JP2014513636A - 反射鏡アセンブリ用のバリヤー材料 - Google Patents

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Abstract

本発明においては、フルオロポリマーが、少なくとも1種類のテトラフルオロプロペン又はペンタフルオロプロペン、好ましくは2,3,3,3−テトラフルオロプロペンのホモポリマー及びコポリマーからなる群から選択されるフルオロポリマーバリヤー層を含む反射光学構造体が提供される。(a)少なくとも1種類のテトラフルオロプロペン又はペンタフルオロプロペンのホモポリマー及びコポリマーからなる群から選択される1種類以上のフルオロポリマーを含むバリヤー層を施し;そして(b)硬化させる;ことを含む、反射光学構造体を形成する方法も開示する。
【選択図】図1

Description

[0001]本出願は、2011年2月16日出願の米国仮出願61/443,544(参照として本明細書中に包含する)に関連し、その優先権の利益を主張する。
[0002]本発明は、反射鏡アセンブリにおける反射層を保護するためのフルオロポリマーバリヤー層に関する。
[0003]太陽熱発電(集光型太陽熱発電−CSP)の基礎をなす基本原理は次の通りである。太陽からのエネルギーによって直接的又は間接的に水を加熱してこれを蒸発させ、得られる水蒸気によってタービンを駆動し、発電機においてその動きを電気に変換する。CSPユニットによって生成する電力の1つの有利性は、完全にCOを含まず、したがって無視できる二酸化炭素排出量を有することである。
[0004]水を加熱するのに必要な高い温度を達成するためには、日射を集光しなければならない。CSPプラントは、小さい面積を横切って分配されている反射鏡を用いて太陽エネルギーを集光する。4つの主要なCSP技術としては、放物面トラフ式、リニアフレネル式、タワー式、及びディッシュ/エンジン式が挙げられる。放物面トラフ式集光器は、太陽エネルギーを集光するための最も進歩した技術を示す。これらのトラフは、通常は長さが1,300フィートより大きく、放物面形状の反射鏡セグメントで構成されている。反射鏡の湾曲によって、直線状の受光器上に太陽の直接的なビーム放射を集光することができる。
[0005]現在の放物面トラフ式発電プラントは、ガラス製の反射鏡パネルを用いている。反射鏡は通常は裏面に銀メッキを施したガラス製の反射鏡であり、これは、反射性金属層、好ましくは銀層がガラスの背面上に存在することを意味する。ガラスは、通常は、高い透過率を有する厚さ4mmの特に低鉄のガラス又は白ガラスである。これらの反射鏡は、しばしば約93.5%の太陽加重鏡面反射率を有する。これまでは、反射鏡の背面上の反射性金属層を保護するためには、通常は特別な多層塗料被覆が用いられていた。通常の構成においては、それぞれの反射鏡パネルは面積が約2平方メートルである。
[0006]殆どのCSPシステムにおける反射鏡は、銀の高い太陽反射率(93%)、比較的低いコスト、及び高い耐久性のために銀メッキガラスで作られている。殆どの通常の構成技術は、薄い銀鏡をより重質のガラス基材構造体に積層することを含む。太陽集光器における反射材として用いられている他の材料としては、銀メッキポリマー膜及び増強アルミニウム反射材が挙げられる。反射層にはまた、長期間耐久性のために銅背面層を含ませることもできる。
[0007]銀反射層及び銅背面層のいずれも、空気酸化を受けやすい。また、水は腐食を促進するので、湿分によってこれらの金属含有層が劣化する可能性もある。特に、かかる外部要素によって、曇り、変色、故障、及び剥離によって示されるように、時間に伴う反射層内に含まれる銀又は他の金属の劣化及び分解が引き起こされて、それによって反射鏡の反射率の損失が引き起こされる可能性がある。而して、現在の最先端の技術において認識されるように、これまでは、金属層は通常は少なくとも2つの塗料層、及び塗料層の背面のUV/湿分保護層で保護していた。この目的のために通常用いられる塗料は鉛ベースの塗料である。
