CN116285137A - 一种耐磨电缆外护套材料 - Google Patents

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Abstract

一种耐磨电缆外护套材料,属于高分子材料技术领域,其制备方法包括纳米氮化硅改性、预分散、密炼分散、混炼、开炼压延五个步骤。本发明制备的耐磨电缆外护套材料,挤出得到的电缆外护套,其拉伸强度为19.2~21.2MPa,断裂伸长率557~595%,热老化(75℃,240h):拉伸强度变化率‑2.4~‑1.6%、断裂伸长率534~564%、断裂伸长率变化率‑5.2~‑2.6%,热延伸(200℃,0.2MPa):载荷下伸长率5.8~6.4%、冷却后永久变形为0,浸油试验(100℃,24h):拉伸强度变化率‑8.2~‑7.1%、断裂伸长率变化率‑7.4~‑5.2%,磨耗(600r,mg)0.98~1.3。

Description

一种耐磨电缆外护套材料
技术领域
本发明涉及一种耐磨电缆外护套材料,属于高分子材料技术领域。
背景技术
电缆通常是由几根或几组导线(每组至少两根)绞合而成的类似绳索的电缆,每组导线之间相互绝缘,并常围绕着一根中心扭成,整个外面包有高度绝缘的覆盖层,用来连接电路、电器等。电缆具有内通电,外绝缘的特征。电缆导线外部包裹的覆盖层即为电缆护套,用来保护内部导线,同时防止使用者发生触电危险。
不同的使用场景对电缆的绝缘性、拉伸强度、耐磨性能、耐寒性能以及阻燃性能均有严格的要求,不断提高电缆护套材料的各项性能是经济和社会发展进步的必然需求。其中,电缆护套的耐磨性能是一项很重要的性能指标,电缆护套的耐磨性能直接影响了电缆使用过程中的安全性和使用寿命,耐磨性能好的电缆护套可以减少火灾的发生。
中国专利CN103788434A 公开了一种高强耐磨电缆护套材料,按重量份包括如下组分:丁腈橡胶15-30份,氯丁橡胶40-60份,氯化聚乙烯10-15份,氧化锌1.5-4份,氧化镁1.5-4份,N,N’-间苯撑双马来酰亚胺0.8-1.5份,硬脂酸钙0.5-2份,促进剂4010NA0.8-2.5份,石蜡1.8-3份,白炭黑35-44份,超细滑石粉20-25份,活性高岭土12-14份,过氧化二异丙苯2-4份,二烯丙基异氰酸酯0.7-1.4份,三氧化二锑2-4份,氢氧化镁4-6份。该专利的配方中,并没有加入特别增强耐磨性的功能性填料,仅依靠一般的无机粉末来增强常规力学性能,耐磨性并不理想。
中国专利CN108102168A 公开了一种环保型耐磨电缆护套料,由如下按照重量份的原料组成:丁腈橡胶25~38份、交联聚四氟乙烯树脂16~29份、耐磨炭黑10~25份、聚氯乙烯7~18份、硅胶5~13份、陶粒1~6份、玄武岩6~15份、芥酸酰胺1~7份、碳纤维4~10份、四氟化锆3~8份、氮化铝4~9份、焦沫7~19份、氧化钨1~6份和消泡剂3~11份。该专利配方中大量添加无机陶瓷粉体以及比较昂贵的碳纤维增强体,对于民用用量很大的电缆来讲,这种成本难以接受,而且粉体含量如此之大,螺杆挤出加工时,胶料流动性差,难以得到综合性能比较优异的电缆护套。
以上可以看到目前电缆护套材料的耐磨性仍存在比较大的问题,电缆行业亟需耐磨性能优异的外护套材料以满足苛刻的使用环境。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足,本发明提供一种耐磨电缆外护套材料,实现以下发明目的:在不影响成型加工性能和电缆外护套综合性能的同时赋予电缆外护套超高的耐磨性。
为实现上述发明目的,本发明采取以下技术方案:
一种耐磨电缆外护套材料,所述耐磨电缆外护套材料的耐磨功能性成分为纳米氮化硅,其制备方法包括纳米氮化硅改性、预分散、密炼分散、混炼、开炼压延五个步骤:
