KR20220008533A - Basalt fiber-reinforced epoxy composites with graphene oxide and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

The present specification discloses a basalt fiber-reinforced epoxy composite material into which graphene oxide is introduced and a method for manufacturing the same. A technology disclosed in the specification has the effect of providing a basalt fiber-reinforced epoxy composite material with improved interfacial and mechanical strength by introducing graphene oxide into the basalt fiber-reinforced epoxy composite material.

Description

그래핀 산화물이 도입된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재 및 이의 제조방법{BASALT FIBER-REINFORCED EPOXY COMPOSITES WITH GRAPHENE OXIDE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Graphene oxide-introduced basalt fiber-reinforced epoxy composite material and manufacturing method thereof

본 명세서에는 그래핀 산화물이 도입된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재 및 이의 제조방법이 개시된다.The present specification discloses a basalt fiber-reinforced epoxy composite material into which graphene oxide is introduced and a method for manufacturing the same.

분자 내에 epoxy group(C-O-C)을 두 개 이상 가지고 있는 에폭시는 현무암 섬유와 경화시켜 단단하고 용해되지 않는 FRP(fiber-reinforced polymer composites) 소재로 제조할 수 있다. 에폭시의 높은 인장 탄성률, 접착 특성, 내화학성, 구조적 안정성 등의 특성과 현무암 섬유의 고강도, 저비중, 부식에 대한 강한 내화학성 등의 특성 때문에 현무암 섬유로 강화된 고분자 복합체는 좋은 대안으로 대두되고 있으며, 우주항공, 선박, 자동차 부품, 해양장비, 전기전자 산업 등에 다양하게 적용되고 있다. 그러나, 현무암 섬유는 그 구조적 결함과 화학적으로 불활성인 표면 때문에 에폭시 매트릭스 내부에서 낮은 계면 접착력을 나타낸다. 이러한 문제는 계면 및 기계적 강도를 저하시키고 실제 산업 분야에 적용하는데 있어서 많은 제약이 되고 있다.Epoxy, which has two or more epoxy groups (C-O-C) in its molecule, can be made into hard, insoluble fiber-reinforced polymer composites (FRP) materials by curing with basalt fibers. Because of the high tensile modulus of epoxy, adhesive properties, chemical resistance, structural stability, etc., and the high strength, low specific gravity, and strong chemical resistance of basalt fibers, polymer composites reinforced with basalt fibers are emerging as a good alternative. , aerospace, ships, auto parts, marine equipment, and electric and electronic industries. However, basalt fibers exhibit low interfacial adhesion inside the epoxy matrix due to their structural defects and chemically inert surface. These problems reduce the interfacial and mechanical strength, and have many limitations in application to actual industrial fields.

KR 10-2011-0051575 AKR 10-2011-0051575 A

일 측면에서, 본 명세서는 계면 및 기계적 강도가 향상된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.In one aspect, an object of the present specification is to provide a basalt fiber-reinforced epoxy composite material with improved interfacial and mechanical strength.

다른 측면에서, 본 명세서는 상기 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, an object of the present specification is to provide a method of manufacturing the basalt fiber-reinforced epoxy composite material.

일 측면에서, 본 명세서는 에폭시 수지; 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물; 및 현무암 섬유를 포함하는 에폭시 복합소재를 제공한다.In one aspect, the present specification is an epoxy resin; oxides having an oxygen functional group and containing carbon; And it provides an epoxy composite material comprising a basalt fiber.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 산화물은 그래핀 산화물을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the oxide may include graphene oxide.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 복합소재는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 5 중량부의 산화물을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material may include 1 to 5 parts by weight of oxide based on 100 parts by weight of the epoxy resin.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 복합소재는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 40 내지 60 중량부의 현무암 섬유를 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material may include 40 to 60 parts by weight of basalt fibers based on 100 parts by weight of the epoxy resin.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 복합소재는 ASTM D-2344에 따라 측정 시 30 MPa 이상의 층간전단강도를 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material may have an interlaminar shear strength of 30 MPa or more when measured according to ASTM D-2344.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 복합소재는 ASTM E399에 따라 측정 시 40 MPa.m1/2 이상의 파괴인성을 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material may have a fracture toughness of 40 MPa.m 1/2 or more when measured according to ASTM E399.

다른 측면에서, 본 명세서는 상기 에폭시 복합소재의 제조방법으로, 1) 에폭시 수지 및 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물을 유기용매와 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 단계; 2) 상기 1차 혼합물에 경화제를 첨가하여 2차 혼합물을 제조하는 단계; 및 3) 상기 2차 혼합물에 현무암 섬유를 함침시킨 후 경화하는 단계를 포함하는 에폭시 복합소재의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present specification provides a method for manufacturing the epoxy composite material, 1) preparing a primary mixture by mixing an epoxy resin and an oxide having an oxygen functional group and containing carbon with an organic solvent; 2) preparing a secondary mixture by adding a curing agent to the primary mixture; and 3) impregnating the basalt fiber in the secondary mixture and then curing the epoxy composite material.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 1)단계에서 유기용매는 아세톤을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the organic solvent in step 1) may include acetone.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 1)단계는 유기용매에 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물을 첨가하고 초음파 처리한 다음, 에폭시 수지를 첨가하고 열처리하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, step 1) may include adding an oxide having an oxygen functional group and containing carbon to an organic solvent, performing ultrasonic treatment, and then adding an epoxy resin and heat treatment.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 초음파 처리는 10 내지 50 ℃에서 실시하고, 열처리는 30 내지 70 ℃에서 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the ultrasonic treatment may be performed at 10 to 50 °C, and the heat treatment may be performed at 30 to 70 °C.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 1)단계는 1차 혼합물을 제조한 후 유기용매를 제거하여 1차 혼합물을 안정화하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, step 1) may further include stabilizing the first mixture by removing the organic solvent after preparing the first mixture.

