KR101764312B1 - 난연성을 갖는 전자파 차폐용 섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 심부와 초부로 구성된 폴리페닐렌설파이드 섬유에 있어서,상기 심부는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제1성분 폴리머, 상기 초부는 전자파 차폐성 화합물을 포함하는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제2성분 폴리머로 구성되거나,또는 상기 심부가 상기 제2성분 폴리머, 상기 초부가 상기 제1성분 폴리머로 구성될 수 있으며, 상기 심부의 형태는 중심형, 편심형 또는 해도형 중 어느 하나인 것에 특징이 있는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유를 제공한다.

Description

난연성을 갖는 전자파 차폐용 섬유{Electromagnetic Wave Shielding Fibers Having A Flame-Retardant}
본 발명은 난연성을 갖는 전자파 차폐용 섬유에 관한 것으로 보다 상세하게는 전자파 차폐성 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유에 관한 것이다.
폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유는 전지 분리막, 집진기 필터, 자동차용 내장재의 산업용 분야뿐만 아니라 벽지, 커튼, 소파, 침구류의 인테리어 분야, 산업방호복, 방호장갑의 보호복 분야 등 다양한 시장을 가지고 있으며, 최근 내화학성 및 난연 기능에 대한 수요가 점점 커짐에 따라 쓰임새가 증대되고 있다.
특히 자동차 내장재는 근래 난연첨가제 사용량의 한계와 할로겐 난연제에 대한 범국가적인 규제와 사용자의 기대치가 높아짐에 따라 난연성을 가지는 내장재용 소재로 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유의 적용이 늘고 있는 추세이다.
그러나 최근 일상생활에 사용되고 있는 전기전자 제품이 고전력, 고집적화 되고 있으며 항공, 선박, 자동차등이 점점 전장화되어 가고 있다. 이러한 전자 기기들의 사용이 급증함에 따라 발생되는 전자파들의 상호 간섭(EMI)에 의해 전기전자 제품 소자가 손상되는 경우가 있으며, 의료기기나 운송수단의 오작동을 유발할 경우 다량의 금전적, 인명적 손실이 발생 할 수 있다.
이러한 피해를 막기 위해 종래에 실시된 방법은 부품의 패키징 부분을 도전성 금속으로 도금하는 방법인데 섬유의 경우, 도전성 금속을 도금/코팅하는 공정은 비용이 크고 성형가공성이 떨어지는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 10-2015-0073768 에는 멜트블로운 폴리프로필렌 섬유와 시스(sheath)부분에 무기물을 함유한 폴리에스테르계 단섬유나 폴리아크릴계 단섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡음성 및 전자파 차폐 기능을 향상시킨 복합섬유집합체에 관한 기술이 개시되어 있다. 그러나 폴리에스테르계 및 폴리아크릴계는 난연성이 만족스럽지 못한 문제점이 있다.
한국 공개 특허공보 10-2015-0072636 에는 구리 및 니켈이 도금된 탄소섬유를 이용한 전자파 차폐 성능을 향상시킨 부직포에 관한 기술이 개시되어 있으나 가공 공정이 복잡하고 제조 단가가 높아지는 단점이 있으며 난연성에 대한 문제는 여전히 효과적이지 못한 점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 난연성 성질이 있는 폴리페닐렌설파이드 섬유에 전자파차폐성 효과를 추가하는 수단을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 폴리페닐렌설파이드 섬유의 단면을 심초형 형태로 구분하여 난연성과 전자파차폐성 효과를 모두 제공할 수 있는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 심부와 초부로 구성된 폴리페닐렌설파이드 섬유에 있어서,상기 심부는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제1성분 폴리머, 상기 초부는 전자파 차폐성 화합물을 포함하는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제2성분 폴리머로 구성되거나,또는 상기 심부가 상기 제2성분 폴리머, 상기 초부가 상기 제1성분 폴리머로 구성될 수 있으며, 상기 심부의 형태는 중심형, 편심형 또는 해도형 중 어느 하나인 것에 특징이 