纳米材料与导电塑料.docx
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纳米材料与导电塑料
纳米材料
从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下(注1米=100厘米,1厘米=10000微米,1微米=1000纳米,1纳米=10埃),即100纳米以下。
因此,颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也是一种纳米材料。
纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的,后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomaterial),是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。
由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。
并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米材料比表面积研究是非常重要的,纳米材料比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的,国内目前有很多仪器只能做直接对比法的检测,现在国内也被淘汰了。
目前国内外比表面积测试统一采用多点BET法,国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的,请参看我国国家标准(GB/T19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。
比表面积检测其实是比较耗费时间的工作,由于样品吸附能力的不同,有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间,如果测试过程没有实现完全自动化,那测试人员就时刻都不能离开,并且要高度集中,观察仪表盘,操控旋钮,稍不留神就会导致测试过程的失败,这会浪费测试人员很多的宝贵时间。
F-Sorb2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器(兼备直接对比法),更重要的F-Sorb2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备,其测试结果与国际一致性很高,稳定性也很好,同时减少人为误差,提高测试结果精确性。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子(nanoparticle)组成。
纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1~100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。
其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产(超微粉、镀膜、纳米改性材料等),性能检测技术(化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能)。
纳米加工技术包含精密加工技术(能量束加工等)及扫描探针技术。
纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。
纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能的不安定原子。
这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。
就熔点来说,纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。
一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质。
因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时,将成为优异的磁性材料。
纳米粒子的粒径(10纳米~100纳米)小于光波的长,因此将与入射光产生复杂的交互作用。
金属在适当的蒸发沉积条件下,可得到易吸收光的黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。
纳米材料因其光吸收率大的特色,可应用于红外线感测器材料。
纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段,美、日、德等少数国家,虽然已经初具基础,但是尚在研究之中,新理论和技术的出现仍然方兴未艾。
我国已努力赶上先进国家水平,研究队伍也在日渐壮大。
纳米材料分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。
其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础。
纳米粉末:
又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。
可用于:
高密度磁记录材料;吸波隐身材料;磁流体材料;防辐射材料;单晶硅和精密光学器件抛光材料;微芯片导热基片与布线材料;微电子封装材料;光电子材料;先进的电池电极材料;太阳能电池材料;高效催化剂;高效助燃剂;敏感元件;高韧性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷发动机等);人体修复材料;抗癌制剂等。
纳米纤维:
指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。
可用于:
微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料;新型激光或发光二极管材料等。
纳米膜:
纳米膜分为颗粒膜与致密膜。
颗粒膜是纳米颗粒粘在一起,中间有极为细小的间隙的薄膜。
致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。
可用于:
气体催化(如汽车尾气处理)材料;过滤器材料;高密度磁记录材料;光敏材料;平面显示器材料;超导材料等。
纳米块体:
是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。
主要用途为:
超高强度材料;智能金属材料等。
纳米材料的用途
很广,主要用途有:
医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。
纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。
使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。
计算机在普遍采用纳米材料后,可以缩小成为“掌上电脑”。
环境保护环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。
这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而消除污染。
纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料,经抽丝、织布,可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装,可用于制造抗菌内衣、用品,可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
纳米材料的发展简况
中国在纳米科技领域的研究起步较早,基本上与国际发展同步。
中国已经初步具备开展纳米科技的研究条件,国家重点研究机构及相关高科技技术企业对纳米材料的研究步伐不断加快;近年来,中国在纳米材料与技术的基础研究领域取得了一些国际领先的成果。
这些都为实现跨越式发展提供了可能。
中国在经济高速发展,在节省能源和节省资源方面,纳米材料和纳米技术将发挥重要作用。
结合国家战略需求,纳米材料和纳米技术在能源、环境、资源和水处理产业应用近年来出现了良好的开端。
纳米净化剂、纳米助燃剂、纳米固硫剂、用于水处理的纳米絮凝剂等新型产品相继开发成功,在这些产品基础上,发展了一些新型纳米产业,前景看好。
到2011年,全球纳米材料的需求将达到42亿美元,到2025年,将增加到1000亿美元。
到2025年,纳米材料的应用将大大超出原有的应用范围,如半导体制作用的研磨液、高性能超硬的塑料合成物质、透明的防晒产品、其它的个人护理用品、自洁净玻璃、高档运动设备等。
纳米材料的发展与应用
纳米发展小史
1959年,闻名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。
费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。
1991年,美国科学家成功地合成了碳纳米管,并发现其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,因此称之为超级纤维。
这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。
1999年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。
什么是纳米材料
纳米(nm)是长度单位,1纳米是10-9米(十亿分之一米),对宏观物质来说,纳米是一个很小的单位,不如,人的头发丝的直径一般为7000-8000nm,人体红细胞的直径一般为3000-5000nm,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。
一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:
一是材料的特征尺寸在1-100nm之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些非凡物理化学特性。
1、纳米技术在防腐中的应用
由加拿大万达科技(无锡)有限公司与全国涂料工业信息中心联合举办的无毒高效防锈颜料及其在防腐蚀涂料中的应用研讨会近日在无锡召开。
中国工程院院士、装甲兵工程学院徐滨士教授,上海交通大学李国莱教授,中化建常州涂料化工研究院钱伯荣总工等业内知名人士分别在会上作了报告,与会者共同探讨了纳米技术在防锈颜料中及涂料中的应用、无毒高效防锈颜料在防腐蚀涂料中的应用以及新型防锈涂料和防锈试验方法发展等课题。
徐院士就当前纳米技术的发展情况作了简单介绍,他指出:
纳米技术的研究对人类的发展、世界的进步起着至关重要的作用,谁把握了纳米技术,谁就站在了世界的前列。
我国纳米技术的研究因起步较早,现基本能与世界保持同步,在某些领域甚至超过世界同行业。
作为国内表面处理这一课题的领头人,徐院士重点谈了纳米技术对防锈颜料及涂料发展的促进作用。
他说,此前我国防锈颜料的开发整体水平落后于西方发达国家,仍然以红丹、铬酸盐、铁系颜料、磷酸锌等传统防锈颜料为主。
红丹因其污染严重,对人体的伤害很大,目前已被许多国家相继淘汰和禁止使用;磷酸锌防锈颜料虽然无毒,但由于改性技术原因,性能并不理想,加上价格太贵,难以推广;而三聚磷酸铝也因价格原因未能大量应用。
国外公司如美国的Halox、Sherwin-williams、Mineralpigments、德国的Hrubach、法国的SNCZ、英国的BritishPetroleum、日本的帝国化工公司均推出了一系列无毒防锈颜料,有的性能不错,甚至已可与铬酸盐相比,但均因价格太高,国内尚未引进。
我国防锈涂料业亟待一种无毒无害、性能优异而又价格低廉的防锈颜料来提升防锈涂料产品的整体水平,增强行业的国际竞争力。
中化建常州涂料化工研究院高级工程师沈海鹰代表常州涂料院,在题为《无毒高效防锈颜料在防腐蚀涂料中的应用》报告中,具体介绍了复合铁钛醇酸防锈漆及复合铁钛环氧防锈漆的生产工艺、生产或使用注重事项、防锈漆技术指标及其与铁红、红丹同类防锈漆主要性能的比较。
在红丹价格一路攀升的今天,这一信息无疑给各涂料生产厂商提供了巨大的参考价值,会场气氛十分热烈,与会者纷纷提出各种问题。
万达科技(无锡)有限公司总工程师李家权先生就复合铁钛防锈颜料的防锈机理、生产工艺、载体粉的选择、产品各项性能指标及纳米材料的预处理方法等一一做了具体介绍。
目前产品已通过国家涂料质量监督检测中心、铁道部产品质量监督检验中心车辆检验站、机械科学院武汉材料保护研究所等国内多家权威机构的分析和检测,同时还经过加拿大国家涂料信息中心等国外权威机构的技术分析,结果表明其具有目前国内外同类产品无可比拟的防锈性能和环保优势,是防锈涂料领域划时代产品,为此获得了中国专利技术博览会金奖。
复合铁钛粉及其防锈漆通过国家权威机构的鉴定后已在多个工业领域得到应用,并已由解放军总装备部作为重点项目在全军部分装备上全面推广使用。
本次会议的成功召开,标志着我国防锈涂料产业新一轮的变革即将开始,它掀开了我国防锈涂料朝高品质、高技术含量、高效益及全环保型发展的崭新一页。
其带来的经济效益、社会效益不可估量。
这是新型防锈颜料向传统防锈颜料宣战的开始,也吹响了我国防锈涂料业向高端防锈涂料市场发起冲击的号角。
2、纳米材料在涂料中应用展前景猜测
据估算,全球纳米技术的年产值已达到500亿美元。
