CN111499190A - 一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃及其制备方法,按质量百分比计,所述玻璃包括:60%~72%的SiO2,8%~20%的Al2O3,11%~17%的Na2O,1%~6%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.1%~2%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。本发明实施例提供的玻璃适用于一步法离子交换工艺,在化学强化时间较短的情况下仍具有合理的离子交换效率,使玻璃具备优良的抗力学冲击性能、表面硬度。
Description
技术领域
本发明涉及强化玻璃制造技术领域,特别涉及一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃及其制备方法。
背景技术
随着经济水平的提高以及科学技术的迅速发展,人们对消费类电子产品的性能追求也不断提高。以智能手机为代表的电子产品普及度不断提高,产品迭代更新迅速,手机屏幕也越来越大,但抗摔抗划伤性能依然是消费者关注的焦点。人们在更新自己的手机时,往往希望对屏幕采取更多的保护措施,鉴于更换屏幕的成本较高,越来越多的消费者会采用钢化玻璃保护贴来对手机屏幕提供更高的保护,同时使手机的整体抗摔抗划伤能力得到进一步提升。
与传统树脂贴膜相比较,钢化玻璃保护贴具有更好的耐磨特性,其维氏硬度达到了600HV以上。其强化原理与手机盖板玻璃相同,通过离子交换法进行化学强化,使玻璃表面形成压应力,从而提高了玻璃自身的抗机械冲击性能。目前,市场上的钢化玻璃保护贴的价格从几元到上百元不等,厚度主要有0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.30mm,性能越优,厚度越薄,价格也相应更高,产品尺寸规格有2D、2.5D、3D、全贴、半贴软边等,功能繁多,诸如:抗蓝光、抗指纹、防窥、丝印、磨砂等。
虽然钢化玻璃保护贴的规格繁多、功能各异,但产品质量却参差不齐,大部分产品的核心机械性能往往难以令人满意。目前,市场上的钢化玻璃保护贴的玻璃组成主要有中铝钠钙和高铝硅两类,两者相比较,中铝钠钙系在机械和光学性能上处于劣势,但在成本和市场推广上存在优势。而主流高铝硅系原是作为手机盖板玻璃的首选材料,其主要存在的问题是性能过剩和成本高,影响了该系产品的市场推广。
即现有技术中,在钢化玻璃保护贴的玻璃系统方面主要采用中铝钠钙玻璃,其主流的组成范围大致为(以质量百分比计)65%~73%的SiO2、3%~5%的Al2O3、9%~12%的Na2O、0%~1%的K2O、2%~6%的MgO、5%~8%的CaO、0~2%的ZrO2。由于氧化铝含量不高,而且碱土金属含量较高,因此其离子交换性能并不突出,但熔化温度较低,产业化生产工艺中熔窑制备工艺难度小。中铝钠钙玻璃除了应用在低端的钢化玻璃保护贴领域以外,还主要应用于TN、STN等低端液晶显示的ITO玻璃等。
上述现有技术中涉及的中铝钠钙玻璃,为了使应力层深度高于10μm,需要强化时间高于4小时;使应力层深度高于15μm,需要强化时间高于6小时;若应力层深度高于20μm,需要强化时间高于8~9小时以上。而且强化温度必须高于420℃,且强化时间越长,表面压应力值越低,最终的产品的表面压应力值(CS)一般不足700MPa。若采用强化贴片厂商希望的工艺,例如强化时间2小时,强化工艺400℃,强化后应力层深度(DOL)一般不足6μm,表面压应力值一般不足800MPa,产品性能较差。
现有技术中,在保护盖板以及手机贴片的材料方面主要采用高铝高碱玻璃,其主流的组成范围大致为(以质量百分比计)55%~70%的SiO2、12%~23%的Al2O3、13%~18%的Na2O、0%~5%的K2O,0%~6%的MgO、0%~5%的B2O3、0~2%的ZrO2。由于氧化铝含量高,其本身强度高于普通钠钙玻璃,同时其离子交换能力也更强,主要应用于电子产品的保护盖板,具有较高的可见光透过率。上述高铝玻璃在温度为390℃~450℃的纯硝酸钾熔盐(熔盐中Na+浓度控制在4000ppm以内)中进行4h~8h的离子交换后,表面压应力一般达到750MPa以上,应力层深度在30μm以上,可以获得抗力学冲击较好的钢化玻璃保护贴。
上述现有技术中涉及的高铝高碱玻璃,在工业化生产中的制造成本非常高。因为高铝高碱玻璃在工业化生产过程中一般都需要优质的化工原料作为制造玻璃的原材料,极少用到成分不稳定、杂质金属氧化物含量高的矿物原料,全部使用化工原料,不经熔制造成飞料和熔窑侵蚀等问题,还导致制造工艺过程中的能耗很高,这些因素最终导致高铝高碱玻璃保护贴的价格昂贵。
