JP3276390B2 - 窒化鉄粒子とその製造方法 - Google Patents
窒化鉄粒子とその製造方法Info
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- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、塗料又はトナ
ー若しくはキャリア等の粉末磁性材料に適する窒化鉄粒
子と、その製造方法に関するものである。
ー若しくはキャリア等の粉末磁性材料に適する窒化鉄粒
子と、その製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、新しい機能性材料としての磁
性流体が注目されてきている。
性流体が注目されてきている。
【0003】例えば、磁性塗料、あるいは画像形成装置
用の磁性トナーや磁性キャリア等、粉末磁性材料として
は、磁化の値が大きく、等方的な形状を有し、且つ均一
なサイズ、特に20nm〜100μm程度の微粒子が必
要とされる。ここで、等方的な形状とは、針状、棒状、
板状、扁平状等、異方的形状以外の形状のことであり、
長径と短径があまり違わない回転楕円体、長辺と短辺が
あまり違わない直方体や多面体、又はそれに類する不定
形等を指す。
用の磁性トナーや磁性キャリア等、粉末磁性材料として
は、磁化の値が大きく、等方的な形状を有し、且つ均一
なサイズ、特に20nm〜100μm程度の微粒子が必
要とされる。ここで、等方的な形状とは、針状、棒状、
板状、扁平状等、異方的形状以外の形状のことであり、
長径と短径があまり違わない回転楕円体、長辺と短辺が
あまり違わない直方体や多面体、又はそれに類する不定
形等を指す。
【0004】そのため従来は、球状に焼結させたフェラ
イト粒子、あるいはカルボニル鉄粉が用いられていた。
イト粒子、あるいはカルボニル鉄粉が用いられていた。
【0005】しかしながら、フェライトは磁化が小さ
く、画像形成装置用としてはあまり適さない。
く、画像形成装置用としてはあまり適さない。
【0006】一方、カルボニル鉄粉は、そのままで球状
性がよく、その磁化も大きいが、酸化に対して安定でな
く燃焼しやすくて危険であり、しかも画像形成装置用に
好適な1μm以下のサイズの粉体を得にくい等の欠点を
有している。
性がよく、その磁化も大きいが、酸化に対して安定でな
く燃焼しやすくて危険であり、しかも画像形成装置用に
好適な1μm以下のサイズの粉体を得にくい等の欠点を
有している。
【0007】そのため、化学的に安定で大きな磁化を有
する磁性材料として、窒化鉄が注目されている。
する磁性材料として、窒化鉄が注目されている。
【0008】現在、窒化鉄微粒子の製造法としては、次
のものが公知である。即ち、 特公昭59−34125号公報等で開示されている、
アンモニアガス雰囲気中で鉄粉末を500℃以上の温度
で加熱窒化する方法(アンモニア窒化法)、 特開平2−164443号公報等で開示されている、
鉄カルボニルFe(CO)5蒸気を、N2ガスのグロー放電
プラズマ中で分解反応させる方法(プラズマCVD
法)、 特開平3−187907号公報で開示されている、鉄
カルボニルの炭化水素油溶液とアンモニアガスとを約2
00℃で反応させる方法(気相−液相反応法)、及び 減圧したアンモニアガス雰囲気中で鉄を加熱蒸発させ
る方法(ガス中蒸発法)が知られている。
のものが公知である。即ち、 特公昭59−34125号公報等で開示されている、
アンモニアガス雰囲気中で鉄粉末を500℃以上の温度
で加熱窒化する方法(アンモニア窒化法)、 特開平2−164443号公報等で開示されている、
鉄カルボニルFe(CO)5蒸気を、N2ガスのグロー放電
プラズマ中で分解反応させる方法(プラズマCVD
法)、 特開平3−187907号公報で開示されている、鉄
カルボニルの炭化水素油溶液とアンモニアガスとを約2
00℃で反応させる方法(気相−液相反応法)、及び 減圧したアンモニアガス雰囲気中で鉄を加熱蒸発させ
