CN110607177A - 一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，所述土壤保水剂是先利用N,N‑二甲基丙烯酰胺对高岭土进行插层处理，然后加入丙烯酸、淀粉糊化，接着移入反应釜中，在氮气氛围下加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂混合反应后粉碎而制得。本发明提供的淀粉接枝聚合成复合吸水树脂生产土壤保水剂过程中，通过加入N,N‑二甲基丙烯酰胺插层高岭土，显著提高了保水剂的耐碱性和对盐水的吸水能力，具有良好的耐盐碱性，有效拓宽了土壤保水剂的适用范围。

Description

一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法
技术领域
本发明涉及土壤抗旱材料技术领域，特别是涉及一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法。
背景技术
发展解水农业、提高水分利用率，是保障旱区农业发展的有效措施之一。保水剂是近年来发展较快的一种化学节水、高科技抗旱产品，现已逐步应用于花卉、苗木及农作物等的生产。保水剂具有快速吸收和缓慢释放水分的特性，可减少栽培基质表面积水和基质水分蒸发量。也就是说，在浇灌过程中，保水剂可将植物不能持续利用的重力水储存起来，有效增加基质持水量，然后逐渐将水分释放供植物利用，以提高水分利用率。
目前，国内外的保水剂主要分2大类，一类是丙烯酰胺-丙烯酸盐交联共聚物（聚丙烯酰胺）；另一类是淀粉接枝丙烯酸盐交联共聚物（聚丙烯酸钠、聚丙烯酸甲、聚丙烯酸胺、淀粉接枝丙烯酸盐）。其中，淀粉接枝丙烯酸盐交联共聚物类保水剂银良好的保水性能和生物可降解性而受到广泛关注。
盐碱化土壤是植物生长过程中最常遇到的自然逆境之一，土壤的碱渍化严重限制了植物的生长，造成大片良田产量下降，逐渐成为弃地；草原牧草产量降低，草场载畜量减少。由于盐碱土的有机质含量少，理化性状差，蓄水保肥能力低，盐碱地生态植被修复时加入保水剂可完成保水蓄墒、促进土壤团粒结构形成和降低水蒸发量，防止次生盐碱化的作用。目前，已有的保水剂应用于盐碱地生态植被修复存在以下几个问题：（1）生产成本较高，保水剂价格居高不下；（2）淀粉接枝共聚生产的保水剂耐盐碱性差、凝胶强度低、使用寿命短。因此，现有市场缺乏适合盐碱地地理环境条件下专用保水剂。
中国发明专利申请号201710285203.3公开了一种基于淀粉接枝丙烯酸与海藻酸钠、矿渣复合的保水凝胶的制备方法，先将海藻酸钠做为有机基体，矿渣为无机多孔填料，混合制备成分散溶液后，将淀粉进行氧化后接枝氢氧化钠中和过的丙烯酸，然后将两者混合，通过丙烯酸和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺在制备时作为交联剂，海藻酸钠与氧化淀粉之间产生交联，钙离子的加入加强海藻酸钠与氧化淀粉之间络合的双重效应，从而提高制备出的保水凝胶的三维网格具有大小不同的尺寸，有利于提高保水剂机械强度与保水性。中国发明专利申请号201510145275.9公开了一种高凝胶强度的淀粉系保水剂的制备方法，其特征是按如下步骤进行：将小麦淀粉糊化，在冰浴条件下制备丙烯酸钠溶液，取顺丁烯二酸、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵连同丙烯酸钠溶液一起加入糊化小麦淀粉中得混合溶液，将混合溶液进行搅拌，使其接枝共聚形成共聚产物；将共聚产物倒入四氟乙烯板中进行干燥处理，获得高凝胶强度的淀粉系保水剂；顺丁烯二酸也可换为高岭土或硅藻土。
为了提高淀粉接枝共聚生产的土壤保水剂的耐盐碱性，有必要提出一种新型土壤保水剂，进而有效扩展淀粉接枝共聚生产的土壤保水剂的适用范围。
发明内容
针对目前淀粉接枝共聚生产的土壤保水剂耐盐碱性差，不适用于盐碱化土壤的缺陷，本发明提出一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，从而提高了淀粉接枝丙烯酸共聚生产的保水剂的耐碱性和耐盐性，保证了保水剂良好的吸水能力和强度性能。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，所述土壤保水剂是先利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行插层处理，然后加入丙烯酸、淀粉糊化，接着移入反应釜中，在氮气氛围下加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂混合反应后粉碎而制得。
优选的，所述淀粉为木薯淀粉、玉米淀粉中的一种或两种以上的组合。
优选的，所述糊精为干糊精、麦芽糊精、环糊精中的一种或两种以上的组合。
优选的，所述秸秆粉为小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、薯类秸秆、油菜秸秆、棉花秸秆、甘蔗秸秆中的一种或两种以上的组合粉碎得到。
优选的，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸铵-亚硫酸氢钠、过硫酸钾-亚硫酸氢钠中的一种。
优选的，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
本发明还提供了一种用于盐碱地的土壤保水剂的制备方法，具体制备方法如下：
（1）先将高岭土原矿粉碎研磨至粒度为5-20μm，然后提纯去除杂质，接着与N,N-二甲基丙烯酰胺单体溶液混合，再在常温条件下以150-200rpm的转速机械搅拌反应20-25h，利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行直接插层，过滤，得到N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土；
（2）先将丙烯酸与淀粉混合均匀，加入水控制物料温度为75-90℃，保温处理0.5-2h，使得淀粉糊化，制得糊化物；
（3）将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂，接着继续加入N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土，搅拌升温至40℃，再倒入模具中继续升温至55℃，接着保温反应3-4h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至120-180目，即得用于盐碱地的土壤保水剂。