此外,上述现有技术中涉及的高铝高碱玻璃,就其强化性能而言,虽然可以满足钢化玻璃保护贴产品的性能要求,也兼具生产效率的经济性。但是,较短的强化时间和较低的强化温度,并不能使高铝高碱玻璃的强化性能达到最佳。主要问题在于较短时间强化后,玻璃浅表层5μm区间内的离子“挤塞效应”并没有达到最佳状态。另一方面,缺乏离子半径较大的碱土金属离子去修饰网络,缺乏这些碱土金属离子去集聚游离氧,进而无法在短时间内时锁住交换进来的K+离子。这种高铝高碱玻璃的结构特性,虽然具有较好的离子交换性能,但是无法在较短的强化时间内使得浅表层离子“挤塞效应”达到最佳状态,最终导致其显微硬度并不能达到最佳。换而言之,高铝高碱玻璃并不适用于较短强化时间,不能完美匹配强化贴片的加工工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃及其制备方法,旨在满足一步法离子交换工艺的同时提高产品的性能。
本发明实施例提供一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其中,按质量百分比计,包括:60%~72%的SiO2,8%~20%的Al2O3,11%~17%的Na2O,1%~6%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.1%~2%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
进一步的,按质量百分比计,包括:61%~65%的SiO2,10%~17%的Al2O3,13%~16%的Na2O,3%~5%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.5%~1%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
进一步的,按质量百分比计,包括:61%~65%的SiO2,12%~15%的Al2O3,13%~16%的Na2O,3%~5%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.5%~1%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
进一步的,所述玻璃强化后的表面压应力值在850~1050MPa范围内。
进一步的,所述玻璃强化后的应力层深度在12~25μm范围内。
进一步的,所述玻璃强化后的表面显微维氏硬度大于或等于690MPa。
进一步的,所述玻璃为应用于消费电子产品的保护玻璃。
本发明实施例还提供一种如上所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃的制备方法,其包括:
按照配方比例,将原料充分搅拌混合得到配合料混合物;
将配合料混合物进行升温加热,使配合料混合物熔融澄清;
将熔融后的混合物浇铸到模具中,并进行退火获得玻璃原片;
将玻璃原片进行切割,并对两个表面均进行研磨和抛光,获得玻璃产品;
对所述玻璃产品进行一步法离子交换并进行清洗。
进一步的,所述一步法离子交换中,采用纯KNO3熔盐进行一步离子交换,且强化温度在390~450℃范围,强化时间小于或等于180min。
进一步的,强化时间小于或等于120min。
本发明实施例提供了一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃及其制备方法,按质量百分比计,所述玻璃包括:60%~72%的SiO2,8%~20%的Al2O3,11%~17%的Na2O,1%~6%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.1%~2%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。本发明实施例提供的玻璃适用于一步法离子交换工艺,在化学强化时间较短的情况下仍具有合理的离子交换效率,使玻璃具备优良的抗力学冲击性能、表面硬度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解,在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解,在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