예시적인 일 구현 예에서, 상기 2)단계에서 경화제는 4,4'-디아미노디페닐메탄 (4,4'-diaminodiphenylmethane)을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing agent in step 2) may include 4,4'-diaminodiphenylmethane (4,4'-diaminodiphenylmethane).

예시적인 일 구현예에서, 상기 2)단계는 2차 혼합물을 제조한 후 기포를 제거하여 2차 혼합물을 안정화하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, step 2) may further include stabilizing the secondary mixture by removing air bubbles after preparing the secondary mixture.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 경화는 60 내지 170℃에서 단계별로 온도를 증가시켜 점진적으로 경화하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing in step 3) may be a gradual curing by increasing the temperature step by step from 60 to 170 ℃.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 경화는 순차적으로 60 내지 90℃에서 1차 경화, 90℃ 초과 내지 125℃에서 2차 경화, 및 140 내지 170℃에서 3차 경화하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing in step 3) may be sequentially primary curing at 60 to 90°C, secondary curing at more than 90°C to 125°C, and tertiary curing at 140 to 170°C.

일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 계면 및 기계적 강도가 향상된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제공하는 효과가 있다. In one aspect, the technology disclosed herein has the effect of providing a basalt fiber-reinforced epoxy composite material with improved interfacial and mechanical strength.

다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the technology disclosed herein has the effect of providing a method of manufacturing the basalt fiber reinforced epoxy composite material.

또 다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 그래핀 산화물을 필러로 사용하여 에폭시 수지에 첨가함으로써, 그래핀 산화물의 산소 관능기가 열경화성 수지로 가공이 용이한 에폭시 수지와의 강한 계면 접착력을 이끌어내어, 열적 특성 및 기계적 강도가 크게 향상된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the technology disclosed herein uses graphene oxide as a filler and adds it to an epoxy resin, whereby the oxygen functional group of graphene oxide leads to strong interfacial adhesion with an epoxy resin that is easy to process into a thermosetting resin, It has the effect of providing a basalt fiber-reinforced epoxy composite material with significantly improved thermal properties and mechanical strength.

도 1은 일 실시예에 따른 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재와 일 비교예에 따른 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재의 표면 에너지를 비교한 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재와 일 비교예에 따른 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재의 층간전단강도(interlaminar shear strength, ILSS)를 비교한 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재와 일 비교예에 따른 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재의 파괴인성(fracture toughness, KIC)을 비교한 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재와 일 비교예에 따른 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재의 파괴인성 측정 후 파단면의 SEM 사진이다.
1 is a graph comparing the surface energy of the graphene oxide-added basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to an embodiment and the basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to a comparative example.
2 is a graph comparing the interlaminar shear strength (ILSS) of the graphene oxide-added basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to an embodiment and the basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to a comparative example.
3 is a graph comparing the fracture toughness (KIC) of the graphene oxide-added basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to an embodiment and the basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to a comparative example.
4 is a SEM photograph of the fracture surface after measuring the fracture toughness of the graphene oxide-added basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to an embodiment and the basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to a comparative example.

이하, 본 명세서를 상세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in detail.

일 측면에서, 본 명세서는 에폭시 수지; 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물; 및 현무암 섬유를 포함하는 에폭시 복합소재를 제공한다.In one aspect, the present specification is an epoxy resin; oxides having an oxygen functional group and containing carbon; And it provides an epoxy composite material comprising a basalt fiber.

예시적인 일 구현예에서, 상기 산화물은 그래핀 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 그래핀 산화물의 작용기 -OH, -C=O, -COOH와 같은 산소 함유 관능기는 에폭시 매트릭스 내에서의 계면 접착력을 향상시켜 줄 수 있다. 특히, 그래핀 산화물은 나노 스케일의 우수한 특성을 마이크로 스케일로 전달할 수 있는 기능성을 제공한다. 본 명세서에 따른 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재는 2D 재료로 이루어진 그래핀 산화물을 도입하여 현무암 섬유의 에폭시 수지와의 계면 상호작용과 분산력을 크게 향상시키고 종래 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재 대비 강한 계면 강도와 기계적 특성을 나타내는 효과가 있다.In an exemplary embodiment, the oxide may include graphene oxide. Oxygen-containing functional groups such as functional groups -OH, -C=O, and -COOH of graphene oxide may improve interfacial adhesion in the epoxy matrix. In particular, graphene oxide provides the functionality to deliver excellent nano-scale properties to the micro-scale. The basalt fiber-reinforced epoxy composite material according to the present specification greatly improves the interfacial interaction and dispersion force of the basalt fiber with the epoxy resin by introducing graphene oxide made of a 2D material, and has stronger interfacial strength and mechanical strength compared to the conventional basalt fiber-reinforced epoxy composite material. It has the effect of showing characteristics.

