KR102219665B1 - 활성탄이 코팅된 담체를 포함하는 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 더블라셀 편물을 담체로 한 활성탄 필터의 제조방법은 담체를 준비하는 단계; 상기 담체의 표면을 친수성 코팅제로 코팅하는 단계; 활성탄, 용매 및 바인더를 혼합하여 활성탄 함침용액을 준비하는 단계; 상기 준비된 활성탄 함침용액에 상기 친수성 코팅제로 코팅된 담체를 함침시키는 단계; 및 상기 활성탄 함침용액에서 상기 담체를 꺼내 건조시키는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

활성탄이 코팅된 담체를 포함하는 필터 및 그 제조방법{Filter comprising a carrier coated with activated carbon and a method for manufacturing the same}

이 출원발명은 담체에 코팅된 활성탄을 포함하는 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용, 오토바이용, 또는 예초기용 캐니스터에 사용되는 필터의 소재로 활성탄이 코팅된 담체 구조물을 사용함으로써 캐니스터의 중량 절감 및 통기저항을 감소시킬 뿐만 아니라 가스 탈부착 효율이 향상된 더블라셀 편물을 담체로 한 활성탄 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차 연료 시스템으로부터의 가솔린 연료의 증발은 탄화수소 공기 오염의 주요한 잠재적 요소이다. 이러한 연료 증기 배출은 차량이 급유 중이거나 주차될 때, 즉 엔진이 꺼질 때 발생한다. 그러한 배출은, 연료 시스템으로부터 배출되는 연료 증기를 흡착하기 위해 활성탄을 채용하는 캐니스터에 의해 제어될 수 있다.

연료탱크 내부에 채워지는 가솔린은 연료펌프에 의해 엔진으로 보내지며 이 중, 사용되지 않은 연료는 다시 연료탱크로 보내지게 된다. 이렇게 연료탱크로 다시 보내진 연료는 엔진 구동시 엔진의 열을 받아 온도가 상승하게 되고, 특히 여름철과 같이 주위온도가 고온으로 올라가는 경우에는 상기 연료탱크 내의 가솔린 온도는 더욱 상승하게 된다. 이처럼, 연료탱크 내에서 가솔린 온도가 상승하게 되면 탄화수소(HC)와 같은 유해가스를 발생하게 된다. 이렇게 발생하는 유해가스는 연료탱크에 결합된 배관라인을 타고 연료탱크 외부로 빠져나오게 되는데, 이렇게 외부로 빠져나오는 유해가스를 모아두는 저장소의 역할을 행하는 것이 바로 캐니스터(canister)이다.

캐니스터는 상술한 바와 같이, 엔진이 작동하지 않는 경우, 자동차의 연료탱크에서 발생하는 유해한 증발가스를 캐니스터 내부에 구비된 활성탄에 흡착시켜 저장하였다가 엔진이 작동하여 RPM이 상승하면 상기 활성탄에 흡착된 증발가스를 엔진으로 이송하여 연소하도록 함으로써 상기 연료탱크에서 발생하는 연료의 손실을 방지하는 기능을 행한다. 이와 같은 기능을 구비하는 종래 캐니스터의 내부는 연료 증발가스를 흡착하기 위하여 입상탄(Granule 형상), 펠렛형상 및 허니콤 형상의 활성탄으로 채워져 있으며, 이러한 활성탄의 가스흡착 성능이 자동차의 연비 및 오염물질 배출과 관련하여 중요한 이슈가 되고 있다.

특히, 최근 자동차의 연비 및 오염물질 배출에 관하여 이슈가 지속됨에 따라 캐니스터 내부 활성탄의 압력 손실 저하, 탄화수소의 탈착성능과 지속성 개선, 높은 생산성 및 필요에 따라 다양한 디자인으로 제작할 수 있는 캐니스터용 활성탄 필터의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 높은 활성탄 코팅량을 가지며, 향상된 통기성 및 우수한 가스 탈부착 효율을 갖는 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법 및 이에 따라 제조된 활성탄 필터를 제공하고자 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 더블라셀 편물을 담체로 한 활성탄 필터 제조방법은 담체인 더블라셀 편물을 준비하는 단계; 더블라셀 편물의 표면을 친수성 코팅제로 코팅하는 단계; 활성탄, 용매 및 바인더를 혼합하는 활성탄 함침용액을 준비하는 단계; 활성탄 함침용액에 친수성 코팅제로 코팅된 담체를 함침시키는 단계; 및 활성탄 함침용액에서 담체를 꺼내 건조시키는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 발명에 따른 활성탄이 코팅된 담체를 포함하는 활성탄 필터는 활성탄의 부착량이 높은 장점을 갖을 뿐만 아니라 우수한 통기성을 가지며, 공기와 반응하는 표면적이 넓어 유해가스의 흡착성능이 우수한 장점이 있다.