本发明实施例提供一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其中,按质量百分比计,包括:60%~72%的SiO2,8%~20%的Al2O3,11%~17%的Na2O,1%~6%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.1%~2%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
采用上述配方的玻璃,其离子交换性能、力学性能等明显优于中铝钠钙玻璃。与离子交换性能同样优异的高铝高碱玻璃相比较,可以在较短时间的离子交换后,玻璃浅表层5μm区间内的离子“挤塞效应”达到最佳状态,同时玻璃本体中具有离子半径较大的碱土金属离子修饰网络,去集聚游离氧,进而可以在短时间内时锁住交换进来的K+离子,因此强化后的显微硬度更加优异。
在进一步的实施例中,按质量百分比计,所述玻璃包括:61%~65%的SiO2,10%~17%的Al2O3,13%~16%的Na2O,3%~5%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.5%~1%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
进一步的实施例中,按质量百分比计,所述玻璃包括:61%~65%的SiO2,12%~15%的Al2O3,13%~16%的Na2O,3%~5%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.5%~1%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
本发明实施例通过上述配方,强化工艺可控制在3小时以内,从而提高生产效率,同时避免产生化学强化翘曲问题,这样可以适用于手机盖板厂商以盖板性能为目标的强化工艺。
本发明实施例涉及的具有上述组成的玻璃,可以采用平板玻璃制造工艺制备,如浮法生产工艺,但不限于浮法生产工艺,还可应用于压延法、溢流下拉法、引上法、平拉法等生产工艺,优选矿物原料作为玻璃生产的原材料,可有效降低玻璃的制造成本。
具体来说,二氧化硅(SiO2)是形成玻璃骨架所必需的成分。SiO2能提高玻璃的强度、化学稳定性等,可以使玻璃获得更高的应变点,和较低的热膨胀系数。SiO2的质量百分比优选为60%~72%,更优选为61%~65%。若SiO2的质量百分比不足60%,玻璃主体网络结构较差,机械性能和热膨胀性能变差;若超过72%,玻璃在生产过程中熔制温度过高,能耗增加,且容易造成频繁的气泡、结石等缺陷,同时硅氧骨架结构比例偏高,网络间隙较小,不利于化学强化离子交换,严重影响化学增强的效率。
氧化铝(Al2O3)是增加玻璃离子交换能力所必需的成分,由于Al2O3含量的不同,形成网络空间的体积的大小会有所差异,其质量百分比优选为8%~20%。Al2O3含量越高,骨架网络的间隙越大,越有利于离子交换;但同时玻璃高温黏度明显增大,生产过程中熔制温度过高,能耗增加,同样不利于控制气泡、结石等缺陷。然而,当Al2O3含量偏低时,网络空间的空隙变小,不利于离子迁移,严重影响化学增强的效率。因此,Al2O3的质量百分比优选为8%~20%,更优选为10%~17%,最优选为12%~15%。
氧化钠(Na2O)是本发明实施例玻璃体系中最主要的助熔剂,能显著降低铝硅酸盐玻璃的熔化温度,也是进行离子交换必需的成分,其质量百分比优选为11%~17%,更优选为13%~16%。如果质量百分比低于11%,则不仅使玻璃的熔化性能急剧变差,而且形成K-Na离子交换层的应力值偏小,深度较浅,浅表层的CS值低容易导致显微硬度不佳;如果高于17%,则玻璃网络结构显著变差,力学、热学性能的稳定性降低,化学耐久性变差。
氧化钾(K2O)具有改善玻璃的熔化性能的作用,更关键的是对离子交换深度具有决定性作用,其质量百分比优选为1%~6%,更优选为3%~5%。如果质量百分比低于1%,形成K-Na离子交换层的应力深度很浅,不利于离子交换过程中K+离子向内层的迁移;如果高于6%,则玻璃的热学性能显著降低,玻璃网络结构松散,强化后无法形成较高的表面压应力。
氧化镁(MgO)在高温时能降低玻璃的黏度,促进玻璃的熔化和澄清,在低温下可以增强玻璃网络空间的稳定性,一定程度上可以降低玻璃的热膨胀系数,但其对离子交换存在阻碍的作用,其质量百分比优选为1%~4%。若高于4%,Mg2+严重阻碍玻璃的离子交换能力,导致压应力层深度明显减小,强化时无法在较短时间内达到客户需要的压应力层深度;若低于1%,玻璃的应变点会明显降低,强化时伴随的应力松弛现象严重,无法获得较高的表面压应力。
