JPS6021821A - ガラスまたはセラミツク製品の製造方法 - Google Patents

ガラスまたはセラミツク製品の製造方法

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JPS6021821A
JPS6021821A JP58189425A JP18942583A JPS6021821A JP S6021821 A JPS6021821 A JP S6021821A JP 58189425 A JP58189425 A JP 58189425A JP 18942583 A JP18942583 A JP 18942583A JP S6021821 A JPS6021821 A JP S6021821A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は煙霧状金属酸化物のごとき微粒子状酸化物材料
から高純度の均質な多孔質ガラスまたはセラミック製品
を製造する方法に関する。上記多孔質製品は融合固化に
より気泡を含まない緻密なガラスまたはセラミック製品
となされうる。
ガラス微粒子の固まりを低い温度で焼結してガラス製品
を製造するという概念は古くから存在する。このような
ガラス微粒子の固まりを製造する方法として、溶液から
のスリップキャスティング、固結、沈降、重合または濃
縮等の種々の方法がある。
もっとも一般的な方法は溶液法であろう。この溶液法と
は、ガラス形成用組成物の溶液または懸濁液から沈澱物
、重合物またはゲルを形成し、次にこれを乾燥し焼結し
てガラスを形成する方法であ乙。米国特許第35358
90号、第3678144号および第4112032号
明細書には、ケイ酸塩の溶液寸だは懸濁液をゲル化し、
乾燥し焼結してガラスを製造する上記溶液法が記載され
ている。
しかしながら、これらの方法においては、きわめて長時
間かつ困難な乾燥工程を必要と(7、かつ製品の純度が
出発材料に含まわる鉄および他の金属不純物の存在によ
って制限されるという欠点があった。完全に乾燥するの
に数阻数週または数ケ月を要するというのは一般的でな
い。
沈澱溶液中のアルコキシドのような出発材料を用いれば
、より高純度のものが得られることが英国特許第204
]9]、3号明細書に記載されており、そこには、この
方法をガラス光導波路の製造に適用しうろことが開示さ
れている。しかしながら、この方法においても、乾燥工
程は困難かつ長時間を要するものであった。
スリップキャスティング法は、酸化物微粒子からセラミ
ック製品を製造するのに長い間用いられてきた方法であ
るが、満足すべきスリップを製造する方法が多くの文献
に述べられている。例えば、米国特許第29 ’429
91号明細書には、水性キャスティングスリップの安定
化について述べられており、またセラミックブレティン
、40(7)、432〜438頁(1961年)には、
ニス・ジー・ホワイトウェイ(S、 G、 White
way )等が「スリップキャスティング マグネシャ
」と題する論文が記載されていて、無水スリップの有利
さが述べられている。上記の方法においては、懸濁され
た酸化物の粒径が比較的大きいために、上記溶液法の場
合と異なり、スリップキャスティングにおける溶剤の除
去は比較的速かでかつ容易である。この場合はゲル化を
伴わないから、製品の形状は多少限定されるとしても、
ゲルにおけるもろさおよびひび割れの問題は生じないも
のであった。
米国特許第4042361号および第4200445号
明細書に記載されているように、スリップキャスティン
グ法を高純度煙霧状酸化物の処理に適用する試みもなさ
れている。煙霧状酸化物は、けば立っていて表面積が大
きい(1μl?を以下、典型的には0.01〜0.1μ
mの粒径を有する微粒子の表面積は25〜4 (1(1
??1”/グラムの範囲にある)ために取扱いにくく、
かつ流動性懸濁液を生成するのが困難であるという難点
がある。そわに加えて、型入れさ力た懸濁液をゲルの場
合と同様の方法で乾燥すると、ひび割れが生じる。した
がって、上記の2つの特許明細書では、煙霧状酸化物を
水に懸濁した懸濁液を用いて、通常のスリップキャステ
