KR20100075484A - 개선된 방탄 물질 - Google Patents
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Abstract
하나 이상의 테이프 층 및 하나 이상의 멀티필라멘트 얀 층으로 이루어진 스택이 제안된다.
Description
본 발명은 하나 이상의 멀티필라멘트 얀 층을 포함하며, 특히 방탄용인 스택(stack)에 관한 것이다. 방탄 성능을 달성하기 위해 멀티필라멘트 얀 층들을 사용하는 조합물은, 예를 들면, 미국 특허 제2005/0153098호로부터 공지되어 있다. 상기 공보는 멀티필라멘트 얀 층들의 크로스플라이(crossply) 형태로 스태킹(stacking)된 층들을 기술한다. 마찰 또는 사용에 의한 취화로부터 상기 필라멘트를 보호하기 위해, 상기 스택 바깥 쪽에 PET 및 PC 필름이 도포된다.
선행 기술의 멀티필라멘트 얀의 스태킹된 층들이 우수한 방탄 성능을 나타냄에도 불구하고, 이들의 비용은 종종 매우 고가이고, 상기 요구되는 얀의 제조방법이 복잡하며, 시간 소모적일 뿐만 아니라 비용 소모적이다.
결과적으로, 보다 저렴하고 용이하게 제조되면서 방탄용으로 사용될 수 있는 특성을 여전히 갖는 대안이 요구된다.
놀랍게도, 본 발명의 목적은 하나 이상의 멀티필라멘트 얀 층 및 하나 이상의 테이프 층을 갖는 스택에 의해 달성될 수 있다.
본원 명세서 전반에 걸쳐서, 용어 "멀티필라멘트 얀"(이는 간단히 "얀"이라고도 지칭된다)은 원칙적으로 무한한 길이의 둘 이상의 필라멘트로 구성된 선형 구조물을 지칭한다. 이러한 멀티필라멘트는 당업자에게 공지되어 있다. 원칙적으로, 멀티필라멘트 얀을 구성하는 개별 필라멘트의 개수에는 제한이 없다. 멀티필라멘트는 일반적으로 10 내지 500개의 필라멘트를 포함하며, 흔히 50 내지 300개의 필라멘트를 포함한다.
방탄용 멀티필라멘트 얀은 일반적으로 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 또는 아라미드(폴리 파라페닐렌 테레프탈아미드) 테이프로부터의 얀이지만, 하기 언급되는 바와 같은 기타 고성능 섬유도 적용될 수 있다.
본 발명의 과정에서, "멀티필라멘트 얀 층"은 한 방향의 (펼쳐진) 멀티플라멘트 얀의 한 층으로 이해되어야 한다.
용어 "크로스플라이"하에서, 둘 이상의 층들은, 상기 층들이 0 내지 90°의 각도로 서로로부터 편향된 방향으로 배열되는 것으로, 즉 상기 층들이 서로 평행하지 않은 것으로 이해되어야 한다.
추가로, 용어 "라미네이트"는, 둘 이상의 크로스플라이가, 예를 들면, 바느질에 의해 결합하는 경우와 같이, 가요성 방식으로 결합한 둘 이상의 크로스플라이의 조합물을 의미한다. 이와 반대로, 용어 "패널" 또는 "플레이트"는 경직된 방식으로 결합된 둘 이상의 크로스플라이의 조합물을 의미하며, 이는 크로스플라이 스택에, 예를 들면, 압력 및 온도를 인가함으로써 달성될 수 있다.
용어 "테이프"는, 고연신 슬리팅된 필름, 압출된 모노-폴리머, 2성분 압출 연신 슬리팅된 필름 또는 공압출된 다층 "모노필라멘트", 일명 SSE(고체상 압출된) 고연신 필름[이는, 예를 들면, 텐실론(Tensylon), 파마코(Pamaco)로 공지되어 있다], 및 기타 등가물을 의미한다. 50cN/tex 내지 500cN/tex의 테이프 강도와 1:2 내지 1:100,000, 바람직하게는 1:10 내지 1:10000의 "두께 대 너비" 비가 중요하다. 적합한 테이프의 예는 제WO 2006/107197호와 본 출원인의 미공개 출원 제PCT/EP2007/008495호, 제PCT/EP2007/008500호, 제PCT/EP2007/008499호 및 제PCT/EP2007/008498호에 기술되어 있다.
