KR100231745B1 - 내충격성 유리 구조물 - Google Patents

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찰스 앤토니 스미스
라메쉬 엠. 고힐
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미리암 디. 메코나헤이
이. 아이. 듀우판 드 네모아 앤드 컴퍼니
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Abstract

본 발명은 지지 프레임(12) 및 지지 프레임(12) 중에 고정된 다층형성된 적층물로 구성된 내충격성 유리 구조물에 관한 것이다. 본 발명의 유리 구조물에서, 상기 적층물은 유리 시이트(14), 폴리에스테르 필름(16) 및 유리 시이트(14)와 폴리에스테르 필름(16) 사이에 샌드위칭된(sandwiched) 접착성 필름 시이트(18)로 구성되고, 상기 폴리에스테르 필름은 횡방향으로 우수한 기계적 특성을 제공하기 위해서 우선적으로 비대칭적으로 배향된다.

Description

[발명의 명칭]
내충격성 유리 구조물
[발명의 분야]
본 발명은 사람 또는 다른 수단에 의해서 추진된 물체가 관통하는 것을 실질적으로 차단하는 유리 구조물에 관한 것이다. 특히, 이러한 구조물은 폭풍에 날려진 물체와, 벽돌, 돌, 막대기, 야구방망이 및 타이어 아이언(tire iron)과 같이 강도들이 침입하기 위해 흔히 사용하는 물체에 의해서 관통되는 것을 방지한다.
[발명의 배경]
구조물의 표면을 향해 추진된 물체에 의해서 관통되는 것을 방지하는 다양한 형태의 유리 구조물이 개발되어 있다. 다수의 유리 시이트와 내층들로 이루어진 유리 적층물(통상적으로 안전 유리라고 불림)이 제조되어 왔다. 이러한 구조물은 일반적으로 두껍고 무겁기 때문에 통상의 프레임용으로 사용하기에는 부적합하고 제조 비용이 많이 든다. 또한, 폴리카보네이트 시이트(sheeting)와 같은 플라스틱 시이트가 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 시이트는 비교적 고가이고 내화학성과 내기후성에서 제한된다. 절연 유리 구조물을 포함하는, 다른 유리/플라스틱 적층물이 공지되어 있다. 이러한 구조물은 상기 지적된 바와 동일한 결함을 갖는다. 또한, 이러한 절연 구조물은 유리판 사이의 가스 공간으로 유입된 수분의 응축에 의해 안개가 서리는 경향이 있다. 따라서, 상기 문제점들을 극복하고 통상의 프레임으로 사용하기게 적합한 경량의 내충격성 구조물이 요구된다.
[발명의 개요]
본 발명은 저렴한 비용으로 제조할 수 있고 우수한 내충격성을 갖는 유리 구조물을 제공한다. 가장 단순한 형태에서, 본 발명의 구조물은 지지 프레이 및 지지 프레임 중에 고정된 유리/플라스틱 적층물로 이루어진다. 상기 적층물은 유리 시이트, 특수하게 배향된 폴리에스테르 필름, 및 상기 유리 시이트와 폴리에스테르 필름 사이에 끼워진, 폴리비닐 부티랄 필름과 같은 접착제 시이트로 구성된다. 이러한 적층물은 지지 프레임에 접착 밀봉된다. 절연 유리의 한 실시태양에서, 유리/플라스틱 적층물은 플라스틱 시이트가 구조물의 내부에 위치하도록 평면 유리 시이트와 결합된다. 장착시킬 때, 유리/플라스틱 측면은 충격을 받는 방향을 향해야 한다. 내부의 평면 유리는 내충격성을 제공하지 않는다. 비교적 얇은 유리/플라스틱 구조물이 폭도들에 의한 공격 뿐만 아니라, 폭풍우, 바람 및 비에 대한 보호성을 유지하면서 발사체의 공격을 견딜 수 있다는 것은 참으로 놀라운 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 유리/플라스틱 적층물의 한 실시태양을 보여주는 개략도이다.
제2도 및 제2(a)도는 본 발명의 절연 유리의 실시태양을 보여주는 개략도이다.
