KR102263817B1 - 방검 하이브리드 복합 구조체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서 제안하는 방검 성능을 갖는 하이브리드 복합 구조체는, 내절삭성 섬유강화복합재료층, 및 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층의 상부에 부착된 탄소섬유강화복합재료층을 포함한다. 이와 같이, 외부에 고경도 탄소섬유강화복합재료를, 내부에 내절삭성 섬유복합재료의 적층 구조를 가짐으로써 방검 성능이 강화된 하이브리드 복합 구조체 및 그 제작방법을 제공할 수 있다.

Description

방검 하이브리드 복합 구조체의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF STAB PROOF HYBRID COMPOSITE STRUCTURE}
본 발명은 방검 하이브리드 복합 구조체 및 그 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고경도 탄소섬유복합재료 및 내절삭성 섬유복합재료를 결합한 방검 하이브리드 복합 구조체 및 이러한 복합 구조체의 제조방법에 관한 것이다.
방검 소재는 칼 및 창 등으로부터 인체를 보호하기 위한 소재로서, 칼 등에 의한 공격으로부터 인체를 보호하는 방검 성능을 갖는 것이 중요하다. 방검용 소재는 방검복 등으로 제조되어, 경찰, 군인, 경호원, 경비원 등, 칼이나 창에 의한 위협이 큰 사람들의 안전을 보호 보호하는 보호복으로 사용될 수 있다.
일반적으로 날카로운 칼끝에 의해 찔리거나 절삭되는 것을 막기 위한 방검 성능을 구비하기 위해서는, 소재 표면의 강도와 날카로운 칼에 의한 절삭에 저항하는 소재의 내절삭성을 높일 필요가 있다.
종래에는 방검 소재로서 복합재들을 여러층으로 적층하여 사용하였으며, 특히 아라미드 직물을 여러 겹 적층한 아라미드 적층제가 널리 사용되어 왔다. 그러나, 이와 같이 아라미드 직물을 단순히 적층하여 형성된 방검 소재의 경우 무게, 두께 대비 방검 성능이 떨어지고, 적절한 성능을 내기 위해 무게와 두께가 증가하는 문제가 있었다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0016861호(2013. 2. 19)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 외부에 고경도 탄소섬유강화복합재료를, 내부에 내절삭성 섬유복합재료의 적층 구조를 가지는 하이브리드 복합 구조체를 형성하고, 무게, 두께 대비 방검 성능이 극대화된 하이브리드 복합 구조체 및 그 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 방검 성능을 갖는 하이브리드 복합 구조체로서, 내절삭성 섬유강화복합재료층 및 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층의 상부에 부착된 탄소섬유강화복합재료층을 포함하는, 하이브리드 복합 구조체가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유강화복합재료층은 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성되고, 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층은 아라미드 섬유 강화 플라스틱(AFRP) 또는 UHMWPE로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유강화복합재료층의 상부에 부착된 금속 박판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유강화복합재료층은 복수의 탄소 섬유 직물을 적층하여 구성되고, 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층은 복수의 아라미드 섬유 직물을 적층하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층의 하부에 위치하여, 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층이 그 상부에 부착되는 다른 탄소섬유강화복합재료층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 하이브리드 복합 구조체의 제작방법으로서, 상기 탄소섬유강화복합재료층의 복수의 탄소 섬유 직물 및 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층의 복수의 아라미드 섬유 직물을 적층하는 단계, 상기 적층된 직물에 폴리머 수지를 함침하는 단계, 및 상기 폴리머 수지가 함침된 직물을 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제작방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적층하는 단계는, 상기 복수의 탄소 섬유 직물 위에 금속 박판을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 경화하는 단계는, 상기 폴리머 수지가 함침된 적층된 직물의 상부 및 하부에 플레이트를 배치하고, 진공 압축 및 열을 가하여 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 외부에 고경도 탄소섬유강화복합재료를, 내부에 내절삭성 섬유복합재료의 적층 구조를 가지고 방검 성능이 강화된 하이브리드 복합 구조체를 제공한다. 