CN105220013A - 一种彩色液态金属及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种彩色液态金属及其制作方法，该彩色液态金属原料包括液态金属、颜料和/或纳米导电颗粒，在实现导电的同时还可呈现各种特定色彩。本发明首次提供了同时兼具液态金属良好导电性和颜料的丰富色彩，可开启彩色印刷电子途径，可显著提升印刷电子的美观性和体验感；同时，也改善了传统液态金属的抗氧化性和防锈特性。
Description
技术领域
本发明属于液态金属材料领域,具体涉及一种彩色液态金属及其制作方法。
背景技术
液态金属通常是指一种在室温附近为液态的金属，如熔点在30℃以下的镓或其合金，也或是在稍高一些温度范围如40℃-200℃期间能呈现液态的低熔点金属合金如铋铟锡锌等材料。以往，由于液态金属的诸多属性和用途长期鲜为人知，这一大类功能材料较少受到全球范围内的学术界和产业界重视。近年来，随着一系列重大进展的取得，液态金属的重要应用价值逐步引起重视。在各种用途中，液态金属材料由于可以液体物态工作，流动性很好，而其本身又具有天然的导电性，因而近年来被引入到新兴的印刷电子、功能器件3D打印领域，成为独特重要的可印刷式电子材料。
然而，已有的液态金属由于其自身物性或合金组成所限，所形成的液态金属自身光泽大多呈银白色，色彩十分单一，这对于工业上不少对色彩和美观程度要求较高的印刷或涂料应用场合，所形成电路与人们的审美观相距较远。事实上，随着社会发展和物质文化生活水平的提高，对于许多新兴电子和消费电子产品，用户不再仅仅只满足于获得其基本的电学功能，对于产品所体现的色彩和体验也提出大量需求。在很大程度上，色彩的确决定了许多产品的功效。自然界颜色的***和色相，构成了万紫千红、五彩缤纷的世界。从心理学角度而言，不同颜色会对人体造成不同的感视，比如：柔和、鲜艳色彩，会带给人以喜悦、快乐、心旷神怡等美的享受；反之，色彩失调甚至极端体现则会让人感到沉闷、灰心，甚而影响到身心健康。
遗憾的是，迄今为止，近年来所发展出的液态金属印刷电子墨水本身尚无法呈现色彩功能，更难达到色彩的***。显然，若能对具有可打印性的液态金属原理赋予其彩色功能，将大大提升其独特性能，由此实现色彩丰富的印刷电子或3D金属制作，继而显著增强产品的体验感和艺术价值。为此，本发明首次提出了彩色液态金属的技术概念，其目的正在于提供具有各种色彩的液态金属及其制作方法，以期改观现有液态金属和颜料的既有技术范畴。
我们知道，颜料指的是能使物体染上颜色的物质，人类很早就知道使用颜料，如利用有色土和矿石，在岩壁上作画和涂抹身体。同样，为使液态金属在保持导电性和流动性的同时还能呈现出斑斓色彩，本发明提供了颜料加载措施，通过特定颜料与液态金属的配制，可获得各式各样色彩的液态金属。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为克服现有材料技术的缺点和改变传统液态金属色彩单一以及传统颜料并不具备导电性的现状，本发明提供一种彩色液态金属材料，通过在液态金属中加载本身带有色彩的颜料来获得预期色彩的金属材料，可用于制作色彩绚丽的电子电路或3D金属打印或更多用途，本发明还提供了该彩色液态金属的制作方法。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供一种彩色液态金属，所述彩色液态金属的原料包括液态金属和颜料。
所述液态金属包括低熔点合金。
本发明所述低熔点合金，是指熔点低于232℃的易熔合金；通常由Ga、In、Sn、Bi、Pb、Zn等低熔点金属元素组成。
所述低熔点合金包括镓、铟、锡、铋、锌、铅基合金中的一种或几种；
进一步地，所述低熔点合金包括二元合金镓铟、镓锡、铋锡、铟铋、铟锡中的一种或几种；或者所述低熔点合金包括三元合金镓铟锡、铋铟锡、铋铟锌、铟锡锌、铋锡铜、铋铟镉中的一种或几种；或者所述低熔点合金包括四元合金镓铟锡锌、铟锡锌铋、铋铟锡银、锌铋银铜中的一种或几种。