"UD-O"(각도 0°의 단일방향)은, 테이프들이 평행하게 배치된, 예를 들면 서로 이웃해서(어깨부분을 맞대어(shoulder to shoulder) 또는 나란히(side by side)] 배치된 하나의 평면층을 의미한다.
"UD-브릭"의 층은 테이프 너비의 약 50%의 옵셋(offset)으로 서로의 위에 평행하게 배치된 2개의 "UD-O"의 층으로 이루어진다.
따라서, UD-브릭 크로스플라이는 2개 이상의 UD-브릭의 층의 0 내지 90°스택이며, 상기 층들은 0 내지 90°의 각도로 서로로부터 편향되는 방향으로 배열된다. 즉, 상기 층들은 서로에 대해 평행이 아니다.
상기 테이프용으로 바람직하게는, PP, PE, HDPE, PET, PA, PPS, PBO, HDPP, UHMWPE, UHMWPP, HDPA, UHMWPA와 같은 중합체가 사용된다. 이들 테이프에 대해 가장 흔한 중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), 폴리아미드, PPS 및/또는 이들의 혼합물이다.
본 발명의 과정에서, HDPE는, 바람직하게는 용융방사에 의해 제조된, 분자량이 1,000,000 미만인 연신된 폴리에틸렌으로서 정의될 수 있다.
UHMWPE는 분자량이 1,000,000 이상인 폴리에틸렌으로서 정의될 수 있다.
본 발명은 모든 가능한 조합으로 멀티필라멘트 얀 층과 테이프 층으로 이루어진 스택을 제공하는 것이다.
바람직하게는, 본 발명의 스택은 둘 이상의 개별 층들을 포함한다.
바람직한 양태에서, 상기 스택은 하나의 개별 테이프 층에 이어서 멀티필라멘트 얀 층을 포함하고, 여기에 다시 테이프 층을 포함한다. 즉, 테이프 층과 멀티필라멘트 얀 층을 교대로 포함한다.
추가의 바람직한 양태에서, 본 발명의 스택은 소수의 테이프 층 1종에 이어서, 1종 이상의 멀티필라멘트 얀들의 소수의 층을 포함한다. 본 발명의 구성에서, 용어 "소수의 층"은 2 내지 20개의 층, 바람직하게는 3 내지 15개의 층, 보다 바람직하게는 5 내지 10개의 층으로 이해되어야 한다. 테이프 층들에 대한 상기 소수는 멀티필라멘트 층들에 대한 상기 소수와 상이할 수 있다. 바람직하게는, 테이프 층과 멀티필라멘트 얀 층의 개수가 동일하다.
상술한 양태의 조합이 또한 포함된다.
상기 테이프 층은 UD-O 형태 또는 UD-브릭 형태로 존재할 수 있다. 멀티필라멘트상 층(들)과 테이프 층(들)은 둘 다 이중층 및/또는 다층 크로스플라이로서 존재할 수 있다.
상기 멀티필라멘트 얀 층들은, 예를 들면, 트바론(Twaron), 케블라(Kevlar), 헤라크론(Heracron), 파이캅(Pycap) 또는 아르텍(Artec)과 같은 상표명으로 공지되고 판매되는 파라-아라미드 멀티필라멘트 얀; 다이니마(Dyneema), 스펙트라(Spectra) 또는 각종 중국산 UHMWPE 멀티필라멘트 얀과 같은 고강도 폴리에틸렌 멀티필라멘트 얀; E-글래스, R-글래스 및 S-글래스로서 공지된 고강도 유리 멀티필라멘트 얀의 부류로 이루어질 수 있다. 또한, 탄소 멀티필라멘트 얀, HS 현무암 멀티필라멘트 얀; 폴리벤즈옥사졸(PBZO) 멀티필라멘트 얀, 폴리벤조티아졸(PBZT) 멀티필라멘트 얀, HDPA 멀티필라멘트 얀, UHMWPA 멀티필라멘트 얀, UHMWPP 멀티필라멘트 얀, HDPP 멀티필라멘트 얀, HDPE 멀티필라멘트 얀 등과 같은 기타 고성능 멀티필라멘트 얀과, 기본적으로 방탄 및 "생명 보호" 산업 또는 복합재 산업에서 사용되는 바와 같이 강도가 60cN/tex를 초과하는 임의의 고강도 멀티필라멘트 얀이 적용될 수 있다.
