CN101265975B - 垫片材料 - Google Patents

Abstract

一种垫片材料，是从一接合片(1)所制造。其中制造该接合片的一成分，是通过混合与揉捏橡胶、强化纤维与填充料，然后通过压光轮加压薄片化并且加硫热硬化该成分所制造。其中至少该接合片的面对该冷滚压轮的一最外层(1a)，被形成为具有弹性与平坦度。依据本发明，在一低表面压力下从接合片(1)所制造的垫片的密封效率，与现有垫片相比可以有显著地改良。

Description

垫片材料 

本申请是申请日为2003年4月30日，申请号为03815676.8，发明名称为“垫片材料”的分案申请。 

技术领域

本发明是有关于一种垫片材料(gasket material)，是用于汽车与自动推进装置等的引擎与传动装置，且特别是有关于一种垫片材料，其是由一接合片所制造，其中制造该接合片的一成分，是通过混合与揉捏一橡胶、一强化纤维与一填充料，然后通过压光轮加压薄片化，并且加硫热硬化该成分所得。 

背景技术

到目前为止，所谓的石棉接合片(joint seat)，常被用作为自动推进装置等所负载的引擎的周边的垫片的材料。此种石棉接合片是通过以下的制程所形成：准备一成分M通过混合与揉捏一石棉与一强化纤维(reinforced fiber)、腈类橡胶(nitrile fiber)与酚树脂，然后在包括一对滚轮(例如，如图9所示的一热滚压轮HR与一冷滚压轮CR)的一压光轮(calender roll)的热滚压轮HR，通过薄片化与加硫热硬化(vilcanize)该成分M以形成该接合片。 

然而近年来，因为其周边环境的影响，此种石棉接合片被作为极好的控制，因此本发明即提出一种接合片，其使用另一种纤维材料以取代石棉。本发明的结果发表于名为”非石棉垫片材料的开发”(Development ofnon-asbestos gasket material)的一论文中，其包含于一演讲会议的一会议 记录，由Society of Automotive Engineers of Japan，Inc.在1992年5月所刊登。 

通过此方法，在一接合片形成过程中，黏附于热滚压轮HR上的一薄板化的座S，通过滑动，总是接触到冷滚压轮CR。因此，如图10所示，作为一接合片1的结果，面对于冷滚压轮CR的薄板化的座S的一接触表面1d，相较于面对于热滚压轮HR的接合片1的一接触表面1e，如所标示的部位R是趋向于粗糙的。 

因此，如图11A所示，当一垫片G从接合片1被制造，而被用于介于连接到一引擎的一传动装置的箱子H，以及通过多个螺丝B被连接到箱子H的一盖子C之间的一垫片嵌入部位时，垫片的一密封效率趋向于减少，是因为表面压力的减少，由以下的部位所产生，例如说，位于介于如图11B所示的两螺丝B之间的一连接线的一角落部位CP，或者是，如图11A所示的，一部位MP位于两螺丝B之间并具有低坚硬度的盖子C。在此一部位中，若密封物质的粗糙接触表面，接触到垫片G的箱子H与盖子C，会产生一问题，就是介于密封物质，像是箱子H与盖子C与垫片G之间的接触表面的微小空隙(micro gap)的密合变的不充分，而导致垫片G的密封效果变的不够好。并且，面对于热滚压轮HR的接合片1的接触表面1e，由其强化纤维的比率，在某一程度上变的较粗糙，但是此粗糙度小于面对于冷滚压轮CR的表面的粗糙度。因此，为了解决密封效果减弱的问题，申请人试着以以下的解决方法改良垫片的密封效果： 