以下是对上述技术方案的进一步改进:
步骤1、纳米氮化硅改性
将纳米氮化硅、铝锆偶联剂、无水乙醇、丙二醇甲醚按质量比15~27:2~6:40~65:60~85混合,控温80~95℃、搅拌速率450~800转/分下回流反应2~4小时后,加入超支化聚酰胺酯,然后继续恒温回流反应1.5~3小时,反应完毕得到的液体,在75~90℃、真空度-0.1~-0.09MPa条件下旋蒸2~4.5小时后得到改性后的纳米氮化硅固状物;
所述纳米氮化硅粒径为1~100nm;
所述超支化聚酰胺酯的加入量为纳米氮化硅质量的8~13%;
所述超支化聚酰胺酯的羟值为150~260mgKOH/g,分子量为1000~2700g/mol。
步骤2、预分散
将纳米氮化硅固状物和三氯甲烷按质量比2:9~12混合后,置于高速分散机上,在50000~75000转/分下分散30~50分钟,然后加入氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液,在65000~85000转/分下分散40~65分钟后,在55~65℃、真空度-0.1~-0.09MPa条件下旋蒸1~2小时后得到预分散胶状物;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液的加入量为纳米氮化硅固状物质量的15~30倍;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液由氯磺化聚乙烯和端羧基液体丁腈橡胶溶解于三氯甲烷中得到,按重量份计,氯磺化聚乙烯、端羧基液体丁腈橡胶、三氯甲烷三者的比例为5~9:8~14:55~75;
所述氯磺化聚乙烯的分子量为30000~40000g/mol;
所述端羧基液体丁腈橡胶的粘度为40~70Pa·s,分子量为2000~4500g/mol。
步骤3、密炼分散
将预分散胶状物和氯化聚乙烯按质量比1:10~14投入密炼机中,在80~90℃、转速80~110转/分下密炼40~60分钟后得到初炼胶料;
所述氯化聚乙烯的含氯量为30~36wt%,分子量为150000~200000g/mol。
步骤4、混炼
以重量份计,在100份初炼胶料中依次加入8~13份己二酸二辛酯、1~3份硬脂酸钡、15~37份碳酸钙粉、18~35份滑石粉,在85~95℃、转速80~110转/分下密炼14~20分钟后,降温至75~82℃,加入3~5份过氧化二异丙苯,密炼5~10分钟后出料,得到混炼胶料;
所述碳酸钙粉的粒径为1~15微米;
所述滑石粉的粒径为1~20微米。
步骤5、开炼压延
将混炼胶料在开炼机上薄通2~4次,并在摆胶装置上摆胶1~3次,然后经三辊压延机压延成片,得到耐磨电缆外护套材料。
与现有技术相比,本发明取得以下有益效果:
1、本发明用铝锆偶联剂和超支化聚酰胺酯对纳米氮化硅做了表面改性,抑制了纳米氮化硅本身的团聚效应,保证纳米氮化硅能够实现纳米尺度上的分散效果,同时结合预分散工艺,使改性后的纳米氮化硅能够以纳米级颗粒稳定分散在高聚物基体内,避免密炼过程中由于高剪切导致纳米氮化硅的重新聚集;
2、本发明设计了改性纳米氮化硅的预分散工艺过程,在此工艺过程中,超支化聚酰胺酯包覆的纳米级氮化硅与氯磺化聚乙烯、端羧基液体丁腈橡胶存在氢键吸附效应,通过氢键作用,纳米级氮化硅能够以单个纳米级颗粒的状态分散到氯磺化聚乙烯、端羧基液体丁腈橡胶的分子链段中并形成紧密化学键合,这不仅实现了纳米尺度分散的效果而且还能避免纳米氮化硅在后续密炼分散过程中因高速剪切而造成的重新团聚现象;
