KR101043527B1 - 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 폴리실리케이트 27.6 중량부 - 36.2 중량부와, 에폭시 및 비닐 수지 중 선택되는 어느 하나의 수지 1.5 중량부 - 10.6 중량부와, 콜로이달실리카 21.2 중량부 - 42.6 중량부와, 코팅층 표면에서 친수성기로 작용하는 -OH, -NH₂, -COOH 로 구성되는 제1군 작용기 중 어느 하나의 작용기를 갖는 제1군 첨가제와, 코팅층 표면에서 소수성기로 작용하는 -C_nF_2n+1(n은 1 - 5 중의 정수) 작용기를 갖는 제2군 첨가제를 총합으로 1.5 중량부 - 10.6 중량부 함유하는 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스를 제공한다.

폴리실리케이트, 콜로이달 실리카, 첨가제, 열경화방식

Description

내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스 {STAINLESS STEEL OUT-CASE OF HOME APPLIANCE HAVING ANTI-FINGERPRINT COATING}

본 발명은 스테인리스 스틸이 가전제품의 외부 케이스에 사용되는 경우 적용될 수 있는 내지문 코팅에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스테인리스 스틸 상층에 형성되는 코팅층이 유기성분과 무기성분을 동시에 함유하여 스테인리스 스틸이 갖는 고유의 내식성을 더욱 향상시킬 수 있음과 더불어 지금까지 해결되지 않았던 내지문성, 내스크래치성의 문제점을 해결할 수 있는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스용 내지문 코팅에 관한 것이다.

요즘 스테인리스 스틸을 주요가전의 외부 케이스에 적용함으로써 금속질감을 살리면서도 견고한 느낌을 주는 프리미엄 제품들이 하나의 추세를 이루고 있다. 다만, 스테인리스 스틸의 경우 지문 등이 묻기 쉬워 원래의 외부 케이스가 갖는 청결함을 유지하기 어렵다는 단점을 갖고, 이를 막기 위한 보호코팅이 요구되고 있다.

종래 기술에 따라 스테인리스 스틸의 상측에 형성되는 코팅층은 폴리머(아크릴, 우레탄)를 포함하여 구성된 코팅층이다.

우레탄 고분자는 폴리올을 기초로 하는 화합물과 이소시아네이트의 반응으로 얻어진다. 상기 반응에서는 적정한 촉매와 경화제가 첨가되는 것이 일반적이다. 우레탄 고분자는 일반적으로 폴리아민 베이스 화합물과 이소시아네이트와의 반응으로 얻어지며 아민과 이소시아네이트의 반응은 충분히 빠르기 때문에 촉매는 필요하지 않다.

우레탄 고분자는 내마모성이 우수하여 우레탄 결합에 존재하는 카르보닐기(c=o)의 추가적인 탄소와 질소 원자의 결합에 기인한다. 또한, 우레탄 고분자는 내열성이 더 강하고 입체적으로 더 안정하여 압축강도가 좋고, 신축성, 내산성, 내알칼리성, 내약품성, 자외선에 잘 견디는 특성이 있고, 환경오염이 없으며 온도의 영향을 전혀 받지 않으므로 겨울철에도 온도의 제약을 받지 않는 장점이 있다.

우레탄 수지는 강판이나 알루미늄판 등에 도장하여 면의 긁힘을 방지하는데 쓰이거나 내화학성을 부여하기 위하여 사용되고 있으며, 우레탄 수지의 고형분 함량이 10중량% 미만이면 부식이온의 침투에 대한 내염수성 및 화학물질의 침투에 대한 내약품성이 발휘되지 않아 내화학성 및 내알칼리성이 저하된다. 또한, 내고온고습성과 내한성을 보강하기 위하여 아크릴계 수지를 혼합하거나, 우레탄 수지와 공중합시켜 사용한다.

