KR20020056785A - 상 변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐 및 이를 함유하여개선된 열 보유능을 가지는 물품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상 변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐 및 그의 이용에 관한 것으로서, 상분리 및 과냉각의 문제가 없고 크기도 수 마이크로미터 범위로 줄일 수 있는 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐 및 그의 제조 방법과, 상기 마이크로캡슐을 포함하여 개선된 열 보유능을 가지는 물품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 마이크로캡슐은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-펜타코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, 및 n-트리데칸으로 구성되는 군으로부터 선택되는 상 변화 물질 및 상기 상 변화 물질들의 과냉각을 방지하기 위한 조핵제를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 상 변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐 및 그의 제조 방법과, 상기 마이크로캡슐을 함유하여 열 보유능이 개선된 물품 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 우리나라는 에너지 수입 의존도가 97.5%에 달하고, 이는 국내 총 수입액의 약 20% 가량을 차지하고 있어 심한 에너지 다소비 구조를 보이고 있는 대표적인 나라이다. 이러한 환경에서, 최근 유류가는 계속 상승하고 있어 대체 에너지 개발 및 이용 효율성을 높이기 위한 많은 노력과 연구 개발 및 에너지 절약이 더욱절실히 요구되고 있다.
에너지 효율을 높이기 위한 한 방법으로서, 현재 상 변화 물질을 이용한 축열(蓄熱) 방법이 활발하게 연구되고 있다. 상 변화 물질이란, 특정 온도에서 온도의 변화 없이 고체에서 액체, 또는 액체에서 기체로, 또는 그 반대 방향으로 상(phase)이 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질을 의미한다. 이와 같이 상 변화 물질이 상 변화시 동일한 온도를 유지하면서 흡수 또는 방출하는 열을 잠열(潛熱)이라고 하는데, 상기 고체와 액체 간의 상 변화와 관련된 열을 용융열 또는 융해열이라 하고, 액체 또는 고체와 기체 간의 상 변화와 관련된 열을 기화열이라고 한다. 물은 0℃에서 고체와 액체 사이의 상이 변화하는 물질인데, 0℃에서 얼음이 녹을 때는 80cal/gr의 용융 잠열을 가진다. 즉, 얼음이 물로 바뀔 때는 얼음 1 그램 당 80cal의 열을 주위로부터 흡수할 때까지 0℃를 유지한다. 다양한 온도에서 상 변화를 일으키는 물질들이 무수히 존재한다.
종래에는, 상 변화 물질로서 Na2SO4, CaCl2, NaHSO4등의 무기 수화물 또는 용융염 등을 중심으로 잠열을 이용한 에너지 효율을 높이기 위한 연구를 해 왔다. 그러나, 이들 물질은 상 분리, 심각한 과냉각, 거대한 부피 등의 기술적인 한계로 인하여, 실생활에 적용하기에 어려움이 많았다.
본 발명은 상 변화 물질을 초미세 캡슐화함으로써, 열 효율 증대, 온도 조절, 에너지 절약 효과 및 적용의 다양화를 이루고자 하였다.
이에 따라, 본 발명은 특정 상 변화 물질들로 구성된 군으로부터 선택되는 상 변화 물질을 함유하는 초미세 마이크로캡슐을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 특히, 초미세화에 따른 과냉각이 발생하지 않는 상 변화 물질을 함유하는 초미세 마이크로캡슐을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 상기에서 제공된 상 변화 물질을 함유하는 초미세 마이크로캡슐을 포함함으로써 열 보유능이 개선된 물품을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기 상 변화 물질을 함유하는 초미세 마이크로캡슐을 제조하는 방법 및 상기 방법에 따라 제조된 초미세 마이크로캡슐을 포함하는 물품의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 상기 상 변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐을 포함하는 물품을 제조함으로써, 에너지 효율을 높이고 대체 에너지 개발을 통한 에너지 절약 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 마이크로캡슐 내 상 변화 물질의 과냉각 상태를 나타내는 그래프이다.
도 2는 마이크로캡슐 내에 상 변화 물질과 함께 조핵제를 첨가하였을 때 과냉각 현상이 발생하지 않는 것을 나타내는 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 측면에 따르면,
n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-펜타코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, 및 n-트리데칸으로 구성되는 군으로부터 선택되는 상 변화 물질 및 상기 상 변화 물질들의 과냉각을 방지하기 위한 조핵제를 포함하여 구성되는 마이크로캡슐을 제공한다.