る方法(ガス中蒸発法)が知られている。
【0009】アンモニア窒化法では、形成される窒化鉄
粒子の大きさは、原料となる鉄粒子の大きさによって決
まり、現在のところ、最低粒径は1μmである。ガス中
蒸発法では、いくつかの粒子が鎖状に連結していて、単
一の粒子を得ることが困難であり、更に製造過程でのエ
ネルギー効率も悪く、また生産性において乏しい。プラ
ズマCVD法や気相−液相反応法は、窒化鉄磁性流体の
製造のために開発された方法であり、磁性流体に最適な
10nm程度の超微粒子が得られる。現在のところ、こ
れらの方法から、20nm以上の粒子は得られておら
ず、また、プラズマCVD法は、広い適用範囲を有する
方法ではあるものの、当該方法を行なうための反応装置
は複雑で高価なものであり、且つその操業には高度なテ
クニックが要求されるため、技術的経済的に必ずしも効
率の良い方法でなく、したがって気相−液相反応法か
ら、所望粒径の窒化鉄粒子を合成することが期待され
る。
粒子の大きさは、原料となる鉄粒子の大きさによって決
まり、現在のところ、最低粒径は1μmである。ガス中
蒸発法では、いくつかの粒子が鎖状に連結していて、単
一の粒子を得ることが困難であり、更に製造過程でのエ
ネルギー効率も悪く、また生産性において乏しい。プラ
ズマCVD法や気相−液相反応法は、窒化鉄磁性流体の
製造のために開発された方法であり、磁性流体に最適な
10nm程度の超微粒子が得られる。現在のところ、こ
れらの方法から、20nm以上の粒子は得られておら
ず、また、プラズマCVD法は、広い適用範囲を有する
方法ではあるものの、当該方法を行なうための反応装置
は複雑で高価なものであり、且つその操業には高度なテ
クニックが要求されるため、技術的経済的に必ずしも効
率の良い方法でなく、したがって気相−液相反応法か
ら、所望粒径の窒化鉄粒子を合成することが期待され
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、既に述
べたように、磁性塗料、あるいは画像形成装置用の磁性
トナーや磁性キャリア等、粉末磁性材料としては、20
nm〜100μm程度の微粒子が必要とされるのに対し
て、従来の気相−液相反応法では、20nm以上の粒径
で等方的形状の窒化金属粒子を製造することができな
い。
べたように、磁性塗料、あるいは画像形成装置用の磁性
トナーや磁性キャリア等、粉末磁性材料としては、20
nm〜100μm程度の微粒子が必要とされるのに対し
て、従来の気相−液相反応法では、20nm以上の粒径
で等方的形状の窒化金属粒子を製造することができな
い。
【0011】本発明は、このような従来の気相−液相反
応法での限界に鑑みてなされたもので、20nmを越え
る、なかんずくアンモニア窒化法を用いても製造するこ
とのできなかった20nmを越え1μm程度までの粒径
で等方的形状の窒化鉄粒子と、その製造方法を提供する
ことを課題としている。
応法での限界に鑑みてなされたもので、20nmを越え
る、なかんずくアンモニア窒化法を用いても製造するこ
とのできなかった20nmを越え1μm程度までの粒径
で等方的形状の窒化鉄粒子と、その製造方法を提供する
ことを課題としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を、
アンモニアガスを発生する窒素化合物乃至アンモニアガ
ス自身の導入下に、鉄カルボニルと界面活性剤の添加さ
れた有機溶媒とを二段階の所定温度域で加熱処理するこ
とで窒化鉄微粒子を得、得られた窒化鉄微粒子を核とし
て、これに更に、鉄カルボニルと界面活性剤の添加され
た溶媒とを断続的に加えながら、二段階の所定温度域で
加熱処理することを繰り返すことによって、解決した。
アンモニアガスを発生する窒素化合物乃至アンモニアガ
ス自身の導入下に、鉄カルボニルと界面活性剤の添加さ
れた有機溶媒とを二段階の所定温度域で加熱処理するこ
とで窒化鉄微粒子を得、得られた窒化鉄微粒子を核とし