[0008]本出願人らは、完全に環境上の理由のために、塗料、特に鉛含有成分を除去する動機付けを認識するに至った。また、高いコストもこれまで用いられている多層被覆の問題点である。したがって、本出願人らは、これまで通常的に用いられている複数の塗料層を、バリヤー保護を与えることができる単一の被覆又は膜の層で置き換える必要性を認識し、要望を明確にするに至った。本発明は、とりわけこれらの必要性及び要望に対処する。
[0009]本発明においては、バリヤー被覆、バリヤー膜、及びバリヤー被覆溶液、バリヤー被覆/膜を用いる反射光学構造体、並びにバリヤー被覆、バリヤー膜、及びバリヤー被覆溶液を製造するための改良された方法が提供される。
[0010]本発明の一形態は、基材の背面上に配置されている反射層、及び反射層の少なくとも背面の少なくとも一部、好ましくは全部の上に配置されているバリヤー被覆又は膜を含む光学透明基材を含む反射光学構造体を提供する。一態様においては、バリヤー被覆/膜は、フルオロポリマーを含む実質的成分、更により好ましくは下式:
(式中、nは約10〜約2,500であり、R、R、及びRは、独立してH及びFから選択される)によって表されるポリマー又はポリマーセグメントを含む実質的成分を含むポリマー、好ましくは熱硬化性ポリマーから形成される。好ましくは、特定の態様においては、ポリマーは、約2,000〜約200,000ダルトンの分子量を有する実質的に式(I)にしたがうポリマーである。
[0011]本発明の他の形態は、少なくとも実質的な割合がテトラフルオロプロペン又はペンタフルオロプロペンモノマー化合物から誘導されるホモポリマー、コポリマー、ターポリマーなどであるセグメントを含み、好ましくはこれから実質的に構成される少なくとも1種類のポリマーを含むバリヤー被覆又は膜を提供する。一態様においては、テトラフルオロプロペン又はペンタフルオロプロペンモノマーとしては、式:CFCR=CR(式中、R、R、及びRは、それぞれ独立してH及びFから選択される)にしたがう少なくとも1種類の化合物が挙げられる。
[0012]本発明の他の形態は、反射層上にバリヤー被覆溶液を施すことによって反射光学構造体を形成する方法を提供する。特定の好ましい態様においては、適用工程は、光学透明基材の背面上に配置されている反射層の上にバリヤー被覆溶液を施すことを含む。この方法はまた、好ましくは、被覆溶液を硬化させて反射層の上に硬化被覆又は保護膜を形成することも含む。幾つかの態様においては、バリヤー被覆溶液及び/又は硬化被覆は、実質的部分がテトラフルオロプロペンモノマー、ペンタフルオロプロペンモノマー、及びこれらの組み合わせから誘導されるポリマー材料を含み、好ましくはこれから実質的に構成されるホモポリマー、コポリマー、ターポリマーなどからなる群から選択される少なくとも1種類のポリマーを含む。幾つかの好ましい態様においては、硬化は約60℃〜約350℃の温度で行う。
[0013]図1は、技術標準の多層反射鏡アセンブリの概要図である。 [0014]図2は、本発明によるバリヤー被覆を含む多層反射鏡アセンブリの一態様の概要図である。 [0015]図3は、本発明によるバリヤー被覆を含む多層放物面反射鏡アセンブリの一態様の概要図である。
[0016]驚くべきことに、テトラフルオロプロペンモノマー及び/又はペンタフルオロプロペンモノマー、特に2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)から形成される実質的部分又はセグメントを含むフッ素化ポリマー、好ましくはフルオロポリマーを、反射鏡アセンブリにおける反射層のための保護層又は膜として、好ましくは複数の塗料層に対する代替及びその代わりとして、並びにUV/湿分接着剤層として有利に用いることができることが見出された。本発明のフッ素化ポリマーはまた、バリヤー層として上部のガラス表面上の薄い被覆として用いることもできる。
[0017]本明細書において用いる「反射光学構造体」という用語は、電磁放射線、特に日光の向きを変える任意の反射鏡様のアセンブリを包含する。本発明の好ましい形態は、本明細書に記載するポリマー、好ましくはフルオロポリマー、更により好ましくは式(I)にしたがって形成されているポリマーを含むバリヤー層を含み、以下:(1)85℃、85の相対湿度で1,000時間;(2)標準的なQUV加速耐候性試験条件(例えば、ASTM−G154及び/又はAATCC−TM186);及び(3)45℃、100%の相対湿度で1,000時間;の性能試験条件の少なくとも1つ、好ましくはそれぞれに曝露した後に実質的に変化しないレベルの光学性能及び優れた耐久性を示す反射光学構造体を提供する。好ましい態様においては、施されるポリマー、好ましくはフルオロポリマーによって、約110〜約130°の範囲の接触角が生起する。
