CN109553963A - 一种散热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及散热材料技术领域，具体涉及一种散热材料及其制备方法，其中，散热材料包括如下重量份的原料：聚酰胺树脂50‑80份、HDPE树脂30‑35份、环氧树脂20‑35份、导热填料10‑15份、抗冲击改性剂8‑12份、偶联剂2‑6份、有机溶剂40‑50份、相容剂5‑10份、抗氧剂7‑10份；所述导热填料为鳞片石墨和氮化铝按重量比为2‑5:3组成的混合物，导热系数大于3.78W/(m·k)，导热性能优异，同时，还具有良好的机械性能，高抗冲击强度。

Description

一种散热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及散热材料技术领域，具体涉及一种散热材料及其制备方法。
背景技术
随着电子信息时代的快速发展，电脑成为人们日常生活及工作必不可少的电子产品，而由于人们工作或学习的需要，经常需要长时间连续的使用电脑，但是长时间连续使用电脑的过程中，电脑内部的电子元器件会产生热量，如果内部的热量未能及时排出，过高的热量堆积容易损伤电脑内部的电子元器件，缩短电脑的使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的第一目的在于提供一种散热材料，导热系数大于3.78W/(m·k)，导热性能优异，同时，还具有良好的机械性能，高抗冲击强度，适合用于制作电脑外壳，有利于及时将电脑内部的热量排放到外界，延长电脑的使用寿命。
本发明的第二目的在于提供一种散热材料的制备方法，操作步骤简单，成品率高，适合大规模工业化生产，可制得具有优异散热性能的复合材料，且制得的材料性能稳定，具有较好的抗冲击性能和抗老化性能。。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种散热材料，包括如下重量份的原料：
所述导热填料为鳞片石墨和氮化铝按重量比为2-5:3组成的混合物。
本发明通过采用上述原料制备聚酰胺、高密度聚乙烯和环氧树脂复合材料，能使制得的复合材料导热率高，散热效果优异，抗冲击性能好，抗老化性能和阻燃性能佳。聚酰胺树脂具有良好的力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，本发明将其与HDPE树脂和环氧树脂进行复合，不仅提高了聚酰胺树脂的强度，还改善了复合材料的韧性，使制得的复合材料力学性能优异且具有优良的耐热耐磨损性能以及阻燃性能，并通过抗冲击改性剂进一步提高复合材料的抗冲击性能；而通过将鳞片石墨和氮化铝按上述重量份进行复配使用，一方面，使氮化铝和鳞片石墨在复合树脂体系中形成导热网络，提高复合材料的导热性能，另一方面，由于鳞片石墨具有很好的导电性能，在复合树脂材料中过量添加会使复合材料的绝缘性能大幅度下降，使制得的复合材料的绝缘能力不符合产品要求，因此氮化铝的添加不仅可以提高复合材料的导热性能，且可阻止部分鳞片石墨形成导电网链，通过严格控制二者的混合比例，使复合材料具有优异导热性能的同时还能具有一定的绝缘性能，其表面电阻率为104Ω，可避免聚合物表面产生静电效应。偶联剂和有机溶剂的使用可对导热填料进行预分散，提高导热填料与复合材料的相容性，使导热填料可以均匀稳定地分散于复合材料体系中。而相容剂的使用可以有效促进高密度聚乙烯、聚酰胺树脂和环氧树脂交联聚合使其结合为一体，进而得到稳定的共混物体系。抗氧剂可以有效抑制复合材料的耐热稳定性，有效抑制复合树脂的热老化降解，延长复合材料的使用寿命。
优选地，聚酰胺树脂为PA6，其具有较低的熔点，较宽的加工温度范围以及良好的抗冲击性，有利于提高复合材料的力学性能，提高复合材料的加工性能。
优选地，所述鳞片石墨的目数为300-600目，所述氮化铝的目数为800-1000目。
当采用上述目数的鳞片石墨和氮化铝时，鳞片石墨和氮化铝可以均匀地分散于复合材料体系中，并形成良好的导热网链，使制得的复合材料具有优异的导热性能、抗冲击性能和良好的稳定性。当鳞片石墨和氮化铝的粒径过小时，鳞片石墨之间和氮化铝颗粒之间以及鳞片石墨和氮化铝颗粒之间容易发生团聚现象，使导热填料之间不能形成连续的导热网链，进而使导热性能下降，复合材料稳定性和抗冲击性降低。由于当导热填料的质量相同时，大粒径的的导热填料的粒数比小粒径的导热填料的粒数多，因此，当鳞片石墨和/或氮化铝的粒径过大时，导热填料的粒数过少，使导热填料未能在复合材料体系中进行紧密堆砌，填料之间存在的空隙较多，使得热量在传递过程中发生损失，进而使制得的复合材料的导热性能下降。
更优选地，所述鳞片石墨的目数为450目，所述氮化铝的目数为900目。
优选地，所述抗冲击改性剂为醋酸乙烯酯和三元乙丙橡胶按重量比为3-5:1-4组成的混合物。
醋酸乙烯酯和三元乙丙橡胶在树脂基体中受到冲击时可被分割成若干均匀分散的弹性核，由于醋酸乙烯酯和三元乙丙橡胶均具有较好的柔韧性和较大的形变能力，可通过自身改变吸收和分散冲击能力，将醋酸乙烯酯和三源疫病橡胶按上述重量份数进行复配时，能与其他原料相互配合作用、协同反应，增加复合材料的韧性和挠性，使制得的复合材料具有优异的抗冲击性能。