て、これに更に、鉄カルボニルと界面活性剤の添加され
た溶媒とを断続的に加えながら、二段階の所定温度域で
加熱処理することを繰り返すことによって、解決した。
【0013】
【0014】
【作用】窒化鉄磁性流体の製造のための気相−液相反応
法においては、最初に鉄カルボニルとアンモニアガスと
を反応させて、窒化鉄の前駆物質である鉄アンミンカル
ボニル錯体Fe2(CO)5(NH2)2、Fe3(CO)9(NH)
2を反応溶液内に次々に形成し、蓄積された当該鉄アン
ミンカルボニル錯体が、ある臨界濃度を越えると、当該
鉄アンミンカルボニル錯体は分解し始め、窒化鉄Fe3
N微粒子核を形成する。
法においては、最初に鉄カルボニルとアンモニアガスと
を反応させて、窒化鉄の前駆物質である鉄アンミンカル
ボニル錯体Fe2(CO)5(NH2)2、Fe3(CO)9(NH)
2を反応溶液内に次々に形成し、蓄積された当該鉄アン
ミンカルボニル錯体が、ある臨界濃度を越えると、当該
鉄アンミンカルボニル錯体は分解し始め、窒化鉄Fe3
N微粒子核を形成する。
【0015】しかしながら、この窒化鉄の微粒子核は不
安定であり、鉄アンミンカルボニル錯体の濃度が臨界濃
度を下回った状態で、当該微粒子核をそのままにしてお
くと、生成した窒化鉄微粒子核は、再び溶媒中に溶解さ
れたり、分解したりして、20nm以上の粒子を得るこ
とができない。
安定であり、鉄アンミンカルボニル錯体の濃度が臨界濃
度を下回った状態で、当該微粒子核をそのままにしてお
くと、生成した窒化鉄微粒子核は、再び溶媒中に溶解さ
れたり、分解したりして、20nm以上の粒子を得るこ
とができない。
【0016】このように不安定な窒化鉄であるが、窒化
鉄微粒子形成過程を鋭意研究の結果、窒化鉄の形成は、
鉄カルボニルとアンモニアガスとの反応による鉄アンミ
ンカルボニル錯体が、その臨界濃度以上の濃度を維持す
る限り、窒化鉄の微粒子核の表面において、優先的に且
つ以前よりも容易になされることが認められた。その結
果、一旦生成した窒化鉄の微粒子核は消滅することな
く、その表面において一層ずつ増大し、当該微粒子は成
長を続ける。
鉄微粒子形成過程を鋭意研究の結果、窒化鉄の形成は、
鉄カルボニルとアンモニアガスとの反応による鉄アンミ
ンカルボニル錯体が、その臨界濃度以上の濃度を維持す
る限り、窒化鉄の微粒子核の表面において、優先的に且
つ以前よりも容易になされることが認められた。その結
果、一旦生成した窒化鉄の微粒子核は消滅することな
く、その表面において一層ずつ増大し、当該微粒子は成
長を続ける。
【0017】以上の過程を経ることで、球状の窒化鉄粒
子が形成され、その直径は、ほぼ反応時間に依存し、鉄
カルボニルとアンモニアガスの供給量により所望のサイ
ズまで増大させることが可能である。
子が形成され、その直径は、ほぼ反応時間に依存し、鉄
カルボニルとアンモニアガスの供給量により所望のサイ
ズまで増大させることが可能である。
【0018】本発明においては、窒化鉄粒子を形成する
にあたり、窒化鉄の原料物質として、鉄カルボニルを、
原料ガスとしてアンモニアを用いるが、アンモニアに代
えて、アミン類等の液状或いは固体として反応系に導入
できる任意の窒素化合物を用いることもできる。溶媒と
しては、例えば、炭化水素類、或いはその混合物、ケト
ン類、エーテル類、エステル類、アミン類等が、当該溶
媒に添加される界面活性剤としては、アミン類が好適で
あるが、これらに限定されない。
にあたり、窒化鉄の原料物質として、鉄カルボニルを、
原料ガスとしてアンモニアを用いるが、アンモニアに代
えて、アミン類等の液状或いは固体として反応系に導入
できる任意の窒素化合物を用いることもできる。溶媒と
しては、例えば、炭化水素類、或いはその混合物、ケト
ン類、エーテル類、エステル類、アミン類等が、当該溶
媒に添加される界面活性剤としては、アミン類が好適で
あるが、これらに限定されない。
【0019】鉄カルボニルに代えて、コバルトカルボニ
ルやニッケルカルボニルを原料とすれば、窒化鉄以外の