제3도는 내지 제9도는 본 발명에 유용한 폴리에스테르 필름의 특성을 나타내는 도표이다.
[발명의 상세한 설명]
제1도에서, 내충격성 유리 구조물은 지지 프레임(12)과, 유리 시이트(14), 하기에 더욱 상세하게 기술되는 폴리에스테르 필름(16), 및 상기 유리와 폴리에스테르 필름 사이에 끼워진 접착제 필픔 시이트(18)로 이루어진 다층 적층물로 구성된다. 상기 적층물은 접착 밀봉제(20)에 의해 프레임(12)상에 고정된다.
유리 시이트(14)는 충격을 받을 수 있는 방향에 위치한다. 놀랍게도, 유리의 두께는 구조물의 내충격성에 실질적으로 영향을 끼치지 않는다. 이러한 유리는 단련되거나(tempered) 단련되지 않을 수 있다. 단련된 유리는 몇몇 용도에 바람직하다. 유리의 두께는 2 내지 12mm로 변할 수 있지만, 표준 유리 프레임에 적용시킬 수 있는 두께로 유지시키는 것이 중요하다.
제2도에 나타낸 다른 실싱태양에서, 2개의 유리 시이트(32 및 34)를 프레임(30) 중에 밀봉시킴으로써 절연 유리 구조물을 제공한다. 밀봉제(31)은 유리를 프레임(30) 중에 고정시키는 것을 돕는다. 폴리에스테르 필름(36)은 접착제 필름(38)을 사용하여 유리 시이트(32)에 적층시킨다. 약 15.875mm(⅝인치)의 폭을 갖는 가스공간(40)이 2개의 유리 시이트들을 분리시킨다. 건조제(44)를 함유하는 알루미늄 스페이서(42)가 유리 시이트들을 분리시킨다. 밀봉제(46)은 유리 시이트 주변에 수분 차단벽을 제공한다. 스페이서에는 가스 공간(40)으로 향하는 작은 구멍들이 존재한다.이들 구멍은 제조 중에 단위체 내부에 밀봉된 수분을 건조에 의해 흡수되도록 하여 포획시킴으로써, 수분이 응축되어 유리에 안개를 서리게하지 않도록 한다. 밀봉 부재(48)은 구조물의 둘레 주위로 뻗어 유리 시이트 사이의 공간에 대해 기물(air-tight)밀봉을 제공한다. 밀봉 부재(48)가 약간의 결함을 갖거나 파열되면 수분이 가스 공간(40)내로 스며든다(wicking).
제2(a)도에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시태양에서, 2개의 유리 시이트(52) 및 (54)를 포함하는 절연 유리 복합체가 지지 프레임(50) 중에 고정된다. 이들 유리 시이트는 이격되어 있고, 시이트(54)는 그의 내면 상에 접착제 필름 시이트(58)에 의해 유리의 내면에 접착된 폴리에스테르 필름(56)을 갖는다. 건조제(62)를 함유하는 알루미늄 스페이서(60)은 유리 시이트들을 분리시킨다. 밀봉제(64)는 유리 시이트 주변에 수분 차단벽을 제공한다. 스페이서에는 가스 공간(66)으로 향하는 작은 구멍들이 존재한다. 이들 구멍은 제조 중에 단위체 내에 밀봉된 수분을 건조제에 의해 흡수되도록 하여 포획시킴으로써, 수분이 응축되어 유리에 안개를 서리게하지 않도록 한다. 유리 구조물은 유리 시이트 사이의 기밀 공간을 유지시키기 위해 그의 주변에 밀봉 부재(68)을 갖는다. 폴리에스테르 필름(56) 및 접착제 시이트(58)은 밀봉 부재와 근접하여 있지만 접촉하지는 않는다. 이러한 절연 구조물은 밀봉제(51)을 사용하여 프레임(51) 중에 밀봉시킨다. 놀랍게도, 밀봉 부재(68)과 스페이서(60)으로부터 폴리에스테르 필름(56)과 접착제 시이트(58)을 이격시키는 것은 구조물의 내충격성에 심각한 영향을 끼치지 않는다. 또한 놀랍게도, 이 실시태양은 수분이 유리 시이트 사이의 기밀 공간(66) 내로 스며드는 문제를 경감시킨다. 유리 시이트 사이의 공간 내에 건조제를 배치시키는 것이 일반적이지만, 수분이 유입되면 건조제는 곧 수분으로 포화되어 효과를 상실하게 된다.