其中，所述镓基合金中镓含量为10wt％-100wt％；铋基合金中铋含量为10wt％-95wt％；铟基合金中铟含量为10wt％-95wt％。
优选地，所述镓基合金中镓含量为50wt％-90wt％；铋基合金中铋含量为50wt％-90wt％，铟基合金中铟含量为50wt％-90wt％。
所述颜料包括天然颜料、人工合成颜料中的一种或几种。
进一步地，所述天然颜料包括天然矿物颜料，如朱砂、红土、雄黄、孔雀绿、重质碳酸钙、硅灰石、重晶石粉、滑石粉、云母粉、高岭土等中的一种或几种；或动物来源颜料，胭脂虫红、天然鱼鳞粉等中的一种或几种；或植物来源颜料，如：藤黄、茜素红、靛青等中的一种或几种。
所述人工合成颜料，包括钛白、锌钡白、铅铬黄、铁蓝等无机颜料中的一种或几种；或大红粉、偶淡黄、酞菁蓝、喹吖啶酮等有机颜料中的一种或几种。
进一步地，所述液态金属与所述颜料的质量比为10-100∶1-10。
为进一步降低颜料对液态金属的不利影响，本发明意外地发现，当颜料颗粒直径为1nm-900nm时对液态金属导电性能影响最小；且还可以提升液态金属本身的防锈特性和抗氧化性能。
更进一步优选地，所述颜料颗粒直径为10nm-500nm。
所述颜料可以直接添加到所述液态金属中；也可以将所述颜料预先添加到一些溶剂中制成液态颜料后再与液态金属混合；这里所述的溶剂可为透明的硅橡胶、环氧树脂、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等材料，甚至可以是通过彩色油漆和涂料调色而成的溶剂；优选地，所述颜料与所述溶剂的质量比为5wt％-90wt％；由此可以根据具体配比获得不同色度的液态金属材料。
为进一步提升彩色液态金属的导电性能，优选地，所述彩色液态金属的原料还包括纳米导电颗粒。
优选地，所述纳米导电颗粒包括纳米级的金、银、铜、铁、氧化铁、镍、钴、钆以及碳纳米管、石墨烯等中的一种或几种。
优选地，所述纳米导电颗粒直径为1nm-900nm；优选为10nm-500nm。
进一步优选地，所述液态金属与所述纳米导电颗粒的质量比为10-100∶1-10。
其中，所述纳米导电颗粒如纳米级的铁、氧化铁、镍、钴、钆等还可以改变彩色液态金属的磁学特性；所述纳米导电颗粒如铜、金以及碳纳米管、石墨烯等还具有调节液态金属色彩的功效。
另一方面，本发明还提供上述彩色液态金属的制作方法，包括以下步骤，
S1：按需要选取所需原料，即液态金属、颜料，和/或纳米导电颗粒；
S2：将所述液态金属处理为液态状态；
S3：将所述颜料加入到所述液态状态的液体金属中，搅拌均匀；和/或再加入所述纳米导电颗粒，搅拌均匀。
上述制作方法步骤S1中：
根据所需彩色液态金属的颜色，确定所述液态金属和颜料的用量比例。
上述制作方法步骤S2中：
所述将所述液态金属处理为液态状态的方法包括将所述液态金属置于空气中或真空中恒温处理。
所述恒温处理时间以所述液态金属转变为液态状态为宜；优选地，所述恒温处理时间为1-4h。
所述恒温处理温度以所述液态金属转变为液态状态为宜；优选地，所述恒温处理温度高于或等于所述液态金属的熔点；进一步优选地，所述恒温处理温度高于所述液态金属的熔点30-600℃。
优选地，将所述转变为液态状态的液态金属搅拌后再进行步骤S3；进一步优选地，用磁力搅拌器搅拌0.5-5h。
上述制作方法步骤S3中：
所述搅拌时间优选为0.5-5h。
所述搅拌方法可用机械搅拌、电磁搅拌、超声搅拌、震动搅拌等；优选为电磁搅拌。
根据需要，可以将按上述方法制得的两种或多种彩色金属进行再度混合，制成特定色彩的彩色液态金属。