상기와 각 성분을 용매에 용해시켜 코팅액이 형성되며, 스테인리스 스틸의 상측으로 도포한 후에 건조하는 공정을 거치게 된다. 건조는 코팅단계에서 함유된 용매를 제거하기 위해 수행된다.

건조 단계를 거친 코팅층은 경화단계로 이어지며, 경화는 건조단계에서 남은 용매를 제거하고, 코팅층을 경화하기 위해서 수행된다. 경화 방식은 UV경화방식으 로 물체 표면에 도료를 분사한 뒤 UV램프를 이용하여 이를 경화시키는 방식인데 이를 위해서는 도료 역시 UV경화용 도료를 사용하여야 한다. 이 도료는 우레탄 아크릴네이트, 모노마, 광개시제 희석용제와 그 외 기타조제로 구성되어 있으며 원료의 차이에 따라 유광과 무광의 효과를 나타낼 수도 있다. 이때 두께는 대략 10~20㎛이다. 또한, UV경화는 순간적이며 코팅두께의 감소가 없고, 각 구성요소들을 증발시키지 않는다. 공업적으로 사용되는 UV는 순수한 UV만이 아니고 그 중에는 가시 광선과 적외선 등이 혼합되어 있다. UV를 받은 광개시제는 활성화되며 UV 경화 수지 중의 불포화기 성분은 광개시제의 활성화 에너지를 받아 활성화되어 중합을 개시한다.

광개시제는 UV를 받아 자신을 분해하며 올리고머와 모노머를 연결하여 수지가 되도록 하여 주는 물질로, 원하는 수지의 특성과 UV의 파장에 따라 사용되는 종류가 매우 다양하다. 광개시제의 특성은 용제를 사용치 않아 환경의 오염을 최소화한다는 것과 코팅 두께를 조정키 위해 용제를 최소한으로 사용할 수 있고 경화 시간이 짧아 대량생산이 용이하다.

종래 기술에 따른 스테인리스 스틸의 코팅층의 재료로 사용되는 우레탄 고분자를 내수성, 내약품성, 하지 재료에 대한 마모성 및 광택특성이 양호하여 코팅재료로서 널리 사용되고 있지만, 우레탄 고분자를 구성하는 폴리아민이 가격이 높기 때문에 우레탄고분자는 용도가 제한적이다. 또한, 코팅층이 고분자만으로 형성되어 연필강도 1H로 스크래치가 잘생기고 크랙의 발생도 쉬울 뿐 아니라, 스테인리스 스틸을 적용한 가전제품의 외관에서 여전히 지문이 뭍어나며, 내지문이라기 보다는 쉽게 닦이는 수준이므로 청결함을 유지하기 어렵다는 단점이 있어 이를 보고하기 위한 보호 코팅이 요구되고 있다.

또한, 코팅공정 UV경화 방법을 사용하나, 사용되는 도료의 가격이 기존 도료에 비해 고가이며, UV 경화기를 새로 구입해야하며, 평면이 아닌 각진 부분이나, 요철부분은 경화가 어려울 뿐 아니라, UV 램프에서 발생하는 고온의 열이 제품을 열변형 시킬 수 있으며, 물체의 열 변형 방지가 어렵고 비용도 높다. 또한, 유색의 물질은 경화속도가 늦어지고, 물체의 두께에 따라 경화 속도가 차이 나며, 광개시제 등이 함유한 유해한 성분으로 인한 환경오염이 유발될 수 있으므로 개선이 요구된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 스테인리스 스틸로 만들어지는 가전제품의 외부 케이스의 내지문성을 향상시키고 내스크래치성을 향상시키는 코팅을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 환경 친화적인 재료와 경화방법을 사용하는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스용 내지문 코팅을 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명은, 폴리실리케이트 27.6 중량부 - 36.2 중량부와, 에폭시 및 비닐 수지 중 선택되는 어느 하나의 수지 1.5 중량부 - 10.6 중량부와, 콜로이달실리카 21.2 중량부 - 42.6 중량부와, 코팅층 표면에서 친수성기로 작용하는 -OH, -NH₂, -COOH 로 구성되는 제1군 작용기 중 어느 하나의 작용기를 갖는 제1군 첨가제와, 코팅층 표면에서 소수성기로 작용하는 -C_nF_2n+1(n은 1 - 5 중의 정수) 작용기를 갖는 제2군 첨가제를 총합으로 1.5 중량부 - 10.6 중량부 함유하는 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스를 제공한다.

