JP2005523179A - 防弾布積層体 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、「耐衝撃性の硬質複合材料および製造方法」と題する、2000年8月16日に出願された同時係属中の出願番号09/639,903に関する。
1.発明の分野
本発明は、弾道発射体による貫通に対して優れた抵抗性を有する織布(woven fabric) 積層体、そのアセンブリーおよびそれらを製造する方法に関する。
2.関連技術の説明
個人的な保護のためのボディー装甲の構造は古いが、古代の技術ではない。装甲の起源および最初の使用は、先史時代にまでさかのぼるようである。金属装甲は、1500B. C. E.までにはエジプト人にすでに周知であった。アメンホテップ二世(1436〜1411B. C. E.)の治世にさかのぼる墓にある壁画は、重なるブロンズのスケールからなる防御用衣服をはっきりと示す。これらは、短い袖および首のための空きを有する長いシャツに類似する布裏地に縫い付けられていた("A Historical Guide to Arms and Armor", Steven Bull, Tony North編、Studio Editions Ltd., ロンドン、1991)。
1985年1月14日に出願され、共有譲渡されたHarpell等の米国特許4,623,574は、エラストマーマトリックス中に埋封された高強度ファイバーを含む単純複合材料を開示している。
片面もしくは両面にゴムコートされたアラミド布は、Verseidag Industrietextilien Gmbhにより製品名UltraXの下に商業的に製造されている。ゴムコート布を熱および圧力の下で結合することにより形成される硬質パネルも、市販されている。
本発明は、弾道発射体による貫通に対して優れた抵抗性を有する新規な布積層体、そのアセンブリーおよびそれらを製造する方法に関する。特に、1つの実施態様において、本発明の防弾性の積層体は、約7g/d (grams per denier) と同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、約150g/dと同等もしくはそれよりも大きい初期引張弾性率、ASTM D2256により測定して、約8J/gと同等もしくはそれよりも大きい破壊までのエネルギー(energies-to-break) を有する高強度ヤーンを少なくとも50重量%含んでなる織布;該織布の少なくとも一方の表面の少なくとも一部にコートされるエラストマー(該エラストマーは、ASTM D638により測定して、約6,000psi(41.3MPa)と同等もしくはそれ未満の初期引張弾性率を有する);および該エラストマーコート表面の少なくとも一部に接着させたプラスチックフィルムを含む。
本発明の積層体およびアセンブリーは、硬質および軟質装甲において改善された防弾性を提供する。
本発明は、新規な布積層体、そのアセンブリーおよびそれらを製造する方法を含む。特に、1つの実施態様において、本発明の防弾性の積層体は、約7g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、少なくとも約150g/dの初期引張弾性率および、ASTM D2256により測定して、少なくとも約8J/gの破壊までのエネルギーを有する高強度ヤーンを少なくとも50重量%含んでなる織布;該織布の一方の表面の少なくとも一部にコートされるエラストマー(該エラストマーは、ASTM D638により測定して、約6,000psi(41.3MPa)未満の初期引張弾性率を有する);および該エラストマーコート表面の少なくとも一部に接着させたプラスチックフィルムを含む。
本明細書を通して用いられるとき、初期引張弾性率、引張弾性率および弾性率という語は、ヤーンについてはASTM D2256により、エラストマーもしくはマトリックス材料についてはASTM D638により測定した弾性率を意味する。
本発明の積層体が弾道発射体による貫通に対して優れた抵抗性を有するという事実にもかかわらず、追加の保護が装甲貫通に設計された発射体に対して必要であり得る。したがって、本発明の他の実施態様において、上で開示した防弾性の硬質パネルが、1つ以上の金属、セラミック、ガラス、金属充填複合材料、セラミック充填複合材料もしくはガラス充填複合材料からなる硬質プレート部材に片面もしくは両面で接着される。