3、本发明制备出的耐磨电缆外护套材料,挤出得到的电缆外护套成品,其拉伸强度为19.2~21.2MPa,断裂伸长率557~595%,热老化(75℃,240h):拉伸强度变化率-2.4~-1.6%、断裂伸长率534~564%、断裂伸长率变化率-5.2~-2.6%,热延伸(200℃,0.2MPa):载荷下伸长率5.8~6.4%、冷却后永久变形为0,浸油试验(100℃,24h):拉伸强度变化率-8.2~-7.1%、断裂伸长率变化率-7.4~-5.2%,磨耗(600r,mg)0.98~1.3。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1:
一种耐磨电缆外护套材料
步骤1、纳米氮化硅改性
将纳米氮化硅、铝锆偶联剂、无水乙醇、丙二醇甲醚按质量比20:5:53:72混合,控温90℃、搅拌速率650转/分下回流反应3小时后,加入超支化聚酰胺酯,然后继续恒温回流反应2.5小时,反应完毕得到的液体,在85℃、真空度-0.094MPa条件下旋蒸3小时后得到改性后的纳米氮化硅固状物;
所述纳米氮化硅粒径为45nm;
所述超支化聚酰胺酯的加入量为纳米氮化硅质量的11%;
所述超支化聚酰胺酯的羟值为210mgKOH/g,分子量为2200g/mol。
步骤2、预分散
将纳米氮化硅固状物和三氯甲烷按质量比2:11混合后,置于高速分散机上,在69000转/分下分散43分钟,然后加入氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液,在81000转/分下分散55分钟后,在60℃、真空度-0.096MPa条件下旋蒸1.4小时后得到预分散胶状物;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液的加入量为纳米氮化硅固状物质量的25倍;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液由氯磺化聚乙烯和端羧基液体丁腈橡胶溶解于三氯甲烷中得到,按重量份计,氯磺化聚乙烯、端羧基液体丁腈橡胶、三氯甲烷三者的比例为6:13:65;
所述氯磺化聚乙烯的分子量为36000g/mol;
所述端羧基液体丁腈橡胶的粘度为55Pa·s,分子量为3800g/mol。
步骤3、密炼分散
将预分散胶状物和氯化聚乙烯按质量比1:12投入密炼机中,在86℃、转速95转/分下密炼55分钟后得到初炼胶料;
所述氯化聚乙烯的含氯量为34wt%,分子量为180000g/mol。
步骤4、混炼
以重量份计,在100份初炼胶料中依次加入11份己二酸二辛酯、2份硬脂酸钡、21份碳酸钙粉、30份滑石粉,在91℃、转速95转/分下密炼17分钟后,降温至80℃,加入4份过氧化二异丙苯,密炼8分钟后出料,得到混炼胶料;
所述碳酸钙粉的粒径为9微米;
所述滑石粉的粒径为13微米。
步骤5、开炼压延
将混炼胶料在开炼机上薄通3次,并在摆胶装置上摆胶2次,然后经三辊压延机压延成片,得到耐磨电缆外护套材料。
实施例2:
一种耐磨电缆外护套材料
步骤1、纳米氮化硅改性
将纳米氮化硅、铝锆偶联剂、无水乙醇、丙二醇甲醚按质量比15:2:40:60混合,控温80℃、搅拌速率450转/分下回流反应2小时后,加入超支化聚酰胺酯,然后继续恒温回流反应1.5小时,反应完毕得到的液体,在75℃、真空度-0.1MPa条件下旋蒸2小时后得到改性后的纳米氮化硅固状物;
所述纳米氮化硅粒径为1nm;
所述超支化聚酰胺酯的加入量为纳米氮化硅质量的8%;
所述超支化聚酰胺酯的羟值为150mgKOH/g,分子量为1000g/mol。
步骤2、预分散
