KR101663050B1 - 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물 및 이를 이용한 도장공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수지 100중량부에 대해 경화제 10 내지 20중량부, 1~40㎛의 평균입경을 가진 안료 30 내지 80중량부, 40~250㎚의 평균입경을 가진 금속나노입자 산화물 6 내지 40중량부, 분산제 2 내지 5중량부, 증점제 2 내지 5중량부, 비실리콘계 혼성중합체 2 내지 5중량부, 흐름방지제 2 내지 5중량부, 침강방지제 2 내지 5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물에 관한 것이다.

Description

구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물 및 이를 이용한 도장공법{Eco nanotube coating compositions for improving the durability and coating process using the same}

본 발명은 구조물의 내구성을 증진시키는 친환경 나노큐브 도장 조성물 및 이를 이용한 공법에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 철재구조물의 중방식 보호도장 및 콘크리트 구조물의 보호도장으로 적용되어 탄산화 방지 및 염해방지, 염수 및 정수에 직접 침수되거나 각종 화학약품에 노출되는 등 가혹한 부식환경에 놓인 구조물에 적용되어 방수 및 방식 기능발현, 목재구조물에 적용되어 방부, 뒤틀림 및 할열방지 기능발현 등 구조물의 종류 및 크기에 상관없이 광범하게 적용되어 구조물의 내구성을 향상시키는 것은 물론 크롬화합물 등 유해물질이 함유되지 않아 친환경적인 도장조성물 및 이를 이용한 도장공법에 관한 것이다.

국가경제의 성장과 사회간접자본의 확충으로 임해공업단지 및 해안항만 지역의 중요 구조물의 내구성 증진과 경제성 확보를 위한 방식대책이 필요 하게 된다.

이에, 종래의 기술들은 내산성, 내알칼리성, 내염수성 등의 내화학성의 성능(특허 10-0910983)을 강조하고 있으나 실질적인 내구성 확보가 담보되지 않는 문제가 있다.

또한, 기존도료의 도장재는 광택, 기계적 물성이 급격하게 변하여 도막에서 수지가 안료간 입자공간을 충분히 메우지 못하게 된다. 즉, 도막층에서 안료입자간의 공극을 충분히 메울수 있는 구조를 가지지 못한다.

또한, 기존도장공법의 경우 안료에 납, 카드뮴, 수은, 비소, 안티몬 및 이들의 화합물과 6가 크롬 화합물이 혼입되어 환경유해적인 문제가 있었다.

대한민국 특허등록 제10-0910983호 대한민국 특허등록 제10-0385115호 대한민국 특허등록 제10-0503561호

본 발명은, 상기 과제의 해결을 위한 것으로서, 균일하면서 밀실한 구조에 기해 부식인자를 차단(barrier)하며, 부식반응을 억제(inhibitor)할 수 있어 구조물의 내구성을 향상시킬 수 있고, 안료로 납, 카드뮴, 수은, 비소, 안티몬 및 이들의 화합물과 6가 크롬 화합물이 첨가되지 않도록 하여 친환경적인 도장 조성물 및 이를 이용한 도장공법을 제공하고자 함이다.

상기과제를 해결하기 위한 본 발명의 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물은 수지 100중량부에 대해 경화제 10 내지 20중량부, 1~40㎛의 평균입경을 가진 안료 30 내지 80중량부, 40~250㎚의 평균입경을 가진 금속나노입자 산화물 6 내지 40중량부, 분산제 2 내지 5중량부, 증점제 2 내지 5중량부, 비실리콘계 혼성중합체 2 내지 5중량부, 흐름방지제 2 내지 5중량부, 침강방지제 2 내지 5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉 본 발명에 있어 “나노큐브 도장”이란 평균입경 1~40㎛의 안료와 40~250㎚ 의 금속나노입자가 입도 및 밀도차에 의해 큰입자의 공극을 메워주는 효과를 발휘하여 수지와 안료 및 금속나노입자가 치밀한 정방형격자구조(큐브구조, 이에 “나노큐브”라함)의 형태를 이루어 부동태 피막을 형성하여 내마모성, 내염성, 내식성, 부착력 등의 기능이 향상됨으로써 피도면의 보호와 유해인자를 침투를 차단하여 구조물의 내구연한을 증대시킬 수 있도록 하는 것이다.