폴리비닐 부티랄 접착제 시이트는 많은 시판 등급의 가소화된 폴리비닐 부티랄로부터 선택할 수도 있다. 모이니한(Moynihan)의 미합중국 특허 제4,293,372호에 개시된 유형의 특히 바라믹한 제품이 상표명 “Butacite”로서 이. 아이. 듀퐁 드 네모아 앤드 캄파니(E. I. du Pont de Nemours & Co.)사에 의해서 시판되고 있다. 폴리비닐 부티랄 필름은 0.25 내지 1.52mm (10 내지 60 mil)의 두께를 가져야 한다. 폴리우레탄 등과 같은 다른 접착제 시이트 재료로 폴리비닐 필름을 대체할 수도 있다.
비대칭적으로 배향된 폴리에스테르 필름은 녹스(Knox)의 미합중국 특허 제4,072,779호에 일반적으로 기술되어 있지만, 녹스의 특허 문헌에서는 본 발명에서 유용한 폴리에스테르 필름에 대한 특정 필요 조건을 교시하지 않았다. 본 발명에 유용한 폴리에스테르 필름은 우선적으로 횡방향(TD)으로 비대칭적으로 배향되고, 열경화된다. 이에 의해 제공되는 결정형 및 무정형 분자의 평면내 배향과 이에 수반되는 특성은 본 발명의 유리 적층물의 내충격성에 매우 중요하다. 본원에서 횡방향(TD) 및 기계 방향(Machine Direction(MD))은 제조시 폴리에스테르 웹이 이동하는 방향을 나타낸다. 폴리에스테르 필름은 0.10 내지 0.36mm(4내지 14mil)의 두께를 가져야 한다. 폴리에스테르 필름의 외면은 녹스의 특허에 개시된 바와 같은 내마모성 물질로 피복될 수도 있다.
본 발명에 유용한 폴리에스테르 필름은 결정형 및 무정형 상들의 특수한 평면내 분포를 가져야 한다. 폴리에스테르 결정의 모든 (100)면들은 필름 평면내에 위치해야 하고, 분자 또는 사슬측을 갖는 결정들은 TD를 향해 배향된다. 또한, 무정형 영역중의 분자를 우선적으로 TD로 배향된다. 굴절율에 의해 측정된 결정형 및 무정형 상 모두의 전체 배향은 TD를 따라 더욱 증가한다. 굴절율, 형광 분광계 및 광각 x-선 극점도 분석(wide angle x-ray pole figure analysis)에 의해 측정할때, 결정형 및 무정형 배향의 분포는 제3도 내지 제11도에 나타낸 바와 같이 20%이하까지 변할 수 있고, 이는 본 발명의 적층 구조물 중에 포함될 때 우수한 내충격성을 갖는 필름을 제공한다.
제3도 및 제4도는 본 발명에 유용한 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 결정형 배향을 나타낸다. 제3도에서, (0105)평면으로부터 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 광각 x-선 극점도 분석은 극점도의 중심에서 임의의 강도의 부재를 나타내는데, 이는 필름 중에 기계 방향(MD)으로 배향된 결정이 존재하지 않음을 지시한다. 이는 분자 사슬축을 갖는 결정들이 TD를 향하여 배향됨을 보여준다. 특정 TD 연신비(draw ratio)에서, 필름 평면에서 MD 및 TD를 따른 특성들은 동일하게 된다. 이를 “균형 특성(balanced properties)”으로 정의하고, 상기 특정 TD 연신비를 “균형점”으로 정의한다. 필름은 “균형점”에 도달한 후 TD를 따라 우선적으로, 즉 “과배향”된다.
이러한 필름은 고도로 평면적이다. 이는 (100)평면에 놓인 벤젠 고리 배향으로부터 측정된다. 제4도에서, (100)평면으로부터 형성되는 강도를 나타내는 각(phi)은 약 15°이다.