상기 특정 상 변화 물질들은 탄소수 13개 내지 28개를 가지는 파라핀계 탄화수소 물질들로서, 이러한 물질들을 마이크로캡슐화하여 그 표면적을 증가시킴으로써, 상 변화에 따른 잠열을 보다 효율적으로 이용하고자 하는 노력이 있어 왔다.
그러나, 종래 이러한 노력에 따라 제조된 상기 상 변화 물질들을 내포하는 마이크로캡슐들은 그 크기가 마이크로미터 단위로 작아짐에 따라 심각한 과냉각 현상을 나타낸다는 문제점이 있었다. 과냉각이란 각 물질의 융점 이하로 온도가 내려가는 경우에도 물질이 결정화 또는 고화되지 않고 계속 액체 상태를 유지하며, 따라서 고화 또는 액화되는 과정에서 일정한 온도를 유지하며 방출 또는 흡수되는 잠열의 발생을 기대할 수 없는 상태를 의미한다. 과냉각은 마이크로캡슐의 크기를 마이크로미터 단위, 특히 100 마이크로미터 이하로 줄이는 과정에서 그 현상이 급격히 심해지는데, 이는 용융된 액체가 다시 고체로 상 변화를 일으키는 과정에서 액적의 크기가 작아지면서 각 액적 안에 있는 결정화 핵의 숫자가 감소하기 때문인 것으로 알려져 있다. 이와 같이 과냉각이 발생하는 경우, 그러한 물질의 특정한 온도에서의 상 변화에 따른 잠열을 이용하고자 하는 시도는 실패하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 과냉각을 방지하여 상 변화 물질이 융점에서 쉽게 결정화될 수 있도록, 상 변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐이 상 변화 물질과 함께 조핵제를 함유하는 것을 특징으로 한다.
상기 상 변화 물질들의 과냉각을 방지하기에 적절한 조핵제로는 1-옥타코사놀, 1-헵타코사놀, 1-헥사코사놀, 1-펜타코사놀, 1-테트라코사놀, 1-트리코사놀, 1-도코사놀, 1-헤네이코사놀, 1-아이코사놀, 1-노안데카놀, 1-옥타데카놀, 1-헵타데카놀, 1-헥사데카놀, 1-펜타데카놀, 1-테트라데카놀, 및 1-트리데카놀로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질을 들 수 있으나, 이들에 제한되는 것은 아니며, 다양한 조핵제를 더욱 포함할 수 있다.
상술한 조핵제 물질들은 상 변화 물질의 중량에 대해 0.1% 내지 15% 정도 첨가할 수 있으나 그 양은 온도에 따라 달라질 수 있으며, 1% 내지 6% 정도의 범위에서 사용하는 것이 적당하다.
본 발명에 따른 마이크로캡슐은 코아세르베이션법, 계면중합, 또는 인시튜(in-situ)법, 즉 반응기 내에서 즉각적으로 마이크로캡슐화하는 방법 등을 이용하여 제조할 수 있다. 코아세르베이션법은 예컨대 젤라틴과 아라비아껌 벽재의 마이크로캡슐을 제조할 때 이용하는 방법이고, 계면 중합법으로 폴리우레탄 벽재를 사용하는 방법이 있으며, 인시튜 방법은 요소 포름알데히드수지나 멜라민 포름알데히드 수지의 벽재로 마이크로캡슐화 할 때 사용하는 방법이다. 일반적으로, 상 변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐은 화학적 물성이나 산업 적용성이 우수한 멜라민 포름알데히드 수지 벽재로서 제조할 수 있는 인시튜 방법이 적당하다.
본원 발명이 채용한 인시튜 방법에 대하여 좀 더 상세히 설명한다.
먼저, 멜라민과 포름알데히드를 염기성 조건 하에서 적정 몰 비율로 반응시키면서 메틸올 멜라민 유도체를 만들어 마이크로캡슐의 벽재를 준비한다. 코어(core) 물질인 상 변화 물질을 유화제와 강력히 교반, 분산하여 원하는 액적을 만든 다음, 준비된 벽재가 코어 물질의 계면에서 중합 반응이 잘 일어날 수 있도록 하는 화학적인 환경을 만들어, 벽재가 단단하고 치밀하게 경화되어 코어 물질의 상 변화에도 견딜 수 있는 마이크로캡슐을 제조한다.
