DE69302587T2 - Wässerige zusammensetzungen für die leimung von papier - Google Patents

Wässerige zusammensetzungen für die leimung von papier

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen synthetischer Cellulose-reaktiver Leimmittel auf Wasserbasis, die Alkylketendimere oder cyclische Dicarbonsäureanhydride sind, wobei die Zusammensetzungen ein amphoteres Polymer und eine Polyaluminiumverbindung enthalten.
  • Alkylketendimere (AKD) und cyclische Dicarbonsäureanhydride, im besonderen Alkenylbernsteinsäureanhydrid (ASA), werden im großem Umfang zur Leimung von Papier und zum Hydrophobieren bei einem neutralen oder alkalischen pH-Wert verwendet. Die Verbindungen sind Cellulose-reaktiv und binden direkt an die Hydroxylgruppen in der Cellulose. Die handelsüblichen Produkte sind in der Regel mit kationischer Stärke stabilisiert, die auch zur Retention des Leimmittels beiträgt. Die getrennte Zugabe von Retentionsmitteln und weiteren Chemikalien zu dem Papierrohstoff wird oft auch zur Erhöhung der Retention und zur Verbesserung der Leimung verwendet. Die Verwendung der Leimmittel in Kombination mit Aluminiumverbindungen ist bekannt. Eine kleine Alaunmenge wird oft, entweder in der Emulsion oder als getrennter Zusatz zur Fasermasse, für ASA-Emulsionen verwendet, um in erster Linie die damit verbundenen Abscheidungsprobleme zu verringern. Die Herstellung von geleimtem Papier durch die Zugabe einer kationischen MW-Dispersion, hoch kationisierter Stärke und eines wasserlöslichen Aluminiumsalzes zur Fasermasse ist in der japanischen Patentanmeldung 84-199900 beschrieben. Aus der deutschen Patentanmeldung 4090740 ist der Einbau einer Polyaluminiumverbindung in Dispersionen aus MW und einem kationischen Dispergiermittel, wie kationischer Stärke, ebenfalls bekannt. Leimzusammensetzungen auf AKD-Basis sind aufgrund der Kosten für das Ketendimer als solches verhältnismäßig teuer, und die Entwicklung zielt daher auf die Herstellung von Dispersionen ab, die die beste Leimung mit der geringsten AKD-Menge ergeben. Forderungen werden natürlich auch hinsichtlich der Stabilität und zufriedenstellender gut trocknender Bestandteile an die Dispersionen als solche gestellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefünden, daß Zusammensetzungen von Ketendimeren oder cyclischen Dicarbonsäureanhydriden auf Wasserbasis, die sowohl ein amphoteres Polymer als auch eine Polyaluminiumverbindung umfassen, eine sehr gute Leimung mit einer geringen Menge des Leimmittels ergeben, da sie flir dieses eine gute Retention aufweisen, und da sie auch zur allgemeinen Retention von Fasern und Füllstoffen und zur Entwässerungswirkung bei der Papierherstellung positiv beitragen. Sie zeigen auch in Gegenwart von Retentions-/Entwässerungssystemen auf der Grundlage anionischer anorganischer Kolloide, wie Kolloide auf Siliciumdioxidbasis, und kationischer Polymere eine gute Wirkung.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft somit wäßrige Zusammensetzungen von Leimmitteln, die hydrophobierende cyclische Dicarbonsäureanhydride oder Alkylketendimere sind, wobei die Zusammensetzungen ein amphoteres Polymer, das amphotere Stärke oder ein amphoteres Polymer auf Acrylamidbasis ist, und eine Polyaluminiumverbindung umfassen.
  • Die zwei Arten von Leimmitteln sind als solche allgemein bekannt. Cyclische Dicarbonsäureanhydride können durch die allgemeine Formel
  • gekennzeichnet werden, in der R&sub2; ein Dimethylen- oder Trimethylenradikal ist, und R&sub1; ein Kohlenwasserstoffrest mit mehr als 7 Kohlenstoffatomen ist und ein Alkyl-, Alkenyl-, Aralkyl- oder ein Aralkenylrest sein kann. Die handelsüblichsten cyclischen Dicarbonsäureanhydride sind Alkyl- und Alkenylbernsteinsäureanhydride (ASA) und im besonderen Isooctadecenylbernsteinsäureanhydrid.
