WO2017141472A1 - ノズルヘッド、および電界紡糸装置 - Google Patents

Abstract

本発明のノズルヘッド（２）は、原料液が収納される空間を内部に有する本体部（２２）と、導電性を有し、前記本体部（２２）と接続され、前記本体部（２２）の内部に収納された前記原料液を排出する複数のノズル（２０）と、絶縁性を有し、前記複数のノズルを覆うカバー（２３）と、を備えている。

Description

ノズルヘッド、および電界紡糸装置

　本発明の実施形態は、ノズルヘッド、および電界紡糸装置に関する。

　エレクトロスピニング法（電界紡糸法、電荷誘導紡糸法などとも称される）により、微細なファイバを部材の表面に堆積させる電界紡糸装置がある。
　電界紡糸装置には、原料液を排出するノズルが設けられている。この場合、ノズルの数を増やせば生産性を向上させることができる。そのため、複数の針状ノズルを備えたニードル型ノズルヘッドや、複数のノズル孔が設けられた板状のブレード型ノズルヘッドが提案されている。

　ニードル型ノズルヘッドは、針状を呈するノズルの先端において電界集中が生じ易いので、電界強度を高めることができる。そのため、駆動電圧を低くすることができる。しかしながら、ニードル型ノズルヘッドには、針状を呈するノズルの先端に付着した原料液の除去が難しい（クリーニングが難しい）という問題がある。

　ブレード型ノズルヘッドは、複数のノズル孔が設けられた部分が板状であるため、付着した原料液の除去が容易（クリーニングが容易）である。しかしながら、ブレード型ノズルヘッドは、複数のノズル孔が設けられた部分が板状であるため、電界集中が生じ難くなる。電界集中が生じ難くなれば、電界強度を高めることができない。そのため、ブレード型ノズルヘッドには、駆動電圧が高くなるという問題がある。
　そこで、駆動電圧を低減することができ、且つ、クリーニング性に優れたノズルヘッド、および電界紡糸装置の開発が望まれていた。

特開２００２－２０１５５９号公報

　本発明が解決しようとする課題は、駆動電圧を低減することができ、且つ、クリーニング性に優れたノズルヘッド、および電界紡糸装置を提供することである。

　実施形態に係るノズルヘッドは、原料液が収納される空間を内部に有する本体部と、導電性を有し、前記本体部と接続され、前記本体部の内部に収納された前記原料液を排出する複数のノズルと、絶縁性を有し、前記複数のノズルを覆うカバーと、を備えている。

本実施の形態に係る電界紡糸装置１を例示するための模式図である。 カバー２３の材料の比誘電率と、ノズル２０の端部の電界強度の関係を例示するためのグラフ図である。

　以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
　図１は、本実施の形態に係る電界紡糸装置１を例示するための模式図である。
　図１に示すように、電界紡糸装置１には、ノズルヘッド２、原料液供給部３、電源４、収集部５、および制御部６が設けられている。

　ノズルヘッド２は、ノズル２０、接続部２１、本体部２２、および、カバー２３を有する。
　ノズル２０は、所定の間隔を空けて複数設けられている。ノズル２０の数には特に限定がなく、収集体５１の大きさなどに応じて適宜変更することができる。

　ノズル２０は、針状を呈している。ノズル２０の内部には、原料液を排出するための孔が設けられている。原料液を排出するための孔は、ノズル２０の接続部２１側の端部と、ノズル２０の原料液が排出される側の端部（先端）との間を貫通している。ノズル２０の内部に設けられた孔の、原料液が排出される側の開口が排出口２０ａとなる。

　ノズル２０の断面寸法（ノズル２０が円筒状の場合には直径寸法）には特に限定はないが、断面寸法は小さい方が好ましい。断面寸法を小さくすれば、ノズル２０の排出口２０ａの近傍において電界集中が生じ易くなる。ノズル２０の排出口２０ａの近傍において電界集中が生じれば、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界の強度を高めることができる。そのため、電源４により印加される電圧を低くすることができる。すなわち、駆動電圧を低減することができる。この場合、ノズル２０の断面寸法は、例えば、１ｍｍ程度とすることができる。

　排出口２０ａの断面寸法（排出口２０ａが円形の場合には直径寸法）には特に限定はない。排出口２０ａの断面寸法は、形成したいファイバ１００の断面寸法に応じて適宜変更することができる。排出口２０ａの断面寸法は、例えば、２００μｍ以上とすることができる。

　ノズル２０は、導電性材料から形成されている。ノズル２０の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。ノズル２０は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。

