CN1100015C - 中低辐射系数的涂覆的玻璃制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

涂覆的制品及其制备方法,其中利用两层中间层降低了由于透明基材的折光指数和金属氧化物层的折光指数的不同造成的虹彩。两层中间层中第一层紧贴于基材,其折光指数比基材的要高,但低于第二层的,且第二层的折光指数高于第一层的指光指数,但低于金属氧化物层的折光指数。

Description

中性低辐射系数的涂覆的玻璃 制品及其制备方法
本发明涉及一种在基材(如玻璃)上化学汽相淀积一种或多种金属氧化物的方法,以及由此得到的例如中性低辐射系数的涂覆的制品。
本领域已知,当玻璃基材上淀积一层氧化锡之类的透明金属氧化物膜时,涂覆的玻璃基材可在整个可见光谱具有不均匀的反光性,因为金属氧化物和玻璃基材的折光指数存在差别。另外,当金属氧化物层厚不均匀时,涂层往往显示出通称作虹彩的多重干扰色效应。这样的虹彩效应使涂覆的制品美学上为多数建筑应用所不能接受的。所以,已提出多种掩蔽这类虹彩效应和/或降低反射率的方法。
美国专利3,378,396(Zaromb)公开了一种最大限度地降低或消除金属氧化物和玻璃基材的折光指数之间的差别效应的技术,其中在氧化气氛(如空气)中,往静止的热玻璃片上同时直接单独喷涂氯化锡溶液和氯化硅溶液来涂覆玻璃基材。两种喷涂液的比例一般可以变化以改变涂层中金属氧化物的重量百分比。所得涂层遍及其厚度方向组成连续变化,例如接近玻璃-涂层界面,涂层主要是氧化硅,离玻璃-涂层界面最远处的涂层表面主要是氧化锡,在诸面之间,涂层由不同重量百分含量的氯化硅和氯化锡构成。美国专利4,206,252和4,440,882进一步叙述了在Zaromb所述类型的梯度涂层上淀积掺氟氧化锡。
美国专利4,187,336和4,308,316公开了降低玻璃基材上氧化锡涂层虹彩的方法,即在氯化锡层和玻璃基材之间使用厚度和折光指数满足光学公式的中间层:中间层的折光指数等于玻璃基材的折光指数乘氧化锡层折光指数再开平方。
美国专利4,377,613和4,419,386公开了一种降低由玻璃基材上的氧化锡膜产生的虹彩的方法,即在玻璃基材和氧化锡之间提供两种中间涂层。邻近玻璃基材表面的中间层具有高的折光指数,而远离玻璃基材表面且邻近氧化锡膜的中间层具有较低的折光指数。
美国专利4,853,257公开了一种在玻璃条上淀积低辐射系数薄膜的方法和设备,即将含金属的涂料反应物以汽相形式导通到玻璃条的上面,而玻璃条承载于装在非氧化气氛中的熔融金属槽上。载气、未反应的涂料组合物和任何分解的付产物通过汽相形式的反应物射向玻璃条的位置的每一侧等距设置的排气孔从涂覆区除去。
美国专利4,386,117公开了一种在玻璃基材上淀积混合的金属氧化物涂层的方法,即将汽体混合物对准移动的玻璃条,然后,从等距于汽体混合物进入涂覆区入口的两个位置的涂覆区排气。
本发明涉及用于氧化锡或其它金属氧化物涂层的多层薄膜结构,这种结构降低了反射色的纯度,从而使涂层结构呈“中性”(neutral)。在氧化锡或其它金属氧化物涂料涂覆之前,往基材上涂覆两层。第一层约400-600A厚,优选约450-550A,并具有约1.66-1.73、优选1.68-1.72的折光指数。第二层约350-550A厚,优选400-500A,并具有1.76-1.83、优选1.78-1.82的折光指数。当这两层涂覆在氟掺杂的氧化锡或其它相似折光指数的涂层下面时,显然降低了反射色纯度,从而使涂覆的玻璃更象未涂覆的玻璃。这两层可具有单独的折光指数,或者折光指数在整个涂层厚度方向上可以变化,只要平均有效的折光指数在所需范围内即可。取得这种“中性”效应所需的具体折光指数通过氧化锡或其它涂层的折光指数和基材(如玻璃)的折光指数确定,且对于其它涂层或具有不同折光指数的基材可能需要最佳化。
图1示出了按照本发明的涂覆的制品,它包括透明的基材10,第一底涂层12和第二底涂层14,以及金属氧化物层16。