  • Alkylketendimere haben die allgemeine Formel
  • in der R&sub1; und R&sub2; hydrophobe Kohlenwasserstoffreste mit etwa 6 bis etwa 30 Kohlenstoffatomen sind, und die in der Regel Alkylreste mit 12 bis 20 Kohlenstoffatomen, wie eine Hexadecyl- und eine Octadecylgruppe, sind.
  • Das amphotere Polymer in den vorliegenden Zusammensetzungen ist amphotere Stärke oder ein amphoteres Polymer auf Acrylamidbasis. Der Begriff amphoter bedeutet hier Polymere mit sowohl anionischen als auch kationischen Resten. Amphotere Stärke ist bevorzugt, und in dieser können die anionischen Reste zum Beispiel Phosphat-, Phosphonat-, Sulfat-, Sulfonatgruppen oder Carbonsäurereste sein, und sie sind bevorzugt Phosphatgruppen. Die kationischen Reste sind tertiäre Aminoreste oder quartäre Ammoniumreste. Das Verhältnis zwischen der Zahl der anionischen und kationischen Reste in der Stärke kann im Bereich von 0,025:1 bis 90:1 liegen, und liegt bevorzugt im Bereich von 0,4:1 bis 40:1. Eine beliebige Stärke, die diese beiden Arten von Resten enthält, kann verwendet werden, und die Stärke selbst kann somit von Kartoffeln, Mais, Weizen, Tapioka, Reis, Wachsmais etc. abstammen. Die anionischen Reste in der Stärke können nativ sein und/oder durch chemiche Behandlung der Stärke eingeführt werden. Die Verwendung kationisierter Kartoffelstärke ist besonders geeignet, da native Kartoffelstärke eine beträchtliche Menge kovalent gebundener Phosphatmonoesterreste enthält.
  • Das amphotere Polymer kann auch ein Polymer auf Acrylamidbasis sein, das ein wasserlösliches Polymer mit Acrylamid und/oder Methacrylamid als hauptsächlicher Monomereinheit ist. Dieses Polymer kann ein Molekulargewicht von etwa 10000 bis etwa 1500000, geeigneterweise von etwa 300000 bis etwa 800000, aufweisen. Amphotere Polymere auf Acrylamidbasis können durch die Einführung ionischer Reste in ein Polymer mit (Meth)acrylamid als Hauptkomponente hergestellt werden. Kationische Reste können durch verschiedene Verfahren, wie den Hofmann-Abbau und die Mannich-Reaktion, eingeführt werden, und anionische Reste können zum Beispiel durch Hydrolyse oder eine Sulfomethyherungsreaktion eingeführt werden. Ämphotere Polymere auf Acrylamidbasis können auch durch Copolymersiation von (Meth)acrylamid und einem Monomergemisch mit sowohl anionischen als auch kationischen Monomeren hergestellt werden.
  • In den vorliegenden Zusammensetzungen sind sowohl ein amphoteres Polymer als auch eine Polyaluminiumverbindung enthalten. Man glaubt, daß zwischen den anionischen Resten in dem amphoteren Polymer und den Polyaluminiumverbindungen eine bestimmte Wechselwirkung besteht, die zu einer guten Stabilisierung der Zusammensetzungen und einer guten Retention des Leimmittels in der Fasermasse beiträgt.
  • Ketendimere sind bevorzugte Leimmittel. Wäßrige MW-Dispersionen, die sowohl ein amphoteres Polymer als auch eine Polyaluminiumverbindung umfassen, ergeben mit einer geringen MW-Menge eine sehr gute Leimung, und die Dispersionen weisen ferner eine zufriedenstellende Stabilität auf und können mit ausreichend gut trocknenden Bestandteilen für handelsübliche Produkte hergestellt werden. Die Dispersionen weisen auch eine gute Wirkung in Gegenwart von Retentions-/Entwässerungssystemen auf, die auf Kombinationen aus anionischen anorganischen Kolloiden, wie Kolloiden auf Siliciumdioxidbasis, und kationischen Polymeren beruhen. Offensichtlich können die Dispersionen als solche auch zu einer Verbesserung der Entwässerung und der allgemeinen Retention von Fasern und gegebenenfalls Füllstoffen beitragen.