[0018]幾つかの態様においては、反射光学構造体は多層CSP反射鏡アセンブリ内に含まれる。最先端の通常のCSP反射鏡アセンブリを図1に概略的に示す。複数の層は、通常は、基材1、反射層2、銅層3、少なくとも2つの鉛塗料層4〜5、UV/湿分バリヤー接着剤層6、接着剤層7、及び支持体8を含む。基材は、太陽エネルギーを集めるための第1の面、及び第1の面の反対側の第2の面を有する。基材は平坦であってよく、或いは所期の場合には日射を集束させるために放物面状に湾曲させることができる。反射層は、基材の第2の面の背面上に配置され、基材を通して第2の面に透過した第1の面によって集められた太陽エネルギーを反射する。鉛塗料層4〜5は、通常は、第1の塗料層に関しては2.5〜20%、第2の塗料層に関しては1〜10%の鉛含量を有する。鉛塗料層4〜5及びUV/湿分バリヤー接着剤層6は、一緒になって反射層2及び銅層3を、UV放射線、気体、及び湿分から遮蔽するようにデザインされている。
[0019]図2に示されるように、本出願人らは、驚くべきことに、かかる光学構造体の反射層を、好ましい態様においては本フルオロポリマーの単一の一体層又は被覆であるバリヤー被覆5を含み、更により好ましくは実質的にこれから構成されるバリヤー層、例えば被覆又は膜によって保護することができることを見出した。かかる本発明による構造は、相当な経済的及び環境的有利性を与える。例えば、鉛中の潜在的な鉛汚染物質が排除されることによって、CSP反射鏡アセンブリによって引き起こされる環境影響が向上する。
[0020]バリヤー被覆はまた、反射光学構造体又は反射鏡アセンブリを、気体及び/又は水などの環境因子に曝露されることによって引き起こされる劣化から保護する。酸素及びオゾンのような大気気体は、金属層、特に銀反射層を腐食する。更に、硫黄酸化物及び窒素酸化物のような環境中に見られる気体状汚染物質は、腐食の一因となる可能性がある。更に、湿分は腐食プロセスを促進する。しかしながら、本発明によるフルオロポリマーバリヤー被覆は、反射層をかかる環境因子の影響から有効に保護することができる。
[0021]図2を参照すると、一形態においては、本発明は、基材11、反射層12を含み、場合によっては銅背面層13及び接着剤層を含み、バリヤー被覆層15、接着剤層16、及び支持体17を含む反射鏡アセンブリを提供する。基材は、約1mm〜約4mmの厚さを有する低鉄ガラス基材又はバリヤー被覆低鉄ガラス基材であってよい。反射層は、鏡面を与えて入射光を反射し、好ましい態様においては約100ミクロン〜約5mmの厚さを有する任意の金属を含んでいてよい。金属層のために好ましい金属としては、銀及びアルミニウムが挙げられる。支持体は、ガラス、セラミック、ステンレススチール、アルミニウム、又は反射鏡アセンブリの重量を支えることができる他の材料で形成することができる。
[0022]図3は、反射光学構造体が放物面形態である好ましい態様を示す。反射層12は基材11の背面上に配置されており、バリヤー被覆層15が反射層12を被包して、湿分又は腐食性ガスが反射層12と接触するのを阻止するようになっている。
[0023]幾つかの態様においては、バリヤー被覆は、式(I):
(式中、nは約10〜約2,500であり、R、R、及びRは、独立してH及びFから選択される)
によって表され、約2,000〜約200,000ダルトン、好ましくは約10,000〜約100,000ダルトン、より好ましくは約23,000〜約150,000ダルトンの分子量を有する少なくとも1種類のポリマーを含む。
[0024]好ましいバリヤー被覆は、当業者に公知の任意の方法によって形成することができる。好ましい形態においては、この形成方法は、一般式:CFCR=CR(式中、R、R、及びRは、独立してH又はFである)のフルオロカーボン化合物を、開始剤の存在下及び好適な反応条件下で重合することを含む。ポリマーを形成した後、酸を加えてポリマーを沈殿させることができる。次に、沈殿したポリマーを濾過し、乾燥し、他の溶媒と混合してバリヤー被覆溶液を形成することができる。好ましい態様においては、次にバリヤー被覆溶液を、基材上に配置されている反射層に施し、硬化させて反射光学構造体を形成する。