优选地，所述彩色液态金属可在各种颜色范围中调制。所述液态金属调色可通过人工配色或电脑配色实现，配色原则可遵循减色法原理，比如基于三原色如黄、青、紫及其对应的互补色如蓝、红、绿，可通过补色即两种色光按一定比例混合得到白色色光，按照经典的配色原理以此类推获得所需颜色液态金属，如红色的补色是青色，黄色的补色是蓝色，绿色的补色是紫色，由此实现的减色法混合原则可遵循：黄色＝白色-蓝色；紫色＝白色-绿色；青色＝白色-红色；黄色+紫色＝白色-蓝色-绿色＝红色；黄色+青色＝白色-蓝色-红色＝绿色；紫色+青色＝白色-绿色-红色＝蓝色；黄色+紫色+青色＝白色-蓝色-绿色等。
下表列出一些常见液态金属的熔点：
| 镓，29.28℃ | Ga75.5In24.5，16℃ | Ga62.5In21.5Sn16，11℃ |
| Bi49In21Pb18Sn12，58℃ | In66.3Bi33.7，72℃ | Bi52Pb30Sn18，96℃ |
| Bi58Sn42，138℃ |
(三)有益效果
本发明提供的上述技术方案具有如下优点：
1、改观了现有液态金属和颜料的既有概念和技术范畴，首次提供了彩色液态金属这种崭新概念的材料，兼具液态金属良好导电性和颜料的丰富色彩性；
2、不同于现有液态金属的是，彩色液态金属增加了绚丽多彩的特质，可应用到大量文化创意电子行业；可开启彩色印刷电子途径；可显著提升印刷电子的美观性和体验感；
3、不同于传统颜料或油漆的是，彩色液态金属拥有常规颜料所不具备的导电性质，因而可改观传统颜料行业；
4、彩色液态金属还改善了传统液态金属的抗氧化性和防锈特性等；
5、与传统的液态金属相比，氧化程度大大减小，更加有利于液态金属本身的应用；
6、彩色液态金属材料的提出是对传统金属材料和印刷电子的观念性革新，可由此引申出大量全新应用。
附图说明
图1是本发明彩色液态金属的结构示意图。
图中：1、液态金属；2、颜料颗粒。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种彩色液态金属，其原料包括液态金属和颜料；所述液态金属为镓铟合金Ga24.5In，所述颜料为朱砂，其中所述液态金属和颜料的质量比例为10∶1。
本实施例还提供该彩色液态金属的制作方法，包括以下步骤：
S1：按配比取所述液态金属镓铟合金Ga24.5In和颜料朱砂；
S2：将所述液态金属置于空气环境中恒温处理，处理温度为50℃，处理时间为1h；然后进行搅拌，搅拌速率为500rpm，搅拌时间为5h；得到液态状态的液态金属；
S3：将所述颜料朱砂制成直径为600nm的颗粒，加入到上述液态状态的液体金属中，用机械方式搅拌80min至搅拌均匀。
本实施例所述彩色液态金属如图1所示。
实施例2-11
彩色液态金属，其原料包括液态金属和颜料，与实施例1的区别仅在于颜料不同。该彩色液态金属的制作方法同实施例1。
| 编号 | 液态金属 | 颜料 |
| 实施例2 | 镓铟合金Ga24.5In | 红土 |
| 实施例3 | 镓铟合金Ga24.5In | 茜素红 |
| 实施例4 | 镓铟合金Ga24.5In | 大红粉 |
| 实施例5 | 镓铟合金Ga24.5In | 雄黄 |
| 实施例6 | 镓铟合金Ga24.5In | 藤黄 |
| 实施例7 | 镓铟合金Ga24.5In | 铅铬黄 |
| 实施例8 | 镓铟合金Ga24.5In | 偶淡黄 |
| 实施例9 | 镓铟合金Ga24.5In | 靛青 |
| 实施例10 | 镓铟合金Ga24.5In | 铁蓝 |
| 实施例11 | 镓铟合金Ga24.5In | 酞菁蓝 |
实施例12
一种彩色液态金属，其原料包括液态金属、颜料和纳米导电颗粒；所述液态金属为镓铟合金Ga24.5In，所述颜料为朱砂，所述纳米导电颗粒为直径为300nm的纳米金；其中所述液态金属、颜料和纳米导电颗粒的质量比例为40∶4∶6。
本实施例还提供该彩色液态金属的制作方法，包括以下步骤：
S1：按配比取所述液态金属镓铟合金Ga24.5In,颜料朱砂和纳米导电颗粒(直径为300nm的纳米金)；
S2：将所述液态金属置于空气环境中恒温处理，处理温度为50℃，处理时间为1h；然后进行搅拌，搅拌速率为500rpm，搅拌时间为5h；得到液态状态的液态金属；