  • Polyaluminiumverbindungen beruhen auf Aluminium, Hydroxylgruppen und Anionen, werden als basisch bezeichnet und liegen in wäßrigen Lösungen als mehrkernige Komplexe vor. Polyaluminiumverbindungen, wie Polyaluminiumchlorid und Polyaluminiumchlorid enthaltendes Sulfat, sind selbst allgemein bekannte Verbindungen und wurden im Zusammenhang mit Papier unter anderem bei der Harz-Leimung zur Fixierung des Harzes bei der Bildung eines Aluminium-Harz-Komplexes verwendet.
  • Als Beispiele geeigneter Verbindungen können Polyaluminiumverbindungen der allgemeinen Formel
  • Aln(OH)mX3n-m
  • erwähnt werden, in der X ein negatives Ion, wie Chlorid oder Acetat, ist, und sowohl n als auch m positive ganze Zahlen sind, so daß 3n-m größer als 0 ist. Bevorzugt ist X Cl&supmin;, und diese Polyaluminiumverbindungen sind als Polyaluminiumchloride (PAC) bekannt. Polyaluminiumchloride können auch Anionen aus Schwefelsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure, Chromsäure, Dichromsäure, Kieselsäure, Citronensäure, Carbonsäuren oder Sulfonsäuren enthalten.
  • Die Basizität der Polyaluminiumverbindungen der vorstehend angegebenen Formel ist als das Verhältnis m/3n* 100 definiert. Die Basizität liegt geeigneterweise im Bereich von 10 bis 90 % und bevorzugt im Bereich von 20 bis 85 %.
  • Die geeignetsten Polyaluminiumverbindungen in den vorliegenden Zusammensetzungen sind Polyaluminiumchloride, Polyaluminiumchloride enthaltendes Sulfat und Polyaluminiumsulfate. Als Beispiele von Polyaluminiumsulfaten können die der Formel [Al(OH)x(SO&sub4;)y(H&sub2;O)z]n, in der x einen Wert von 1,5 bis 2,0, y einen Wert von 0,5 bis 0,75 aufweist, x+2y=3 und z=1,5-4, geeigneterweise 1,5-3,0, ist, erwähnt werden. Der Begriff Polyaluminiumverbindungen umfaßt hier auch Gemische und Cokondensate kationischer Dicyandiamidharze und Polyaluminiumverbindungen. Diese Produkte sind in der europäischen Patentanmeldung 320986 offenbart.
  • Ein Beispiel einer im Handel erhältlichen Polyaluminiumverbindung ist das von Eka Nobel AB in Schweden hergestellte und verkaufte Ekoflock. In diesem Fall beträgt die Basizität etwa 25 % und der Sulfat- und Aluminiumgehalt beträgt etwa 1,5 beziehungsweise 10 Gew. -%, wobei der Aluminiumgehalt als Al&sub2;O&sub3; berechnet wird. In wäßrigen Lösungen ist der vorherrschende Komplex Al&sub3;(OH)&sub4;&sup5;&spplus;, der bei einer schwächeren oder stärkeren Verdunnung in Al&sub1;&sub3;O&sub4;(OH)&sub2;&sub4;&sup7;&spplus; umgewandelt wird.
  • Weitere Beispiele von im Handel erhältlichen Verbindungen sind das Sulfat-freie Sachtoklar , das von Sachtleben Chemie in Deutschland verkauft wird, das Sulfat-enthaltende WAC, das von Atochem in Frankreich verkauft wird, die stark basische Polyaluminiumchloridverbindung Locron, die von der Hoechst AG in Deutschland verkauft wird, das Poly(hydroxyaluminium)sulfat Omniklir, das von Omnikem, USA verkauft wird, Niaproof, das ein Aluminiumhydroxyacetat ist, das von Niacet in USA verkauft wird, und Alzofix, das auf Polyaluminiumchlorid und Dicyandiamid beruht und von SKW Trostberg, Deutschland verkauft wird.
