TWI634569B - 過電流保護裝置 - Google Patents
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Abstract
一種過電流保護裝置，包含第一電極與第二電極，及一包括第一PTC聚合物材料層及第二PTC聚合物材料層的多層結構。該第一PTC聚合物材料層包括一第一聚合物基材及一分散於該第一聚合物基材中的微粒導電填料，該第一聚合物基材是由一第一聚合組成物所製得。該第二PTC聚合物材料層包括一第二聚合物基材及一分散於該第二聚合物基材中的微粒導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合組成物所製得。該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中的其中一者含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴，另一者含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯。
Description
本發明是有關於一種過電流保護裝置，特別是指一種包含二PTC聚合物材料層的過電流保護裝置，其中一PTC聚合物材料層包括一由含有聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)及聚烯烴(polyolefin)的聚合組成物所製得的聚合物基材。
正溫度係數(positive temperature coefficient,PTC)材料由於具有正溫度係數效應，因而適於作為保護裝置[例如保險絲(fuse)]。
參閱圖1，一傳統的過電流保護裝置包含一PTC聚合物材料層81，及分別形成於該PTC聚合物材料層81兩相反面的第一電極82與第二電極83。該PTC聚合物材料層81包括一聚合物材料的聚合物基材及一導電微粒填料(圖未示)。該聚合物材料含有一結晶區(圖未示)與一非結晶區(圖未示)。該導電微粒填料分散於該聚合物基材之非結晶區，並於該第一電極82與該第二電極83間形成一用於電傳導的連續導電通路。該正溫度係數效應的現象是當該聚合物基材的溫度上升至其熔點時，於結晶區的晶體會開始
熔化，進而產生一新的非結晶區。當該新的非結晶區增加至能和原始非結晶區合併的範圍時，該導電微粒填料的導電通路會變成不連續且該PTC聚合物材料的電阻會大幅增加，因此導致於該第一電極82與該第二電極83間斷路。
該過電流保護裝置能藉由調整該聚合物基材的組成來調整操作溫度。然而，當該聚合物基材是由聚烯烴製成時，操作溫度只能於約-40℃至約85℃的範圍內。
為了達到更高且更廣的操作溫度範圍(例如於-40℃至125℃間)，該聚合物基材可由聚偏二氟乙烯(PVDF)所製得。
美國專利第5,451,919號揭示一於20℃時電阻率小於10ohm-cm的導電聚合組成物。該導電聚合組成物含有至少50vol%的聚偏二氟乙烯與1至20vol%的第二結晶性氟化聚合物。該導電聚合組成物經壓模(compression-molded)後形成一板塊(plaque)。該板塊的兩側被鎳箔電沉積層疊形成層板(laminate)。該層板藉由電子束經10 Mrads的輻射量照射。該聚偏二氟乙烯的商品名為Kynar。然而，包含前述導電聚合物之過電流保護裝置的操作電壓(operating voltage)或崩壞電壓(breakdown voltage)，根據熱失控測試(thermal runaway test)，只能達到30Vdc。
綜上所述，目前仍需同時提高過電流保護裝置的操作溫度及操作電壓。
因此，本發明之第一目的，即在提供一種具有高操作溫度與高操作電壓的過電流保護裝置。
於是本發明過電流保護裝置包含第一電極、第二電極及一多層結構。該多層結構位於該第一電極與該第二電極間，且包括第一PTC聚合物材料層及第二PTC聚合物材料層，其中一PTC聚合物材料層堆疊於另一PTC聚合物材料層上並彼此黏合。該第一PTC聚合物材料層包括一第一聚合物基材及一分散於該第一聚合物基材中的微粒導電填料。該第一聚合物基材是由一第一聚合組成物所製得。該第二PTC聚合物材料層包括一第二聚合物基材及一分散於該第二聚合物基材中的微粒導電填料。該第二聚合物基材是由一第二聚合組成物所製得。該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中的其中一者含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴，另一者含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯。當該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯的一者含有聚烯烴時，其實質上不含有聚偏二氟乙烯；當該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯的一者含有聚偏二氟乙烯時，其實質上不含有聚烯烴。