상기한 바와 같이 제조된 본 발명에 따른 마이크로캡슐의 크기는 직경이 0.1 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터에 이르며, 바람직하게는 0.1 마이크로미터 내지 300 마이크로미터이다. 상 변화 물질을 상기와 같은 단위 크기의 마이크로캡슐로 제조하는 경우, 열 교환할 수 있는 표면적이 증가하게 되어 상 변화 물질의 사용을 효율적으로 할 수 있다.
본 발명에서 마이크로캡슐의 벽재로 사용할 수 있는 적절한 물질로는 멜라민 수지, 요소 수지, 젤라틴, 폴리우레탄, 에폭시, 폴리스티렌, 폴리비닐 알콜 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
한편, 본 발명에 따른 마이크로캡슐에서 상 변화 물질들은, 우선, 치밀하게 중합된 마이크로캡슐의 중합체 매트릭스 벽재에 의하여 싸여지고, 둘째, 그러한 마이크로캡슐을 포함하여 구성되는 물품의 제조시 또 다른 수지에 함입되면서 수지에 의한 제 2의 벽에 의해 둘러싸이므로, 마이크로캡슐 내 상 변화 물질의 누출이 방지되어 반복, 가역적인 사용이 가능하다는 장점도 가진다.
본 발명에서 사용한 바람직한 상 변화 물질들과, 그들의 탄소 원자수 및 용융 온도를 하기 표에 나타내었다.
| 물질명 | 탄소 원자수 | 용융 온도 (℃) |
| n-옥타코산 | 28 | 61.4 |
| n-헵타코산 | 27 | 59.0 |
| n-헥사코산 | 26 | 56.4 |
| n-펜타코산 | 25 | 53.7 |
| n-테트라코산 | 24 | 50.9 |
| n-트리코산 | 23 | 47.6 |
| n-도코산 | 22 | 44,4 |
| n-헤네이코산 | 21 | 40.5 |
| n-아이코산 | 20 | 36.8 |
| n-노나데칸 | 19 | 32.1 |
| n-옥타데칸 | 18 | 28.2 |
| n-헵타데칸 | 17 | 22.0 |
| n-헥사데칸 | 16 | 18.2 |
| n-펜타데칸 | 15 | 10.0 |
| n-테트라데칸 | 14 | 5.9 |
| n-트리데칸 | 13 | -5.5 |
상기 상 변화 물질들을 각기 따로 마이크로캡슐화 하면, 표시된 용융 온도 부근에서 상 변화 물질 1 그램당 약 150J 내지 320J 정도의 용융 잠열을 가진다. 따라서, 상기 각 물질들은 그들의 용융 온도 별로 적절한 용도에서 에너지 효율을 높이기 위해 그들의 잠열을 이용할 수 있다.
예컨대, 상기 상 변화 물질들 중 용융 온도가 20℃ 이상인 것들은 바닥재에 포함시켜 사용할 수 있다. 이러한 물질을 바닥재를 구성하는 수지 또는 골재 등에 함입시켜 바닥재를 제조하면, 상기 바닥재에 열을 가하여 온도가 어느 정도 이상 상승한 경우, 가열을 멈추어 바닥재가 식어가는 과정에서, 상기 마이크로캡슐 내에 함유된 상 변화 물질이 일정 온도에서 다시 고화되면서, 다량의 잠열을 방출하게 된다. 따라서, 가열을 멈춘 경우에도, 보다 긴 시간 동안 바닥재에서 일정 온도를 유지할 수 있게 된다. 이러한 효과는 잉여의 열을 이용할 수 있다는 점에서 에너지 효율적이며, 우리나라와 같이 온돌 시스템을 채택하는 주거 방식에서 특히 효과적이다.
바닥재에 포함될 수 있는 물질들 중에서도, 용융 온도가 20℃ 내지 40℃의 범위에 있는 것은 표면에 직접 노출되는 플라스틱 장판 등의 표면층에 함입시켜 사용할 수 있고, 용융 온도가 40℃ 이상인 것은 표면에 노출되지 않고 보일러 등의 배관을 설치한 보다 아래 부분이나 배관 주위의 콘크리트 기재층에 함입시켜 사용할 수 있다. 또한, 이러한 상 변화 물질을 함유하는 마이크로캡슐을, 석고 보드 타입으로 미리 규격화하여 제작한 단열재 내에 함입시켜 사용하거나, 또는 플라스틱 바닥재의 장판을 구성하는 적절한 수지에 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐을 함입시켜 기존의 바닥재 바로 아래에 덧까는 형식으로 적용할 수 있는 규격화된 플라스틱 바닥재를 제조할 수도 있다.