여기서, 코팅층은 TiO₂, Al₂O₃, ZnO 로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어지는 소광제를 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

아울러, 코팅층은 레벨링제(leveling agent)를 추가로 함유할 수 있으며, 슬립제(slip agent)를 추가로 함유할 수도 있고, 테플론계 왁스를 추가로 함유할 수도 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 가전제품용 내지문 코팅은 내지문성 향상으로 스테인리스 스틸 외관의 청결함을 유지하고, 내스크레치성을 향상시켜 제품의 내구성이 향상되는 이점이 있다.

또한, 환경친화적일 뿐만 아니라 코팅공정의 비용이 감소하여 가전제품의 외부 케이스에 스테인리스 스틸의 적용이 확대될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 내지문 코팅의 구성도이고, 도 2는 그 코팅층의 개념도이다. 본 발명에 따른 코팅층은 스테인리스 스틸의 표면층에 적용되며, 코팅층은, 폴리실리케이트 27.6 중량부 - 36.2 중량부와, 에폭시 및 비닐 수지 중 선택되는 어느 하나의 수지 10.6 중량부 이하와, 콜로이달실리카 21.2 중량부 - 42.6 중량부와, -OH, -NH₂, -COOH 로 구성되는 제1군 작용기 중 어느 하나의 작용기를 갖는 제1군 첨가제와, -C_nF_2n+1 (n은 1 - 5 중의 정수) 작용기를 갖는 제2군 첨가제를 총합으로 1.5 중량부 - 10.6 중량부 함유한다.

본 발명에서 코팅층을 형성하는 폴리실리케이트는 경수 연화 능력이 우수하고 수용성이며, 수질오염 및 환경오염의 문제로부터 자유로운 친환경적인 물질이다. 또한, 수용액에서 콜로이달 실리카를 형성하여 세척력이 우수하고 피부자극이 거의 없어 화장품 원료나 폐수처리용 흡착제 등에 널리 활용되고 있으며, 폴리실리 케이트가 함유한 빌더는 경수를 연화하고 계면활성제의 세척작용을 크게 도와주는 원료이다. 또한, 특수 금속촉매를 사용한 합성법으로 형성되어 표면에 소유기 및 소수기가 일정 범위 내의 비율로 형성된다. 상기 소유기 및 소수기의 특성이 결합하여 내지문 특성이 발휘된다.

스테인리스 스틸은 가전의 외관용으로 사용되는 STS 304를 사용하며, 특히 STS 304 2B(#4)를 사용하고, STS 304는 크롬 18% 니켈 8%로 이루어진 것으로, 자성이 없는(냉간 가공 후 다소 자성이 있음) 소위 '오스테나이트계 스테인리스 스틸'로, 뛰어난 내식성이 있으며, 성형성이 풍부할 뿐 아니라 열팽창과 열전도도도 보통 스틸의 1.5배이다. 최근 니켈 등의 원료 금속의 폭등으로 STS 443 계열과 같은 페라이트계 스테인리스 스틸도 역시 동등하게 적용될 수 있다.

에폭시 또는 비닐 수지는 고분자 물질로 코팅층의 유연하게 하여, 스테인리스 스틸의 성형 등으로 인한 코팅층의 절곡이나 크랙 발생을 방지한다.

