ES2223336T3 - Procedimiento para fabricar carbonato calcico calcitico estable en forma de plaquetas. - Google Patents

Procedimiento para fabricar carbonato calcico calcitico estable en forma de plaquetas.

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ES2223336T3 ES00108224T ES00108224T ES2223336T3 ES 2223336 T3 ES2223336 T3 ES 2223336T3 ES 00108224 T ES00108224 T ES 00108224T ES 00108224 T ES00108224 T ES 00108224T ES 2223336 T3 ES2223336 T3 ES 2223336T3
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Abstract

Procedimiento para fabricar carbonato cálcico calcítico estable en forma de plaquitas con un factor granulométrico de aprox. 0, 5 a 1, 5 um, siguiendo los siguientes pasos: - El hidróxido cálcico en suspensión acuosa se convierte en carbonato cálcico básico con la adición de CO2 y con un aporte de energía de 25 a 200 kW/m3; - en la suspensión se distribuyen agitando como sustancias superficialmente activas uno o varios aditivos del grupo constituido por fosfonatos orgánicamente sustituidos, policarboxilatos o copolímeros de bloque de dobles hidrófilos de 0, 5 a 5% en peso referido al carbonato cálcico; - además de la adición de la sustancia superficialmente activa, se agrega más CO2 a la suspensión para lo cual al comienzo de la gasificación de CO2, se reduce el valor pH de la suspensión a un valor de = 0, 04 unidades pH/min, y - se filtra el carbonato cálcico calcítico así formado.