优选地，所述偶联剂为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯偶联剂、异丙基二油酸酰氧基(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯偶联剂、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯偶联剂、双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯偶联剂中的至少一种。
通过采用上述种类的偶联剂对导热填料进行表面处理，可以有效改善导热填料和聚合物之间的界面相容性，提高导热填料和复合树脂材料之间的结合力，提高导热填料的分散性、黏性、相容性和加工性能，使制得的复合材料具有优异的导热性能、分散性、粘结力和强度等综合性能。
优选地，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、甲苯、丙酮中的至少一种。
采用上述种类的有机溶剂协助偶联剂对导热填料进行表面改性，有利于提高偶联剂和导热填料之间的反应率，使偶联剂对导热填料进行充分改性。
优选地，所述相容剂为氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、乙烯-丙烯酸-甲酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯和苯乙烯一丙烯腈共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯中的至少一种。
本发明通过采用上述种类的相容剂，能与其他原料相配合作用、协同反应，有效降低聚酰胺树脂、高密度聚乙烯树脂和环氧树脂与其他原料反应时分子间的界面张力，进而提高界面粘接力，使分散相和连续相均匀，形成稳定的结构，促进复合材料各原料的相互配合反应，提高复合材料的拉伸强度、抗冲击强度等机械性能，改善加工流变性，提高表面光洁度，提高导热率。
优选地，所述抗氧剂为抗氧剂DLTP、抗氧剂CA、对羟基苯甲醚、对苯二酚、2-叔丁基对苯二酚中的至少一种。
本发明通过采用上述种类的抗氧剂，能与其他原料组份具有更好的协同作用，提高复合材料的抗老化性能。
更优选地，抗氧剂为对羟基苯甲醚与抗氧剂DLTP按重量比为3-5:2-3组成的混合物。
对羟基苯甲醚与抗氧剂DLTP组成的复合抗氧体系协同效应显著，且当羟基苯甲醚与抗氧剂DLTP按重量份数比为3-5:2-3进行复配时，体系的热稳定效果更好，可以显著提高复合材料的耐热稳定性，有效抑制复合树脂的热老化降解。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：散热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量比将偶联剂与有机溶剂混合均匀得得分散液，然后将导热填料加入分散液中，并升温至80-100℃，并以800-1200r/min的速度搅拌5-8min，制得预分散导热填料；
(2)将步骤(1)制得的预分散导热填料放置于干燥机中，在100-150℃的条件下干燥0.5-1h；
(3)按重量比将聚酰胺树脂、HDPE树脂、环氧树脂、抗冲击改性剂、相容剂、抗氧剂混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得母料；
(4)将步骤(3)制得的母料与和通过步骤(2)干燥后的导热填混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得散热材料。
本发明的制备方法先通过偶联剂和有机溶剂配合使用并严格控制反应温度和分散速度，对导热填料进行表面改性，并对预分散导热填料进行干燥，以蒸发掉有机溶剂并使偶联剂和导热填料进行充分反应，提高导热填料与复合材料的相容性；并采用二次挤出法强化抗冲击改性剂和抗氧剂在复合树脂材料中的分散性，通过二次挤出造粒的二次剪切作用，使聚酰胺树脂、高密度聚乙烯树脂和环氧树脂以及其它原料之间混合得更加地均匀，提高树脂件的交联反应，进而使制得的散热材料的抗冲击性能、拉伸性能等机械性能更好，耐热稳定性更佳；而通过在第二次挤出混合时再添加导热填料，导热填料在二次混合时均匀地分散于复合材料中形成导热网链，有效提高复合材料的导热性能，如果在第一次挤出混合时便添加导热填料，当对复合材料进行二次挤出混合时，二次挤出造粒增加的剪切作用会破坏导热填料形成的导热网链，使制得的材料的导热性能下降。
优选地，所述步骤(3)中的挤出设备的机筒温度为270-320℃，所述步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为1000-1500r/min。
本发明的步骤(3)中的挤出设备通过采用上述的搅拌速度和温度，使混合体系中各组分充分接触，提高复合树脂之间的交联反应速率，缩短反应时间，提高制备效率。