本発明の実践に好適なポリベンザゾールファイバーは、例えば、米国特許番号5,286,833、5,296,185、5,356,584、5,534,205 および6,040,050 に、開示されている。好ましくは、ポリベンザゾールファイバーは、Toyobo Co. 製のZYLON(登録商標)銘柄ファイバーである。
マトリックス樹脂は、好ましくは積層体の約5〜約25重量%を形成する。より好ましくは、マトリックス樹脂は、積層体の約5〜約15重量%を形成する。
本発明の積層体に有用なプラスチックフィルムは、ポリオレフィン類、ポリアミド類、ポリエステル類、ポリウレタン類、ビニルポリマー類、フルオロポリマー類およびコポリマー類、ならびにこれらの混合物からなる群から選んでもよい。好ましくは、プラスチックフィルムは、エラストマーコーティングもしくはマトリックス樹脂にあまりぴったりにも、あまりゆるくも接着しない。エラストマーコーティングが共役ジエンとビニル芳香族コポリマーとのブロックコポリマーの場合、プラスチックフィルムは、好ましくは線状低密度ポリエチレンである。同様に、マトリックス樹脂がビニルエステル樹脂の場合、プラスチックフィルムは、好ましくは線状低密度ポリエチレンである。
下記実施例を、本発明のより完全な理解を与えるために示す。特定の技術、条件、材料、配合比および本発明の原理を説明するために記載した報告データは、典型的なものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
実施例1(比較)
Honeywell International Inc. 製SPECTRA(登録商標)900という名の、30g/dのテナシティ、850g/dの弾性率および63J/gの破壊までのエネルギーを有する1200デニールx120フィラメントポリエチレンヤーンを、21x21本/インチ(8.27本/cm)平織布に織った。この織布をスカーリングして仕上剤を除去し、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。
実施例(比較)1に記載されるものと同じポリエチレン織布をスカーリングし、カレンダーがけし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。カレンダリングは、布を同じ速度で回転する対向ロールを通過させ、121℃で、952 lbs/布幅のインチ(163kN/m)の圧力を適用することにより実施された。
実施例(比較)1に記載されるものと同じポリエチレン織布をスカーリングし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。0.00035インチ(8.89マイクロメートル)の厚さを有する線状低密度ポリエチレンフィルムを、布、ポリエチレンフィルムおよび外側ポリエステル剥離フィルムを121℃で635 lbs/インチ(109kN/m)のロール圧力下、同じ速度で回転する対向ロールを通過させることにより、布の一方の表面に積層した。ついで、剥離フィルムをポリエチレンと布の積層体から抜き取った。ポリエチレンフィルムは、積層体の3.5重量%を構成した。
実施例(比較)1に記載されるものと同じポリエチレン織布をスカーリングし、実施例(比較)2に記載されるようにカレンダーがけし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。KRATON(登録商標)D1107 という名のスチレン-イソプレン-スチレンブロックコポリマーエラストマー20重量%からなるシクロヘキサン溶液を、布の一方の表面に適用した。乾燥後、エラストマーは、コーテッド布の5重量%を構成した。ニートKRATON(登録商標)D1107 エラストマーの初期引張弾性率は、200psi(1.38kPa)だった。
実施例(比較)1に記載されるものと同じポリエチレン織布をスカーリングし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。布の一方の表面に、実施例4に記載のKRATON(登録商標)D1107 を5重量%をコートした。0.00035インチ(8.89マイクロメートル)の厚さを有する線状低密度ポリエチレンフィルムを、121℃で635 lbs/幅のインチ(109kN/m)のロール圧力下、布のエラストマーコート表面に積層した。本発明の積層体を、これにより形成した。