예시적인 일 구현예에서, 상기 그래핀 산화물은 허머스(Hummers) 방법으로 제조된 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, the graphene oxide may be prepared by a Hummers method.

예시적인 일 구현예에서, 상기 그래핀 산화물은 다음과 같은 방법으로 제조된 것일 수 있다: 흑연 3g을 황산(H2SO4) 원액 360 mL과 인산(H3PO4) 원액 40 mL을 혼합한 산성 용액에 넣은 뒤, 얼음물 중탕 하에서 과망간산칼륨(KMnO4) 18g을 천천히 첨가한다. KMnO4를 완전히 용해시킨 뒤, 용액의 온도를 40 내지 50℃의 온도 범위에서 가열하여 유지시킨다. 12 내지 24시간 동안 반응시키는 것이 바람직할 수 있다. 반응이 끝난 용액을 상온까지 천천히 냉각시킨 후 얼음이 담긴 유리초자에 교반시키며 천천히 부어준다. 얼음이 모두 용해되고 용액의 온도를 낮은 온도로 유지시키며 과산화수소(H2O2)를 거품이 생성되지 않을 때까지 천천히 첨가한다. 이후, 증류수, 10% 염산 용액, 에탄올을 이용하여 세척한 후, 증류수를 이용하여 용액의 pH가 6 내지 7에 도달할 때까지 중성화 및 세척을 진행한다. 이후, 중성화된 그래핀 산화물 용액을 동결건조 (온도 -50 내지 -80℃, 압력 0.065bar)하여 그래핀 산화물을 수득한다.In an exemplary embodiment, the graphene oxide may be prepared by the following method: 3 g of graphite is mixed with 360 mL of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) stock solution and 40 mL of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) stock solution. After putting in an acidic solution, 18 g of potassium permanganate (KMnO 4 ) is slowly added under an ice water bath. After completely dissolving KMnO 4 , the temperature of the solution is maintained by heating in a temperature range of 40 to 50°C. It may be desirable to react for 12 to 24 hours. After the reaction is completed, the solution is cooled slowly to room temperature, and then slowly poured into a glass glass filled with ice while stirring. Slowly add hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) until all the ice is dissolved and the temperature of the solution is kept low, until no bubbles are formed. Thereafter, after washing using distilled water, 10% hydrochloric acid solution, and ethanol, neutralization and washing are performed using distilled water until the pH of the solution reaches 6 to 7. Thereafter, the neutralized graphene oxide solution is freeze-dried (temperature -50 to -80° C., pressure 0.065 bar) to obtain graphene oxide.

예시적인 일 구현예에서, 상기 복합소재는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 5 중량부의 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 복합소재는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 2 내지 4 중량부의 산화물을 포함하는 것이 계면 및 기계적 강도 향상에 있어서 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material may include 1 to 5 parts by weight of oxide based on 100 parts by weight of the epoxy resin. In another exemplary embodiment, it may be preferable for the composite material to include 2 to 4 parts by weight of oxide based on 100 parts by weight of the epoxy resin in terms of interfacial and mechanical strength improvement.

예시적인 일 구현예에서, 상기 복합소재는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 40 내지 60 중량부의 현무암 섬유를 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material may include 40 to 60 parts by weight of basalt fibers based on 100 parts by weight of the epoxy resin.

예시적인 일 구현예에서, 상기 복합소재는 ASTM D-2344에 따라 측정 시 30 MPa 이상, 또는 35 MPa 이상, 또는 35 내지 45 MPa의 층간전단강도를 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material may have an interlaminar shear strength of 30 MPa or more, or 35 MPa or more, or 35 to 45 MPa as measured according to ASTM D-2344.

예시적인 일 구현예에서, 상기 복합소재는 ASTM E399에 따라 측정 시 40 MPa.m1/2 이상, 또는 55 MPa.m1/2 이상, 또는 55 내지 70 MPa.m1/2의 파괴인성을 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the composite material has a fracture toughness of 40 MPa.m 1/2 or more, or 55 MPa.m 1/2 or more, or 55 to 70 MPa.m 1/2 as measured according to ASTM E399. may have

다른 측면에서, 본 명세서는 상기 에폭시 복합소재의 제조방법으로, 1) 에폭시 수지 및 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물을 유기용매와 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 단계; 2) 상기 1차 혼합물에 경화제를 첨가하여 2차 혼합물을 제조하는 단계; 및 3) 상기 2차 혼합물에 현무암 섬유를 함침시킨 후 경화하는 단계를 포함하는 에폭시 복합소재의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present specification provides a method for manufacturing the epoxy composite material, 1) preparing a primary mixture by mixing an epoxy resin and an oxide having an oxygen functional group and containing carbon with an organic solvent; 2) preparing a secondary mixture by adding a curing agent to the primary mixture; and 3) impregnating the basalt fiber in the secondary mixture and then curing the epoxy composite material.