当搅拌速度过高时，搅拌过程产生的剪切力过大会破坏树脂的交联结构，复合树脂的界面粘接强度下降，相容性降低，进而使制备的复合材料的机械性能下降。当搅拌速度过低时，各组分混合不均匀，还会降低聚酰胺树脂、高密度聚乙烯树脂和环氧树脂之间的交联反应的进行，同样会降低复合材料体系的相容性，影响材料的机械性能。
优选地，所述步骤(4)中的挤出设备的机筒温度为200-250℃，所述步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为300-400r/min。
本发明通过采用上述温度和螺杆转速，使导热填料均匀地分散于树脂基体中，鳞片石墨的片层结构被打开与氮化铝颗粒形成导热通路，使制得的复合材料具有优异的导热性能，复合树脂体系中各原料混合均匀，抗冲击性能优异。
当搅拌速度过高时，过大的剪切力会破坏导热填料形成的导热通路以及鳞片石墨的六角形表面结构，使热量传递到鳞片石墨表面时，发生散射的增多，进而降低热传导率。当螺杆转速过小时，不仅各原料不能在树脂基体中进行均匀分散，且鳞片石墨的片层结构不能被打开，在聚合物中不能均匀分散，取向度低，难以形成导热通路，使复合材料的导热性能下降。
本发明的有益效果在于：
1、本发明制得的散热材料的导热系数大于3.78W/(m·k)，导热性能优异，同时，还具有良好的机械性能，其拉伸强度大于75.6MPa，冲击强度大于65.3KJ/m2，弯曲强度大于106MPa，抗冲击性能较好，强度较高，可用于制作电脑、电视机等电器背面材料，有利于及时将电脑或电视机内部的的热量排放到外界，对电脑或电视机内部的电子元器件起保护作用，当用本发明的材料制作电脑或电视机时，其内部无需设置排热风扇，可减少生产成本，还可减小电器的体积；
2、采用本发明的散热材料的制备方法操作步骤简单，成品率高，适合大规模工业化生产，可制得具有优异散热性能的复合材料，且制得的材料性能稳定，具有较好的抗冲击性能和抗老化性能。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种散热材料，包括如下重量份的原料：
其中，导热填料为鳞片石墨和氮化铝按重量比为2:3组成的混合物；鳞片石墨的目数为300目，氮化铝的目数为800目。
其中，抗冲击改性剂为醋酸乙烯酯和三元乙丙橡胶按重量比为3:1组成的混合物；偶联剂为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯偶联剂，有机溶剂为乙醇，相容剂为氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯，抗氧剂为抗氧剂DLTP。
上述散热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量比将偶联剂与有机溶剂混合均匀得分散液，然后将导热填料加入分散液中，并升温至80℃，并以800r/min的速度搅拌5min，制得预分散导热填料；
(2)将步骤(1)制得的预分散导热填料放置于干燥机中，在100℃的条件下干燥0.5h；
(3)按重量比将聚酰胺树脂、HDPE树脂、环氧树脂、抗冲击改性剂、相容剂、抗氧剂混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得母料；
(4)将步骤(3)制得的母料与和通过步骤(2)干燥后的导热填混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得散热材料。
其中，步骤(3)中的挤出设备的机筒温度为270℃，步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为1000r/min。
步骤(4)中的挤出设备的机筒温度为200℃，步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为300r/min。
实施例2
一种散热材料，包括如下重量份的原料：
其中，导热填料为鳞片石墨和氮化铝按重量比为3.5:3组成的混合物，鳞片石墨的目数为450目，氮化铝的目数为900目。
抗氧剂为对羟基苯甲醚与抗氧剂DLTP按重量比为4:2.5组成的混合物，抗冲击改性剂为醋酸乙烯酯和三元乙丙橡胶按重量比为4:2.5组成的混合物。
偶联剂为异丙基二油酸酰氧基(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯偶联剂，有机溶剂为甲醇，相容剂为乙烯-丙烯酸-甲酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯。
上述的散热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量比将偶联剂与有机溶剂混合均匀得得分散液，然后将导热填料加入分散液中，并升温至90℃，并以1000r/min的速度搅拌6.5min，制得预分散导热填料；
(2)将步骤(1)制得的预分散导热填料放置于干燥机中，在125℃的条件下干燥0.75h；
(3)按重量比将聚酰胺树脂、HDPE树脂、环氧树脂、抗冲击改性剂、相容剂、抗氧剂混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得母料；
