ポリメタクリルイミドフォーム

項目内容
材料名ポリメタクリルイミドフォーム
略記号PMIフォーム、PMI
IUPAC単一の明確なIUPAC名は一般に用いられない。メタクリル酸系単位とメタクリロニトリル系単位から形成されるポリメタクリルイミド系架橋硬質発泡体として扱われる。
英語名Polymethacrylimide Foam / PMI Foam
日本語名ポリメタクリルイミドフォーム、PMIフォーム、ポリメタクリルイミド硬質発泡体、構造用PMIフォーム
分類高性能硬質発泡プラスチック、複合材料用コア材、サンドイッチパネル用構造フォーム
プラスチック分類スーパーエンプラ相当の高性能発泡体。ただし、一般的な溶融成形用スーパーエンプラではなく、架橋性・熱硬化性に近い挙動を示す硬質発泡体である。
化学式または代表構造メタクリル酸/メタクリロニトリル共重合体を加熱発泡・イミド化して得られる環状イミド構造を含む発泡体である。模式的には、ポリマー鎖中に -C(=O)-NH-C(=O)- を含むイミド環構造を有する。
CAS No.ポリメタクリルイミドフォームとして一般に広く用いられる単一CAS No.は明確ではない。グレード、前駆体共重合体、添加剤、発泡剤により管理される場合がある。
構造・主成分メタクリル酸系単位とメタクリロニトリル系単位を主とする共重合体を加熱し、発泡と同時にイミド環を形成させた独立気泡性の硬質発泡体である。
主な用途航空機、自動車、レドーム、アンテナ、医療機器用テーブル、スポーツ用品、CFRP・GFRPサンドイッチパネル、軽量構造部材のコア材

概要

ポリメタクリルイミドフォームは、PMIフォームとも呼ばれる高性能硬質発泡プラスチックである。一般に、低密度でありながら圧縮強度、引張強さ、せん断強度、耐熱性に優れるため、単体の発泡材というよりも、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックなどの表皮材と組み合わせるサンドイッチ構造用コア材として使用される。

一般的な発泡スチロール、ポリウレタンフォーム、PVCフォーム、PETフォームと比較すると、PMIフォームは比強度、寸法安定性、耐熱性、樹脂含浸時の寸法保持性に優れる傾向がある。そのため、オートクレーブ成形、プリプレグ成形、RTM、真空含浸、熱プレスなど、複合材料の製造工程で加熱・加圧を受ける用途に適している。

一方で、PMIフォームは汎用発泡材に比べて高価であり、単体での耐摩耗性や表面強度は用途により不足する場合がある。実使用では、密度グレード、セルサイズ、加熱履歴、使用温度、荷重、応力、接着樹脂との相性、使用時間を確認する必要がある。

特徴

長所
  • 低密度でありながら、圧縮強度、引張強さ、せん断強度が比較的高い。
  • 高温での寸法安定性が良く、複合材料の加熱硬化工程に使用しやすい。
  • 独立気泡構造により、樹脂の過剰含浸を抑えやすく、サンドイッチ構造の軽量化に有利である。
  • 切削加工、CNC加工、熱成形に対応し、複雑形状のコア材を作りやすい。
  • 誘電特性が良好なグレードでは、アンテナ、レドーム、X線関連部材に使用される。
  • 疲労特性、低温特性、耐薬品性が比較的良好である。
短所
  • 汎用フォームに比べて材料価格が高い。
  • 発泡体であるため、単体では局部圧縮、角欠け、打痕に注意が必要である。
  • 高密度グレードほど強度は高いが、軽量化効果は小さくなる。
  • 強酸、強アルカリ、高温水蒸気、長時間の溶剤接触では劣化、膨潤、寸法変化が生じる場合がある。
  • 通常の射出成形用ペレット材料ではなく、シートまたはブロック材を加工して使用することが多い。
  • 燃焼性、発煙性、FST特性はグレードにより異なるため、航空機内装などでは専用グレードの確認が必要である。
外観

一般に白色、淡黄色、灰白色、淡褐色系の硬質発泡体である。発泡スチロールに似た外観を示すことがあるが、機械的強度、耐熱性、寸法安定性は大きく異なる。セルサイズはグレードにより異なり、細かいセル構造のものは表面樹脂の吸い込みを抑えやすい。