이에 더하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 더블라셀 구조의 활성탄 필터 제조방법에 의하면 평면 형태의 활성탄 필터, 곡면 형태의 활성탄 필터 및 원통 형태의 활성탄 필터를 포함한 다양한 형태의 활성탄 필터를 제작할 수 있어 가공성이 우수한 장점이 있다.

도1은 이 발명의 일 실시 예에 따른 활성탄 필터 제조방법의 순서도이다.
도2 및 도3은 이 발명의 일 실시 예에 따른 활성탄 필터에 적용되는 더블라셀 편물 담체를 도시화한 도면이다.
도4는 이 발명의 일 실시 예에 따른 활성탄 미세공에 자리잡은 용매의 상태를 도시화한 도면이다.
도5는 이 발명의 일 실시 예에 따른 구성된 활성탄 주변으로 미세버블이 부착된 모습을 도시화한 도면이다.
도6은 이 발명의 일 실시 예에 따라 구성된 활성탄 필터를 도시화한 도면이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 별명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

이하에서는 이 발명의 실시 예에 따른 더블라셀 편물을 담체로 한 활성탄 필터 제조방법 및 활성탄 필터에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 우수한 가스 흡착 및 탈착 효율을 가지며 높은 통기성을 가지는 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법 및 이에 따라 제조된 캐니스터용 활성탄 필터에 관한 것이다.

도 1은 이 발명의 일 실시 예에 따른 활성탄 필터 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법은 담체를 준비하는 단계, 담체 표면을 친수성 코팅제로 코팅하는 단계(S10), 활성탄, 용매 및 바인더를 혼합하는 활성탄 함침용액을 준비하는 단계(S20), 활성탄 함침용액에 친수성 코팅제로 코팅된 담체를 함침시키는 단계(S30) 및 활성탄 함침용액에서 담체를 꺼내 건조시키는 단계(S40)를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 담체는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 필요에 따라, 담체는 직물(직포 또는 부직포), 미세구조의 플라스틱 또는 금속으로 제조될 수 있다. 담체가 미세구조의 플라스틱 또는 금속으로 제조되는 경우에도 편물로 제조되는 경우와 동일한 방법에 의해 필터가 제조될 수 있는 바, 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.

도2 및 도3은 이 발명의 일 실시 예에 따른 활성탄 필터에 적용되는 더블라셀 편물 담체를 도시화한 도면이다. 이를 참조하면, 더블라셀 구조란 벌집모양의 이중구조를 의미하며, 더블라셀을 담체로 사용하여 담체표면을 활성탄으로 코팅한 활성탄 필터를 제조하는 경우, 필터의 통기성이 우수한 바, 기체 막힘 등의 문제를 방지할 수 있으며, 활성탄을 담체 표면에 균일하게 도포시킴으로써 적은 양의 활성탄을 가지고 높은 가스흡착효율을 가지는 필터를 제공할 수 있다.

< 더블라셀 편물을 준비하는 단계>

필요에 따라, 필터 제조방법은 담체로 사용되는 더블라셀 편물의 준비단계를 포함할 수 있다. 담체로 사용되는 더블라셀 편물(100)은 PET(Polyethylene terephthalate, 폴리에틸렌 테레프탈레이트) 100% 또는 PET, NYLON(나일론), 레이온 등으로 혼성된 합성섬유사 및 기타 합성섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으며, 도2 및 도3에서 보이는 바와 같이 더블라셀 구조로 편직된 편물이 사용될 수 있다. 더블라셀 편물(100)은 도3에서 보이는 바와 같이 3D 구조로 짜여진 원단으로 표면층(1)과 이면층(2)이 일정 간격을 두고 배열이 되고, 표면층(1)과 이면층(2) 사이에는 표면층(1)과 이면층(2)이 일체로 연결될 수 있도록 중간층(3)이 배열된 구조로 이루어진다.