(4)将步骤(3)制得的母料与和通过步骤(2)干燥后的导热填混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得散热材料。
其中，步骤(3)中的挤出设备的机筒温度为295℃，所述步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为1250r/min。
步骤(4)中的挤出设备的机筒温度为225℃，所述步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为350r/min。
实施例3
一种散热材料，包括如下重量份的原料：
其中，导热填料为鳞片石墨和氮化铝按重量比为5:3组成的混合物，鳞片石墨的目数为600目，氮化铝的目数为1000目。
抗冲击改性剂为醋酸乙烯酯和三元乙丙橡胶按重量比为5:4组成的混合物。
偶联剂为单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯偶联剂，有机溶剂为甲苯，相容剂为苯乙烯一丙烯腈共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯，抗氧剂为对苯二酚。
上述的散热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量比将偶联剂与有机溶剂混合均匀得得分散液，然后将导热填料加入分散液中，并升温至100℃，并以1200r/min的速度搅拌8min，制得预分散导热填料；
(2)将步骤(1)制得的预分散导热填料放置于干燥机中，在150℃的条件下干燥1h；
(3)按重量比将聚酰胺树脂、HDPE树脂、环氧树脂、抗冲击改性剂、相容剂、抗氧剂混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得母料；
(4)将步骤(3)制得的母料与和通过步骤(2)干燥后的导热填混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得散热材料。
其中，步骤(3)中的挤出设备的机筒温度为320℃，步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为1500r/min。
步骤(4)中的挤出设备的机筒温度为250℃，步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为400r/min。
对比例1
对比例1与实施例2的区别之处在于，对比例1的鳞片石墨的目数为700目。
对比例2
对比例2与实施例2的区别在于散热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量比将偶联剂与有机溶剂混合均匀得得分散液，然后将导热填料加入分散液中，并升温至90℃，并以1000r/min的速度搅拌6.5min，制得预分散导热填料；
(2)将步骤(1)制得的预分散导热填料放置于干燥机中，在125℃的条件下干燥0.75h；
(3)按重量比将聚酰胺树脂、HDPE树脂、环氧树脂、抗冲击改性剂、相容剂、抗氧剂和通过步骤(2)干燥后的导热填料混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得母料；
(4)将步骤(3)制得的母料再次投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得散热材料。
其中，步骤(3)中的挤出设备的机筒温度和螺杆转速以及步骤(4)中的挤出设备的机筒温度和螺杆转速与实施例2相同。
性能测试
对实施例1-3及对比例1-2制得的散热材料根据相关标准进行如下性能测试，并将测试结果记录于表1中。
力学性能：拉伸性能测试按GB1040-1992标准，拉伸速率为10mm/min；弯曲性能测试按GB9341-2000标准进行，弯曲形变速率为10mm/min；冲击性能测试按GB1843-1996标准进行。
导热系数测试：导热系数K按公式K＝ɑ·Cp·ρ计算，其中ρ为试样密度，采用排水法测定；热扩散系数ɑ使用激光导热仪测试；Cp为试样的比热容，通过DSC测定。
表1实施例1-3及对比例1-2制得的散热材料的性能测试结果汇总
根据表1的测试结果可知，本发明制得的散热材料的导热系数大于3.78W/(m·k)，导热性能优异，同时，还具有良好的机械性能，其拉伸强度大于75.6MPa，冲击强度大于65.3KJ/m2，弯曲强度大于106MPa，抗冲击性能较好，强度较高，可用于制作电脑、电视机等电器背面材料，有利于及时将电脑或电视机内部的的热量排放到外界，对电脑或电视机内部的电子元器件起保护作用，当用本发明的材料制作电脑或电视机时，其内部无需设置排热风扇，可减少生产成本，还可减小电器的体积；另一方面，由于鳞片石墨具有导电性能，本发明的散热材料的表面电阻率达104Ω，导静电效果佳，且还具有阻燃性能和抗老化性能，性质稳定。