  • In den Ketendimerdispersionen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt das amphotere Polymer geeigneterweise in einer Menge von 1 bis 35 Gew. -%, bezogen auf das Ketendimer, vor. Die Menge liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 Gew.-%. Die Polyaluminiumverbindung liegt, bezogen auf das Ketendimer, in einer verhältnismäßig großen, als Al&sub2;O&sub3; berechneten Menge, geeigneterweise in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew. -% vor, und bevorzugt liegt die Menge der Polyaluminiumverbindung im Bereich von 1 bis 6 Gew.-%. Trotz der großen Menge der Aluminiumverbindung zeigen die Dispersionen eine gute Stabilität. Dispersionen gemäß der vorliegenden Erfindung können MW-Gehalte von etwa 5 Gew -% bis etwa 30 Gew.-% aufweisen, und der AKD-Gehalt liegt geeigneterweise im Bereich von 10 bis 20 Gew.-%.
  • Ketendimerdispersionen gemäß der vorliegenden Erfindung können durch Mischen einer wäßrigen Lösung des amphoteren Polymers mit AKD-Wachs bei einer Temperatur von etwa 55ºC bis etwa 95ºC und Homogenisieren bei dieser Temperatur unter einem Druck von etwa 50 bis etwa 500 bar hergestellt werden. Die erhaltene Emulsion, die eine Tropfengröße von etwa 0,3 bis etwa 3 um aufweist, wird anschließend schnell abgekühlt, und die Polyaluminiumverbindung wird geeigneterweise während oder nach dem Abkühlen zugegeben. Zusätzlich zu den drei vorstehend erwähnten wesentlichen Komponenten können auch weitere Komponenten, zum Beispiel anionische oberflächenaktive Mittel, wie Natriumlignosulfonat, Streckmittel, wie Harnstoff und Harnstoffderivate, etc. in die Dispersionen eingetragen werden.
  • Cyclische Dicarbonsäureanhydride, wie ASA, sind bei Raumtemperatur flüssig. In handelsüblichen ASA-Produkten ist in der Regel ein Emulgator vorhanden. Wäßrige Zusammensetzungen aus cyclischen Dicarbonsäureanhydriden sind Emulsionen, und Zusammensetzungen gemäß der Erfindung können durch Mischen des flüssigen Säureanhydrids mit einer Lösung des amphoteren Polymers hergestellt werden, wobei die Polyaluminiumverbindung in der Lösung vorhanden ist. Die Lösung sollte bei einer Temperatur von etwa 20ºC gehalten werden. Zusammensetzungen cyclischer Dicarbonsäureanhydride gemäß der Erfindung enthalten geeigneterweise das Säureanhydrid und das amphotere Polymer in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 bis 1:4, Die Polyaluminiumverbindung ist, bezogen auf das cyclische Dicarbonsäureanhydrid, in einer entsprechenden Menge vorhanden, wie sie flir die Ketendimerdispersionen angegeben ist. ASA-Emulsionen werden normalerweise in der Papiermühle in direkter Verbindung mit ihrer Verwendung als Leimmittel bei der Papierherstellung hergestellt. Säureanhydridmengen von etwa 0,1 bis 5 Gew.-% sind dann allgemein üblich.
  • Die Zusammensetzungen gemäß der Erfindung werden auf herkömmliche Art bei der Papierherstellung verwendet. Sie können sowohl zur Oberflächenleimung als auch zur Masseleimung bei der Herstellung von Papier, Pappe und Karton verwendet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Papierherstellung unter Verwendung wäßriger Zusammensetzungen cyclischer Dicarbonsäureanhydride oder Alkylketendimere, die ein amphoteres Polymer und eine Polyaluminiumverbindung, wie vorstehend beschrieben, als Oberflächen- oder Masseleimmittel enthalten. Bei der Masseleimung wird die Zusammensetzung geeigneterweise zu einer Menge von AKD oder cyclischem Dicarbonsäureanhydrid von 0,2 bis 8 kg/Tonne Trockengehalt des Papierrohstoffes, d.h. der Fasern und Füllstoffe nach Wahl, gegeben, wobei die Dosierung hauptsächlich von der Papierqualität abhängt.