耐熱性

PMIフォームは発泡プラスチックの中では耐熱性が高い部類である。一般的なグレードでは130℃程度の複合材硬化工程に対応し、高耐熱グレードでは180℃前後、条件により200℃近い工程温度に対応する場合がある。ただし、連続使用温度、加熱時間、圧力、拘束条件により寸法変化や圧縮変形が異なるため、実部品形状での確認が必要である。

耐薬品性

PMIフォームは一般に水、油、低級アルコール、脂肪族炭化水素、弱酸・弱アルカリに対して比較的安定である。一方で、強酸、強アルカリ、極性溶剤、高温水、長時間浸漬では、ポリマー骨格、イミド構造、セル壁、接着界面に影響が出る場合がある。複合材料として使用する場合は、PMIフォーム単体だけでなく、表皮材、接着剤、マトリックス樹脂の耐薬品性も併せて評価する必要がある。

加工性

PMIフォームは、シートまたはブロック材として供給され、切削、研削、穴あけ、ルーター加工、CNC加工、熱成形などにより所定形状に加工されることが多い。射出成形や押出成形のような通常の溶融成形には適さない。複合材用途では、プリプレグ、ハンドレイアップ、真空バッグ、RTM、VARTM、オートクレーブ、熱プレスなどの工程でコア材として組み込まれる。

分類上の注意

ポリメタクリルイミドフォームは、名称に「ポリメタクリル」が含まれるが、ポリメタクリル酸メチルとは同じ材料ではない。また、ポリイミドと同じイミド構造を一部に持つが、芳香族ポリイミドフィルムやポリイミド樹脂とは材料体系、製法、成形方法、用途が異なる。

構造式

代表的な構造単位
項目内容
前駆体の構成メタクリル酸系単位:CH2=C(CH3)COOH、メタクリロニトリル系単位:CH2=C(CH3)CN
前駆体共重合体の模式構造-CH2-C(CH3)(COOH)-CH2-C(CH3)(CN)-
イミド化後の代表構造ポリマー鎖中に -C(=O)-NH-C(=O)- を含む環状イミド構造を形成した架橋性の高い硬質発泡体
発泡構造一般に独立気泡性の硬質フォームであり、セル壁がポリメタクリルイミド系樹脂で構成される。
モノマーまたは構成単位

代表的には、メタクリル酸、メタクリロニトリル、発泡剤、架橋・安定化成分を含む共重合体シートを作り、加熱により発泡とイミド化を同時または連続的に進行させる。実際の工業製品では、耐熱性、セルサイズ、難燃性、加工性、誘電特性、樹脂含浸性を調整するため、組成や添加剤がグレードごとに最適化される。

共重合体や変性グレード

PMIフォームには、標準グレード、高耐熱グレード、細セルグレード、難燃グレード、高伸びグレード、低誘電グレード、航空宇宙向けグレード、産業用途向けグレードなどがある。密度は30kg/m3程度の低密度品から200kg/m3程度の高密度品まで選定されることがあり、密度が高いほど強度と剛性は高くなる傾向がある。

種類

種類の名称主成分または特徴長所短所主な用途
標準PMIフォーム一般的なポリメタクリルイミド系独立気泡フォーム強度、軽量性、加工性のバランスが良い高温硬化工程では専用グレードが必要になる場合がある自動車部材、一般工業部材、スポーツ用品、医療機器部材
高耐熱PMIフォーム熱処理または高耐熱設計を行ったグレード180℃前後の加熱硬化工程に対応しやすい標準品より高価で、成形条件管理が重要である航空機構造部材、オートクレーブ成形コア、CFRPサンドイッチパネル
細セルPMIフォームセルサイズを細かく制御したグレード樹脂吸い込みを抑えやすく、表面仕上げが良い加工時の粉じん、表面処理、接着条件の管理が必要である外観部品、薄肉サンドイッチパネル、精密コア材
低誘電PMIフォーム低誘電率、低誘電正接を重視したグレード電波透過性が良く、レドームやアンテナ用途に適する強度、耐熱性、難燃性とのバランス確認が必要であるアンテナ、レドーム、通信機器、X線診断装置部材
難燃PMIフォーム燃焼性、発煙性、毒性ガスを抑える設計のグレード航空機内装、鉄道、船舶などの規格用途に適用しやすい規格適合はグレードと複合構成に依存する航空機内装、鉄道部材、船舶内装、輸送機器
高密度PMIフォーム密度を高くして強度と剛性を高めたグレード圧縮強度、せん断強度、局部荷重への耐性が高い低密度品より重量が増加する荷重支持コア、治具、局部補強部、厚肉構造部材