因此，本發明之另一目的，即在提供一種過電流保護裝置，該過電流保護裝置包含第一電極、第二電極及一多層結構。該多層結構位於該第一電極與該第二電極間，且包括第一PTC聚合物材料層及第二PTC聚合物材料層，其中一PTC聚合物材料層堆疊於另一PTC聚合物材料
層上並彼此黏合。該第一PTC聚合物材料層包括一第一聚合物基材及一分散於該第一聚合物基材中的微粒導電填料。該第一聚合物基材是由一含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴的第一聚合組成物所製得，該聚偏二氟乙烯與該聚烯烴的重量比範圍為1：9至9：1。該第二PTC聚合物材料層包括一第二聚合物基材及一分散於該第二聚合物基材中的微粒導電填料。該第二聚合物基材是由一第二聚合組成物所製得，該第二聚合組成物含有聚烯烴及聚偏二氟乙烯中的至少其中一種。當該第二聚合組成物含有聚烯烴及聚偏二氟乙烯時，該第二聚合組成物的該聚偏二氟乙烯與該聚烯烴的重量比不於1：9至9：1的範圍內。該過電流保護裝置的跳脫表面溫度(trip surface temperature)範圍為110~150℃，崩壞電壓範圍為30~100V。
1、82‧‧‧第一電極
2、83‧‧‧第二電極
3‧‧‧多層結構
31‧‧‧第一PTC聚合物材料層
32‧‧‧第二PTC聚合物材料層
33‧‧‧第三PTC聚合物材料層
81‧‧‧PTC聚合物材料層
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一透視圖，說明傳統PTC過電流保護裝置；圖2是一透視圖，說明本發明PTC過電流保護裝置的一第一較佳實施例；圖3是一透視圖，說明本發明PTC過電流保護裝置的一第二較佳實施例；圖4是一關係圖，說明實施例2與比較例1-3的測試樣品之溫度與電阻的關係；及圖5是一關係圖，說明實施例2與比較例1-3的測試樣
品之溫度與衰退比例的關係。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2，本發明過電流保護裝置之第一較佳實施例包含第一電極1與第二電極2，及一位於該第一電極1與該第二電極2間的多層結構3。該多層結構3包括第一PTC聚合物材料層31及第二PTC聚合物材料層32，其中一PTC聚合物材料層堆疊於另一PTC聚合物材料層上並彼此黏合。
該第一PTC聚合物材料層31包括一第一聚合物基材及一分散於該第一聚合物基材中的微粒導電填料，該第一聚合物基材是由一第一聚合組成物所製得
該第二PTC聚合物材料層32包括一第二聚合物基材及一分散於該第二聚合物基材中的微粒導電填料。在本較佳實施例中，該第二聚合物基材是由一第二聚合組成物所製得。
在本較佳實施例中，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中的其中一者含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴，另一者含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯。當該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯的一者含有聚烯烴時，其實質上不含有聚偏二氟乙烯；當該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯的一者含有聚偏二氟乙烯時，其實質上不含有聚烯烴。
較佳地，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物各自還含有接枝聚烯烴(grafted polyolefin)。
較佳地，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物中含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴的一者，其聚偏二氟乙烯與聚烯烴的重量比範圍為1：9至9：1。
較佳地，根據ASTM D-1238，於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，所量測到該聚偏二氟乙烯的熔體流動速率(melt flow rate)範圍為0.5g/10min至30g/10min。
較佳地，該聚偏二氟乙烯的熔點範圍為140~180℃。
較佳地，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物的微粒導電填料為碳黑(carbon blake)。
較佳地，聚烯烴為聚乙烯。
較佳地，以該第一PTC聚合物材料層的總重為100wt%計，該第一PTC聚合物材料層含有4.7~42.3wt%的聚偏二氟乙烯及4.7~42.3wt%的聚烯烴。
較佳地，以該第二PTC聚合物材料層的總重為100wt%計，該第二PTC聚合物材料層含有23.5~45.0wt%的聚烯烴。
參閱圖3，本發明過電流保護裝置之第二較佳實施例包含第一電極1與第二電極2，及一位於該第一電極1與該第二電極2間的多層結構3。該多層結構3包括第一PTC聚合物材料層31、第二PTC聚合物材料層32及第三
