TWI532406B - 除霜玻璃、除霜燈及應用該除霜玻璃、除霜燈的汽車 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種除霜玻璃及應用該除霜玻璃的車燈及汽車。
冬季氣溫低，早上起來開車，車玻璃或車燈上常會有一層薄霜/霧，想要除去也不是很容易。主要原因就是車玻璃或車燈與外界接觸，溫度較低，水蒸氣容易凝結在玻璃上形成的。
先前技術中，多采在車玻璃或車燈上設置條形電阻絲。使用時對該電阻絲進行通電加熱，就可以除掉形成在汽車玻璃或車燈上的霜/霧。一般要求該電阻絲同時具有較大的強度以及盡可能小的直徑，以提高耐用性並提高視覺效果。先前的車玻璃或車燈上的電阻絲主要為金屬絲。然而，當由金屬或合金作成的電阻絲的直徑達到微米級時，例如1微米-50微米，其抗拉強度會顯著降低，難以滿足實際應用的要求。
奈米碳管由於具有良好的機械性能，也廣泛應用於電阻絲。先前技術中的奈米碳管線，是由複數微觀的奈米碳管相互連接，從而形成宏觀的電阻絲。由奈米碳管形成的電阻絲雖然具有較高的機械強度，但是，在奈米碳管之間的連接處具有很高的電阻。因此，將所述奈米碳管線用作汽車除霜玻璃或車燈時，由於車載電源電壓較小，一般為12v，難以滿足加熱要求。
為了提高所述奈米碳管線的導電性能，有人提出將奈米碳管線的表面形成一厚度為1～50奈米的金屬層以提高其導電性。由於所述金屬層具有較小的厚度，一方面，在使用時該金屬層易氧化，故耐用性低；另一方面，其導電性雖然與純的奈米碳管線有一定的提高，但相對於純金屬線仍然相差數個數量級，導電性有待進一步提高。
有鑒於此，確有必要提供一種新型的除霜玻璃及其應用，該除霜玻璃的性能比較穩定，具有較好的除霜效果。
一種除霜玻璃，其包括：一玻璃基體具有一表面，一奈米碳管複合導線設置於所述玻璃基體的表面，以及至少一第一電極及一第二電極間隔設置並與所述奈米碳管複合導線電連接。所述奈米碳管複合導線包括：一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米，該奈米碳管單紗的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米，所述奈米碳管單紗包括複數奈米碳管，該複數奈米碳管沿該奈米碳管單紗的軸向螺旋狀排列；以及一金屬層，均勻包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為1微米到5微米。
一種應用上述除霜玻璃的汽車，包括：一電路系統，所述電路系統通過導線與所述除霜玻璃的至少一第一電極及至少一第二電極電連接；以及一控制系統，所述控制系統通過控制所述電路系統向奈米碳管複合導線提供電壓，使奈米碳管複合導線加熱玻璃除霜。
一種除霜燈，其包括：一燈罩具有一內表面，一奈米碳管複合導線設置於所述燈罩的內表面，以及至少一第一電極及一第二電極間隔設置並與所述奈米碳管複合導線電連接。所述奈米碳管複合導線包括：一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米，該奈米碳管單紗的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米，所述奈米碳管單紗包括複數奈米碳管，該複數奈米碳管沿該奈米碳管單紗的軸向螺旋狀排列；以及一金屬層，均勻包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為1微米到5微米。
一種應用上述除霜燈的汽車，包括：一電路系統，所述電路系統通過導線與所述除霜燈的至少一第一電極及至少一第二電極電連接；以及一控制系統，所述控制系統通過控制所述電路系統向奈米碳管複合導線提供電壓，使奈米碳管複合導線加熱除霜燈。
