CN106563626A - 一种超疏水减阻涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超疏水减阻涂层的制备方法，可用于金属、陶瓷、塑料等表面。所述方法先对基底表面进行沟槽处理，并将聚甲基丙烯酸甲酯和疏水二氧化硅混合喷涂在基底上，疏水二氧化硅颗粒镶嵌于聚甲基丙烯酸甲酯中，聚甲基丙烯酸甲酯的分子链将疏水二氧化硅与基底表面牢固结合在一起，并增加疏水二氧化硅颗粒之间的结合力，提高了涂层的耐磨性和结合力，并形成了微纳米粗糙结构。本发明方法简单，可用于各种形状复杂、大表面物体，能够快速形成涂层，并易于工业化生产，适应于低温、潮湿、腐蚀环境，在军事、航海、管道运输、建筑等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于表面功能材料领域，具体涉及一种超疏水减阻涂层的制备方法。
背景技术
在工业、建设等领域中，例如舰船的水下的运动，石油、天然气等的长距离管道输送，摩擦阻力的存在会导致能源损耗增大以及效率显著降低。减阻功能材料对于实现节能降耗具有重要的意义。在物体表面涂覆一层高分子疏水减阻材料能够有效降低阻力，流体经过疏水表面时，产生了壁面滑移，使得边界面上的速度梯度减小，从而减小了边界上的剪切力，实现了减阻效果。
目前，人们在超疏水减阻方面取得了一些成果。中国专利申请201110396837.9公开了一种通过在基底沉积贵金属的微纳米二元分级复合结构，并修饰低表面能材料的方法制备超疏水表面，虽然制备的超疏水表面具有减阻效果，但是成本高，难以用于大规模实际生产。中国专利申请201610256387.6先用腐蚀液对金属球体进行腐蚀，然后修饰低表面材料，形成超疏水表面，但是该方法实现过程复杂，难以用于大体积和形状复杂的物体，在实际生活中难以得到应用。
综上所述，现有方法制得的超疏水减阻涂层制备过程复杂或者费用高昂，难以应用于大型、复杂的实际表面，极大的影响了实际推广的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超疏水减阻涂层的制备方法，先对基底表面进行沟槽处理，再将聚甲基丙烯酸甲酯和疏水二氧化硅混合，通过聚甲基丙烯酸甲酯的长分子链将疏水二氧化硅固定在涂层上，提高涂层的耐磨性和结合力，并形成了微纳米粗糙结构，制得了一种基于微纳米结构低表面能的超疏水减阻涂层。
实现上述目的的技术方案如下：
一种超疏水减阻涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将基底表面砂纸打磨后清洗干净，氮气吹干；
步骤2，对洁净的基底表面进行沟槽处理，设置圆台横向间距为200～400μm，纵向间距为200～400μm，底面直径为200～300μm；
步骤3，先在沟槽处理后的基底表面喷涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液，再喷涂疏水二氧化硅悬浮液，按聚甲基丙烯酸甲酯和疏水二氧化硅的质量比为2～5：15～20交替喷涂，喷涂完毕后，在145～155℃下加热2～3h，制得超疏水减阻涂层。
步骤1中，所述的基底为金属、陶瓷或塑料。
步骤3中，所述的聚甲基丙烯酸甲酯溶液的质量分数为1～5％，所述的疏水二氧化硅悬浮液的质量分数为1～5％，溶剂为四氢呋喃、二甲基甲酰胺或二甲苯。
步骤3中，喷涂时，喷枪的压力为250～300Kpa，喷枪口直径为0.5～1mm，喷枪口与基底表面平行，距离为15～20cm。
本发明利用喷涂方法将悬浮液喷涂在基底体表面，悬浮液在喷涂过程中，溶剂不断挥发，疏水二氧化硅颗粒不断的团聚，悬浮液到达基底表面后，团聚的疏水二氧化硅颗粒在动能的作用下碰撞、结合形成更大的颗粒，最终形成具有微纳米结构的粗糙表面。单纯的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜疏水性差，难以形成超疏水薄膜；仅喷涂疏水二氧化硅颗粒，涂层的附着力和耐磨性很差。本发明中，通过喷涂聚甲基丙烯酸甲酯和疏水二氧化硅颗粒的方式，增加了涂层的疏水性，同时在加热之后，疏水二氧化硅颗粒镶嵌于聚甲基丙烯酸甲酯中，聚甲基丙烯酸甲酯的分子链将疏水二氧化硅和基底表面牢固结合在一起，并增加疏水二氧化硅颗粒之间的结合力，涂层的性能得到了很大的提升。
本发明制备的超疏水涂层减阻原理为：传统沟槽减阻中，液体流过沟槽物体表面时，首先会在沟槽里产生“二次流向涡”，二次流向涡抑制了低速条带的展向聚集，削弱了动量流体进行展向积聚的能力。在本发明中，沟槽尺寸和涂层相协调，通过设计沟槽的尺寸，使得液滴难以渗入沟槽，减少了液体和表面的接触面积，同时，沟槽表面具有疏水性，使得流体经过疏水表面时，产生了壁面滑移，使得边界面上的速度梯度减小，从而减小了边界上的剪切力；同时由于边界面上的速度梯度减小，推迟了层流附着面流态的转变，使得附着面的层流流态更加稳定，也使得层流边界层和层流附面层的厚度增加，造成了减阻效果。另外，超疏水涂层在高水速中因为边界效应降低会减少减阻率，本发明通过引入沟槽，降低接触面积，使得涂层在高水速下有很高的减阻率。
本发明的超疏水减阻涂层的水静态接触角在150°以上，滚动角在10°以下，经水下测试表明，该超疏水减阻涂层的减阻率可以达到20％左右，在军事、航海、管道运输、建筑等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制得的超疏水涂层扫描电镜图和静态接触角图。
图2为实施例2制得的超疏水涂层扫描电镜图和静态接触角图。
图3为实施例3制得的超疏水涂层扫描电镜图和静态接触角图。
图4为喷涂有超疏水涂层的铝合金样品图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
对比例1
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
转盘式减阻测试仪测试铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.82N*m。
对比例2
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为200μm，纵向间距为200μm，底面直径为200μm。
转盘式减阻测试仪测试铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.84N*m。
对比例3
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
3.将制备好的悬浮液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中在300Kpa的压力下对第一步准备好的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm。喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯后再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
4.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h。
转盘式减阻测试仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.64N*m。
实施例1
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出5份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和15份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.14N*m。通过实施例1和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽处理的铝合金圆盘高17.9％。
实施例2
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和15份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