한편, 상기와 같은 바닥재는, 또한 두 종류 이상의 상 변화 물질들을 각각 함유하는 마이크로캡슐들을 포함하여, 상이한 온도에서 각각의 상 변화에 따른 잠열을 이용하도록 할 수도 있다.
상기 상 변화 물질들 중 용융 온도가 10℃ 내지 38℃ 사이에 있는 물질들은 마이크로캡슐화하여 스키복과 같은 겨울철 방한복 등에 사용할 수 있고, 그 외에도, 소방복, 잠수복, 특수 작업복, 골프웨어, 군복, 모자 및 장갑 등과 같은 다양한 의류 및 신발, 카페트, 담요 등의 물품에도 적용할 수 있다.
상기 물품 외에도, 본 발명에 따라 제조되는 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐을 이용하여 개선된 열 보유능을 가지는 다양한 물품들을 제조할 수 있고, 이들 각 물품은 당해 분야의 기술자들에게 공지된 통상의 방법에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐을 포함하는 바닥재의 경우, 표면층 및 기재층을 구성하는 1개 또는 2개 이상의 층으로 이루어지는 바닥재에 있어서 어느 한 층 또는 둘 이상의 층에 본 발명에 따른 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐을 함입시킴으로써 제조될 수 있다. 이 때 바닥재는, 앞서 언급한 바와 같이, 표면에 노출되는 장판 타입 또는 표면층 아래에 설치되는 별도의 석고 보드 또는 또 하나의 덧까는 형태의 플라스틱 바닥재일 수 있다. 이 때 상기 마이크로캡슐은 표면층을 이루는 다른 수지 또는 석고보드를 구성하는 다른 성분과 혼합되어 함입될 수 있다.
본 발명에 따른 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐을 섬유에 적용하는 경우, 섬유는 직조(woven)된 것, 니트(knit)류, 부직포(non-woven) 등 모든 종류의 섬유, 원사, 파이버 등을 사용할 수 있다. 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐을 상기 섬유 등에 적용하는 방법 역시 당업계의 통상의 기술자들에게 잘 알려진 바와 같이, 방사, 수지 코팅, 패드 타입으로 덧대기, 부직포에 함침시키는 방법, 다운백 형태로 적용하는 방법, 및 날염 등의 방법을 적용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐을 상기한 바와 같은 바닥재 또는 섬유 등과 같이 다양한 물품에 적용할 때에는, 특히 상기 마이크로캡슐을 용도에 따라 여러 종류의 수지와 혼합하여 코팅하거나 날염하는 방법을 사용하는 것이 편리하다. 이러한 목적으로 사용할 수 있는 수지로서, 각종 UV 도료, 아크릴, 폴리우레탄, 실리콘, 라텍스, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 에폭시, 폴리스티렌, 에틸렌/비닐 아세테이트(eva) 공중합체, 고무, 니트릴 고무, 폴리비닐 알콜, 부틸 셀룰로오즈 아세테이트, 클로로프렌 고무, 페놀, 네오프렌 등을 들 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1 및 도 2는 각각 마이크로캡슐 내 상 변화 물질의 과냉각 상태 및 상기 상 변화 물질에 본 발명에 따라 조핵제를 3% 정도 첨가했을 때의 상기 과냉각 상태의 완화를 보여주는 도면이다. 상기 실험을 위해 사용한 상 변화 물질은 옥타데칸이고, 이를 위한 조핵제로서 1-옥타데카놀을 사용하였다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 조핵제를 포함하기 전에 고체인 상 변화 물질은 점 A로 표시한 바와 같이 27.09℃ 근처에서 녹기 시작함에 반하여, 상기 상 변화 물질이 용융된 후 다시 냉각되어 결정화가 이루어지는 온도는 상기 용융 온도인 27.09℃ 근처가 아니라 상기 도면에서 점 B로 나타낸 바와 같이, 14.71℃ 정도로 냉각될 때까지 마이크로캡슐 내 상 변화 물질의 결정화가 일어나지 않는다. 이와 같이, 용융 온도와 실제 결정화 온도 사이의 상태가 과냉각 상태이다. 이 경우 14.71℃ 이하의 온도까지 온도가 저하되지 않으면 기대했던 물질의 결정화는 일어나지 않는다. 따라서, 27.09℃에서 열의 저장은 일어날 수 있으나, 그와 같이 저장된 열, 즉 잠열의 방출은 27℃가 아닌 14℃ 부근에서 일어나기 시작하므로, 상기 과냉각에 의하여, 일정 시간 동안 용융 온도인 27℃ 부근의 온도를 유지하도록 하는 열 효율 증대의 목적은 달성할 수 없게 된다.
