KR20240006387A - 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물 - Google Patents

케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연 소재인 케냐프(Kenaf)를 필러로 적용하여 발포체의 성능을 향상시키면서 친환경적으로 제조 가능한 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물은 상기 발포체 조성물 100중량부에 대하여, 케냐프 10~30중량부와, 천연고무 20~30중량부와, 플라스틱 수지 10~20중량부와, 실란계 커플링제 3~4중량부와, 내부윤활제 1~2중량부와, 가교제 1~2중량부 및 발포제 1~10중량부를 포함한다.
한편, 본 발명은 부산광역시 지원사업의 지원을 받아 수행된 연구결과이다.

Description

케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물{Eco-friendly foam composition including kenaf}
본 발명은 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연 소재인 케냐프(Kenaf)를 필러로 적용하여 발포체의 성능을 향상시키면서 친환경적으로 제조 가능한 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물에 관한 것이다.
환경문제가 심각한 사회적 이슈로 대두됨에 따라 친환경 소재를 개발하기 위한 연구가 계속되어 왔다. 발포 소재 분야에서도 예외가 아니며 친환경 소재에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.
고무나 플라스틱 발포체의 물성 개선, 기능 부여, 가공성 개선 등의 이유로 필러(filler)를 적용하고 있으며, 필러의 적용 유무, 종류에 따라 발포체의 물성에 큰 영향을 미친다. 종래에는 무기필러, 카본필러 등이 사용되어 발포체의 물성을 향상시켰다.
케냐프(Kenaf)는 발포체의 친환경 필러로 적용될 수 있다. 케냐프는 마섬유의 한 종류로 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin)으로 구성되며, 이 중 셀룰로오스의 함량이 80%로 옥수수(50%)보다 높은 함량을 가진 것이다.
케냐프는 기후위기 대응과 경제적, 공익적 가치를 증진시키는 식물로 각광받고 있으며, 기후와 토양에 대한 적응력이 좋고 비료나 농약을 전혀 사용하지 않고 물로만 재배할 수 있는 식물 자원이다. 생장속도가 약 120일 정도로 빠르며, 이산화탄소 흡수뿐만 아니라 미세먼지 발생을 억제시키고, 토질정화능력이 우수하며, 수중의 질소나 인산을 흡수하여 물을 정화시키는 능력도 탁월한 생태 복원 능력이 있는 식물이다.
대한민국 등록특허 제10-1419253호 (2014.07.17.)
본 발명의 목적은 무기필러 또는 카본필러를 대체하여 자연 유래 소재인 케냐프(Kenaf)를 친환경 필러로 포함하는 발포체를 제조하기 위한 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 케냐프(Kenaf)를 필러로 포함하여 발포체의 물성을 향상시키며, 특히 경량 발포체가 요구되는 산업의 다양한 곳에 사용가능한 발포체를 제조하기 위한 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물은 케냐프 10~30중량부와, 천연고무 20~30중량부와, 플라스틱 수지 10~20중량부와, 실란계 커플링제 3~4중량부와, 내부윤활제 1~2중량부와, 가교제 1~2중량부 및 발포제 1~10중량부를 포함하여 구성한다.
더욱이, 본 발명에서 상기 케냐프는 초음파 세척기로 표면의 불순물을 제거하여 표면을 개질한 것을 특징으로 하며, 케냐프는 입자크기가 0.127mm ~ 2.0mm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 플라스틱 수지는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate), POE(Polyolefine Elastomer) 중 어느 하나 이상을 선택하여 혼합된 것을 특징으로 하는 것이며, 상기 천연고무는 에폭시기, 카르복실기 및 무수말레인산기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 기능기로 개질된 천연고무를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물은 케냐프(Kenaf)를 필러로 적용하여 발포체의 물성을 향상시킬 수 있으며, 특히 경량화된 발포체를 제조할 수 있다.
또한, 케냐프의 고유물성인 항산화능, 항염, 유연성, 신축성, 보습성 등의 기능성이 부가된 발포체를 제조하여 기능성이 요구되는 다양한 산업에 적용할 수 있으며, 케냐프의 또 다른 고유물성인 탈취 기능으로 발포 공정이나 성형 시 발생되는 화학약품 냄새들을 탈취하여 작업자의 작업환경을 개선할 수 있다.
더욱이, 케냐프 필러의 공급 및 폐기가 친환경적이므로 탄소배출을 감소시킬 수 있으며, 산, 염기 등을 사용하지 않는 친환경적인 케냐프 표면 개질 방법을 통해 환경오염을 감소할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물은 케냐프 10~30중량부와, 천연고무 20~30중량부와, 플라스틱 수지 10~20중량부와, 실란계 커플링제 3~4중량부와, 내부윤활제 1~2중량부와, 가교제 1~2중량부 및 발포제 1~10중량부를 포함하여 구성한다.