與先前技術相比較，由本發明提供的除霜玻璃或除霜燈具有以下優點。首先，所述奈米碳管複合導線具有較小的直徑，為頭髮絲直徑的五分之一到七分之一，故，所述除霜玻璃或除霜燈在使用時不會影響該除霜玻璃或除霜燈的視覺效果。其次，通過優化所述奈米碳管單紗的直徑和捻度，從而可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的機械性能，進而提高所述除霜玻璃或除霜燈的使用壽命。最後，由於所述金屬層具有較大的厚度，因此，所述奈米碳管複合導線在使用時，所述金屬層起主要的導電作用，即，電流主要通過奈米碳管複合導線的表層傳導，即通過金屬層傳導，形成類似驅膚效應，故，可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的電導率，進而提高所述除霜玻璃或除霜燈的加熱效率。
圖1為本發明實施例提供的除霜玻璃的結構示意圖。
圖2為本發明實施例提供的除霜玻璃的剖面圖。
圖3為本發明實施例提供的除霜玻璃中使用的奈米碳管複合導線的掃描電鏡照片。
圖4為本發明實施例提供的除霜玻璃中使用的奈米碳管複合導線的拉伸應力曲線。
圖5為本發明實施例提供的除霜玻璃使用時的結構示意圖。
圖6是本發明實施例提供的包括複數第一電極及第二電極的除霜玻璃的結構示意圖。
圖7為本發明實施例提供的除霜玻璃應用於汽車時的結構示意圖。
圖8為本發明實施例的除霜玻璃應用於汽車時的工作模組示意圖。
圖9為本發明實施例提供的除霜燈的結構示意圖。
圖10為本發明實施例提供的除霜燈使用時的結構示意圖。
圖11為本發明實施例的除霜燈應用於汽車時的工作模組示意圖。
請參閱圖1及圖2，本發明實施例提供一種除霜玻璃100，該除霜玻璃100包括一玻璃基體10、一黏結劑層11、多條奈米碳管複合導線12、一第一電極13、一第二電極14以及一高分子保護層15。所述黏結劑層11設置於玻璃基體10的表面。所述多條奈米碳管複合導線12平行且間隔設置，並通過所述黏結劑層11固定於所述玻璃基體10的表面。所述第一電極13和第二電極14分別設置於所述奈米碳管複合導線12的兩端，並與所述奈米碳管複合導線12電接觸，用於給所述奈米碳管複合導線12施加電壓，使所述奈米碳管複合導線12中流通電流。所述高分子保護層15覆蓋於所述第一電極13、第二電極14及所述奈米碳管複合導線12的表面，用於保護所述第一電極13、第二電極14及所述奈米碳管複合導線12。
所述玻璃基體10形狀不限，該玻璃基體10在使用時可根據需要彎折成任意形狀。該玻璃基體10具有一表面用於支撐奈米碳管複合導線12或者黏結劑層11。優選地，所述玻璃基體10為一板狀基底。其中，玻璃基體10的大小不限，可依據實際需要進行改變。
所述黏結劑層11可以通過絲網印刷的方式形成於所述玻璃基體10表面。本實施例中，所述黏結劑層11為一矽膠層。
請參閱圖3，所述奈米碳管複合導線12，包括一奈米碳管單紗122以及一包覆於所述奈米碳管單紗122外表面的金屬層124。
所述奈米碳管單紗122可以通過從一奈米碳管陣列中拉取獲得一奈米碳管線，並將所述奈米碳管線的兩端相對回轉形成。即，所述奈米碳管單紗122為由純的、未修飾的奈米碳管組成。所述奈米碳管線可以沿順時針方向回轉，從而形成S捻；所述奈米碳管線可以沿逆時針方向回轉，從而形成Z捻。由於從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的奈米碳管線中的奈米碳管基本沿所述奈米碳管線的軸向延伸，且在所述奈米碳管線的軸向方向通過凡得瓦力首尾相連。故，在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中，該奈米碳管線中的奈米碳管會沿奈米碳管線的軸向方向螺旋狀排列，且在延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，進而形成所述奈米碳管單紗122。