CN102432829B - 一种含硫光学环氧树脂及其制备方法 - Google Patents

一种含硫光学环氧树脂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含硫光学环氧树脂及其制备方法。该方法以2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑和环氧氯丙烷作为反应原料,以碱溶液溶液、季铵盐和三苯基磷中的一种或几种作为催化剂,以氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾中的一种或几种的水溶液或固体作为第二步的反应原料,以甲苯、二甲苯、苯、乙苯、二乙苯、四氯化碳、甲基异丁基酮、甲乙酮中的一种或几种作为溶剂。最后在室温或较低温度条件下,真空干燥得到二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。制备的环氧树脂具有环氧值高、粘度低、折射率较高、透明性较好等优点。该环氧树脂可用于光学封装、光学胶黏剂、光学零部件等领域。

Description

一种含硫光学环氧树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种环氧树脂,特别是涉及一种具有较高的折射的率含有硫原子的光学环氧树脂,具体涉及一种含硫高折射率的光学环氧树脂及其合成方法。
背景技术
随着科学的进步,光学材料越来越多应用于科技以及生活领域。环氧树脂因具有固化容易、固化条件可调以及透明性好等特点而在光学树脂领域应用较多,如光学器件、光学封装、光学胶黏剂等。但是,环氧树脂的折射率较低。普通的环氧树脂的折射率约为1.57左右,远不能满足光学材料越来越高的要求。
无机材料一般均具有较高的折射率。如二氧化钛作为一种白色颜料因其特别高的折射率(2.5-2.7)而应用广泛。纳米无机材料加入至树脂中能显著提高高分子材料的折射率,但是纳米复合材料的应用受到纳米颗粒的分散性、稳定性以及添加量的控制。国内外科学工作者对这方面进行了有益研究,但主要集中在薄膜方面。高折射率高透明高稳定性的块状纳米复合材料仍有一定难度。因为用胶体化学法合成有机一无机纳米复合光学透明材料存在着如何使无机纳米粒子稳定分散在透明高分子构成的连续相中这一难题。官建国等(官建国,黄俊,袁润章.光学透明材料的现状和研究进展II:有机一无机纳米复合光学透明材料[J].武汉工业大学学报,1998,20(9):11-13)提出,对于用传统的溶胶-凝胶法这种纳米复合技术制备整块光学透明复合材料时,存在着以下几个问题:(1)挥发水解和缩聚过程中产生的水和醇等低分子副产物和大量的溶剂会有严重的体积收缩现象(大于50%),并进而带来大的内应力和显著的裂纹,从而很难制得具有预期尺寸和形状的块体光学透明材料(如厚度>10μm);(2)干燥速率极慢,一般需几周甚至几个月;(3)对于长期使用的纳米复合光学透明材料,还可能有因纳米粒子团聚,产生大的相分离而使光的散射损耗增加的问题。
公开号为CN101418206A的中国发明专利公开了用四(3-巯基丙酸)异戊四醇和四巯基乙酸异戊四醇固化环氧树脂的方法,得到固化产物的折射率1.60-1.66。Hsun-Tien Li(Hsun-Tien Li,Chia-Wen Hsu,Kai-Chi Chen.A novel high refractive transparent material inLED package applications[C].Electronic Materials and Packaging,2008.Taipei,Taiwan:EMAP 2008.International Conference on:309-312)合成了双-[2,2`-双(巯基甲基)-1,1-双苯基硫化甲烷]固化固化双酚A环氧树脂,得到固化产物的折射率1.64。但这些技术主要为采用含硫醇的固化剂固化普通环氧树脂来获得较高的折射率。
苯硫乙硫基环氧丙烷的合成与结构表征[J](吴璧耀,张道洪,张玉,武汉化工学院学报,2003,25(4):37-39)公开了一种合成苯硫乙硫基环氧丙烷的方法,合成物是一种浅黄色的液体,折光指数为1.60,但这是一种单官能团环氧树脂,难以通过固化获得高性能的固化产物。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题,提供一种分子结构中含有硫原子的环氧树脂,所得环氧树脂在固化前即可达到较高的折射率。
本发明合成一种分子结构中含有硫原子的环氧树脂,所得环氧树脂在固化前即可达到较高的折射率,比普通环氧树脂的折射率高得多。如果该环氧树脂采用合适的固化剂固化后,可以得到更高的折射率。折射率是光学材料的最基本性能,高折射率材料是当今人们日益追求的目标。为使透镜超薄、低曲率和减轻重量的同时而不影响其折射能力,必须提高光学材料的折射率。
目前,LED照明技术正蓬勃发展。但是由于LED的GaN芯片具有高的折射率(约为2.2),为了能够有效地减少界面折射带来的光损失,尽可能提高取光效率,要求封装材料的折射率尽可能高。而普通的环氧树脂的折射率仅为1.57左右,与芯片的折射率差异较大,导致取出光效率较低,仅为理论值的10%。理论计算表明,封装材料的折射率>1.7,光取出效率>30%,封装材料的折射率>1.8,光取出效率>40%。另外一方面,当提高LED的光取出效率的同时,必然会降低LED的发热,而LED的散热设计是LED大规模应用的难点之一,因此高折射率的封装材料有利于减轻LED的散热设计困难,延长LED的使用寿命。