　接続部２１は、ノズル２０と本体部２２の間に設けられている。接続部２１は、必ずしも必要ではなく、ノズル２０が本体部２２に直接設けられるようにしてもよい。接続部２１の内部には、原料液を本体部２２からノズル２０に供給するための孔が設けられている。接続部２１の内部に設けられた孔は、ノズル２０の内部に設けられた孔、および、本体部２２の内部に設けられた空間と繋がっている。
　接続部２１は、導電性材料から形成されている。接続部２１の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。接続部２１は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。

　本体部２２は、板状を呈している。本体部２２の内部には、原料液が収納される空間が設けられている。本体部２２の一方の端部には、接続部２１を介してノズル２０が複数設けられている。複数のノズル２０は、所定の間隔を空けて並べて設けられている。なお、複数のノズル２０の配設形態は例示をしたものに限定されるわけではない。例えば、複数のノズル２０は、一列に並べて設けることもできるし、円周上あるいは同心円上に並べて設けることもできるし、マトリクス状に並べて設けることもできる。

　また、本体部２２には、供給口２２ａが設けられている。原料液供給部３から供給された原料液は、供給口２２ａを介して本体部２２の内部に導入される。供給口２２ａの配設位置と数には、特に限定はない。供給口２２ａは、例えば、本体部２２の、ノズル２０が設けられる側とは反対側に設けることができる。

　ここで、排出口２０ａの近傍にある原料液が、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部近傍に付着する場合がある。付着した原料液が固まると、排出される原料液の量が少なくなったり、原料液が排出されなくなったりするおそれがある。そのため、必要に応じて、あるいは定期的に、ノズル２０の端部近傍をクリーニングしている。一般的に、ノズル２０の端部近傍に付着した原料液は、固化する前に拭き取るようにしている。

　ところが、ノズル２０は針状を呈しているため、強度が低い。そのため、複数のノズル２０を一本ずつクリーニングする必要がある。その結果、クリーニングに要する時間が長くなる。また、クリーニング作業が煩雑となる。さらに、複数のノズル２０の端部近傍に付着した原料液を直接拭き取るようにすると、ノズル２０が曲がったり、ノズル２０が破損したりするおそれがある。この場合、ノズル２０が曲がると、意図した領域に堆積体１１０が形成されなくなるおそれがある。
　そこで、複数のノズル２０を覆うカバー２３を設けるようにしている。

　図１に例示をしたカバー２３は、複数のノズル２０および複数の接続部２１を覆うように設けられている。
　この場合、カバー２３は、複数のノズル２０のみを覆うようにしてもよい。
　カバー２３の内部には、ノズル２０および接続部２１が挿入される孔が設けられている。なお、複数の接続部２１が設けられない場合や、複数のノズル２０の、原料液が排出される側の端部近傍のみを覆う場合には、カバー２３の内部にはノズル２０が挿入される孔が設けられる。

　ノズル２０の、原料液が排出される側の端部と本体部２２との間の距離は、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａと本体部２２との間の距離と同じとなるようにすることが好ましい。すなわち、ノズル２０の端部の位置は、カバー２３の端面の位置と同じとなるようにすることが好ましい。
　この様にすれば、原料液は、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａに付着するので、原料液を一度に拭き取ることができる。そのため、クリーニング性を向上させることができる。

　また、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部と本体部２２との間の距離は、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａと本体部２２との間の距離より短くなるようにすることもできる。すなわち、ノズル２０の先端部がカバー２３の内部にあるようにすることもできる。
　この様にしても、カバー２３の端面２３ａに付着した原料液を一度に拭き取ることができる。

　ただし、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部と、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａとの間の距離が長くなりすぎると（ノズル２０の先端部の端面２３ａからの入り込み寸法が長くなりすぎると）、ノズル２０の端部において電界集中が生じにくくなる。本発明者の得た知見によれば、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部と、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａとの間の距離は、１ｍｍ以下とすることが好ましい。この様にすれば、電界強度が低下するのを抑制することができる。

　また、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部と本体部２２との間の距離は、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａと本体部２２との間の距離より長くなるようにすることもできる。すなわち、ノズル２０の先端部がカバー２３から突出しているようにすることができる。