있는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 폴리페닐렌설파이드 섬유에 있어서,상기 심부는 30 내지 80 중량%, 상기 초부는 20 내지 70 중량%로 구성될 수있는 것에 특징이 있는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전자파 차폐성 화합물의 함량은 제 2성분 폴리머의 중량 대비 0.5 내지 40 중량%인 것에 특징이 있는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전자파 차폐성 화합물은 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 탄소나노튜브(carbon-nanotube, CNT), 그래핀(graphene)의 탄소계 물질 중 적어도 하나 이상으로 구성될 수 있으며,
본 발명은 난연성 성질이 있는 폴리페닐렌설파이드 섬유에 탄소계 물질을 추가하여 전자파차폐성을 향상시키는 효과를 제공한다.
또한 본 발명은 폴리페닐렌설파이드 섬유의 단면을 심초형 형태로 구분하여 사강도를 유지시키면서 전자파차폐성효과도 있는 특징이 있다.
도 1a,1b는 본 발명의 일실시예인 심초형 중 중심형에 관한 섬유 단면 개념도이다.
도 2a,2b는 본 발명의 일실시예인 심초형 중 편심형에 관한 섬유 단면 개념도이다.
도 3a,3b는 본 발명의 일실시예인 심초형 중 해도형에 관한 섬유 단면 개념도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 심부와 초부로 구성된 폴리페닐렌설파이드 섬유(100)에 관한 것으로, 상기 심부는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제1성분 폴리머(110), 상기 초부는 전자파 차폐성 화합물을 포함하는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제2성분 폴리머(120)로 구성되거나, 반대로 상기 심부가 상기 제2성분 폴리머(120), 상기 초부가 상기 제1성분 폴리머(110)로 구성될 수 있다.
본 발명의 심초형 복합방사 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유(100)는 30 내지 80 중량%의 심부 성분과 20 내지 70 중량%의 초부 성분을 복합 방사하여 제조하는 것이 바람직하며, 심초형 복합소재 방사에 사용되는 섬유의 구조는 중심형, 편심형 및 해도형 모두 가능하다.
본 발명의 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유는 제1성분 폴리머가 심부일 경우 제2성분 폴리머가 초부가 되며 제2성분 폴리머가 심부일 경우 제1성분 폴리머가 초부가 되는 것을 특징으로 한다.
도 1a,1b는 본 발명인 복합방사 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유(100)심초형에 관한 단면 개념도에 관한 것으로 심부가 중심형인 단면 개념도이다. 도1a는 제1성분 폴리머(110)가 심부로 형태유지부로 기능하게 되며 제2성분 폴리머(120)는 초부로 전자파 차폐 기능을 한다. 도1b는 제2성분 폴리머(120)가 심부로 전자파 차폐 역할을 하며 제1성분 폴리머(110)가 초부로 형태유지부로 기능하게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예로 도 2a,2b는 심초형 중 편심형에 관한 섬유 단면 개념도이고 도 3a,3b는 심초형 중 해도형에 관한 섬유 단면 개념도이다.
상기 제1성분 폴리머(110)는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지로 구성된다.
상기 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지는 선형, 가교형, 반가교형을 포함할 수 있으나 바람직하게는 선형인 것이 사용된다. 또한, 상기 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지는 극한점도가 0.1 dl/g이상, 바람직하게는 0.2 dl/g이상 또는 중량평균분자량(Mw)이 20,000~80,000인 수지이며, 용융점도(Mv)가 300℃에서 500~2500 포이즈(poise)인 것을 사용해야 원사 강도를 포함한 물리적 성질이 우수하게 된다. 또한 본 발명은 상기 PPS 수지의 Ash 농도가 0.5 % 바람직하게는 0.2 % 이하 이여야 하며, 이는 방사시 끊어짐 현상을 줄일 수 있고 원단의 품질을 높일 수 있다.