ィングにおける出発月別として用いるだめの不完全に焼
結されたかつ微細化された中間物質(粒径は1〜10μ
pn )を調製している。
英国特許第2023571号明細書では、酸化物を含む
懸濁液を加熱されたシリカチー−プ内で乾燥17かつ焼
結することにより、組成の管理された酸化物ガラスを沈
積し7ている。この方法は、沈積されたガラス内で組成
勾配を生じさせるのに用いらねうるとしても、その沈積
速度は所望の速度より遅いものである。また付着性のか
つひび割れのない層を得るのは困難であり、かつ製品の
形状も限遊される欠点があった。
よって本発明の主な目的は、煙霧状酸化物からガラスま
たはセラミック製品を焼結法によって製造する新規な方
法を提供することにある。
本発明の他の目的は、煙霧状酸化物の微粒子の懸濁液か
ら気泡のない高純度の製品を容易に製造しうる比較的迅
速な手段を用いて光学的特性を備えたガラス製品を製造
する方法を提供することを目的とする。
本発明においては、ガラスまたはセラミック製品をゲル
から形成するに際し、出発材料として微粒子状酸化物の
安定した懸濁液を用いるが、これらの懸濁液は、後工程
を実質的に簡易にしかつ得らねる製品の特性を改善しう
るように生成される。
この懸濁液を管理され、だ条件下で乾燥しなければなら
ないとしても、その乾燥は比較的急速で、優れた均質性
を示す比較的大きな、かつひび割れを伴わない多孔質製
品を容易に得ることができる。
この多孔質製品の焼結は容易で、この焼結により、気泡
のないわ夕密なガラスまたはセラミック製品となされる
本発明の方法は、下肥の工程より構成されている。第1
の工程は、約0.5ミクロンより小さい粒径を有する微
粒子状酸化物材料を用いて、安定し7た、流動性の無水
懸濁液を生成する工程である。
この酸化物は、例メば火炎酸化法によって得られ、通常
約25〜40 (1ty?/グラムの範囲の表面積を有
する。懸濁液は、攪拌、高速ミキシング、ウェットミリ
ング等によって生成するが、ゲル化1だはアグロメv 
−シー+ 7 (agglomeration )およ
び沈澱の防止が必要な場合、分散剤の添加によって安定
化しうる。
本発明の目的を達成するためには、無水液状媒体と、無
水酸化物とを用いることがきわめて重要である。水分が
存在すると、懸濁液に制御不能々ゲル化が生じる。また
、媒体からの水分の除去は、後工程におけるプリフォー
ムのひび割れ発生を著しく緩和する効果がある。
本発明の方法における第2の工程は、懸濁液を型に入れ
て所望の製品の形状に成型する工程であり、次の工程で
懸濁液はその形状においてゲル化される。このゲル化は
、懸濁液の型入れ後に、完全なゲル化に必要な量のゲル
化剤を添加することによって達成される。懸濁液の粘度
は、固形物が高濃度に含まれているにもかかわらず、低
いものであるから、懸濁液を所望の形状にするだめの型
入れは容易である・ 懸濁液が選択された製品の形状に成型され、かつその形
状においてゲル化された後、乾燥により、このゲル化さ
れた中間製品から液状媒体が除去される。ゲル化歪およ
びひび割れの発生機会を最小にするために、ゲル化され
た中間製品の形状は、この中間製品が実質的に乾燥され
終るまで維持される。このゲル化された中間製品は均質
でかつその孔のサイズが比較的大きいために、また媒体
が本質的に無水であるために、乾燥による歪はきわめて
少なく、かつひび割れの生じる危険を伴うことなしに比
較的急速な乾燥が可能であり、したがって生成した一体
の製品は、乾燥による収縮という点を除いては、ゲル化
さhた中間製品と同じ形状とすることができる。
上述の方法によって得られた製品は、微細組織的にみて
典型的にきわめて均質である。この製品は乾燥後または
不完全焼結後に、高純度の微細多孔竹製品としてフィル
タ等に使用しうる。一方、この製品をさらに加熱して完
全に焼結すれば、緻密な、気泡のないガラスまたはセラ
ミック製品を得ることができる。乾燥されたゲル中の微
粒子の粒径は充分に小さいから、焼結は容易であり、生
成された透明々ガラス製品を、遠隔通信のだめの低損失
光ファイバの製造に適用しうるような高品質の光学ガラ
