CN115521527B - 一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆及其制备方法，具备长寿命、耐高辐照剂量、耐设计基准事故、耐长期化学溶液浸没、耐高能管道破口事故冲击、耐氢气燃爆事故冲击，在事故工况和事故后工况下可保持信号传输功能等特点，具体方案如下：一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆及其制备方法，包括绝缘层，所述绝缘层包括内绝缘层，所述内绝缘层的材料为耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料，所述耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料包括如下重量份原材料：高密度聚乙烯40～60份、马来酸酐接枝POE 40～60份、含Si C的改性酚醛树脂10～30份、多官能团交联剂0.5‑5份、负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂5‑10份、耐高温抗氧剂1～3份、润滑剂0.5～2份。

Description

一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，尤其是一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆及其制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
安全壳内安全相关电缆是核电站最重要的电气设备之一，被国际原子能机构IAEA定义为极难更换物项，是维系核电站正常运行、延寿使用、安全停堆的重要设备。
第三代先进压水堆核电机组的安全壳内安全相关电缆使用工况严苛，其主要设计要求包括：设计寿命不低于正常运行导体温度90℃60年，核电站全寿期不更换电缆，在事故工况下耐受高温高压环境(最高约260℃、最高450kPa，持续时间约58自然日)、耐受高强辐射环境(2300kGy)、耐受化学溶剂长期喷淋与浸没等。与此同时，电缆仍需满足低烟、无卤、阻燃、低毒等要求。
目前，市场上的核电站测量电缆主要适用于短期事故工况(最高150℃、持续时间约30自然日)和较高辐射环境(1500kGy)。现有市场产品在耐事故能力、抗辐照能力、耐受化学溶剂长期喷淋与浸没性能等方面达不到第三代核电站严酷环境的使用需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆及其制备方法，具备耐高辐照剂量、耐设计基准事故、耐长期化学溶液浸没、在事故工况和事故后工况下可保持信号传输功能等特点。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆，其特征在于，包括绝缘层，所述绝缘层包括内绝缘层，所述内绝缘层的材料为耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料，所述耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料包括如下重量份原材料：高密度聚乙烯40～60份、马来酸酐接枝POE 40～60份、含SiC的改性酚醛树脂10～30份、多官能团交联剂0.5-5份、负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂5-10份、耐高温抗氧剂1～3份、润滑剂0.5～2份。
本发明核电站电缆用内绝缘材料选用负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂是将纳米颗粒抗辐照剂与片层抗辐照剂通过水热法或共沉淀法杂化在一起，起到1+1>2的抗辐照效果；本发明将高抗辐照性能的负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂插层到聚烯烃材料之中，使负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂达到高度均匀的分散状态，分散在内绝缘基材之中，更有利于发挥片层抗辐照剂的片层阻隔辐照射线的效果，提高核电站内绝缘材料的抗辐照性能。