담체로 사용되는 더블라셀 편물(100)은 1~3mm의 두께를 갖는 허니컴 구조로 짜여진 표면층(1), 표면층에 대응하여 1~3mm의 두께를 갖는 허니컴 구조로 짜여진 이면층(20), 표면층과 상기 이면층 사이를 섬유사로 연결하여 1~20mm의 두께를 갖는 중간층(3)을 포함하는 구조로 형성된다. 이 때, 필요에 따라 중간층에 사용되는 섬유사는 드로 텍스쳐사(Draw textured yarn)일 수 있다. 드로 텍스쳐사는 우수한 활성탄 접착력을 보이는 소재로, 이를 활용하여 중간층을 제조함으로써 더욱 많은 양의 활성탄을 담체에 부착시킬 수 있다.

필요에 따라, 표면층(1)과 이면층(2)의 섬유사의 밀도는 중간층(3)에 비하여 높은 소재가 사용될 수 있다. 표면층(1)과 이면층(2)에 높은 밀도의 소재를 사용함으로써 외력에 의해 필터의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있으며, 높은 내구성을 갖도록 할 수 있다. 또한, 더블라셀 편물(100)을 담체로 사용하게 되면 2D 구조의 시트를 담체로 사용하는 것에 비하여 활성탄이 부착될 수 있는 표면적이 넓으므로, 기체의 탈부착 효율이 향상되며, 통기성이 우수한 바, 캐니스터에 기체막힘 효과를 해결할 수 있다.

< 친수성 코팅제로 코팅하는 단계>

한편, 전술한 더블라셀 편물(100)을 이루는 합성섬유사는 소수성인 특징을 갖는 바, 합성섬유사 표면에 부착되는 활성탄의 양을 증가시키기 위하여 더블라셀 편물(100)의 표면을 친수성으로의 전환시키기 위한 공정을 포함할 수 있다. 필요에 따라 함침, 스프레이 방식 또는 나이프 코팅을 포함한 백코팅방식(Back-coating)을 통하여 더블라셀 편물(100)의 표면을 친수성 코팅제로 코팅하는 단계(S10)를 통하여 더블라셀 편물(100)의 표면을 친수성으로 전환할 수 있다.

친수성 코팅제로 코팅된 더블라셀 편물(100)에 활성탄이 안정되게 자리잡게 하기 위해서 활성탄, 용매 및 바인더가 혼합된 활성탄 함침용액을 준비한다. 필요에 따라, 담체가 미세구조의 플라스틱 또는 금속으로 제조되는 경우에도 동일한 방식에 의해 담체 표면을 코팅할 수 있다.

< 활성탄 함침용액 준비단계 >

이 발명에서 사용되는 활성탄은 목재, 목재 분진, 목재 가루, 면 린터, 토탄, 석탄, 코코넛, 갈탄, 탄수화물, 석유 피치, 석유 코크스, 석탄 타르 피치, 과일씨, 핵과, 견과류 껍질, 견과류씨, 톱밥, 야자수, 채소, 합성 중합체, 천연 중합체, 리그노셀룰로오스 물질, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 부재를 포함하는 재료로부터 유도되는 활성탄을 말하며, 분말형태의 활성탄 또는 슬러리 형태의 활성탄을 포함할 수 있다.