예시적인 일 구현예에서, 상기 1)단계에서 산화물은 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 5 중량부로 혼합하는 것일 수 있다. 다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 1)단계에서 산화물은 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 2 내지 4 중량부로 혼합하는 것이 계면 및 기계적 강도 향상에 있어서 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the oxide in step 1) may be mixed in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the epoxy resin. In another exemplary embodiment, in step 1), it may be preferable to mix 2 to 4 parts by weight of the oxide based on 100 parts by weight of the epoxy resin to improve the interface and mechanical strength.

예시적인 일 구현예에서, 상기 1)단계에서 유기용매는 아세톤을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the organic solvent in step 1) may include acetone.

예시적인 일 구현예에서, 상기 1)단계는 유기용매에 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물을 첨가하고 초음파 처리한 다음, 에폭시 수지를 첨가하고 열처리하는 것일 수 있다. 이에 따라 안정된 분산액을 수득할 수 있다.In an exemplary embodiment, step 1) may include adding an oxide having an oxygen functional group and containing carbon to an organic solvent, performing ultrasonic treatment, and then adding an epoxy resin and heat treatment. Thereby, a stable dispersion can be obtained.

예시적인 일 구현예에서, 상기 초음파 처리는 10 내지 50 ℃에서 실시하는 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the ultrasonic treatment may be preferably performed at 10 to 50 °C.

예시적인 일 구현예에서, 상기 초음파 처리는 1 내지 2시간 동안 실시하는 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the ultrasonic treatment may be preferably performed for 1 to 2 hours.

예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 30 내지 70 ℃에서 실시하는 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment may be preferably carried out at 30 to 70 ℃.

예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 혼합물을 1 내지 4시간 동안 교반하는 것을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment may preferably include stirring the mixture for 1 to 4 hours.

예시적인 일 구현예에서, 상기 1)단계는 1차 혼합물을 제조한 후 유기용매를 제거하여 1차 혼합물을 안정화하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, step 1) may further include stabilizing the first mixture by removing the organic solvent after preparing the first mixture.

예시적인 일 구현예에서, 상기 1차 혼합물의 안정화 단계는 100 내지 150 ℃에서 열처리하여 유기용매를 제거하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the stabilizing step of the first mixture may be to remove the organic solvent by heat treatment at 100 to 150 ℃.

예시적인 일 구현예에서, 상기 1차 혼합물의 안정화 단계는 4 내지 10시간 동안 유기용매를 제거하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the stabilizing step of the first mixture may be to remove the organic solvent for 4 to 10 hours.

예시적인 일 구현예에서, 상기 2)단계에서 경화제는 1차 혼합물의 유기용매를 제거한 후 첨가하는 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, it may be preferable to add the curing agent after removing the organic solvent of the first mixture in step 2).

예시적인 일 구현예에서, 상기 2)단계에서 경화제는 4,4'-디아미노디페닐메탄 (4,4'-diaminodiphenylmethane)을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing agent in step 2) may include 4,4'-diaminodiphenylmethane (4,4'-diaminodiphenylmethane).

예시적인 일 구현예에서, 상기 2)단계에서 경화제는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 34 내지 36 중량부로 첨가되는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing agent in step 2) may be added in an amount of 34 to 36 parts by weight based on 100 parts by weight of the epoxy resin.

예시적인 일 구현예에서, 상기 2)단계는 경화제를 첨가한 후 20 내지 70 ℃에서 반응시켜 2차 혼합물을 제조하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, step 2) may be to prepare a secondary mixture by adding a curing agent and then reacting at 20 to 70°C.

예시적인 일 구현예에서, 상기 2)단계는 경화제를 첨가한 후 1 내지 5시간 동안 반응시켜 2차 혼합물을 제조하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, step 2) may be to prepare a secondary mixture by reacting for 1 to 5 hours after adding the curing agent.

예시적인 일 구현예에서, 상기 2)단계는 2차 혼합물을 제조한 후 기포를 제거하여 2차 혼합물을 안정화하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 기포를 제거함으로써 에폭시 복합재료의 계면 및 기계적 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.In an exemplary embodiment, step 2) may further include stabilizing the secondary mixture by removing air bubbles after preparing the secondary mixture. By removing air bubbles, it is possible to prevent the interface and mechanical strength of the epoxy composite from being deteriorated.

예시적인 일 구현예에서, 상기 2차 혼합물의 안정화 단계는 진공 오븐에서 안정화하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the stabilizing step of the secondary mixture may be stabilizing in a vacuum oven.

예시적인 일 구현예에서, 상기 2차 혼합물의 안정화 단계는 감압 하에서 10 내지 60 ℃에서 기포를 제거하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the stabilizing step of the secondary mixture may be to remove air bubbles at 10 to 60 °C under reduced pressure.

