DE112014002596T5 - Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial mit hochdichten gepressten und expandierten Graphitpartikeln und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial mit verbesserter thermischer Leitfähigkeit in der Dickenrichtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Wärme emittierende Graphitverbundmaterial nach der vorliegenden Erfindung umfasst: eine in der Dickenrichtung gepresste Matrix aus expandiertem Graphit; und hochdichte gepresste und expandierte Graphitpartikel, die in die Poren der gepressten Matrix aus expandiertem Graphit gefüllt sind und eine Dichte von größer oder gleich 0,1 g/cm3 aufweisen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Technik zur Herstellung eines Wärme emittierenden Materials auf Graphitbasis, insbesondere ein Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial, das expandierte und gepresste Graphitpartikel mit hoher Dichte umfasst, und ein Verfahren zur Herstellung des Wärme emittierenden Materials.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 29. Mai 2013 in der Republik Korea eingereichten koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2013-0061217 , die hiermit durch Bezugnahme einbezogen ist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Integrierte Schaltkreise oder lichtemittierende Anzeigen werden in vielen verschiedenen Elektronikgeräten eingesetzt, wie z. B. in Notebooks, Tablets, Mobiltelefonen und Anzeigetafeln, und erzeugen während des Betriebs eine große Menge an Wärme.
  • Diese Wärme sollte durch ein geeignetes Abgabemittel an die Umgebung abgegeben werden. Anderenfalls können die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Elektronikgeräte unter einem übermäßigen Temperaturanstieg leiden.
  • Als emittierendes Material wurden bislang Metalle oder Graphit mit guter thermischer Leitfähigkeit verwendet. Unter diesen bietet sich Graphit hinsichtlich der Einsparung von Gewicht und Kosten als emittierendes Material für verschiedene Produkte an.
  • Im Allgemeinen werden Graphit enthaltende Wärme emittierende Materialien in die Form von Folien oder Flachdichtungen gebracht, indem expandierter natürlicher Graphit einem Formpressverfahren unterzogen wird.
  • Da der gepresste natürliche Graphit jedoch anisotrop ist, weist er zwar eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit in Richtung seiner Ebene, aber nur unzureichende thermische Leitfähigkeit in Richtung seiner Dicke auf.
  • Das koreanische Patent Nr. 10-0755014 (eingetragen am 28. August 2007) offenbart eine Wärme emittierende Graphitfolie, die mit einem thermisch leitfähigen Haftmittel beschichtet ist, sowie ein Herstellungsverfahren derselben.
  • OFFENBARUNG
  • Technisches Problem
  • Die vorliegende Offenbarung dient der Lösung der Probleme des Stands der Technik. Daher betrifft die vorliegende Offenbarung die Bereitstellung eines Wärme emittierenden Materials auf Graphitbasis, das eine verbesserte thermische Leitfähigkeit in der Dickenrichtung sowie eine hohe thermische Leitfähigkeit in ebener Richtung aufweist und sich damit durch insgesamt gesteigerte thermische Leiteigenschaften auszeichnet.
  • Technische Lösung
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Graphitverbund zur Herstellung eines Wärme emittierenden Materials bereitgestellt, in dem der expandierte Graphit mit expandierten und gepressten Graphitpartikeln mit einer Dichte von größer oder gleich 0,1 g/cm3 gemischt ist.
  • Bei dem Graphitverbund weisen die expandierten und gepressten Graphitpartikel eine Dichte von 0,1 bis 2,2 g/cm3 auf.
  • Bei dem Graphitverbund beträgt außerdem der Anteil der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel bezogen auf das Gesamtgewicht des expandierten Graphits und der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 5 bis 50 Gew.-%.