抗氧化性能：其中负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂有利于在高温热老化的时候，发挥纳米片层的迷宫效应和片层阻隔效应，减缓抗氧剂的迁移速率和延长迁移路径，进一步减缓抗氧剂的损失速率，并结合耐高温抗氧剂的高效率自由基吸收能力，达到长时间保持优异的抗热老化效果，进而提高了电缆的耐高温性能，从而提高了耐设计基准事故能力。
进一步地，所述绝缘层还包括外绝缘层，所述外绝缘层包裹在内绝缘层外侧。
进一步地，所述外绝缘层的材料为耐辐照型低烟无卤阻燃低释热聚烯烃绝缘料，所述外绝缘层包括如下重量份原料：乙烯-醋酸乙烯共聚物40-60份、茂金属线性低密度聚乙烯20-30份、茂金属乙烯-辛烯共聚物20-30份、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物10-20份、纳米氢氧化铝100-220份、聚磷腈微胶囊化阻燃剂40-50份、膨胀型阻燃剂10-20份、多官能团交联剂0.5-5份，润滑剂0.5-2份、负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂5-10份、耐高温抗氧剂0.5-2份、着色剂1-5份。
采用了纳米级膨胀型阻燃剂、乙烯基三(甲氧乙氧基)硅烷改性的纳米镁铝、聚磷腈微胶囊化阻燃剂杂化复合阻燃体系，聚磷腈作为微胶囊的高分子壳层不仅具有保护作用，与外绝缘基体材料还具有良好的界面相容性，可以改善无机类阻燃剂在高分子材料中的分散性和相容性，从而提高外绝缘材料的力学和阻燃等综合性能；壳层的聚磷腈还富含氮、磷阻燃元素，其在燃烧时膨胀形成多孔的膨胀炭层，且壳层聚磷腈与核芯的无机阻燃剂可以发挥协同阻燃的作用，提高阻燃效果；以纳米状态分散在外绝缘材料之中的片层杂化抗辐照剂与负载氧化剂的埃洛石纳米管，可以与聚磷腈微胶囊化阻燃剂进一步发挥多重协同阻燃作用，更进一步提高外绝缘材料的阻燃性能，使得本电缆在事故工况和事故后工况下可保持信号传输功能。
进一步地，所述电缆还包括导体，所述导体外侧绕包烧结聚酰亚胺带内衬层，所述外包裹双层绝缘层。
进一步地，所述导体采用镀镍绞合退火软铜导体，所述导体通过19根镀镍单丝绞合成1+6+12单根绞合结构。
1+6+12绞合结构可提高电缆的柔软度、稳定性，同时能保证导体的圆整性。
进一步地，所述绝缘层外侧设置有金属编织层，所述金属编织层外侧设置有防护套。
进一步地，所述外护套层的材料为抗辐照抗紫外抗低温型低烟无卤阻燃交联型聚烯烃护套料，包括如下重量份原材料：乙烯-醋酸乙烯共聚物30～40份、茂金属线性低密度聚乙烯10～20份、茂金属乙烯－辛烯共聚物20～30份、高苯基含量的硅橡胶20～30份、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物10～20份、纳米氢氧化铝100～220份、微胶囊红磷阻燃剂3～10份、阻燃成壳助剂1-5份、杂化石墨多功能助剂1～2份、润滑剂0.5～2份、耐高温抗氧剂0.5～2份、多官能团交联剂1-3份、着色剂1～5份。
本发明选用高苯基含量的硅橡胶作为基体材料的重要组成部分，高苯基硅橡胶具有优异的抗辐照性能；
本发明杂化石墨烯多功能助剂以层离或插层的状态分散在聚合物基体之中，可以发挥片层阻隔与迷宫效应；将护套材料浸泡在不同的化学介质材料之中，化学介质渗透到护套材料内部路径变长、迁移速率变慢，从而可以提高护套材料的耐介质性能。
本发明选用微胶囊化阻燃剂作为主体阻燃剂，由于高分子壳层的保护作用，可以改善核芯阻燃剂的分散性和相容性，从而提高护套材料的综合性能；壳层材料与核芯阻燃剂在燃烧时可以发挥协同阻燃的作用，进一步提高阻燃剂的阻燃效果；本发明还选用了阻燃成壳助剂，与微胶囊化阻燃剂发挥协同阻燃作用，提高炭层的成壳性能，从而降低火焰蔓延和热释放，提高阻燃性能；以纳米状态分散在护套材料之中的杂化石墨烯多功能助剂，可与微胶囊化阻燃剂进一步发挥多组分协同阻燃作用，进一步提高外绝缘材料的阻燃性能。
本发明将耐高温抗氧剂和负载纳米颗粒抗辐照剂的石墨烯进行接枝杂化制成杂化石墨烯多功能助剂，再以层离或者插层的状态分散在护套材料之中，有利于在高温热老化的时候，发挥纳米片层的迷宫效应和片层阻隔效应，减缓抗氧剂的迁移速率和延长迁移路径，从而减缓抗氧剂的损失速率和长时间保持优异的热老化效果；杂化石墨烯多功能助剂之中抗氧剂以化学健接枝在石墨烯片层之上，比吸附在埃洛石纳米管之中具有更好的抗迁移性，从而进一步延长抗氧化作用时间，发挥优异的抗老化效果。
一种如上述的耐辐照高柔性抗干扰测量电缆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