상기 단일 필라멘트는 직경이 작은 것이, 바람직하게는 3 내지 50㎛, 보다 더 바람직하게는 5 내지 30㎛인 것이 바람직하다. 또한, 이들 멀티필라멘트 얀의 하나 이상의 조합을 하나 이상의 멀티필라멘트 얀 층들과 함께 사용할 수 있다.
본 발명에 따르는 스택의 한 양태는 층들 중의 접착제 또는 수지 함량이 낮음으로 인해 다양한 층들 사이 및/또는 이들 층 내부의 접착력이 비교적 낮은 것이다. 접착제 함량이 총 스택 중량의 2 내지 30%, 보다 바람직하게는 5 내지 12%인 것이 바람직하며, 이 경우 심지어 고압 및 고열하에서도, 예를 들면, 5Mpa 이상의 압력 및 100℃ 이상의 온도에서도 상기 크로스플라이, 라미네이트 또는 패널을 제조하는 동안 일부 또는 보다 우수하게는 대부분의 필라멘트를 상기 스택 내부에 "결합되지 않은" 상태로 남긴다.
바람직한 접착제 또는 수지는, 예를 들면, 크래톤(Kraton), PU, 아크릴계 수지의 격자; EAA, EMA, EVA, OBC(올레핀 블록 공중합체)(Infuse® DOW)의 분산액 등; 클로로프렌 등과의 다양한 용매계/수계 접착제이다. 추가의 적합한 접착제는 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리부타디엔 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리비닐 알콜, 폴리페닐리덴설파이드, 이들 중합체의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 에틸렌 알킬 아크릴레이트 공중합체(EAA), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 에틸렌-부틸 아크릴레이트 공중합체(EBA), 에틸렌메틸 아크릴레이트 공중합체(EMA), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LPDE)이 사용될 수 있다. 또한, 폴리이소부틸렌(PIB) 또는 폴리우레탄(PU) 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 접착제 또는 수지 물질은 상기 열거된 물질들 중의 하나 또는 이들 물질의 혼합물을 포함할 수 있다.
멀티필라멘트 얀 층과 테이프 층의 용적(%) 비는 1:99 내지 99:1, 바람직하게는 30:70 내지 70:30, 가장 바람직하게는 33:67 내지 67:33이어야 하며, 이는 목적하는 방탄 성능 및 허용되는 최대 중량 뿐만 아니라 당연히 단위 비용에 따라 좌우된다.
본 발명의 추가의 바람직한 양태는 최종적으로 크로스플라이, 라미네이트 또는 패널일 수 있는 하기 스택이다:
하나 이상의 HDPE-테이프 층과 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
하나 이상의 HDPE-테이프 층과 하나 이상의 UHMWPE 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
하나 이상의 UHMWPE-테이프 층과 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
하나 이상의 HDPE-테이프 층, 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층 및 하나 이상의 UHMWPE 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
하나 이상의 UHMWPE-테이프 층, 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층 및 하나 이상의 UHMWPE 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
하나 이상의 HDPE-테이프 층 및 하나 이상의 현무암 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
하나 이상의 UHMWPE-테이프 층 및 하나 이상의 현무암 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
본 발명의 스택 뿐만 아니라 이로부터 생성된 패널 또는 라미네이트는 선행 기술의 물질에 비해 성능 및/또는 비용면에서 개선되는데, 그 이유는 테이프, 특히 용융방사된 테이프 등이 멀티필라멘트 얀에 비해 더 저렴한 비용으로 생성될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 스택 및 이로부터 생성된 라미네이트 및 패널은 단독으로 또는 다른 물질과 조합하여 방탄 용도 뿐만 아니라 복합재 용도로도 적용될 수 있다. 라미네이트는, 예를 들면, 조끼 등과 같은 연질 방탄 용도에서 사용될 수 있다.
상기 패널은 차량 또는 트럭 내의 패널, 삽입물 등과 같은 경질 방탄용으로 사용될 수 있다. 이들 패널은 또한, 예를 들면, 금속, 금속 합금, 유리 현무암 섬유, 유리 섬유 및 세라믹(예: 산화알루미늄, 탄화붕소)으로부터의 경질 타격 표면(strike surface) 뒤에 사용될 수 있다.