  • Des Weiteren weisen die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel in dem Graphitverbund einen Durchmesser von 0,01 bis 0,2 μm auf.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Wärme emittierenden Graphitverbundmaterials bereitgestellt, umfassend (a) das Pressen von expandiertem Graphit zur Gewinnung hochdichter expandierter und gepresster Graphitpartikel mit einer Dichte von größer oder gleich 0,1 g/cm3; (b) das Mischen von weiterem expandierten Graphit mit den hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikeln zur Gewinnung eines Graphitverbunds; und (c) das Formpressen des Graphitverbunds. Das Formpressen kann hierbei nach einem Walzverfahren erfolgen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird auch ein Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial bereitgestellt, umfassend eine in der Dickenrichtung gepresste Matrix aus expandiertem Graphit; und expandierte und gepresste Graphitpartikel, die in Poren in der Matrix gefüllt sind und eine hohe Dichte von größer oder gleich 0,1 g/cm3 aufweisen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird auch ein Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial bereitgestellt, umfassend eine in der Dickenrichtung gepresste Matrix aus expandiertem Graphit: und hochdichte expandierte und gepresste Graphitpartikel, die in Poren in der Matrix gefüllt sind und eine Dichte von 0,1 bis 2,2 g/cm3 aufweisen, wobei der Anteil der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix aus expandiertem Graphit und der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 5 bis 50 Gew.-% beträgt.
  • Des Weiteren weisen die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel einen Durchmesser von 0,01 bis 0,2 μm auf.
  • Vorteilhafte Wirkung
  • Das Wärme emittierende Graphitverbundmaterial nach der vorliegenden Offenbarung, in dem Poren in einer Matrix aus expandiertem und gepresstem Graphit mit der gleichen Graphitmaterialkomponente gefüllt sind, die expandiert und zu hoher Dichte gepresst ist, kann auf überraschende Weise die thermische Leitfähigkeit in der Dickenrichtung steigern und letztendlich eine hochgradige Wärme emittierende Eigenschaft realisieren.
  • Somit kann das Wärme emittierende Graphitmaterial der vorliegenden Erfindung Wärme, die durch eine exotherme Ebene von Elektronikkomponenten übertragen wird, auf schnelle Weise sowohl in Richtung seiner Ebene als auch seiner Dicke ableiten und somit eine gute Wärmeemissionswirkung bereitstellen.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Weitere Aufgaben und Aspekte der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:
  • 1 ein Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, das an einer exothermen Ebene befestigt ist;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Wärme emittierenden Graphitverbundmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
  • 3 Vorrichtungen zum Messen der Wärmeemissionseigenschaft der in den Beispielen 1 bis 3 und dem Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Wärme emittierenden Materialien aus Graphitverbund; und
  • 4 vergrößerte Ansichten einer in einer Testplattform angeordneten Wärmequelle.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung gehen aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen sowie aus der beigefügten Zeichnung hervor. Die Ausführungsformen sollen die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränken, sondern werden lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung durch den Fachmann dargestellt. Auch sind Entsprechungen der und Modifikationen an den Ausführungsformen möglich. Es versteht sich daher, dass die vorliegende Erfindung durch den Geltungsbereich der Ansprüche definiert ist. Innerhalb der Beschreibung kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
  • Im Folgenden wird das Wärme emittierende Material aus Graphitverbrund, das hochdichten expandierten und gepressten Graphit umfasst, sowie dessen Herstellung gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
  • 1 zeigt ein Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, das an einer exothermen Ebene befestigt ist.
  • Bezug nehmend auf 1 weist das Wähne emittierende Graphitverbundmaterial 110 gemäß der vorliegenden Offenbarung die Form einer Folie, einer Flachdichtung oder eines dreidimensionalen Körpers auf und ist an einer exothermen Ebene 101 einer Elektronikkomponente befestigt. In 1 bezeichnet A die Richtung der Ebene des Wärme emittierenden Graphitverbundmaterials und B dessen Dickenrichtung.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Wärme emittierenden Graphitverbundmaterials gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Bezug nehmend auf 2 umfasst das Wärme emittierende Graphitverbundmaterial 110 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Matrix 210 aus expandiertem Graphit und hochdichte expandierte und gepresste Graphitpartikel 220, die in Poren 215 zwischen den Partikeln der Matrix 210 aus expandiertem Graphit gefüllt sind.
  • Die Matrix 210 aus expandiertem Graphit wird durch Ausrichtung von herkömmlichem expandiertem Graphit mit einer Dichte von circa 0,0025 bis 0,0125 g/cm3 in einem vorbestimmten Abstand zur Ausbildung einer Matrixanordnung gewonnen und wird letztendlich wie in 2 gezeigt in der Dickenrichtung der jeweiligen Partikel während des Formpressprozesses des Wärme emittierenden Graphitverbundmaterials 110 gepresst.