　ただし、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部と、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａとの間の距離が長くなりすぎると（ノズル２０の先端部の端面２３ａからの突出寸法が長くなりすぎると）、カバー２３の端面に付着した原料液を拭き取りにくくなる。本発明者の得た知見によれば、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部と、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａとの間の距離は、１ｍｍ以下とすることが好ましい。すなわち、ノズル２０の端部の突出寸法は、１ｍｍ以下とすることが好ましい。この様にすれば、クリーニング性が悪化するのを抑制することができる。
　以上に説明したように、ノズル２０の、原料液が排出される側の端部は、カバー２３の、原料液が排出される側の端面２３ａの近傍（端面２３ａを基準としてノズル２０が延びる方向に±１ｍｍ以内）に設けられるようにすることができる。

　次に、カバー２３の材料について説明する。
　図２は、カバー２３の材料の比誘電率と、ノズル２０の端部の電界強度の関係を例示するためのグラフ図である。
　ノズル２１の数は１１としている。中央に設けられたノズル２０の番号を「１」とし、左側に設けられたノズル２０の番号を３、５、７、９、１１とし、右側に設けられたノズル２０の番号を２，４、６、８、１０としている。また、電界強度の分布は、ノズル番号１を中心に線対称となるので、左側に設けられたノズル２０のみ（奇数番号のノズル２０のみ）を表している。

　また、図２中のＡ１は、カバー２３が設けられない場合である。
　Ａ２は、導電性を有するカバー２３が設けられた場合である。
　Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、およびＣ５は、絶縁性を有するカバー２３が設けられた場合である。
　Ｂは、カバー２３の材料の比誘電率が２の場合である。
　Ｃ１は、カバー２３の材料の比誘電率が３の場合である。
　Ｃ２は、カバー２３の材料の比誘電率が４の場合である。
　Ｃ３は、カバー２３の材料の比誘電率が５の場合である。
　Ｃ４は、カバー２３の材料の比誘電率が６の場合である。
　Ｃ５は、カバー２３の材料の比誘電率が９の場合である。

　図２から分かるように、カバー２３を設けるとノズル２０の端部（ノズル２０の原料液が排出される側の端部）の電界強度は低下する。すなわち、カバー２３を設けると、ノズル２０の端部において電界集中が生じにくくなる。
　この場合、図２中のＡ２から分かるように、導電性を有するカバー２３とするとノズル２０の端部の電界強度は著しく低下する。すなわち、Ａ２の場合におけるノズル２０の端部の電界強度は、Ａ１の場合におけるノズル２０の端部の電界強度の１／３．５程度となる。
　そのため、カバー２３は、絶縁性を有するものとすることが好ましい。

　また、図２中のＢ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、およびＣ５から分かるように、絶縁性を有するカバー２３とした場合には、カバー２３の材料の比誘電率によりノズル２０の端部の電界強度が変化する。
　図２中のＢ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、およびＣ５から分かるように、比誘電率が２以上、５未満の材料を用いてカバー２３を形成すれば、ノズル２０の端部の電界強度が低下するのを抑制することができる。

　絶縁性を有し、比誘電率が２以上、５未満の材料は、例えば、樹脂材料や無機材料などとすることができる。
　樹脂材料は、例えば、フッ素樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチロール樹脂、エチレン樹脂、メタクリル樹脂、スチレン樹脂、スチロール樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、エボナイト樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、フェノール樹脂、ナイロン、シリコン樹脂、ポリアセタール樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ベークライト、メラミン樹脂などとすることができる。
　無機材料は、例えば、シリカアルミナ、酸化シリコン、シリコンなどとすることができる。
　なお、カバー２３の材料は、例示をしたものに限定されるわけではない。

　後述するように、原料液には溶媒が含まれている。そのため、カバー２３の材料は、原料液に対する耐性が高く、比誘電率がなるべく低く、原料液との密着性が低いものとすることがより好ましい。
　この様な材料とすれば、カバー２３の損傷を抑制することができ、ノズル２０の端部の電界強度が低下するのを抑制することができ、クリーニングを容易とすることができる。
　この様な材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂を例示することができる。

　図１に示すように、原料液供給部３は、収納部３１、供給部３２、制御部３３、および配管３４を有する。
　収納部３１は、原料液を収納する。収納部３１は、原料液に対する耐性を有する材料から形成されている。収納部３１は、例えば、ステンレスなどから形成することができる。

　原料液は、高分子物質を溶媒に溶解したものである。
　高分子物質には特に限定がなく、形成したいファイバ１００の材質に応じて適宜変更することができる。高分子物質は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ナイロン、アラミドなどとすることができる。

　溶媒は、高分子物質を溶解することができるものであればよい。溶媒は、溶解させる高分子物質に応じて適宜変更することができる。溶媒は、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、ベンゼン、トルエンなどとすることができる。
　なお、高分子物質および溶媒は、例示をしたものに限定されるわけではない。

