CN105017676B - 含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料及电缆 - Google Patents
含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料及电缆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料及电缆，要解决的技术问题是降低被损耗的传输电能。本发明护套材料包括以下质量份数的材料：聚氯乙烯树脂100份，导热剂0.05～3份，辅助导热剂8～9份，增塑剂20～25份，抗氧剂0.1～0.5份，稳定剂2.2～2.9份，润滑剂0.5～3份，填充剂37～53份。本发明的电缆护套层由以下材料组成：聚氯乙烯树脂，导热剂，辅助导热剂，增塑剂，抗氧剂，稳定剂，润滑剂，填充剂，阻燃剂,颜料助剂。本发明与现有技术相比，导热剂和辅助导热剂配合使用可明显提高护套层材料的导热率，达到0.3W/mk以上，散热较好，降低被损耗的传输电能或提高电缆载流量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电缆用护套材料和用该材料制作的电缆，特别是一种电缆用聚氯乙烯护套材料和用该材料制作的电缆。
背景技术
电力电缆因其导体材料存在有电阻，当电缆传输电流时，导体的电阻会产生热量，电流越大导体产生的热量越多，导体温度也会升高，温度升高导体的直流电阻还会增加，而直流电阻增加产生的热量会更多，电能传输过程中导体温度升高导致的损耗约占传输电能的15％左右。降低导体温度可以减少电能的损耗，因此降低电缆导体温度具有重要意义。影响导体温度的重要因素是构成电缆结构的导体周围的材料的热阻，导体外设有绝缘层和护套层，而绝缘层和护套层材料是高阻热材料，这些材料导热系数很低，一般在0.1～0.3W/mk，如普通交联聚乙烯绝缘层与聚氯乙烯护套层电力电缆，交联聚乙烯的导热系数为0.2W/mk，聚氯乙烯的导热系数为0.14W/mk，电缆在空气中工作，空气温度为20℃，当导体温度达到90℃时，电缆表面温度只有40℃，从导体到电缆表面温度梯度可达50℃，散热非常不好，导致传输电能被损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料及电缆，要解决的技术问题是降低被损耗的传输电能。
本发明采用以下技术方案：一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料包括以下质量份数的材料：聚氯乙烯树脂100份，导热剂0.05～3份，辅助导热剂8～9份，增塑剂20～25份，抗氧剂0.1～0.5份，稳定剂2.2～2.9份，润滑剂0.5～3份，填充剂37～53份。
本发明的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料含有阻燃剂大于0至3份,颜料助剂大于0至0.5份。
本发明的导热剂是石墨烯或氧化石墨烯。
本发明的辅助导热剂为以下金属氧化物微粉和碳化物的一种以上：氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化镁、碳化硅和碳纤维。
本发明的增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、对苯二甲酸二辛酯和偏苯三酸三辛酯的一种以上；所述抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂2246；所述稳定剂采用NX-109钙锌复合稳定剂或丙烯酸酯共聚物；所述润滑剂为硬脂酸铅、硬脂酸钡、硬脂酸钙和氯化石蜡的一种以上；所述填充剂为活性钙、轻钙、重质碳酸钙、煅烧陶土和炭黑的一种以上；所述阻燃剂为三氧化二锑。
本发明的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR401 0.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份。
本发明的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR401 0.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份，阻燃剂三氧化二锑3份。
一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料的电缆，电缆包括导体、导体外的绝缘层和绝缘层外的护套层，护套层由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂0.05～3份，辅助导热剂8～9份，增塑剂20～25份，抗氧剂0.1～0.5份，稳定剂2.2～2.9份，润滑剂0.5～3份，填充剂37～53份，阻燃剂大于0至3份,颜料助剂大于0至0.5份；所述导热剂是石墨烯或氧化石墨烯，所述辅助导热剂为以下金属氧化物微粉和碳化物的一种以上：氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化镁、碳化硅和碳纤维。
本发明的护套层由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR401 0.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份。