  • Die Erfindung wird in den nachstehenden Beispielen weiter veranschaulicht, die sie jedoch nicht einschränken sollen. Teile und Prozente sind auf Gewichtsteile beziehungsweise Gewichtsprozente bezogen, wenn es nicht anders angegeben ist.
  • Beispiel 1
  • Ketendimerdispersionen gemäß der Erfindung wurden wie folgt hergestellt: 70 g Kartoffelstärke, die zu einem Substitutionsgrad von 0,042 kationisiert wurde, wurden mit 450 g MW-Wachs und etwa 2340 g Wasser, das 15 g Natriumlignosulfonat enthielt, bei einer Temperatur von 75ºC gemischt, und das Gemisch wurde bei dieser Temperatur unter einem Druck von 200 bar homogenisiert und schnell abgekühlt. Während des Abkühlens wurde eine Polyaluminiumverbindung zugegeben. Für die Dispersion 1a) wurden 120 g eines Polyaluminiumchlorid enthaltenden Sulfats, Ekoflock von Eka Nobel AB zugegeben. Für die Dispersion 1b) wurden 168 g eines Polyaluminiumsulfats, Omniklir von OmrüKem, USA, zugegeben, die 2,8 Prozent Al&sub2;O&sub3; entsprechen. Für die Dispersion 1c) wurden 150 g Alzofix P (Dicyandiamid-Polyaluminium-Kondensat) von SKW Trostberg, Deutschland zugegeben, die 2,8 Prozent Al&sub2;O&sub3; entsprechen.
  • Beispiel 2
  • Papierblätter wurden aus Standardfasermasse aus gebleichter Sulfatpulpe (48 % Birke, 32 % Pinie und 20 % Calciumcarbonat) bei einem pH-Wert von 8,0 gemäß dem Standardverfahren SCAN-C23X für den Labormaßstab hergestellt. In der nachstehenden Tabelle sind die gemäß dem Tappi- Standard T 441 OS-63 gemessenen Cobb-Werte gezeigt. In diesen Versuchen wurde die Dispersion 1a) gemäß der Erfindung mit einer Dispersion, Ref, verglichen, die kationische Wachsmaisstärke und dieselbe Polyaluminiumverbindung wie die Dispersion 1a) enthielt, und in der die Stärke und die Polyaluminiumverbindung in derselben Menge wie in der Dispersion 1a) vorlagen. Dispersion Nr.
  • Offensichtlich sind MW-Dispersionen mit einer Polyaluminiumverbindung, in denen die Stärke amphoter ist, deutlich wirksamer als Produkte, in denen die Stärke nur kationische Reste enthält.
  • Beispiel 3
  • Die Leimungswirkung der Dispersionen 1b) und 1c) wurde auf dieselbe Art wie in Beispiel 2 untersucht, und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten: Dispersion Nr.
  • Beispiel 4
  • In diesem Beispiel wurden die Kantenimprägnierungswerte für eine 35 %ige H&sub2;O&sub2;- Lösung durch einen sogenannten Kantentest nach Wick untersucht. Die Versuche wurden an Fasermasse aus 100 %iger CTMP-Pulpe durchgeführt, aus dem Papier mit einem Grundgewicht von 150 g/m² bei einem pH-Wert von 7,6 hergestellt wurde. In allen Versuchen wurden Alaun, Naßfestleim aus Polyamidoamin und ein Entwässerungs-Retentions-System auf der Grundlage von Siliciumdioxidsol und kationischer Stärke getrennt von der AKD-Dispersion zu dem Papierrohstoff gegeben. Die Dispersion 1a) gemäß der Erflndung wurde mit einer AKD- Standarddispersion, die kationische Wachsmaisstärke enthielt, Ref 1, und auch mit einer Dispersion, die 1a) entsprach, jedoch keine Polyaluminiumverbindung enthielt, Ref 2, verglichen. Dispersion Nr. Ref.