예시적인 일 구현예에서, 상기 2차 혼합물의 안정화 단계는 감압 하에서 1 내지 3시간 동안 기포를 제거하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the stabilizing step of the secondary mixture may be to remove air bubbles for 1 to 3 hours under reduced pressure.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 현무암 섬유는 2차 혼합물의 기포를 제거한 후 첨가하는 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, it may be preferable to add the basalt fiber in step 3) after removing air bubbles in the secondary mixture.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 현무암 섬유는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 40 내지 60 중량부로 첨가하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the basalt fiber in step 3) may be added in an amount of 40 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the epoxy resin.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 경화는 60 내지 170℃, 또는 110 내지 170℃에서 실시하는 것일 수 있다. 이에 따라, 경화 온도가 너무 낮아 완전히 경화되지 않을 수 있는 문제를 예방하고 경화 온도가 너무 높아 물성 저하를 초래할 수 있는 문제를 예방할 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing in step 3) may be carried out at 60 to 170 ℃, or 110 to 170 ℃. Accordingly, it is possible to prevent a problem that the curing temperature may not be completely cured because the curing temperature is too low, and it is possible to prevent the problem that the curing temperature is too high to cause deterioration of physical properties.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 경화는 3 내지 6시간 동안 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing in step 3) may be performed for 3 to 6 hours.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 경화는 단계별로 온도를 증가시켜 점진적으로 경화하는 것일 수 있다. 온도를 증가시키며 점진적으로 경화함으로써 기공이 발생하거나 함침성이 저하되는 것을 방지하고, 에폭시 복합재료의 계면 및 기계적 강도를 향상시켜 주는 효과가 있다.In an exemplary embodiment, the curing in step 3) may be a gradual curing by increasing the temperature step by step. By gradually curing with increasing temperature, pores or impregnation are prevented, and the interface and mechanical strength of the epoxy composite material are improved.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 경화는 60 내지 170℃에서 단계별로 온도를 증가시켜 점진적으로 경화하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the curing in step 3) may be a gradual curing by increasing the temperature step by step from 60 to 170 ℃.

예시적인 일 구현예에서, 상기 3)단계에서 경화는 순차적으로 60 내지 90℃에서 1차 경화 (안정화 단계), 90℃ 초과 내지 125℃에서 2차 경화(가경화 단계), 및 140 내지 170℃에서 3차 경화(경화 단계)하는 것일 수 있다.In one exemplary embodiment, the curing in step 3) is sequentially primary curing at 60 to 90° C. (stabilization step), secondary curing at more than 90° C. to 125° C. (temporary curing step), and 140 to 170° C. It may be a tertiary curing (curing step) in

예시적인 일 구현예에서, 상기 1차 경화, 2차 경화 및 3차 경화는 각각 1 내지 2시간 동안 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the primary curing, secondary curing, and tertiary curing may be performed for 1 to 2 hours, respectively.

본 명세서에 따른 에폭시 복합소재의 제조방법은 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재에 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물, 예컨대 그래핀 산화물을 도입하여 계면 및 기계적 강도가 크게 향상된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하는 효과가 있다.The method for manufacturing an epoxy composite material according to the present specification is a basalt fiber-reinforced epoxy composite material with significantly improved interface and mechanical strength by introducing an oxide having an oxygen functional group and containing carbon, such as graphene oxide, to the basalt fiber-reinforced epoxy composite material has the effect of

이하, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 명세서를 예시하기 위한 것으로서, 본 명세서의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail through examples. These examples are for illustrative purposes only, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present specification is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1.Example 1.

아세톤(C3H6O) 200 mL에 에폭시 수지 100 중량부 대비 1 중량부의 그래핀 산화물을 넣은 다음, 40 내지 45℃의 온도 범위에서 1시간 동안 초음파 처리하여 분산시켰다. 이 혼합물에 에폭시 수지를 넣은 다음, 50 내지 55℃의 온도 범위에서 가열하여 유지시키고 2시간 동안 교반하였다. 이후, 유기용매를 130 내지 140℃의 온도 범위에서 5 내지 6시간 동안 제거하였다. 잔류하는 그래핀 산화물과 에폭시 수지에 4,4'-디아미노디페닐메탄을 경화제로 에폭시 수지 100 중량부 대비 34 내지 36 중량부로 첨가하고 30 내지 35℃의 온도 범위에서 5시간 동안 반응시켰다. 이후, 진공 오븐에서 감압 하에 20 내지 25℃의 온도 범위에서 1시간 동안 기포를 제거하였다. 그 다음, 에폭시 수지 100 중량부 대비 50 중량부의 현무암 섬유를 금형에 수작업으로 함침시킨 후, 핫 프레스에서 1단계는 60 내지 90℃의 온도 범위에서 1 내지 2시간, 2단계는 90℃ 초과 내지 125℃의 온도 범위에서 1 내지 2시간, 3단계는 140 내지 170℃의 온도 범위에서 1 내지 2시간 동안 총 3단계로 경화시켜 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.1 part by weight of graphene oxide was put in 200 mL of acetone (C 3 H 6 O) relative to 100 parts by weight of the epoxy resin, and then dispersed by ultrasonication at a temperature range of 40 to 45° C. for 1 hour. An epoxy resin was added to the mixture, and then heated and maintained at a temperature range of 50 to 55° C. and stirred for 2 hours. Thereafter, the organic solvent was removed at a temperature range of 130 to 140° C. for 5 to 6 hours. 4,4'-diaminodiphenylmethane was added to the remaining graphene oxide and the epoxy resin in an amount of 34 to 36 parts by weight based on 100 parts by weight of the epoxy resin as a curing agent, and reacted at a temperature of 30 to 35° C. for 5 hours. Thereafter, air bubbles were removed in a temperature range of 20 to 25° C. under reduced pressure in a vacuum oven for 1 hour. Then, after manually impregnating the mold with 50 parts by weight of basalt fiber based on 100 parts by weight of the epoxy resin, the first step in a hot press is at a temperature range of 60 to 90° C. for 1-2 hours, and the second step is over 90° C. to 125 A basalt fiber-reinforced epoxy composite material with graphene oxide added thereto was prepared by curing in a total of three steps for 1 to 2 hours at a temperature range of 1 to 2 hours and 3 steps at a temperature of 140 to 170° C. in the temperature range of °C.