スとして用いることができる。
本発明の好結果が得られる実施に際しては、まず目的の
製品に適合するように選択された酸化物微粒子の安定し
た分散状態を得ることが肝要である。安定した分散状態
とは、型入れその他の方法による懸濁液の成型を許容す
るのに充分な時間の間、懸濁液内での永久的な粒子のか
たまる現象(agglomeration )やゲル化
を伴なうことなしに、微粒子が懸濁液中に存在しうる状
態を意味する。勿論、懸濁液の型入れに先立つ単純な混
合によって懸濁液が得られれば、多少の沈#は許容され
る。
懸濁液を生成するのに有用な微粒子状酸化物材料は、ガ
ラス質または非晶質酸化物、すなわち、煙霧状5i02
、Ge02、P2O5や、これら煙霧状酸化物の混合物
またはこれらにT i 02、At203.5n02、
Z rO2、ZnO1MgOs 5b205等のドーパ
ントを添加したもの、および所望の粒径を有するガラス
質を生成する火炎酸化法または火炎加水分解法によって
得られる種々の酸化物およびそれらの組合せ等を含む。
また本発明によって得られる製品が結晶質セラミックで
ある場合もある。その場合には、懸濁される微粒子状酸
化物材料を結晶質のものとすればよい。使用しうる結晶
質材料としては、上記酸化物の結晶形式および必要な粒
径となされうる市販のセラミック製品の成分がある。
前述のように、酸化物の粒径は本発明の目的を達成する
のにきわめて重要である。選択された酸化物の粒径は、
約(+、 (11〜0.5ミクロンの範囲にあることが
好ましく、したがってその表面積は約15〜1.0 O
n?/グラムの範囲内にある。もしこれより小さい粒径
のものが用いられた場合、乾燥工程が煩雑になり、ある
場合には、ひび割れを伴なわずに効果的な乾燥を達成す
るために、媒体の臨界点以上の温度で高圧乾燥をする必
要がある。
塗料工業およびコロイド化学の基礎的?iJf究によっ
て、酸化物材料を液状媒体中に懸濁する種々の方法が開
発されている。媒体中の微粒子のかたまり現象の発生を
阻止することによって分散状態を安定化する周知のメカ
ニズムに、電気二重層の形成、立体分散(5teric
 dispersion )およびポーラ−・スクリー
ニング(polar screening )等がある
立体分散による安定化技法は、微粒子表面の分散剤の層
が薄く、シだがって高濃度の、しかしながら安定な懸濁
液が得られるととから特に有用である。勿論、もし両立
性のゲル化剤による凝結(flocculation 
)が可能な安定な分散状態が得られるならば、電気二重
層法およびポーラ−・スクリーン法を含む他の安定化技
法も採用しうる。
シリカおよびケイ酸ガラスのような酸化物微粒子ととも
に用いられうる媒体には、n−ヘキサノ、クロロホルム
、塩化メチレン等があり、ある媒体、例えばn−プロパ
ツールは水と混和できる。上記の媒体中で使用できる分
散剤はステアリン酸、ステアリルアルコール、および常
温でカーボン鎖が3〜10アトムのn型アルコールのよ
うな短い直鎖アルコール等がある。
上記のような立体分散の凝結またはゲル化は、酸化物微
粒子の表面から、分散剤よシも強い親和力を有する成分
によって、分散剤が置換されることによって生じるもの
と思われる。分散剤の酸化物粒子に対する付着が強力な
場合における水の開膠(deflocculation
 )およびゲル化がむしろ遅いものであっても、水およ
び酸または塩基の水溶液はこの結果を達成しうる分散剤
である。
本発明は懸濁液が所望の形状の型に入れられた後にこね
を不安定状態にかつグル化する工程を含む。これは型入
れ後、懸濁液にゲル化剤液を添加することによってなし
つるが、より便利な方法は、成型された懸濁液の上方、
周囲または内部にNH3ガスのようなゲル化剤ガスを流
すことである。
成型後生成されたゲル化された中間製品は比較的軟弱で
、かつ液相の除去に伴う収縮によってひび割れを生じ易
いために、型の表面を上記中間製品が乾燥中に収縮する
のに応じてこの中間製品とともに変形しうるように構成
することがきわめて効果的なことがわかった。これを達
成する1つの適切な方法は、薄いポリエチレンフィルム
のような変形可能なポリマー層で型を形成するととであ