PTC聚合物材料層33，其中一PTC聚合物材料層堆疊於另一PTC聚合物材料層上並彼此黏合。該第一PTC聚合物材料層31與該第二PTC聚合物材料層32和該第一較佳實施例相同。在本較佳實施例中，該第三PTC聚合物材料層33堆疊於該第一PTC聚合物材料層31相反於該第二PTC聚合物材料層32的一側，且包括一第三聚合物基材及一分散於該第三聚合物基材中的微粒導電填料，該第三聚合物基材是由一第三聚合組成物所製得。
在某些較佳實施例中，該第一聚合組成物含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴，該第三聚合組成物含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯。
在某些較佳實施例中，該第一聚合組成物含有聚偏二氟乙烯或聚烯烴，該第三聚合組成物含有聚烯烴及聚偏二氟乙烯。
本發明過電流保護裝置之第三較佳實施例的結構與該第一較佳實施例相似，其差別在於，在本較佳實施例中，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物皆含有聚烯烴及聚偏二氟乙烯。該第一聚合組成物的該聚偏二氟乙烯與該聚烯烴的重量比範圍為1：9至9：1，且該第二聚合組成物的該聚偏二氟乙烯與該聚烯烴的重量比不於1：9至9：1的範圍內。
每一較佳實施例的過電流保護裝置，其跳脫表面溫度範圍皆為110~150℃，崩壞電壓範圍皆為30~100V。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應
瞭解的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
實施例
八種配方(聚合組成物)被用於製備下列實施例與比較例的PTC聚合物材料層(見表1)。
用於八種配方的材料包含：作為聚烯烴的HDPE(購自台灣塑膠工業股份有限公司；型號HDPE9002；重量平均分子量為150,000g/mole；根據ASTM D-1238，於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，熔體流動速率為45g/10min)、作為接枝聚烯烴的接枝HDPE(購自杜邦；型號MB100D；重量平均分子量為80,000g/mole；根據ASTM D-1238，於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，熔體流動速率為75g/10min)、作為微粒導電填料的碳黑(購自哥倫比亞化學公司；型號Raven 430UB；DBP/D為0.95；容積密度為0.53g/cm3)，及PVDF(購自Arkema；型號Kynar 761；熔點170℃；於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，熔體流動速率為3.0g/10min)
<實施例1(E1)>
一PTC聚合物材料的第一薄板(作為第一PTC聚合物材料層)是由配方(1)製備，該配方(1)包括1.175g的HDPE(購自台灣塑膠工業股份有限公司；型號HDPE9002；重量平均分子量為150,000g/mole；根據ASTM D-1238，於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，熔體流動速率為45g/10min)、1.175g的羧酸酐接枝(carboxylic acid anhydride grafted)HDPE聚乙烯(購自杜邦；型號MB100D；重量平均分子量為80,000g/mole；根據ASTM D-1238，於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，熔體流動速率為75g/10min)、21.15g的PVDF(購自Arkema；型號Kynar 761；熔點170℃；於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，熔體流動速率為3.0g/10min)，及26.5g碳黑粒子[購自哥倫比亞化學公司；商品名稱Raven 430UB；平均粒徑82nm；DBP油-吸收(DBP-oil absorption)為75cc/100g；揮發物含量1.0wt%；導電度2.86×104m-1Ω-1]。配方(1)是
於Brabender混合器中進行混合。混合溫度為200℃，攪拌速率為30rpm，且混合時間為10分鐘。該經混合後的混合物經熱壓後形成一厚度為0.175mm之PTC聚合物材料的第一薄板(作為第一PTC聚合物材料層)。熱壓溫度為200℃，熱壓時間為4分鐘，且熱壓壓力為80kg/cm2。
一PTC聚合物材料的第二薄板(作為第二PTC聚合物材料層)是由配方(7)製得，而其製備流程與條件與該PTC聚合物材料的第一薄板相似。
二分別作為第一電極層1與第二電極層2的銅箔板分別接於該第一PTC聚合物材料層與該第二PTC聚合物材料層之堆疊的兩相反側，且於200℃及80kg/cm2下熱壓4分鐘形成三明治結構的PTC層板(laminate)。該PTC層板被切成大小為8mm×8mm的測試樣品。該每一測試樣品皆被暴露於總劑量為50kGy的鈷-60源。
實施例1的測試樣品於室溫下的平均電阻如表2所示。