镀镍多芯绞合软铜导体，绞合后的导体通过并线模具收束成圆形状，对导体预热，采用导体绕包烧结外包裹双层绝缘层，把绝缘料包裹在导体外，并冷却得到绝缘线芯，把绝缘线芯绞合构成线组，在线组外侧绕包带，采用挤包方式把隔氧层料挤包到绕包带外并冷却，在隔氧层外侧编织金属编织层，采用挤包方式把外护套料挤包到金属编织层外，并冷却得到电缆。
进一步地，镀镍绞合软铜导体后外绕包烧结聚酰亚胺带内衬层，带材宽度1.5mm，采用无缝绕包，搭盖率50％，结合导体耐受温度，烧结温度控制在300℃±20℃。
在绝缘挤出工艺前选用可烧结型的聚酰亚胺包带，导体选用的是耐温等级300℃的27级镀镍铜丝，能够承受聚酰亚胺烧结需要的温度，同时烧结的聚酰亚胺包带整体平滑，不会对绝缘层挤出造成不良的影响。聚酰亚胺有良好的耐温性能和介电性能，在事故工况高温高压护套层、绝缘层保护失效的情况下，聚酰亚胺可作为最后的绝缘屏障，实现事故工况和事故后工况下的传输功能。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明核电站电缆用内绝缘材料选用负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂是将纳米颗粒抗辐照剂与片层抗辐照剂通过水热法或共沉淀法杂化在一起，起到1+1>2的抗辐照效果；本发明将高抗辐照性能的负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂插层到聚烯烃材料之中，使负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂达到高度均匀的分散状态，分散在内绝缘基材之中，更有利于发挥片层抗辐照剂的片层阻隔辐照射线的效果，提高核电站内绝缘材料的抗辐照性能。
2)负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂有利于在高温热老化的时候，发挥纳米片层的迷宫效应和片层阻隔效应，减缓抗氧剂的迁移速率和延长迁移路径，进一步减缓抗氧剂的损失速率，并结合耐高温抗氧剂的高效率自由基吸收能力，达到长时间保持优异的热老化效果。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆的结构示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1、导体、2、绝缘层3、第一绕包带4、第二绕包带5、第三绕包带6、隔氧层7、金属编织层8、外护套。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
实施例一
如图1所示，一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆，其特征是结构为：包括导体1，导体1外绕包烧结聚酰亚胺带内衬层，内衬层外包裹双层绝缘层组成绝缘线芯；绝缘线芯外交织绕包两层绕包带组成多芯绝缘芯，两层绕包带分别为第一绕包带3和第二绕包带4；多芯绝缘芯线径向截面为圆形的缆芯，缆芯外包覆第三绕包带5；采用挤包方式把隔氧层料挤包到绕包缆芯上；第三绕包带外编织金属编织层7；在金属编织层外包覆外护套8。
导体采用镀镍(含镍量27％)的镀镍绞合退火软铜导体，采用19根镀镍单丝绞合而成(1+6+12单根绞合结构)，绞合单丝直径0.361mm。导体外绕包烧结聚酰亚胺带内衬层，采用无缝绕包，搭盖率50％，聚酰亚胺带材宽度1.5mm。
绝缘层是双层绝缘层，内绝缘层为纯净交联聚乙烯材料，外层为全温域掺杂阻燃交联聚烯烃。
具体的，所述内绝缘层的材料为耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料，所述耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料包括如下重量份原材料：高密度聚乙烯40～60份、马来酸酐接枝POE40～60份、含SiC的改性酚醛树脂10～30份、多官能团交联剂0.5-5份、负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂5-10份、耐高温抗氧剂1～3份、润滑剂0.5～2份。
负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂是将纳米颗粒抗辐照剂与片层抗辐照剂通过水热法或共沉淀法杂化在一起。