상기 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지는 우수한 내화학성 및 뛰어난 열변형온도 270 ℃ 이상의 내열성을 지닌다. 또한 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지는 자체 난연성을 가지고 있어 난연제 없이도 난연화가 가능한 환경친화형 난연 수지이며, 일반적으로 기계적 강도 등을 고려하여 유리섬유 등을 첨가하여 사용하나, 본 발명에 의거한 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지는 섬유용으로 페닐렌설파이드 분자 쇄로만 이루어진 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 p-페닐렌설파이드 단위가 90몰% 이상 포함되는 것이면 좋다. 상기 제1성분 폴리머(110)는 섬유의 형태유지부 역할을 한다.
상기 제2성분 폴리머(120)는 차폐성 기능을 한다. 이를 위해 상기 제2성분 폴리머(120)는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지 및 전자파 차폐성 화합물을 포함한다.
상기 전자파 차폐성 화합물은 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 탄소나노튜브(carbon-nanotube, CNT), 그래핀(graphene) 등의 탄소계 물질을 포함할 수 있으나 바람직하게는 카본블랙이 사용된다.
상기 카본블랙은 렘프블랙(lamp black), 채널블랙(channel black), 컨택트블랙(contact black), 써멀블랙(thermal black), 아세틸렌블랙(acetylene black). 퍼니스블랙(furnace black) 등을 포함하며 베이스 물질인 PPS의 용융점도, 분자량, 올리고머 중량 비에 따라 적용하는 카본블랙의 종류도 달라질 수 있다.
상기 카본블랙은 도전성을 부여할 수 있으며 단위 부피당 입자수가 많아야 하므로 입자직경이 작고 표면적이 크며 관능기에 의해 전자가 트랩할 가능성이 적은 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 전자파 차폐용 섬유 및 섬유제품은 카본블랙의 사용으로 검은색으로 착색되는 것을 특징으로 한다. 상기 섬유가 자동차 또는 건축용 자재로 사용될 경우 착색됨이 장점일 수 있으나 그 외의 용도로 사용될 경우 사용자의 기호에 따라 염색 후 가공을 통해 검은색 이외의 색을 가지는 섬유를 제조할 수 있다.
상기 전자파 차폐성 화합물의 함량은 제2성분 폴리머(120)의 중량 대비 0.5 내지 40 중량%인 것이 바람직하다. 전자파 차폐성 화합물이 0.5 중량% 미만일 경우 폴리페닐렌설파이드(PPS)섬유의 전자파 차폐성이 부족하게 되며, 또한 40중량% 비 초과할 경우 방사시 끊어지는 공정불량 현상이 발생한다.
상기 전자파 차폐성 화합물은 마스터배치 공정을 통해 베이스 레진인 폴리페닐렌설파이드(PPS)에 포함되며, 용융된 상태에서의 화합물의 입자는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지 주쇄에 영향을 최소화하고 도전성을 높이기 위해 분산성이 좋아야 하며 이는 방사공정성과 직결된다. 따라서 화합물 입자의 분산성을 향상시키기 위해 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지 주쇄에 영향을 주지 않는 내에서 가소제, 친수제, 활제, 안정제, 핵제 등을 배합하여 첨가할 수 있다. 또한 마스터배치 제조 후 점도저하로 인한 방사 공정성 불량을 개선하기 위해 증점제 및 가교제를 사용할 수 있다.
본 발명인 심초형 폴리페닐렌설파이드 섬유(100)에서 심부에 해당되는 폴리머는 30 내지 80 중량%이고, 초부에 해당되는 폴리머는 20 내지 70 중량%를 복합 방사한다. 본 발명의 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유(100)는 제1성분 폴리머(110)가 심부일 경우 제2성분 폴리머(120)가 초부가 되며 제2성분 폴리머(120)가 심부일 경우 제1성분 폴리머(110)가 초부가 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안한 비율과 폴리머 성분으로 복합 방사할 때에는 방사온도를 초부 및 심부의 융점과 점도에 따라 조절이 필요하다. 일반적으로 제1성분 폴리머는 285 내지 320℃로 설정하는 것이 바람직하며, 제2성분 폴리머의 경우 295 내지 330℃로 설정하는 것이 바람직하다. 방사속도는 800 내지 1,200미터/분이 바람직하다.