[0025]種々の商業的に入手できるヒドロフルオロオレフィン(HFO)を、ポリマーを形成するための1種類又は複数のモノマーとして用いることができる。好適なHFOは、一般式:CFCR=CR(式中、R、R、及びRは、それぞれH及びFから選択される)を有していてよい。好適なHFOの例としては、テトラフルオロプロペン化合物及びペンタフルオロプロペン化合物が挙げられる。特に好適なテトラフルオロプロペン化合物は、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)であり、これは次式(II):
(式中、n=10〜約2,500である)
を有するポリマーを形成する。
[0026]他の好適なテトラフルオロプロペン化合物としては、HFO−1234zf及びHFO−1234zeが挙げられる。好適なペンタフルオロプロペン化合物としては、HFO−1225が挙げられる。任意の上記の化合物の立体異性体もまた好適である可能性がある。
[0027]一態様においては、上記で参照した化合物は、更なるコモノマー化合物、特に更なるハロゲン化コモノマーと共重合することができる。フッ素化コモノマー化合物としては、限定なしに、フルオロオレフィン、フッ素化ビニルエーテル、及びフッ素化ジオキソールが挙げられる。コモノマーとして好適なモノマーとしては、限定なしに、アクリル酸及びそのエステル、メタクリル酸及びそのエステル、エチレン、プロピレン、ブチレン、フルオロエチレン(フッ化ビニル)、1,1−ジフルオロエチレン(フッ化ビニリデン又は二フッ化ビニリデン)、1,2−ジフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、クロロエチレン、1,1−ジクロロエチレン、1,2−ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ヘキサフルオロイソブチレン、ペルフルオロブチルエチレン、ペルフルオロ(メチルビニルエーテル)、ペルフルオロ(エチルビニルエーテル)、ペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)、ペルフルオロ−2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール、及びペルフルオロ−2−メチレン−4−メチル−1,3−ジオキソランが挙げられる。幾つかの態様においては、好ましいコモノマーとしては、エチレン、プロピレン、ブチレン、フルオロエチレン、1,1−ジフルオロエチレン、1,2−ジフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、クロロエチレン、1,1−ジクロロエチレン、1,2−ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、及び/又はテトラクロロエチレンが挙げられる。コモノマーには、約1〜約90%、好ましくは約5〜約75%、より好ましくは約10〜約50%のフルオロポリマーを含ませることができる。
[0028]重合は、1種類以上の遊離基開始剤の存在下で行う。好適な開始剤としては、アゾビスシアノアクリレート、脂肪族ペルエステル、例えばt−ブチルペルオクトエート及びt−アミルペルオクトエート、脂肪族ペルオキシド、例えばt−ブチルペルオキシド、脂肪族ヒドロペルオキシド、例えばt−ブチルヒドロペルオキシド、ペルスルフェート、例えばナトリウムペルスルフェート、カリウムペルスルフェート、アンモニウムペルスルフェート、及び鉄ペルスルフェート、並びに上記の組み合わせが挙げられる。ペルスルフェート開始剤は、モノマーの全重量を基準として20重量%未満、より特には12重量%未満、更により特には1.0重量%未満の濃度で反応溶液中に含ませることができる。