窒化金属磁性粒子を製造することも可能である。
ルやニッケルカルボニルを原料とすれば、窒化鉄以外の
窒化金属磁性粒子を製造することも可能である。
【0020】
【実施例】以下に本発明の実施例をあげて、さらに具体
的に説明する。
的に説明する。
【0021】(1)種結晶形成段階 図1に示される合成装置は、底部に加熱装置102を配設
した耐熱性の主反応槽100の上蓋部に、複数の気密性導
入フランジが形成されている。主反応槽100内の溶液104
を撹拌できるように、一つの導入フランジ106には、撹
拌装置108の回転軸が挿入されていて、当該回転軸の槽
側先端には撹拌子110が取り付けられている。導入管112
を通って、含窒素化合物が、導入管114を通って、不活
性ガスが、それぞれ導入フランジ116を介して主反応槽1
00、溶液104に導入されるようになっている。反応温度
を制御するために、熱電対118が同じ導入フランジ116を
介して主反応槽100に導入されている。予め秤量・混合さ
れた鉄カルボニルと有機溶媒と界面活性剤とからなる溶
液120が、管路122を介して主反応槽100に導入されるよ
うになっている。別の導入フランジ124を介して、耐熱
性の副反応槽126が主反応槽100に接続されている。当該
副反応槽126の周囲には、加熱装置128が配設されてい
て、主反応槽100と副反応槽126との間には、副反応槽12
6から主反応槽100へ落下する液滴量を調整するための流
量調節用コック130が取り付けられている。更に副反応
槽128の上方には、還流用の冷却塔132が取り付けられ
て、未反応の鉄カルボニルを副反応槽126に戻すように
なっている。また当該冷却塔132を介して、反応で生じ
たガスや余剰の原料ガスが流れ、トラップで処理した
後、安全なガスのみ系外に放出される。
した耐熱性の主反応槽100の上蓋部に、複数の気密性導
入フランジが形成されている。主反応槽100内の溶液104
を撹拌できるように、一つの導入フランジ106には、撹
拌装置108の回転軸が挿入されていて、当該回転軸の槽
側先端には撹拌子110が取り付けられている。導入管112
を通って、含窒素化合物が、導入管114を通って、不活
性ガスが、それぞれ導入フランジ116を介して主反応槽1
00、溶液104に導入されるようになっている。反応温度
を制御するために、熱電対118が同じ導入フランジ116を
介して主反応槽100に導入されている。予め秤量・混合さ
れた鉄カルボニルと有機溶媒と界面活性剤とからなる溶
液120が、管路122を介して主反応槽100に導入されるよ
うになっている。別の導入フランジ124を介して、耐熱
性の副反応槽126が主反応槽100に接続されている。当該
副反応槽126の周囲には、加熱装置128が配設されてい
て、主反応槽100と副反応槽126との間には、副反応槽12
6から主反応槽100へ落下する液滴量を調整するための流
量調節用コック130が取り付けられている。更に副反応
槽128の上方には、還流用の冷却塔132が取り付けられ
て、未反応の鉄カルボニルを副反応槽126に戻すように
なっている。また当該冷却塔132を介して、反応で生じ
たガスや余剰の原料ガスが流れ、トラップで処理した
後、安全なガスのみ系外に放出される。
【0022】原料として、アルドリッヒ(Aldrich)社製
で純度96.5%の鉄カルボニルを、溶媒として、和光
純薬製のケロシン、界面活性剤として、花王製のN-ジ
エチレンイソブテニルサクシンイミド(アミン)、並び
に日本酸素製で純度99.99%のアンモニアガスを用
いた。
で純度96.5%の鉄カルボニルを、溶媒として、和光
純薬製のケロシン、界面活性剤として、花王製のN-ジ
エチレンイソブテニルサクシンイミド(アミン)、並び
に日本酸素製で純度99.99%のアンモニアガスを用
いた。
【0023】先ず、内容量300mlの主反応槽100に
おいて、鉄カルボニル80.0g、アミン11.3g、
ケロシン50.1gからなる混合溶液104中に、導入管1