実施例(比較)1に記載されるものと同じポリエチレン織布をスカーリングし、実施例(比較)2に記載されるようにカレンダーがけし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。KRATON(登録商標)D1107 という名のスチレン-イソプレン-スチレンブロックコポリマーエラストマー20重量%からなるシクロヘキサン溶液を、布の一方の表面に適用した。0.00035インチ(8.89マイクロメートル)の厚さを有する線状低密度ポリエチレンフィルムを、121℃で635 lbs/幅のインチ(109kN/m)のロール圧力下、布のエラストマーコート表面に積層した。本発明の積層体を、これにより形成した。
弾道ターゲットを、実施例(比較)1〜4および実施例5〜6に記載の布および積層体のそれぞれから形成した。それぞれの弾道ターゲットは、実施例で調製した材料からカットした19枚の18x18インチ(45.7x45.7cm)正方形からなった。正方形を積み重ねて、プライを接合する連接なしでターゲットを形成した。
実施例(比較)3対実施例(比較)2の検査は、カレンダリングの代わりにポリエチレンフィルムを布に積層することが同様に弾道効率をほとんど同程度まで増大させたことを示す(SEAT:68対72)。
Honeywell International Inc. 製SPECTRA(登録商標)1000という名の、35g/dのテナシティ、1320g/dの弾性率および65J/gの破壊までのエネルギーの引張特性を有する215デニールx60フィラメントポリエチレンヤーンを、56x56本/インチ(22本/cm)平織布に織った。織布をスカーリングして仕上剤を除去し、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。
実施例8
実施例(比較)7に記載されるものと同じポリエチレン織布をスカーリングし、実施例(比較)2に記載されるようにカレンダーがけし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。KRATON(登録商標)D1107 という名のスチレン-イソプレン-スチレンブロックコポリマーエラストマー20重量%からなるシクロヘキサン溶液を、布の一方の表面に適用した。乾燥後、エラストマーは、コーテッド布の5重量%を構成した。0.00035インチ(8.89マイクロメートル)の厚さを有する線状低密度ポリエチレンフィルムを、121℃で635 lbs/幅のインチ(109kN/m)のロール圧力下、布のエラストマーコート表面に積層した。本発明の積層体を、これにより形成した。
実施例9
実施例(比較)7に記載されるものと同じポリエチレン織布をスカーリングし、実施例(比較)2に記載されるようにカレンダーがけし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。KRATON(登録商標)D1107 という名のスチレン-イソプレン-スチレンブロックコポリマーエラストマー20重量%からなるシクロヘキサン溶液を、布の一方の表面に塗布した。乾燥後、エラストマーは、コーテッド布の10重量%を構成した。0.00035インチ(8.89マイクロメートル)の厚さを有する線状低密度ポリエチレンフィルムを、実施例8に記載のように布のエラストマーコート表面に積層した。本発明の積層体を、これにより形成した。
弾道試験
実施例(比較)7ならびに実施例8および9で調製されたターゲットの防弾性を、クレーの基材ならびに2つの発射体:9mm全金属ジャケット付き124グレン(8.0g)発射体および357マグナム158グレン(10.2g)発射体、を用いて、National Institute of Justice Standard NIJ 0101.03 により評価した。ターゲットの面密度、発射体の50%がターゲットを貫通した速度(V50) およびターゲットの比エネルギー吸収(SEAT)を、下記表IIIに挙げる。
Honeywell International 製SPECTRA(登録商標)900という名の、30g/dのテナシティ、850g/dの弾性率および63J/gの破壊までのエネルギーの引張特性を有する1200デニールx120フィラメントポリエチレンヤーンを、21x21本/インチ(8.27本/cm)平織布に織った。織布をスカーリングして仕上剤を除去し、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。布に、1.5%の2,5 ジメチル-2,5 ジ(2-エチルヘキサノイルペルオキシ)へキサン硬化剤を含む20重量%のエポキシビニルエステル樹脂(スチレンモノマーの除去により改質させたDow Chemical Co.のDerekane 411)を含浸させた。含浸布層を積み重ね、500psi(3.45MPa)の圧力下120℃で樹脂を加熱および硬化させることにより接着させた。硬化状態のニート樹脂の初期引張弾性率は、460,000psi(3.17GPa)である。4.89kg/m2の面密度を有する硬質パネル弾道ターゲットを形成した。