氧化钙(CaO)作用与MgO类似,且在低温下可以增强玻璃网络空间的稳定性,但其对离子交换也存在更明显的阻碍作用。在采用矿物原料作为玻璃生产原材料时,可以采用白云石作为优选矿物同时引入CaO和MgO,通过采用矿石原料来替代化工原料,这样可以极大的降低玻璃生产中的原料成本。其质量百分比优选为1.5%~6%。
氧化硼(B2O3)是良好的助熔剂,其形成的空间末端网络可以在一定范围内滑动,当玻璃存在应力时,玻璃网络结构可以获得更大的形变来缓冲,从而减少裂纹的产生,降低玻璃的脆性。但B2O3含量过高时,玻璃的离子交换能力显著降低。因此本发明实施例中,B2O3质量百分比优选为0.1%~2%,更优选为0.5%~1%。
氧化锆(ZrO2)能提高玻璃的化学稳定性和离子交换性能,增加玻璃表面硬度,且能提高玻璃形成裂纹所需的压力,从而使得玻璃更耐划伤和跌落,仅需少量ZrO2就能满足要求,因此是必需的成分。但是ZrO2过多会显著提高玻璃的熔化温度,同时会带来结石等缺陷。因此本发明中ZrO2的质量百分比优选为0.1%~2%。
本发明实施例提供的玻璃,在化学强化时间少于3h内具有合理的离子交换效率,使玻璃具备优良的抗力学冲击性能、表面硬度,可以使玻璃获得较高的表面压应力值,具体在850~1050MPa范围内;具有优异的耐划伤的性能,应力层深度在12~25μm范围内;具有一定的抗冲击性能,强化后的表面显微维氏硬度不低于690HV。并且本发明实施例合理地控制了CT值(中心张应力),具体在50MPa以内,这不仅降低了贴片玻璃在加工、运输和使用过程中自爆问题,还优化了反复抗力学冲击的稳定性。
进一步的,所述玻璃为应用于消费电子产品的保护玻璃。本发明实施例所涉及的玻璃可广泛应用于消费类电子产品的保护玻璃,尤其适用于手机等电子产品的强化保护贴片。
如图1所示,本发明实施例还提供一种如上所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃的制备方法,其包括:
S101、按照配方比例,将原料充分搅拌混合得到配合料混合物;
S102、将配合料混合物进行升温加热,使配合料混合物熔融澄清;
S103、将熔融后的混合物浇铸到模具中,并进行退火获得玻璃原片;
S104、将玻璃原片进行切割,并对两个表面均进行研磨和抛光,获得玻璃产品;
S105、对所述玻璃产品进行一步法离子交换并进行清洗。
本发明涉及的离子交换强化工艺,其离子交换时间一般控制在3小时以内,优选1~2小时之间,在这种极短的强化时间里就可以获得性能优异的钢化保护贴产品。其一,可以大幅提高玻璃的生产效率,降低生产成本;其二,由于玻璃产品的厚度一般不大于0.33mm,其自身原片的刚性随厚度减薄大幅降低,因此极容易发生强化翘曲问题,而本发明实施例涉及的离子强化工艺优选3小时以内的强化时间,将有效改善强化翘曲问题,也提高了产品加工良率。
进一步的,所述一步法离子交换中,采用纯KNO3熔盐进行一步离子交换,且强化温度在390~450℃范围,强化时间小于或等于180min。进一步的,强化时间小于或等于120min。正因为本发明实施例所提供的玻璃的特殊的化学组成,使得玻璃可以同时满足180min以内的强化时间,获得到较高的CS值(表面压应力值)与理想的DOL值(应力层深度值)。
本发明实施例提供的玻璃能理想地适用于一步法离子交换工艺。这对于贴片加工工艺来说非常有利,不需要更换离子交换熔盐,也不用增加其他工艺技术环节,更不用增加其他加工时间就可以获得性能优异的玻璃产品。
具体实施例
在表1、表2和表3中,适当地选择常用的玻璃原料诸如氧化物和碳酸盐等,以具有表中所示的组成,称量以制得大于500g的配合料,充分搅拌混合。将配合料混合物放入大于400ml的铂金坩埚中,再将铂金坩埚放入硅钼炉中,升温至1670℃,并熔融澄清8小时以上,使其均化并浇铸到模具中,在750℃以下的退火温度下进行精密退火,随后获得块状玻璃。将该块状玻璃进行精密线切割,并对两个表面均进行研磨和抛光,获得对角线长度尺寸为6寸、厚度为0.7mm的主流盖板厚度的超薄玻璃。
以上超薄玻璃的尺寸和厚度可以根据电子产品终端客户的需求进行任意调整,例如将厚度范围调整为0.2~0.55mm,尺寸范围调整为4~20寸。
在经过化学强化之前,可以对玻璃进行2.5D抛光、3D热弯等加工工艺以满足电子产品的外观设计的需求。再将上述玻璃进行一步法离子交换(化学强化),待其冷却后,用超声波清洗机清洗1小时以洗去玻璃表面残留的熔盐,烘干后待测试。