本发明的护套层由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR401 0.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份，阻燃剂三氧化二锑3份。
本发明与现有技术相比，在聚氯乙烯中加入导热剂和辅助导热剂，由于导热剂石墨烯或氧化石墨烯是良好的导电材料，辅助导热剂是良好的绝缘材料并且导热率较高，导热剂和辅助导热剂配合使用可明显提高护套层材料的导热率，达到0.3W/mk以上，散热较好，降低被损耗的传输电能或提高电缆载流量。
附图说明
图1是本发明实施例7的结构示意图(一)。
图2是本发明实施例7的结构示意图(二)。
图3是本发明实施例8的结构示意图(一)。
图4是本发明实施例8的结构示意图(二)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂PVC 100份，导热剂0.05～3份，辅助导热剂8～9份，增塑剂20～25份，抗氧剂0.1～0.5份，稳定剂2.2～2.9份，润滑剂0.5～3份，填充剂37～53份，阻燃剂0～3份,颜料助剂0～0.5份。
聚氯乙烯树脂PVC是电缆护套材料主要成分，具有较好的绝缘性能，较适合的物理机械性能，易于加工。
导热剂是石墨烯或氧化石墨烯。石墨烯是二维炭材料，具有优异的导电性和导热性，导热系数可达5000W/mk，氧化石墨烯是经化学氧化石墨粉剥离的产物，性能与石墨烯类似，导热系数可达3000W/mk。由于导电性良好，在电缆护套料中不能多加，达到一定比例会大幅度降低电缆护套的绝缘性能。
辅助导热剂为以下金属氧化物微粉和碳化物的一种以上：氧化铝AL2O3、氮化铝ALN、氮化硼BN、氧化镁MgO、碳化硅SiC和碳纤维。其中，氧化铝AL2O3为5～8份，氮化铝ALN为2～5份，氮化硼BN为1～5份。辅助导热剂可偶联以提高导热性能。由于导热剂具有良好的导电性能，在电缆护套材料中不能多加，加的太少又不能起到提高导热系数作用，因此需要添加辅助导热剂配合使用，辅助导热剂有一个共同的特点就是具有良好的电绝缘性能，导热系数一般在20～80W/mk之间，与导热剂配合使用可明显提高电缆护套材料的导热系数。
增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯DOP、对苯二甲酸二辛酯DOTP和偏苯三酸三辛酯TOTM的一种以上。其中，邻苯二甲酸二辛酯DOP为10～20份，对苯二甲酸二辛酯DOTP为5～15份，偏苯三酸三辛酯TOTM为5～20份。增塑剂可以增强护套材料的柔韧性，并容易加工。
抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂2246。其中，抗氧剂1010为0.4～0.5份，抗氧剂2246为0.1～0.3份。抗氧剂可防止材料氧化降解，提高使用寿命。
稳定剂采用NX-109钙锌复合稳定剂或丙烯酸酯共聚物ACR401。其中，复合稳定剂为2～2.5份，ACR401为0.2～0.4份。护套材料在较高温度下易产生分解，引起性能降低，加入稳定剂可阻止或延缓这种分解的发生。
润滑剂为硬脂酸铅、硬脂酸钡、硬脂酸钙和氯化石蜡的一种以上。其中，硬脂酸铅为0.5～2份，硬脂酸钡为0.5～1.5份，硬脂酸钙为0.5～3份，氯化石蜡为0.5～3份。润滑剂可使护套材料易于加工，提高加工速率，同时可保证护套材料的表面光洁度，提高护套材料的质量。
填充剂为活性钙、轻钙、重质碳酸钙、煅烧陶土和炭黑的一种以上。其中，活性钙为15～40份，轻钙为10～40份，重质碳酸钙为10～30份，煅烧陶土为10～40份，炭黑为2～3份。在护套材料中加入填充剂可增加其容积，降低成本，同时，可提高绝缘性能，提高护套材料的拉伸强度，改善其性能。
阻燃剂为三氧化二锑Sb2O3。阻燃剂使护套材料难以着火或阻止火焰蔓延的功能。
颜料助剂采用现有技术颜色助剂，根据不同颜色的护套材料来添加，电缆护套绝大部分要求颜色为黑色，可用炭黑代替，白色不需要添加，其它颜色则根据添加不同的颜色助剂来实现。
本发明的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，制作工艺按现有技术,包括以下步骤：
1.聚氯乙烯树脂经过筛选、计量；
2.导热剂、辅助导热剂、颜料助剂按照配方计量比例混合；
3.增塑剂、抗氧剂、稳定剂、润滑剂、填充剂和阻燃剂按照配方比例计量混合；
4.以上三个步骤的材料分别经过造粒机捏合、塑化、切粒；
5.切好的粒子经风冷冷却系统冷却；
6.冷却好的粒子为直径2～3mm的圆形或扁圆形的粒子，混合后经过真空包装，得到含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料的混合物粒子。
制作电缆时，按现有技术方法将混合物粒子挤制成包覆电缆绝缘线芯的护套层。采用本发明的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料制作电缆护套层的电缆，按照国家标准检验。
导体直流电阻按照GB/T3048.4-2007《电线电缆电性能试验方法》第4部分：导体直流电阻试验进行测试，检验结果符合GB/T3956-2008《电缆的导体》要求。
交流电压试验按照GB/T3048.8-2007《电线电缆电性能试验方法》第8部分：交流电压试验，额定电压为0.6/1kV电缆3500V试验电压5min不击穿。
绝缘抗张强度按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于12.5N/mm2。
绝缘断裂伸长率按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于200％。