상기 안료는 1 내지 40㎛의 평균입경을 가지며, 상기 금속나노입자 산화물은 40 내지 250㎚의 입경을 갖도록 하는 것이 타당한 바, 이는 상기 안료는 각 입자마다 기본적인 배열은 같으나, 방향이 다르고 입자와 입자사이에 존재하는 단위 면적당 입계가 많을수록 강한 기계적 성질을 띠게 하는 경향을 나타내는 바, 편상구조의 프레임 역할을 하도록 하며, 이러한 편상구조의 프레임에 미세한 금속나노입자 산화물이 충진시키도록 함으써 도막이 밀실한 정방형 구조가 형성되도록 하기 위함이다

하나의 예로 상기 안료는 티타늄 디옥사이드, 탈크, 이산화규소, 산화알루미늄 분말, 징크메탈, 운모, 카본블랙, 산화철, 프탈로시아닌블루, 탄산칼슘, 실리카, 황산바륨, 클레이마이카, 벤토나이트 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 금속나노입자 산화물은, 이산화티타늄, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화아연, 인듐틴옥사이드, 규산마그네슘, 산화마그네슘, 안티몬틴옥사이드, 카올린, 2산화 실리카, 3산화 알루미나, 3산화 몰리브덴, 5산화 니오브, 5산화 바나듐, 텅스텐 브론즈 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 수지 100중량부에 대해 망간황화물(MnS) 1 내지 5중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 나노큐브 도장 조성물을 이용한 도장방법은, 피도면을 그라인딩 하여 전처리 하는 단계(S10); 상기 나노큐브 도장 조성물을 배합하여 도포하는 단계(S20);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 S10단계에는 전처리액을 사용하는데, 상기 전처리액은 물 100중량부에 대해 황산 20 내지 30중량부, 아스코빅 액시드 1 내지 5중량부, 디노닐 나프틸 술폰산 암모늄염 1 내지 3중량부를 포함하도록 배합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물 및 이를 이용한 도장공법은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 평균입경 1~40㎛의 안료와 40~250㎚ 의 금속나노입자가 입도 및 밀도차에 의해 큰입자의 공극을 메워주는 효과를 발휘하여 주제인 수지와 안료 및 금속나노입자가 치밀한 정방형격자구조의 형태를 이루어 부동태 피막을 형성하여 내마모성, 내염성, 내식성, 부착력 등의 기능을 향상시킴으로써 피도면의 보호와 유해인자를 침투를 차단하여 구조물의 내구연한을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 철재구조물, 콘크리트구조물, 목재구조물은 물론 가혹한 환경에 노출되는 구조물 등 다양한 구조물에 적용되어 구조물의 내구연한을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 도장에 납, 카드뮴, 수은, 비소, 안티몬 및 이들의 화합물과 6가 크롬 화합물이 포함되지 않아 친환경적인 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 도장 조성물이 적용된 예를 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 공법을 나타내는 블록도이다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지는 않는다.

본 발명의 나노큐브 도장 조성물은 수지 100중량부에 대해 경화제 10 내지 20중량부, 1~40㎛의 평균입경을 가진 안료 30 내지 80중량부, 40~250㎚의 평균입경을 가진 금속나노입자 산화물 6 내지 40중량부, 분산제 2 내지 5중량부, 증점제 2 내지 5중량부, 비실리콘계 혼성중합체 2 내지 5중량부, 흐름방지제 2 내지 5중량부, 침강방지제 2 내지 5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 안료는 티타늄 디옥사이드, 탈크, 이산화규소, 산화알루미늄 분말, 징크메탈, 운모, 카본블랙, 산화철, 프탈로시아닌블루, 탄산칼슘, 실리카, 황산바륨, 클레이마이카, 벤토나이트, 세라믹 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 금속나노입자 산화물은, 이산화티타늄, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화아연, 인듐틴옥사이드, 규산마그네슘, 산화마그네슘, 안티몬틴옥사이드, 카올린, 2산화 실리카, 3산화 알루미나, 3산화 몰리브덴, 5산화 니오브, 5산화 바나듐, 텅스텐 브론즈 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 도장 조성물은 이하 3가지 실시 예로 사용될 수 있다.

우선 첫 번째 실시 예는 본 발명의 도장 조성물이 피도면에 하도층을 형성하는 경우이다.

이 경우 수지는 실리콘 변성에폭시 수지(Silicone Modified Epoxy Resine)가 사용되는 것이 바람직하다.

또한 경화제는 폴리아마이드 상온경화형 경화제를 사용하는 것이 바람직하다.

본 실시 예의 안료는 납, 카드뮴, 수은, 비소, 안티몬 및 이들의 화합물과 6가크로뮴 화합물을 포함시키지 않으며, 티타늄 디옥사이드, 탈크, 이산화규소, 산화알루미늄 분말, 세라믹 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것이 타당하다.