実施例(比較)10に記載されるものと同じ織布をスカーリングし、実施例(比較)2に記載されるようにカレンダーがけし、1.7kVA分/m2でコロナ処理した。
実施例(比較)10および実施例11で調製した硬質パネルの防弾性を、MIL-P-46593Aに準じる口径0.22の型2、17.0グレン(1.166g)フラグメントシミュレーター発射体(FSP)を用いて、MIL-STD-662F(1997年12月18日改訂)の手順に従って評価した。テスト試料を、テストバレルの銃口から室内範囲12.5フィートに取り付け、ゼロ度の傾斜度の衝撃を与えた。ルミライン(lumiline)スクリーンを5フィートおよび10フィートに配置し、経過時間カウンター(クロノグラフ)を接続して用いて、銃口から7.5フィートの発射体速度を計算した。貫通を、テスト試料の2インチ背後および平行に配置した2024-T3 アルミニウムの0.020インチ(0.0508cm)厚さのシートを視覚検査することにより決定した。
28g/dのテナシティ、976g/dの弾性率および24J/gの破壊までのエネルギーの引張特性を有するDuPont製のKEVLAR(登録商標)49アラミド(ポリ(フェニレンテレフタルアミド))という名の1140デニールヤーンを、17x17本/インチ(6.7本/cm)平織布に織った。布に、1.5%の2,5 ジメチル-2,5 ジ(2-エチルヘキサノイルペルオキシ)へキサン硬化剤を含む10重量%のエポキシビニルエステル樹脂(スチレンモノマーの除去により改質させたDow Chemical Co.のDerekane 411)を含浸させる。含浸布層を積み重ね、500psi(3.45MPa)の圧力下120℃で樹脂を加熱および硬化させることにより接着させる。硬化状態のニート樹脂の初期引張弾性率は、460,000psi(3.17GPa)である。4.89kg/m2の面密度を有する硬質パネル弾道ターゲットを形成する。
実施例(比較)12に記載されるものと同じKEVLAR(登録商標)49 布をスカーリングし、実施例(比較)2に記載されるようにカレンダーがけする。布に、1.5%の2,5 ジメチル-2,5 ジ(2-エチルヘキサノイルペルオキシ)へキサン硬化剤を含む10重量%の改質エポキシビニルエステル樹脂(スチレンモノマーの除去により改質させたDow Chemical Co.のDerekane 411)を含浸させる。硬化状態のニート樹脂の初期引張弾性率は、460,000psi(3.17GPa)である。0.0035インチ(88.9マイクロメートル)の厚さを有する線状低密度ポリエチレンフィルムを、635 lbs/幅のインチ(109kN/m)のロール圧力下、布のエラストマーコート表面に積層し、これにより本発明の積層体を形成する。
42g/dのテナシティ、1900g/dの弾性率および26J/gの破壊までのエネルギーの表示引張特性を有するToyobo Co.製のZYLON(登録商標)PBO ファイバー(ポリ(p-フェニレン-2,6-ベンゾビスオキサゾール)という名の、HM級の1090dtexヤーンを、17x17本/インチ(6.7本/cm)平織布に織る。布に、1.5%の2,5 ジメチル-2,5 ジ(2-エチルヘキサノイルペルオキシ)へキサン硬化剤を含む20重量%のエポキシビニルエステル樹脂(スチレンモノマーの除去により改質させたDow Chemical Co.のDerekane 411)を含浸させる。含浸布層を積み重ね、500psi(3.45MPa)の圧力下120℃で樹脂を加熱および硬化させることにより接着させる。硬化状態のニート樹脂の初期引張弾性率は、460,000psi(3.17GPa)である。4.89kg/m2の面密度を有する硬質パネル弾道ターゲットを形成する。
実施例(比較)14に記載されるものと同じZYLON(登録商標)PBO 布を、実施例(比較)2に記載されるようにスカーリングする。布に、1.5%の2,5 ジメチル-2,5 ジ(2-エチルヘキサノイルペルオキシ)へキサン硬化剤を含む10重量%の改質エポキシビニルエステル樹脂(スチレンモノマーの除去により改質させたDow Chemical Co.のDerekane 411)を含浸させる。硬化状態のニート樹脂の初期引張弾性率は、460,000psi(3.17GPa)である。0.0035インチ(88.9マイクロメートル)の厚さを有する線状低密度ポリエチレンフィルムを、635 lbs/幅のインチ(109kN/m)のロール圧力下、布のエラストマーコート表面に積層し、これにより本発明の積層体を形成する。