另外，在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中，所述奈米碳管線中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距會變小，接觸面積增大，從而使所述奈米碳管單紗122中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的凡得瓦力顯著增加，並緊密相連。所述奈米碳管單紗122中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於10奈米。優選地，所述奈米碳管單紗122中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於5奈米。更優選地，所述奈米碳管單紗122中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於1奈米。由於所述奈米碳管單紗122中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距較小且通過凡得瓦力緊密相連，故，所述奈米碳管單紗122具有光滑且緻密的表面結構。
所述奈米碳管單紗122的直徑為1微米到30微米。所述奈米碳管單紗122的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米。所述捻度是指單位長度奈米碳管線回轉的圈數。當所述奈米碳管單紗122的直徑確定時，適當的捻度可以使所述奈米碳管單紗122具有較好的機械性能。例如，當所述奈米碳管單紗122的直徑小於10微米時，所述奈米碳管單紗122的捻度優選為250轉/釐米到300轉/釐米；而當所述奈米碳管單紗122的直徑為10微米到20微米時，所述奈米碳管單紗122的捻度優選為200轉/釐米到250轉/釐米；而當所述奈米碳管單紗122的直徑為25微米到30微米時，所述奈米碳管單紗122的捻度優選為100轉/釐米到150轉/釐米。所述奈米碳管單紗122的機械強度可以達到相同直徑的金線的機械強度的5-10倍。本實施例中，所述奈米碳管單紗122的直徑約為25微米，且其捻度約為100轉/釐米。
由於所述奈米碳管單紗122具有光滑且緻密的表面結構，故，所述金屬層124可以和所述奈米碳管單紗122形成良好的結合，不易脫落。所述金屬層124均勻的包覆於所述奈米碳管單紗122的外表面，其厚度為1微米到5微米。當所述金屬層124的厚度為1微米到5微米時，所述奈米碳管複合導線12的電導率可以到達所述金屬層124中金屬的電導率的50%以上。當所述金屬層124的厚度太小時，例如小於1微米，一方面不能顯著提高所述奈米碳管複合導線12的電導率，另一方面，還會使得該金屬層124在使用時容易被氧化，進一步降低所述奈米碳管複合導線12的電導率及使用壽命。另外，實驗證明當所述金屬層124的厚度大於一定值時，例如大於5微米，所述奈米碳管複合導線12的電導率不但不會顯著增加，還會額外增加所述奈米碳管複合導線12的直徑。所述金屬層124的材料可以為鎢、鎳、鉻、鐵等金屬或合金。本實施例中，所述金屬層124為厚度約為5微米的鎢，從而使該奈米碳管複合導線12的電導率可以達到金屬鎢的電導率的75%左右。
請參照圖4，本實施例中，所述奈米碳管複合導線12的直徑約為35微米，其拉伸應力可以達到900MPa以上，為相同直徑下金線的9倍左右。
所述第一電極13和第二電極14由導電材料組成，該第一電極13和第二電極14為長條形，材料可為導電薄膜、金屬片或者金屬引線。優選地，第一電極13和第二電極14均為條形的導電薄膜。該導電薄膜的厚度為0.5奈米~100微米。該導電薄膜的材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）、導電銀膠、導電聚合物或導電性奈米碳管等。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、釹、鈀、銫或其任意組合的合金。當所述第一電極13及第二電極14採用銦錫氧化物（ITO）、銻錫氧化物（ATO）材料時，第一電極13及第二電極14為透明電極。