둘 이상의 경질 타격 표면층들(예를 들면, 세라믹 또는 강으로부터 제조됨)은 또한 둘 이상의 패널과 조합될 수 있는데, 예를 들면, 상기 경질 타격 표면층이 상기 패널들 사이에 샌드위칭될 수 있다.
비교적 비표면적이 작은 테이프와 조합된 직경이 매우 작은 다수의 필라멘트로 인해 본질적으로 비교적 높은 표면적을 갖는 본 발명에 따르는 스택에서 낮은 접착제 함량은 충격시 탈층에 의해 에너지 흡수를 돕는다. 상기 멀티필라멘트 얀 및 테이프는, 예를 들면, 탄환에 의한 타격시 서로 분리되어 에너지를 흡수 및 분산시킬 수 있다.
가능한 변형은, 스택 내부에서 상기 층들의 결합을 성취하기 위한 최저 융점을 갖는 물질의 표면 융합에 의해 상기 층들을 서로 연결시키는 것이다.
UHMWPE 및 파라아라미드와 같은 고성능 멀티필라멘트 얀은, 예를 들면, 고연신 슬리팅된 필름 테이프에 비해 더 고가인 경향이 있으므로, 특정한 "저비용" 용도에서, 상기 비는 테이프-층 함량을 더 높임으로써 상기 스택 및 이로부터 생성된 패널 또는 라미네이트의 전체 단가를 감소시키는 것이 선호될 것이다.
(하기 실시예에 나타낸 바와 같이) 인장 강도가 1700MPa인 HDPE 테이프의 기계적 성능은 아라미드(인장강도 2800MPa)와 같은 멀티필라멘트 얀의 기계적 특성보다 낮다. 그러나, 유사하거나 거의 유사한 방탄 효과는 100% 멀티필라멘트 얀으로 이루어진 선행 기술의 물질을 사용해서도 실현될 수 있다.
실시예
HDPE UD-브릭 테이프 층과 (펼쳐진) 아라미드 멀티필라멘트 얀으로부터의 크로스플라이가 50/50 중량비로 이루어진 패널은, 상기 패널의 슬리패지 효과(slippage effect) 및 바람직한 에너지 분산으로 인해 동일한 무게의 완전 아라미드 멀티필라멘트 얀 패널과 거의 유사한 탄환의 충격 에너지를 견딜 수 있다.
상기 스택은 다음과 같이 구성된다:
스택:
접착제 4㎛
HDPE UD-브릭(80gr 층, 35㎛ HDPE 0°, 8㎛ 접착제, 35㎛ HDPE 0°)
접착제 4㎛
아라미드 90-0(80gr 층, 38gr 아라미드 90°, 4㎛ 접착제, 38gr 아라미드 0°)
접착제 4㎛
HDPE UD-브릭(80gr 층, 35㎛ HDPE 90°, 8㎛ 호일, 35㎛ HDPE 90°)
접착제 4㎛
아라미드 0-90(80gr 층, 38gr 아라미드 0°, 4㎛ 접착제, 38gr 아라미드 90°)
Claims (30)
- 하나 이상의 테이프 층 및 하나 이상의 멀티필라멘트 얀 층으로 이루어진 스택(stack)으로서, 상기 스택은 소수의 테이프 층 1종에 이어서 1종 이상의 멀티필라멘트 얀들의 소수의 층을 포함하며, 상기 테이프는 HDPE 테이프 또는 UHMWPE 테이프인 스택.
- 제1항에 있어서, 상기 멀티필라멘트 얀이 초고분자량 폴리에틸렌 또는 아라미드 중합체로 이루어진 스택.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테이프가 고연신 슬리팅된 필름, 압출된 모노-폴리머, 또는 이성분 압출 연신 슬리팅된 필름 또는 공압출 다층 모노필라멘트로 이루어진 스택.
- 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 테이프용 중합체가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), 폴리아미드, PPS 및/또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 스택.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나의 개별 테이프 층에 이어서 멀티필라멘트 얀 층을 포함하고, 여기에 다시 테이프 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 테이프 층이 UD-O 형태로 존재하는 스택.
- 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 테이프 층이 UD-브릭 형태로 존재하는 스택.