또한, 본 발명에서 제안하는 방검 하이브리드 복합 구조체는, 표면에 추가로 초경도 금속 박판을 포함하여 무게, 두께 대비 방검 성능을 극대화할 수 있다. 즉, 본 발명에서 제안하는 방검 하이브리드 복합 구조체는 최소의 무게와 두께로서 최선의 방검 성능의 구현이 가능하다. 이러한 복합 구조체를 이용하여, 가볍고 얇으면서도 방검 성능이 우수한 방검복을 제공하여 인체를 보호할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 하이브리드 복합 구조체의 단면도를 도시한다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작과정을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 복합 구조체의 방검 성능 평과 결과 그래프를 도시한다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 소재에 따라 방검 성능 시험 시 파손 정도를 각각 도시한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
“및/또는”이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 결합되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특정들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 도면에 도시된 방검 하이브리드 복합 구조체는 설명을 위한 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
일반적으로 칼날의 관통은 1) 칼날 끝(blade tip)에 의한 소재 변형 및 관통과, 2) 칼날(blade edge)에 의한 내부 절삭으로 나눌 수 있다. 이러한 칼날의 관통을 방지하기 위해, 방검 소재는 먼저 칼날 끝에 의한 소재의 변형 및 관통을 막기 위해 소재의 강도를 높이고, 고경도의 재료를 소재의 표면에 배치할 수 있다. 또한, 일차적으로 칼날 끝에 의해 소재가 변형된 후라면 칼날에 의한 절삭을 방지하기 위해 절삭에 저항하는 내절삭성이 우수한 소재를 내부에 배치하여 방검 성능을 높일 수 있다.
이와 같이, 칼날의 관통 특성을 고려하여 방검 성능을 높인 하이브리드 복합 구조체 구조 및 제작 방법이 도 1 내지 도 2에 도시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 하이브리드 복합 구조체의 단면도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 하이브리드 복합 구조체는 가장 내측에 내절삭성을 갖는 내절삭성 섬유강화복합재료층(101), 내절삭성 섬유강화복합재료층(101) 상부에 고경도의 탄소섬유강화복합재료층(103), 탄소섬유강화복합재료층(103) 상부에 금속 박판층(105)을 포함한다.
도 1과 같은 방검 하이브리드 복합 구조체는 예시적으로 후술하는 도 2a 내지 2c와 같은 제작과장을 통해 가장 내측부터 내절삭성 섬유강화복합재료층(101), 탄소섬유강화복합재료층(103) 및 금속 박판층(105)이 적층된 구조로 제작될 수 있다. 제작과정에서 내절삭성 섬유강화복합재료층(101) 및 탄소섬유강화복합재료층(103)은 각각 복수의 섬유 직물 및 탄소 섬유 직물을 적층하고 접착시켜 제작될 수 있다.
내절삭성 섬유강화복합재료층(101)은 내절삭성이 좋은 재료로 이루어질 수 있으며, 그 적용 예에는 따로 제한은 없으나, 예를 들어 아라미드 섬유 강화 플라스틱(aramid fiber reinforced plastic, AFRP) 또는 UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene)로 구성될 수 있다.
탄소섬유강화복합재료층(103)은 고경도로 칼날 끝에 의한 소재 변형 및 칼날의 관통을 막기 위해 내절삭성 섬유강화복합재료층(101)보다 표면 쪽에 배치되며, 탄소 섬유를 강화재로 한 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)로 구성될 수 있다.
내절삭성 섬유강화복합재료층(101) 및 탄소섬유강화복합재료층(103)을 적층한 복합 구조체만으로도 무게, 두께 대비 방검 성능이 우수한 방검 하이브리드 복합 구조체가 제공될 수 있으나, 칼날의 관통을 막기 위한 초경도의 금속 박판층(105)이 선택적으로 추가될 수 있다.
금속 박판층(105)은 방검 하이브리드 복합 구조체의 표면에 추가로 적층되어 접착될 수 있다. 금속판은 경도는 매우 높으나 일반적으로 섬유재료에 비해 무게가 무거우므로, 얇은 박판 형태로 제작되어 무게, 두께 대비 방검 성능을 극대화하도록 형성될 수 있다. 즉, 동일한 방검 성능을 가지는 경우 본 발명에서 제안하는 방검 하이브리드 복합 구조체는 최소의 무게와 두께로서 동일한 성능의 구현이 가능하다. 예를 들어, 금속 박판층(105)은 50㎛ 이상의 두께를 가지며, 얇은 두께를 가질수록 무게 측면에서 유리하다. 금속 박판층(105)은, 예를 들어 철(steel) 기반의 고경도 금속 재료가 사용될 수 있다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작과정을 도시한다.
