CN109944081A - 一种石墨烯防切割面料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯防切割面料及其制备方法，原料包含：超高分子量聚乙烯纤维20％～50％，芳纶纤维20％～50％，TPU粉20％～50％，石墨烯0.1％～1％，改性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。本发明还提供了该面料的制备方法，包含：步骤1，称取原料；步骤2，将超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维混合开松，喷涂抗静电剂，纺纱，制备混纺纱，再进行加捻；步骤3，将混纺纱用做经纱、纬纱，织造成梭织面料；步骤4，将石墨烯粉加入TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入，升温，在面料表面涂覆一层薄膜涂层，完成后进行冷却。本发明将石墨烯应用在防切割面料中，能协同发挥防切割性能，具有很好的保护效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种防切割面料及其制备方法，具体地，涉及一种石墨烯防切割面料及其制备方法。
背景技术
石墨烯是从石墨中剥离出来的单层碳原子材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质，结构非常稳定，迄今为止研究者尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的链接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品，几乎完全透明，却极为致密，不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法通过。
UHMWPE(Ultra-high molecular weight PE，超高分子量聚乙烯)纤维又称高强高模聚乙烯纤维，是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其分子量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。超高分子量聚乙烯纤维在1994年同益中突破关键性生产技术以来，现已经在国内形成多个超高分子量聚乙烯纤维产业化生产基地。据报道，美国超高分子量聚乙烯纤维70％用于防弹衣、防弹头盔、军用设施和设备的防弹装甲、航空航天等军事领域，而高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。当前，以国家已经大力支持与加速发展我国的超高分子量聚乙烯纤维的生产与应用，国产UHMWPE纤维已经在全世界占用举足轻重的地位。
石墨烯是一种性能优越的二维材料，当在超高分子量聚乙烯纤维中添加一定比例的石墨烯及添加剂时，能够极大提高该复合纤维的防切割性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型防切割面料及其制备方法，该面料主要由超高分子量聚乙烯/芳纶混纺面料层及石墨烯防切割薄膜涂层构成，具有很好的防切割效果，可应用在警察、保安、建筑工人、机械工人等行业工作服及安防手套等防护领域，防止尖锐外物划伤人体皮肤，具有很好的保护效果。
为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯防切割面料，其中，所述的防切割面料的原料按质量百分比计包含：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维20％～50％，芳纶纤维20％～50％，TPU粉20％～50％，石墨烯0.1％～1％，改性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。芳纶(Aramid fiber)，成分为聚苯二甲酰苯二胺，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能。TPU(Thermoplasticpolyurethanes)，为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，是介于橡胶和塑料之间的一种材料。
上述的石墨烯防切割面料，其中，所述的超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm；dtex(分特克斯)是线密度单位，纺织业常用。所述的超高分子量聚乙烯纤维的分子量为400万～600万。
上述的石墨烯防切割面料，其中，所述的芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
上述的石墨烯防切割面料，其中，所述的石墨烯是采用机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等的方法制备的任意一种。
上述的石墨烯防切割面料，其中，所述的改性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮(PVP)、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺(DMF)等中的任意一种或多种。
上述的石墨烯防切割面料，其中，所述的添加剂包含玻纤粉、碳纤粉、二氧化硅粉、硬脂酸铝、金属粉等中的任意一种或多种。
本发明还提供了上述的石墨烯防切割面料的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，按比例称取各原料；步骤2，制备防切割面料：将超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维进行混合开松，喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，再对混纺纱进行加捻；步骤3，织造面料：将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，织造成梭织面料；步骤4，制备石墨烯防切割复合面料：将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，升温，在面料表面涂覆一层薄膜涂层，面料涂覆完成后进行冷却，得到石墨烯防切割面料。
上述的石墨烯防切割面料的制备方法，其中，所述的步骤2中，将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，如1:(1～3)的比例，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
上述的石墨烯防切割面料的制备方法，其中，所述的步骤3中，用有梭织机或剑杆织机等织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
上述的石墨烯防切割面料的制备方法，其中，所述的步骤4中，将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，此时混合物具有很好流动性，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割复合面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。该面料防切割性能能够达到欧标五级。
本发明提供的石墨烯防切割面料及其制备方法具有以下优点：
本发明使用超高分子量聚乙烯及芳纶纤维加工成混纺纱，再织造成梭织面料，然后涂覆石墨烯TPU涂层制备得到石墨烯防切割面料。
本发明采用的石墨烯是一种性能优越的二维材料，将石墨烯应用在防切割面料中，能协同发挥防切割性能，该面料可应用在警察、保安、建筑工人、机械工人等行业工作服及安防手套等防护领域，防止尖锐外物划伤人体皮肤，具有很好的保护效果。
本方法制备的石墨烯防切割面料及其制备方法，工艺简单易操作，成本低廉，经济效益高，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的石墨烯防切割面料，其原料按质量百分比计包含：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维20％～50％，芳纶纤维20％～50％，TPU粉20％～50％，石墨烯0.1％～1％，改性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。