护套抗张强度按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于12.5N/mm2。
绝缘断裂伸长率按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于150％。
电缆护套材料的导热系数试验按照GB/T 10297-1998《非金属固体材料导热系数的测定热线法》的试验方法，材料导热系数不小于0.3W/mk。
实施例1，含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.05，辅助导热剂氧化铝8份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯DOTP 5份、偏苯三酸三辛酯20份，抗氧剂2246 0.1份，稳定剂ACR401 0.2份、复合稳定剂2份，润滑剂硬脂酸钡0.5份，填充剂活性钙40份、煅烧陶土10份、炭黑3份。
实施例2，含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂氧化石墨烯3份，辅助导热剂氧化铝8份、氮化硼BN 1份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯DOTP 5份、偏苯三酸三辛酯20份，抗氧剂1010 0.5份，稳定剂ACR4010.2份、复合稳定剂2份，润滑剂硬脂酸钙3份，填充剂活性钙40份、煅烧陶土10份、炭黑3份。
实施例3，含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.5,辅助导热剂氧化铝5份、氮化铝ALN 3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯DOTP 15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR401 0.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份。
实施例4，含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂氧化石墨烯1份,辅助导热剂氧化铝5份、氮化铝ALN3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯DOTP 15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR4010.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份。
实施例5，含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝ALN 3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯DOTP 15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR4010.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份。
实施例6，含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝ALN 3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯DOTP 15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR4010.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份，阻燃剂三氧化二锑Sb2O33份。
实施例7～12，采用实施例的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料制作电压等级为0.6/1kV的电缆，如图1所示，电缆包括导体1、导体1外的绝缘层2和绝缘层2外的护套层3。导体1截面为圆形或扇形，可以是单股，也可以是多股绞合的铜线或铝线，在导体1外挤制包覆(挤包)有绝缘层2，绝缘层2可以是交联聚乙烯XLPE绝缘层，也可以是聚氯乙烯绝缘层，导体1和绝缘层2组成电缆的绝缘线芯，绝缘线芯可以是单芯，也可以是多芯。单芯绝缘线芯外挤包有护套层3，护套层3分别采用实施例1～6。如图2所示，多芯绝缘线芯外由无纺布的绕包带4扎紧，绕包带4外挤制包覆有护套层3，护套层3分别采用实施例1～6。
按照GB/T 10297-1998《非金属固体材料导热系数的测定热线法》的试验方法测试，采用实施例1的护套材料挤包的护套层导热系数达到0.19W/mk，导热剂份数较少，有导热效果但不明显。实施例2的护套材料挤包的护套层导热系数达到0.40W/mk，由于氧化石墨烯份数较多，成本较高。实施例3的护套材料挤包的护套层导热系数达到0.26W/mk，增加了导热剂石墨烯的量，导热效果增加。实施例4的护套材料挤包的护套层导热系数达到0.35，导热剂石墨烯份数较多，成本也较高。实施例5的护套材料挤包的护套层导热系数达到0.31，比较理想。实施例6的护套材料挤包的护套层与实施例5相比增加了阻燃剂，导热系数也达到0.31，比较理想。
实施例7～12的其他检验项目：