18を介して、アンモニアガスを流量390ml/min
でバブリングしながら十分混合し、加熱装置102によっ
て185℃まで加熱する。同時に副反応槽126を90℃
に加熱する。この2段階の温度域を用いて、主反応槽10
0中の鉄カルボニルが全て消費されるまで加熱処理し
て、種結晶を試料113として63.4g得た。このよう
にして得られた磁性窒化鉄粒子の平均粒径を透過型電子
顕微鏡の高倍率写真から求めた結果を、表1に示す。
おいて、鉄カルボニル80.0g、アミン11.3g、
ケロシン50.1gからなる混合溶液104中に、導入管1
18を介して、アンモニアガスを流量390ml/min
でバブリングしながら十分混合し、加熱装置102によっ
て185℃まで加熱する。同時に副反応槽126を90℃
に加熱する。この2段階の温度域を用いて、主反応槽10
0中の鉄カルボニルが全て消費されるまで加熱処理し
て、種結晶を試料113として63.4g得た。このよう
にして得られた磁性窒化鉄粒子の平均粒径を透過型電子
顕微鏡の高倍率写真から求めた結果を、表1に示す。
【0024】(2)粒子増大化段階 次に、この種結晶を、同じ合成装置を用いて増大化させ
る。
る。
【0025】主反応槽100に、上記種結晶形成段階で得
られた種結晶23.0gを入れ、鉄カルボニル80重量
部、アミン6.4重量部、ケロシン35.1重量部から
なる混合溶液120を121.5g滴下し、更にアンモニ
アガスを390ml/minでバブリングしながら十分
混合し、主反応槽100を185℃に、副反応槽126を90
℃に昇温し、副反応槽126に上昇した鉄カルボニルが全
て消費されるまで反応させて試料114を60.8g得
た。次に、この試料114のうち、23.0gを主反応槽1
00に入れ、再び混合溶液120を121.5g滴下し、更
にアンモニアガスを390ml/minでバブリングし
ながら十分混合し、同様の加熱操作を行なって試料115
を60.7g得た。これと同じ操作を繰り返し、試料11
6を56.0g、試料117を62.1g得た。それぞれの
合成条件と得られた窒化鉄粉体の平均粒径、飽和磁化値
を表1に示す。
られた種結晶23.0gを入れ、鉄カルボニル80重量
部、アミン6.4重量部、ケロシン35.1重量部から
なる混合溶液120を121.5g滴下し、更にアンモニ
アガスを390ml/minでバブリングしながら十分
混合し、主反応槽100を185℃に、副反応槽126を90
℃に昇温し、副反応槽126に上昇した鉄カルボニルが全
て消費されるまで反応させて試料114を60.8g得
た。次に、この試料114のうち、23.0gを主反応槽1
00に入れ、再び混合溶液120を121.5g滴下し、更
にアンモニアガスを390ml/minでバブリングし
ながら十分混合し、同様の加熱操作を行なって試料115
を60.7g得た。これと同じ操作を繰り返し、試料11
6を56.0g、試料117を62.1g得た。それぞれの
合成条件と得られた窒化鉄粉体の平均粒径、飽和磁化値
を表1に示す。
【0026】なお、平均粒径の測定には、高倍率電子顕
微鏡写真上で300個の粒子について粒径を測定し、算
術平均値を求めた。また飽和磁化の測定には振動試料磁
力計を用いて、最大10kOeの磁界をかけ、磁化曲線
を測定し、飽和漸近則により磁界を無限大に外捜して求
めた。スラリー中の窒化鉄粉末成分の飽和磁化は、スラ
リーの比重と溶媒の比重を用いて算出した。
微鏡写真上で300個の粒子について粒径を測定し、算
術平均値を求めた。また飽和磁化の測定には振動試料磁
力計を用いて、最大10kOeの磁界をかけ、磁化曲線
を測定し、飽和漸近則により磁界を無限大に外捜して求
めた。スラリー中の窒化鉄粉末成分の飽和磁化は、スラ
リーの比重と溶媒の比重を用いて算出した。
【0027】
【表1】
【0028】
【発明の効果】請求項1の発明では、従来得ることがで
きないと見られていた20nmを越える、とりわけ限界
粒径の数十倍か、それ以上の大きな粒径の窒化鉄が得ら