도 2a 내지 2c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작과정은 금속 박판층(105), 탄소섬유강화복합재료층(103) 및 내절삭성 섬유강화복합재료층(101)을 순서대로 적층하는 단계, 적층된 직물에 폴리머수지를 함침시키는 단계 및 수지가 함침된 직물을 열과 압력을 가해 경화하는 단계를 포함한다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 금속 박판층(105), 탄소섬유강화복합재료층(103) 및 내절삭성 섬유강화복합재료층(101)을 순서대로 적층한다. 탄소섬유강화복합재료층(103)은 복수의 탄소 섬유 직물을 적층하여 형성되고, 내절삭성 섬유강화복합재료층(101)은 내절삭성 섬유 직물, 예를 들어 복수의 아라미드 섬유 직물을 적층하여 형성될 수 있다.
다음으로 도 2b에 도시된 바와 같이, 적층된 직물에 폴리머 수지를 함침시킨다. 예를 들어, 제조의 용이성 및 물성을 고려할 때, 에폭시, 비닐에스터, 페놀 등의 열경화성 수지를 함침시켜 적층된 직물을 접착시키는 데 사용할 수 있다.
마지막으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 폴리머 수지가 함침된 직물 적층체에 열과 압력을 가해 경화한다. 수지가 함침된 직물 적층체의 상부 및 하부에 플레이트를 배치하고 진공 압축하여 열과 압력에 의해 경화시켜 도 1과 같은 구조의 방검 하이브리드 복합 구조체를 제작할 수 있다. 사용되는 수지에 따라 경화 온도 및 시간 조건은 달라질 수 있으며, 해당 수지의 경화 조건을 고려하여 제작 조건을 변화시킬 수 있다. 수지의 적용 조건은 섬유의 부피분율이 60% 이상 되도록 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 경화 압력은 높을수록 유리하다.
상술한 바와 같이, 예를 들어 탄소 섬유 직물, 아라미드 섬유 직물 및 표면의 금속 박판을 한번에 동시에 경화시켜 일체로 제조하는 방법이 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 복수의 탄소 섬유 직물을 적층한 탄소섬유복합재료와 내절삭성 섬유복합재료(예를 들어, 복수의 아라미드 섬유 직물을 적층한)를 각각 제조한 후, 접착을 통해 일체화하여 제조하는 방법도 고려할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 복합재료 제조 시, 각 섬유 직물을 적층시켜 준비한 후 폴리머 수지를 함침시키는 방법, 또는 미리 직물에 수지가 함침된 소재(Prepreg)를 사용하는 방법이 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 변형 예에서, 금속 박판 - 탄소섬유복합재료 - 섬유복합재료(예를 들어, 아라미드 섬유복합재료)의 순서대로 적층시켜 방검 하이브리드 복합 구조체를 제작하는 방법 이외에, 금속 박판 - 탄소섬유복합재료 - 아라미드 섬유복합재료 - 탄소섬유복합재료의 샌드위치 구조를 통해 굽힘 강성을 최대화하는 제작 방법이 이용될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 방검 하이브리드 복합 구조체를 제작하는 방법은 상술한 예에 제한되지 않으며, 다양한 제작방법에 의해 도 1과 같은 단면 구조를 갖는 방검 하이브리드 복합 구조체가 제조될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 하이브리드 복합 구조체의 방검 성능 평과 결과 그래프를 도시한다.