参考图1。图1示出了按照本发明的涂覆的制品。一般来说,该制品包括基材10,例如本发明包括但不限于塑料和/或透明或着色的玻璃,基材上具有一层辐射系数比未涂覆的基材最好要低的金属氧化物层16,且由于两层底涂层12和14,显示出最低的反射色。在以下的讨论中,基材是玻璃基材。涂层16一般是由金属氧化物如氧化钛、钒或锆,优选氧化锡构成。
可采用美国专利申请号08/017,930(申请日:1993年2月16日)介绍的涂覆方法和设备制备图1的涂覆的制品,该文献有关内容结合入本文作参考。
一般来说(不限于本发明),玻璃条板的厚度约0.08-约0.50英寸(约2-约13mm)并分别以约700-约100英寸(约17.80-约2.54米)的速率移动。承载玻璃条板的熔融锡浴的温度为约1000°F(538℃)-约2000°F(1094℃)。
在两层底涂层上淀积氧化锡膜的涂覆台(Station)最好是美国专利4,853,257介绍的类型,该文献有关内容结合入本文作参考。氮和涂料蒸汽的流率最好为约350-约700标准升/分钟(SLPM)。废汽流率最好为约375-约770SLPM。玻璃条板的速率为约200-700英寸(5.08-17.78米)/分钟,进入通过涂覆台或从里出来的玻璃条板的温度最好约1170-1250°F(635-675℃)。
在以下讨论中,两层底涂层12和14分别是由在约750°F-1500°F(约400℃-815℃)的温度及氧存在下能被挥发和转化为它们的相应的氧化物的含锡前体和含硅前体的混合物制成。可以理解,本发明不限于此,且在这些讨论的涂覆法中,含其它金属的前体也可以与涂覆装置一起使用。
可用于本发明的硅化合物的例子包括但不限于四乙氧硅烷、硅烷、二乙基硅烷、二叔丁氧基二乙酰氧硅烷和美国专利3,378,396(Zaromb)和美国专利4,187,336,4,308,316,4,377,613,4,419,386,4,206,252,4,440,822和4,386,117中公开的硅化合物,这些专利结合入本文作参考。已用于本发明的化合物包括二乙基硅烷、四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四异丙氧硅烷、二乙基二氯硅烷、四甲基环四硅氧烷和三乙氧基硅烷。除了上面讨论的含硅前体外,本发明预计还可使用能转化成它们的相应的硅氧化物的含硅前体,而且以含金属前体的掺合的形式用于形成基材(如玻璃基材)上的所需底涂层,即具有适用于产生所需折光指数的氧化物比的混合的氧化物底涂层。
当寻求用含硅前体形成氧化硅涂层时,本技术领域专业人员一般不会选择具有Si-O键的前体,因为矿物石英(SiO2)的稳定性表明,事实上对断键来说,它是最强的键之一。所以,使前体中Si-O键断键交重新排列成含有涂料所需的氧化硅键的网状晶格是很难的,例如硅氧烷键要求高温和/或长时间形成相应的氧化硅涂料。为此,本领域专业人员并不期望着具有硅氧烷结构的含硅前体用于在移动的基材上形成氧化硅涂层。
不过已确定,如果带有Si-O键的化合物带有至少一个特定的官能团,则具有Si-O键的的含硅前体的反应性以及因此其涂层形成速率将得到增加,即使键强似乎并没有预示着在其涂层形成性方面有什么可观测到的变化。能给出含Si-O键的含硅前体且易转化成氧化硅涂料的官能团有氢、卤素、乙烯化物和α-氯代烷基化物。通过适当选择官能团可满足含硅前体反应性的需要。含硅前体并不限于其上只具有上述取代基。只要在带有Si-O键的含硅前体上存在一个或多个上述官能团,则也可以存在其它基团如烷基和以下将充分介绍的其它取代基,而对含硅前体的总体活性没有显著有害作用。在美国专利申请号08/017,930(申请日:1993年2月16日)中详细介绍了合适的化合物,该专利所公开的有关内容在此结合入本文。