　後述するように、原料液は、表面張力により排出口２０ａの近傍に留まる様にされる。そのため、原料液の粘度は、排出口２０ａの寸法などに応じて適宜変更することができる。原料液の粘度は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。また、原料液の粘度は、溶媒と高分子物質の混合割合により制御することができる。

　供給部３２は、収納部３１に収納されている原料液を本体部２２に供給する。供給部３２は、例えば、原料液に対する耐性を有するポンプなどとすることができる。また、供給部３２は、例えば、収納部３１にガスを供給し、収納部３１に収納されている原料液を圧送するものとすることもできる。

　制御部３３は、本体部２２に供給される原料液の流量、圧力などを制御して、新しい原料液が本体部２２の内部に供給された際に、本体部２２の内部にある原料液が排出口２０ａから押し出されないようにする。なお、制御部３３に対する制御量は、排出口２０ａの寸法や原料液の粘度などにより適宜変更することができる。制御部３３に対する制御量は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。
　また、制御部３３は、原料液の供給の開始と、供給の停止を切り替えるものとすることもできる。

　なお、供給部３２および制御部３３は、必ずしも必要ではない。例えば、本体部２２の位置より高い位置に収納部３１を設けるようにすれば、重力を利用して原料液を本体部２２に供給することができる。そして、収納部３１の高さ位置を適宜設定することで、本体部２２の内部にある原料液が排出口２０ａから押し出されないようにすることができる。なお、収納部３１の高さ位置は、排出口２０ａの寸法や原料液の粘度などにより適宜変更することができる。収納部３１の高さ位置は、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。

　配管３４は、収納部３１と供給部３２との間、供給部３２と制御部３３との間、制御部３３と本体部２２との間に設けられている。配管３４は、原料液の流路となる。配管３４は、原料液に対する耐性を有する材料から形成されている。

　電源４は、本体部２２および接続部２１を介してノズル２０に電圧を印加する。なお、本体部２２とカバー２３の間に、複数のノズル２０と電気的に接続された図示しない端子を設けるようにしてもよい。この場合、電源４は、図示しない端子を介してノズル２０に電圧を印加する。すなわち、電源４から複数のノズル２０に電圧が印加できるようになっていればよい。

　ノズル２０に印加する電圧の極性は、プラスとすることもできるし、マイナスとすることもできる。なお、図１に例示をした電源４は、ノズル２０にプラスの電圧を印加する。
　ノズル２０に印加する電圧は、原料液に含まれる高分子物質の種類、ノズル２０と収集体５１との間の距離などに応じて適宜変更することができる。例えば、電源４は、ノズル２０と収集体５１との間の電位差が１０ｋＶ以上となるように、ノズル２０に電圧を印加するものとすることができる。
　電源４は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源４は、例えば、１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下の直流電圧を出力するものとすることができる。

　収集部５は、収集体５１、堆積調整部５２、および電源５３を有する。
　収集体５１は、複数のノズル２０の原料液が排出される側に設けられている。収集体５１は、接地されている。収集体５１には、ノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧を印加するようにしてもよい。収集体５１は、導電性材料から形成することができる。収集体５１の材料は、導電性と原料液に対する耐性を有するものとすることが好ましい。収集体５１の材料は、例えば、ステンレスなどとすることができる。
　収集体５１は、例えば、板状やシート状を呈するものとすることができる。シート状を呈する収集体５１の場合には、ロール等に巻きつけられた収集体５１にファイバ１００を堆積させるようにしてもよい。

　また、収集体５１は、移動するものであってもよい。例えば、一対の回転ドラムと、回転ドラムを回転させる駆動部を設け、ベルトコンベアのように一対の回転ドラムの間を収集体５１が移動するようにしてもよい。この様にすれば、ファイバ１００を堆積させる領域を移動させることができるので、連続的な堆積作業が可能となる。そのため、ファイバ１００からなる堆積体１１０の生産効率を向上させることができる。

　収集体５１の上に形成された堆積体１１０は、収集体５１から取り外される。堆積体１１０は、例えば、不織布やフィルタなどに用いられる。なお、堆積体１１０の用途は例示をしたものに限定されるわけではない。

　また、収集体５１は、省くこともできる。例えば、導電性を有する部材の表面に、ファイバ１００からなる堆積体１１０を直接形成することもできる。この様な場合には、導電性を有する部材を接地したり、導電性を有する部材にノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧を印加したりすればよい。