所述外绝缘层的材料为耐辐照型低烟无卤阻燃低释热聚烯烃绝缘料，所述外绝缘层包括如下重量份原料：乙烯-醋酸乙烯共聚物40-60份、茂金属线性低密度聚乙烯20-30份、茂金属乙烯-辛烯共聚物20-30份、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物10-20份、纳米氢氧化铝100-220份、聚磷腈微胶囊化阻燃剂40-50份、膨胀型阻燃剂10-20份、多官能团交联剂0.5-5份，润滑剂0.5-2份、负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂5-10份、耐高温抗氧剂0.5-2份、着色剂1-5份。
绕包带的材质均为聚酰亚胺带，带材宽度为4mm，搭盖率的平均值不小于15％。
外护套层的材料为抗辐照抗紫外抗低温型低烟无卤阻燃交联型聚烯烃护套料，包括如下重量份原材料：乙烯-醋酸乙烯共聚物30～40份、茂金属线性低密度聚乙烯10～20份、茂金属乙烯－辛烯共聚物20～30份、高苯基含量的硅橡胶20～30份、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物10～20份、纳米氢氧化铝100～220份、微胶囊红磷阻燃剂3～10份、阻燃成壳助剂1-5份、杂化石墨多功能助剂1～2份、润滑剂0.5～2份、耐高温抗氧剂0.5～2份、多官能团交联剂1-3份、着色剂1～5份。
金属编织层是屏蔽层采用绕包一层铜塑复合带+编织金属编织层。
在绝缘、组绞、成缆后使用聚酰亚胺带交织绕包工艺，在成缆后使用高氧指数低烟无卤阻燃型隔氧层进行压力和温度进行隔离。总绞合节距35～40mm，内层为铜塑复合带、外层为镀锡铜丝编织包覆。导体结构采用小导体线径、多层绞合，采用总屏蔽设计以达到减径效果。保证电缆在安全壳内严酷的运行工况，满足绝缘电阻≥0.3MΩΩkm；工作电容≤81pF/m，电容不平衡≤43pF/250m，L/R≤19μH/Ω。
实施例二
一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆，包括步骤：
1)对于任一导体，由镀镍多芯绞合软铜导体；每股绞合导体的金属单丝自内而外分为多层；每层金属单丝中的相邻两根金属单丝相互紧密贴合；相邻两层金属单丝中，内、外层金属单丝紧密贴合；绞合后的导体通过并线模具收束成圆形状。
2)采用高频电磁感应导体预热器，对连续生产的产品进行导体预热，确保导体在进模口时恒定在80±5℃，该设备采用前置外径测试仪联动高频电磁感应导体预热器，可根据不同的导体的外径实时调整高频电磁感应导体预热器的功率，实现该功能。
3)导体外采用无缝绕包工艺，搭盖率50％，采用1.5mm聚酰亚胺带；
4)采用导体绕包烧结外包裹双层绝缘层，内层为纯净交联聚乙烯材料，外层为全温域掺杂阻燃交联聚烯烃，把绝缘料包裹在导体外，并冷却：
针对不同截面挤出设备及挤出工艺温度也不同，挤塑机自入料到出料，各段温度要求为：
第一组：
内层：170±30℃、175±30℃、180±30℃、185±30℃、190±30℃、190±30℃、190±30℃、190±30℃
外层：100±30℃、125±30℃、135±30℃、145±30℃、155±30℃、165±30℃、175±30℃、175±30℃、175±30℃
第二组：
内层：170±30℃、175±30℃、180±30℃、185±30℃、190±30℃、190±30℃、195±30℃
外层：100±30℃、145±30℃、155±30℃、165±30℃、175±30℃、180±30℃、180±30℃
冷却时采用分断冷却，按照电缆生产前进方向，第一段冷却水槽内冷却水温度为50～70℃，第二段冷却水槽内冷却水为常温。
4)把通过步骤1)、2)、3)制得的2芯、3芯和4芯相同的绝缘线芯绞合构成线组，控制组绞节距再35～40mm以内，相邻线组节距的控制5mm节距差，确保信号不互相干扰，数据传输可靠；
5)把通过步骤4)制得的线组绞合构成缆芯，控制成缆节距小于16倍的成缆外径，本工艺使得电缆柔软，更满足仪表电缆实际接线的需求；
6)绕包带：绕包带的搭盖率的平均值不小于15％。
7)采用挤包方式把隔氧层料挤包到绕包带外，并冷却；隔氧层料采用聚乙烯和云母带。
挤塑机自入料到出料，各段温度要求为：90±30℃、125±30℃、135±30℃、145±30℃、155±30℃、160±30℃、160±30℃，第一段冷却水槽内冷却水温度为常温，第二段冷却水槽内冷却水温度为常温。