1)均匀地形成一乳胶层于接合片1的表面，通过浸涂制程(dip process)或滚压涂布轮(roll coater)以改良该座表面的弹性，如图13所示。 

2)形成一涂布层接合片1的表面，该涂布层为石墨粉末的一固态润滑 剂，或硫化钼粉末，通过喷溅(spraying)方法等所形成，以密合该些微小空隙，如图14所示。 

3)热挤压接合片1，是通过将其夹于热平板HP或滚轮挤压机中，以改良其表面平坦度，如图15所示。 

然而，这些解决方法个别具有以下的问题。在解决方法1)中，当一自动变速箱用油(automatic transmission fluid，ATF)渗入该乳胶层时，该乳胶层会有相当程度的膨胀，因此若具有乳胶层2的由一接合片1所制造一垫片G，被使用到介于传动装置的箱子H与盖子C之间的垫片嵌入部位，通过长时间在高温度下使用该垫片，该乳胶层会逐渐恶化，并且会漏出该油(ATF)。在解决方法2)中，电性腐蚀通过该垫片会发生于一垫片嵌入部位中，且与箱子H或盖子C的材料或密封物质的种类有关，或者是因为该固态润滑剂相当昂贵，因而提高制造成本。而在解决方法3)中，因为接合片的实质压缩效应的减少，在低表面压力区域的密封效果将会相对地减少。 

如上所述，接合片，一般的制造，是通过混合并滚压贴附在一该热滚压轮上的成分，在压光轮的热滚压上形成一平板化的座，然后从冷却后的热滚压轮分离该座。因此，接合片的成分的特征是，容易与加热的热滚压轮分离，而不易与冷滚压轮分离，并且在该座形成之后，容易与冷却后的热滚压轮分离。 

因此，到目前为止，一般的接合片1由三层结构组成，包括一前表面层1a(由贴附于热滚压轮上的所谓的盘片成分所组成)、一后表面层1b(由难以贴附于冷滚压轮上的所谓的完成成分所组成)、以及一中间层1c(由与介于前表面与后表面层之间，并具有一充分的机械强度的所谓的 一中间成分)。一般用一天然橡胶作为一橡胶材料于该盘片成分中。然而，该天然橡胶具有一特质，就是在一高温(heat suffering)环境下，其具有相当大的永久压缩形变。 

另一方面，如图11A与图11B所示，当该垫片被用于，例如说，介于连接到一引擎的一传动装置的箱子H，以及通过多个螺丝B被连接到箱子H的一盖子C之间的一垫片嵌入部位，在螺丝之下作用于垫片上的一表面压力是很高的。但是在介于两螺丝、或两螺丝间的一螺距部位之间的一连接线的角落部位，表面压力是低的。因此，必然地表面压力的差异会升高。对于此表面压力的差异，近年来由于结构体的坚硬度，因减轻重量而变低，而趋向于增加。并且结构体的低坚硬度，增加密封物质之间由于温度改变的空隙改变等，而此种改变带来表面压力额外差异的增加。 

因此，当由上述的现有接合片1所形成的垫片，用于结构体的密封部位，是通过一固定物，例如说螺丝所固定，螺丝的固定力是由可确保在低表面压力下的密封效果所决定。因此，在螺丝之下作用于垫片上的一表面压力是很高的。因此存在的问题是，使用上述的天然橡胶的前表面层1a的永久压力形变的较容易发生，并且应力松弛增加了。因此螺丝的固定力矩减少了，而用以密封的物质的泄漏可能发生。 

发明内容

本发明的一目的是提出一垫片材料以有效地解决上述的问题。在本发明的第一观点中，提出一种垫片材料，是由一接合片所制造，其中制造该接合片的一成分，是通过混合与揉捏一橡胶、一强化纤维与一填充料(filler)，然后加压薄片化，并且通过一压光轮加硫热硬化该成分所得，该垫片材料包括至少该接合片的面对该冷滚压轮的一最外层，被形成为具有弹性与平坦度。

依据本发明的垫片材料，至少用以制造该垫片的接合片的最外层的冷滚压轮侧，被形成为具有弹性与平坦度，因此介于密封物质的接触表面与垫片之间的微小空隙的密合，在低表面压力下变的足够大，而可以改良垫片的密封效率。 

在本发明的垫片材料中，最外层的平坦度，即表面粗糙度Rz(10点的平均值)小于或等于20μm是较好的。若Rz是小于或等于20μm，则如下所述，密封效率会有相当程度的改良。 

此外，本发明的垫片材料，较佳地，其中该最外层的一组成，包括作为该强化纤维的一芳纶纤维(aramid fiber)的一比率是低于7wt％，以及该橡胶的一比率是为15wt％到25wt％之间。通过此组成，最外层的弹性可以被获得。关于这方面，表面粗糙度变小了，如同有许多橡胶的比率，同样地，如同有少许芳纶纤维的比率。 