芳纶(Aramid fiber)，成分为聚苯二甲酰苯二胺，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能。TPU(Thermoplasticpolyurethanes)，为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，是介于橡胶和塑料之间的一种材料。
优选地，超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm；dtex(分特克斯)是线密度单位，纺织业常用。超高分子量聚乙烯纤维的分子量为400万～600万。
芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
石墨烯是采用机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等的方法制备的任意一种。
改性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮(PVP)、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺(DMF)等中的任意一种或多种。
添加剂包含玻纤粉、碳纤粉、二氧化硅粉、硬脂酸铝、金属粉等中的任意一种或多种。
本发明还提供了该石墨烯防切割面料的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料；步骤2，制备防切割面料：将超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维进行混合开松，喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，再对混纺纱进行加捻；步骤3，织造面料：将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，织造成梭织面料；步骤4，制备石墨烯防切割复合面料：将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，升温，在面料表面涂覆一层薄膜涂层，面料涂覆完成后进行冷却，得到石墨烯防切割面料。
优选地，步骤2中将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，如1:(1～3)的比例，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
步骤3中用有梭织机或剑杆织机等织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
步骤4中将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，此时混合物具有很好流动性，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割复合面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。该面料防切割性能能够达到欧标五级。
下面结合实施例对本发明提供的石墨烯防切割面料及其制备方法做更进一步描述。
实施例1
一种石墨烯防切割面料，其原料按质量百分比计包含：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维20％，芳纶纤维50％，TPU粉24.8％，石墨烯0.1％，改性剂0.1％，添加剂5％。
优选地，超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm；超高分子量聚乙烯纤维的分子量为400万～600万。
芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
石墨烯是采用机械剥离法制备的。改性剂包含聚乙烯醇。添加剂包含玻纤粉。
本实施例还提供了该石墨烯防切割面料的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备防切割面料：将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，如1:(1～3)的比例，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
步骤3，织造面料：将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，用有梭织机或剑杆织机等织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
步骤4，制备石墨烯防切割复合面料：将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，此时混合物具有很好流动性，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割复合面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。
该面料防切割性能能够达到欧标五级。
实施例2
一种石墨烯防切割面料，其原料按质量百分比计包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维25％，芳纶纤维20.4％，TPU粉50％，石墨烯0.3％，改性剂0.3％，添加剂4％。
优选地，超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm；超高分子量聚乙烯纤维的分子量为400万～600万。
芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
石墨烯是采用液相剥离法制备的。改性剂包含聚乙二醇。添加剂包含碳纤粉。
本实施例还提供了该石墨烯防切割面料的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备防切割面料：将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
步骤3，织造面料：将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，用有梭织机或剑杆织机等织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
步骤4，制备石墨烯防切割复合面料：将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，此时混合物具有很好流动性，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割复合面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。
该面料防切割性能能够达到欧标五级。
实施例3
一种石墨烯防切割面料，其原料按质量百分比计包含：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维38％，芳纶纤维38％，TPU粉20％，石墨烯0.5％，改性剂0.5％，添加剂3％。
优选地，超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm；超高分子量聚乙烯纤维的分子量为400万～600万。
芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
石墨烯是采用化学气相沉积法制备的。改性剂包含质素磺酸钠或聚乙烯吡络烷酮(PVP)。添加剂包含二氧化硅粉。
本实施例还提供了该石墨烯防切割面料的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备防切割面料：将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，如1:(1～3)的比例，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
步骤3，织造面料：将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，用有梭织机或剑杆织机等织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