用于本发明的具体化合物有四甲基环四硅氧烷、四甲基二硅氧烷和三乙氧基硅烷。可用于本发明的具体化合物包括但不限于甲基二甲氧基硅烷、二甲基甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、二甲基氯代甲氧基硅烷、甲基氯代二甲氧基硅烷、氯代三甲氧基硅烷、二氯二甲氧基硅烷、三氯甲氧基硅烷、三乙氧甲硅烷基乙炔、三甲基丙炔基硅烷、四甲基二甲氧硅烷、四甲基二氯二硅氧烷、四甲基环四硅氧烷、三乙氧基硅烷、氯代三乙氧基硅烷、五氯乙基三乙氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷。
在玻璃基材上化学汽相淀积混合氧化物中可与上述含硅前体一起以混合物形成使用的含金属前体包括在500°F(260℃)或低于此温度能挥发且与含氧气体反应形成相应的金属氧化物的含金属前体。可使用的化合物(不限本发明)最好包括有机金属化合物,其中金属包括但不限于钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、砷、硒、钇、锆、铌、钼、镉、铑、钌、钯、铟、锑、碲、钽、钨、铂、铅、铋、铝和锡。在这些金属化合物中,最优选锡化合物。这里可使用的锡化合物的例子有以下结构式II定义的化合物:
Figure C9410620700091
其中R6、R7、R8和R9可相同或不同,包括但不限于卤素、优选Cl或F,C1-10烷基(优选C1-4烷基),如-CH3,C6-11芳基(优选C6-9芳基),如-C6H5。在本发明的实施例中,任何其它有机或无机官能团均可使用,只要所得化合物的汽相压力在约500°F(260℃)以下为至少0.01磅/平方英寸(绝对压力)即可。
在玻璃基材上化学汽相淀积相应的一种或混合的金属氧化物中,包括那些带有Si-O键在内的上述含硅前体既可以单独使用,也可与上述有机金属化合物的混合物的形式使用。不过,当单独使用含硅前体或含其它金属前体的混合物往移动的基材上化学汽相淀积单独一种或混合的氧化物时(例如涂覆沿熔融金属槽前进或输送带上的玻璃条板),最好具有一氧化硅淀积速率以足以涂覆移动的玻璃基材。例如,当涂覆前进的玻璃条板时,如果氧化硅的淀积速率较低,则玻璃条板速率必须降低。更具体的说,为了在以线速高于约300英寸(7.62米)/分钟移动的玻璃条板上淀积约1200埃厚的涂层,用于汽相淀积法的所有类型的含硅前体的淀积速率最好增大以达到均匀涂覆。
在本发明涂覆的制品中,基材和金属氯化物层之间的至少一层具有由化学气相淀积带Si-O键的含硅前体淀积的氯化硅。也可以用至少一种加速剂化学气相淀积带Si-O键的含硅前体以提高氧化硅单独或连同另一种氯化物的淀积速率而形成氧化硅。另外,带Si-O键的含硅前体也可具有一个或多个能提供给带Si-O键的含硅前体易于转化为氯化硅层的能力的官能团。
多种材料已经过鉴定,可用于加速由其前体得到的氧化硅的淀积速率。每种加速剂的类型和功能一定程度上取决于要使用的含硅前体。对于具体的涂覆制品和用于淀积所需涂层(特别是本发明混合的氧化物)的方法,已测定了结合情况。还测定了在涂层形态的改变和控制方面有有益作用的某些前体和加速剂结合物之间存在的协同效果。
在本发明的实施中可用于提高氧化硅淀积速率而单独或与另一氧化物(如氧化锡)一起使用的加速剂定义如下:
(1)路易斯酸,如三氟乙酸和盐酸。
(2)路易斯碱,如NaOH,NaF,CH3OH,CH3OCH3和S(CH3CH2)2
(3)水。
(4)氮、磷、硼和硫化合物,其结构式如下:
Figure C9410620700121
(c)
R10-S-R11 其中Y选自氮、硼和磷,R10,R11,R12,R13和R14选自下列官能团,以下称作F组:
氢;
卤素,优选Cl;
C2-10、优选C2-4链烯基或取代的链烯基,如-CH=CH2
C1-10、优选C1-4全卤烷基或取代的烷基,如-CClH2或C1-10、优选C1-4卤代烷基或取代的烷基,如-CCl2CH2CH3