对未经过离子交换的玻璃进行高温黏度测试,使用美国ORTON的高温黏度仪进行测试,确定玻璃的熔化澄清温度Tm(102dPa.s);对紧密切割的玻璃样品进行热膨胀性能测试,采用德国耐驰的PC402L卧式膨胀仪进行测试,确定玻璃化转变的温度Tg(1013.4dPa.s)、热膨胀性能(35~350℃、350~500℃);对经过了氧化铈抛光后的具有镜面理想表面的玻璃样品进行维氏显微硬度测试。采用的仪器为FSM-6000LE双折射应力仪对经过离子交换的各实施例的强化玻璃进行CS与DOL的测试。利用双折射成像系统,特定波长的偏正光穿过具有应力梯度的玻璃,产生折射光程差,计算表面应力值CS、应力层深度DOL。
表1
表2
表3
从表1、表2和表3中提供的实施例1-实施例20可以看出,本发明实施例的玻璃强化前原片的表面显微维氏硬度不低于600HV。经过一步法离子强化工艺,强化温度在390~450℃之间,强化时间可控制在180min以内,最短时间可以选用90min,强化后玻璃表面压应力值在860~1050MPa范围内,整体离子交换的应力层深度不低于12μm,最高可达25μm,强化后的表面显微维氏硬度不低于690HV。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是,在本说明书中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其特征在于,按质量百分比计,包括:60%~72%的SiO2,8%~20%的Al2O3,11%~17%的Na2O,1%~6%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.1%~2%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
2.根据权利要求1所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其特征在于,按质量百分比计,包括:61%~65%的SiO2,10%~17%的Al2O3,13%~16%的Na2O,3%~5%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.5%~1%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
3.根据权利要求2所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其特征在于,按质量百分比计,包括:61%~65%的SiO2,12%~15%的Al2O3,13%~16%的Na2O,3%~5%的K2O,1%~4%的MgO,1.5%~6%的CaO,0.5%~1%的B2O3以及0.1%~2%的ZrO2。
4.根据权利要求1所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其特征在于,所述玻璃强化后的表面压应力值在850~1050MPa范围内。
5.根据权利要求1所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其特征在于,所述玻璃强化后的应力层深度在12~25μm范围内。
6.根据权利要求1所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其特征在于,所述玻璃强化后的表面显微维氏硬度大于或等于690MPa。
7.根据权利要求1所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃,其特征在于,所述玻璃为应用于消费电子产品的保护玻璃。
8.一种如权利要求1~7任一项所述的适用于一步法离子交换工艺的玻璃的制备方法,其特征在于,包括:
按照配方比例,将原料充分搅拌混合得到配合料混合物;
将配合料混合物进行升温加热,使配合料混合物熔融澄清;
将熔融后的混合物浇铸到模具中,并进行退火获得玻璃原片;
将玻璃原片进行切割,并对两个表面均进行研磨和抛光,获得玻璃产品;
对所述玻璃产品进行一步法离子交换并进行清洗。
9.根据权利要求8所述的玻璃的制备方法,其特征在于,所述一步法离子交换中,采用纯KNO3熔盐进行一步离子交换,且强化温度在390~450℃范围,强化时间小于或等于180min。
10.根据权利要求9所述的玻璃的制备方法,其特征在于,强化时间小于或等于120min。
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2020
- 2020-06-17 CN CN202010555635.3A patent/CN111499190A/zh active Pending
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