케냐프는 본발명의 발포체 조성물을 구성함에 있어서 필러(Filler)로 작용하는 것으로, 주성분이 셀룰로오스(cellulose)로 구성된 천연섬유이며, 다른 천연섬유들과 비교하면 셀룰로오스의 함량이 높고 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 리그닌(lignin)의 함량이 적은 것이다. 또한, 밀도가 낮으며 재활용 및 재사용이 가능한 필러이다.
극성 고분자인 셀룰로오스 기재는 고온에서의 치수 안정성이 우수하고, 내열성이 높으며, 결정성이 약 10,000정도의 중합도를 가져 인장특성이 높은 특징이 있다.
본 발명에 따른 케냐프는 헤미셀룰로오스와 리그닌을 제거하는 표면 개질을 통해 플라스틱 수지와의 상용성을 향상시킨 것이다.
종래의 케냐프 표면 개질은 산(acetic acid), 염기(NaOH), 실란(Silane) 등으로 표면 개질하여 불순물을 제거하였다. 이와 같은 방법은 강산 또는 강염기와 같은 화학 물질을 이용한 화학적 표면 개질 처리 방법으로 환경오염을 발생시킬 뿐만 아니라 작업자의 안전 및 작업환경을 해치는 문제가 있다.
본 발명에 따른 케냐프는 초음파세척기를 통해 케냐프를 세척하여 케냐프 표면에 있는 불순물을 제거하는 것으로, 친환경적이고 보다 안전한 표면 개질 방법을 통해 제조된 것이 특징이다.
또한, 본 발명에 따른 케냐프는 입자크기가 0.127mm ~ 2.0mm 인 것이 바람직하며, 케냐프는 10~30중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 케냐프를 비롯하여 목섬유(wood fiber)의 경우 섬유의 길이 및 함량에 따라 일반적으로 발포거동 및 기계적 물성에 영향을 주는 것으로, 케냐프의 입자크기가 0.127mm 이하이면 입자크기가 너무 작아 기계적 물성 보강 효과가 미비하고, 2.0mm 이상이면 발포체의 물리적 특성을 저하시킬 수 있다.
또한, 케냐프가 10중량부 미만이면 필러로서의 효과가 미미하며, 케냐프가 30중량부 초과하면 발포성형이 어려운 문제가 나타난다.
다시 정리하자면, 본 발명에 따른 케냐프를 포함한 발포체 조성물은 케냐프의 생장 시 이산화탄소를 흡수하여 탄소배출량을 감소시킬 수 있으며, 케냐프 표면 개질 시 초음파 세척 방법을 이용하여 산, 염기와 같은 화학물질을 이용하지 않으므로 한번 더 환경을 생각한 것이며, 케냐프는 폐기 시에도 자연 분해 가능한 친환경 물질이므로 전체적인 생산 및 제조에서 환경을 생각하는 친환경적인 것이다.
천연고무는 부서지기 쉬운 케냐프의 강도 향상에 따른 내구성을 향상시키며, 발포체 조성물의 반발탄성과 영구압축줄음률을 개선할 수 있도록 하는 것이다.
천연고무는 잘 알려진 바와 같이 고 분자량의 고분자 재료이며 점탄성 특성을 지닌 엘라스토머이다. 천연고무는 온도가 높아지면 부드러워지면서 질척질척해지고 온도가 낮아지면 딱딱지거나 잘 바스러지는 특징을 가지고 있으며, 낮은 인장 강도와 내마모성을 가지고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 천연고무는 20~30중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 케냐프와 천연고무를 상기와 같은 비율로 구성함은, 주 성분인 케냐프를 기준으로 20중량부 미만으로 구성하게 되면 발포체 조성물이 반발탄성을 갖기에 부족하며, 30중량부 이상으로 구성하게 되면 발포체 조성물의 물성 변형을 초래할 수 있기 때문이다.
이때 천연고무 단독으로도 사용 가능하나, 천연고무와 EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 간에 상용성이 없어, 천연고무 대신 에폭시기, 카르복실기 및 무수말레인산기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 기능기로 개질된 천연고무를 사용하거나, 천연고무에다가 에폭시기, 카르복실기 및 무수말레인산기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 기능기로 개질된 천연고무를 블렌드함으로써, 천연고무와 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)와의 상용성을 추가로 개선할 수도 있다.
다음으로 플라스틱 수지는 본 발명에 따른 발포체 조성물의 기재로서, EVA(Ethylene Vinyl Acetate), POE(Polyolefin Elastomer) 중 어느 하나 이상을 선택하여 혼합된 것이 바람직하나 이에 한정하지 않으며, 발포체에 적용되는 다양한 플라스틱 수지가 적용될 수 있음은 물론이다.
