防火服热蓄积的影响因素及其测评方法

张梦莹， 苗 勇， 李 俊,4

(1. 东华大学 功能防护服装研究中心， 上海 200051； 2. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051；3. 河南科技学院 服装学院， 河南 新乡 453003； 4. 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 2000511)

防火服热蓄积的影响因素及其测评方法

张梦莹1,2， 苗 勇3， 李 俊1,2,4

(1. 东华大学 功能防护服装研究中心， 上海 200051； 2. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051；3. 河南科技学院 服装学院， 河南 新乡 453003； 4. 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 2000511)

为合理评价防火服的热蓄积,全面准确地研究防火服热防护性能，通过回顾实验室模拟低热流环境中防火服热蓄积的相关研究，分析了防火服热蓄积的产生原因以及由热蓄积引起的主要烧伤部位；总结了现阶段热蓄积的测试装置、测评方法以及热传递、热蓄积测试过程；从防火服反光带、防水层透湿性、隔热层厚度、外层织物特性、空气层厚度等服装因素以及热流量强度、热暴露时间、防火服中水分等环境因素归纳了影响热积蓄的因素；最后预测了对未来防火服热蓄积的研究趋势；指出在未来的研究中，应更加全面地模拟火场特点，提高服装热蓄积性能测评方法准确性。

防火服； 热蓄积； 二级烧伤； 热防护性能； 热传递

防火服是保护消防员免受外界高热侵袭所穿着的防护装备[1]。在建筑火灾中，消防员长时间暴露在低辐射热环境中[2]，尽管防火服外层面料没有明显损伤，但消防员皮肤仍会发生烧伤[3]。研究发现，消防员长时间暴露在热环境中，服装与人体之间会蓄积一定的热量，并在热暴露结束后仍存留在衣下[4]，蓄积的热量自然释放或由于服装受到压力被迫释放，从而导致皮肤烧伤[5]。传统的TPP测试方法只考虑了热暴露阶段热传递对皮肤烧伤的影响，忽略了热暴露结束后织物中的热量受压释放而引起烧伤的现象，不能准确描述织物的热防护性能[6]，因此，近年来国内外展开了对防火服热蓄积的研究，弥补了当前防火服热防护性能研究的不足，为人体烧伤预测以及防火服热防护性能的提高提供了更为准确的理论依据。

本文对国内外相关文献进行综述，从防火服热蓄积的产生及其对消防员皮肤烧伤的影响、测评方法、影响因素等方面对防火服热蓄积的研究进行总结、评价。

1 热蓄积的产生及影响

根据热流量强度、空气温度和消防员承受时间的不同，一般把火场环境分为3个等级，即普通、危险和紧急环境[7-8]。普通和危险环境温度通常小于300 ℃，热流量为1～10 kW/m2，消防员能够承受的时间约60～1 500 s；紧急环境常常属于“闪火环境”，温度大于300 ℃，热流量为10～20 kW/m2，消防员能够承受的时间小于60 s[9]。消防员经常工作在热流量相对较低的紧急、危险和普通环境中，而非“闪火”环境，并且大部分烧伤发生在低热流量环境中[10-12]。研究发现消防员长时间暴露在热环境中，环境中的热量以及人体自身代谢产热不断在衣下积累，当消防员运动或受到外力时，防火服受压变形，服装中的热量释放到人体皮肤，引起严重的烧伤，但这些热量却不足以损坏外层织物[13-14]。

低辐射热环境中，消防员大部分烧伤发生在肩部和手臂处；另外一些烧伤发生在服装受压部位，如肩部配置自给式呼吸器的部位、肘部和膝盖弯曲部位；还有一些烧伤发生在消防服外层附加材料、反光带、补丁所覆盖的部位[15]。这些烧伤可能是由于服装的热蓄积引起的，织物中蓄积的热量释放到皮肤，降低防火服的热防护性能[16]。