필요에 따라, 본 발명에서는 10~500 mesh 크기로 파쇄된 2~50 nm의 중세공이 발달된 목탄계 활성탄을 사용할 수 있다. 2~50 nm 크기의 중세공(meso pore)이 발달된 활성탄의 경우, 가솔린 가스 흡착 및 탈착에 높은 효율을 보인다. 중세공을 가지는 활성탄은 우수한 가스의 흡착 및 탈착 성능을 보이는 바, 자동차, 오토바이, 또는 예초기에 사용되는 캐니스터 등 주기적으로 가스의 흡착 및 탈착이 이루어지는 곳에 사용될 수 있다. 미소공(2 nm 이하의 공극)을 가지는 활성탄의 경우, 기체의 흡착 효율은 높으나 탈착 효율이 높지 않아 미세한 오염물질을 흡착하여 제거하기 위한 탈취필터 등에 사용되며, 매크로 세공(50 nm 이상)을 가지는 활성탄의 경우, 기체의 흡착 성능이 떨어지는 바, 액체의 정수 등에 사용된다. 따라서 본 발명에서는 중세공이 발달된 활성탄을 사용함으로써 높은 효율의 캐니스터를 제조할 수 있다. 본 발명에 사용되는 활성탄의 수분율은 5 내지 15% 일 수 있다. 필요에 따라 본 발명에 사용되는 활성탄의 경우 2~17의 부탄 흡탈착 능력(이하 BWC: Butane working capacity)을 가질 수 있다.

활성탄 함침용액의 용매는 pH 11~13의 알칼리성이며, 친수성인 용액이 사용될 수 있다.

활성탄 함침용액에 혼합되는 바인더는 25~35%의 고형분을 갖는 수용성 PET 수지, 수용성 아크릴 수지, 수용성 우레탄 수지 및 통상 사용되는 유기바인더(organic binder) 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같이 준비된 활성탄, 용매, 바인더는 다음의 비율로 혼합될 수 있다. 활성탄 함침용액은 활성탄, 활성탄 100g에 대하여 바인더 80~120g, 활성탄 100g에 대하여 용매 80~120g의 비율로 혼합될 수 있다. 이때의 혼합은 활성탄, 용매, 바인더의 순서로 이루어질 수 있다.

활성탄 함침용액을 준비하는 과정에서는 도4 및 도5에서 보이는 바와 같이 활성탄(201)에 형성된 미세공간에 용매(202)가 안정되게 자리를 잡을 수 있도록 1~2시간 동안 미세 버블(204)이 형성되도록 충분히 혼합한다. 이때 활성탄 함침용액의 점도가 400~600 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 준비단계를 통해서 이후의 완성된 활성탄 필터를 건조시키는 단계에서 활성탄의 미세공에 먼저 자리잡은 용매(202)가 건조 열에 의해서 증발하여 바인더(203)가 활성탄의 미세공을 막게 되는 현상을 미리 방지할 수 있게 된다.

또한, 혼합과정에서 형성된 미세 버블(204)은 활성탄(201) 주위로 붙어 바인더(203)가 활성탄 전체를 덮는 현상을 방지하고, 혼합된 활성탄 함침용액에 담체를 함침하고 건조시키는 단계에서 활성탄 함침용액이 담체에 코팅되는 양을 높여 활성탄이 보다 안정되게 안착될 수 있게 한다. 즉, 활성탄의 탈리현상을 줄일 수 있게 된다.

< 담체를 활성탄 함침용액에 함침하는 단계 >

전술한 단계에서 준비된 더블라셀 편물 담체는 활성탄 함침용액에 일정 시간동안 함침하는 공정을 통해서 활성탄이 담체에 안정되게 자리를 잡도록 한다. 활성탄 함침용액에 담체를 함침시키는 시간은 5 내지 30초가 적당하다.

활성탄 함침용액에 담체를 함침시키는 공정을 통해서 활성탄 함침용액이 충분히 함침된 담체는 망글에 통과시켜 더블라셀 편물(100)의 표면층과 이면층 뿐만 아니라 중간충에도 일정 수준 이상의 활성탄이 붙은 상태가 되게 한다. 중간층을 드로 텍스쳐사로 제조하는 경우, 중간층에 부착되는 활성탄의 양이 증가하는 바, 필터의 효율을 향상시킬 수 있다.

< 건조단계 >

전술한 단계에서 활성탄 함침용액에 충분하게 함침된 담체는 담체에 코팅된 활성탄의 양은 담체의 중량 대비 110~140%가 되도록 130~140℃ 조건에서 5~20분 동안 건조된다.

전술한 바와 같은 제조공정을 통해서 도6에서 보이는 바와 같은 활성탄 필터(200)가 제조될 수 있다.