成形加工

成形加工方法適性内容
射出成形×通常のPMIフォームは発泡シートまたはブロック材として使用されるため、一般的な射出成形には適さない。
押出成形×溶融押出で連続成形する材料ではなく、前駆体シートの発泡・イミド化により製造される。
ブロー成形×中空成形用の熱可塑性樹脂ではないため、ブロー成形には適さない。
圧縮成形フォーム単体を圧縮成形する用途は限定的である。複合材の熱プレス成形、プリプレグ硬化工程のコア材としては使用される。
真空成形熱成形可能なグレードでは、加熱後に曲面形状へ成形できる。過加熱、局部圧縮、セル破壊に注意が必要である。
切削加工CNC加工、ルーター加工、穴あけ、研削、サンディングに適する。加工粉じん対策と欠け防止が必要である。
熱成形グレードにより曲げ加工や三次元成形が可能である。温度、保持時間、曲率半径、圧力の管理が重要である。
ハンドレイアップFRP表皮材との積層に使用できる。樹脂粘度、表面処理、含浸量の管理が必要である。
プリプレグ成形PMIフォームの代表的な用途である。130℃、180℃などの硬化温度に応じてグレードを選定する。
RTM・VARTM独立気泡構造により樹脂の過剰吸収を抑えやすい。圧力、樹脂粘度、流動経路、表面セル状態の確認が必要である。
接着加工エポキシ系、アクリル系、ウレタン系などの接着剤で接着可能である。溶剤型接着剤では膨潤や表面劣化に注意する。

評価基準:◎:非常に適する ○:概ね適する △:条件により使用可能 ×:一般に不適

代表的な物性値又は機械的性質

項目代表値・範囲単位備考
密度32〜205kg/m3代表的な低密度〜高密度グレードの目安。52、75、110kg/m3級がよく比較される。
引張強さ1.0〜4.0MPa密度が高いほど大きくなる傾向がある。代表的な52kg/m3級では約1.9MPa程度が目安である。
伸び3〜6%グレードにより異なる。高伸びグレードではより大きい値となる場合がある。
曲げ弾性率40〜180MPa発泡体単体の目安。サンドイッチ構造では表皮材との組合せにより剛性が大きく向上する。
引張弾性率36〜160MPa32〜110kg/m3級の代表範囲。高密度品ではさらに高くなる。
圧縮強さ0.4〜5.0MPa32kg/m3級で約0.4MPa、110kg/m3級で約3MPa程度が目安である。
圧縮弾性率17〜200MPa密度、測定方向、セル構造により異なる。
せん断強さ0.4〜3.5MPaサンドイッチパネルのコア材設計で重要な値である。
せん断弾性率13〜80MPa密度とセル構造の影響を受ける。
アイゾット衝撃強さ明確な代表値は少ないkJ/m2発泡体では圧縮、せん断、落錘、サンドイッチパネル試験で評価されることが多い。
荷重たわみ温度180〜220高耐熱グレードの目安。試験条件、密度、熱処理により変化する。
ガラス転移温度約180〜230ポリマー骨格の目安。発泡体としての実使用温度とは同一ではない。
連続使用温度約120〜180グレード、荷重、拘束条件、使用時間により異なる。高温長期使用では実機確認が必要である。
吸水率0.5〜2.0程度%浸漬条件、セル開口、表面処理により変化する。切削面では吸水・吸液に注意する。
体積抵抗率1013〜1016Ω・cm一般に電気絶縁性は高い。湿度、添加剤、表面汚染により変化する。
誘電率約1.04〜1.2低密度・低誘電グレードの目安。周波数、密度、湿度により変化する。
線膨張係数3〜6×10-51/K密度、測定方向、温度範囲により異なる。
代表密度グレード別の機械的性質の目安
密度グレード密度圧縮強さ引張強さ引張弾性率主な特徴
低密度品約32kg/m3約0.4MPa約1.0MPa約36MPa軽量化効果が大きい。局部荷重には注意が必要である。
中密度品約52kg/m3約0.9MPa約1.9MPa約70MPa軽量性と強度のバランスが良い。
中高密度品約75kg/m3約1.5MPa約2.8MPa約92MPa航空宇宙、通信、医療機器、一般工業用途に使いやすい。
高密度品約110kg/m3約3.0MPa約3.5MPa約160MPa荷重支持性が高いが、重量は増加する。
超高密度品約200kg/m3約5MPa以上グレードによるグレードによる高荷重部、局部補強部、治具用途などで選定される。