実施例(比較)12および14ならびに本発明の実施例13および15で調製した硬質パネルの防弾性を、MIL-P-46593Aに準じる口径0.22の型2、17.0グレン(1.166g)フラグメントシミュレーター発射体(FSP)を用いて、MIL-STD-662F(1997年12月18日改訂)の手順に従って評価する。テスト試料を、テストバレルの銃口から室内範囲12.5フィートに取り付け、ゼロ度の傾斜度の衝撃を与える。ルミラインスクリーンを5フィートおよび10フィートに配置し、経過時間カウンター(クロノグラフ)を接続して用いて、銃口から7.5フィートの発射体速度を計算した。貫通を、テスト試料の2インチ背後および平行に配置した2024-T3 アルミニウムの0.020インチ(0.0508cm)厚さのシートを視覚検査することにより決定する。本発明の硬質パネルがそれぞれの対照パネルに比較して優れた防弾性を有することが予想される。
Claims (27)
- a.約7g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、約150g/dと同等もしくはそれよりも大きい初期引張弾性率および、ASTM D2256により測定して、約8J/gと同等もしくはそれよりも大きい破壊までのエネルギーを有する高強度ヤーンを少なくとも50重量%含んでなる織布;
b.該織布の一方の表面の少なくとも一部にコートされるエラストマー(該エラストマーは、ASTM D638により測定して、約6000psi(41.4MPa)と同等もしくはそれ未満の初期引張弾性率を有する);および
c.該エラストマーコート表面の少なくとも一部に接着させたプラスチックフィルムを含む、防弾性の積層体。 - 該織布が、スカーリングされ、コロナ処理された織布である、請求項1に記載の積層体。
- 該織布が、スカーリングされ、コロナ処理され、カレンダーがけされた織布である、請求項1に記載の積層体。
- 該高強度ヤーンが、約15g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、約400g/dと同等もしくはそれよりも大きい初期引張弾性率および、ASTM D2256により測定して、約15J/gと同等もしくはそれよりも大きい破壊までのエネルギーを有する、請求項1に記載の積層体。
- 該高強度ヤーンが、約30g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、約1000g/dと同等もしくはそれよりも大きい初期引張弾性率および、ASTM D2256により測定して、約27J/gと同等もしくはそれよりも大きい破壊までのエネルギーを有する、請求項1に記載の積層体。
- 該高強度ヤーンの少なくとも1つが、ポリエチレンヤーンである、請求項1に記載の積層体。
- 該高強度ヤーンの少なくとも1つが、ポリ(p-フェニレンテレフタルミド)ヤーンである、請求項1に記載の積層体。
- 該高強度ヤーンの少なくとも1つが、ポリベンゾオキサゾール(PBO)ヤーンおよびポリベンゾチアゾール(PBT)ヤーンからなる群から選ばれるポリベンザゾールヤーンである、請求項1に記載の積層体。
- 該エラストマーが、ASTM D638により測定して、約2400psi(16.5MPa)と同等もしくはそれ未満の初期引張弾性率を有する、請求項1に記載の積層体。
- 該エラストマーが、ASTM D638により測定して、約1200psi(8.23MPa)と同等もしくはそれ未満の初期引張弾性率を有する、請求項1に記載の積層体。
- 該エラストマーが、積層体の約0.5〜約15重量%を構成している、請求項1に記載の積層体。
- 該エラストマーが、積層体の約1〜約10重量%を構成している、請求項1に記載の積層体。
- 該エラストマーが、積層体の約2〜約8重量%を構成している、請求項1に記載の積層体。
- 該プラスチックフィルムが、積層体の約0.5〜約5重量%を構成している、請求項1に記載の積層体。
- 該プラスチックフィルムが、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステルおよびポリフルオロカーボンからなる群から選ばれるものを含んでなる、請求項1に記載の積層体。
- 該プラスチックフィルムが、ポリエチレンを含んでなる、請求項1に記載の積層体。