再者，在本发明的垫片材料中，其中该最外层的厚度为30μm到150μm是较好的。若该层具有此厚度，则通过获得层的弹性，由永久压缩形变所引起的应力松弛的影响，可以维持在很小。 

此外，在本发明的第二观点中，一垫片材料，是由一接合片所制造，其中制造该接合片的一成分，是通过混合与揉捏一橡胶、一强化纤维与一填充料，然后加压薄片化，并且通过一压光轮加硫热硬化该成分所得，该垫片材料包括一接合片，具有一单层结构，其中该成分的一基本组成，包括作为该强化纤维的一芳纶纤维的一比率是15wt％以上，作为该橡胶的一丁腈橡胶(nitrile butadiene rubber，NBR)的一比率是10wt％到30wt％ 之间，作为该填充料的一酚树脂的一比率是10wt％到20wt％之间，以及一残留物是一无机填充料。 

依据本发明的垫片材料，因为组成垫片材料的接合片具有一单层结构，而没有使用天然橡胶(在热滚压处理下为一永久压缩形变成分)的盘片成分的表面层。因此，由于表面压力的巨大差异造成的应力松弛所引起的螺丝固定力矩的减少，所造成的，密封物质，例如说，润滑剂或工作油(working oil)等的泄漏会发生于高温(heat subjected)环境，例如说引擎的周边。再者，作为填充料的酚树脂比率为2wt％到26wt％之间，对于滚动中具有高温的热滚压轮，会赋予该成分适度的贴附力与适度的分离性，因此可适用于以压光轮形成的接合片。 

此外，在本发明的垫片材料中，较佳地，酚树脂为一溶胶态(resoltype)。是因为如此将赋予该成分材料中的酚树脂一较佳的分布。 

附图说明

图1为一剖面图，绘示一接合片的垫片材料，是依据上述本发明的第一观点的一实施例； 

图2为一放大的剖面图，绘示由上述的接合片所形成的垫片，而垫片的状况是，被嵌入于一传动装置的一箱子与一盖子之间； 

图3为一相关图，绘示垫片表面的粗糙度与密封效率的关系，是依据上述的实施例的接合片所形成的垫片，以及从既有的接合片所形成的垫片； 

图4绘示垫片在低表面压力下的密封效率，是依据上述的实施例的接合片所形成的垫片，以及从既有的接合片所形成的垫片； 

图5为一图，绘示具有垫片的法兰，填充(fill)表面粗糙度的效率，是依据上述的实施例的接合片所形成的垫片，以及从既有的接合片所形成的垫片； 

图6为一剖面图，绘示一接合片，是依据上述本发明的第二观点的一实施例的垫片材料； 

图7为一相关图，绘示冷循环(cool cycle)、热循环(heat cycle)，与螺丝轴向力的维持率(hold rate)的关系，是依据上述的实施例的接合片所形成的垫片，以及从既有的接合片所形成的垫片； 

图8为一相关图，绘示酚树脂在成分中的添加量，与成分对热滚压轮的贴附强度间的关系，是依据上述的实施例的接合片所形成的垫片，以及从既有的接合片所形成的垫片； 

图9绘示通过压光轮制造接合片的一方法； 

图10为一剖面图，绘示既有的接合片的表面的状况； 

图11A与图11B为一剖面图与一平面图，绘示一垫片嵌入于一传动装置的一箱子与一盖子之间的状况； 

图12为一放大的剖面图，绘示由既有的接合片所制造的一垫片，嵌入于一传动装置的一箱子与一盖子之间的状况； 

图13为一剖面图，绘示以一乳胶层作为一最外层的接合片； 

图14为一剖面图，绘示以一固态润滑剂涂布在表面上的接合片； 

图15绘示一方法，是通过热压缩以改良接合片的表面平坦度；以及 

图16绘示现有接合片的一剖面图。 

【图式标记说明】 

1、11：接合片 

1a：前表面层 

1b：后表面层 

1c：中间层 

1d、1e：接触表面 

B：螺丝 

C：盖子 

CP：角落部位 

CR：冷滚压轮 

G：垫片 

H：箱子 

HR：热滚压轮 

M：成分材料 

MP、R、V：部位 

S：接合片 

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下： 

以下，本发明的一实施例，将依据其相关图标被叙述。 

图1为一剖面图，绘示一接合片的垫片材料，是依据上述本发明的第一观点的一实施例。数字1表示一接合片，为本实施例的垫片材料。接合片1具有三层结构，包括一前表面层1a与一后表面层1b，各别地为该结构的最外层，以及介于前表面与后表面层之间的一中间层1c。在本实施例中，该些表面层1a与1b被形成为具有弹性与平坦度。 