上記の数値は代表値・目安であり、メーカー、グレード、密度、セルサイズ、測定規格、温度、湿度、荷重速度により変化する。設計では必ず採用グレードの技術資料と実部品試験を確認する必要がある。

耐薬品性

薬品分類代表的な薬品評価備考
酸類希塩酸、希硫酸、酢酸短時間接触では比較的安定な場合が多い。濃酸、高温、長時間ではイミド構造や接着界面への影響に注意する。
強酸濃硫酸、濃硝酸、発煙酸×酸化、加水分解、脆化、表面劣化のリスクが高い。
アルカリ類希水酸化ナトリウム、希水酸化カリウム低濃度・短時間では使用できる場合があるが、アルカリ加水分解に注意する。
強アルカリ高濃度NaOH、高濃度KOH×イミド結合、表面、接着部への影響が大きく、長時間接触には適さない。
低級アルコール類メタノール、エタノール、IPA短時間接触では概ね良好である。長時間浸漬では寸法変化、接着剤への影響を確認する。
高級アルコール類グリセリン、ベンジルアルコール、MMB○〜△薬品の極性と温度により膨潤、表面軟化の可能性がある。
芳香族炭化水素類トルエン、キシレン、エチルベンゼンPMI単体では比較的安定な場合が多いが、塗装、接着剤、表皮樹脂への影響を確認する。
脂肪族炭化水素類n-ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン一般に溶解・膨潤しにくい。油分や添加剤の移行には注意する。
ケトンアセトン、MEK、MIBK短時間接触では使用できる場合があるが、膨潤、表面劣化、接着界面への影響を確認する。
エステル酢酸エチル、酢酸ブチル溶剤型接着剤、塗料、洗浄剤として接触する場合は、寸法変化と表面強度を確認する。
塩素系溶剤ジクロロメタン、クロロホルム、トリクロロエチレン△〜×膨潤、応力割れ、接着界面劣化の可能性がある。長時間接触は避ける。
極性非プロトン性溶剤DMF、DMSO、NMP×SP値が近く、極性も高いため、膨潤や物性低下に注意する。
水・温水水、温水、湿熱環境○〜△常温水では概ね良好である。高温水、蒸気、長期湿熱では吸水、寸法変化、界面劣化を確認する。
鉱物油、シリコーン油、潤滑油○〜◎一般に良好であるが、添加剤、温度、接触時間により評価が変わる。
燃料ガソリン、軽油、航空燃料○〜△短時間では使用できる場合があるが、複合材表皮、接着層、塗装との組合せ評価が必要である。

評価基準:◎:非常に良好 ○:概ね良好 △:注意が必要 ×:不適

SP値(溶解度パラメータ)
項目SP値(δ)単位備考
PMIフォーム24〜27MPa1/2代表的なポリメタクリルイミド系樹脂骨格の推定目安。発泡体の実耐溶剤性はセル構造、架橋度、表面状態に影響される。
PMIフォームの中央値25.5MPa1/2下記のSP値差評価では、この中央値を基準にする。

SP値は溶剤との親和性を推定するための目安である。PMIフォームは発泡体であり、単純な均一樹脂ではないため、SP値だけで耐薬品性を判断することはできない。実際には、薬品の極性、酸・アルカリ性、温度、濃度、浸漬時間、応力、切削面の有無、接着層、複合材表皮の影響を確認する必要がある。