EVA(Ethylene Vinyl Acetate)는 알려진 바와 같이, 에틸렌(Ethylene)과 비닐 아세테이트(VA)를 공중합 시킨 소재로, 부드럽고 유연한 성질을 가지고 있으며, 충격흡수가 뛰어나고 접착성이 좋으며, 단열, 보온, 방수 효과가 뛰어난 것이다.
POE(Polyolefin Elastomer)는 알려진 바와 같이, PO(Polyolefin) 계열 제품 중 낮은 밀도를 갖는 에틸렌과 알파 올레핀의 공중합체로, 충격보강, 고탄성 특성과 낮은 열 봉합온도 등의 특성을 가지는 것이다.
본 발명에 따른 플라스틱 수지는 10~20중량부 포함되는 것이 바람직하다. 10중량부 미만으로 첨가되면 발포제를 사용하더라도 발포 성형이 균일하게 잘 이루어지지 않으며, 20중량부를 초과하여 첨가되면 그 이하의 양을 첨가한 경우와 비교하여 더 나은 물성 향상을 기대할 수 없다.
실란계 커플링제는 본 발명에 따른 발포체 조성물에서 천연고무와 케냐프 간의 화학적 결합력을 향상시키는 것이다. 실란계 커플링제의 한 쪽 말단기에는 케냐프와 결합할 수 있는 작용기를 가지고, 다른 쪽 말단기에는 천연고무와 결합할 수 있는 작용기를 가진다. 이로써, 천연고무와 케냐프 간의 결합을 견고하게 할 수 있으며, 발포체의 물성이 개선될 수 있게 된다.
실란계 커플링제의 예로는, 비스[3-(트리에톡시실릴)프로필]테트라설파이드 비닐트리에톡시실란, 3-글리시독시 프로필 트리에톡시실란, 메르캅토프로필 트리메톡시실란 및 3-3-아미노프로필트리에톡시실란으로 이루어진 군에 서 1종 이상이 선택될 수 있다. 단, 상술한 종류에 한정되는 것은 아니며 케냐프와 천연고무가 결합될 수 있도록 하는 실란계 커플링제라면 다양하게 사용 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실란계 커플링제는 3~4중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 3중량부 미만이면 케냐프와 천연고무 간의 결합을 유도하지 못하여 발포체 조성물의 물성 개선을 기대할 수 없고, 4중량부를 초과하면 케냐프와 천연고무 사이에서 미반응된 실란계 커플링제가 가소화 작용을 하여 물성을 저하시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발포체 조성물은 첨가제로써 내부윤활제와, 가교제 및 발포제를 포함한다.
바람직하게 내부윤활제는 스테아린산(Stearic acid)을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않으며 통상의 내부윤활제 및 이의 혼합으로부터 선택될 수 있음은 물론이다. 상기 내부윤활제는 발포체 조성물과 가공 기계간의 상호 마찰력을 감소시킴으로써 가공을 용이하도록 하며, 1~2 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
가교제는 Dicumyl peroxide(DCP)와 같은 유기과산화물인 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 유기과산화물로서 사이클로헥사논퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시 이소프로필카르보네이트, t-부틸퍼옥시라우릴레이트, t-부틸퍼옥시아세테이트, 디-t-부틸디퍼옥시프탈레이트, t-디브틸퍼옥시말레인산, t-부틸큐밀퍼옥사이드, t-부틸하이드로퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시벤조에이트, 디벤조일 퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드, 1,3-비스(t- 부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케폰퍼옥사이드, 디-(2,4-디 클로로벤조일)퍼옥사이드, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, 2,5-디메틸-2,5-(t-벤조일퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 2,5-디메 틸-2,5-(t-부틸퍼옥시)-3-헥신, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트, a,a'-비스(t-부틸퍼옥시) 디이소프로필벤젠 등으로 부터 한가지 또는 그 이상 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 가교제는 1~2중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 가교제가 1중량부 미만인 경우 가교도가 낮아져 기계적 강도가 떨어질 뿐만 아니라 발포 가스의 손실이 많아지기 때문에 발포체를 성형하는데 어려움이 있고, 2중량부 초과인 경우 가교도가 급격히 증가하여 과가교 현상이 발생하며 정상적인 발포 성형이 어렵다.