本发明目的通过如下技术方案实现:
一种含硫光学环氧树脂,含硫光学环氧树脂为2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的缩水甘油醚,结构式如下:
Figure BDA0000080635960000021
其中n=0-10。
上述含硫光学环氧树脂的合成方法,包括如下步骤:
(1)按摩尔比为1∶2-20,将2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑加入环氧氯丙烷中,搅拌下加入催化剂,在冰水浴中溶解;然后升温至50~70℃,再反应2~6h后;然后升温,在80~120℃的条件下蒸馏回收未反应的环氧氯丙烷;最后降温至50~70℃;以1摩尔份2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑计,所述的催化剂为0.01~0.05摩尔份碱溶液和0.001~0.005摩尔份季铵盐中的一种或多种;或者是述的催化剂为0.001~0.005摩尔份三苯基磷;
(2)控制反应温度为50~70℃,以1摩尔份2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑计,加入2~20摩尔份有机溶剂和2~2.2摩尔碱或碱溶液,碱或碱溶液在1~2.5小时内加入,然后保温0.5~1h;所述的碱为氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化钾中的一种或多种;所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、苯、乙苯、二乙苯、四氯化碳、甲基异丁基酮和甲乙酮中的一种或多种;
(3)停止搅拌,出料;将物料进行水洗直至无Cl-为止,然后将反应物在真空条件下干燥除去溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂;
所述步骤(1)和(2)的碱溶液为氢氧化钠的水溶液、氢氧化钾的水溶液和氢氧化锂的水溶液中的一种或多种。
所述催化剂优选碱溶液。所述的碱溶液质量浓度优选为10%~30%。
与已有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明利用以杂环化合物DMTD为起始原料,通过二步法合成得到的的环氧树脂的含硫率较高,常温下为液态,折射率为1.62左右,远高于普通环氧树脂的1.57左右。
(2)本发明合成产物采用固化剂固化后,得到的固化产物的折射率可达1.68。合成产物该环氧树脂可用多种固化剂固化,固化剂包括邻苯二甲胺、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、邻苯二硫醇、N,N-二甲基苄胺、季戊四醇四巯基乙酸酯或六氢苯酐。
(3)本发明所得含硫光学环氧树脂外观透明、粘度较低、折射率较高。
附图说明
图1为2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑(DMTD)的红外光谱图。
图2为2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的缩水甘油醚的红外光谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明作进一步说明,但本发明所要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。
实施例1
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(0.2mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.001mol的10%(质量浓度)的氢氧化钠溶液。待DMTD完全溶解后,升温至50℃,反应2h。在120℃的条件下蒸馏回收未反应的ECH;最后降温至50℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为50℃,逐渐滴加质量浓度为10%的氢氧化钠溶液,氢氧化钠加入量为0.2mol,在1h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。
图1和图2分别为DMTD和本实施例合成产物的红外光谱图。其中,图1采用溴化钾粉末和DMTD共同研磨后压片法得到。图2为先用溴化钾粉末压制空白片,然后将所合成的环氧树脂涂覆在空白溴化钾片上制得。从图2可以看出,合成产物出现明显的环氧基团吸收峰(920.28cm-1处)。
合成产物采用氘代氯仿做溶剂,进行核磁共振检测,其中化学位移0.93ppm、2.12ppm和2.29ppm处分别为合成环氧树脂的端环氧基上的氢原子。而2.5-4.5ppm之间的很多小峰则为合成环氧树脂中间的氢原子。由于合成产物是为混合物,因此峰特别多。7.25ppm处为氘代氯仿的溶剂峰,1.59ppm处为水峰,1.24ppm处为杂质峰。
本实施例所得产物的折射率值、粘度、透明性等测试结果见表1。由图2、核磁共振检测以及表1可知,本实施例制得低粘度、较高折射率和透明性较好的二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。
实施例2