2 现行的热蓄积测评方法

现阶段防火服热蓄积不是直接测定织物的热蓄积性能，而是考虑织物在热暴露阶段的热传递以及冷却阶段的热蓄积，对织物系统的热防护性能进行评价。针对防火服用织物在低辐射热环境中热防护性能的测试，美国材料与试验协会有ASTM F2731—2011《防火服多层织物系统热传递及热蓄积测试标准》。针对大部分烧伤发生在手臂的情况，NFPA 1971—2013《建筑物火灾用灭火防护服标准》中又增加了衣袖部位的热蓄积测试要求，具体的测试方法引用ASTM F2731—2011标准，但热蓄积的测试只针对防火服面料，对于服装整体或局部的热蓄积测试并没有制订相关标准。

2.1 现行的热蓄积测试装置及方法

美国消防协会曾经尝试使用TPP测试仪，考虑防火服的热蓄积，测定织物系统的热防护性能，但结果不理想，尤其对于湿润的织物系统[17]。另外，TPP测试是在高热流量环境中进行的，只考虑了热暴露阶段热传递对皮肤烧伤的影响，忽略了织物热蓄积加重皮肤烧伤的现象[18-20]。

考虑到热蓄积对皮肤烧伤的影响，Lawson等[17]研发了一种新型的测试装置，能够测量湿润的多层织物系统长时间暴露在低辐射热环境中的热防护性能，但该测试仪器缺少压缩装置，不能模拟多层织物系统中热蓄积受压释放的情形。Neal等[21]研发的热蓄积测试装置包括压缩装置，但在冷却阶段忽略了空气层的存在。美国材料与试验协会研发了低辐射热环境下，织物中热传递和热蓄积的测试装置主要包括：样品夹持器、传感器组件、转移托盘、数据采集传感器、压缩装置、热源、数据采集/控制/烧伤分析系统，如图1所示。

测试过程包括热暴露和冷却压缩2部分[15]，试样置于样品夹持器中，数据采集传感器与织物内层形成6.4 mm的空气层，织物正面暴露于黑色陶瓷热源下。热暴露结束后，转移托盘在5 s内将织物转移到压缩装置，并由绝热压缩块对织物施加13.8 kPa压力。传感器采集织物热暴露阶段的传热量和冷却压缩阶段的放热量，烧伤分析系统根据皮肤传热模型和皮肤烧伤模型，利用采集的数据计算皮肤温度并作出烧伤预测，之后利用迭代法或固定热暴露时间法，评价织物的热防护性能。

该方法模拟了织物与皮肤间的空气层，但织物与传感器间的空气层为定值，无法测定空气层厚度对服装热防护性能的影响；另外，在测定水分对织物热防护性能的影响时，只是预先向织物系统中加入一定量的水分，该装置并不能模拟真实火场的热湿环境。

现行的热蓄积测试方法的测试对象均为织物，然而消防员与防火服是一个统一的整体，只有同时考虑消防员在火场中的生理、心理以及身体动作，才能全面评价防火服整体的热防护性能；同时防火服的结构设计、制作工艺也会不同程度地影响其热蓄积性能，因此研究防火服热蓄积的整体测评方法势在必行。可通过改进燃烧假人系统，使其能够在低辐射热环境中准确测定防火服的热防护性能，并模拟消防员在火场中的动作，研究蓄热释放对防火服整体热防护性能的影响。

2.2 现行的热蓄积评价方法

基于ASTM F2731标准有2种测试程序用于评价织物中的热蓄积，即迭代法和固定热暴露时间法[22]。迭代法首先要确定织物热暴露的初始时间，根据传感器测得的数据预测是否发生二级烧伤。若没有发生二级烧伤或已经发生二级烧伤，则改变热暴露时间，使用新的试样重复实验，直至恰好发生二级烧伤，最后一次实验的热暴露时间即为达到二级烧伤的最小热暴露时间。固定热暴露时间法是确定一个固定不变的热暴露时间，根据传感器采集的数据预测是否发生二级烧伤，若发生二级烧伤，则将此时间记为二级烧伤时间；若没有发生二级烧伤，则记为“预测无烧伤”。

另外，Torvi等[23]针对织物系统低辐射热环境中的热蓄积现象，建立了织物冷却阶段的传热模型，能够预测织物的热防护性能。然而目前存在的模型模拟条件都比较理想化，消防员面临的火场环境热流量和湿度不断变化，实验室的模拟环境并不能反映真实的火场环境，因此低辐射热环境中皮肤的烧伤预测模型需要考虑热蓄积对织物防护性能的影响，总测试时间应包含织物冷却阶段的时间[24]，预测皮肤的烧伤程度，探索烧伤机制。