  • Offensichtlich ergeben die Dispersionen gemäß der Erfindung, verglichen mit einem Standardprodukt, in dieser Hinsicht eine deutlich verbesserte Leimung. Es ist auch offensichtlich, daß diese Wirkung nicht nur von der Art der Stärke, sondern auch von der Kombination der amphoteren Stärke und der Polyaluminiumverbindung abhängt.
  • Beispiel 5
  • Für dieselbe Fasermasse, wie vorstehend, wurden in Gegenwart eines handelsüblichen Retentions- und Entwässerungssystems, Compozil , das ein anorganisches Siliciumdioxidsol (Si-Sol) und kationische Stärke (CS) umfaßt, die getrennt zur Fasermasse gegeben werden, Entwässerungsversuche durchgeführt. Die Versuche wurden unter Verwendung dieses Systems in Gegenwart unterschiedlicher Ketendimerdispersionen durchgeführt, und die Entwässerungswirkung wurde mit einem "Canadian Standard Freeness (CSF) Tester" gemessen, der das übliche Verfahren zur Kennzeichnung der Entwässerungs- oder Drainagekapazität gemäß SCAN-C 21:65 darstellt. Für die Kontrolle, Fasermasse ohne Zusatz von entweder dem Retentions-Entwässerungs-System (R-D-System) oder den MW-Dispersionen, betrug die Entwässerungsfähigkeit 310 ml CSF. Versuche wurden mit den Dispersionen 1a) und 1b) gemäß der Erfindung durchgeführt, und sie wurden mit einer Referenzdispersion, einer AKD- Standarddispersion mit kationischer Wachsmaisstärke, verglichen.
  • Dispersion Nr. RD-System Ref.
  • Wie ersichtlich ist, ergeben die Dispersionen gemäß der Erfindung eine Verbesserung der Entwässerungswirkung, während die Referenzdispersion diese leicht verschlechtert.

Claims (10)

1. Wäßrige Zusammensetzungen eines Leimmitteis, das ein cyclisches Dicarbonsäureanhydrid oder ein Alkylketendimer ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein amphoteres Polymer, das amphotere Stärke oder ein Polymer auf der Grundlage eines amphoteren Acrylamids ist, und eine Polyaluminiumverbindung umfassen.
2. Zusammensetzungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das amphotere Polymer amphotere Stärke ist.
3. Zusammensetzungen gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die amphotere Stärke ein Verhältnis von der Zahl der anionischen Gruppen zu der der kationischen Gruppen im Bereich von 0,025:1 bis 90:1 aufweist.
4. Zusammensetzungen gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die amphotere Stärke kationisierte Kartoffelstärke ist.
5. Zusammensetzungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyaluminiumverbindung Polyaluminiumchlorid, Sulfat enthaltendes Polyaluminiumchlorid, Polyaluminiumsulfat oder ein Gemisch oder Cokondensat aus kationischem Dicyandiamidharz und einer Polyaluminiumverbindung ist.
6. Zusammensetzungen gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyaluminiumverbindung in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew. -%, berechnet als Al&sub2;O&sub3; bezogen auf das Leimmittel, vorliegt.
7. Zusammensetzungen gemäß einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leimmittel ein Alkylketendimer ist.
8. Zusammensetzungen gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das amphotere Polymer in einer Menge von 1 bis 35 Gew.-%, bezogen auf das Ketendimer, vorliegt.
9. Zusammensetzungen gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Ketendimers etwa 5 bis etwa 30 Gew.-% beträgt.
10. Verfahren zur Herstellung von Papier, Pappe oder Karton, wobei ein Leimmittel entweder zum Papierrohstoff oder als Oberflächenleimmittel zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Leimmittel eine wäßrige Zusammensetzung nach einem der Anspruche 1 bis 9 verwendet wird.
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