이 발명의 일 실시 예에 따른 더블라셀 편물을 담체로 한 활성탄 필터 제조방법에 의해서 제조되는 활성탄 필터(200)는 필터에 다량의 활성탄을 부착시킬 수 있으며, 이를 통해 유해가스의 흡착 및 탈착성능이 우수하며 통기저항이 감소되는 바 캐니스터에 사용되는 경우 우수한 성능을 나타낼 수 있다.

뿐만 아니라 이 발명의 실시 예에 따른 활성탄 필터는 담체로 더블라셀 편물이 사용이 됨으로써 평면구조를 갖는 제품뿐만 아니라 곡면을 갖는 제품으로도 제작하기에도 용이하다. 즉, 다양한 구조로 제작할 수 있는 측면에서 가공성이 매우 우수하다.

이상에서는 첨부된 도면들을 참조하면서 이 발명의 실시 예에 따른 더블라셀 편물을 담체로 한 활성탄 필터 제조방법 및 활성탄 필터의 구성에 대하여 설명하였다. 이러한 실시 예들은 이 발명의 청구범위에 기재된 기술 사상에 포함되는 것이다. 또한, 전술한 실시 예들은 예시적인 것에 불과한 것으로 한정 해석해서는 안될 것이다.

100 : 더블라셀 편물 200 : 캐니스터용 활성탄 필터
201 : 활성탄 202 : 용매
203 : 바인더 204 : 미세 버블

Claims (11)

1. 담체를 준비하는 단계;
   상기 담체의 표면을 친수성 코팅제로 코팅하는 단계;
   활성탄, 용매 및 바인더를 혼합하여 활성탄 함침용액을 준비하는 단계;
   상기 준비된 활성탄 함침용액에 상기 친수성 코팅제로 코팅된 담체를 함침시키는 단계; 및
   상기 활성탄 함침용액에서 상기 담체를 꺼내 건조시키는 단계;를 포함하여 이루어지며,
   상기 담체는,
   편물로 제조된 더블라셀 구조를 가지며,
   1~3 mm의 두께를 갖는 허니컴 구조로 짜여진 표면층;
   상기 표면층에 대응하여 1~3 mm의 두께를 갖는 허니컴 구조로 짜여진 이면층; 및
   상기 표면층과 상기 이면층 사이를 섬유사로 연결하여 1~20 mm의 두께를 갖도록 형성된 중간층;을 포함하며,
   상기 중간층은,
   높은 활성탄의 접착력을 갖도록 드로 텍스쳐사(draw textured yarn)로 형성되며,
   상기 활성탄은,
   2~50 nm의 공극을 갖는 목재 또는 석탄 기반 활성탄으로,
   수분율은 15~17%이고, BWC(Butane Working Capacity)는 2~17로 이루어지는 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 담체는,
   상기 담체는 PET(Polyethylene terephthalate, 폴리에틸렌 테레프탈레이트) 100% 또는 PET, NYLON(나일론), 레이온 및 혼성된 합성섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 용매는 pH 11~13의 알칼리성이며, 친수성 용액인 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 바인더는 25~35%의 고형분을 갖는 수용성 PET 수지, 수용성 아크릴 수지, 수용성 우레탄 수지 및 통상의 유기바인더를 포함하여 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 활성탄 함침용액은 활성탄, 활성탄 100g에 대하여 바인더 80~120g, 활성탄 100g에 대하여 용매 80~120g의 비율로 혼합되며, 1~2시간 동안 미세 버블을 일으켜 점도가 400~600 범위인 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 담체는 활성탄 함침용액에 5~30초 동안 함침이 되고, 상기 활성탄 함침용액에 함침된 담체는 130~140℃ 조건에서 5~20분 동안 건조되는 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 담체에 코팅된 활성탄의 양은 담체의 표면적 대비 110~140%인 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 표면층(1) 및 이면층(2)의 섬유사의 밀도가 중간층 섬유사의 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 더블라셀 편물을 담체로 한 캐니스터용 활성탄 필터의 제조방법.
11. 제1항, 제3항, 제 5항 내지 제10항 중 어느 하나의 방법에 의해서 제조된 활성탄이 코팅된 담체를 포함하는 활성탄 필터.

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