제5도는 390nm에서 고유 형광 분광계로부터 측정된 필름의 무정형 상중의 분자의 무정형 배향을 보여주는 극점도이다. 고유 형광으로부터 발생하는 강도의 분포는 필름 평면중의 상이한 각에서 무정형 배향이 TD를 따라 더 큰 것을 보여준다.제6도에 나타낸 바와 같이, (결정형 및 무정형 면 중의)전체 분자 배향도 또한 TD를 따라 더욱 우세하다.
제7도 내지 제9도는 상기 기술된 상이한 분자 배향으로 인한 필름 평면 중의 상이한 각에서 인장 모듈러스, 인장 강도및 F-5(응력-변형 곡선에서 5% 변형에서의 응력)과 같은 기계적 특성의 분포를 보여주는 극점도이다. 모든 경우에, 기계적 특성은 TD를 따라 더욱 우세하다.
폴리에스테르 필름은 미합중국 특허 제3,223,757호에 기술된 방법과 장치를 사용하여 용융된 중합체를 차가운 냉각 롤 상으로 압출시켜 무정형 필름을 형성시킴으로써 제조할 수 있다. 이 무정형 필름은 승온에서 먼저 MD로 연신시킨 다음, TD로 더 많은 양으로 연신된다. 이러한 필름은 우선적으로 비대칭적으로 배향되어 TD로 우세한 물리적 특성을 제공할 수 있는 한, TD및 MD로 동시에 연신시킬 수도 있다.
본 발명은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 사용을 특히 참고로 하여 기술하고 예시하였지만, 본 발명에서 임의의 유사한 우선적으로 비대칭적으로 배향된 폴리에스테르 필름, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 폴리에틸렌 이소프탈레이트의 공중 합체와 같은 코폴리에스테르, 및 폴리에틸렌 나프탈레이트와 같은 다음 폴리에스테르를 사용하는 것도 포함되는 것을 이해하여야 한다. 또한, 폴리에스테르 필름은 예를 들면, 태양열 제어를 위해 반사 코팅으로 피복시킬 수도 있고, 이러한 필름은 심미적 목적 및(또는) 상업적 광고 목적을 위해 착색시키고(착색시키거나) 프린트시킬 수 있다.
본 발명의 유리 구조물의 제조에 있어서, 폴리에스테르 필름은 열 및 압력을 구조물에 가함으로서 폴리비닐 부티랄과 같은 접착제를 사용하여 유리에 접착시킨다. 내마모성 물질을 폴리에스테르의 외면에 도포할 수도 있고 결합된 구조물을 약 130 내지 150℃에서 7내지 180분 동안 경화시킬 수도 있다. 생성된 접착된 구조물은 광학적으로 투명하다. 공지된 방법에 의해 공지된 성분들을 사용하여 조립된 본 발명의 유리/플라스틱 적층물을 사용하여 절연 유리 구조물을 제조할 수도 있다.
유리를 목재, 폴리염화비닐과 같은 플라스틱, 알루미늄 및 강철과 같은 공지된 물질로부터 선택될 수 있는 프레임 부재 중에 견고하게 고정시키기 위해 주의하여야 한다. 유리 적층물을 프레임 중에 견고하게 고정시키기 위해서 유리의 각 모서리에서 약 0.95 내지 1.9mm(⅜ 내지 ¾인치)의 겹침(overlap)이 필요한 거승로 밝혀졌다. 유리는 실온 가황(RTV) 실리콘 밀봉제 등과 같은 공지된 밀봉제를 사용하여 프레임 중에 밀봉시킨다.
본 발명은 하기 실시예에 의해서 더욱 상세하게 예시한다.