溶解性の目安
SP値差溶解・膨潤の目安判定
0〜2膨潤・軟化しやすい×
2〜5条件により膨潤する
5〜8短時間接触では比較的安定
8以上溶解・膨潤しにくい
SP値から見た耐溶剤性
薬品名SP値(δ)PMIとの差評価備考
47.922.4SP値差は大きいが、高温水や湿熱では吸水と界面劣化を確認する。
メタノール29.64.1極性が高く、長時間接触では寸法変化に注意する。
エタノール26.00.5SP値は近いが、短時間接触では使用できる場合がある。浸漬評価が必要である。
IPA23.52.0洗浄用途では短時間接触と乾燥条件を確認する。
グリセリン33.88.3高粘度で揮発しにくいため、長時間接触では表面状態を確認する。
MMB約21〜22約3.5〜4.5塗料・洗浄剤成分として使用する場合、膨潤と接着性への影響を確認する。
アセトン19.95.6○〜△短時間接触では比較的安定な場合があるが、長時間では表面劣化に注意する。
MEK19.06.5○〜△溶剤型塗料や接着剤で接触する場合は確認が必要である。
酢酸エチル18.27.3○〜△SP値差は中程度であるが、実際の耐性は添加剤と接着層に依存する。
トルエン18.27.3PMI単体では比較的安定な場合が多い。塗装面や接着界面は別途確認する。
キシレン18.07.5短時間接触では概ね良好である。
n-ヘキサン14.910.6溶解・膨潤しにくい傾向である。
シクロヘキサン16.88.7非極性溶剤であり、比較的良好である。
ジクロロメタン20.25.3浸透性が高く、膨潤や接着界面劣化に注意する。
クロロホルム19.06.5長時間接触には適さない。
DMF24.80.7×SP値が近く、極性が高いため、膨潤・軟化のリスクが高い。
NMP23.12.4×〜△高極性溶剤であり、長時間接触は避ける。
DMSO26.71.2×SP値が近く、膨潤や物性低下に注意する。

評価基準:◎:非常に良好 ○:概ね良好 △:注意が必要 ×:不適

上記の評価はSP値差を中心とした目安である。実使用では、薬品濃度、温度、接触時間、応力、部品形状、接着剤、表皮材、切削面の有無を含めて確認する必要がある。

製法

原料
  • メタクリル酸系モノマー
  • メタクリロニトリル系モノマー
  • 発泡剤
  • 架橋剤または分子量調整成分
  • 熱安定剤、難燃剤、セル制御剤などの添加剤
重合方法

一般には、メタクリル酸とメタクリロニトリルを主体とするモノマーを塊状重合またはシート状に重合し、発泡性の前駆体共重合体を得る。この前駆体は、後工程で加熱されることにより発泡し、同時にまたは連続してイミド化が進行する。

代表的な反応式または工程
工程模式式・内容
共重合n CH2=C(CH3)COOH + n CH2=C(CH3)CN → -[CH2-C(CH3)(COOH)-CH2-C(CH3)(CN)]n
発泡前駆体共重合体 + 発泡剤 + 加熱 → ガス発生または揮発による独立気泡構造の形成
イミド化隣接するカルボキシル基、ニトリル基、アミド中間体などが加熱により環化し、-C(=O)-NH-C(=O)- を含むイミド環構造を形成する。
熱処理残留揮発分、内部応力、寸法安定性を調整するため、グレードにより後熱処理が行われる。
ペレット化やコンパウンド

PMIフォームは、一般的な射出成形用ペレットとして使う材料ではない。多くの場合、発泡シート、ブロック、板材、または加工済みコア形状として供給される。用途により、切削済みコア、スリット入りコア、曲面熱成形コア、表面処理済みコアとして供給される場合がある。

添加剤、充填材、強化材

PMIフォーム自体は発泡体であり、ガラス繊維や炭素繊維を内部に多量充填するというよりも、CFRP、GFRP、アルミ箔、アラミド繊維、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの表皮材と組み合わせて複合化される。難燃性、FST特性、低誘電性、熱寸法安定性を調整するため、グレードごとに添加剤が使われる場合がある。