상기 전자파 차폐용 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유는 연신, 웹 형성, 섬유결합 단계를 거쳐 부직포로 제공될 수 있다. 섬도가 0.5 내지 15 데니어 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 섬도 1 내지 4 데니어 인 것이 부직포 제조 시 섬유가 뭉치지 않고 물리적인 교락이 용이하다.
섬유장은 3 내지 72mm까지가 바람직하며 가장 짧은 것은 습식법을 통해 웹 형성을 하며 건식법의 소면기법과 에어레이법에서 사용되는 섬유장은 38 내지 51mm, 가장 긴 것은 일반적으로 스티치(stitch)본드법에 사용된다.
이하 실시 예 및 비교 예를 통해 본 발명에 따른 전자파 차폐용 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유에 대해 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시 예 및 비교 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예1
도 1a와 같이 중심형 심초부 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유로서 제1성분 폴리머(110)가 초부, 제2성분 폴리머(120)가 심부로 구성되고 제2성분 폴리머에 포함된 전자파 차폐용 화합물은 입자직경 5μm 의 카본블랙으로 마스터 배치 공법으로 제조되었으며, 제2성분 폴리머 전체 중량 대비 15중량%를 포함한다. 심부 폴리머는 섬유 전체 중량 대비 40 중량%를 구성한다.
실시예2
도 1a와 같이 중심형 심초부 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유로서 제 1성분 폴리머(110)가 초부, 제2성분 폴리머(120)가 심부로 구성되고 제2성분 폴리머(120)에 포함된 전자파 차폐용 화합물은 입자직경 5μm의 카본블랙으로 마스터 배치 공법으로 제조되었으며, 제2성분 폴리머(120) 전체 중량 대비 30중량%를 포함한다. 심부 폴리머는 섬유 전체 중량 대비 40 중량%를 구성한다.
실시예3
도 1a와 같이 중심형 심초부 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유로서 제1성분 폴리머(110)가 초부, 제2성분 폴리머(120)가 심부로 구성되고 제2성분 폴리머(120)에 포함된 전자파 차폐용 화합물은 입자직경 10μm의 흑연으로 마스터 배치 공법으로 제조되었으며, 제2성분 폴리머(120) 전체 중량 대비 15중량%를 포함한다. 심부 폴리머는 섬유 전체 중량 대비 40 중량%를 구성한다.
실시예4
도 1b와 같이 중심형 심초부 폴리페닐렌설파이드(PPS) 섬유로서 제1성분 폴리머가 심부, 제2성분 폴리머가 초부로 구성되고 제2성분 폴리머에 포함된 전자파 차폐용 화합물은 입자경 5μm의 카본블랙으로 마스터 배치 공법으로 제조되었으며, 제2성분 폴리머 전체 중량 대비 15중량%를 포함한다. 심부 폴리머는 섬유 전체 중량 대비 60 중량%를 구성한다.
비교예1
제1성분 폴리머(110)로만 구성된 단독사이다.
비교예2
제2성분 폴리머(120)로만 구성된 단독사이며, 제2성분 폴리머(120)에 포함된 전자파 차폐용 화합물은 입자직경 5μm의 카본블랙으로 마스터 배치 공법으로 제조되었으며, 제 2성분 폴리머 전체 중량 대비 15중량%를 포함한다.
비교예3
제1성분 폴리머(110)가 초부, 융점 255℃의 폴리에스테르 수지가 심부로 구성되고 폴리에스테르 수지에 포함된 전자파 차폐용 화합물은 입자경 5μm의 카본블랙으로 마스터 배치 공법으로 제조되었으며, 폴리에스테르 수지 전체 중량 대비 15중량%를 포함한다. 심부 폴리머는 섬유 전체 중량 대비 40 중량%를 구성한다.
부직포 제조
상기 전자파 차폐용 섬유를 쇼트-컷 단섬유 형태(3De x 6mm)로 절단한 뒤 초지법을 이용하여 표준 규격인 TAPPI에 의거한 25 x 25 cm 의 수초지기에서 초지한 후 드럼 건조기를 이용하여 건조 (70 ℃, 3시간)한 후 평량 30g/㎡의 습식 부직포를 제작하였다.
* 측정 방법
가. 전자파 차폐성 측정
전기장/자기장 검출기(ME 3030B, Gigahertz, solutions)를 이용하여 전자파를 측정하였으며 표준 측정 규격 ASTM D4935에 의거하여 전자파 차폐 효율을 계산하였다.
나. 난연성 측정
세계적으로 가장 널리 사용되는 난연성 인증방법인 프랑스 난연 시험 기준 NFP 92-503, 504, 505를 실시하여 평가하였다.
다. 사 강도 측정
상기 전자파 차폐용 섬유의 사 강도 측정(Favimat, 단위 g/Denier)은 연신 후 51mm로 컷팅한 단섬유화된 섬유로 실시되었으며, 샘플 10개를 채취하여 평균값을 측정하였다.