优选的，步骤（1）中所述N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土制备中， N,N-二甲基丙烯酰胺、高岭土的质量比例为100:5-20。
优选的，步骤（2）中所述丙烯酸、化淀粉、水的质量比例为2:1:5。
优选的，步骤（3）中所述土壤保水剂制备中，糊化物、糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂、交联剂、N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土的质量比例为100:8-12:6-11:7-12:11-18:2-4:1-2:10-20。
淀粉接枝丙烯酸交联共聚物生产的土壤保水剂的保水功能主要取决于淀粉接枝丙烯酸类吸水性树脂，其主要是淀粉接枝丙烯酸、甲基丙烯酸或其他烯烃羧酸。淀粉接枝丙烯酸类吸水性树脂的制备原理包括离子型接枝共聚和自由基型接枝共聚。淀粉与乙烯基单体接枝共聚物的制备，一般采用自由基引发，即通过一定的方式，先在淀粉的大分子上产生初级自由基，然后引发接枝具有不饱和键的单体，使淀粉的大分子上产生初级自由基，然后引发接枝具有不饱和键的单体，使淀粉自由基与其发生亲核连锁反应。引发淀粉成为自由基的手段主要有物理方法和化学方法两大类。本发明具体是利用引发剂，使淀粉分子叔碳上的H被夺走而产生自由基，然后引发单体形成淀粉-单体自由基，继续与单体进行链增长聚合，最后链终止。
淀粉接枝丙烯酸类吸水性树脂的吸水保水性主要与其化学结构及聚集态中极性基团的分布状态有关。 交联剂的作用：防止吸水性树脂在吸水时发生溶解，使分子链之间发生交联，形成交联化合物。高吸水性树脂是由三维网络结构构成的高聚物，其吸水既有物理，又有化学吸附和网络吸附。它是分子中既含有亲水基团又含有疏水基团的交联型高分子电解质。树脂网络是吸水能力强大的结构因素，树脂网络的亲水集团是其吸水的动力因素。淀粉接枝丙烯酸类吸水性树脂的吸水能力可以看成是通过水中的高分子电解质的离子电荷相斥而引起的伸展和由交联结构及氢键而引起的阻止扩张的相互作用所产生的结果。因此，淀粉接枝丙烯酸类生产的土壤保水剂具有吸水容量大、吸水速度快、保水能力强、生物可降解性等优点，是一种环境友好的良好保水抗旱材料。
本方案利用未糊化的淀粉与丙烯酸混合，将淀粉进行糊化处理，其原因是糊化的淀粉接枝效果比原淀粉好，由于淀粉糊化后，分子链在水中得到充分的舒展，便于催化剂和单体与其各部位接触而发生接枝反应；同时由于反应体系呈酸性，对设备腐蚀大，因此在加入氢氧化钾溶液进行中和，利用先中和再聚合的方法，得到的保水剂在不溶性和保水性方面具有优势；交联剂是控制网络结构的关键，其用量对超强吸水剂的吸水性能有很大的影响，交联剂浓度高，交联度高，吸水率大大下降；交联剂浓度低，交联度低，产品溶解度加大，且保水性能差，理想的交联度应该是控制产品恰好不溶解于水所需的最低交联度，本发明在加入N,N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂时控制好加入量；引发剂选择应用较广的过硫酸盐；由于氧气是阻聚剂，为防止接枝共聚合过程中混入空气，发生氧化反应而使得引发剂失活，因此需要在氮气保护下进行接枝聚合反应；接枝共聚合反应温度应在30-55℃内比较理想，温度过高，聚合反应加快，不利于淀粉接枝，温度过低，反应效果不佳，同时反应时间应控制在3-4h。
进一步的，利用N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土，可以有效扩大高岭土层间的间距，进而解决高岭土层间连接紧密、分散度较低的问题，使其能够满足流变性、吸附性、分散性等页数性能要求。
更进一步的，通过在淀粉接枝共聚合成复合吸水树脂过程中，引入N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土进行改性，利用N,N-二甲基丙烯酰胺分子较大的空间位阻，避免保水剂酰胺基受盐碱地土壤中OH-的影响，使树脂中的酰胺基团在高度碱性的环境中保持稳定，能保持较高的吸液倍率；同时层状的高岭土具有很大的比表面积，可以较好地与丙烯酸单体复合，利于形成网状结构，有益于提高对盐水的吸水能力，提升了保水剂的耐盐性及强度性能，拓宽了保水剂的适用范围。
现有的淀粉接枝共聚生产的土壤保水剂耐盐碱性差，不适用于盐碱化土壤的缺陷，限制了其应用。鉴于此，本发明提出一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，将高岭土原矿粉碎研磨，提纯去除杂质，然后与N,N-二甲基丙烯酰胺单体溶液混合，常温条件下机械搅拌反应对高岭土进行直接插层；将丙烯酸与未糊化淀粉的混合物，糊化；通入氮气，加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、加入引发剂和交联剂，继续加入N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土，升温反应后冷却干燥、粉碎，得到盐碱地土壤用低成本保水剂。本发明提供的淀粉接枝聚合成复合吸水树脂生产土壤保水剂过程中，通过加入N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土，显著提高了保水剂的耐碱性和对盐水的吸水能力，具有良好的耐盐碱性，有效拓宽了土壤保水剂的适用范围。
本发明提出一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、本发明的淀粉接枝聚合成复合吸水树脂生产土壤保水剂过程中，通过加入N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土，显著提高了保水剂的耐碱性，在高碱性环境下能能保持较高的吸液倍率。
2、本发明的淀粉接枝聚合成复合吸水树脂生产土壤保水剂过程中，通过加入N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土，利用高比表面积的高岭土与丙烯酸单体形成网状结构，提高保水剂对盐水的吸水能力，提升了保水剂的耐盐性及强度性能。
3、本发明制备得到的土壤保水剂的耐盐碱性好，有效拓宽了保水剂的适用范围。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）先将高岭土原矿粉碎研磨，然后提纯去除杂质，接着与N,N-二甲基丙烯酰胺单体溶液混合，再在常温条件下以170rpm的转速机械搅拌反应23h，利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行直接插层，过滤，得到N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土；N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土制备中， N,N-二甲基丙烯酰胺、高岭土的质量比例为100:12；