S3：将所述颜料朱砂制成直径为600nm的颗粒，加入到上述液态状态的液体金属中，用机械方式搅拌80min至搅拌均匀；在加入纳米导电颗粒(直径为300nm的纳米金)，用机械方式搅拌80min至搅拌均匀。
实施例13-21
彩色液态金属，其原料包括液态金属、颜料和直径为300nm纳米的导电颗粒，与实施例12的区别仅在于纳米导电颗粒不同。该彩色液态金属的制作方法同实施例12。
| 编号 | 液态金属 | 颜料 | 纳米导电颗粒 |
| 实施例13 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 银 |
| 实施例14 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 铜 |
| 实施例15 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 碳纳米管 |
| 实施例16 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 石墨烯 |
| 实施例17 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 氧化铁 |
| 实施例18 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 铁 |
| 实施例19 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 镍 |
| 实施例20 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 钴 |
| 实施例21 | 镓铟合金Ga24.5In | 朱砂 | 钆 |
实施例22
彩色液态金属，其原料包括液态金属和颜料，与实施例1的区别仅在于液态金属不同，该彩色液态金属的液态金属为铟基合金InSn49.2。
本实施例彩色液态金属的制作方法同实施例1的区别仅在于步骤S2不同。本实施例彩色液态金属的制作方法步骤S2包括将铟基合金InSn49.2置于230℃的真空恒温箱中恒温1小时，然后用磁力搅拌器搅拌100分钟，制得液态状态的铟基合金InSn49.2。
其中，铟基合金InSn49.2的制作方法包括：按照质量比50.8∶49.2的比例分别称取纯铟和纯锡，放入不锈钢容器中，将容器置于230℃的真空恒温箱中恒温1小时，随后用磁力搅拌器搅拌100分钟，即制得铟基合金InSn49.2，其熔点为120℃。
实施例23
彩色液态金属，其原料包括液态金属和颜料，与实施例22的区别仅在于还包括直径为300nm的纳米导电颗粒银；其中，其中所述液态金属、颜料和纳米导电银颗粒的质量比例为40∶4∶6。
该彩色液态金属的制备方法同实施例12。
实施例24
彩色液态金属，其原料包括液态金属和颜料，与实施例1的区别仅在于液态金属不同，该彩色液态金属的液态金属为铋基合金BiIn21Sn12Pb18。
本实施例彩色液态金属的制作方法同实施例1的区别仅在于步骤S2不同。本实施例彩色液态金属的制作方法步骤S2包括将铋基合金BiIn21Sn12Pb18置于250℃的真空恒温箱中恒温4小时，然后用磁力搅拌器搅拌50分钟，制得液态状态的铋基合金BiIn21Sn12Pb18。
其中，铋基合金BiIn21Sn12Pb18的制作方法包括：按照质量比49:21:12:18的比例分别称取纯铋、纯铟、纯锡和纯铅，放入不锈钢容器中，将容器置于250℃的真空恒温箱中恒温4小时，随后用磁力搅拌器搅拌50分钟，即制得铋基合金BiIn21Sn12Pb18，其熔点为58℃。
实施例25