-OH, -NH₂, -COOH 로 구성되는 제1군 작용기 중 어느 하나의 작용기를 갖는 제1군 첨가제와, -C_nF_2n+1 (n은 1 - 5 중의 정수) 작용기를 갖는 제2군 첨가제가 사용되는데, 여기서 제1군 첨가제는 코팅층 표면에서 친수성(hydrophilic)기 혹은 소유성(olleophobic)기로 작용하며, 제2군 첨가제는 코팅층 표면에 소수성(hydrophobic)기로 작용한다. 제1군 첨가제는 수용성 유기 수지 및 가교제(crosslinker) 첨가제로, 그 예로 멜라민 수지 화합물(Cymel 303, 325, 327, 328, 385라는 상표명으로 판매되는 Cytec사의 제품)이나, 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 폴리아마이드 수지 화합물, 폴리비닐알콜, 수용성 폴리에틸렌 수지 에멀젼 등이 사용될 수 있다. 제2군 첨가제로는 후술한 실시예에서 기재되었고 시중에서 판매되는 불소화합물 CAR 30, 불소화합물 7005 등이 사용될 수 있다. 이러한 첨가제는 내지문성 향상 및 코팅층 안정성을 확보하기 위한 것이다.

아울러, TiO₂, Al₂O₃, ZnO 로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어지는 소광제가 사용되어 코팅층의 광택을 조절하는 역할을 수행한다.

코팅층이 형성되는 구체적인 메카니즘을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 폴리실리케이트의 합성과정식을 도 3에 나타내었다. 여기서 X는 OCOCH₃, Cl, OH 등이 될 수 있으며, Y는 금속기가 달려있는 유기화합물이다. 본 발명에서는 Si이 달려있는 유기화합물을 혼합한 후 적당한 촉매를 가하고 열을 가하여 반응시키면 물이 생기면서 폴리실리케이트가 합성된다.

이렇게 합성된 폴리실리케이트는 수용성이므로 폴리실리케이트와 에폭시 혹은 비닐 수지를 함께 물에 녹여서 수용액을 만든 상태의 구조식은 도 4의 위에 표시하였다. 도 4에서 R은 에폭시 혹은 비닐기를 가리킨다. 이러한 구조식을 갖는 수용액을 스테인리스 스틸의 표면에 코팅시켜서 열을 가하면 물이 증발하고 도 4의 아래와 같이 유기-무기 하이브리드 필름이 형성된다. 도 4의 아래 도면에서 보인 바와 같이 스테인리스 스틸 기지 표면에 존재하는 금속(Me)의 산화물와 코팅층이 어느 정도 화학결합을 이루게 되므로 코팅층의 밀착력은 아주 우수하게 된다. 이러한 폴리실리케이트 화합물은 도 2에 보인 바와 같이 코팅층 내부에 광범위하게 분포된다.

수용액에 존재하는 콜로이달 실리카가 표면처리되는 과정을 도 5에 나타내었다. 실란 커플링 에이전트가 가수분해 과정을 거쳐 실리카가 형성되고, 이렇게 형성된 작용기를 포함하는 실리카를 스테인리스 스틸 표면에 코팅시켜서 열을 가하여 물을 증발시키면 도 5의 오른쪽 그림에 보인 바와 같이 표면처리된 콜로이달 실리카가 얻어진다. 이러한 콜로이달 실리카는 도 2에 보인 바와 같이 코팅층에서 스테 인리스 스틸 표면층과 코팅층 내부에 광범위하게 분포하여 코팅층의 내구성을 담보한다.

본 발명에서는 무기질 실리카는 안정성이 우수한 물에 분산시킨 콜로이달 실리카가 사용되며, 콜로이달 실리카를 너무 적게 사용하면 내식성이 저하된다. 용매와 만난 콜로이달 실리카 표면에서 가수분해가 일어나 적절히 표면처리되어 에폭시 등 다른 물질들과 유도적 결합을 이루는 것을 표현하였다. 보다 상세하게, 도 2에 스테인리스 스틸 표면과 코팅층의 경계에 콜로이달 실리카가 형성되는 것을 볼 수 있다. 스테인리스 스틸 표면에 개질 된 콜로이달 실리카로 인해 코팅층을 견고하게 하여 연필경도가 4H에서 6H로 코팅층의 내구성과 내스크래치성이 향상된다.