在制造本实施例的接合片1时，如图9所示，首先，一成分材料M 被制造出来，是通过混合橡胶(例如说，丁腈橡胶(Nitrile-Butadiene-Rubber，NBR))、芳纶纤维(作为一有机纤维)、以及无机填充料(例如说硫化钡)等所制造。然后，该成分材料M被加入到，包括一对滚轮(热滚压轮HR与冷滚压轮CR)的一压光轮的一热滚压轮HR，通过混合与挤压该些滚轮，以形成一薄片的成分在热滚压轮HR上。然后，通过使用热滚压轮HR的热度，加硫热硬化与固化该成分，以形成一接合片S。然后，通过热滚压轮HR分离该座S，以形成接合片1。在本制程中，上述的接合片1的三层的前表面层1a、后表面层1b以及中间层1c，主要地通过改变强化纤维的组成量而被形成(至于本制程更详细的内容，请参阅前述的论文”Develoμment of non-asbestos gasket material”)。在相当于该论文的第179页中，其图5绘示了，中间层的芳纶纤维、玻璃纤维、以及丁腈橡胶(NBR)的组成的一范例，特别是，第5点中所指出的组成的百分比，其中芳纶纤维约为24wt％，玻璃纤维约为33wt％，并且丁腈橡胶(NBR)约为43wt％。 

在本实施例中，为了使前表面1a为有弹性地与平坦地，前表面1a的组成，所包含的芳纶纤维的百分比为小于或等于7wt％，以及橡胶为15wt％到25wt％之间。并且，前表面1a的厚度被形成为30μm到150μm之间。 

在实施例的接合片1之中，接合片1的外层的冷滚压轮侧的前表面层1a(该侧具有一接触表面，贴附于冷滚压轮CR)，例如如图2所示的一部位V，被形成为具有弹性与平坦度，因此介于作为密封物质的盖子C与垫片之间的微小空隙的密合，在低表面压力下变的足够大，而因此可以改良垫片的密封效率。 再者，热滚压轮侧的后表面层1b(该侧具有一接触表面，贴附于热滚压轮HR)，亦被形成为具有弹性与平坦度，因此介于箱子H与垫片之间的微小空隙的密合，在低表面压力下变的足够大，而因此可以改良垫片的密封效率。 

图3绘示，由本实施例的接合片1所制造的垫片，以及由既有接合片所制造的垫片的极限密封压力的一实验结果。以下为实验的条件，数个具有不同表面粗糙度的垫片，个别地被制造，而每一垫片被固定于两金属法兰(metal flange)之间。法兰的表面粗糙度为：11.7μm(Rmax，▽▽)，该些法兰的固定的表面压力为：5MPa，密封介质为：空气，测试温度为：20℃±5℃。如本图所示，由本实施例的接合片1所制造的垫片明显地改善了密封效率。 

图4绘示了，由本实施例的接合片1所制造的垫片的极限密封压力(limit sealing pressure)，其表面粗糙度为：14.5μm(在本图中由曲线G1所表示)，以及由既有接合片所制造的垫片，作为一比较样品，其表面粗糙度为：38.6μm(在本图中由曲线G2所表示)的另一实验结果。以下为实验的条件，每一垫片被固定于两金属法兰之间，而法兰的表面粗糙度为：11.7μm(Rmax，▽▽)，密封介质为：空气，测试温度为：20℃±5℃。可以知道，由本实施例的接合片1所制造的垫片，在作为固定的表面压力小于等于6MPa，为一低表面压力的区域，具有较小程度的密封效率的减少，因而在低表面压力区域具有优越的密封效率。 