실시예 2. Example 2.

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에폭시 복합소재를 제조하되, 에폭시 수지 100 중량부 대비 2 중량부의 그래핀 산화물을 넣어 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.An epoxy composite material was prepared in the same manner as in Example 1, but 2 parts by weight of graphene oxide was added to 100 parts by weight of the epoxy resin to prepare a basalt fiber-reinforced epoxy composite material to which graphene oxide was added.

실시예 3. Example 3.

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에폭시 복합소재를 제조하되, 에폭시 수지 100 중량부 대비 3 중량부의 그래핀 산화물을 넣어 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.An epoxy composite material was prepared in the same manner as in Example 1, but 3 parts by weight of graphene oxide was added to 100 parts by weight of the epoxy resin to prepare a basalt fiber-reinforced epoxy composite material to which graphene oxide was added.

실시예 4. Example 4.

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에폭시 복합소재를 제조하되, 에폭시 수지 100 중량부 대비 4 중량부의 그래핀 산화물을 넣어 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.An epoxy composite material was prepared in the same manner as in Example 1, but 4 parts by weight of graphene oxide was added to 100 parts by weight of the epoxy resin to prepare a basalt fiber-reinforced epoxy composite material to which graphene oxide was added.

실시예 5. Example 5.

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 에폭시 복합소재를 제조하되, 에폭시 수지 100 중량부 대비 5 중량부의 그래핀 산화물을 넣어 그래핀 산화물이 첨가된 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.An epoxy composite material was prepared in the same manner as in Example 1, but 5 parts by weight of graphene oxide was added to 100 parts by weight of the epoxy resin to prepare a basalt fiber-reinforced epoxy composite material to which graphene oxide was added.

비교예 1. Comparative Example 1.

100g의 에폭시 수지를 50 내지 55℃의 온도 범위에서 가열하여 유지시키고 2시간 동안 교반하였다. 이후, 에폭시 수지에 4,4'-디아미노디페닐메탄을 경화제로 에폭시 수지 100 중량부 대비 34 내지 36 중량부로 첨가하고 30 내지 35℃의 온도 범위에서 5시간 동안 반응시켰다. 이후, 진공 오븐에서 감압 하에 20 내지 25℃의 온도 범위에서 1시간 동안 기포를 제거하였다. 그 다음, 에폭시 수지 100 중량부 대비 50 중량부의 현무암 섬유를 금형에 수작업으로 함침시킨 후, 핫 프레스에서 1단계는 60 내지 90℃의 온도 범위에서 1 내지 2시간, 2단계는 90℃ 초과 내지 125℃의 온도 범위에서 1 내지 2시간, 3단계는 140 내지 170℃의 온도 범위에서 1 내지 2시간 동안 총 3단계로 경화시켜 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.100 g of the epoxy resin was heated and maintained in a temperature range of 50 to 55° C. and stirred for 2 hours. Then, 4,4'-diaminodiphenylmethane was added to the epoxy resin in an amount of 34 to 36 parts by weight based on 100 parts by weight of the epoxy resin as a curing agent, and reacted at a temperature of 30 to 35° C. for 5 hours. Thereafter, air bubbles were removed in a temperature range of 20 to 25° C. under reduced pressure in a vacuum oven for 1 hour. Then, after manually impregnating the mold with 50 parts by weight of basalt fiber based on 100 parts by weight of the epoxy resin, the first step in a hot press is at a temperature range of 60 to 90° C. for 1-2 hours, and the second step is over 90° C. to 125 A basalt fiber-reinforced epoxy composite material was prepared by curing in a total of 3 steps for 1 to 2 hours at a temperature range of ℃ 1 to 2 hours, 3 steps for 1 to 2 hours at a temperature range of 140 to 170 ℃.

비교예 2. Comparative Example 2.

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 에폭시 복합소재를 제조하되, 에폭시 수지 중량을 80g으로 하여 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.An epoxy composite material was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, but the weight of the epoxy resin was 80 g to prepare a basalt fiber-reinforced epoxy composite material.

비교예 3. Comparative Example 3.

상기 비교예 1과 동일한 방법으로 에폭시 복합소재를 제조하되, 에폭시 수지 중량을 60g으로 하여 현무암 섬유 강화 에폭시 복합소재를 제조하였다.An epoxy composite material was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, but the weight of the epoxy resin was 60 g to prepare a basalt fiber-reinforced epoxy composite material.