구분

구성
차폐용
화합물
(제2성분대비중량%)

입자직경
(㎛)
전자파 차폐 효율
(ASTMD4935)
EMI SE(dB)
(at 1.0 GHz)

난연성

사강도(g/denier)
초부
(중량%)		 심부
(중량%)
실시예 1 제1성분(60) 제2성분(40) 카본블랙(15) 5 61 Pass(M1) 4.89
실시예 2 제1성분(60) 제2성분(40) 카본블랙(30) 5 65 Pass(M1) 3.21
실시예 3 제1성분(60) 제2성분(40) 흑연(15) 10 58 Pass(M1) 3.67
실시예 4 제2성분(40) 제1성분(60) 카본블랙(15) 5 62 Pass(M1) 3.91
비교예 1 제1성분 단독사 - - 48 Pass(M1) 5.20
비교예 2 제2성분 단독사 카본블랙(15) 5 66 Pass(M1) 1.28
비교예 3 제성분(60) 폴리에스테르수지(40)
(융점255℃)		 카본블랙(폴리에스테르 수지 대비 15%중량) 5 60 Pass(M2) 4.47
※ 제1성분 폴리머 : 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지
※ 제2성분 폴리머 : 전자파 차폐성 화합물을 포함하는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 4의 전자파 차폐성 섬유는 전자파 차폐성 및 난연성에서 우수함이 확인된다.
그러나 비교예 1은 전자파 차폐성 화합물을 포함하지 않아 전자파 차폐성이 떨어지며, 비교예 2는 섬유의 형태유지부인 제1성분 폴리머(110)를 포함하지 않아 사 강도가 떨어진다. 또한 비교예 3은 전자파 차폐성 화합물을 포함하여 전자파 차폐 효과는 보이지만 섬유 구성 폴리머가 폴리페닐렌설파이드(PPS)만으로 이루어지지 않아 난연성이 없는 것으로 판단된다.
따라서 본 발명은 상기 실시예에 의해 우수한 전자파 차폐성 및 양호한 난연성을 동시에 만족하는 것을 확인할 수 있다.
또한 별도의 난연제 첨가 없이도 난연성이 양호하며, 표면 도금 처리 등의 후가공 공정이 없어도 효과적인 전자파 차폐성을 가지는 섬유 및 섬유제품을 제조할 수 있어 공정상 간단하고 경제적으로 장점이 있다.
100: 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유 110: 제1성분 폴리머
120: 제2성분 폴리머

Claims (4)

  1. 심부와 초부로 구성된 폴리페닐렌설파이드 섬유에 있어서,
    상기 심부는 전자파 차폐성 화합물을 포함하는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제2성분 폴리머, 상기 초부는 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지의 제1성분 폴리머로 구성되며,
    상기 제1성분 폴리머인 폴리페닐렌설파이드(PPS) 수지는 선형구조이고, 극한점도가 0.2 dl/g이상, 중량평균분자량(Mw)이 20,000~80,000, 용융점도(Mv)가 300℃에서 500~2500 포이즈(poise)이며, Ash 농도가 0.2 % 이하이고,
    상기 심부,초부 복합 방사시 제1성분 폴리머는 285 내지 320℃, 제2성분 폴리머는 295 내지 330℃로 하고, 방사속도는 800 내지 1,200미터/분으로 하며
    상기 심부의 형태는 중심형, 편심형 또는 해도형 중 어느 하나인 것에 특징이 있는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리페닐렌설파이드 섬유에 있어서,
    상기 심부는 30 내지 80 중량%, 상기 초부는 20 내지 70 중량%로 구성될 수있는 것에 특징이 있는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 차폐성 화합물의 함량은 제 2성분 폴리머의 중량 대비 0.5 내지 40 중량%인 것에 특징이 있는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 차폐성 화합물은 카본블랙(carbon black), 흑연(graphite), 탄소나노튜브(carbon-nanotube, CNT), 그래핀(graphene)의 탄소계 물질 중 적어도 하나 이상으로 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐성과 난연성이 우수한 심초형 폴리페닐렌 설파이드 섬유.
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