도 3을 참조하면, 동일한 두께로 제작된 다양한 재료의 방검 성능 평가 결과를 나타낸다. 각 재료의 시편은 모두 2.5mm 두께로 제작되었으며, 본 평가는 미법무부 산하 NIJ(National Institute of Justice)의 방검 소재 기준의 레벨 1 (24J) 등급의 성능 평가를 각 재료별로 실시하여 수행되었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 폴리카보네이트(PC) 소재의 경우 칼날의 관통 깊이(mm)가 약 9mm로 가장 깊어 방검 성능이 가장 떨어지는 것으로 나타났다. 아라미드 섬유강화복합재료(AFRP) 소재를 사용한 경우 폴리카보네이트(PC) 소재에 비해서는 관통 깊이가 얕지만, 그 다음으로 관통 깊이가 깊어 방검 성능이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 탄소섬유강화복합재료(CFRP) 소재의 경우, 아라미드 섬유강화복합재료(AFRP) 소재에 비해 관통 깊이가 현저히 개선되나, 본 발명에서 제안하는 하이브리드 복합재료의 경우에 비하면 방검 성능이 훨씬 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 탄소섬유복합재료/아라미드 섬유복합재료의 하이브리드 복합재료인 경우가 칼날의 관통 깊이가 현저히 개선되는 것을 확인할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소/아라미드 하이브리드 복합재료에서 음의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 이것은 칼날이 관통되지 못하고 남은 시편의 두께를 의미한다. 특히, 금속 박판을 표면에 더 추가한 하이브리드 복합재료의 경우 칼날의 관통이 이루어지지 않았을 뿐만 아니라, 시편을 거의 뚫지 못해 방검 성능이 극대화 됨을 확인할 수 있다. 실험에 사용된 시편의 무게는 섬유의 밀도에 비례하므로, 아라미드 섬유강화복합재료(AFRP)가 탄소섬유복합재료/아라미드 하이브리드 섬유복합재료, 금속 박판 하이브리드 복합재료보다 가볍다. 그러나, 아라미드 섬유강화복합재료(AFRP)의 방검 성능이 현저히 떨어지므로, 무게, 두께 대비 방검 성능은 탄소섬유복합재료/아라미드 섬유복합재료 또는 금속 박판 하이브리드 복합재료가 훨씬 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 방검 소재에 따라 방검 성능 시험 시 파손 정도를 각각 도시한다.
도 4a 내지 4c를 참조하면, 탄소섬유강화복합재료(CFRP), 아라미드 섬유강화복합재료(AFRP) 및 탄소섬유복합재료/아라미드 섬유복합재료의 하이브리드 복합재료의 도 3과 같은 2.5mm 두께로 준비된 각 방검 소재의 시편에 대한 방검 성능 평가 시험 후 파손 정도에 대한 결과 사진이 각각 도시된다.
도 4a 내지 4c 각각의 좌측으로부터 우측 순서로 나열된 사진은 각 소재의 전면 확대도, 전면도, 후면 확대도를 도시하다. 도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같이, 하이브리드 복합재료가 파손 정도가 가장 경미한 것을 시각적으로 확인할 수 있다.
특히, 도 4a 및 4b의 좌측의 후면 확대도를 참고하면, 탄소섬유강화복합재료(CFRP) 소재 및 아라미드 섬유강화복합재료(AFRP) 소재는 후면까지 칼날이 관통하여 파손된 것을 확인할 수 있다.
이에 반해, 도 4c의 좌측의 후면 확대도를 참고하면, 하이브리드 복합재료는 후면이 전혀 파손되지 않았고, 방검 소재로서 우수한 성능을 확인할 수 있다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
101 : 내절삭성 섬유강화복합재료층 103 : 탄소섬유강화복합재료층
105 : 금속 박판층

Claims (8)

  1. 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작방법으로서,
    탄소섬유강화복합재료층의 복수의 탄소 섬유 직물과, 상기 복수의 탄소 섬유 직물 하부에 내절삭성 섬유강화복합재료층의 복수의 아라미드 섬유 직물을 적층하는 단계;
    상기 복수의 탄소 섬유 직물 위에 금속 박판을 적층하는 단계;
    상기 적층된 직물 및 금속 박판에 폴리머 수지를 함침하는 단계; 및
    상기 폴리머 수지가 함침된 직물 및 금속 박판의 상부 및 하부에 플레이트를 배치하고, 성형 압력 및 열을 가하여 한번에 동시에 경화시켜 일체로 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유강화복합재료층은 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성되고,
    상기 내절삭성 섬유강화복합재료층은 아라미드 섬유 강화 플라스틱(AFRP) 또는 UHMWPE로 구성되는 것을 특징으로 하는, 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유강화복합재료층은 복수의 탄소 섬유 직물을 적층하여 구성되고,
    상기 내절삭성 섬유강화복합재료층은 복수의 아라미드 섬유 직물을 적층하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내절삭성 섬유강화복합재료층의 하부에 위치하여, 상기 내절삭성 섬유강화복합재료층이 그 상부에 부착되는 다른 탄소섬유강화복합재료층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방검 하이브리드 복합 구조체의 제작방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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