る。このようなフィルムは、中間製品に密着し、かつ乾
燥の初期において中間製品が収縮り一でも、この中間製
品とともに変形しうる。このフィルムは、中間製品が乾
燥工程において充分な強度を11)だ後に容易に除去し
うる。
乾燥さ力た多孔質ガラスまたはセラミックは、使用され
た酸化物の融点より低い温度で加熱することによって都
合よく焼結することができる。ケル化を制御し、かつ懸
濁液生成工程において粒子の大きなかたまりの発生を阻
止(また結果として、乾燥されたプリフォームは、均質
な多孔質であるから、気泡を伴わない融合固化が実現さ
れ、1〜たがって透明なアモルファス製品および透明な
結晶質製品を容易に得ることができる。かくして、酸化
物成分の融点よシ低い温度でのガラスおよびセラミック
製品の形成がきわめて容易になるのである。
次に本発明の実施例について説明する。
実施例■ 煙霧状酸化物の懸濁液を形成するために、溶剤としての
約150ミリリツトルのクロロホルムと、分散剤として
の16.8ミリリツトルの1−プロパツールよりなる混
合媒体を用意する。この媒体に、酸素中で1 (1(1
0℃の温度における1時間半の火炎酸化によって生成さ
れた平均粒径が0.06ミクロンの5t02微粒子72
グラムよりなる炒霧状酸化物を添加する。とのシリカは
、使用に先立って真空中で2()0℃の温度で1時間乾
燥して貯蔵中に吸収した水分を除去する。
燵霧状酸化物を、混合媒体とともにボールミルで約16
時間混合することにより、混合媒体中に分散して懸濁液
となる。この懸濁液を2 (100rpmで10分間遠
心分離し、大きい塊を除去する。
次にこの懸濁液を型に移送するために分液漏斗に注入す
る。この漏斗を不完全な真空にして懸濁液を脱気する。
3 mynのテフロン(商標名)チューブで漏斗の出口
とロッド状プリフォーム用の型の底部入口とを接続する
ロッドを形成するために用いらねる型は外径約3.2c
n、長さ約35crfLの筒状のポリエチレン製袋であ
る。この袋の頂部は、外径約5.4cm、長さ約40儂
の筒状ガラス型ホルダの頂部においてすり。
ガラスジヨイントによって支持され、開口されている。
袋はこのホルダ内に懸下されている。このホルダには外
径6mmの閉塞可能な通気孔が設けられている。
分液漏斗上のバルブを開くと懸濁液は重力によって約6
ミリリツトル/分の流量で型の底部に流れこむ。懸濁液
を型の底から注入することによって、成型物に空気が閉
じこめられるのを回避しうる。180ミリリツトルの懸
濁液を用いることによって、外径約3.2ホ、長さ約2
2cIrLの成型物が形成される。
袋が満たされたならば、通気孔を閉じ、NH3ガスより
なるゲル化剤を約35CCZ分の流量で型ホルダ内に注
入し、開口された袋の周囲および土方に流動させる。こ
の処理は、懸濁液を完全にゲル化して、ガラスロッドを
形成するための半固体状ゲル化成型物とするのに充分な
ものである。
上記成型物がゲル化された後、型ホルダ頂部の通気孔を
開き、成型物を乾燥させる。多少収縮はするがひび割れ
のない一体の多孔質酸化物プリフォームを形成するため
の乾燥には約72時間を要° する。
次に外径約2.5cm、長さ約2oCTLの乾燥したロ
ッド状プリフォームを真空中に3時間放置し、次に酸素
中で1000℃に加熱して残留する有機物質を除去する
。次にこのプリフォームを2容量パーセントの塩素を含
むヘリウム雰囲気中で1500℃に熱して融合固化し、
長さ約10crIL、外径約15.6mmの透明なガラ
スロッドを得る。
かくて得られた光導波路ファイバのコア部材用の融合固
化されたプリフォームを、直径約4mmのガラス棒に延
伸する。次にこのガラス棒に対し、ホウケイ酸ガラスの
微粒子よりなるスート層を公知の火炎酸化法を用いて被
着する。次にとのスート層を融合固化して透明なりラッ
ド層とし、このクラッド層で被覆されたプリフォームを
約125μmの直径を有する光導波路ファイバに延伸す
る。
かくて得られた光ファイバは、溶融シリカよりなる直径
19μmのコアと、このコアより低い屈折率を有するホ
ウケイ酸ガラスよシなるクラッドとにより構成されてお