将纳米氮化硅固状物和三氯甲烷按质量比2:9混合后,置于高速分散机上,在50000转/分下分散30分钟,然后加入氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液,在65000转/分下分散40分钟后,在55℃、真空度-0.1MPa条件下旋蒸1小时后得到预分散胶状物;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液的加入量为纳米氮化硅固状物质量的15倍;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液由氯磺化聚乙烯和端羧基液体丁腈橡胶溶解于三氯甲烷中得到,按重量份计,氯磺化聚乙烯、端羧基液体丁腈橡胶、三氯甲烷三者的比例为5:8:55;
所述氯磺化聚乙烯的分子量为30000g/mol;
所述端羧基液体丁腈橡胶的粘度为40Pa·s,分子量为2000g/mol。
步骤3、密炼分散
将预分散胶状物和氯化聚乙烯按质量比1:10投入密炼机中,在80℃、转速80转/分下密炼40分钟后得到初炼胶料;
所述氯化聚乙烯的含氯量为30wt%,分子量为150000g/mol。
步骤4、混炼
以重量份计,在100份初炼胶料中依次加入8份己二酸二辛酯、1份硬脂酸钡、15份碳酸钙粉、18份滑石粉,在85℃、转速80转/分下密炼14分钟后,降温至75℃,加入3份过氧化二异丙苯,密炼5分钟后出料,得到混炼胶料;
所述碳酸钙粉的粒径为1微米;
所述滑石粉的粒径为1微米。
步骤5、开炼压延
将混炼胶料在开炼机上薄通2次,并在摆胶装置上摆胶1次,然后经三辊压延机压延成片,得到耐磨电缆外护套材料。
实施例3:
一种耐磨电缆外护套材料
步骤1、纳米氮化硅改性
将纳米氮化硅、铝锆偶联剂、无水乙醇、丙二醇甲醚按质量比27:6:65:85混合,控温95℃、搅拌速率800转/分下回流反应4小时后,加入超支化聚酰胺酯,然后继续恒温回流反应3小时,反应完毕得到的液体,在90℃、真空度-0.09MPa条件下旋蒸4.5小时后得到改性后的纳米氮化硅固状物;
所述纳米氮化硅粒径为100nm;
所述超支化聚酰胺酯的加入量为纳米氮化硅质量的13%;
所述超支化聚酰胺酯的羟值为260mgKOH/g,分子量为2700g/mol。
步骤2、预分散
将纳米氮化硅固状物和三氯甲烷按质量比2:12混合后,置于高速分散机上,在75000转/分下分散50分钟,然后加入氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液,在85000转/分下分散65分钟后,在65℃、真空度-0.09MPa条件下旋蒸2小时后得到预分散胶状物;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液的加入量为纳米氮化硅固状物质量的30倍;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液由氯磺化聚乙烯和端羧基液体丁腈橡胶溶解于三氯甲烷中得到,按重量份计,氯磺化聚乙烯、端羧基液体丁腈橡胶、三氯甲烷三者的比例为9:14:75;
所述氯磺化聚乙烯的分子量为40000g/mol;
所述端羧基液体丁腈橡胶的粘度为70Pa·s,分子量为4500g/mol。
步骤3、密炼分散
将预分散胶状物和氯化聚乙烯按质量比1:14投入密炼机中,在90℃、转速110转/分下密炼60分钟后得到初炼胶料;
所述氯化聚乙烯的含氯量为36wt%,分子量为200000g/mol。
步骤4、混炼
以重量份计,在100份初炼胶料中依次加入13份己二酸二辛酯、3份硬脂酸钡、37份碳酸钙粉、35份滑石粉,在95℃、转速110转/分下密炼20分钟后,降温至82℃,加入5份过氧化二异丙苯,密炼10分钟后出料,得到混炼胶料;
所述碳酸钙粉的粒径为15微米;
所述滑石粉的粒径为20微米。
步骤5、开炼压延