- a)約22g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、約400g/dと同等もしくはそれよりも大きい初期引張弾性率および、ASTM D2256により測定して、約22J/gと同等もしくはそれよりも大きい破壊までのエネルギーを有する高強度ヤーンを少なくとも50重量%含んでなるスカーリングされ、コロナ処理された織布;
b)該織布の一方の表面の少なくとも一部にコートされる、ASTM D638により測定して約1200psi(8.23MPa)未満の初期引張弾性率を有するエラストマー(該エラストマーは、積層体の約1〜10重量%を構成する);および
c)該エラストマーコートされた表面に接着させたプラスチックフィルム(該プラスチックフィルムは、積層体の約0.5〜約5重量%を構成する)を含む、防弾性の積層体。 - a)約22g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、約400g/dと同等もしくはそれよりも大きい初期引張弾性率および、ASTM D2256により測定して、約22J/gと同等もしくはそれよりも大きい破壊までのエネルギーを有する高強度ポリエチレンヤーンを少なくとも50重量%含んでなるスカーリングされ、コロナ処理された織布;
b)該織布の一方の表面の少なくとも一部にコートされる、ASTM D638により測定して約1200psi(8.23MPa)未満の初期引張弾性率を有する、共役ジエンのブロックコポリマーおよびビニル芳香族コポリマーを含む、エラストマー(該エラストマーは、積層体の約1〜10重量%を構成する);および
c)該エラストマーコート表面に接着させたポリエチレンフィルム(該ポリエチレンフィルムは、積層体の約0.5〜約5重量%を構成する)を含む、防弾性の積層体。 - 該織布が、スカーリングされ、コロナ処理され、カレンダーがけされた織布である、請求項17もしくは請求項18に記載の積層体。
- a)約7g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、少なくとも約150g/dの初期引張弾性率、ASTM D2256により測定して、少なくとも約8J/gの破壊までのエネルギーを有するヤーンを少なくとも過半部分含んでなるスカーリングされ、コロナ処理された織布であって;
b)硬化させたとき、ASTM D638により測定して、約300,000psi(2.07GPa)と同等もしくはそれよりも大きい初期引張弾性率を有するマトリックス樹脂を含浸させた織布;ならびに
c)該織布表面の少なくとも一方の少なくとも一部に接着させたプラスチックフィルムを含む、防弾性の積層体。 - 該織布が、スカーリングされ、カレンダーがけした、コロナ処理された織布である、請求項20に記載の積層体。
- 該マトリックス樹脂が、積層体の約5〜約15重量%を構成している、請求項20に記載の積層体。
- 少なくとも1つの成分が、積み重ねた配列に接着される複数の請求項1もしくは請求項20に記載の積層体を含んでなる、防弾性の硬質パネル。
- 金属、セラミック、ガラス、金属充填複合材料、セラミック充填複合材料もしくはガラス充填複合材料からなる群から選ばれる少なくとも1つの硬質表面部材をさらに含んでなる、請求項23に記載の防弾性の硬質パネル。
- a)約7g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、少なくとも約150g/dの初期引張弾性率および、ASTM D2256により測定して、少なくとも約8J/gの破壊までのエネルギーを有するヤーンを少なくとも過半部分含んでなる織布を形成し;
b)ASTM D638により測定して約6000psi(41.4MPa)未満の初期引張弾性率を有するエラストマーを、該織布の一方の表面の少なくとも一部にコートし;そして
c)該エラストマーコート表面にプラスチックフィルムを接着させる工程を含む、防弾性の積層体を製造する方法。 - a)約7g/dと同等もしくはそれよりも大きいテナシティ、少なくとも約150g/dの初期引張弾性率、少なくとも約8J/gの破壊までのエネルギーを有するヤーンを少なくとも過半部分含んでなる織布を形成し;
b)該織布をスカーリングおよびコロナ処理し;
c)該織布に、硬化させたとき300,000psi(2.07GPa)と同等もしくはそれよりも大きい引張弾性率を有する樹脂を含浸させ;そして
d)該織布表面の一方の少なくとも一部にプラスチックフィルムを接着させる工程を含む、防弾性の積層体を製造する方法。 - 該織布をカレンダーがけする工程を追加的に含む、請求項25もしくは請求項26に記載の方法。
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