  • Die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 220 werden in Poren 215 gefüllt, die in der Matrix 210 aus expandiertem Graphit vorhanden sind.
  • Wenn die Matrix 210 aus expandiertem Graphit in der Dickenrichtung expandiert wird, bilden sich Poren 215 zwischen den die Matrix 210 aus expandiertem Graphit bildenden expandierten Graphitpartikeln. Die Poren wirken als die thermische Leitfähigkeit in der Dickenrichtung mindernder Faktor. Dementsprechend ist bekannt, dass ein herkömmliches Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial, das durch Formpressen von expandiertem Graphit gebildet ist, zwar eine thermische Leitfähigkeit von circa 230 W/mK oder mehr in der ebenen Richtung (A), aber nur eine thermische Leitfähigkeit von circa 5 W/mK oder weniger in der Dickenrichtung (B) aufweist. Die expandierten Graphitpartikel 220, welche die völlig gleichen physischen und chemischen Eigenschaften wie der Graphit der Matrix aus expandiertem Graphit aufweisen und ebenfalls hochdicht gepresst sind, füllen bei der vorliegenden Erfindung Poren in der Matrix 210 aus expandiertem Graphit, wodurch eine Verbundstruktur ausgebildet wird.
  • Die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 220 werden in Poren 215 in der Matrix 210 aus expandiertem Graphit gefüllt, um die thermische Leitfähigkeit in der Dickenrichtung zu steigern. Da es sich bei den hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikeln 220 um die gleiche Graphitkomponente wie bei dem Material der Matrix 210 handelt, können sie insbesondere eine höhere thermische Leitfähigkeit bereitstellen, als dies der Fall ist, wenn ein Polymer oder andere Partikel auf Kohlenstoffbasis eingefüllt werden.
  • Die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 220 werden durch 8-faches bis 400-faches Pressen von expandiertem Graphit gewonnen und liegen in Form von nahezu isotropem Graphit vor. Der isotrope Graphit weist bei einer Dichte von 1,75 g/cm3 eine thermische Leitfähigkeit von 80 W/mK und bei einer Dichte von 1,85 g/cm3 eine thermische Leitfähigkeit von 160 W/mK auf. Das heißt, dass sich die thermische Leitfähigkeit mit steigender Dichte stark erhöht.
  • Unter Berücksichtigung dieses Umstands werden die bei der vorliegenden Offenbarung verwendeten expandierten und gepressten Graphitpartikel 220 auf eine Dichte von größer oder gleich 0,1 g/cm3 beschränkt. Wenn die expandierten und gepressten Graphitpartikel 220 eine Dichte von weniger als 0,1 g/cm3 aufweisen, kann der Effekt der Steigerung einer thermischen Leitfähigkeit in der Dickenrichtung unzureichend sein. Um expandierte und gepresste Graphitpartikel mit einer ultrahohen Dichte von über 2,2 g/cm3 herzustellen, müsste andererseits ein extremes Pressen vorgenommen werden, was mit einem Anstieg der Herstellungskosten einherginge. Demnach sind expandierte und gepresste Graphitpartikel mit einer Dichte von 0,1 bis 2,2 g/cm3 vorzuziehen.
  • Bezogen auf das Gesamtgewicht der Graphitmatrix und der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel beträgt der Anteil der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 5 bis 50 Gew.-%. Beträgt der Anteil der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel weniger als 5 Gew.-%, werden die Poren in der Matrix nicht ausreichend gefüllt, wodurch der Effekt der Steigerung einer thermischen Leitfähigkeit in der Dickenrichtung mangelhaft ausfallen kann. Wenn der Anteil der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel über 50 Gew.-% liegt, ist die Erzielung einer stabilen Produktivität und einer guten Zuverlässigkeit schwierig.
  • Andererseits ist es zu bevorzugen, dass die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel einen Durchmesser von 0,01 bis 0,2 μm aufweisen. Wenn die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel einen Durchmesser von über 0,2 μm aufweisen, können die Partikel nicht in die Poren eintreten. Weisen die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel einen Durchmesser von unter 0,01 μm auf, können die Herstellungskosten für die Partikel übermäßig steigen.