또한 본 실시 예에서 금속나노입자 산화물은 이산화티타늄, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화아연, 인듐틴옥사이드, 규산마그네슘, 산화마그네슘, 안티몬틴옥사이드, 카올린, 2산화 실리카, 3산화 알루미나, 3산화 몰리브덴, 5산화 니오브, 5산화 바나듐, 텅스텐 브론즈 중 하나 또는 둘이상의 혼합물인 것이 타당하다.

또한 분산제로는 바람직하게 계면활성제(Unsaturated Polymide acid Ester Salts)가 사용되는 것이 바람직하다.

또한 증점제는 오거닉 클레이(organic clay)사 사용되는 것이 바람직하다.

또한 비실리콘계 혼성중합체, 흐름방지제, 침강방지제가 배합되도록 하는 것이 바람직하다.

또한 본 실시 예에서는 수지 100중량부에 대해 용제 20 내지 50중량부가 더 포함되도록 하는데 특징이 있다. 여기서 용제는 방향족계 용제(톨루엔, 자일렌), 케톤류 용제, 알코올류계 용제 중 하나 또는 둘이상의 혼합물을 사용하되, 바람직하게는 휘발성 유기화합물 함량 300(g/L)이하, 휘발성 방향족탄화수소함량 25중량% 이하, 벤젠 0.1 중량%이하가 되도록 사용하여 친환경성을 도모함이 바람직하다.

본 발명의 두 번째 실시 예로서 본 발명의 도장 조성물은 무용제형의 고형분 방수·방식 조성물로 사용되는 실시 예를 제시한다.

본 실시 예에서 수지는 에폭시계 수지로서 에피클로로히드린과 비스페놀 A의 반응생성물 또는 에피클로로히드린과 비스페놀 F의 반응생성물로 구성된 에폭시 수지 중 하나가 사용되는 것이 바람직하다.

본 실시 예의 경우도 상기 안료는 납, 카드뮴, 수은, 비소, 안티몬 및 이들의 화합물과 6가 크롬 화합물을 포함시키지 않되, 카본블랙, 이산화티탄, 산화철, 프탈로시아닌블루, 탄산칼슘, 실리카, 황산바륨, 탈크, 클레이마이카, 벤토나이트, 규사, 세라믹 중 하나 또는 이들의 혼합물이 사용됨이 타당하다.

그 외 경화제, 금속나노입자 산화물, 분산제, 증점제, 비실리콘계 혼성중합체, 흐름방지제, 침강방지제는 첫 번째 실시 예와 동일하게 사용됨이 바람직하다.

본 발명의 세 번째 실시 예로서 본 발명의 도장 조성물은 유해인자를 차단하는 상도층 조성물로 사용되는 실시 예를 제시한다.

본 실시 예에 있어 수지는 실리콘 변성 아크릴 폴리올 수지 (Silicone Modified Acrylic Copolymer)가 사용됨이 타당하다.

또한 본 실시 예의 경화제는 폴리이소시아네이트 경화제가 사용됨이 타당하다.

또한 본 실시 예의 안료의 경우도 납, 카드뮴, 수은, 비소, 안티몬 및 이들의 화합물과 6가 크롬 화합물을 포함시키지 않되, 티타늄 디옥사이드, 탈크, 산화알루미늄 분말, 징크메탈, 운모, 황산바륨, 세라믹 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

그 외 금속나노입자 산화물, 분산제, 증점제, 비실리콘계 혼성중합체, 흐름방지제, 침강방지제는 첫 번째 및 두 번째 실시 예와 동일하게 사용됨이 바람직하다.

또한 본 실시 예에서는 습윤분산제가 더 첨가되도록 하는 것이 타당하다.

본 실시 예의 경우도 수지 100중량부에 대해 용제 20 내지 50중량부가 더 포함되도록 하는데 특징이 있다. 여기서 용제는 방향족계 용제(톨루엔, 자일렌), 케톤류 용제, 알코올류계 용제 중 하나 또는 둘이상의 혼합물을 사용하되, 바람직하게는 휘발성 유기화합물 함량 300(g/L)이하, 휘발성 방향족탄화수소함량 25중량% 이하, 벤젠 0.1 중량%이하가 되도록 사용하여 친환경성을 도모함이 바람직하다.