超疏水减阻涂层的扫描电镜测试图及静态接触角如图1所示，由图中可以看出，疏水二氧化硅颗粒均匀的分布并固定在聚甲基丙烯酸甲酯中，涂层具有很好的疏水性，和水的接触角为153°。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.11N*m。比较实例2和对比例1的阻力矩可知，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽处理的铝合金圆盘高18.6％。
实施例3
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和17份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
超疏水减阻涂层的扫描电镜测试图及静态接触角如图2所示，由图中可以看出，疏水二氧化硅颗粒均匀的分布并固定在在聚甲基丙烯酸甲酯中，涂层具有很好的疏水性，和水的接触角为155°。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.07N*m。通过实施例3和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高19.6％。
实施例4
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
超疏水减阻涂层的扫描电镜测试图及静态接触角如图3所示，由图中可以看出，疏水二氧化硅颗粒均匀的分布并固定在在聚甲基丙烯酸甲酯中，涂层具有很好的疏水性，和水的接触角为158°。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.04N*m。通过实施例4和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高20.4％。
实施例5
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.09N*m。通过实例5和对比例3的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅喷涂聚甲基丙烯酸甲酯和疏水二氧化硅涂层的铝合金圆盘高15.2％。
实施例6
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为200μm，纵向间距为200μm，底面直径为200μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.16N*m。通过实施例6和对比例2的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高17.6％。
实施例7
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热3h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.04N*m。通过实施例7和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高20.5％。
实施例8
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于155℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.05N*m。通过实施例8和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高20.3％。
实施例9
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为5％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.01N*m。通过实施例9和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高21.1％。
实施例10
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，250Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.04N*m。通过实施例10和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高20.4％。
实施例11
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.5mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.05N*m。通过实施例11和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高20.5％。
实施例12
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为1mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为15cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.05N*m。通过实施例12和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高20.3％。
实施例13
1.砂纸打磨铝合金圆盘，无水乙醇冲洗，常温下氮气吹干。
2.对基底表面进行沟槽处理，圆台横向间距为400μm，纵向间距为400μm，底面直径为300μm。
3.分别配制质量分数为1％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和疏水二氧化硅悬浮液，取出2份的聚甲基丙烯酸甲酯溶液和20份的疏水二氧化硅悬浮液。
4.将喷涂液倒入喷口直径为0.8mm的喷枪中，300Kpa的压力下对沟槽处理后的基底进行喷涂，喷枪口与基底表面平行，距离为20cm，先喷涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，再喷涂一层疏水二氧化硅，交替喷涂直到喷完。
5.将喷涂后的铝合金圆盘于145℃下加热2h，得到超疏水减阻涂层。
转盘式减阻仪测试第四步制备的铝合金圆盘在水中的阻力矩为3.04N*m。通过实施例13和对比例1的测试结果显示，通过本发明制备的超疏水减阻铝合金圆盘减阻率比仅作沟槽的铝合金圆盘高20.5％。
Claims (4)
1.一种超疏水减阻涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将基底表面砂纸打磨后清洗干净，氮气吹干；
步骤2，对洁净的基底表面进行沟槽处理，设置圆台横向间距为200～400μm，纵向间距为200～400μm，底面直径为200～300μm；
步骤3，先在沟槽处理后的基底表面喷涂聚甲基丙烯酸甲酯溶液，再喷涂疏水二氧化硅悬浮液，按聚甲基丙烯酸甲酯和疏水二氧化硅的质量比为2～5：15～20交替喷涂，喷涂完毕后，在145～155℃下加热2～3h，制得超疏水减阻涂层。
2.根据权利要求1所述的超疏水减阻涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的基底为金属、陶瓷或塑料。
3.根据权利要求1所述的超疏水减阻涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的聚甲基丙烯酸甲酯溶液的质量分数为1～5％，所述的疏水二氧化硅悬浮液的质量分数为1～5％，溶剂为四氢呋喃、二甲基甲酰胺或二甲苯。
4.根据权利要求1所述的超疏水减阻涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，喷涂时，喷枪的压力为250～300Kpa，喷枪口直径为0.5～1mm，喷枪口与基底表面平行，距离为15～20cm。
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