り、0.10の開口数を有する。この光ファイバの伝送
損失ば850 nmの波長において14 dB/ktn
であシ、この損失の大部分は、比較的低い開口数に基づ
く曲げ損失によるものであった。
実施例■ 煙務状酸化物の懸濁液を形成するために、溶剤としての
約408ミリリツトルのクロロボルムと、分散剤として
の60.8ミリリツトルの1−プロパツールを用意する
。この媒体に、196.5グラムのコロイドシリカよシ
なる煙荘状酸化物微粒子を添加する。このコロイドシリ
カは、平均粒径が0.06ミクロンの微粒子で、ニュー
シャーシー州ティーターホ+=l)デグッサ社(’De
gussa、 Inc、 )より0X−50として得ら
れるものである。このシリカは酸素中で約30分加熱さ
れて結合された水分を除去されたものであシ、使用に先
立って真空中で200℃において1時間乾燥して吸収さ
れていろ水分を除去する。
このシリカを、上記混合媒体とともにボールミルで約1
6時間混合することによp1シリカが混合媒体中に分散
する。かくて得られた懸濁液を2 (l O(l rp
mで10分間遠心分離する。次に懸濁液を分液漏斗に注
入し、上記実施例■と同様に不完全な真空により脱気す
る。
次に脱気さねた懸濁液を、モータ駆動のプラスチックピ
ストンを備えた移送用ガラスシリンダ内にプラスチック
チューブを通じて導く。次に懸濁液をピストンを用いて
長さ36CrIL(14インチ)、内径3.2 rnm
 (’/sインチ)のステンレス製移送用チューブで終
端された可撓性プラスチックチューブを通じて袋状型内
に注入する。
袋状の型は光導波路ファイバのコア部材用にロッド状を
しており、外径4.75cm(、lにインチ)、長さ3
6cm(14インチ)のポリエチレン製の袋である。こ
の袋の一端はヒートシールにより閉塞され、他端はすり
ガラスジヨイントによって、外径6.35CrrL(1
1/2インチ)、長さ40.6crIL(1’6インチ
)の筒状ガラス型ホルダの上端縁に開口状態で保持され
て、型ホルダ内に懸下されている。型ホルダのだめの頂
部のすりガラスジヨイントと型ホルダの底部の双方に外
径0.6mm(/4インチ)の通気チューブが設けられ
ている。
型に懸濁液を注入するために、ステンレス製の移送用チ
ューブを型ホルダの頂部の通気チューブを通じて袋内に
挿入し、袋の底から1.2 rcm (’/2インチ)
以内に保つ。上記コロイド状懸濁液を移送用シリンダか
ら約15〜30ミリリツトル/分の流量で袋内に注入す
る。袋が満たされたならば、気泡が懸濁液内に閉じこめ
られないように移送用チューブを引抜く。
型が満たされた後、通気チー−ブを閉じ、アンモニアガ
スを35CCZ分の流量で型ホルダ内に注入(2、型の
周囲に85分間流す。この工程が終了すると、懸濁液は
ゲル化して半固体状成型物となり、次の乾燥工程に備え
る。
乾燥工程は型ホルダの通気孔を開くことによって行なわ
れ、媒体は16日間に亘って徐々に蒸発する。かくして
得られた、外径6.35c7rL(1捗イアf) 、a
さ20.3cm(8インチ)の寸法を有し、本質的にひ
び割れのない一体のロッド状プリフォームを、真空中に
3時間放置して最終的に乾燥し、次にこれを酸素中にお
いて1 (10(+’c、の温度で90分間加熱して残
留有機物を除去する。
この多孔質プリフォームを2容量パーセントの塩素を含
むヘリウム雰囲気中で1500℃に熱して融合固化し、
清澄なガラスとする。この融合固化された透明なガラス
ロッドは、長さ約1012(4インチ)、直径約2.2
cm(7/8インチ)であった。
次にこの透明なガラスロッドを延伸して約125ミクロ
ンの直径を有する光導波路ファイバのコア部材とする。
延伸中に、シリカより低い屈折率を有するシリコーン樹
脂よりなる被覆材料で被覆する。この被覆拐料は光導波
路ファイバの透明なりラッド部材である。最終的に得ら
れた光導波路ファイバの伝送損失は、850nmの波長
において約3.6 aB/bであった。
以上が本発明の実施例であるが、本発明における懸濁液
の成型およびゲル化の方法は融通性に富むため、コア部
材、クラッド部材、コア・クラッド結合体および屈折率
の一様でない(例えばグレーデッド・インデックス)コ