导体直流电阻按照GB/T3048.4-2007《电线电缆电性能试验方法》第4部分：导体直流电阻试验进行测试，检验结果符合GB/T3956-2008《电缆的导体》要求。
交流电压试验按照GB/T3048.8-2007《电线电缆电性能试验方法》第8部分：交流电压试验，额定电压为0.6/1kV电缆3500V试验电压5min不击穿。
绝缘抗张强度按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于12.5N/mm2。
绝缘断裂伸长率按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于200％。
护套抗张强度按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于12.5N/mm2。
绝缘断裂伸长率按照GB/T2951.1-1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》第一部分通用试验方法第一节机械性能试验检测，结果不小于150％。
采用实施例5和实施例6的含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料制作的电压等级为3.6/6kV～26/35kV电缆。如图3和图4所示，电缆包括有导体5，导体5截面为圆形多股绞合的铜线或铝线，导体5外顺序为半导电屏蔽料的导体屏蔽层6、交联聚乙烯绝缘层7、半导电屏蔽料的绝缘屏蔽层8和铜带屏蔽层9，组成电缆的线芯。实施例13，单芯电缆在电缆线芯外挤包实施例5的护套材料护套层3。实施例14，三芯电缆由三个电缆线芯用无纺布的绕包带4扎紧，线芯空隙加入阻燃并股填充绳的填充物10，绕包带4外挤包实施例6的护套材料护套层3。
经测试，实施例13的电缆护套导热系数达到0.31W/mk。实施例14阻燃电缆护套导热系数达到0.31W/mk。其他检验项目均符合国家标准。
将电缆护套层的导热率提高，可有效的降低导体温度。石墨烯导热率可达到5000W/mk左右，氧化石墨烯也达到3000W/mk，是非常好的导热材料，且牢固坚硬，结构稳定，同时由于石墨烯和氧化石墨烯又是非常好的导电材料，鉴于护套层材料对其绝缘性能和对电缆绝缘抗张强度、绝缘断裂伸长率、护套抗张强度、绝缘断裂伸长率的特殊要求，本发明在PVC护套层材料中加入合适的石墨烯或/和氧化石墨烯，配合辅助导热剂，对护套层材料进行改性，在保持电缆绝缘抗张强度、绝缘断裂伸长率、护套抗张强度、绝缘断裂伸长率符合国家标准的情况下，提高其导热率，在导体温度达到90℃时的负载条件下，将护套层导热系数从0.14W/mk提高到0.3W/mk，电缆导体温度可降低4℃，如按照导体温度90℃不变电缆载流量可提高4.5％。
Claims (4)
1.一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，其特征在于：所述含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR401 0.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份，所述含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料用于电压等级为3.6/6kV～26/35kV的电缆。
2.一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料，其特征在于：所述含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR401 0.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份，阻燃剂三氧化二锑3份，所述含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料用于电压等级为3.6/6kV～26/35kV的电缆。
3.一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料的电缆，电缆包括导体(1)、导体(1)外的绝缘层(2)和绝缘层(2)外的护套层(3)，其特征在于：所述护套层(3)由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR4010.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份；所述含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料的电缆的电压等级为3.6/6kV～26/35kV。
4.一种含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料的电缆，电缆包括导体(1)、导体(1)外的绝缘层(2)和绝缘层(2)外的护套层(3)，其特征在于：所述护套层(3)由以下质量份数的材料组成：聚氯乙烯树脂100份，导热剂石墨烯0.6份,辅助导热剂氧化铝6份、氮化铝3份，增塑剂对苯二甲酸二辛酯15份、偏苯三酸三辛酯5份，抗氧剂1010 0.4份，稳定剂ACR4010.4份、复合稳定剂2.5份，润滑剂硬脂酸钡1.5份，填充剂活性钙15份、重质碳酸钙10份、煅烧陶土10份、炭黑2份，阻燃剂三氧化二锑3份；所述含石墨烯的电缆用高导热聚氯乙烯护套材料的电缆的电压等级为3.6/6kV～26/35kV。
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