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(2mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.001mol的10%的氢氧化钠溶液。待DMTD完全溶解后,升温至50℃,反应2h。在120℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为50℃,逐渐滴加质量浓度为10%的氢氧化钠溶液,氢氧化钠加入量为0.2mol,在1h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例3
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.001mol的10%的l氢氧化钠溶液。待DMTD完全溶解后,升温至50℃,反应2h。在100℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为50℃,逐渐滴加质量浓度为10%的氢氧化钠溶液,氢氧化钠加入量为0.2mol,在1h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂,本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例4
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.005mol的10%的l氢氧化钠溶液。待DMTD完全溶解后,升温至70℃,反应6h。在80℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为70℃,逐渐滴加质量浓度为10%的氢氧化钠溶液,氢氧化钠加入量为0.2mol,在1h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例5
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.005mol的10%的l氢氧化钠溶液。待DMTD完全溶解后,升温至60℃,反应3h。在80℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至70℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为60℃,逐渐滴加质量浓度为10%的氢氧化钠溶液,氢氧化钠加入量为0.2mol,在2h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例6
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.005mol的10%的l氢氧化钠溶液。待DMTD完全溶解后,升温至60℃,反应3h。在90℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为60℃,逐渐滴加质量浓度为饱和的氢氧化钠溶液,氢氧化钠加入量为0.2mol,在2h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例7
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.005mol的10%的氢氧化钠溶液。待DMTD完全溶解后,升温至60℃,反应3h。在100℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至60℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为60℃,分6次加入氢氧化钠固体,氢氧化钠加入量为0.2mol,在2h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例8
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入含碱0.0005mol的硫酸氢四丁基铵。待DMTD完全溶解后,升温至60℃,反应3h。在120℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol甲基异丁基酮,保持反应温度为60℃,分6次加入氢氧化钾固体,氢氧化钾加入量为0.2mol,在2h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例9
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入0.0001mol的氯化苄基三乙基铵。待DMTD完全溶解后,升温至60℃,反应3h。在120℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol二甲苯,保持反应温度为60℃,分6次加入氢氧化钠固体,氢氧化钠加入量为0.2mol,在2h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例10
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入0.0001mol的三苯基磷。待DMTD完全溶解后,升温至60℃,反应3h。在120℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol二甲苯,保持反应温度为60℃,分6次加入氢氧化钠固体,氢氧化钠加入量为0.2mol,在2h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