본 발명에서 발포제는 아조디카본아마이드, 아조비스이소부티로니트릴, 벤젠술폰 히드라지드 중 에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용가능 하나 이에 한정하는 것은 아니다. 발포제는 1~10중량부를 사용할 수 있으며, 상기 함량 미만일 경우, 충분한 발포가 이루어지지 않아 정상적인 발포체 성형이 어렵고, 상기 함량을 초과할 경우, 급격한 팽창으로 내열수축특성 뿐만 아니라 기계적 물성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
초음파세척으로 표면 개질한 케냐프 30중량부와, 천연고무(SVR-3L) 25중량부와, 플라스틱 수지(DF 810) 14중량부와, 실란계 커플링제(Si-69) 3.9중량부와, 내부윤활제(스테아린산) 1.4중량부, 아조디카본아마이드 발포제 5중량부를 투입하여 충분히 혼련시켜 혼련물을 제조한 후, 170°C, 150kg/cm 의 조건하에서 7분간 성형하여 발포체를 제조하였다.
[실시예 2]
초음파세척으로 표면 개질한 케냐프 25중량부와, 천연고무(SVR-3L) 30중량부와, 플라스틱 수지(DF 810) 16중량부와, 실란계 커플링제(Si-69) 3.4중량부와, 내부윤활제(스테아린산) 1.7중량부를 투입하여 아조디카본아마이드 발포제 5중량부를 투입하여 충분히 혼련시켜 혼련물을 제조한 후, 170°C, 150kg/cm의 조건하에서 7분간 성형하여 발포체를 제조하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 케냐프를 산(acetic acid)으로 표면처리 하여 첨가하였다.
[비교예 2]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 케냐프를 5중량부 포함하여 제조하였다.
[비교예 3]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 케냐프를 대신하여 탄산칼슘(CaCO3)을 30중량부 포함하여 제조하였다.
[시험예]
본 시험예에서는 실시예와 비교예에 의해 제조된 발포체 조성물 시편을 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하였으며, 그 결과는 표 1에 나타내었다.
- 비중 측정(Specfic gravity) : KS M 6660에 준하여 전자비중계(Mirrage, MD-300S)를 통하여 측정하였다.
- 경도 측정(Hardness) : KS M 6518에 준하여 Shore C 타입의 경도계를 사용하여 측정하였다.
- 인장강도 & 신장율 측정(Tensile strength & Elongation) : KS M 6518에 준하여 아령형 3호 시험편으로 Universial testing machine (UTM, DAEKYUNG ENGINEERING CO., LTD.) 500mm/min의 속도로 시험편 5개 측정후 최대값과 최소값을 제외한 3개 평균으로 시험 진행하였다.
- 인열강도 측정(Tear strength) : KS M 6518에 준하여 B형의 시험편으로 Universial testing machine (UTM, DAEKYUNG ENGINEERING CO., LTD.) 500mm/min의 속도로 시험편 5개 측정 후 최대값과 최소값을 제외한 3개 평균으로 시험 진행하였다.
구분 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3
비중 0.197 0.201 0.198 0.211 0.251
경도 (Shore C) 48 47 50 46 50
인장강도 (kgf/cm2) 20 18 17 17 15
신장율 (%) 220 210 220 210 180
인열강도(kgf/cm) 16 14 16 12 10
표 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 실시예 1, 실시예 2와 비교예 1의 물성을 비교하면 표면 개질 방법에 대한 물성 차이는 미미하며 모두 우수한 물성을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 따라 초음파 세척을 통해 표면 개질한 케냐프는 보다 친환경적인 방법으로 표면을 개질하여 환경오염을 방지하고 작업의 안전성을 향상시킬 수 있으며, 종래의 표면 개질 방법으로 표면 개질한 케냐프와 유사한 성능 및 효과를 나타내는 필러로 사용할 수 있다.
또한, 비교예 2에서 나타난 바와 같이 케냐프를 적게 첨가하면 케냐프의 효과가 미미하여 인장강도, 신장율, 인열강도 등의 물성이 저하되며, 비교예 3에서 나타난 바와 같이 종래의 필러를 첨가한 것과 대조할 경우, 밀도가 낮은 케냐프 필러를 첨가하여 발포체의 비중을 낮출 수 있는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명에 따른 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물은 보다 친환경적인 소재인 케냐프를 이용하여 보다 경량화된 발포체를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims (5)

  1. 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물에 있어서,
    케냐프 10~30중량부와, 천연고무 20~30중량부와, 플라스틱 수지 10~20중량부와, 실란계 커플링제 3~4중량부와, 내부윤활제 1~2중량부와, 가교제 1~2중량부 및 발포제 1~10중량부를 포함하여 구성된 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케냐프는 초음파 세척기로 표면의 불순물을 제거하여 표면을 개질한 것을 특징으로 하는 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 케냐프는 입자크기가 0.127mm ~ 2.0mm 인 것을 특징으로 하는 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라스틱 수지는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate), POE(Polyolefine Elastomer) 중 어느 하나 이상을 선택하여 혼합된 것을 특징으로 하는 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 천연고무는 에폭시기, 카르복실기 및 무수말레인산기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 기능기로 개질된 천연고무를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 케냐프를 포함한 친환경 발포체 조성물.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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