- 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 멀티필라멘트 얀 층(들)과 테이프 층(들)이 이중층 및/또는 다층 크로스플라이(crossply)로서 존재하는 스택.
- 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 멀티필라멘트 얀 층들이 트바론(Twaron), 케블라(Kevlar), 헤라크론(Heracron), 파이캅(Pycap) 또는 아르텍(Artec)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 파라-아라미드 멀티필라멘트 얀; 다이니마(Dyneema), 스펙트라(Spectra) 또는 각종 중국산 UHMWPE 멀티필라멘트 얀과 같은 고강도 폴리에틸렌 멀티필라멘트 얀; E-글래스, R-글래스 및 S-글래스로서 공지된 고강도 유리 멀티필라멘트 얀; 탄소 멀티필라멘트 얀, HS 현무암 멀티필라멘트 얀, 폴리벤즈옥사졸(PBZO) 멀티필라멘트 얀, 폴리벤조티아졸(PBZT) 멀티필라멘트 얀, HDPA 멀티필라멘트 얀, UHMWPA 멀티필라멘트 얀, UHMWPP 멀티필라멘트 얀, HDPP 멀티필라멘트 얀, HDPE 멀티필라멘트 얀으로 이루어진 스택.
- 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티필라멘트 얀의 강도가 60cN/tex를 초과하는 스택.
- 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티필라멘트 얀의 단일 필라멘트의 직경이 3 내지 50㎛, 바람직하게는 5 내지 30㎛인 스택.
- 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 접착제 함량이 전체 스택 중량의 2 내지 30%, 바람직하게는 5 내지 12%인 스택.
- 제12항에 있어서, 상기 접착제가 크래톤(Kraton), PU, 아크릴계 수지의 격자; EAA, EMA, EVA, OBC(올레핀 블록 공중합체)(Infuse® DOW)의 분산액; 클로로프렌 등과의 다양한 용매계/수계 접착제; 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리부타디엔 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리비닐 알콜, 폴리페닐리덴설파이드, 알킬 아크릴레이트 공중합체(EAA), 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 에틸렌-부틸 아크릴레이트 공중합체(EBA), 에틸렌메틸 아크릴레이트 공중합체(EMA), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LPDE), 폴리이소부틸렌(PIB) 또는 폴리우레탄(PU), 이들 중합체의 공중합체 및/또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 스택.
- 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 멀티필라멘트 얀 층과 테이프 층의 용적(%) 비가 1:99 내지 99:1, 바람직하게는 30:70 내지 70:30인 스택.
- 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 HDPE-테이프 층과 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 HDPE-테이프 층과 하나 이상의 UHMWPE 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 UHMWPE-테이프 층과 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 HDPE-테이프 층, 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층 및 하나 이상의 UHMWPE 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 UHMWPE-테이프 층, 하나 이상의 아라미드 멀티필라멘트 얀 층 및 하나 이상의 UHMWPE 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 HDPE-테이프 층과 하나 이상의 현무암 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 UHMWPE-테이프 층과 하나 이상의 현무암 멀티필라멘트 얀 층을 포함하는 스택.
- 제1항 내지 제21항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 스택 내부에서 상기 층들의 결합을 성취하기 위한 최저 융점을 갖는 물질의 표면 융합에 의해 상기 층들이 서로 연결되는 스택.
- 제1항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 따르는 스택을 포함하는 크로스플라이.
- 제1항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 따르는 스택을 포함하는 라미네이트.
- 제1항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 따르는 스택을 포함하는 패널.
- 조끼와 같은 연질 방탄 용도를 위한, 제24항에 따르는 라미네이트의 용도.
- 경질 플레이트 또는 경질 패널이 요구되는 경질 방탄용의, 제25항에 따르는 패널의 용도.
- 복합재용의, 제25항에 따르는 패널의 용도.
- 예를 들면, 금속, 금속 합금, 유리 현무암 섬유, 유리 섬유 및 세라믹(예: 산화알루미늄, 탄화붕소 및 탄화규소)으로부터의 경질 타격 표면(strike surface) 뒤에 사용하기 위한, 제25항에 따르는 패널의 용도.
- 둘 이상의 경질 타격 표면 층들과 조합된, 두개 이상의 제25항에 따르는 패널의 용도.
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