れ、しかも当該窒化鉄粒子は等方的形状を有しているの
で、粒子同士の分離性がよく、粉体としての取り扱いが
容易であり、顔料や染料による着色が容易である。
きないと見られていた20nmを越える、とりわけ限界
粒径の数十倍か、それ以上の大きな粒径の窒化鉄が得ら
れ、しかも当該窒化鉄粒子は等方的形状を有しているの
で、粒子同士の分離性がよく、粉体としての取り扱いが
容易であり、顔料や染料による着色が容易である。
【0029】請求項2の窒化鉄粒子の製造方法において
は、従来限界と考えられていた20nm程度の窒化鉄を
種結晶とし、遥かに大きく、しかも粒径が揃い、磁化の
値も大きな窒化鉄粒子が得られ、このように得られた窒
化鉄粒子は、粒子表面を親油性にも親水性にも適宜に変
えることができ、水性溶媒中、又は油溶媒中にそれぞれ
懸濁させることができる。そして当該粒子を液体中に懸
濁させて、保存、輸送並びにその他の取り扱いができる
ので、当該粒子が燃焼することもなく安全であり、また
取り扱い作業も容易である。更に窒化鉄の製造時間も短
縮される。
は、従来限界と考えられていた20nm程度の窒化鉄を
種結晶とし、遥かに大きく、しかも粒径が揃い、磁化の
値も大きな窒化鉄粒子が得られ、このように得られた窒
化鉄粒子は、粒子表面を親油性にも親水性にも適宜に変
えることができ、水性溶媒中、又は油溶媒中にそれぞれ
懸濁させることができる。そして当該粒子を液体中に懸
濁させて、保存、輸送並びにその他の取り扱いができる
ので、当該粒子が燃焼することもなく安全であり、また
取り扱い作業も容易である。更に窒化鉄の製造時間も短
縮される。
【0030】
【図1】窒化鉄粒子の合成装置の概略図である。
100 主反応槽 108 撹拌装置 126 副反応槽 132 冷却塔
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−283275(JP,A) 特開 平5−70784(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 21/06 C09D 5/23 WPI(DIALOG)
Claims (2)
- 【請求項1】 アンモニアガスを発生する窒素含有化合
物乃至アンモニアガス自身の導入下に、鉄カルボニルと
界面活性剤の添加された有機溶媒とを二段階の所定温度
域で加熱処理することで得られた窒化鉄微粒子に更に、
鉄カルボニルと界面活性剤の添加された溶媒とを断続的
に加えながら、二段階の所定温度域で加熱処理すること
を繰り返すことで製造される、20nmを越え1μm程
度までの粒径を有した窒化鉄粒子。 - 【請求項2】 アンモニアガスを発生する窒素化合物乃
至アンモニアガス自身の導入下に、鉄カルボニルと界面
活性剤の添加された有機溶媒とを二段階の所定温度域で
加熱処理することで窒化鉄微粒子を得、得られた窒化鉄
微粒子を核として、これに更に、鉄カルボニルと界面活
性剤の添加された溶媒とを断続的に加えながら、二段階
の所定温度域で加熱処理することを繰り返すことを特徴
とする窒化鉄粒子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09112492A JP3276390B2 (ja) | 1992-04-10 | 1992-04-10 | 窒化鉄粒子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09112492A JP3276390B2 (ja) | 1992-04-10 | 1992-04-10 | 窒化鉄粒子とその製造方法 |
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- 1992-04-10 JP JP09112492A patent/JP3276390B2/ja not_active Expired - Lifetime
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