C1-10、优选C1-4酰氧基,如-OCOCH3
C2-10、优选C2-4炔基或取代的炔基,如-C≡CH;
C1-10、优选C1-4烷基或取代的烷基,如CH3,-CH2CH2CH3
C6-10、优选C6-9烷基或取代的芳基,如-C6H4CH3
C1-10、优选C1-4烷基或取代的芳基,如-OCH2CH3;其中所述取代基是上述E族,这类化合物的例子包括但不限于亚磷酸三乙酯、亚磷酸三甲酯、硼酸三甲酯、PE5、PCl3、PBr3、PCl5、BCl3、BF3、(CH3)2BBr、SF4和HO3SF。在本发明的实施例中,已使用亚磷酸三乙酯。
(5)可使用具有以下结构式III的铝化合物,以加速单独或与含其它金属的前体(可以理解“含其它金属的前体”不包括含铝前体)一起下使用的含硅前体的淀积速率:
Figure C9410620700131
其中R15,R16和R17可相同或不同,选自G组:
卤素,优选Cl;
-O-R17,其中R17是C1-10、优选C1-4的直链、支链或取代的烷基,取代基选自上述E组;
-S-R18,其中R18等同于上述R17
-NH2
R19-N-R20,其中R19和R20是C1-10、优选C1-4的直链或支链烷基或取代的烷基,取代基选自上述E组(不为膦基如-PH2),以及
NR21,其中R21形成了C2-10、优选C2-6环基,取代基选自上述E组(不为膦基)。
(6)臭氧。
本发明的着色剂使沉积速率增大的机理并不完全清楚。可用于实施本发明的组分的量在下表1中给出。
                      表1化合物                              mol.%
                  宽范围                   优选范围含金属的前体          0.005-5.0                0.1-2.0含硅的前体            0.0001-5.0               0.05-2.0含氧气体            1.0-99.0                5.0-50.0着色剂              0.0001-10.00            0.01-2.0
按照本发明,当基材10(见图1),如玻璃基材,经过混合型氧化物(如氧化硅和氧化锡的混合物)的化学汽相淀积在上面得到底涂层12和14时,涂层16的特征在于涂覆的制品中虹彩大大降低。对于实质上包括氧化硅和氧化锡的两个底涂层来说,邻接于玻璃的第一底涂层12包含比第二底涂层要高的氧化硅与氧化锡之比,而第二底涂层具有较高的氧化锡的比例,以得到较高的折光指数。第一底涂层最好具有约1.66-1.73、最佳约1.68-1.72的折光指数,厚度为400-600、优选450-550埃。第二底涂层最好具有1.76-1.83、最佳约1.78-1.82的折光指数,厚度为350-550、优选400-500埃。金属氧化物涂层16(优选氧化锡)的厚度至少约1600埃。之后,可提高氧化锡涂层的厚度,以降低涂覆制品的辐射系数。氧化锡涂层16优选的厚度为约2600-3600埃,较好3000-3400,最佳约3200埃。氧化锡涂层16最好用氟掺杂,以便对于任何给定厚度,辐射系数为最佳。
已经确定,当采用加入一种或多种本发明的着色剂如磷化合物、铝化合物或硼化合物进行在玻璃上化学汽相淀积混合的金属氧化物时,发现在涂层中分散着少量基础原子如磷、铝或硼。在涂层中存在磷、铝和/或硼由于降低了结晶度(结晶度达到0%)影响了所得涂层的形态,从而降低了以光雾形式观测到的光散射性。混入涂层中的磷、铝或硼的含量是工艺变量的函数。在本发明的实施例中,以175-730英寸(4.25-18米)/分钟移动且温度为1180°F(637℃)-1220°F(660℃)的玻璃条板用磷化合物作着色剂的气体混合物涂覆;着色剂的摩尔比为0.01-0.5。经实测,涂层中分散有1-12原子百分数的磷。本发明包括使用0以上和15以下原子百分数的着色剂,优选1-5原子百分数。