3 热蓄积的影响因素

3.1 服装因素

根据NFPA 1971 —2007《建筑物火灾用灭火防护服标准》以及GA 10—2014《消防员灭火防护服》等相关标准，防火服普遍采用多层织物组合，通常由外及内依次为：外层、防水层、隔热层以及一些辅料，如反光带。与单层织物相比，其热蓄积性能更强[25]。另外，每层织物的不同性能都会影响防火服的热蓄积，从而影响其热防护性能。

3.1.1 反光带

研究发现，防火服外层存在反光带时更易发生烧伤，此时反光带和防火服外层织物没有出现明显损伤，皮肤烧伤只发生在反光带覆盖部位，周围的皮肤没有观察到烧伤[15]，如图2所示。

针对这种现象，Eni[26]在热流量为20.9 kW/m2时，在湿润的织物系统中加入反光带，结果显示多层织物系统的热蓄积性能提高，热防护性能降低。Barker等[27]的研究也证明同样的结论，但是当使用多孔的外层加强材料替代无孔反光带时，多层织物系统的热防护性能提高。

综上，反光带增加了织物局部厚度，降低服装局部的透气性，从而增强热蓄积性能，产生严重的烧伤现象，因此未来的研究应增加反光带的孔隙度，并通过实验测定其最佳孔隙度，以减少热蓄积，提高防火服的热防护性能。

3.1.2 防水层透湿性

Barker等[13]在热流量为14.6 kW/m2时，考虑织物的热蓄积，测试防水层透湿性对热防护性能的影响。研究发现防水层透湿性对热防护性能的影响非常小，但实验中的防水层织物试样只有2种，无法得到织物系统热防护性与防水层透湿性的关系。一些学者[15]在热流量为8.4 kW/m2时，研究防水层透湿性对热防护性能的影响发现，织物系统的热防护性能随防水层透湿性的升高呈先升高再降低的趋势。

综上，防水层的透湿性过低或过高都会降低织物的热防护性能。透湿性过低，能够有效阻隔外界环境的水分，但消防员工作时大量出汗，衣下汗液不能及时排出，织物与皮肤间的热蓄积增大，防火服的舒适性变差，严重时还会影响消防员的生命安全；透湿性过高，消防员的汗液能够快速排出，但同时也易导致外界环境的热量和水分传递到皮肤，增加热传递，从而导致烧伤。

3.1.3 隔热层厚度

Eni[26]选择3种不同面密度的隔热层(322、271、234 g/m2)进行实验，发现隔热层越厚，TPP值间越高；但考虑织物的热蓄积性能，重新进行实验发现，中等厚度织物和厚型织物的热防护性能并无明显的差异。一些学者[15]也指出在考虑热蓄积时，隔热层的厚薄程度与防护性能的高低不成比例关系。

防火服的隔热层过厚，导热系数降低，能够更好的阻隔外界环境的热量，但衣下热蓄积现象会更加严重，此时若防火服受到消防员或外界的压力，蓄热释放，将会导致更加严重的烧伤。

然而以上学者并没有在考虑热蓄积的情况下，研究隔热层厚度的最佳值或最佳范围，使得多层织物系统的热防护性能达到最佳。

3.1.4 外层织物特性

Barker等[27]指出防火服的热防护性能受外层织物多种特性的影响，包括颜色。但对于外层具体参数对防火服热防护性能的影响的研究较少，因此在考虑热蓄积现象的情况下，明确外层织物的各种特性对防护性能的影响，才能选择合适的外层织物制作防火服，提高其热防护性能。

针对长时间暴露于低辐射热环境中的现象，未来的研究应考虑防火服热蓄积现象，通过增加反光带的孔隙度、改变防水层的透湿性、隔热层厚度、外层织物的特性，确定各层织物的最佳配伍，提高低防火服的热防护性能。

3.1.5 空气层厚度

Song等[28]考虑到织物的热蓄积现象，研究了多层织物系统在无空气层和空气层厚度为6.4 mm时织物的热防护性能，实验结果表明，衣下空气层能提高服装的隔热性能，降低热传递，因此热防护性能提高；但由于空气层的存在，防火服的热蓄积性能提高，蓄积的热量释放到皮肤后引起更加严重的烧伤。