　堆積調整部５２は、収集体５１の、ノズル２０が設けられる側とは反対側に設けられている。
　堆積調整部５２は、導電性材料から形成されている。堆積調整部５２は、例えば、ステンレスなどの金属から形成することができる。
　堆積調整部５２の収集体５１側の端部は尖っている。堆積調整部５２の収集体５１側の端部が尖っていれば、電界集中が生じ易くなる。そのため、ノズル２０と堆積調整部５２の間に電界を形成するのが容易となる。

　電源５３は、堆積調整部５２に電圧を印加する。電源５３は、ノズル２０に印加される電圧と逆極性の電圧を堆積調整部５２に印加する。電源５３は、例えば、直流高圧電源とすることができる。電源５３は、例えば、１０ｋＶ以上１００ｋＶ以下の直流電圧を出力するものとすることができる。

　ノズル２０に印加する電圧と逆極性の電圧が堆積調整部５２に印加されると、ノズル２０と堆積調整部５２の間にも電界が形成される。ノズル２０と収集体５１の間に形成された電界は、ノズル２０と堆積調整部５２の間に形成された電界の影響を受けて変化する。
　後述するように、ノズル２０の排出口２０ａの近傍にある原料液は、電気力線に沿って作用する静電力によって引き出される。そのため、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を変化させれば、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させることができる。
　すなわち、堆積調整部５２は、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を変化させて、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させる。

　堆積調整部５２および電源５３を設ける様にすれば、堆積させたい領域にファイバ１００を堆積させることが容易となる。
　また、堆積調整部５２および電源５３を設ける様にすれば、堆積体１１０の厚みの均一化、ファイバ１００の局所的な堆積、堆積体１１０に形成されたピンホール等の開口部分の補修などを行うことができる。

　また、堆積調整部５２に印加される電圧を制御することで、ノズル２０と堆積調整部５２の間に形成される電界、ひいては、ノズル２０と収集体５１の間に形成される電界を制御することができる。

　また、図１中のＸ方向（複数のノズル２０が並ぶ方向）に堆積調整部５２を移動させる図示しない駆動装置を設けることができる。堆積調整部５２を移動させる様にすれば、電界の制御がより容易となる。
　また、堆積調整部５２は、複数設けられる様にしてもよい。

　制御部６は、供給部３２、制御部３３、電源４、および電源５３の動作を制御する。
　制御部６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリなどを備えたコンピュータとすることができる。

　次に、電界紡糸装置１の作用について説明する。
　原料液は、表面張力によりノズル２０の排出口２０ａの近傍に留まっている。
　電源４は、ノズル２０に電圧を印加する。すると、排出口２０ａの近傍にある原料液が所定の極性に帯電する。図１に例示をしたものの場合には、排出口２０ａの近傍にある原料液がプラスに帯電する。

　収集体５１は、接地されているので、ノズル２０と収集体５１の間に電界が形成される。そして、電気力線に沿って作用する静電力が表面張力より大きくなると、排出口２０ａの近傍にある原料液が静電力により収集体５１に向けて引き出される。引き出された原料液は、引き伸ばされ、原料液に含まれる溶媒が揮発することでファイバ１００が形成される。形成されたファイバ１００が収集体５１の上に堆積することで、堆積体１１０が形成される。

　また、堆積調整部５２に印加する電圧、および堆積調整部５２の位置の少なくともいずれかを制御することで、ファイバ１００を堆積させる領域を変化させることができる。

　以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (5)

1. 　原料液が収納される空間を内部に有する本体部と、
   　導電性を有し、前記本体部と接続され、前記本体部の内部に収納された前記原料液を排出する複数のノズルと、
   　絶縁性を有し、前記複数のノズルを覆うカバーと、
   　を備えたノズルヘッド。
2. 　前記カバーの材料の比誘電率は、２以上、５未満である請求項１記載のノズルヘッド。
3. 　前記ノズルの前記原料液が排出される側の端部は、前記カバーの前記原料液が排出される側の端面の近傍に設けられている請求項１または２に記載のノズルヘッド。
4. 　前記ノズルの前記原料液が排出される側の端部と前記本体部との間の距離は、前記カバーの前記原料液が排出される側の端面と前記本体部との間の距離と同じである請求項１または２に記載のノズルヘッド。
5. 　請求項１～４のいずれか１つに記載のノズルヘッドと、
   　前記ノズルヘッドに原料液を供給する原料液供給部と、
   　前記ノズルヘッドに所定の極性の電圧を印加する電源と、
   　を備えた電界紡糸装置。

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