도 2를 참조하면, 마이크로캡슐 내에 상기 상 변화 물질과 함께 조핵제인 1-옥타데카놀을 포함시키는 경우, 상 변화 물질의 용융 온도(점 C)와 물질이 실제로 다시 고화되기 시작하는 시점의 온도(점 D)가 모두 26.7℃ 근방으로 거의 동일함을알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 상 변화 물질 함유 마이크로캡슐의 제조 방법은 지금까지 상 변화 물질을 이용한 초미세 마이크로캡슐 제조시 문제로 되었던 과냉각 문제를 해결할 수 있음을 알 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 구성에 따르면, 크기가 수 마이크로미터 단위인 초미세 마이크로캡슐 내에 상 변화 물질 및 조핵제를 함유시킴으로써, 이를 이용한 다양한 물품의 열 보유능을 개선할 수 있고, 따라서 에너지 부족 시대에 에너지 효율을 현저히 증가시켜 대체 에너지로서 이용할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 구체예들은 발명의 바람직한 양상을 설명하기 위한 예로서만 작용하며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 이하 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명의 구성 및 기본 정신으로부터 벗어나지 않는 범위에서, 당업자에 의하여 얼마든지 다양하게 변경, 수정될 수 있을 것이며, 그와 같은 변경이나 수정은 본 발명의 범위에 속한다.
Claims (14)
- n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-펜타코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸, 및 n-트리데칸으로 구성되는 군으로부터 선택되는 상 변화 물질 및 상기 상 변화 물질들의 과냉각을 방지하기 위한 조핵제를 포함하여 구성되는 마이크로캡슐.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조핵제는 1-옥타코사놀, 1-헵타코사놀, 1-헥사코사놀, 1-펜타코사놀, 1-테트라코사놀, 1-트리코사놀, 1-도코사놀, 1-헤네이코사놀, 1-아이코사놀, 1-노안데카놀, 1-옥타데카놀, 1-헵타데카놀, 1-헥사데카놀, 1-펜타데카놀, 1-테트라데카놀, 및 1-트리데카놀로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조핵제는 상 변화 물질의 중량에 대해 0.1% 내지 15% 함유하는 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐.
- 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로캡슐의 크기는 직경이 0.1 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터의 범위인 것을 특징으로 하는 마이크로캡슐.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로캡슐을 포함하여 구성되는 바닥재.
- 제 5 항에 있어서, 상기 바닥재는 하나 이상의 표면층 및 하나 이상의 콘크리트 기재층으로 구성되며, 상기 마이크로캡슐은 상기 표면층 또는 기재층 중 어느 한 층 이상에 포함되어 구성되는 바닥재.
- 제 6 항에 있어서, 상기 표면층은 UV 코팅층 또는 수지 스킨층으로 이루어지며, 상기 마이크로캡슐은 상기 UV 코팅층 또는 수지 스킨층을 구성하는 수지와 혼합되어 함입되는 것을 특징으로 하는 바닥재.
- 제 5 항에 있어서, 상기 바닥재가 석고 보드인 바닥재.
- 제 5 항에 있어서, 상기 바닥재가 플라스틱 수지로 이루어진 장판인 바닥재.
- 제 5 항에 있어서, 상기 바닥재가 서로 상이한 온도에서 상 변화를 일으키는 두 종류 이상의 상 변화 물질들을 각각 함유하는 마이크로캡슐들을 포함하여 구성되는 바닥재.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로캡슐을 포함하여 구성되는 섬유.
- 제 11 항에 있어서, 직조, 니트, 및 부직포로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 섬유.
- 제 11 항에 있어서, 방사, 수지 코팅, 패드 타입으로 덧대기, 다운백 형태로의 적용 및 부직포에 함침시키는 것으로 구성되는 군으로부터 선택되는 방법에 의해 마이크로캡슐을 포함하여 구성되는 섬유.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로캡슐을 포함하여 구성되는 신발.
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