采用美国专利申请08/017,930(申请日:1993年2月16日)中介绍的方法和设备,在移动的玻璃条板上制备以下实施例的涂覆的制品。该文献的相关内容在此并入本文作参考。在该方法中,玻璃穿过两个涂布机。第一个涂布机有两个涂布段沉积两种涂层,各涂层含有氧化锡和二氧化硅的混合物且各涂层具有适当的各自的折光指数和厚度。第二个涂布机在混合的锌和硅氧化物的两层顶上沉积氟掺杂的氧化锡涂层。在以下实施例中,按照美国专利4,853,257介绍的方法沉积氟掺杂的氧化锡涂层。
用于沉积以下实施例的混合的锡和硅氧化物的含硅和含金属的前体是三氯化一丁基锡和四乙氧基硅烷。水和亚磷酸三乙酯用作加速剂。第一个涂布机的第一涂布段沉积由氧化锡和二氧化硅构成的混合氧化物涂层。薄膜的组成中也包括磷,因为它起着沉积速率加速剂的作用。第一涂布机的第二涂布段沉积混合的氧化物,它也是由氧化锡和二氧化硅构成,但氧化锡的比例较高且折光指数相应地较高。利用单独沉积在玻璃上的涂层的Variable Angle Spectroscop-ic Ellipsometry(VASE)测试法测定混合的锡和硅氧化物涂层的折光指数和厚度。利用由制得的涂层和单独在玻璃上分析得到的数据,用统计的方法调节多层涂覆的制品中混合的锡和硅氧化物的折光指数和厚度。利用Hunter的方法测定色饱和指数。Hunter在“Food Technology”(第32卷第100-105页和“The Measurementof Appearance”(Wiley & Sons,New York,1975)中讨论了本领域专业人员一般用于定量物体颜色可见度的公式 ( a * 2 + b * 2 ) 。Hunter值为12或以下的涂覆的玻璃产物被认为是无明显可见的颜色。所有以下实施例的色饱和指数完全在最低限12以下。
从以下具体实施例的说明中可以进一步理解本发明。
实施例1
使温度约1215°F(约657℃)的0.19英寸(4.8mm)厚的玻璃基材在空气载体气中以蒸汽形式的涂覆反应物逐一进行接触以沉积三层本发明的涂层。使含硅涂料反应物(0.6mol.%四乙氧基硅烷,TEOS和含锡涂料反应物(0.271mol.%一丁基氯化锡,MBTC)的第一反应物蒸气混合物(蒸汽温度268°F,181℃)在玻璃基材上进行热反应。第一混合物另外含有0.201mol.%水和0.241mol.%磷酸三乙酯(TEP)加速剂,以在玻璃基材上形成折光指数1.663且厚540埃的第一氧化硅/氧化锡涂层。含硅涂料反应物(0.448mol.%TEOS)和含锡涂料反应物(0.401mol%MBTC)的第二反应蒸汽混合物(蒸汽温度271°F,133℃)在第一涂层上进行热反应。第二混合物还含有0.375mol.%水和0.132mol.%TEP加速剂,以沉积折光指数1.795且厚450埃的第二氧化硅/氧化锡涂层。最后,用一丁基氯化锡和三氟乙酸的蒸汽混合物沉积厚度为3055埃的氟掺杂的氧化锡层。最后的涂覆制品的辐射系数为0.212,色饱和指数为5.90。
实施例II
按实施例I的方式制备涂覆的制品,只是有以下不同。玻璃基材厚0.13英寸(3.3mm),表面温度1222°F(661℃)。在第一混合物中,TEOS浓度为0.333mol.%,MBTC浓度为0.284mol.%,TEP浓度为0.417mol.%,水含量为0.803mol.%,且蒸汽温度为258°F。在第二混合物中,TEOS浓度为0.59mol.%,MBTC浓度为0.763mol.%,TEP浓度为0.169mol.%,水含量0.703mol.%,且蒸汽温度为257°F(125℃)。第一氧化硅/氧化锡层的折光指数为1675,厚度为475埃。第二氧化硅/氧化锡层的折光指数为1.786,厚度为450埃。氟掺杂的氧化锡层厚度为2815埃。涂覆制品的辐射系数为0.225,且色饱和指数为4.00。