  • Das Wärme emittierende Graphitverbundmaterial gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Poren in der Matrix aus expandiertem Graphit durch die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel minimieren, wodurch die thermische Leitfähigkeit sowohl in der ebenen Richtung als auch in der Dickenrichtung gesteigert wird.
  • Dementsprechend kann das Wärme emittierende Graphitverbundmaterial gemäß der vorliegenden Offenbarung als Wärme emittierendes Material zur Ableitung von Wärme verwendet werden, die auf Leiterplatten (PCB) verschiedener Elektronikgeräte, von Lichtquellen von Anzeigegeräten und dergleichen über direkten oder indirekten Kontakt mit einer Blende oder einem Einbaurahmen wie z. B. einem Gehäuse erzeugt wird.
  • Das Wärme emittierende Material, das eine Struktur aufweist, welche die in der Dickenrichtung gepresste Matrix aus expandiertem Graphit und in die Matrix gefüllte hochdichte expandierte und gepresste Graphitpartikel umfasst, kann aus einem Graphitverbund hergestellt werden, in dem das expandierte Graphit mit expandierten und gepressten Graphitpartikeln mit einer Dichte von größer oder gleich 0,1 g/cm3 gemischt ist.
  • Das Wärme emittierende Material aus Graphitverbund gemäß der vorliegenden Offenbarung kann insbesondere durch 8-faches bis 500-faches Pressen von expandiertem Graphit zu Gewinnung expandierter und gepresster Graphitpartikel mit einer hohen Dichte von größer oder gleich 0,1 g/cm3, Mischen von weiterem expandiertem Graphit mit den hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikeln zur Gewinnung eines Graphitgemischs und Formpressen des Gemischs in der Dickenrichtung hergestellt werden. Das Formpressen kann bei einem Druck von circa 100 MPa oder höher erfolgen, und je nach Form der Pressform kann ein dreidimensionales Formen durchgeführt werden. Außerdem kann das Formpressen nach einem Walzverfahren erfolgen.
  • BEISPIELE
  • Im Folgenden werden verschiedene bevorzugte Beispiele der vorliegenden Offenbarung zum besseren Verständnis des Aufbaus und der Funktion der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Die Beispiele der vorliegenden Offenbarung dienen jedoch lediglich der Erläuterung und sollen nicht als den Geltungsbereich der Erfindung beschränkend verstanden werden. Aspekte, die dem Fachmann hinreichend bekannt sind, werden bei der Beschreibung vernachlässigt.
  • 1. Herstellung von Graphitverbund
  • Wie Tabelle 1 zeigt, wurde expandierter Graphit mit einer Dichte von 0,008 g/cm3 mit hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikeln mit einer Dichte von 1,0 g/cm3 gemischt. Tabelle 1
    Expandierter Graphit Hochdichter expandierter und gepresster Graphit
    Beispiel 1 95 5
    Beispiel 2 80 20
    Beispiel 3 50 50
    Vergleichsbeispiel 1 100 0
    Einheit: Gew.-%
  • 2. Herstellung von Wärme emittierendem Material aus Graphitverbund
  • Die in den Beispielen 1 bis 3 und Vergleichsbeispiel 1 jeweils hergestellten Graphitverbunde wurden in eine Pressform gegeben und bei einem Druck von 200 MPa formgepresst, bis eine Dicke von 1,5 mm erreicht werden konnte, um eine Folie aus Wärme emittierendem Graphitverbundmaterial herzustellen.
  • 3. Auswertung der Wärmeemissionseigenschaft
  • Die aus den Wärme emittierenden Graphitverbundmaterialien der Beispiele 1 bis 3 und dem Wärme emittierenden Graphitmaterial des Vergleichsbeispiels 1 hergestellten Wärme emittierenden Folien wurden mit dem in 3 gezeigten Gerät hinsichtlich ihrer Wärmeemissionseigenschaft gemessen. 4 zeigt vergrößerte Ansichten einer in der Testplattform von 3 angeordneten Wärmequelle.
  • Die Testbedingungen für die Wärmeemissionseigenschaft sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2
    Bedingungen
    Eingangsleistung 3,05 W (DC 6,23 V, 0,490 A)
    Testtyp Geschlossen
    Testzeit 3,600 Sek.