[실시예 1]
유리로서 하기 재료들을 사용하고 목재 프레임을 사용하여 일련의 1.1㎡(12ft2)의 창문(0.9m×1.2m (3 ft×4 ft))을 제작하였다:
(1) 5mm 두께의 어닐링된(annealed) 유리, (2) 5mm 두께의 단련된 유리, (3) 감압성 아크릴계 접착제(PSA)를 사용하여 표면에 접착된 0.0762mm(3mil)의 시판 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름(PET)를 갖는 5mm 두께의 어닐링된 유리, (4) 0.76mm (30 mil)의 폴리비닐부티랄 필름(PVB)내층과 함께 적층된 2겹(ply)의 5mm두께의 어닐리된 유리(전형적인 안전 유리 구조물), 및 (5) 0.76mm (30 mil)의 폴리비닐 부티랄 필름과 0.178mm(7 mil)의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 적층 플라시틱 복합체를 갖는 5mm 두께의 어닐링된 유리.
90내지 95℃의 온도에서 MD 3.4배로, 105 내지 110℃의 온도에서 TD 3.8배로 무정형 필름을 연신시킴으로써 PET 필름을 제조하였다. 연신된 필름을 200 내지 205℃에서 열 경화시키고, 감소된 장력 하에 열 이완시킴으로써 150℃에서 약 0.8%의 MD 수축율을 얻었다.
일련의 구조물들을 창문 뒷면에 진공을 적용시킨 다음, 창문에 시판 투구기를 사용하여 85 mph로 145.15g(0.32 lb)의 표준 야구공 5개를 던짐으로써 100 mph의 풍속을 모의 시험하는 것으로 이루어진 시험을 수행하였다.이 시험은 재현할 수 있고 엄격하도록 고안되었으며, 폭도 또는 폭풍에 의해 날려온 물체를 대신할 수 있다.
유리를 프레임 부재 중에 적절하게 고정시키기 위해 주의하였다. 프레임은 유리의 각 모서리의 19mm(¾ 인치) 이상이 프레임 부재에 의해 겹쳐지도록 고안되었고, 유리는 RTV 실리콘 밀봉제를 사용하여 프레임 부재 중에 고정시켰다.
얻어진 결과를 표 1에 요약하였다:
[표 1]
시험을 실시한 후에 물 또는 바람의 유입을 방지한 유일한 창문은 본 발명의 유리 구조물 (5)이었다. 모든 시험에서 유리에 금이 생겼다.
[실시예 2]
전형적으로 “부수고 약탈하는(smash and grab)” 강도들의 폭력에 대한 유리 구조물의 내관통성을 나타내기 위해서 일련의 시험을 수행하였다.
(1) 5mm 두께의 어닐링된 유리, (2) 5mm 두께의 단련된 유리, 및 (3) 실시예 1에 기술된 0.76mm (30 mil)의 PVB와 0.178mm(7 mil)의 PET 필름으로 구성된 적측 플라스틱 복합체를 갖는 5mm 두께의 어닐링된 유리를 사용하여 실시예 1의 기술된 유형의 1.12㎡(12 ft2)의 창문을 조립하였다.
체중이 200 lbs(90.72kg)인 사람에게 3 ft(0.9m) 길이의 2 ft×4ft(0.6m×1.22m)의 나무 방망이로 공격하게 함으로써 창문의 내관통성을 시험하였다. 어닐링된 유리와 단련된 유리는 둘 모두 2회의 공격 이내에 완전히 파괴되었다. 본 발명의 유리/플라스틱 복합체의 경우에는 공격자가 힘이 다할 때까지 창문을 타격하였다. 유리/플라스틱 복합체를 통해서 약 1인치×2인치 (25.4mm×50.8mm)의 작은 구멍이 뚫렸지만, 구멍을 통해 손 또는 팔이 들어갈 만큼 큰 구멍은 없었다.

Claims (9)

  1. 유리 시이트(14); 폴리에스테르 필름(16) (이 폴리에스테르 필름은 폴리에스테르 결정들의 모든 (100)면들이 필름 평면 내에 위치하고 분자 또는 사슬축을 갖는 결정들이 횡방향으로 배향하는 결정형 및 무정형 상들의 특수한 평면내 분포를 가지며, 횡방향으로 우세한 기계적 특성을 갖도록 비대칭적으로 배향된다); 및 상기 유리 시이트(14)와 폴리에스테르 필름(16)사이에 끼워진 접착제 필름 시이트(18)를 포함하는 다층 적층물로 이루어지는 내충격성 유리 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접착제 필름이 0.25 내지 1.52mm의 두께를 갖고, 상기 유리 시이트가 3.8 내지 12mm의 두께를 갖는 유리 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리에스테르 필름이 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름이고, 상기 접착제 필름이 폴리비닐 부티랄 필름인 유리 구조물.