实施例III
按实施例I的方式制备涂覆的制品,只是有以下不同。玻璃基材与实施例II中的相同,且表面温度1219°F(659℃)。在第一蒸汽混合物中,含0.336mol.%TEOS,0.279mol.%MBTC,0.404mol.%TEP,0.802mol.%水,且蒸汽温度为287°F(142℃)。在第二蒸汽混合物中,含0.579mol.%TEOS,0.765mol.%MBTC,0.16mol.%TEP,0.703mol.%水,且蒸汽温度为270°F(132℃)。第一氧化硅/氧化锡层的折光指数为1.685,厚度为507埃。第二氧化硅/氧化锡层的折光指数为1.801,厚度为441埃。氟掺杂的氧化锡层厚度为3030埃。涂覆制品的辐射系数为5.80,且色饱和指数为0.218。
虽然举例说明了本发明的几个实施方案,但不背离本发明的精神实质和所附权利要求的范围的条件下,本领域专业人员将会做出不同的改进和变型。

Claims (20)

1.一种中性低辐射系数的涂覆的制品,包括:
a.折光指数1.5-1.6的透明基材;
b.折光指数至少1.86且厚度足以使涂覆的制品的辐射系数降低到低于未涂覆的基材的辐射系数的金属氧化物涂层,所述金属氧化物选自氧化锡,氟掺杂的氧化锡,氧化钒,氧化锆和氧化钛;
这两层之间是,
c.氧化硅和金属氧化物的混合物的第一透明涂层,其折光指数为1.66-1.73且厚度为400-600埃并邻接于所述透明基材,以及
d.氧化硅和金属氧化物的另一种混合物的第二透明涂层,其折光指数为1.76-1.83且厚度为350-550埃并邻接于金属氧化物涂层,其中第一和第二透明涂层的金属氧化物是氧化锡。
2.按照权利要求1所述的制品,其中金属氧化物涂层是氧化锡。
3.按照权利要求2所述的制品,其中氧化锡用氟掺杂以降低涂覆制品的辐射系数。
4.按照权利要求3所述的制品,其中氧化锡层厚度为至少1600埃。
5.按照权利要求4所述的制品,其中氧化锡层厚度为2600-3600埃。
6.按照权利要求5所述的制品,其中氧化锡层厚度为3000-3400埃。
7.按照权利要求1所述的制品,其中第一透明涂层的折光指数为1.68-1.72。
8.按照权利要求7所述的制品,其中第一透明涂层厚度为450-550埃。
9.按照权利要求1所述的制品,其中第二涂层的折光指数为1.78-1.82。
10.按照权利要求9所述的制品,其中第二涂层的厚度为400埃-500埃。
11.按照权利要求1所述的制品,其中第一透明涂层包含氧化硅和氧化锡的混合物。
12.按照权利要求1所述的制品,其中第二透明涂层包含氧化硅和氧化锡的混合物。
13.按照权利要求1所述的制品,其中第一和第二透明涂层包含氧化硅和氧化锡的混合物。
14.按照权利要求13所述的制品,其中金属氧化物涂层是氧化锡。
15.权利要求13的制品,其中基材和金属氧化物涂层之间的诸层由氧化硅和氧化锡的混合物构成,其中邻接于玻璃的层与邻接于金属氧化物涂层的层相比包含较高的氧化硅与氧化锡之比,而邻接于金属氧化物的层具有较高的折光指数。
16.权利要求1的制品,其中在基材和金属氧化物涂层之间的至少一层具有由化学气相淀积带Si-O键的含硅前体淀积的氧化硅。
17.权利要求16的制品,其中用至少一种加速剂化学气相淀积带Si-O键的含硅前体以提高氧化硅单独或连同另一种氧化物的淀积速率而形成氧化硅。
18.权利要求16的制品,其中带Si-O键的含硅前体具有一个或多个官能团,该官能团能提供给带Si-O键的含硅前体易于转化为氧化硅层的能力。
19.权利要求1的制品,其中金属氧化物涂层由选自氧化锡、钛、钒或锆的金属氧化物构成。
20.权利要求1的制品,其中透明基材是玻璃条板,厚度为2-13毫米,它被承载在538℃-1094℃的温度下的熔融锡浴。
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