目前,发达国家政府和大的企业纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。
美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心,2001年年初把纳米技术列为国家战略目标,在纳米科技基础研究方面的投资,从1997年的1亿多美元增加到2001年近5亿美元,预备像微电子技术那样在这一领域独占领先地位。
日本也设立了纳米材料中心,把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点,将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域。
德国也把纳米材料列入21世纪科研的战略领域,全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。
在人类进入21世纪之际,纳米科学技术的发展,对社会的发展和生存环境改善及人体健康的保障都将做出更大的贡献。
从某种意义上说,21世纪将是一个纳米世纪。
由于表面纳米技术运用面广、产业化周期短、附加值高,所形成的高新技术和高技术产品、以及对传统产业和产品的改造升级,产业化市场前景极好。
在纳米功能和结构材料方面,将充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、敏感特性、催化与化学特性等开发高技术新产品,以及对传统材料改性;将重点突破各类纳米功能和结构材料的产业化关键技术、检测技术和表征技术。
多功能的纳米复合材料、高性能的纳米硬质合金等为化工、建材、轻工、冶金等行业的跨越式发展提供了广泛的机遇。
预期十五期间,各类纳米材料的产业化可能形成一批大型企业或企业集团,将对国民经济产生重要影响;纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领域,将产生新的经济增长点。
纳米技术在涂料行业的应用和发展,促使涂料更新换代,为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。
我国每年房屋竣工面积约为18亿平方米,年增长速度大约为3%。
18亿平方米的建筑若全部采用建筑涂料装饰则总共需建筑涂料近300万吨,约200~300亿元的市场。
目前,我国建筑涂料年产量仅60多万吨,世界现在涂料年总产量为2500万吨,每人每年消耗4千克,为发达国家的1/10,中国人年均涂料消费只有1。
5千克。
因而,建筑涂料具有十分广阔的发展前景。
纳米涂料已被认定为北京奥运村建筑工程的专用产品,展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。
它利用独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解,消除作用。
对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能,使室内空气更加清新。
经测试,对各种霉菌的杀抑率达99%以上,有长期的防霉防藻效果。
纳米改性内墙涂料,实际上是高级的卫生型涂料,适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。
纳米改性外墙涂料,利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理,较低的表面张力,具有高强的附着力,漆膜硬度高且有韧性,优良的自洁功能,强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力,疏水性极佳,轻易清洗污物的性能。
耐洗性大于15000次,具有良好的保光保色性能,抗紫外线能力极强。
使用寿命达15年以上。
颗粒径细小,能深入墙体,与墙面的硅酸盐类物质配位反应,使其牢牢结合成一体,附着力强,不起皮,不剥落,抗老化。
其纳米抗冻性功能涂料,除具备纳米型涂料各种优良性之外,可在-10℃到-25℃之内正常施工。
突破了建筑涂料要求墙体湿度在10%以下的规定,使建筑行业施工缩短了工期,提高了功效,又创造出高质量,一举三得,所以备受建筑施工单位的欢迎。
由于目前应用纳米材料对涂料进行改性尚处在初级阶段,技术、工艺还不太成熟,需要探索和改进。
但涂料的各种性能得到某些改进的试验结果足以证实,纳米改性涂料的市场前景是非常好的。
纳米材料的发展
摘要]21世纪是一个科学技术飞速发展的时代,人类却面临着许多资源(如:
海洋资源、森林资源、水资源等)的挑战。
然而,纳米材料的出现也是人类对能源现状的挑战。
纳米材料是尺度在1-100nm的微小颗粒组成的体系,它由于具有独特的性能而倍受关注。
本文综述了近几年来纳米材料的研究进展,着重从纳米材料的制备、微观结构、力学性能等的研究现状作了一个概述,并简述了纳米材料的应用及面临的问题。
纳米材料将成为新世纪信息时代的核心。
关键词:
纳米材料、制备及合成、微观结构、性能。
TheDevelopmentof NsMaterial
WangXiwu (PhysicsdepartermentofBaojicollegeofartsandscience)
Abstract:
The21stcenturyisaperiodthatscienceandtechnologydevelopsrapidly,whilethehumanbeingisfacedwiththechallengeofthereductioninmanyresources(Suchasthesearesources,theforestresourcesandthewaterresources).ThustheappearanceofNsmaterialisalsoachallengeposedbythehumanbeingtopresentsituationofnaturalresources.Beingasystemformedbytinyspotsmeasuredbetween1to100NS,NSmaterialarousemanypeople'sattentionforitsuniqueproperties.ThispapertracestheprogressmadeinrecentyearsonNSmaterialandgivesasummarytoNSmaterialfromtheaspectsofitsmaking、itsmicroorganismandMechanicspropertiestogetherwiththeapplicationofNSmaterialandproblemsconfrontedthehumanbeing。
NSmaterialwillbecomethecoreoftheInformationAgeofthenewcentury.
