 제조 과정에서 압연롤러 전단 및 후단의 가열장치를 이용하여 압연 직후까지 강판을 가열해주는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 상기한 제조 방법에 의해 제조되는 것으로서, 전도성 고분자와 글라스 버블을 함유한 전도성 고분자층이 두 강판 사이에서 접착제층에 의해 접착 고정된 적층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전도성 및 차열성을 갖는 멀티레이어 강판을 제공한다.
이에 따라, 본 발명의 제조 방법에서는 차열용 충전제인 글라스 버블을 함유한 전도성 고분자 필름을 사용하여 중간층을 형성하므로 전도성과 차열성을 동시에 가지는 멀티레이어 강판을 제조할 수 있으며, 차량용 강판 제조에 있어서 점 용접을 위한 전도성 확보, 경량화와 동시에 두께 증가로 인한 강성과 덴트성 향상, 글라스 버블에 의한 차열 성능 확보가 모두 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 복합재 강판의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 멀티레이어 강판의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티레이어 강판에서 전도성 고분자 필름에 사용되는 글라스 버블을 나타낸 도면이다.
도 4는 전도성 고분자 필름을 사용하여 본 발명의 강판을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 강판과 강판 사이에 중간층으로서 전도성 고분자층을 갖는 멀티레이어(multi-layer) 구조의 차량용 강판을 제조할 수 있는 방법에 관한 것으로서, 상기 전도성 고분자층을 형성하기 위해 전도성 고분자를 사용하되, 차열 성능을 발휘하는 글라스 버블(glass bubble)을 차열용 충전제로 함께 사용하여 점 용접(spot welding)이 가능하면서도 차열 성능을 동시에 발휘할 수 있는 차량용 강판의 제조 방법에 관한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 멀티레이어 강판의 구성을 나타내는 단면도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 2장의 강판(11,12)을 접합하여 일체의 멀티레이어 강판(10)을 제조하며, 이때 두 강판(11,12) 사이에 전도성 고분자층(15)을 형성하는 전도성 고분자 필름을 개재 및 접착하여 제조하는 점에 주된 특징이 있다.
즉, 하나의 강판(11) 위에 접착제(접착제층을 이루게 됨)를 도포한 뒤 전기가 흐를 수 있는 전도성 고분자 필름을 적층하고, 이어 전도성 고분자 필름 위에 다시 접착제를 도포한 뒤 그 위로 다시 강판(12)을 적층하여 접착함으로써, 두 강판(11,12) 사이에 전도성 고분자 필름으로 이루어지는 전도성 고분자층(15)이 접착제층(13)에 의해 일체화된 멀티레이어 구조의 강판(10)을 제조하는 것이다.
이와 같이 멀티레이어 구조를 이루는 강판(11)과 강판(12) 사이에 전도성 고분자층(15)을 삽입하는 것은 최종 완성된 멀티레이어 강판(10)의 전기전도성을 확보하기 위한 것으로, 전도성 고분자 필름을 두 강판(11,12) 사이에 접착하여 중간층(본 발명에서는 전도성과 더불어 강판의 차열성을 갖게 함)인 전도성 고분자층(15)을 형성함으로써, 최종 완성된 일체의 강판(10)이 전도성을 가지게 되고, 이로써 상기 일체의 강판(10)에 대해 기존의 점 용접이 가능해지게 된다.
상기 접착제층(13)은 멀티레이어 강판(10)을 구성하는 적층 요소들, 즉 강판(11,12) 및 전도성 고분자층(15)(전도성 고분자 필름)을 일체로 접착시키기 위한 것이며, 본 발명에서 접착제층(13)을 이루게 되는 접착제로는 페놀수지 접착제가 사용될 수 있다.
또한 전도성 고분자층(15)을 형성하게 되는 고분자 소재로는 강판 위에 용이하게 적층 및 접착할 수 있도록 필름 형상으로 성형하여 사용하며, 일례로 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 또는 폴리띠오펜(polythiopene) 등의 전도성 고분자로 제조한 것이 사용 가능하다.
바람직하게는 폴리피롤을 사용하여 제조한 필름을 사용하는 것이 좋은데, 폴리피롤은 폴리아닐린보다 열적 안정성이 뛰어난 것으로 알려져 있으며, 폴리피롤의 경우 200℃에서 가열하여도 안정된 전기전도도를 보이는 등 우수한 내열성을 가지고 있다.
또한 폴리피롤의 경우에 단독으로 사용하는 것보다 일반 범용 고분자를 혼합하여 제조하는 것이 비용 측면에서 더욱 바람직한데, 폴리피롤을 전도성 고분자 필름의 전체 중량 100 중량%에 대하여 40 중량% 이상 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
폴리피롤을 40 중량% 이상 사용한 경우 순수한 폴리피롤과의 전기전도성 차이가 적으므로, 본 발명에서 필요로 하는 충분한 전기전도성을 얻을 수 있고, 강판 내부의 중간층으로서 200 ℃ 이상의 내열성을 가지는 전도성 고분자층을 형성할 수 있다.