将混炼胶料在开炼机上薄通4次,并在摆胶装置上摆胶3次,然后经三辊压延机压延成片,得到耐磨电缆外护套材料。
对比例1:
实施例1基础上,步骤1、纳米氮化硅改性中,不加入超支化聚酰胺酯,具体操作如下:
步骤1、纳米氮化硅改性
将纳米氮化硅、铝锆偶联剂、无水乙醇、丙二醇甲醚按质量比20:5:53:72混合,控温90℃、搅拌速率650转/分下回流反应3小时后,将得到的液体在85℃、真空度-0.094MPa条件下旋蒸3小时后得到改性后的纳米氮化硅固状物;
所述纳米氮化硅粒径为45nm;
步骤2、3、4、5操作同于实施例1。
对比例2:
实施例1基础上,步骤2、预分散中不加氯磺化聚乙烯,将6份氯磺化聚乙烯等量替换为6份端羧基液体丁腈橡胶,具体操作如下:
步骤1操作同于实施例1;
步骤2、预分散
将纳米氮化硅固状物和三氯甲烷按质量比2:11混合后,置于高速分散机上,在69000转/分下分散43分钟,然后加入端羧基液体丁腈橡胶混合液,在81000转/分下分散55分钟后,在60℃、真空度-0.096MPa条件下旋蒸1.4小时后得到预分散胶状物;
所述端羧基液体丁腈橡胶混合液的加入量为纳米氮化硅固状物质量的25倍;
所述端羧基液体丁腈橡胶混合液由端羧基液体丁腈橡胶溶解于三氯甲烷中得到,按重量份计,端羧基液体丁腈橡胶和三氯甲烷的比例为19:65;
所述端羧基液体丁腈橡胶的粘度为55Pa·s,分子量为3800g/mol;
步骤3、4、5操作同于实施例1。
对比例3:
实施例1基础上,步骤2、预分散中不加端羧基液体丁腈橡胶,将13份端羧基液体丁腈橡胶等量替换为13份氯磺化聚乙烯,具体操作如下:
步骤1操作同于实施例1;
步骤2、预分散
将纳米氮化硅固状物和三氯甲烷按质量比2:11混合后,置于高速分散机上,在69000转/分下分散43分钟,然后加入氯磺化聚乙烯混合液,在81000转/分下分散55分钟后,在60℃、真空度-0.096MPa条件下旋蒸1.4小时后得到预分散胶状物;
所述氯磺化聚乙烯混合液的加入量为纳米氮化硅固状物质量的25倍;
所述氯磺化聚乙烯混合液由氯磺化聚乙烯溶解于三氯甲烷中得到,按重量份计,氯磺化聚乙烯和三氯甲烷的比例为19:65;
所述氯磺化聚乙烯的分子量为36000g/mol;
步骤3、4、5操作同于实施例1。
性能测试:
实施例1、2、3和对比例1、2、3所得耐磨电缆外护套材料在连续硫化挤出机上挤出电缆外护套,挤出机螺杆直径120mm,长径比16:1,硫化管为不锈钢管,长118m,倾斜25m,最高蒸汽压力2.0MPa,温度为200℃,冷却水槽长20m,挤出机温度分布为模口处105℃,机头95℃,喂料口50℃,机身一区85℃,机身二区75℃,螺杆区域50℃。挤出后得到的电缆外护套按GB/T2951-2008进行相关性能的测试,具体测试结果见表1:
表1
Figure SMS_1
从表1中的数据可以看到,纳米氮化硅改性过程不加入超支化聚酰胺酯的对比例1,力学性能、耐老化耐油性能都有显著下降,耐磨性能下降更为严重,这是因为超支化聚酰胺酯直接影响到纳米氮化硅粉末的分散均匀性,未经过超支化聚酰胺酯改性的纳米氮化硅粉末仍然容易团聚,在胶料基体中难以达到纳米尺度的分散,导致纳米氮化硅的高耐磨性难以发挥出来,直观表现便是电缆外护套磨耗量的大幅增加;对比例2,预分散步骤中不加氯磺化聚乙烯,力学性能、耐老化耐油性能均大幅下降,这是因为氯磺化聚乙烯本身具有极强的耐油耐老化性能,同时在体系中配合过氧化二异丙苯还有助硫化的功能,此外对比例2的耐磨性也显著低于实施例1、2、3,这是由于氯磺化聚乙烯和改性后的纳米氮化硅粉体通过强氢键作用能够促进纳米氮化硅粉体的分散均匀度,同时二者紧密的化学键合在增强耐磨性上能够起到协调促进的作用;对比例3的断裂伸长率下降幅度最大,这是因为端羧基液体丁腈橡胶在配方体系中有显著的增韧作用,相比实施例1、2、3,对比例3的耐磨性也有比较明显的降低,这是由于端羧基液体丁腈橡胶的粘度较低,在预分散步骤中,降低体系粘度的同时,配合氯磺化聚乙烯,对纳米氮化硅的分散有一定的促进作用,在此后的密炼分散步骤中,也能降低氯化聚乙烯胶料的整体粘度,促进密炼分散过程中预分散胶状物和氯化聚乙烯的混合均匀程度。