但实验只研究了2种空气层情况，由于人体表面不规则，与服装之间的空气层厚度也不均匀，应根据易发生烧伤部位的衣下空气层厚度进行实验；并且现有的研究仅考虑皮肤与最内层织物间的空气层，然而我国实际使用的防火服是2件服装，舒适层、隔热层、防水层为内胆，可以与外层完全脱离[28]，这就导致防水层与外层之间存在较厚的空气层，研究测试中应予以考虑。

3.2 环境因素

3.2.1 热流量强度

火场中的热流量是不断变化的，因此研究不同热流量强度对防火服热蓄积的影响能够预测防火服的热防护性能，对提高消防员作业效率、防止皮肤烧伤具有重要意义。Song等[28]对6.3、7.5、8.3 kW/m23种不同的热流量进行模拟，结果表明热流量强度越高，织物系统的温度梯度越大，热蓄积现象越严重。

热暴露强度能够改变热蓄积对防护性能的影响程度，Eni[26]的研究表明，热流量较低(2.4 kW/m2)时，烧伤主要是由热蓄积引起的；热流量较高(20.9 kW/m2)时，烧伤主要是由于热传递引起的。3.2.2 热暴露时间

防火服热蓄积的研究主要是针对长时间暴露于低热流量环境，一些学者[15]在热流量为8.4 kW/m2时，分别将织物系统在辐射热源下暴露60、90、120 s，研究发现，热暴露时间较短(60 s)时，烧伤主要是由冷却阶段蓄热释放引起的；热暴露时间较长(90和120 s)时，烧伤主要是由热暴露阶段的热传递引起的，但蓄热释放能够缩短达到二级烧伤的时间[29]。

未来的研究应确定一定热流量强度下的最小热暴露时间，从而确定消防员在火场中的最佳工作时间，保证其生命安全、提高其工作效率。

3.2.3 水 分

消防员工作时由于出汗和外界喷水，防火服中一般含有一定量的水分[30]。防火服中水分的含量和分布能够影响多层织物系统的热属性，改变织物的热传递性能，从而影响防火服的热防护性能。Barker等[3,13]在热流量为6.3 kW/m2的环境中，考虑织物的热蓄积现象发现，当织物系统吸收其自身质量15%的水分时，二级烧伤时间达到最低点，即此时的热防护性能最差。基于Barker等的研究，Eni[26]向织物系统中加入其自身重量15%的水分，发现织物系统的TPP值减小；但考虑冷却阶段热蓄积的释放时，织物系统中有无水分对热防护性能的影响较小。

水分在增加多层织物系统热容量的同时，也降低了材料的隔热性能，而这2种影响相互矛盾，尤其在多层织物系统中，这种相互矛盾的影响变得更加复杂[31]。在热暴露期间水分向其他织物层移动，并逐渐蒸发，织物系统的热学性能不断变化，从而影响织物的热防护性能。

另外，在防火服中的水分模拟方面，只是在热暴露开始前向织物系统中加入一定量的水分，实验过程中不再加水，这与消防员工作不断出汗、外界不断洒水的情况差距较大，更没有模拟防火服在真实火场中的热湿环境。

4 结 论

关于防火服热蓄积相关科学问题的研究时间较短，美国制订了热蓄积的测试标准，而我国仍缺少相关标准。本文首先解释了热蓄积的产生原因以及对消防员皮肤烧伤的影响，其次从热蓄积的测试装置、测评方法、影响因素方面概括、评价了热蓄积的研究进展。目前关于热蓄积的研究主要是针对织物，其测试仪器和预湿整理仍需进一步改进，以更加充分地模拟火场环境；有关防火服整体热蓄积的研究较少，建立服装整体的热蓄积评价方法以及研究热蓄积对皮肤烧伤的影响势在必行。此外，考虑热蓄积，建立防火服的热湿传递模型可简化研究工作，在预测防火服的热防护性能方面具有参考价值。未来的研究中应考虑热蓄积，确定多层织物系统最佳的配伍组合方式，提高防火服的热防护性能。防火服热蓄积的研究能够减少消防员在低辐射热环境中工作发生烧伤的现象，减少潜在的热威胁，保障消防员的健康安全，提高工作效率。

FZXB

[1] 赵蒙蒙, 李俊, 王云仪. 消防服着装热应力研究进展[J]. 纺织学报, 2012, 33(3): 145-150. ZHAO Mengmeng, LI Jun, WANG Yunyi.Research progress of heat stress brought to wears by fire-fighting suit[J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(3): 145-150.