实施例11
在装有搅拌装置、温度计和回流冷凝管的带氮气保护的烧瓶中(烧瓶需要水浴)加入ECH(1mol)和DMTD(0.1mol),在冰水浴中进行搅拌溶解。并加入0.0005mol的三苯基磷。待DMTD完全溶解后,升温至60℃,反应3h。在120℃的条件下回收未反应的ECH蒸馏;最后降温至50℃;加入0.2mol氯仿,保持反应温度为60℃,分6次加入氢氧化钠固体,氢氧化钠加入量为0.2mol,在2h内加完;然后保温0.5h。停止搅拌,出料。将物料置于分液漏斗,加去离子水,振荡,分液去掉水层。再加去离子水,反复分液多次,直至有机层无Cl-为止。.将所得有机层在室温条件下进行真空干燥,除掉溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂。本实施例合成产物的红外光谱图与图2相似。
将上述实施例1~11制备的环氧树脂分别用阿贝折射仪测试参照《GB/T 6488-2008液体化工产品折光率的测定(20℃)》进行测定折射率;透光率采用透过率测试仪参照《GB/T 2410-2008透明塑料透光率和雾度的测定》进行测定。粘度采用旋转粘度计参照《GB/T 2794-1995胶粘剂粘度的测定》进行测定。具体检测情况如表1所示。
从表1中可以看出,所有实施例合成的环氧树脂产品外观均为淡黄色透明液体,折射率均高于普通的环氧树脂的折射率(普通双酚A环氧树脂的折射率仅为1.57左右)。
表1
Figure BDA0000080635960000081
实施例制备的2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的缩水甘油醚的固化过程和结果
准确称取合成的环氧树脂和固化剂,然后搅拌均匀,在真空条件下脱去泡沫。倒入硅橡胶模具中,在室温条件下先固化48h,然后升温至80℃固化2h。取出样品,进行测试折射率和透光率,测试方法参照前述标准。其中固化后的样品为固体,需要先对样品进行抛光,然后在阿贝折射仪上测试其折射率。具体环氧树脂的用量和固化剂种类与用量以及固化产物性质见表2。
表2中的折射率1是环氧树脂与固化剂混合物在固化前检测的折射率;折射率2是环氧树脂与固化剂混合物在固化后检测的折射率。从表2可见本发明制备的环氧树脂在固化前即可达到较高的折射率,比普通环氧树脂的折射率高得多。如果该环氧树脂采用硫醇类固化剂固化后,可以得到更高的折射率。
本发明的环氧树脂本身带有叔氮原子,因此具有一定的催化作用,能够加速环氧树脂的固化。因此在同样的固化条件下,本发明的环氧树脂可以少用或者不用催化剂,能在较低的温度条件下进行固化。
本发明以较低的成本制备的新型环氧树脂及其固化产物,且该产物折射率较高。在相同的价位条件下,本发明的环氧树脂及其固化产物具有十分大的优势。使用同样的固化剂时,本发明的环氧树脂固化产物的折射率远高于同类产品。相较于现有技术的高折射率环氧固化产物,或需要特别昂贵的环氧树脂,如二巯基二苯硫醚环氧树脂;或需要特殊的环氧树脂固化剂,如二巯基二苯硫醚或双-[2,2`-双(巯基甲基)-1,1-双苯基硫化甲烷]。
本发明的环氧树脂参照如前所述比例与固化剂进行配胶,然后依据不同固化剂的固化性能,参照普通环氧树脂的固化工艺和应用工艺进行固化或封装,即可以应用至LED封装、光学透镜、光学环氧胶黏剂等领域。
表2

Claims (2)

1.一种含硫光学环氧树脂的合成方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)按摩尔比为1:2-20,将2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑加入环氧氯丙烷中,搅拌下加入催化剂,在冰水浴中溶解;然后升温至50~70℃,再反应2~6h后;然后升温,在80~120℃的条件下蒸馏回收未反应的环氧氯丙烷;最后降温至50~70℃;以1摩尔份2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑计,所述的催化剂为0.01~0.05摩尔份碱溶液和0.001~0.005摩尔份季铵盐中的一种或多种;或者是所述的催化剂为0.001~0.005摩尔份三苯基磷;
(2)控制反应温度为50~70℃,以1摩尔份2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑计,加入2~20摩尔份有机溶剂和2~2.2摩尔碱或碱溶液,碱或碱溶液在1~2.5小时内加入,然后保温0.5~1h;所述的碱为氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化钾中的一种或多种;所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、苯、乙苯、二乙苯、四氯化碳、甲基异丁基酮和甲乙酮中的一种或多种;
(3)停止搅拌,出料;将物料进行水洗直至无Cl为止,然后将反应物在真空条件下干燥除去溶剂和残留的ECH,即得二巯基噻二唑缩水甘油醚环氧树脂;
所述步骤(1)和(2)的碱溶液为氢氧化钠的水溶液、氢氧化钾的水溶液和氢氧化锂的水溶液中的一种或多种;
所述含硫光学环氧树脂为2,5-二巯基-1,3,4-噻二唑的缩水甘油醚,结构式如下:
Figure FDA00002917098600011
其中n=0-10。
2.根据权利要求1所述的含硫光学环氧树脂的合成方法,其特征在于,所述的碱溶液质量浓度为10%~30%。
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