이때, 폴리피롤과 함께 사용하는 상기 고분자로는 수용성 고분자인 폴리비닐아세테이트(PVA, polyvinyl acetate), 폴리비닐에틸에테르(polyvinylethylether), 메틸 셀룰로스(methyl cellulose), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE, Low Density Polyethylene) 등의 사용이 가능하며, 이들 필름 성형용 고분자 물질을 폴리피롤과 혼합하여 필름 성형을 위한 전도성 콜로이드(colloid)를 제조할 수 있다.
또한 본 발명에서는 전도성 고분자층(15)에 글라스 버블을 사용하여 형성하는 것에 주된 특징이 있으며, 이 글라스 버블은 최종 제품의 경량화를 실현하기 위한 것이면서 내열성 증가 및 차열 성능 확보를 위해 사용된다.
상기 글라스 버블은 비중이 0.125 ~ 0.60 g/cc로 낮으므로, 이를 사용할 경우 최종 제품의 경량화를 달성할 수 있으며, 특히 도 3에 나타낸 바와 같이 글래스 버블이 구의 형상을 가지면서 중공 구조로 되어 있으므로 소재 자체가 높은 차열 성능을 가지고 있다.
또한 글라스 버블이 구의 형상을 띠고 있기 때문에 표면적이 작더라도 충전율을 높일 수 있고, 다른 충전제에 비해 소량을 사용하여도 제품의 경량화가 가능해짐은 물론 수축율 감소 및 비틀림 방지의 효과를 제공한다.
특히, 유리의 낮은 열 전달 특성 및 우수한 열 차단 성능으로 인해 글라스 버블을 첨가한 수지는 내열성이 증가하며, 성형시 수지의 점성을 낮추고 흐름을 원활하게 하는 등 성형성 향상의 효과를 제공한다.
무엇보다 우수한 차열 성능으로 인해 이를 강판 사이에 개재되는 중간층의 충전제로 사용할 경우 최종 완성된 강판의 차열 성능을 증대시킬 수 있고, 결국 목표로 하는 차열 성능이 개선된 차량용 강판을 제공할 수 있게 된다.
본 발명에서 글라스 버블은 전도성 고분자 필름의 전체 중량 100 중량%에 대하여 2 ~ 10 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.
만약, 2 중량% 미만을 사용하는 경우에는 전도성 고분자 필름의 내열성 및 강판의 차열 성능 향상, 비중 저감의 효과가 크지 않게 되며, 반면 10 중량%를 초과하여 사용하는 경우에는 수지의 점성이 급격하게 낮아지므로 성형시 불편한 단점이 있다.
또한 상기 전도성 고분자 필름에 무기 충전제가 사용되며, 무기 충전제로는 탈크(talc), 유리섬유(glass fiber), 마이카(Mica), 점토, 황산바륨, 세라믹, 탄산칼슘 중에 선택된 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
무기 충전제는 필름의 기계적인 물성을 보완함과 동시에 수지 사용량을 감소시키는 효과가 있으며, 전도성 고분자 필름의 전체 중량 대비 3 ~ 6 중량%의 범위로 첨가한다.
여기서, 무기 충전제의 함량이 3 중량% 미만이면 원하는 기계적 물성 보완 효과가 나타나지 않으며, 만일 6 중량%를 초과하는 경우 앞서 설명한 글라스 버블도 무기 충전제의 일종이므로, 글라스 버블의 함량까지 고려하면 수지에 비해 과량의 충전제가 포함될 수 있어 6 중량%을 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명에서는 폴리피롤, 필름 성형용 고분자 물질, 무기 충전제, 글래스 버블을 혼합하여 제조한 전도성 고분자 필름을 사용하는데, 상기한 전도성 고분자 필름은 폴리피롤 40 ~ 50 중량%, 필름 성형용 고분자 물질 42 ~ 52 중량%, 무기 충전제 3 ~ 6 중량%, 글래스 버블 2 ~ 10 중량%를 포함하는 구성이 된다.
한편, 도 4는 상기한 전도성 고분자 필름을 사용하여 본 발명의 강판을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 공정도로서, 도시된 바와 같이, 강판(11)과 강판(12) 사이에 페놀수지 접착제를 도포하고 전도성 고분자 필름(전도성 고분자층이 됨)(15)을 개재한 뒤 열을 가하면서 압연을 실시하여 두 강판(11,12)을 일체로 접착시킨다.