상기 안료는 1 내지 40㎛의 평균입경을 가지도록 한정하는 것이 타당하다. 이와 같이 한정하는 이유는 이보다 작은 입경을 가지는 경우 충분한 프레임으로서 기능이 미미하며, 이를 초과하는 경우는 비중이 너무 커져서 분산성이 저하되어 비균일한 물성이 발현될 수 있으므로 이와 같이 한정하는 것이다.

또한, 상기 금속나노입자 산화물은 40 내지 250㎚의 평균입경을 가지도록 한정하는 것이 타당하다. 여기서 금속나노입자 산화물이 40㎚ 미만일 경우에는 평균 입도의 분포가 너무 낮아 가격이 고가이므로 비경제적인 문제가 있으며, 250㎚를 초과할 경우에는 평균 입도의 분포가 커서 상기 안료에 형성되는 편상 간 공극을 제대로 충진하지 못하여 밀실한 구조를 저해하게 되므로 이와 같이 한정한다.

한편 본 발명의 도장 조성물에는 수지 100중량부에 대해 망간황화물(MnS) 1 내지 5중량부가 더 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 망간황화물(MnS)은 상기 도장 조성물에 의한 피막 표면에 공극이 발생되어 상기 공극으로 탄산, 수분 등의 유입을 방지토록 하기 위한 것이다. 이러한 표면공극은 페이스트의 알카리 성분과 금속성분 등이 반응하여 수소가스를 발생시켜 수소고용 능력이 과포화 되면 경화과정 등에서 수소가 페이스트 조직 외부로 방출되면서 피막 표면에 공극, 균열 등이 형성됨에 기인한 것이다.

이렇게 발생된 표면공극은 표면조도를 불량하게 할 뿐 아니라 향후적으로 방청기능의 저하포인트로서 작용을 하게 되는 것이다. 이에 본 발명에서는 망간황화물이 더 첨가되도록 하는 것인데 망간황화물은 수소를 고정시키도록 하는 것으로 망간황화물에 의해 수소를 고정시킴으로써 표면의 미세공극의 발생을 제어토록 하는 것이다.

이와 같은 도장 조성물은 하기 표 1에서 보는 바와 같이 휘발성유기화합물의 함량이 낮고, 벤젠, 납, 카드뮴, 수은, 6가 크롬이 검출되지 않는 것을 볼 수 있는 바, 실험결과로서 친환경적인 도장임을 증명하고 있다.

또한 상기 표 2에서 보는 바와 같이 내산성, 내약품성, 내수성 등과 부착강도면에서 우수한 결과를 도출하는 것으로 보이는데 이는 상기에서 언급한 바와 같이 본 발명의 도장 조성물이 평균입경 1~40㎛의 안료와 40~250㎚ 의 금속나노입자가 입도 및 밀도차에 의해 큰입자의 공극을 메워주는 효과를 발휘하여 수지와 안료 및 금속나노입자가 치밀한 정방형격자구조(큐브구조, 이에 “나노큐브”라함)의 형태를 이루어 부동태 피막을 형성함에 기인한 것으로 판단된다.

한편 본 발명의 나노큐브 도장 조성물을 이용한 도장방법은 도 2에서 보는 바와 같이 피도면을 그라인딩 하여 전처리 하는 단계(S10); 상기 나노큐브 도장 조성물을 배합하여 도포하는 단계(S20);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

우선 본 발명의 공법은 피도면을 그라인딩 하여 전처리 하는 단계(S10)를 갖는다. 여기서 피도면이라함은 구조물에서 방식보호가 필요하여 상기에서 언급한 “나노큐브 도장”이 필요한 부분을 말한다.

본 단계(S10)에서는 공지의 집진 및 그라인더장치가 사용될 수 있는데, 상기 집진 및 그라인더장치는 도면에 도시된 바는 없으나 집진구와 그라인더구로 구성됨에 특징이 있다. 일반적으로 그라인더장치에는 물을 주입하면서 그라인더에 의해 구도막을 제거하도록 하는 것인데 물만을 사용하는 경우 제거면의 평활도가 저하되어 제거면에 도포되는 피막 역시 평활도가 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 상기 S10단계에는 전처리액을 사용하는데, 상기 전처리액은 물 100중량부에 대해 황산 20 내지 30중량부, 아스코빅 액시드 1 내지 5중량부, 디노닐 나프틸 술폰산 암모늄염 1 내지 3중량부를 포함하도록 배합하는 것을 특징으로 한다.