Keywords:
NSmaterial、Makingandcompound、micro-organism、property;
1引言
"纳米"是一个很小的长度计量单位。
1纳米等于十亿分之一米(10-9m),纳米的尺度比原子尺寸略大(约为十几个原子排列起来那么大),大约相当于一根头发丝直径的百万分之一。
纳米材料(NsMaterial)的概念最初是在80年代初期由德国学者Gleiter教授提出并首次获得人工制备的纳米晶体。
纳米材料又称超微材料,是由微小颗粒--绝大多数是晶体,其特征尺度至少在一个方向上为纳米数量级组成的固体。
其典型的晶体尺度为1~100nm。
起初,Gleiter教授认为:
当把纳米级的超微粒子压成一个三维块体后,就会形?
quot;晶界",而"晶界"缺陷处的原子必然会产生许多特异的性质,从而影响材料的性能。
很显然,如果将10nm大小的纳米粒子压成三维的纳米结构材料后,这种材料具有高密度的"缺陷"--有相当于30%~40%的原子处于"晶界"上,而这种原子处于一种结构尚不明了,有别于晶体材料和非晶体材料的环境中,这种结构差异必然导致纳米结构的三维材料具有十分新颖的性能,而这种材料必将具有广阔的应用前景。
在这种简单的想法下Gleiter所领导的研究小组开始了有关纳米结构大块材料的研究,并取得了预期的效果,从而在世界范围内掀起了纳米结构材料的研究热潮。
美国成立了纳米研究中心;日本制定了庞大的国家规模的纳米科技研究规划,并将超微粒子技术列为材料科学的四大研究任务之一。
20世纪90年代以来随着纳米技术的发展,更主要的是由于电子工业的技术革命对高密度、高容量电子材料的需求及STM(扫描电镜)等表征手段的出现,使得纳米材料这一领域的研究得以飞速发展,形成了纳米技术与纳米材料相结合的纳米科学。
1990年7月在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议标志着这一全新技术--纳米科技的正式诞生。
根据具有纳米尺度的维数,可以将纳米材料划分为:
零维(原子团簇和超维粒子)、一维(纳米管、线)、二维(纳米薄膜、多层膜)及三维块体材料(又原子团簇及超维粒子组成)。
而广义的纳米材料则主要包括:
(1)纳米晶体和纳米玻璃材料;
(2)金属半导体或聚合物纳米管和纳米薄膜;(3)金属键、共价键或分子组合构成的纳米复合材料;(4)人造超晶格和量子阱结构;(5)半结晶聚合物和聚合物混合物。
目前世界各国对纳米材料的研究主要包括纳米材料制备中的科学技术问题、纳米结构表征与评估方法、纳米材料物理化学性质的测试方法、特别是纳米微区分析技术、纳米材料物理化学性质的特殊变化规律和产生机理、纳米材料的应用与服役过程中的老化失效问题等。
2纳米材料的制备及合成
自从Gleiter等首次用惰性气体凝聚法结合原位冷压成型法在实验室制备出纳米晶体的样品以来,又提出和发展了机械研磨法、非晶态晶化法、电沉积法等许多种制备方法。
纳米材料的制备及合成方法一直是纳米材料研究领域中的一个很重要的课题。
因为制备工艺和过程的研究与控制对超微粒的微观结构和宏观性能具有重要的影响,所以纳米超微粒的制备技术成为关键。
制备纳米超微粒的途径大致有两种:
一是粉碎法,即通过机械作用将粗颗粒逐步粉碎而得到;另一种是造粉法,即利用原子、粒子或分子通过成核和长大两个阶段合成而得。
目前在制备及合成技术中存在两个主要的困难:
(1)目前的合成技术难以合成理想的,即大尺寸、无污染、无微空隙且晶粒尺寸大小的纳米样品。
它对研究纳米材料的晶粒尺寸效应、对结构与性质的关系是至关重要的。
但运用以上方法均难以达到这一目标。
例如用惰性气体的冷凝法制备的超细微粉冷压合成技术,其工艺复杂、成本高、且冷压合成的样品中含有大量的微孔隙;机械研磨法造成的污染及氧化难以去除,且造成样品内部有严重的内应力;非晶态晶化法受原材料形状的限制,要获得三维大尺寸的纳米材料还需要改进制备工艺。
(2)由于成本昂贵、样品尺寸及材料类型的限制,使得大多数合成的纳米材料的技术尚难以实现工业化。
目前在获得大体积、接近完全密实的纳米材料样品方面获得了一些进展。
关于纳米材料制备科学的研究主要集中在两个方面:
(1)纳米粉末的制备技术、理论机制和模型,以便提高纳米材料的质量和产量;
(2)纳米粉末的固结技术,以获得密度和微结构可以人为控制的材料。
纳米材料的制备及合成技术必将成为今后一段时间内纳米材料的一个主要的研究方向。
因为它不仅直接影响到对纳米材料的结构和性能的深入研究,而且对它的应用起着决定性的作用。
3纳米材料的晶界结构
最初Glieter等利用多种结构分析(如X射线衍射、中子散射等)研究了纳米材料单质金属晶体的界面
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