좀더 상세히 설명하면, 권취롤(1)에서 인출되는 하나의 강판(11) 위에 접착제 도포장비(2)를 이용하여 접착제를 고르게 도포하고, 이어 상기 도포된 접착제 위에 또 다른 권취롤(3)에서 인출되는 전도성 고분자 필름(15)을 적층한다.
이어 강판(11) 위에 적층된 상기 전도성 고분자 필름(15) 위에 별도의 접착제 도포장비(4)를 이용하여 접착제를 고르게 도포한 뒤, 또 다른 권취롤(5)에서 인출되는 다른 강판(12)을 상기 접착제가 도포된 전도성 고분자 필름(15) 위로 적층한다.
상기와 같이 적층된 적층물을 가열장치(6)와 압연롤러(7) 사이로 통과시켜 압연하면, 두 강판(11,12) 사이에 전도성 고분자층(15)이 개재된 일체의 멀티레이어 강판을 제조할 수 있게 된다.
상기 접착제를 도포함에 있어서 스프레이 도포 방법이 이용될 수 있으며, 접착제가 강판(11,12)과 필름(15) 사이에 잘 침투함과 동시에 경화가 이루어질 수 있도록 열을 가하면서 압연을 실시한다.
이때, 접착제의 안정화를 위해 압연롤러(6) 후단의 가열장치(7)를 이용하여 압연 직후까지 열을 가해주는데, 페놀수지 접착제의 경화를 위해 강판(11,12) 상, 하측 및 압연롤러(7) 전, 후단의 가열장치(6)를 이용하여 140 ~ 160 ℃의 온도로 가열한다.
또한 압연롤러(7)를 통과하는 동안 대략 700 ton의 압력조건으로 강판(11,12)을 상, 하측에서 가압하여 상, 하측의 두 강판(11,12)과 그 사이의 전도성 고분자 필름(15)을 일체로 접착하며, 이후 공냉하면 멀티레이어 강판이 완성된다.
상기와 같이 제조된 멀티레이어 강판은 차열용 충전제인 글라스 버블을 함유한 전도성 고분자 필름을 사용하여 중간층을 형성하므로 전도성 및 차열성을 동시에 가지게 되며, 차량용 강판 제조에 있어서 점 용접을 위한 전도성 확보, 경량화와 동시에 두께 증가로 인한 강성과 덴트성 향상, 글라스 버블에 의한 차열 성능 확보가 모두 가능해지게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1, 3, 5 : 권취롤
2, 4 : 접착제 도포장비
6 : 가열장치
7 : 압연롤러
11, 12 : 강판
13 : 접착제층
15 : 전도성 고분자층(전도성 고분자 필름)

Claims (6)

  1. 강판(11) 위에 접착제를 도포하는 단계;
    상기 접착제 위에 전도성 고분자와 글라스 버블을 함유한 전도성 고분자 필름을 적층하는 단계;
    상기 전도성 고분자 필름 위에 접착제를 도포하는 단계;
    상기 전도성 고분자 필름에 도포된 접착제 위로 또 다른 강판(12)을 적층하는 단계; 및
    상기 두 강판(11,12)과 전도성 고분자 필름의 적층물을 가열장치(6)와 압연롤러(7)로 통과시켜 가열과 동시에 압연함으로써, 상기 전도성 고분자 필름이 형성하는 전도성 고분자층(15)이 상기 두 강판(11,12) 사이에서 접착제에 의해 일체화된 멀티레이어 구조의 강판(10)을 완성하는 단계를 포함하고,
    상기 전도성 고분자 필름으로 필름 전체 중량 100 중량%에 대해 2 ~ 10 중량%의 글라스 버블을 함유한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름으로 전도성 고분자인 폴리피롤을 함유한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름은 폴리피롤 40 ~ 50 중량%, 필름 성형용 고분자 물질 42 ~ 52 중량%, 무기 충전제 3 ~ 6 중량%, 글라스 버블 2 ~ 10 중량%을 함유한 것임을 특징으로 하는 전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 압연롤러(7) 전단 및 후단의 가열장치(6)를 이용하여 압연 직후까지 강판(11,12)을 가열해주는 것을 특징으로 하는 전도성 및 차열성을 가지는 멀티레이어 강판의 제조 방법.
  6. 청구항 1, 청구항 3, 및 청구항 5 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조되는 것으로서, 전도성 고분자와 글라스 버블을 함유한 전도성 고분자층(15)이 두 강판(11,12) 사이에서 접착제층(13)에 의해 접착 고정된 적층 구조를 가지며, 상기 전도성 고분자층에서 글라스 버블은 전도성 고분자층 전체 중량 100 중량%에 대해 2 ~ 10 중량%로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 전도성 및 차열성을 갖는 멀티레이어 강판.
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