詳細な利用用途

分野主な用途採用理由注意点
自動車外板パネル、ルーフ、フロア、補強部材、CFRPサンドイッチ構造軽量化、剛性向上、加熱成形工程への適合量産コスト、衝撃性、接着条件の確認が必要である。
航空宇宙翼、フラップ、圧力隔壁、ヘリコプターブレード、ドローン構造部材高い比強度、耐熱性、疲労特性、オートクレーブ適性航空規格、FST、トレーサビリティ、品質保証が重要である。
電気・電子アンテナ、レドーム、通信機器筐体、低誘電コア低誘電率、軽量性、寸法安定性周波数、吸湿、表面処理、金属箔との接着性を確認する。
機械部品軽量パネル、搬送部材、治具、構造コア、ロボット部材軽量化、加工性、剛性向上局部荷重、圧縮クリープ、摩耗対策が必要である。
医療X線診断装置用ベッド、カーボン天板、支持コア軽量、X線透過性、低吸湿、寸法安定性清拭薬品、消毒剤、表皮材との組合せを確認する。
食品機械断熱パネル、軽量カバー、搬送関連部材軽量性、断熱性、加工性食品接触可否、洗浄剤、熱水、蒸気への耐性確認が必要である。
建築・設備高性能断熱パネル、軽量サンドイッチパネル、特殊設備部材断熱性、軽量性、寸法安定性コスト、耐火規格、長期屋外耐候性の確認が必要である。
スポーツ・レジャースキー、スノーボード、ラケット、自転車部材、レーシング部品軽量、高剛性、振動特性、加工性衝撃、繰返し荷重、吸水、接着性を確認する。
船舶・海洋軽量パネル、レドーム、船体内装、特殊構造部材軽量化、耐疲労性、断熱性海水、湿熱、難燃規格、表皮材との組合せ評価が必要である。

関連材料との比較

比較材料特徴ポリメタクリルイミドフォームとの違い
ポリメタクリル酸メチル透明性、耐候性に優れるアクリル樹脂である。PMIフォームはPMMAとは別材料であり、透明樹脂ではなく、イミド構造を含む硬質発泡コア材である。
ポリイミド耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性に優れる高耐熱樹脂である。PMIフォームもイミド構造を持つが、芳香族ポリイミドとは構造、耐熱限界、成形方法、用途が異なる。
PVCフォーム汎用的なサンドイッチパネル用コア材で、価格と加工性に優れる。PMIフォームはPVCフォームより高価であるが、耐熱性、比強度、加熱硬化工程適性に優れる傾向がある。
PETフォームリサイクル性、耐薬品性、コストバランスが良い熱可塑性フォームである。PMIフォームはPETフォームより高温成形工程や高性能航空宇宙用途に適しやすいが、コストは高い。
ポリウレタンフォーム断熱材、クッション材、構造フォームとして広く使用される。PMIフォームはPUフォームより高強度・高耐熱であるが、柔軟性や低コスト性ではPUフォームが有利である。
炭素繊維強化プラスチック高強度、高剛性、軽量性に優れる複合材料である。PMIフォームはCFRPの表皮材と組み合わせてサンドイッチ構造を形成するコア材として使用される。
ガラス繊維強化プラスチック機械強度、耐食性、コストバランスに優れる複合材料である。PMIフォームはGFRP表皮と組み合わせることで、軽量で剛性の高いパネル構造を作ることができる。
エポキシ樹脂接着性、機械強度、耐薬品性に優れる熱硬化性樹脂である。PMIフォームはエポキシ樹脂系プリプレグや接着剤と組み合わせることが多い。硬化温度に合わせてPMIグレードを選定する。

代表的なメーカー

メーカー代表製品・ブランド概要
Evonik Operations GmbHROHACELL®PMI硬質フォームの代表的メーカーである。航空宇宙、自動車、医療、通信、一般工業向けに複数の密度・用途グレードを展開している。日本ではダイセル・エボニックが関連製品を取り扱う。
Longhua Technology GroupZihacell®、Zihafoam®、Zihard®PMIフォームを展開するメーカーの代表例である。中温硬化向け、高温硬化向け、構造コア向けなどのグレードがある。
Cashem Advanced Materials Hi-tech Co., Ltd.CASCELL®PMI構造フォームを展開するメーカーの代表例である。航空宇宙、輸送、スポーツ、通信機器などの軽量サンドイッチ構造用途に使用される。

代表メーカーおよびブランドは、公開情報で確認しやすいものを中心に記載している。採用時には、各メーカーの最新技術資料、密度グレード、認証、販売地域、供給形態を確認する必要がある。

関連キーワード

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