所述第一電極13和第二電極14間隔設置，以使奈米碳管複合導線12應用於除霜玻璃100時接入的阻值避免短路現象產生。當所述第一電極13及第二電極14為條形金屬片時，所述的第一電極13和第二電極14也可通過一導電黏結劑層(圖未示)設置於該奈米碳管複合導線12的表面上，導電黏結劑層在實現第一電極13和第二電極14與奈米碳管複合導線12電接觸的同時，還可以將所述第一電極13和第二電極14更好地固定於奈米碳管複合導線12的表面上。本實施例優選的導電黏結劑層為銀膠。
可以理解，所述第一電極13和第二電極14的結構和材料均不限，其設置目的是為了使所述奈米碳管複合導線12中流過電流。因此，所述第一電極13和第二電極14只需要導電，並與所述奈米碳管複合導線12之間形成電接觸都在本發明的保護範圍內。
所述高分子保護層15的材料為一透明高分子材料，可以是熱塑性聚合物或熱固性聚合物的一種或多種，如纖維素、聚對苯二甲酸乙酯、壓克力樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、酚醛樹脂、環氧樹脂、矽膠及聚酯等中的一種或多種。所述高分子保護層15厚度不限，可以根據實際情況選擇。所述高分子保護層15覆蓋於所述第一電極13、第二電極14和奈米碳管複合導線12之上，可以使該除霜玻璃100在絕緣狀態下使用，同時還可以避免所述奈米碳管複合導線12遭受外力的破壞。本實施例中，該高分子保護層15的材料為環氧樹脂，其厚度為200微米。
請參見圖5，本發明實施例的除霜玻璃100在使用時，可先將第一電極13和第二電極14連接導線後接入電源16。在接入電源16後，所述除霜玻璃100中的奈米碳管複合導線12即被加熱，從而使得熱量可以快速傳遞至玻璃基體10，進而升溫將形成於除霜玻璃100表面的霜/霧除去。
本發明實施例提供的除霜玻璃具有以下優點，首先，所述奈米碳管複合導線具有較小的直徑，為頭髮絲直徑的五分之一到七分之一，故，所述除霜玻璃在使用時不會影響該除霜玻璃的視覺效果。其次，通過優化所述奈米碳管單紗的直徑和捻度，從而可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的機械性能，進而提高所述除霜玻璃的使用壽命。最後，由於所述金屬層具有較大的厚度，因此，所述奈米碳管複合導線在使用時，所述金屬層起主要的導電作用，即，電流主要通過奈米碳管複合導線的表層傳導，即通過金屬層傳導，形成類似驅膚效應，故，可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的電導率，進而提高所述除霜玻璃的加熱效率。此外，由於所述金屬層具有較大的厚度，故，還可以使所述金屬層具有較好的抗氧化性能及耐用性能。另外，所述奈米碳管複合導線在使用時，即使所述金屬層被高溫熔斷，由於奈米碳管具有良好的耐熱性能，所述奈米碳管單紗也不會輕易斷路，從而還可以使所述奈米碳管複合導線保持通路狀態，進一步提高所述除霜玻璃的耐用性。
請參見圖6，所述除霜玻璃100亦可以包括複數第一電極13及複數第二電極14，該複數第一電極13及複數第二電極14平行且間隔設置，並與所述奈米碳管複合導線12電連接。使用時，所述複數第一電極13以及複數第二電極14通過導線分別與電源16的兩個電極電連接，從而在每兩個相鄰的第一電極13以及第二電極14之間形成相同的電勢差，從而可以降低所述奈米碳管複合導線12的加熱電壓，進而提高所述除霜玻璃100的電熱轉換。