[0029]ポリマーと開始剤との間の反応は、水、バッファー、及び/又は界面活性剤を含む溶液中で行うことができる。好適なバッファーとしては、NaHPO、NaHPO、FeSO、及びこれらの組み合わせが挙げられる。特に好適なバッファーとしては、リン酸水素二ナトリウム七水和物、リン酸二水素ナトリウム、硫酸第一鉄七水和物、及びこれらの組み合わせが挙げられる。好適な界面活性剤としては、フルオロ界面活性剤、より特にはペルフッ素化カルボン酸界面活性剤、例えばCHF15及びC15CO(NH)が挙げられる。Naのような還元剤、及び更なる溶媒/希釈剤を加えることもできる。
[0030]反応は、例えばオートクレーブ又はジャケット付き撹拌タンク反応器(STR)内において、バッチ又は半バッチモードによって、約20℃〜約85℃、好ましくは約40℃〜約60℃の温度で行うことができる。反応時間は、約30分間〜約48時間、好ましくは約10〜約24時間の範囲であってよい。得られるポリマーは、約2,000〜200,000ダルトンの間、好ましくは約10,000〜約100,000ダルトンの間の分子量を有することができる。
[0031]一態様においては、重合反応が実質的に終了した後に、仕上げ工程として少量のペルオキシドを加えることができる。かかる仕上げ工程は、未反応のモノマー及び助剤を除去する目的を有する。重合が完了した後、酸を加えることによってポリマーをエマルジョンから沈殿させる。次に、ポリマー沈殿物を濾過し、乾燥する。
[0032]次に、ポリマーを好適な有機溶媒中に溶解又は分散させることによって、バリヤー被覆溶液を形成する。好適な有機溶媒としては、一般に、例えばアセトン、酢酸メチル、酢酸エチル、及び種々のケトンが挙げられる。被覆組成物を形成するのに用いる溶媒の量は、適用法及び/又は性能の要求によって、固形分濃度が約1〜約25重量%、好ましくは約1〜約10重量%、より好ましくは約1〜約5重量%の範囲になるように変化させることができる。幾つかの態様においては、被覆濃縮液を形成し、次に所望の被覆濃度に希釈することの製造上の有利性が存在する可能性がある。別の態様においては、希釈は初めの混合段階の前又はその間に行うことができる。
[0033]バリヤー被覆溶液は、スピンオン、スロットダイ、噴霧、浸漬、ローラー、及び他の被覆技術などの種々の一般的に公知の被覆方法によって反射光学構造体上に施すことができる。浸漬被覆に関しては、約10〜約20重量%の固形分濃度が好適である可能性がある。スピン、スロットダイ、及び噴霧のような他の被覆方法に関しては、約1〜約5重量%のより低い固形分濃度が好適である可能性がある。本発明の幾つかの態様は、フルオロポリマーの比較的小さいポリマー粒子径のために、噴霧用途のために特に好適である可能性がある。得られる噴霧溶液の粘度は、0.5cP乃至500cP超の間、好ましくは約0.5cP〜約10cP、より好ましくは約0.75cP〜約2.0cPの範囲であってよい。
[0034]バリヤー被覆溶液は、反射層の表面の少なくとも一部に施す。次に、バリヤー被覆溶液を硬化させて、反射層上にバリヤー被覆を形成する。バリヤー被覆溶液は、約60℃〜約350℃、好ましくは約150℃〜約325℃、より好ましくは約200℃〜約250℃の範囲の低温熱硬化工程にかけることができる。硬化は、約1分間〜約1時間の間、好ましくは約1分間〜約15分間行うことができる。得られる被覆は、幾つかの態様によれば非多孔質である。幾つかの態様においては、バリヤー被覆溶液は予め被覆した反射層の上に施す。
[0035]反射光学構造体におけるバリヤー被覆の厚さは、約1ミクロン〜約3mm、好ましくは約5〜約1,000ミクロン、より好ましくは約10〜約500ミクロン、更により好ましくは約50〜約100ミクロンの範囲である。適当な厚さを達成するために、同じか又は異なるバリヤー被覆の2以上の層を、その間に接着剤層を用いるか又は用いないで連続して施すことができる。
[0036]バリヤー被覆にはまた、接着剤を含ませることもできる。反射光学構造体における腐食を抑止するためには、接着剤、特に1種類以上の金属を含む反射層と直接接触するものは、これらの金属に対して腐食性であってはならない。例えば、接着剤は、銅及び銀の両方を腐食するハロゲン化物イオン、特に塩化物が低含量でなければならない。