도 6은 코팅층의 표면에 소수성기 및 소유성(친수성)기가 만들어지는 메카니즘을 설명한다. 제1군 및 제2군 작용기를 갖는 첨가제가 실란 화합물, 금속염과 반응하여 첨가제가 코팅의 표면층으로 자리잡으면서 코팅층이 소수성 및 소유성으로 개질되도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 가전제품용 내지문 코팅의 스테인리스 스틸들의 색차를 나타낸 도면이다. 색차계는 명도(L), 채도(a), 색상(b)을 표시하기 위한 것이다. 색차 ΔE = [(ΔL)2 + (Δa)2 + (Δb)2]^1/2으로 나타내며, 색차 ΔE는 일반사람들이 색차이를 느끼는 정도를 수치로 나타낸 것이다. 색차 ΔE의 값이 1 이상이면 다른 색으로 인식하게 된다. 도 7에 나타난 A, B, C, D, E, F는 가전제품용 내지문 코팅의 구성을 다르게 한 샘플들이다. 스테인레스 스틸 종류에 따른 색차 ΔE의 비 교에서는 STS-443CT 보다 STS-304 2B의 색차 ΔE가 낮게 측정되는 것을 알 수 있다. STS-304 2B는 대체로 색차 ΔE가 1 이하로 지문이 뭍더라도 눈으로 확인하기 힘든 정도인 것을 알 수 있으며, 본 발명에서는 스테인리스 스틸은 STS-304 2B을 사용한다.

도 8은 본 발명에 따른 가전제품용 내지문 코팅의 첨가제에 따른 색차의 그래프이다. 첨가제는 코팅층의 내지문성 향상과 코팅층의 안정화를 위해 사용된다. 도면에 나타난 E, F, G, H, I, J는 가전제품용 내지문 코팅의 구성을 다르게 한 샘플들이다. E는 본 발명에 따른 코팅층이나 첨가제를 포함하지 않는 코팅층을 나타내고, F는 E에 레벨링제 EFKA 3522를 함유한 것이다. G는 E에 불소화합물 CAR 30을 함유한 코팅층이고, H는 E에 불소화합물 7005를 함유한 코팅층이고, I는 E에 레벨링제 EFKA 3035를 포함한 코팅층이고, J는 E에 왁스 MD 2000을 포함한 코팅층이다.

E는 색차 ΔE가 1을 조금 벗어나고, F는 색차 ΔE가 0.5 이하로 사람들이 눈으로 분간하기 힘들 정도인 것을 알 수 있다. G는 색차 ΔE가 1.5에 가까우며, H와 I는 색차 ΔE가 1.5를 넘어 색차이를 눈으로 확인할 수 있음을 나타낸다. J는 색차 ΔE 1을 넘으나 아주 근소한 차이임을 알 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 가전제품용 내지문 코팅은 각 성분을 용매에 용해시켜 제조되며, 본 발명에 따른 폴리실리케이트와 콜로이달 실리카 등을 투입하여 주제용액을 제조한다. 유기물 및 기타 경화제, 첨가제등 수지 조성물에 일반적으로 사용되는 성분이 첨가될 수 있다. 또한, 코팅액은 내식성 경화제의 입자가 수지에 균일하게 반응하여 분산되어 있기 때문에 수지용액의 안정성이 우수하고 방 식 코팅층의 내식성, 전도성, 내알칼리성, 내고온고습성 등이 더욱 향상되는 효과를 나타내게 된다.

상기와 같이 형성된 코팅액을 롤(Roll) 코팅, 플로우(Flow) 코팅, 디핑(dipping) 코팅, 에어(Air) 코팅, 스프레이(Spray) 코팅 등의 다양한 방법으로 스테인리스 스틸을 도포할 수 있으며, 도포한 후에 건조 단계를 거치게 된다. 건조는 코팅단계에서 함유된 용매를 제거하기 위해 수행된다.