샘플명sample name 필러
종류
filler
Kinds
필러
함량
(중량g)
filler
content
(weight g)
수지
함량
(중량 g)
Suzy
content
(weight g)
분산
시간
(min)
Dispersion
hour
(min)
교반
시간
(min)
agitation
hour
(min)
기포제거
시간
(min)
bubble removal
hour
(min)
경화
온도
(℃)
Hardening
Temperature
(℃)
실시예 1Example 1 그래핀
산화물
graphene
oxide
1One 100100 6060 120120 6060 170170
실시예 2Example 2 그래핀
산화물
graphene
oxide
22 100100 6060 120120 6060 170170
실시예 3Example 3 그래핀
산화물
graphene
oxide
33 100100 6060 120120 6060 170170
실시예 4Example 4 그래핀
산화물
graphene
oxide
44 100100 6060 120120 6060 170170
실시예 5Example 5 그래핀
산화물
graphene
oxide
55 100100 6060 120120 6060 170170
비교예 1Comparative Example 1 -- -- 100100 6060 120120 6060 170170 비교예 2Comparative Example 2 -- -- 8080 6060 120120 6060 170170 비교예 3Comparative Example 3 -- -- 6060 6060 120120 6060 170170

측정예 1. 에폭시 복합소재의 표면 에너지 시험Measurement Example 1. Surface energy test of epoxy composite material

표면 에너지는 Rame-Hart 고니 오 미터(Phoenix 300 Plus, SEO Co.)를 사용하여 3가지 표준 습윤액(증류수, 디요오도 메탄, 에틸렌 글리콜)에 대한 에폭시 복합소재의 접촉각을 측정하였다.The surface energy was measured using a Rame-Hart goniometer (Phoenix 300 Plus, SEO Co.) to measure the contact angle of the epoxy composites with respect to three standard wetting liquids (distilled water, diiodomethane, and ethylene glycol).

측정예 2. 에폭시 복합소재의 ILSS 시험Measurement Example 2. ILSS Test of Epoxy Composite Materials

ILSS 시험은 만능재료시험기(Lloyd LR5k)를 사용하여 에폭시 복합소재를 ASTM D-2344에 따라 시편을 제조한 후 short-beam 3포인트 굽힘 시험 방법으로 측정하였다.The ILSS test was measured by a short-beam three-point bending test method after preparing a specimen for an epoxy composite material according to ASTM D-2344 using a universal testing machine (Lloyd LR5k).

측정예 3. 에폭시 복합소재의 파괴인성 시험Measurement Example 3. Fracture toughness test of epoxy composite material

파괴인성 시험은 만능재료시험기(Lloyd LR5k)를 사용하여 에폭시 복합소재를 ASTM E399에 따라 시편을 제조한 후 3포인트 굽힘 시험 방법으로 측정하였다.The fracture toughness test was measured using a universal testing machine (Lloyd LR5k) to prepare a specimen for an epoxy composite material according to ASTM E399, and then use a 3-point bending test method.

측정예 4. 에폭시 복합소재의 파괴인성 시험 후 파단면 관찰Measurement Example 4. Observation of fracture surface after fracture toughness test of epoxy composite material

주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, SU 8010, Hitachi, Ltd., Japan)을 사용하여 파괴인성 시험 후 에폭시 복합소재의 구조를 변화시켰는지 여부를 관찰하였다.It was observed whether the structure of the epoxy composite material was changed after the fracture toughness test using a scanning electron microscope (SEM, SU 8010, Hitachi, Ltd., Japan).

표면에너지
(mJ.m-2)
surface energy
(mJ.m -2 )
ILSS
(MPa)
ILSS
(MPa)
파괴인성
(MPa.m1/2)
fracture toughness
(MPa.m 1/2 )
실시예 1Example 1 39.239.2 32.7 ± 5.232.7 ± 5.2 44.5 ± 4.144.5 ± 4.1 실시예 2Example 2 41.241.2 39.1 ± 2.139.1 ± 2.1 58.8 ± 0.958.8 ± 0.9 실시예 3Example 3 43.643.6 43.8 ± 1.743.8 ± 1.7 67.1 ± 1.167.1 ± 1.1 실시예 4Example 4 40.840.8 36.5 ± 1.836.5 ± 1.8 56.2 ± 2.156.2 ± 2.1 실시예 5Example 5 39.939.9 34.1 ± 2.434.1 ± 2.4 46.3 ± 1.546.3 ± 1.5 비교예 1Comparative Example 1 38.438.4 28.3 ± 3.428.3 ± 3.4 37.1 ± 5.137.1 ± 5.1 비교예 2Comparative Example 2 37.637.6 25.6 ± 2.425.6 ± 2.4 32.3 ± 4.832.3 ± 4.8 비교예 3Comparative Example 3 36.836.8 23.6 ± 1.623.6 ± 1.6 28.4 ± 2.228.4 ± 2.2

이상, 본 명세서의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 태양일 뿐이며, 이에 의해 본 명세서의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 명세서의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.Above, specific parts of the present specification have been described in detail, and for those of ordinary skill in the art, it is clear that these specific techniques are only preferred embodiments, and the scope of the present specification is not limited thereby. something to do. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present specification be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (15)