8)编织金属编织层：绕包一层铜塑复合带+编织金属编织层；一层铜塑复合带的搭盖率的平均值不小于25％，铜面朝外，编织金属编织层采用直径为0.12mm至0.25mm镀锡圆铜线，编织时铜面与编织层紧密相靠，编织密度控制≥80％以上，调整编织节距，严格控制编织角度在30°～60°。
9)采用挤包方式把外护套料挤包到金属编织层外，并冷却；
挤塑机自入料到出料，各段温度要求为：90±30℃、125±30℃、135±30℃、145±30℃、155±30℃、160±30℃、160±30℃，第一段冷却水槽内冷却水温度为常温，第二段冷却水槽内冷却水温度为常温。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种耐辐照高柔性抗干扰测量电缆，其特征在于，包括绝缘层，所述绝缘层包括内绝缘层，所述内绝缘层的材料为耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料，所述耐辐照型低烟无卤聚烯烃绝缘料包括如下重量份原材料：高密度聚乙烯40～60份、马来酸酐接枝POE 40～60份、含SiC的改性酚醛树脂10～30份、多官能团交联剂0.5-5份、负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂5-10份、耐高温抗氧剂1～3份、润滑剂0.5～2份；
所述电缆还包括导体，所述导体外侧绕包烧结聚酰亚胺带内衬层，所述导体绕包烧结外包裹双层绝缘层；
所述导体采用镀镍绞合退火软铜导体，所述导体通过19根镀镍单丝绞合成1+6+12单根绞合结构；
所述绝缘层还包括外绝缘层，所述外绝缘层包裹在内绝缘层外侧；
所述外绝缘层的材料为耐辐照型低烟无卤阻燃低释热聚烯烃绝缘料，所述外绝缘层包括如下重量份原料：乙烯-醋酸乙烯共聚物40-60份、茂金属线性低密度聚乙烯20-30份、茂金属乙烯-辛烯共聚物20-30份、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物10-20份、纳米氢氧化铝100-220份、聚磷腈微胶囊化阻燃剂40-50份、膨胀型阻燃剂10-20份、多官能团交联剂0.5-5份，润滑剂0.5-2份、负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂5-10份、耐高温抗氧剂0.5-2份、着色剂1-5份；
所述绝缘层外侧设置有金属编织层，所述金属编织层外侧设置有外护套；
所述外护套层的材料为抗辐照抗紫外抗低温型低烟无卤阻燃交联型聚烯烃护套料，包括如下重量份原材料：乙烯-醋酸乙烯共聚物30～40份、茂金属线性低密度聚乙烯10～20份、茂金属乙烯－辛烯共聚物20～30份、高苯基含量的硅橡胶20～30份、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物10～20份、纳米氢氧化铝100～220份、微胶囊红磷阻燃剂3～10份、阻燃成壳助剂1-5份、杂化石墨多功能助剂1～2份、润滑剂0.5～2份、耐高温抗氧剂0.5～2份、多官能团交联剂1-3份、着色剂1～5份；
所述耐辐照高柔性抗干扰测量电缆，具有耐高辐照剂量、耐设计基准事故、耐长期化学溶液浸没、在事故工况和事故后工况下可保持信号传输功能。
2.根据权利要求1所述的耐辐照高柔性抗干扰测量电缆，其特征在于，所述负载纳米颗粒的片层杂化抗辐照剂是将纳米颗粒抗辐照剂与片层抗辐照剂通过水热法或共沉淀法杂化在一起。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的耐辐照高柔性抗干扰测量电缆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
由镀镍多芯绞合软铜导体，绞合后的导体通过并线模具收束成圆形状，对导体预热，采用导体绕包烧结外包裹双层绝缘层，把绝缘料包裹在导体外，并冷却得到绝缘线芯，把绝缘线芯绞合构成线组，在线组外侧绕包带，采用挤包方式把隔氧层料挤包到绕包带外并冷却，在隔氧层外侧编织金属编织层，采用挤包方式把外护套料挤包到金属编织层外，并冷却得到电缆。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，镀镍绞合软铜导体后外绕包烧结聚酰亚胺带内衬层，带材宽度1.5mm，采用无缝绕包，搭盖率50%，结合导体耐受温度，烧结温度控制在300℃±20℃。
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