[0037]幾つかの態様においては、上記に記載のようなポリマーを含む予め形成したシート又は膜を、接着剤を用いて反射被覆の背面に接着する。本発明の他の態様においては、表面にフルオロポリマーを施す当業者に公知の任意の好適な方法を用いることができる。本発明によるバリヤー被覆は、他の用途において用いることができる。反射鏡アセンブリにおいて他の層を与えることができることも本発明の範囲内であるので、他の層がその間に与えられている場合でも、バリヤー被覆はガラス基材上に配置されていると考えられる。
[0038]以下の実施例は本発明を例示する目的で与えるものであり、その範囲を限定するものではない。
実施例1:
[0039]2,3,3,3−テトラフルオロプロペンのホモポリマーを、添加剤を加えるか又は加えないで酢酸エチル中に溶解して、約1重量%〜約20重量%の間のポリマー濃度を有する種々の被覆組成物を形成した。得られたバリヤー被覆溶液を、噴霧被覆によって、銀反射層又は銀反射層と銅背面層の両方のいずれかを含むガラス反射鏡アセンブリの金属層に施し、得られた反射鏡アセンブリを加熱することによって硬化させた。かくして製造されたバリヤー被覆は疎水性で、110〜130°の水接触角を示し、これは高いレベルの耐湿性を示す。例示された反射光学構造体は、実質的に変化しないレベルの光学性能を維持し、3種類の異なる試験条件:(1)85%の相対湿度(RH)、85℃において1,000時間;(2)標準的なQUV加速耐候性試験条件(例えば、ASTM−G154及び/又はAATCC−TM186);及び(3)100%RH、45℃において1,000時間;の下で優れた耐久性を示すことが分かった。

Claims (8)

  1. (a)基材の背面上に配置されている反射層を含む光学透明基材;及び
    (b)式(I):
    (式中、nは約10〜約2,500であり、R、R、及びRは、独立してH及びFから選択される)
    によって表され、約2,000〜約200,000ダルトンの分子量を有する少なくとも1種類のポリマー又はポリマーセグメントを含むフロオロポリマーを含む、反射層の少なくとも1つの表面の一部の上に配置されているバリヤー層;
    を含む反射光学構造体。
  2. 少なくとも1種類のポリマー又はポリマーセグメントが、式(II):
    (式中、nは約15〜2,000である)
    によって表される、請求項1に記載の反射光学構造体。
  3. フルオロポリマーバリヤー層の厚さが約1〜約3,000ミクロンの範囲である、請求項1に記載の反射光学構造体。
  4. (a)基材の背面上に配置されている反射層を含む光学透明基材;及び
    (b)テトラフルオロプロペン又はペンタフルオロプロペン化合物から誘導されるホモポリマー及びコポリマーからなる群から選択され、約2,000〜約200,000ダルトンの分子量を有する少なくとも1種類のポリマーを含む、反射層の少なくとも1つの表面の一部の上に配置されているバリヤー層;;
    を含む反射光学構造体。
  5. コポリマーが、エチレン、プロピレン、ブチレン、フルオロエチレン、1,1−ジフルオロエチレン、1,2−ジフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、クロロエチレン、1,1−ジクロロエチレン、1,2−ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、及びテトラクロロエチレンからなる群から選択される1種類以上のコモノマーを含む、請求項5に記載の反射光学構造体。
  6. (a)光学透明基材の背面上に配置されている反射層に、テトラフルオロプロペン又はペンタフルオロプロペンから誘導されるホモポリマー及びコポリマーからなる群から選択され、約2,000〜約200,000ダルトンの分子量を有する少なくとも1種類のポリマーを含むバリヤー被覆溶液を施し;そして
    (b)バリヤー被覆溶液を硬化させて、反射層の上にバリヤー層を形成する;
    ことを含む、反射光学構造体を形成する方法。
  7. バリヤー被覆溶液が有機溶媒を更に含む、請求項6に記載の方法。
  8. 有機溶媒が酢酸エチルを含む、請求項7に記載の方法。
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