ア部材を上述のような直接成型によって形成することが
可能である。
グレーデッド・インデックス型コアは、型に注入される
懸濁液の組成を順次変えるレーヤーキャスティング法(
1ayer casting tecbnique )
を用いて形成することができる。
形成されるべき製品が光導波路のコア部材である場合、
クラッド部材は、ゲル化された第1の懸濁液のまわりに
第2の懸濁液を成型することにより、あるいは他の被覆
方法により形成されうる。
例えば、コア部材用の成型物が乾燥されてから、または
この成型物が融合固化されて清澄なガラスとなされてか
ら、火炎加水分解方法によってクラッドを被着しうる。
またコア部材が、融合固化されたプリフォームから延伸
によって形成される間にまたは形成された後に、プラス
チックのクラソドを被着してもよい。
勿論上述した実施例は、本発明の方法の僅かの代表例を
示したに過ぎないものであり、本発明の特許請求の範囲
を逸脱することなく種々の変型変更をなしうるものであ
る。
本発明の方法は、液状組成物をゲル化し、このゲル化さ
れた中間製品を長時間かけて乾燥し焼結して微多孔質ま
たは非多孔質のガラスを生成するというケイ酸塩ガラス
の製造のためのいわゆる溶液法の改良である。本発明に
おいては、上記したような粒径を有する微粒子状酸化物
の無水懸濁液を用いていることにより、また懸濁液を所
望の形状を有する型に注入してからゲル化する工程を採
用していることにより、中間製品をひび割れを伴わずに
乾燥することがきわめて容易となり、比較的大きい、ひ
び割れのない所望の製品を迅速かつ容易に得ることがで
きる効果がある。
出 願 人 コーニング グラス ワークス代理人 弁
理士 山元俊仁

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、(a)平均粒径が約0.5ミクロンを超えない微粒
    子状酸化物を無水液状媒体中に懸濁して、酸化物微粒子
    の安定な懸濁液を生成する工程と、(b)前記懸濁液を
    、製造すべき製品の形状に対応する選択された形状の型
    に注入する工程と、(c)前記型入れされた懸濁液に、
    この懸濁液からゲル化された中間製品を生成するのに少
    なくとも効果のある量のゲル化剤を添加して、前記懸濁
    液をゲル化する工程と、 rd)前記ゲル化された中間製品を、その形状を維持し
    つつ乾燥して、前記ゲル化された中間製品の形状を有す
    る一体のかつ実質的にひび割れのない多孔質製品を生成
    する工程と、(e)前記多孔質製品を、この多孔質製品
    が非多孔質ガラスまたはセラミック製品に焼結するのに
    少なくとも充分な温度に加熱して融合固化する工程とよ
    りなることを特徴とするガラスまたはセラミック製品の
    製造方法。 2、特許請求の範囲第1項に記載さhた方法において、
    前記製品がガラス光導波路プリフォームのガラスコア部
    材またはガラスクランド部材であることを特徴とする前
    記方法。 3、特許請求の範囲第1項に記載された方法において、
    前記微粒子状酸化物が、5t02、P2O5、GeO2
    、At203、T’t 02、Z rO2、ZnO,M
    g0XSb205およびS n O2からなる群の中か
    ら選ばれた1″:)またはそれ以上の酸化物を含む組成
    を有する非晶質煙霧状酸化物であることを特徴とする前
    記方法。
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DK200384D0 (da) 1984-04-18
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IL71775A (en) 1992-07-15
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NO158342C (no) 1988-08-24
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