对比例1和实施例2相比可知，实施例2的导热系数高于对比例1的导热系数，这是由于对比例1的鳞片石墨的粒径大于实施例2的粒径，而由于实施例2和对比例1添加的鳞片石墨的质量相同，大粒径的的鳞片石墨的粒数比小粒径的鳞片石墨的粒数多，因此，对比例1的鳞片石墨的粒数过少，使导热填料未能在复合材料体系中进行紧密堆砌，填料之间存在的空隙较多，使得热量在传递过程中发生损失，进而使对比例1制得的复合材料的导热性能远低于实施例2，本发明的导热填料通过严格控制鳞片石墨烯和氮化铝的重量比及各自的颗粒大小，并通过偶联剂和有机溶剂想喝配合对导热填料进行表面改性，保证导热填料可以均匀地分散于复合材料的同时使制得的散热材料的导热系数大于3.78W/(m·k)。
对比例2和实施例2相比可知，实施例2的导热系数高于对比例2的导热系数，这是因为对比例2直接将步骤(2)干燥后的导热填料与其他原料进行混合并通过挤出设备进行挤出制得母料，制得的母料又再次投入挤出设备中进行二次挤出造粒，而导热填料在进行二次挤出造粒的过程中，鳞片石墨与氮化铝在一次挤出造粒后形成的导热网链由于二次挤出的剪切作用受到破坏，使导热填料不能继续在复合材料中形成连通的导热通路，进而使对比例2的导热性能下降。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种散热材料，其特征在于：包括如下重量份的原料：
所述导热填料为鳞片石墨和氮化铝按重量比为2-5:3组成的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种散热材料，其特征在于：所述鳞片石墨的目数为300-600目，所述氮化铝的目数为800-1000目。
3.根据权利要求1所述的一种散热材料，其特征在于：所述抗冲击改性剂为醋酸乙烯酯和三元乙丙橡胶按重量比为3-5:1-4组成的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种散热材料，其特征在于：所述偶联剂为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯偶联剂、异丙基二油酸酰氧基(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯偶联剂、单烷氧基不饱和脂肪酸钛酸酯偶联剂、双(二辛氧基焦磷酸酯基)乙撑钛酸酯偶联剂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种散热材料，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇、甲醇、甲苯、丙酮中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种散热材料，其特征在于：所述相容剂为氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、乙烯-丙烯酸-甲酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯和苯乙烯一丙烯腈共聚物接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种散热材料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂DLTP、抗氧剂CA、对羟基苯甲醚、对苯二酚、2-叔丁基对苯二酚中的至少一种。
8.如权利要求1-7任意一项所述的散热材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)按重量比将偶联剂与有机溶剂混合均匀制得分散液，然后将导热填料加入分散液中，并升温至80-100℃，并以800-1200r/min的速度搅拌5-8min，制得预分散导热填料；
(2)将步骤(1)制得的预分散导热填料放置于干燥机中，在100-150℃的条件下干燥0.5-1h；
(3)按重量比将聚酰胺树脂、HDPE树脂、环氧树脂、抗冲击改性剂、相容剂、抗氧剂混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得母料；
(4)将步骤(3)制得的母料与和通过步骤(2)干燥后的导热填混合均匀，然后将混合料投入挤出设备进行混炼、挤出、造粒，制得散热材料。
9.根据权利要求8所述的散热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的挤出设备的机筒温度为270-320℃，所述步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为1000-1500r/min。
10.根据权利要求8所述的散热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的挤出设备的机筒温度为200-250℃，所述步骤(3)中的挤出设备的螺杆转速为300-400r/min。
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