此外，图5绘示了，由本实施例的接合片1所制造的垫片的极限密封压力，其表面粗糙度为：14.5μm(在本图中由曲线G1所表示)，以及由既有接合片所制造的垫片，作为一比较样品，其表面粗糙度为：38.6μm (在本图中由曲线G2所表示)的另一实验结果。以下为实验的条件，每一垫片被固定于具有不同的表面粗糙度的两金属法兰之间，该些法兰的固定的表面压力为：6MPa，密封介质为：空气，测试温度为：20℃±5℃。可以知道，由本实施例的接合片1所制造的垫片，具有优越的密封效率在密封物质的粗糙表面上，并且虽然法兰的表面粗糙度变糟了，仍具有一小程度的密封效率。 

实验例1 

以下的表1到表8，个别地列出8种垫片由本发明的接合片1所形成的样品的厚度与表面粗糙度，每一接合片是由以下每一组的组合中所选择所制造：芳纶纤维的组成为3wt％或6wt％，丁腈橡胶(NBR)的组成为18wt％或23wt％，表面层的厚度(前表面层1a与后表面层1b)为140μm或75μm(一层的厚度)。 

表1：样品1 

表2：样品2 

表3：样品3 

表4：样品4 

表5：样品5 

表6：样品6 

表7：样品7 

表8：样品8 

垫片样品1到8，具有足够的平坦表面，其表面粗糙度为17.2μm到11.8μm之间，而其结果是，在极限密封压力为2.7kgf/cm²的低表面压力区域中，这些样品亦具有良好的密封效率。在所有这些样品的极限密封压力测试的结果中，实验条件为，每一垫片被固定于两金属法兰之间。法兰的表面粗糙度为：23.5μm，该些法兰的固定的表面压力为：4MPa，密封介质为：空气，测试温度为：20℃±5℃。 

此外，本发明不限于上述的实施例，例如说，在另一实施例中，接合片1的前表面层1a可以只是被形成为有弹性地与平坦地，而且接合片1可以被形成为具有双层结构。再者，理所当然地，本发明的垫片材料，可以被用于，嵌入于传动装置的箱子H与盖子C之间的垫片，以外的垫片。 

以下，图6为一剖面图，绘示本发明的垫片材料的另一实施例。在上述的第二观点中，数字11表示本实施例作为垫片材料的一接合片。接合片11具有单层结构组成。在制造本实施例的接合片11时，首先，成分材料被制造出来，是通过混合丁腈橡胶(NBR)(作为一橡胶材料)、芳纶纤维(作为一有机纤维)、以及酚树脂等(作为填充料)等所制造。然后，该成分材料被加入到，包括一对滚轮(加热的热滚压轮与冷却的冷滚压轮)的一压光轮的一热滚压轮，通过混合与挤压该些滚轮，以形成一薄片的成分在热滚压轮上。然后，通过使用热滚压轮的热度，加硫热硬化与固化该成分，然后，通过分离热滚压轮与座S，以形成接合片11。至于本制程更详细的内容，请参阅前述的论文”Develoμment ofnon-asbestos gasket material”)。 

在本实施例中，为了使该成分具有一适度的贴附力，该成分的组成中，芳纶纤维的百分比超过15wt％，丁腈橡胶(NBR)是为10wt％到30wt％之间，酚树脂是为2wt％到26wt％之间，并且剩余物是为无机纤维。而且酚树脂为溶胶态(例如说，Sumitomo bakelite Co.Ltd.所生产的PR-217，其固态成分的重量为100wt％)。 

因为本实施例的接合片11具有一单层结构，而没有任一表面层为由天然橡胶所制造的盘片成分，具有与中间成分不同的组成，并且在热滚压处理中为一永久压缩形变组件。因此，依据本实施例的接合片11，由于表面压力的巨大差异造成的应力松弛所引起的螺丝固定力矩的减少，所造成的，密封物质，例如说，润滑剂或工作油等的泄漏会发生于高温环境下，例如说引擎的周边。再者，作为填充料的酚树脂比率为2wt％到26wt％之间，对于滚动中具有高温的热滚压轮，会赋予该成分适度的贴附力与适度的分离性，因此可适用于以压光轮形成的接合片。 