건조 단계를 거친 코팅층은 경화 단계로 이어지며, 경화는 건조단계에서 남은 용매를 제거하고, 코팅층을 경화하기 위해서 수행된다. 경화 방식은 열경화 방식으로 환경친화적이며, 경화 조건은 150℃의 온도에서 10~12분으로 수행되는 것이 코팅층의 색차 ΔE가 낮아져 내지문성이 향상된다. 온도가 70℃ 이하이면 수지의 경화반응이 충분하지 못하여 피막의 물성이 저하되며, 반대로 180℃ 이상이면 수지층의 열변형이 촉진되기 때문에 물성이 변화하게 되므로 주의한다.

종래기술에 관한 코팅액은 고분자만으로 형성되어 있어 연필경도가 1H로 내스크레치성이 낮으나, 본 발명에 관한 코팅액은 무기물인 콜로이달 실리카를 함유하여 연필경도 4H이상으로 내스크레치성이 아주 우수하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 폴리실리케이트를 포함하여 내지문 특성을 향상시키고, 콜로이달 실리카를 포함하여 내 스크래치성이 향상되었을 뿐 아니라, 코팅층의 유연성을 확보하기 위하여 에폭시 또는 비닐 수질을 사용하였고, 첨가제를 사용하여 내지문성을 더 향상시키고 코팅층의 더 안정화시킨다. 상기와 같이 유기성분과 무기성분을 동시에 함유한 코팅층이 스테인리스 스틸의 내구성 을 향상시켜 제품의 신뢰성을 높인다.

이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 내지문 코팅의 구성도이다.

도 2는 도 1에 따른 코팅층의 개념도이다.

도 3은 본 발명에 적용되는 폴리실리케이트의 합성과정식을 보여준다.

도 4는 도 3에 따라 합성된 폴리실리케이트에 물에 녹아서 수용액 상태에서 존재하는 구조식과, 스테인리스 스틸 표면에 코팅된 후 열을 가해 물을 증발시킨 경우의 구조식을 보여준다.

도 5는 본 발명에 따라 수용액에 존재하는 콜로이달 실리카가 가수분해에 의해 표면처리되는 과정을 보여준다.

도 6은 본 발명에 따라 코팅층의 표면에서 소수성기 및 소유성(친수성)기가 만들어지는 개념도를 보여준다.

도 7은 본 발명에 따른 가전제품용 내지문 코팅의 스테인리스 스틸들의 색차를 나타낸 도면이다.

도 8는 본 발명에 따른 가전제품용 내지문 코팅의 첨가제에 따른 색차의 그래프이다.

Claims (5)

1. 폴리실리케이트 27.6 중량부 - 36.2 중량부와,

   에폭시 및 비닐 수지 중 선택되는 어느 하나의 수지 1.5 중량부 - 10.6 중량부와,

   콜로이달실리카 21.2 중량부 - 42.6 중량부와,

   코팅층 표면에서 친수성기로 작용하는 -OH, -NH₂, -COOH 로 구성되는 제1군 작용기 중 어느 하나의 작용기를 갖는 제1군 첨가제와, 코팅층 표면에서 소수성기로 작용하는 -C_nF_2n+1 (n은 1 - 5 중의 정수) 작용기를 갖는 제2군 첨가제를 총합으로 1.5 중량부 - 10.6 중량부 함유하는 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스.
2. 제1항에 있어서,

   코팅층은 TiO₂, Al₂O₃, ZnO 로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어지는 소광제를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스.
3. 제1항에 있어서,

   코팅층은 레벨링제(leveling agent)를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스.
4. 제1항에 있어서,

   코팅층은 슬립제(slip agent)를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스.
5. 제1항에 있어서,

   코팅층은 테플론계 왁스를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 내지문 코팅층을 갖는 가전제품의 스테인리스 스틸 외부 케이스.

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