彩色液态金属，其原料包括液态金属和颜料，与实施例1-11的区别仅在于颜料类型不同。本实施例将所述颜料(直径为600nm的颗粒)预先添加到一些溶剂中制成液态颜料，之后再与液态金属混合后制成所需彩色液态金属。这里所述的溶剂可为透明的硅橡胶、环氧树脂、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等材料甚至是通过彩色油漆和涂料调色而成，所述原料与溶剂的质量比为1：10。
实施例26
彩色液态金属，其原料包括液态金属和颜料，与实施例1的区别仅在于液态金属与颜料的质量比例为20∶1。该彩色液态金属制备方法与实施例1相同。
实施例27
彩色液态金属，与实施例26的区别在于其原料还包括直径500nm纳米银颗粒，其中液态金属与纳米银颗粒的质量比例为10∶3。该彩色液态金属制备方法与实施例12相同。
实施例28
本实施例基于已有彩色液态金属，通过调色配制成所需色彩的液态金属。具体将按上述实施例1-25制得的2-6类彩色液态金属再度混合，不同彩色液态金属之间的质量比为1-10范围，用以调色成特定色彩的液态金属。
实验例
彩色液态金属的导电特性及腐蚀性能测试方法参考文献“一种通过将液态金属颗粒均匀掺混到聚二甲基硅氧烷中制得的高导热、电绝缘硅脂”(梅生福，高云霞，邓中山，刘静)，美国机械工程师学会会刊《电子封装学报》，2014,136,011009；，英译：MeiS.F.,GaoY.X.,DengZ.S.,LiuJ.Thermallyconductiveandelectricallyhighlyresistivegreasethroughhomogeneouslydispersingliquidmetaldropletsinsidedimethylsiloxane.ASMEJournalofElectronicPackaging,2014,136,011009)中描述的实现液态金属导热脂的方法进行。本发明中，采用液态金属作为填充材料、颜料为基体材料，经在空气中直接掺混制备出不同配比的彩色液态金属，再通过实验测量分析彩色液态金属的导电特性及腐蚀性能。
由于复合材料的电阻率较大，采用Agilent34972A数据采集仪搭建了测试平台。电阻档的测量范围为0～100MOhm。本实验自制组建了一电阻测量探头，该探头由两铜电极与一聚四氟乙烯环形垫片组成。铜电极的尺寸为直径D＝30mm、高度H＝30mm。聚四氟乙烯环形垫的尺寸为：内径d＝20mm，外径D＝30mm，厚度t＝0.3mm。由此，通过Agilent34972A数据采集仪获得0.3mm×φ20mm大小样品的电阻值R，再通过经典欧姆定律ρ＝Rπd2/4t即可计算出材料电阻率ρ的大小。在实验测量过程中，为了保证测量准确性，需要将样品再次抽真空除去其中的气泡，以避免由气泡带来的电阻率误差。从典型实验数据中，可以得到Ga24.5In掺混朱砂颜料后彩色液态金属的电阻率随着液态金属体积分数的变化情况，其中一个案例为，若液态金属和颜料的质量比例为20∶1(实施例26)时，所制成的彩色液态金属电阻率为3.2×10-6ohm·m，仍为电的良导体。在此基础上，再按质量比10：3加载500nm直径纳米银(实施例27)，可得到经过混合工艺制备出的彩色液态金属的电阻率提升约为8.3×10-7ohm·m，说明纳米颗粒的加载，使得导电性优于之前的彩色液态金属，也说明本发明的可行性。其余，由更多不同液态金属基组分和颜料乃至纳米颗粒的制备出的彩色液态金属，也得到类似的组分关系。此处不一而足。
关于防锈性、抗氧化性，可采用光学实验加以评估。此时，将待测样品(约0.3ml)均匀涂抹在一个塑料表面之上。通过量化光学表面，可以定量评估经过氧化后的彩色液态金属的防锈性、抗氧化性。经表面EDS能谱分析，可获得经过材料不同时刻的元素比例。实验发现，Ga24.5In掺混朱砂颜料后彩色液态金属包括再度加载纳米颗粒的液态金属无明显的氧化和生锈。其原因在于：不易氧化的颜料的添加使液态金属表面不易形成氧化膜，可发现所形成的彩色液态金属表面在实验前后未发生明显变化，同时元素成分也无明显变化。类似规律也易于在其他实施例1-24彩色液态金属中实现。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种彩色液态金属，其特征在于，其原料包括液态金属和颜料。