請參閱圖7，本發明實施例提供一種應用所述除霜玻璃100的汽車200，該除霜玻璃100安裝於汽車200的車窗，做為汽車的擋風玻璃。該除霜玻璃100的玻璃基體10形成有所述奈米碳管複合導線12的表面朝向車廂內，玻璃基體10的另一表面暴露在車廂外部的空氣中。所述除霜玻璃100的第一電極13及第二電極14與汽車的供電系統電連接，所述奈米碳管複合導線12可通過汽車的供電系統通入電流，從而發熱。另外，當所述第一電極13及第二電極14為透明電極時，如採用ITO膜時，由於所述奈米碳管複合導線12具有較小的直徑，幾乎為一透明結構，該除霜玻璃100整體上具有透明的特點，因此該除霜玻璃100可應用於汽車的各個車窗，並不局限於汽車的後擋風玻璃。
請參閱圖8，本發明的除霜玻璃100應用於汽車200，汽車進一步包括一控制系統22，開關23，感測器24，供電系統25。所述控制系統22與所述供電系統25電連接，用於控制所述供電系統25的電壓，所述供電系統25通過所述第一電極13及第二電極14與所述除霜玻璃100電連接用於給所述除霜玻璃100供電。所述開關23與所述控制系統22電連接，並由汽車的乘員或駕駛員控制。另外，所述感測器24與所述控制系統22電連接，並感受汽車擋風玻璃上是否有霜/霧，並將信號傳送給控制系統22。該控制系統22可以根據感測器24發出的信號，控制除霜玻璃100進行除霜。所述感測器24還可感受玻璃上的溫度，太低的時候加熱，達到一定溫度上的時候停止加熱，可實現自動調節控制。
請參閱圖9，本發明實施例提供一種除霜燈300，包括一燈罩30、一奈米碳管複合導線12、一第一電極31以及一第二電極32。所述奈米碳管複合導線12間隔設置於所述燈罩30的內表面。所述第一電極31和第二電極32分別與所述奈米碳管複合導線12電接觸，用於給所述奈米碳管複合導線12施加電壓，使所述奈米碳管複合導線12中流過電流。
所述燈罩30的形狀和材料不限，可以根據實際需要選擇。本實施例中，所述燈罩30的形狀為半球形。
所述奈米碳管複合導線12可以沿所述燈罩30的經線方向或緯線方向間隔設置，且相鄰的奈米碳管複合導線12之間電連接。本實施例中，所述奈米碳管複合導線12沿所述燈罩30的經線方向間隔設置。所述奈米碳管複合導線12可以通過黏結劑層或燈罩30內表面的凹槽或凸棱設置於所述燈罩30的內表面。本實施例中，所述燈罩30的內表面具有複數沿經線方向延伸的凹槽，且所述奈米碳管複合導線12通過所述複數凹槽設置於所述燈罩30的內表面。
所述第一電極31和第二電極32可選自與所述第一電極13和第二電極14相同的材料和結構。
請參見圖10，本發明實施例的除霜燈300在使用時，可先將第一電極31和第二電極32連接導線後接入電源16。在接入電源16後，所述除霜燈300中的奈米碳管複合導線12即被加熱，從而使得熱量可以快速傳遞至燈罩30，進而升溫將形成於燈罩30表面的霜/霧除去。
本發明實施例提供一種應用所述除霜燈300的汽車。所述除霜燈300的第一電極31和第二電極32與汽車的供電系統電連接，所述奈米碳管複合導線12可通過汽車的供電系統通入電流，從而發熱。另外，由於所述奈米碳管複合導線12具有較小的直徑，幾乎為一透明結構，該除霜燈300整體上具有透明的特點，因此該除霜燈300可應用於汽車的各個車燈。
請參閱圖11，本發明的除霜燈300應用於汽車，汽車進一步包括一控制系統22，開關23，感測器24，供電系統25。所述控制系統22與所述供電系統25電連接，用於控制所述供電系統25的電壓，所述供電系統25通過所述第一電極31和第二電極32與所述除霜燈300電連接用於給所述除霜燈300供電。所述開關23與所述控制系統22電連接，並由汽車的乘員或駕駛員控制。另外，所述感測器24與所述控制系統22電連接，並感受汽車擋風玻璃上是否有霜/霧，並將信號傳送給控制系統22。該控制系統22可以根據感測器24發出的信號，控制除霜燈300進行除霜。所述感測器24還可感受玻璃上的溫度，太低的時候加熱，達到一定溫度上的時候停止加熱，可實現自動調節控制。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧除霜玻璃
200‧‧‧汽車
300‧‧‧除霜燈
10‧‧‧玻璃基體
11‧‧‧黏結劑層
12‧‧‧奈米碳管複合導線
122‧‧‧奈米碳管單紗