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种耐磨电缆外护套材料,其特征在于:
所述耐磨电缆外护套材料的耐磨功能性成分为纳米氮化硅,其制备方法包括纳米氮化硅改性、预分散、密炼分散、混炼、开炼压延五个步骤;
所述纳米氮化硅改性,其方法为:将纳米氮化硅、铝锆偶联剂、无水乙醇、丙二醇甲醚按质量比15~27:2~6:40~65:60~85混合,控温80~95℃、搅拌速率450~800转/分下回流反应2~4小时后,加入超支化聚酰胺酯,然后继续恒温回流反应1.5~3小时,反应完毕得到的液体,在75~90℃、真空度-0.1~-0.09MPa条件下旋蒸2~4.5小时后得到改性后的纳米氮化硅固状物;
所述预分散,其方法为:将纳米氮化硅固状物和三氯甲烷按质量比2:9~12混合后,置于高速分散机上,在50000~75000转/分下分散30~50分钟,然后加入氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液,在65000~85000转/分下分散40~65分钟后,在55~65℃、真空度-0.1~-0.09MPa条件下旋蒸1~2小时后得到预分散胶状物;
所述密炼分散,其方法为:将预分散胶状物和氯化聚乙烯按质量比1:10~14投入密炼机中,在80~90℃、转速80~110转/分下密炼40~60分钟后得到初炼胶料;
所述混炼,其方法为:以重量份计,在100份初炼胶料中依次加入8~13份己二酸二辛酯、1~3份硬脂酸钡、15~37份碳酸钙粉、18~35份滑石粉,在85~95℃、转速80~110转/分下密炼14~20分钟后,降温至75~82℃,加入3~5份过氧化二异丙苯,密炼5~10分钟后出料,得到混炼胶料;
所述开炼压延,其方法为:将混炼胶料在开炼机上薄通2~4次,并在摆胶装置上摆胶1~3次,然后经三辊压延机压延成片,得到耐磨电缆外护套材料。
2.根据权利要求1所述的耐磨电缆外护套材料,其特征在于:
所述纳米氮化硅粒径为1~100nm;
所述超支化聚酰胺酯的加入量为纳米氮化硅质量的8~13%;
所述超支化聚酰胺酯的羟值为150~260mgKOH/g,分子量为1000~2700g/mol。
3.根据权利要求1所述的耐磨电缆外护套材料,其特征在于:
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液的加入量为纳米氮化硅固状物质量的15~30倍;
所述氯磺化聚乙烯-端羧基液体丁腈橡胶混合液由氯磺化聚乙烯和端羧基液体丁腈橡胶溶解于三氯甲烷中得到,按重量份计,氯磺化聚乙烯、端羧基液体丁腈橡胶、三氯甲烷三者的比例为5~9:8~14:55~75;
所述氯磺化聚乙烯的分子量为30000~40000g/mol;
所述端羧基液体丁腈橡胶的粘度为40~70Pa·s,分子量为2000~4500g/mol。
4.根据权利要求1所述的耐磨电缆外护套材料,其特征在于:
所述氯化聚乙烯的含氯量为30~36wt%,分子量为150000~200000g/mol;
所述碳酸钙粉的粒径为1~15微米;
所述滑石粉的粒径为1~20微米。
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