에폭시 수지;
산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물; 및
현무암 섬유를 포함하는 에폭시 복합소재.
epoxy resin;
oxides having an oxygen functional group and containing carbon; and
Epoxy composite material containing basalt fibers.
제 1항에 있어서,
상기 산화물은 그래핀 산화물을 포함하는 것인, 에폭시 복합소재.
The method of claim 1,
The oxide will include graphene oxide, an epoxy composite material.
제 1항에 있어서,
상기 복합소재는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 5 중량부의 산화물을 포함하는 것인, 에폭시 복합소재.
The method of claim 1,
The composite material is an epoxy composite material comprising 1 to 5 parts by weight of an oxide based on 100 parts by weight of the epoxy resin.
제 1항에 있어서,
상기 복합소재는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 40 내지 60 중량부의 현무암 섬유를 포함하는 것인, 에폭시 복합소재.
The method of claim 1,
The composite material is an epoxy composite material comprising 40 to 60 parts by weight of basalt fibers based on 100 parts by weight of the epoxy resin.
제 1항에 있어서,
상기 복합소재는 ASTM D-2344에 따라 측정 시 30 MPa 이상의 층간전단강도를 갖는 것인, 에폭시 복합소재.
The method of claim 1,
The composite material will have an interlayer shear strength of 30 MPa or more when measured according to ASTM D-2344, an epoxy composite material.
제 1항에 있어서,
상기 복합소재는 ASTM E399에 따라 측정 시 40 MPa.m1/2 이상의 파괴인성을 갖는 것인, 에폭시 복합소재.
The method of claim 1,
The composite material will have a fracture toughness of 40 MPa.m 1/2 or more when measured according to ASTM E399, an epoxy composite material.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 에폭시 복합소재의 제조방법으로,
1) 에폭시 수지 및 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물을 유기용매와 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 단계;
2) 상기 1차 혼합물에 경화제를 첨가하여 2차 혼합물을 제조하는 단계; 및
3) 상기 2차 혼합물에 현무암 섬유를 함침시킨 후 경화하는 단계를 포함하는 에폭시 복합소재의 제조방법.
The method for manufacturing an epoxy composite material according to any one of claims 1 to 6,
1) preparing a primary mixture by mixing an epoxy resin and an oxide having an oxygen functional group and containing carbon with an organic solvent;
2) preparing a secondary mixture by adding a curing agent to the primary mixture; and
3) Method for producing an epoxy composite material comprising the step of impregnating the basalt fiber in the secondary mixture and then curing.
제 7항에 있어서,
상기 1)단계에서 유기용매는 아세톤을 포함하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In step 1), the organic solvent comprises acetone, the method for producing an epoxy composite material.
제 7항에 있어서,
상기 1)단계는 유기용매에 산소 관능기를 갖고 탄소를 함유하는 산화물을 첨가하고 초음파 처리한 다음, 에폭시 수지를 첨가하고 열처리하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In the step 1), an oxide having an oxygen functional group and containing carbon is added to an organic solvent, subjected to ultrasonic treatment, and then an epoxy resin is added and heat treatment is performed, the method for producing an epoxy composite material.
제 9항에 있어서,
상기 초음파 처리는 10 내지 50 ℃에서 실시하고, 열처리는 30 내지 70 ℃에서 실시하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The ultrasonic treatment is carried out at 10 to 50 ℃, the heat treatment is carried out at 30 to 70 ℃, the method of manufacturing an epoxy composite material.
제 7항에 있어서,
상기 1)단계는 1차 혼합물을 제조한 후 유기용매를 제거하여 1차 혼합물을 안정화하는 단계를 더 포함하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The 1) step further comprises the step of stabilizing the primary mixture by removing the organic solvent after preparing the primary mixture, the method for producing an epoxy composite material.
제 7항에 있어서,
상기 2)단계에서 경화제는 4,4'-디아미노디페닐메탄 (4,4'-diaminodiphenylmethane)을 포함하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In step 2), the curing agent comprises 4,4'-diaminodiphenylmethane (4,4'-diaminodiphenylmethane), the method for producing an epoxy composite material.
제 7항에 있어서,
상기 2)단계는 2차 혼합물을 제조한 후 기포를 제거하여 2차 혼합물을 안정화하는 단계를 더 포함하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The 2) step further comprises the step of stabilizing the secondary mixture by removing air bubbles after preparing the secondary mixture, the method for producing an epoxy composite material.
제 7항에 있어서,
상기 3)단계에서 경화는 60 내지 170℃에서 단계별로 온도를 증가시켜 점진적으로 경화하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The curing in step 3) is to gradually cure by increasing the temperature step by step at 60 to 170 ℃, the method for producing an epoxy composite material.
제 14항에 있어서,
상기 3)단계에서 경화는 순차적으로 60 내지 90℃에서 1차 경화, 90℃ 초과 내지 125℃에서 2차 경화, 및 140 내지 170℃에서 3차 경화하는 것인, 에폭시 복합소재의 제조방법.
15. The method of claim 14,
The curing in step 3) is sequentially primary curing at 60 to 90 ℃, secondary curing at more than 90 ℃ to 125 ℃, and tertiary curing at 140 to 170 ℃, the method of manufacturing an epoxy composite material.
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