124‧‧‧金屬層
13、31‧‧‧第一電極
14、32‧‧‧第二電極
15‧‧‧高分子保護層
16‧‧‧電源
22‧‧‧控制系統
23‧‧‧開關
24‧‧‧感測器
25‧‧‧供電系統
30‧‧‧燈罩
無
100‧‧‧除霜玻璃
10‧‧‧玻璃基體
11‧‧‧黏結劑層
12‧‧‧奈米碳管複合導線
13‧‧‧第一電極
14‧‧‧第二電極
15‧‧‧高分子保護層
Claims (13)
- 一種除霜玻璃，其包括：
一玻璃基體具有一表面，
一奈米碳管複合導線設置於所述玻璃基體的表面，所述奈米碳管複合導線包括：
一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米，該奈米碳管單紗的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米，所述奈米碳管單紗包括複數奈米碳管，該複數奈米碳管沿該奈米碳管單紗的軸向螺旋狀排列；以及
一金屬層，均勻包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為1微米到5微米；以及
至少一第一電極及一第二電極間隔設置並與所述奈米碳管複合導線電連接。 - 如請求項1所述的除霜玻璃，其中，所述奈米碳管單紗的直徑小於10微米，所述奈米碳管單紗的捻度為250轉/釐米到300轉/釐米。
- 如請求項1所述的除霜玻璃，其中，所述奈米碳管單紗的直徑為25微米到30微米，所述奈米碳管單紗的捻度為100轉/釐米到150轉/釐米。
- 如請求項1所述的除霜玻璃，其中，所述奈米碳管單紗的機械強度為相同直徑下金線的機械強度的5-10倍。
- 如請求項1所述的除霜玻璃，其中，所述奈米碳管複合導線的電導率為所述金屬層中金屬的電導率的50%以上。
- 如請求項1所述的除霜玻璃，其中，進一步包括複數奈米碳管複合導線，該複數奈米碳管複合導線平行且相互間隔設置。
- 一種應用如請求項1至6項中任一項所述的除霜玻璃的汽車，包括：一電路系統，所述電路系統通過導線與所述除霜玻璃的至少一第一電極及至少一第二電極電連接；以及一控制系統，所述控制系統通過控制所述電路系統向奈米碳管複合導線提供電壓，使奈米碳管複合導線加熱玻璃除霜。
- 一種除霜燈，其包括：
一燈罩具有一內表面，
一奈米碳管複合導線設置於所述燈罩的內表面，所述奈米碳管複合導線包括：
一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗的直徑為1微米到30微米，該奈米碳管單紗的捻度為10轉/釐米到300轉/釐米，所述奈米碳管單紗包括複數奈米碳管，該複數奈米碳管沿該奈米碳管單紗的軸向螺旋狀排列；以及
一金屬層，均勻包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為1微米到5微米；以及
至少一第一電極及一第二電極間隔設置並與所述奈米碳管複合導線電連接。 - 如請求項8所述的除霜燈，其中，所述奈米碳管單紗的直徑小於10微米，所述奈米碳管單紗的捻度為250轉/釐米到300轉/釐米。
- 如請求項8所述的除霜燈，其中，所述奈米碳管單紗的直徑為25微米到30微米，所述奈米碳管單紗的捻度為100轉/釐米到150轉/釐米。
- 如請求項8所述的除霜燈，其中，所述奈米碳管單紗的機械強度為相同直徑下金線的機械強度的5-10倍。
- 如請求項8所述的除霜燈，其中，所述奈米碳管複合導線的電導率為所述金屬層中金屬的電導率的50%以上。
- 一種應用如請求項8至12項中任一項所述的除霜燈的汽車，包括：一電路系統，所述電路系統通過導線與所述除霜燈的至少一第一電極及至少一第二電極電連接；以及一控制系統，所述控制系統通過控制所述電路系統向奈米碳管複合導線提供電壓，使奈米碳管複合導線加熱車燈除霜。
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