（2）先将丙烯酸与淀粉混合均匀，加入水控制物料温度为85℃，保温处理1.5h，使得淀粉糊化，制得糊化物；淀粉为玉米淀粉；丙烯酸、玉米淀粉、水的质量比例为2:1:5；
（3）将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂，接着继续加入N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土，搅拌升温至40℃，再倒入模具中继续升温至55℃，接着保温反应3.5h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至160目，即得用于盐碱地的土壤保水剂；糊精为干糊精；秸秆粉为小麦秸秆粉碎得到；引发剂为过硫酸铵；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；土壤保水剂制备中，糊化物、糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂、交联剂、N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土的质量比例为100:11:8:9:16:3:1.6:16。
测试方法：
将本实施例制备获得土壤保水剂进行保水性能测试，在甘肃某地进行试验，在同一区域选择盐碱地和正常田地作为试验对象，分别取20cm的根层土壤，测试含水量后风干过筛，加适量水，使含水量为17%，加入本实施例制得的保水剂（加入量为干土壤质量的5%），与田间用量相同，装入5个测试样塑料盆；置于室外进行试验，计算土壤保水率：R=（m测- m0）/（m-m0）×100%，其中，m为加水配制的土壤重量；m0为风干土壤重量；m测为实验测定的土壤重量，计算得到30d和60d的土壤保水率，得到结果如表1所示。
对比例1
对比例1与实施例1相比，未采用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行改性，制得的土壤保水剂采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
实施例2
（1）先将高岭土原矿粉碎研磨，然后提纯去除杂质，接着与N,N-二甲基丙烯酰胺单体溶液混合，再在常温条件下以150rpm的转速机械搅拌反应25h，利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行直接插层，过滤，得到N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土；N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土制备中， N,N-二甲基丙烯酰胺、高岭土的质量比例为100:5；
（2）先将丙烯酸与淀粉混合均匀，加入水控制物料温度为85℃，保温处理1.5h，使得淀粉糊化，制得糊化物；淀粉为玉米淀粉；丙烯酸、玉米淀粉、水的质量比例为2:1:5；
（3）将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂，接着继续加入N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土，搅拌升温至40℃，再倒入模具中继续升温至55℃，接着保温反应3h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至120目，即得用于盐碱地的土壤保水剂；糊精为麦芽糊精；秸秆粉为水稻秸秆、粉碎得到；引发剂为过硫酸钾；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；土壤保水剂制备中，糊化物、糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂、交联剂、N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土的质量比例为100:8:6:7:11:2:1:10。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
对比例2
对比例2与实施例2相比，未添加高岭土，制得的土壤保水剂采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
实施例3
（1）先将高岭土原矿粉碎研磨，然后提纯去除杂质，接着与N,N-二甲基丙烯酰胺单体溶液混合，再在常温条件下以200rpm的转速机械搅拌反应20h，利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行直接插层，过滤，得到N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土；N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土制备中， N,N-二甲基丙烯酰胺、高岭土的质量比例为100: 20；
（2）先将丙烯酸与淀粉混合均匀，加入水控制物料温度为85℃，保温处理1.5h，使得淀粉糊化，制得糊化物；淀粉为玉米淀粉；丙烯酸、玉米淀粉、水的质量比例为2:1:5；
（3）将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂，接着继续加入N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土，搅拌升温至40℃，再倒入模具中继续升温至55℃，接着保温反应4h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至180目，即得用于盐碱地的土壤保水剂；糊精为环糊精；秸秆粉为玉米秸秆粉碎得到；引发剂为过硫酸铵-亚硫酸氢钠；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；土壤保水剂制备中，糊化物、糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂、交联剂、N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土的质量比例为100: 12:11: 12:18: 4: 2:20。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