<實施例2至6、9與10(E2至E6、E9與E10)>
實施例2至6、9與10(E2至E6、E9與E10)之測試樣品的製備流程與條件，除了該PTC聚合物材料的第一薄板與第二薄板所使用的配方之組成不同外，皆與該實施例1相似。
E2至E6、E9與E10被用來形成PTC層板的配方如表2所示。實施例2至6、9與10之測試樣品的平均電阻顯示於表2中。
<實施例7與8(E7與E8)>
實施例7與8(E7與E8)之測試樣品的製備流程與條件，除了實施例7與8的該每一PTC層板還包括一PTC聚合物材料的第三薄板外，皆與該實施例1相似。
實施例7與8之PTC層板的組成如表2所示。實施例7與8之測試樣品的平均電阻顯示於表2中。
<比較例1至4(CE1至CE4)>
比較例1至4(CE1至CE4)之測試樣品的製備流程與條件，除了該每一比較例只有一PTC聚合物材料層的薄板外，皆與該實施例1相似。
比較例1至4之PTC層板的組成如表2所示。比較例1至4之測試樣品的平均電阻顯示於表2中。
<比較例5(CE5)>
比較例5(CE5)之第一薄板與第二薄板的製備流程與條件，除了該比較例5的第一薄板與第二薄板分別是由配方(7)與配方(8)所製得外，皆與該實施例1相似。由於該第二薄板是由含有PVDF及不含聚烯烴的配方(8)所製得，因而實質上不具有黏性。因此，該第一薄板與該第二薄板無法被層疊以形成PTC層板。
<比較例6與7(CE6與CE7)>
比較例6與7(CE6與CE7)之測試樣品的製備流程與條件，除了該PTC聚合物材料的第一薄板與第二薄板所使用的配方組合不同外，皆與該實施例1相似。
比較例6與7之PTC層板的組成如表2所示。
比較例6與7之測試樣品的平均電阻顯示於表2中。
性能測試
不同溫度下的電阻
E1~E10與CE1~CE7各自有十個測試樣品被測試，用以決定E1~E10與CE1~CE7各自的測試樣品於25至185℃間的電阻。
每個測試樣品的電阻測試是以2℃/min的固定速率，使每個測試樣品由初始溫度25℃逐步升溫至最終溫度185℃而完成。E1~E10與CE1~CE7中的每個測試樣品於室溫下的電阻都被記錄。電阻測試結果如表3所示，且E2
與CE1~CE3的測試樣品之溫度與電阻間的關係如圖4所示。於相同溫度下，當PTC層板的電阻越高，PTC層板的工作電壓(working voltage)也就越高。結果顯示相較於比較例1~7，實施例1~10能於較高的工作電壓下操作。例如，E2於140℃下具有24.58ohm的電阻，且於170℃下具有1313.05ohm的電阻，高於比較例1於140℃下具有18.98ohm的電阻，及於170℃下具有47.86ohm的電阻。
熱衰退(thermal derating)測試
E1~E10與CE1~CE7中的每一測試樣品皆進行熱衰退測試，用以決定E1~E10與CE1~CE7的熱衰退比例(於測試溫度下的操作電流/於25℃下的操作電流×100%)。熱衰退測試是藉由於-40℃、25℃、85℃與125℃下量測每一測試樣品的操作電流而完成。
熱衰退測試的結果如表3所示。E2與CE1~CE3的測試樣品之溫度與衰退比例間的關係如圖5所示。
熱失控(thermal runaway)測試
E1~E10與CE1~CE7各自有五個測試樣品被用於熱失控測試。每一測試樣品的熱失控測試足以使每一測試樣品燒毀，其是於固定電流100A下，使該每一測試樣品由初始電壓20Vdc逐步增加至最終電壓至1000Vdc而完成。外加電壓是於每步驟5Vdc的增加量增加且每步驟的持續時間為2分鐘(即每一新的外加電壓持續2分鐘)。E1~E10與CE1~CE7的每一測試樣品之最大可忍受電壓(即崩壞電壓)皆被記錄。熱失控測試結果於表3中顯示。
熱衰退測試結果(見表3)顯示，由於CE1的PTC聚合物材料層缺少PVDF，所以CE1之測試樣品於125℃下的操作電流接近0。只有一聚合物材料層的CE3與CE4之測試樣品於125℃下的操作電流也接近0。CE1、CE3與CE4的每一測試樣品只能於-40至85℃的操作溫度範圍間操作。
該第一PTC聚合物材料層與該第二PTC聚合物材料層皆包含聚烯烴及PVDF的CE6與CE7，其測試樣品於125℃下的操作電流也接近0。CE6與CE7的每一測試樣品只能於-40至85℃的操作溫度範圍間操作。
E1~E10之測試樣品於125℃下的操作電流仍維
持在20%以上。E1~E10中的每一測試樣品(其中一PTC聚合物材料層含有PVDF)皆能於-40至125℃的操作溫度範圍間操作。
熱失控測試結果(見表3)顯示E1~E10(90至100V)的崩壞電壓高於CE1~CE4(30至60V)，說明本發明過電流保護裝置能於較高電壓下操作。
綜上所述，由於本發明的過電流保護裝置中包含第一PTC聚合物材料層與第二PTC聚合物材料層，且至少其中之一含有PVDF與聚烯烴，因而能減少前述先前技術的缺點，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
Claims (11)