상기 전처리액을 분사하면서 구도막을 그라인딩 하여 피도면과 상기 도장 조성물의 부착력을 향상시키고 피막의 평활도를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이러한 돌출된 이물질을 제거하기 위하여 본 발명의 전처리액에는 황산이 첨가되도록 하는 것이다. 황산의 배합비가 30중량부를 초과하면 피도면을 과에칭하는 경향이 있어서 바람직하지 않고, 20중량부 미만이면 이물질 제거효율이 미미하여 상기와 같이 한정하는 것이다.

이에 더하여 상기 전처리액에는 아스코빅 액시드와 디노닐 나프틸 술폰산 암모늄염이 상기 범위로 더 첨가되도록 한다.

상기 황산과 같이 강산으로 처리하면 경우에 따라 전처리액의 pH가 산화철, 산화망간 등 금속산화물의 PZC보다 낮은 경우 표면이 양전하를 띠게 되며, pH가 낮으면 낮을수록 그 전하량이 증가된다.

산에 의하여 용출된 다양한 음이온은 처리액의 pH가 낮을수록 용출된 음이온이 용해되지 않고 잔류하는 산화철, 산화망간 등 금산화물에 재흡착이 된다. 더욱이, 강산의 처리액을 사용하는 경우 산화철, 산화망간 등 금속산화물의 용해도도 높아지지만, 용해되지 않고 잔류하는 산화철, 산화망간등 금속산화물이 세척액의 pH가 낮게 형성되면서 매우 강한 흡착제로 작용한다는 것이다. 이에 용출된 음이온 등이 산화철, 산화망간 등 금속산화물에 강하게 흡착되어 결국 이물질 제거효율이 오히려 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 이물질을 제거하기 위해 황산으로 처리하여 pH를 낮추되 이에 더하여 아스코빅 액시드를 첨가하여 용출된 음이온이 산화되는 것을 방지함으로써 재흡착에 의한 이물질 제거효율이 저하되는 것을 제어하는 것이다.

이에 더하여 본 발명에서는 상기 처리액에 아스코빅 액시드가 포함되도록 하면서 디노닐 나프틸 술폰산 암모늄염이 더 포함되도록 한다. 이와 같이 디노닐 나프틸 술폰산 암모늄염이 더 포함되도록 하는 이유는 아스코빅 액시드에 의해 용출된 이온이 산화하는 것을 방지하며 동시에 디노닐 나프틸 술폰산 암모늄염에 의해 수분흡수를 통해 흡착을 방지함으로써 상기 아스코빅 액시드에 의해서도 처리되지 않은 재흡착물의 발생을 제어토록 하는 것이다.

상기와 같이 피도면에 전처리가 완료되면 피도면을 상기 도장 조성물에 의해 도포하는 단계(S20)를 갖는다.

Claims (6)

1. 수지 100중량부에 대해 경화제 10 내지 20중량부, 1~40㎛의 평균입경을 가진 안료 30 내지 80중량부, 40~250㎚의 평균입경을 가진 금속나노입자 산화물 6 내지 40중량부, 분산제 2 내지 5중량부, 증점제 2 내지 5중량부, 비실리콘계 혼성중합체 2 내지 5중량부, 흐름방지제 2 내지 5중량부, 침강방지제 2 내지 5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 안료는,
   티타늄 디옥사이드, 탈크, 이산화규소, 산화알루미늄 분말, 징크메탈, 운모, 카본블랙, 산화철, 프탈로시아닌블루, 탄산칼슘, 실리카, 황산바륨, 클레이마이카, 벤토나이트, 세라믹 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물.
   
3. 제 1항에 있어서,
   금속나노입자 산화물은,
   이산화티타늄, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화아연, 인듐틴옥사이드, 규산마그네슘, 산화마그네슘, 안티몬틴옥사이드, 카올린, 2산화실리카, 3산화알루미나, 3산화몰리브덴, 5산화니오브, 5산화 바나듐, 텅스텐 브론즈 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물.
   
4. 제 1항에 있어서,
   수지 100중량부에 대해 망간황화물(MnS) 1 내지 5중량부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물.
   
5. 피도면을 그라인딩 하여 전처리 하는 단계(S10);
   제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항의 나노큐브 도장 조성물을 배합하여 도포하는 단계(S20);
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물을 이용한 도장방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 S10단계에는 전처리액을 사용하는데, 상기 전처리액은 물 100중량부에 대해 황산 20 내지 30중량부, 아스코빅 액시드 1 내지 5중량부, 디노닐 나프틸 술폰산 암모늄염 1 내지 3중량부를 포함하도록 배합하는 것을 특징으로 하는 구조물 내구성 증진을 위한 친환경 나노큐브 도장 조성물을 이용한 도장방법.

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