对比例3
对比例3与实施例3相比，未添加N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土，制得的土壤保水剂采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
实施例4
（1）先将高岭土原矿粉碎研磨，然后提纯去除杂质，接着与N,N-二甲基丙烯酰胺单体溶液混合，再在常温条件下以180rpm的转速机械搅拌反应22h，利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行直接插层，过滤，得到N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土；N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土制备中， N,N-二甲基丙烯酰胺、高岭土的质量比例为100:15；
（2）先将丙烯酸与淀粉混合均匀，加入水控制物料温度为85℃，保温处理1.5h，使得淀粉糊化，制得糊化物；淀粉为玉米淀粉；丙烯酸、玉米淀粉、水的质量比例为2:1:5；
（3）将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂，接着继续加入N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土，搅拌升温至40℃，再倒入模具中继续升温至55℃，接着保温反应3.5h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至150目，即得用于盐碱地的土壤保水剂；糊精为干糊精；秸秆粉为油菜秸秆粉碎得到；引发剂为过硫酸钾-亚硫酸氢钠；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；土壤保水剂制备中，糊化物、糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂、交联剂、N,N- 二甲基丙烯酰胺插层高岭土的质量比例为100:10:9:10:16:3:1.5:15。
采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
对比例4
对比例4为市售淀粉接枝共聚生产的保水剂，采用实施例1的方法进行测试，测试结果如表1所示。
表1：

Claims (10)

1.一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，其特征在于，所述土壤保水剂是先利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行插层处理，然后加入丙烯酸、淀粉糊化，接着移入反应釜中，在氮气氛围下加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂混合反应后粉碎而制得。
2.根据权利要求1所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，其特征在于，所述糊精为干糊精、麦芽糊精、环糊精中的一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，其特征在于，所述秸秆粉为小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、薯类秸秆、油菜秸秆、棉花秸秆、甘蔗秸秆中的一种或两种以上的组合粉碎得到。
5.根据权利要求1所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸铵-亚硫酸氢钠、过硫酸钾-亚硫酸氢钠中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂及制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
7.如权利要求1-6任一权项所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂的制备方法，其特征在于，具体制备方法如下：
（1）先将高岭土原矿粉碎研磨至粒度为5-20μm，然后提纯去除杂质，接着与N,N-二甲基丙烯酰胺单体溶液混合，再在常温条件下以150-200rpm的转速机械搅拌反应20-25h，利用N,N-二甲基丙烯酰胺对高岭土进行直接插层，过滤，得到N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土；
（2）先将丙烯酸与淀粉混合均匀，加入水控制物料温度为75-90℃，保温处理0.5-2h，得到糊化物；
（3）将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂和交联剂，接着继续加入N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土，搅拌升温至40℃，再倒入模具中继续升温至55℃，接着保温反应3-4h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至120-180目，即得用于盐碱地的土壤保水剂。
8.根据权利要求7所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土制备中， N,N-二甲基丙烯酰胺、高岭土的质量比例为100:5-20。
9.根据权利要求7所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述糊化物制备中，丙烯酸、淀粉、水的质量比例为2:1：5。
10.根据权利要求7所述的一种用于盐碱地的土壤保水剂的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述土壤保水剂制备中，糊化物、糊精、秸秆粉、玉米皮、硅藻土、引发剂、交联剂、N,N-二甲基丙烯酰胺插层高岭土的质量比例为100:8-12:6-11:7-12:11-18:2-4:1-2:10-20。
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