2.根据权利要求1所述的彩色液态金属，其特征在于，所述液态金属包括低熔点合金；
优选地，所述低熔点合金包括镓、铟、锡、铋、锌、铅基合金中的一种或几种；
进一步优选地，所述低熔点合金包括二元合金镓铟、镓锡、铋锡、铟铋、铟锡中的一种或几种；或者所述低熔点合金包括三元合金镓铟锡、铋铟锡、铋铟锌、铟锡锌、铋锡铜、铋铟镉中的一种或几种；或者所述低熔点合金包括四元合金镓铟锡锌、铟锡锌铋、铋铟锡银、锌铋银铜中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的彩色液态金属，其特征在于，所述镓基合金中镓含量为10wt％-100wt％；铋基合金中铋含量为10wt％-95wt％；铟基合金中铟含量为10wt％-95wt％；
优选地，所述镓基合金中镓含量为50wt％-90wt％；铋基合金中铋含量为50wt％-90wt％，铟基合金中铟含量为50wt％-90wt％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，所述颜料包括天然颜料、人工合成颜料中的一种或几种；
优选地，所述天然颜料包括天然矿物颜料朱砂、红土、雄黄、孔雀绿、重质碳酸钙、硅灰石、重晶石粉、滑石粉、云母粉、高岭土中的一种或几种；或动物来源颜料胭脂虫红、天然鱼鳞粉中的一种或几种；或植物来源颜料藤黄、茜素红、靛青中的一种或几种；
优选地，所述人工合成颜料包括钛白、锌钡白、铅铬黄、铁蓝中的一种或几种；或大红粉、偶淡黄、酞菁蓝、喹吖啶酮中的一种或几种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，所述液态金属与所述颜料的质量比为10-100∶1-10。
6.根据权利要求1-5任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，所述颜料颗粒直径为1nm-900nm；
优选地，所述颜料颗粒直径为10nm-500nm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，所述彩色液态金属的原料还包括纳米导电颗粒；
优选地，所述纳米导电颗粒包括纳米级的金、银、铜、铁、氧化铁、镍、钴、钆以及碳纳米管、石墨烯中的一种或几种；
优选地，所述纳米导电颗粒直径为1nm-900nm；进一步优选为10nm-500nm。
8.根据权利要求7所述的彩色液态金属，其特征在于，所述液态金属与所述纳米导电颗粒的质量比为10-100∶1-10。
9.权利要求1-8任一项所述彩色液态金属的制作方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：按需要选取所需原料；
S2：将所述液态金属处理为液态状态；
S3：将所述颜料加入到所述液态状态的液体金属中，搅拌均匀；和/或再加入所述纳米导电颗粒，搅拌均匀。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，
所述制作方法步骤S2中：
所述将所述液态金属处理为液态状态的方法包括将所述液态金属置于空气中或真空中恒温处理；
优选地，所述恒温处理时间为1-4h；
优选地，所述恒温处理温度高于或等于所述液态金属的熔点；进一步优选地，所述恒温处理温度高于所述液态金属的熔点30-600℃。
优选地，将所述转变为液态状态的液态金属搅拌后再进行步骤S3；进一步优选地，用磁力搅拌器搅拌0.5-5h；
所述制作方法步骤S3中：
所述搅拌时间优选为0.5-5h。
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