[2] TORVI D A, HADJISOPHOCLEUS G V. Research in protective clothing for firefighters: state of the art and future directions[J]. Fire Technology, 1999, 35(2): 111-130.

[3] BARKER R L, GUERTH C, GRIMES R V. Effects of moisture on thermal protective performance of firefighter protective clothing in low-level radiant heat expo-sure[J]. Textile Research Journal, 2006, 76(1): 27-31.

[4] DEUSER L, BARKER R L, DEATON A S, et al. Interl-aboratory study of ASTM F2731 standard test for measuring transmitted and stored energy of firefighter protective clothing systems[J]. Journal of ASTM International, 2012, 9(3): 188-201.

[5] SHAVE I, BARKER R L, SHALEV I, et al. Protective Fabrics: A comparison of laboratory methods for evalu-ating thermal protective performance in convective/radiant exposures[J]. Textile Research Journal, 1984, 54(10): 648-654.

[6] NAYAK R, HOUSHYAR S, PADHYE R. Recent trends and future scope in the protection and comfort of fire-fighters′ personal protective clothing[J]. Fire Science Reviews, 2014, 3(1): 1-19.

[7] HOSCHKE B. Standards and specifications for firefighters clothing[J]. Fire Safety Journal, 1981, 4(2): 125-137.

[8] DOSTER J A, ROBERTS G V. Measurements of the firefighting environment:summary report[J]. Fire Engineers Journal, 1995, 55(178): 30-34.

[9] ABBOTT N J, SCHULMAN S. Protection from the fire: nonflammable fabrics and coating[J]. Journal of Coated Fabrics, 1976, 6: 48-64.

[10] ROSSI R. Firefighting and its influence on the body[J]. Ergonomics, 2003, 46(10): 1017-1033.

[11] UTECH H P. High temperature vs. fire equipment[J]. International Fire Chief, 1973, 39: 26-27.

[12] LAWSON J R. Fire fighters protective clothing and thermal environment of structural firefighting[J]. ASTM Special Technical Publication, 1997, 1273: 334-335.

[13] BARKER R L, GUERTH C, BEHNKE W, et al. Mea-suring the thermal energy stored in firefighter protective clothing[J]. ASTM Special Technical Publication, 2000, 1386: 33-44.

[14] SONG G, PASKALUK S, SATI R, et al. Thermal pro-tective performance of protective clothing used for low radiant heat protection[J]. Textile Research Journal, 2012, 81(3): 311-323.

[15] JASON A, STEVEN C, DEAN C, et al. Thermal capacity of fire fighter protective clothing[R]. Fire Protection Research Foundation, Quincy, MA, USA, 2008: 1-33.

[16] SONG G, BARKER R L. Analyzing thermal stored energy and clothing thermal protective perfor-mance [C] //Proceedings of the 4th International Conference on Safety & Protective Fabrics. USA: Industrial Fabric Association International, 2004: 26-27. [17] LAWSON J R, TWILLEY W H. Development of an Apparatus for Measuring the Thermal Performance of Fire Fighters′ Protective Clothing[M]. Washington DC: National Technical Information Service，1999: 1-16.

[18] BEHNKE W P. Thermal protective performance test for clothing[J]. Fire Technology, 1977, 13(1): 6-12.

[19] GORAKE W J. Testing and new performance requir-ment for structural PPE[J]. Fire Engineering, 2013, 165(3): 149.

[20] 邹振高, 刘金, 卢延振. 美国阻燃防护服测试标准现状及发展趋势[J]. 中国个体防护装备, 2007(3): 35-38. ZOU Zhengao, LIU Jin, LU Yanzhen. Standard test method for flame-retardant protective clothing in America[J]. China Personal Protective Equipment, 2007 (3): 35-38.