步骤4，制备石墨烯防切割复合面料：将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，此时混合物具有很好流动性，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割复合面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。
该面料防切割性能能够达到欧标五级。
实施例4
一种石墨烯防切割面料，其原料按质量百分比计包含：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维30％，芳纶纤维37.4％，TPU粉30％，石墨烯0.8％，改性剂0.8％，添加剂1％。
优选地，超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm；超高分子量聚乙烯纤维的分子量为400万～600万。
芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
石墨烯是采用氧化还原法制备。改性剂包含聚十二烷基吡咯烷酮和十二烷基磺酸钠。添加剂包含硬脂酸铝或金属粉。
本实施例还提供了该石墨烯防切割面料的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备防切割面料：将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，如1:(1～3)的比例，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
步骤3，织造面料：将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，用有梭织机或剑杆织机等织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
步骤4，制备石墨烯防切割复合面料：将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，此时混合物具有很好流动性，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割复合面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。
该面料防切割性能能够达到欧标五级。
实施例5
一种石墨烯防切割面料，其原料按质量百分比计包含：超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维50％，芳纶纤维20％，TPU粉27.9％，石墨烯1％，改性剂1％，添加剂0.1％。
优选地，超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm；超高分子量聚乙烯纤维的分子量为400万～600万。
芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
石墨烯是采用机械剥离法或氧化还原法的方法制备的。
改性剂包含二甲基甲酰胺。添加剂包含玻纤粉、碳纤粉、二氧化硅粉、硬脂酸铝、金属粉中的任意多种。
本实施例还提供了该石墨烯防切割面料的制备方法，其包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，制备防切割面料：将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
步骤3，织造面料：将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，用有梭织机或剑杆织机等织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
步骤4，制备石墨烯防切割复合面料：将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，此时混合物具有很好流动性，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割复合面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。
该面料防切割性能能够达到欧标五级。
本发明提供的石墨烯防切割面料及其制备方法，通过两步法制备石墨烯防切割面料，首先利用纺织设备织造梭织面料，然后配制石墨烯防切割TPU涂层并将其涂覆在梭织面料上，固化制得石墨烯防切割面料。该防切割面料具有很好的柔软性，可水洗，防切割性不受影响，可灵活应用于服装、安防手套等，具有很好的发展前景。该面料主要由超高分子量聚乙烯/芳纶混纺面料层及石墨烯防切割薄膜涂层构成，具有很好的防切割效果，可应用在警察、保安、建筑工人、机械工人等行业工作服及安防手套等防护领域，防止尖锐外物划伤人体皮肤，具有很好的保护效果。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种石墨烯防切割面料，其特征在于，所述的防切割面料的原料按质量百分比计包含：超高分子量聚乙烯纤维20％～50％，芳纶纤维20％～50％，TPU粉20％～50％，石墨烯0.1％～1％，改性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。
2.如权利要求1所述的石墨烯防切割面料，其特征在于，所述的超高分子量聚乙烯纤维是规格为1.4～2.0dtex的超高分子量聚乙烯短纤，长度为38mm。
3.如权利要求1所述的石墨烯防切割面料，其特征在于，所述的芳纶纤维是规格为1.4～2.0dtex的芳纶短纤，长度为38mm。
4.如权利要求1所述的石墨烯防切割面料，其特征在于，所述的石墨烯是采用机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法的方法制备的任意一种。
5.如权利要求1所述的石墨烯防切割面料，其特征在于，所述的改性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺中的任意一种或多种。
6.如权利要求1所述的石墨烯防切割面料，其特征在于，所述的添加剂包含玻纤粉、碳纤粉、二氧化硅粉、硬脂酸铝、金属粉中的任意一种或多种。
7.一种如权利要求1～6中任意一项所述的石墨烯防切割面料的制备方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，按比例称取各原料；
步骤2，将超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维进行混合开松，喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，再对混纺纱进行加捻；
步骤3，将步骤2制得的混纺纱用做经纱、纬纱，织造成梭织面料；
步骤4，将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，升温，在面料表面涂覆一层薄膜涂层，面料涂覆完成后进行冷却，得到石墨烯防切割面料。
8.如权利要求7所述的石墨烯防切割面料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，将超高分子量聚乙烯短纤与芳纶短纤按比例进行混合开松，以喷雾形式喷涂抗静电剂，然后进行纺纱，制备成混纺纱，混纺纱规格为30～100支，再对混纺纱进行加捻，捻度为30～150捻/cm。
9.如权利要求7所述的石墨烯防切割面料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，用有梭织机或剑杆织机织造成梭织面料，面料织物组织为平纹组织，面料克重为50～300克/m2。
10.如权利要求7所述的石墨烯防切割面料的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，将石墨烯粉加入到TPU粉体中混合，同时将改性剂、添加剂加入石墨烯/TPU粉体中，放入薄膜涂覆机内，将温度升至120～180℃，使用薄膜涂覆机在面料表面涂覆一层薄膜涂层，薄膜厚度为0.01～0.1mm，面料涂覆完成后进行冷却，冷却温度为50～80℃，冷却5～30min，得到石墨烯防切割面料，涂覆完成后该防切割面料克重为80～500克/m2。
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