    Größe der Wärmequelle 30 mm × 30 mm × 2.6 mm
    Größe des Außengehäuses 500 mm × 500 mm × 150 mm
    Größe des Innengehäuses 65 mm × 105 mm × 28 mm
    Abstand zwischen Innengehäuse und Wärme emittierendem Material 2 mm oder weniger
    Material des Gehäuses Acryl
    Größe des Wärme emittierenden Materials 50 mm × 50 mm
  • Die Ergebnisse der Messung der Wärmeemissionseigenschaft sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
    Kühlwirkung 1. Abschnitt (500~1000) Sek. 6. Abschnitt (3000~3600) Sek. Rückhalterate der Wärmeemissionswirkung (relativ zum 1. Abschnitt) Anstieg und Rückgang der Rückhalterate der Wärmeemissionswirkung
    Vergleichsbeispiel 1 2,30 0,09 3,91% 100% (Standard) -
    Beispiel 1 2,25 0,11 4,88% 125% *
    Beispiel 2 2,28 0,15 6,57% 168% ***
    Beispiel 3 2,32 0,17 7,33% 187% *****
    Einheit: °C
  • Wie Tabelle 3 zu entnehmen ist, zeigte das Wärme emittierende Material des Vergleichsbeispiels 1 ohne hochdichte expandierte und gepresste Graphitpartikel eine Rückhalterate von 3,91% bei der späteren (6. Abschnitt) Wärmeemissionswirkung im Verhältnis zur anfänglichen (1. Abschnitt) Wärmeemissionswirkung.
  • Im Gegensatz dazu war die spätere Wärmeemissionswirkung bei den Wärme emittierenden Graphitverbundmaterialien der Beispiele 1 bis 3 mit den hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikeln verglichen mit dem Wärme emittierenden Material des Vergleichsbeispiels 1 wesentlich besser. Insbesondere bestätigte sich, dass die spätere Wärmeemissionswirkung von Beispiel 3 im Verhältnis zu Vergleichsbeispiel 1 um 187% steigt.
  • Die vorliegende Offenbarung wurde ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung darstellen, aber lediglich der Erläuterung dienen und nicht als die vorliegende Offenbarung beschränkend anzusehen sind, da dem Fachmann aus dieser Beschreibung verschiedene Veränderungen und Modifikationen im Sinne und Geltungsbereich der Offenbarung offensichtlich werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    exotherme Ebene
    110
    Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial
    210
    in Dickenrichtung gepresster expandierter Graphit
    215
    Poren
    220
    hochdichter expandierter und gepresster Graphit

Claims (5)

  1. Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial, umfassend eine in der Dickenrichtung gepresste Matrix aus expandiertem Graphit; und expandierte und gepresste hochdichte Graphitpartikel, die in Poren der Matrix gefüllt sind und eine Dichte von 1,0 bis 2,2 g/cm3 aufweisen, wobei der Anteil der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix aus expandiertem Graphit und der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 5 bis 50 Gew.-% beträgt.
  2. Wärme emittierendes Graphitverbundmaterial nach Anspruch 1, wobei die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel einen Durchmesser von 0,01 bis 0,2 μm aufweisen.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Wärme emittierenden Graphitverbundmaterials, umfassend: (a) hochdichtes Pressen von expandiertem Graphit zur Gewinnung expandierter und gepresster Graphitpartikel mit einer Dichte von 1,0 bis 2,2 g/cm3; (b) Mischen von weiterem expandiertem Graphit mit den hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikeln zur Gewinnung eines Graphitverbunds; und (c) Formpressen des Graphitverbunds, wobei das Wärme emittierende Graphitverbundmaterial eine Matrix aus in Dickenrichtung gepresstem expandiertem Graphit und hochdichte expandierte und gepresste Graphitpartikel umfasst, die in die Poren der Matrix gefüllt sind, wobei der Anteil hochdichter expandierter und gepresster Graphitpartikel bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix aus expandierten Graphit und der hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel 5 bis 50 Gew.-% beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die hochdichten expandierten und gepressten Graphitpartikel einen Durchmesser von 0,01 bis 0,2 μm aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Schritt (c) des Formpressens nach einem Walzverfahren erfolgt.
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