[21] NEAL T E, SWAIN R A, BEHNKE W P. Firefighter′s protective clothing stored energy test development[R]. TPP Task Group Report, NFPA 197:1-1.

[22] 李小辉, 何佳臻, 李俊. 热环境条件下防护服的热蓄积测评方法研究[J]. 中国个体防护装备, 2014(4): 45-47. LI Xiaohui, HE Jiazhen, LI Jun. Research on measur-ing stored thermal energy in protective clothing in thermal environment[J]. China Personal Protective Equipment, 2014(4): 45-47.

[23] TORVI D A, ENG P, THRELFALL T G. Heat transfer model of flame resistant fabrics during cooling after expo-sure to fire[J]. Fire Technology, 2006, 42(1): 27-48.

[24] ZHAI L N, LI J. Prediction methods of skin burn for performance evaluation of thermal protective clothing [J]. Burns, 2015, 41(7): 1385-1396.

[25] SONG G, PANKALUK S, GHOLAMREZA F. Thermal protective performance of protective clothing used for low radiant heat protection[J]. Textile Research Journal, 2011, 81(3): 311-323.

[26] ENI E U. Developing test procedures for measuring stored thermal energy in firefighter protective clothing [D]. North Carolina: North Carolina State University, 2005: 1-53.

[27] BARKER R L, DEATON A S, ROSS K A. Heat trans-mission and thermal energy storage in firefighter turn-out suit materials[J]. Fire Technology, 2011, 47(3): 549-563.

[28] SONG G, CAO W, GHOLAMREZA F. Analyzing stored thermal energy and thermal protective performance of clothing[J]. Textile Research Journal, 2011, 81(11): 1124-1138.

[29] 黄冬梅. 低辐射强度条件下消防战斗服内部热湿传递机理研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2011: 1-150. HUANG Dongmei. Study on the heat and moisture transfer mechanism in firefighters′protective clothing under low heat flux[D]. Hefei: Safety Engineering and Technology, 2011: 1-150.

[30] 崔志英. 消防服用织物热防护性能与服用性能的研究[D]. 上海: 东华大学, 2009: 34-35. CUI Zhiying. Study of thermal protective performan-ce and comfort for firefighter-clothing fabrics [D]. Shanghai: Donghua University, 2009: 34-35.

[31] KEISER C, BECKER C, ROSSIR M. Moisture trans-port and absorption in multilayer protective clothing fabrics[J]. Textile Research Journal, 2008, 78(7): 604-613.

Influence factors and evaluation methods of stored thermal energy in firefighters protective clothing

ZHANG Mengying1,2, MIAO Yong3, LI Jun1,2,4

(1. Protective Clothing Research Center of Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. Fashion & Art Design Enstitute, Donshua University, Shanghai 200051, China; 3. Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang, Henan 453003, China; 4. Key Laboratory of Clothing Design & Technology, Ministry of Education, Shanghai 200051, China)

The stored thermal energy in firefighter protective clothing is one of the most important factors to produce skin burn injury, and reasonable evaluation of which can improve the accuracy of the research on thermal protective performance of firefighters clothing. The developments of stored thermal energy in firefighter′s turnout suit in low heat flux environment were reviewed, the cause of stored thermal energy and its negative impacts on main parts of skin burn injury were analyzed, the experimental evaluation methods were summarized including test apparatus and assessment methods, and the clothing and environmental influences on stored thermal energy were summarized. At last, based on the analysis above, the developing trends of the study on stored thermal energy in firefighters protective clothing were predicted. A large amount of thermal energy stored in firefighters protective clothing during exposure. Currently, the stored thermal energy performance of materials is tested by an SET tester. In the future, laboratory simulation of the exposure environment should be performed more comprehesively ot improve the accuracy of evaluation methods for stored thermal energy.

firefighter protective clothing; stored thermal energy; second degree burn; thermal protective performance; heat transfer

10.13475/j.fzxb.20150500606

2015-05-06

2016-02-18

国家自然科学基金项目(51576038)；人因工程国家重点实验室开放项目(SYFD150051812K)；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(15D110735/36)

张梦莹(1992—)，女，博士生。主要研究方向为服装功能性与舒适性。李俊，通信作者，E-mail：lijun@dhu.edu.cn。

TS 941.73

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