- 一種過電流保護裝置，包含：第一電極與第二電極；及一多層結構，位於該第一電極與該第二電極間，且包括第一PTC聚合物材料層及第二PTC聚合物材料層，其中一PTC聚合物材料層堆疊於另一PTC聚合物材料層上並彼此黏合；其中，該第一PTC聚合物材料層包括一第一聚合物基材及一分散於該第一聚合物基材中的微粒導電填料，該第一聚合物基材是由一第一聚合組成物所製得；該第二PTC聚合物材料層包括一第二聚合物基材及一分散於該第二聚合物基材中的微粒導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合組成物所製得；該第一聚合組成物含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴，該第二聚合組成物含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯；當該第二聚合組成物含有聚烯烴時，其實質上不含有聚偏二氟乙烯；當該第二聚合組成物含有聚偏二氟乙烯時，其實質上不含有聚烯烴，其中，以該第一PTC聚合物材料層的總重為100wt%計，該第一PTC聚合物材料層含有4.7~42.3wt%的聚偏二氟乙烯及4.7~42.3wt%的聚烯烴。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物各自還含有接枝聚烯烴。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合組成物之聚偏二氟乙烯與聚烯烴的重量比範圍為1：9至9：1。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，根據ASTM D-1238，於溫度為230℃、裝載為12.5kg的條件下，所量測到該聚偏二氟乙烯的熔體流動速率範圍為0.5g/10min至30g/10min。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該聚偏二氟乙烯的熔點範圍為140~180℃。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物的微粒導電填料為碳黑。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該第一聚合組成物與該第二聚合組成物各自的聚烯烴為聚乙烯。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，以該第二PTC聚合物材料層的總重為100wt%計，該第二PTC聚合物材料層含有23.5~45.0wt%的聚烯烴。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該多層結構還包括一堆疊於該第一PTC聚合物材料層上的第三PTC聚合物材料層，該第三PTC聚合物材料層包括一第三聚合物基材及一分散於該第三聚合物基材中的微粒導電填料，該第三聚合物基材是由一第三聚合組成物所製得，該第三聚合組成物含有聚烯烴或聚偏二氟乙烯。
- 如請求項1所述的過電流保護裝置，其中，該多層結構還包括一堆疊於該第二PTC聚合物材料層上的第三PTC 聚合物材料層，該第三PTC聚合物材料層包括一第三聚合物基材及一分散於該第三聚合物基材中的微粒導電填料，該第三聚合物基材是由一第三聚合組成物所製得，該第三聚合組成物含有聚烯烴及聚偏二氟乙烯。
- 一種過電流保護裝置，包含：第一電極與第二電極；及一多層結構，位於該第一電極與該第二電極間，且包括第一PTC聚合物材料層及第二PTC聚合物材料層，其中一PTC聚合物材料層堆疊於另一PTC聚合物材料層上並彼此黏合；其中，以該第一PTC聚合物材料層的總重為100wt%計，該第一PTC聚合物材料層含有4.7~42.3wt%的聚偏二氟乙烯及4.7~42.3wt%的聚烯烴，該第一PTC聚合物材料層包括一第一聚合物基材及一分散於該第一聚合物基材中的微粒導電填料，該第一聚合物基材是由一含有聚偏二氟乙烯及聚烯烴的第一聚合組成物所製得，該聚偏二氟乙烯與該聚烯烴的重量比範圍為1：9至9：1；該第二PTC聚合物材料層包括一第二聚合物基材及一分散於該第二聚合物基材中的微粒導電填料，該第二聚合物基材是由一第二聚合組成物所製得，該第二聚合組成物含有聚烯烴及聚偏二氟乙烯中的至少其中一種；當該第二聚合組成物含有聚烯烴及聚偏二氟乙烯 時，該第二聚合組成物的該聚偏二氟乙烯與該聚烯烴的重量比不於1：9至9：1的範圍內；及該過電流保護裝置的跳脫表面溫度範圍為110~150℃，崩壞電壓範圍為30~100V。
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| CN104788818A (zh) * | 2015-04-09 | 2015-07-22 | 郑州大学 | Ptc强度可调控的ptc聚合物基导电复合材料及其制备方法 |
| CN104851540A (zh) * | 2014-02-18 | 2015-08-19 | 富致科技股份有限公司 | Pptc过电流保护装置 |
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2015
- 2015-09-16 TW TW104130630A patent/TWI634569B/zh active
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