  4. 제2항에 있어서, 상기 폴리에스테르 필름의 무정형 영역 중의 분자가 횡방향으로 우선적으로 배향된 유리 구조물.
  5. 지지 프레임(10), 및 이 지지 프레임(10)에 고정된 다층 적층물로 이루어진 내충격성 유리 구조물로서, 상기 적층물은 유리 시이트(14); 폴리에스테르 필름(16) (이 폴리에스테르 필름은 폴리에스테르 결정들의 모든 (100)면들이 필름 평면 내에 위치하고 분자 또는 사슬축을 갖는 결정들이 횡방향으로 배향하는 결정형 및 무정형 상들의 특수한 평면내 분포를 갖고, 연신에 의해서 기계방향 및 횡방향으로 배향되며, 횡방향으로 우세한 기계적 특성을 갖도록 비대칭적으로 배향된다); 및 상기 유리 시이트(14)와 폴리에스테르 필름(16) 사이에 끼워진 접착제 필름 시이트(18)을 포함하며, 상기 지지 프레임에 접착 밀봉(sealing)되는 것인, 내충격성 유리 구조물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폴리에스테르 필름이 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름이고, 상기 접착제 필름이 폴리비닐 부티랄 필름인 유리구조물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 폴리에스테르 필름의 결정형 및 무정형 영역이 횡방향으로 우선적으로 배향된 유리 구조물.
  8. 2개의 유리 시이트 (32 및 34)로 이루어지며, 이 유리 시이트들 사이에 기밀(air-tight) 공간을 유지시키기 위해 그의 주변을 따라 배치된 밀봉 부재(48)를 갖는 절연된 내충격성 유리 구조물로서, 상기2개의 유리시이트가 그들의 주변을 따라 배치된 내부 스페이서(42)에 의해 이격되어 그들 사이에 가스 공간(gas space)(40)을 제공하며, 상기 유리 시이트 중 하나(34)가 그의 외면 상에 접착제 필름 시이트(38)에 의해 접착된 폴리에스테르 필름(36)을 가지며, 상기 폴리에스테르 필름은 폴리에스테르 결정들의 모든 (100)면들이 필름 평면 내에 위치하고 분자 또는 사슬축을 갖는 결정들이 횡방향으로 배향하는 결정형및 무정형 상들의 특수한 평면내 분포를 갖고, 그의 횡방향으로 우세한 물리적 특성을 갖도록 비대칭적으로 배향되는 것인, 절연된 내충격성 유리 구조물.
  9. 지지 프레임(50) 및 이 지지 프레임(50)에 고정된 다층 복합체로 이루어진, 개선된 내습성을 갖는 절연된 내충격성 유리 구조물로서, 상기 복합체는 2개의 유리 시이트(52 및 54)로 이루어지며, 상기 유리 시이트들 사이에 기밀 공간을 유지시키기 위해 그의 주변을 따라 배치된 밀봉 부재(68)를 가지며, 상기 2개의 유리 시이트(52 및 54)가 그들의 주변을 따라 배치된 내부 스페이서(60)에 의해 이격되어 그들 사이에 가스 공간(66)을 제공하며, 상기 유리 시이트 중 하나(54)가 그의 내면 상에 접착제 필름 시이트(58)에 의해 접착된 폴리에스테르 필름(56)을 가지며, 상기 폴리에스테르 필름은 폴리에스테르 결정들의 모든 (100)면들이 필름 평면 내에 위치하고 분자 또는 사슬축을 갖는 결정들이 횡방향으로 배향하는 결정형 및 무정형 상들의 특수한 평면내 분포를 갖고, 그의 횡방향으로 우세한 물리적 특성을 갖도록 비대칭적으로 배향되는 것인, 개선된 내습성을 갖는 절연된 내충격성 유리 구조물.
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