再者，依据本实施例的接合片11，用于该成分的酚树脂为溶胶态，如此将可赋予该成分材料中的酚树脂一较佳的分布性。因此，该上述本发明的作用与效应，可以充分地被产生。 

图7绘示，由本实施例的接合片11所制造的，垫片螺丝轴向力的维持(在本图中由曲线G1所表示)，以及由既有接合片所制造，作为一比较样品，具有三层结构的垫片(在本图中由曲线G2所表示)，透过热冲击循环(thermal shock cycle)衰减(degradation)实验的一实验结果。以下为实验的条件，每一垫片通过一螺丝，被固定于两金属法兰之间，法兰的固定的表面压力为：150MPa，介于150℃与20℃之间反复加热与冷却。可以知道，本实施例的接合片11所制造的垫片，具有很高的螺丝轴向力的维持，并且由永久压缩形变引起的应力松弛很小。 

实验例2 

以下的表9，列出在以具有高温的热滚压轮形成接合片时，该成分的贴附效率的实验结果。样品9到14由本实施例的接合片11所形成。每一样品具有不同的芳纶纤维、酚树脂、与作为橡胶材料的丁腈橡胶(NBR)的组成。而比较样品1到3，是由该座的酚树脂的组成为0wt％、35wt％与40wt％的接合片，个别地所形成。因此这些比较样品，在本发明的实施例的范围的外。本实验是在以下的条件下被实施：表面压力为100MPa，温度为100℃，以及加热时间为60min。 

图8绘示黏附强度与该些样品酚树脂组成的关系。 

表9 

由表9与图8，可以知道当酚树脂的添加量为介于2wt％到26wt％之间时，该成分具有适度的贴附强度；而当添加量小于2wt％时，具有过大的贴附强度，因而难以从热滚压轮上分离该薄片化的座；并且当添加量超过26wt％时，具有过小的贴附强度，因而难以在热滚压轮上，薄片化该成分。 

以下，对于由上述样品的接合片11所形成的垫片，拉力测试在JIS K6251所定义的条件下被进行。形变疲劳表面压力测试的测试条件是，每一环状样品被设置于一对平板之间，二平板其中之一在一移动距离300μm中频率1Hz下往复滑动，是通过具有负载有由高压冲洗产生的一预定的表面压力的一制动器，测试在往复周期为3000转下，纤维的绒毛是否产生。而当样品的绒毛产生时，该形变疲劳表面压力被设定为其表面压力。以及一极限密封压力测试的测试条件是，氮气被施加到透过该平板产生绒毛的样品内，并且肥皂水溶液被施加到样品的周边以检查氮气的泄漏。而当泄漏产生时，该极限密封压力，被作为该气体压力。这些测试的结果是，本发明的这些样品，具有一高拉力强度超过25MPa、维持在超过80MPa的高形变疲劳表面压力，以及保持在超过2.0kgf/cm²的极限密封压力。 

此外，本发明不限于上述的实施例，例如说，酚树脂可以为一非溶胶态(resol type)。而本发明的垫片材料，当然可以被用作为引擎周边的垫片，以取代嵌入于传动装置的箱子H与盖子C之间的垫片。 

依据本发明的第一观点的垫片材料，介于密封物质的接触表面与垫片之间的微小空隙的密合，在低表面压力下变的足够大，而可以改良垫片的密封效率。 

此外，依据本发明的第二观点的垫片材料，由于表面压力的巨大差异造成的应力松弛所引起的螺丝固定力矩的减少，所造成的，密封物质，例如说，润滑剂或工作油等的泄漏会发生于高温环境下，例如说引擎的周边，因此可适用于以压光轮形成的接合片。 

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。 

Claims (2)

1.一种垫片材料，是由一接合片所制造，其特征在于：制造该接合片的一成分，是通过混合与揉捏一橡胶、一强化纤维与一填充料，然后加压薄片化，并且通过一压光轮加硫热硬化该成分所得，该垫片材料包括：

一接合片，具有一单层结构，其中该成分的一基本组成，包括作为该强化纤维的一芳纶纤维的一比率是15wt％以上，作为该橡胶的一丁腈橡胶的一比率是10wt％到30wt％之间，作为该填充料的一酚树脂的一比率是10wt％到20wt％之间，以及一残留物是一无机填充料。

2.如权利要求1所述的垫片材料，其特征在于：该酚树脂为一溶胶态。

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