Description

Procedimiento para fabricar carbonato cálcico calcítico estable en forma de plaquetas.
La invención se refiere a un procedimiento para fabricar carbonato cálcico calcítico estable en forma de plaquitas con un factor granulométrico de aproximadamente 0,5 a 1 y un diámetro medio de las partículas de 0,5 a 1,5 um. al carbonato cálcico obtenido a partir del mismo, así como a su utilización.
El carbonato cálcico se fabrica industrialmente por molturación de caliza o, preferentemente, mediante la transformación de una suspensión acuosa de hidróxido cálcico con un dióxido de carbono que contenga gas. La morfología del carbonato cálcico natural es irregular y la distribución por tamaño de las partículas dentro de una a ciento cincuenta micras. El carbonato cálcico precipitado se presenta, en función de las condiciones de fabricación como, por ej. concentración de la suspensión de hidróxido cálcico, temperatura, clase y forma de la reacción, presencia de aditivos, etc. con un aspecto diferente (romboédrico, escalonédrico, prismático, en barras y esferas), con un tamaño de las partículas de 0,02 a varias micras.
El carbonato cálcico se utiliza para fabricar papel, pinturas de dispersión, cosméticos, etc, en forma de material de relleno o pigmento. El consumo de tales sustancias de relleno y pigmentos para pintura está aumentando constantemente en Europa y así, en los últimos años, el empleo de carbonato cálcico precipitado como pigmento para pintura económico, ha permitido en muchos casos nuevas posibilidades de obtener calidades de pintura elevadas, en comparación con el caolín o con el caolín calcinado. Además, los caolines ultrafinos y calcinados, la mayoría de los cuales tiene un tamaño inferior a 1 um, han encontrado una amplia difusión cono productos de relleno de pinturas y lacas. Tales sustancias, como consecuencia de sus partículas extraordinariamente finas y de su estructura en forma de plaquitas, incrementa la capacidad de cobertura y permiten un elevado grado de brillo de las pinturas.
Por este motivo, para posibilitar tales aplicaciones, tiene especial interés durante la fabricación del carbonato cálcico alcanzar la estructura en forma de plaquitas y la finura de las partículas de los caolines citados.
Según las conclusiones de la patente EP 429 707, el carbonato cálcico básico se obtiene carbonatizando una suspensión acuosa de hidróxido cálcico mediante la adición de CO_{2}, manteniendo unas temperaturas definidas de la suspensión en la escala de 2 a 50ºC y terminando la carbonatización con una relación molar calcio-carbonato de 3:2 o de 6:5. Este conocido procedimiento puede emplearse mediante la utilización adicional de un material inoculable y de compuestos de ácido fosfórico para obtener calcita en forma de plaquitas. El carbonato cálcico en plaquitas obtenido por este procedimiento no presenta una forma de los cristales suficiente según se desprende de las tomas electromicroscópicas y de otros datos de la patente.
Por la patente JP-2 184 519 se conoce un procedimiento en el que, en una suspensión de hidróxido cálcico con una concentración determinada, se agrega dióxido de carbono con una velocidad de circulación determinada, adicionándose, luego de una adición continúa durante diez minutos de dióxido de carbono, un compuesto de ácido fosfonático orgánico. El dióxido carbónico se sigue agregando hasta la carbonatización completa. Después de filtrar y secar el producto, se obtienen unas partículas gruesas en forma de plaquitas de carbonato cálcico de un diámetro de 1 a 2 y un espesor de 0,1-0,2 um. Aparte de este tamaño del grano relativamente grande, no se obtiene producto alguno que reúna las condiciones de finura antes señaladas.
Las descripciones de estos documentos no facilitan información para la fabricación de carbonato cálcico calcítico estable, en forma de plaquitas y finamente dividido, especialmente con un factor granulométrico inferior a 1 y con un diámetro medio de las partículas inferior a 1,5 um. Dado el nivel actual de la técnica, no se conoce procedimiento alguno para fabricar en gran escala técnica carbonato cálcico calcítico de estructura en forma de plaquitas y con un diámetro medio de las partículas inferior a 1 um.
La finalidad de la invención es la de ofrecer un carbonato cálcico particulado, en forma de plaquitas y precipitado de estructura calcítica, del tipo mencionado al principio. Otra finalidad de la presente invención es la de presentar métodos de fabricación de este carbonato cálcico.
Este problema se resuelve con el procedimiento inventado, transformando en carbonato cálcico básico el hidróxido cálcico en suspensión acuosa mediante la adición de CO_{2} y con un aporte energético de aproximadamente 25 a 20ºkW/m^{3} de la suspensión, distribuyendo con agitación en la suspensión, como sustancias superficialmente activas uno o varios aditivos del grupo formado por fosfonatos orgánicamente sustituidos, policarboxilatos o copolímeros de bloque hidrófilos dobles de 0,5 a 5% en peso referidos al carbonato cálcico, agregando, además, a la suspensión luego de la adición de sustancias superficialmente activas, CO_{2} y filtrando el carbonato cálcico calcítico así formado.
Con el procedimiento inventado se lleva a cabo inicialmente una carbonización de una suspensión acuosa de hidróxido cálcilo con dióxido de carbono y, en esta primera fase, se precipita carbonato cálcico básico. Acto seguido o posteriormente, se recarboniza lentamente la suspensión obtenida; es decir, se estabiliza el carbonato cálcico básico en presencia de diversos aditivos superficialmente activos para obtener calcita particulada. Según se explicará más adelante, alternativamente, también es posible obtener un producto comparable mediante el secado del carbonato cálcico básico estabilizado en condiciones controladas. Teniendo en cuenta la calidad que se desea; es decir, configuración en plaquitas, un factor granulométrico determinado y un diámetro medio de las partículas también determinado, se consiguen unos valores especialmente satisfactorios cuando, como consecuencia de otra característica de la invención, se lleva a cabo la transformación del hidróxido cálcico en carbonato cálcico básico a una temperatura de \leq 15ºC. Lo mismo se aplica cuando la transformación del hidróxido cálcico en carbonato cálcico básico se lleva a cabo a una temperatura de 15-20ºC con adición de un compuesto de calcio, por ejemplo polifosfatos, fosfonatos, ácidos hidroxicarbónicos, sacarosa o glutamato de aproximadamente 0,01 a 1% en peso referido al contenido en CaO de la suspensión de hidróxido cálcico.
Una forma de realización especialmente preferida del procedimiento inventado radica en que la adición relativamente lenta de más CO_{2} que se pretende se efectúe de una manera en la que el valor pH de la suspensión se reduzca al principio de la gasificación con más CO_{2}, a un valor de \leq 0,04 pH-unidades/min.
Con un procedimiento parecido al descrito se obtiene también carbonato cálcico calcítico si se renuncia a la adición relativamente lenta de CO_{2} a la suspensión y en su lugar se filtra y se seca el carbonato cálcico formado. Este producto resulta también apropiado como consecuencia de su aspecto en forma de plaquitas y por el factor granulométrico a que se aspira, así como por su diámetro medio de las partículas. El secado del carbonato cálcico filtrado se efectúa preferentemente según la invención, a unos 150ºC en atmósfera de CO_{2}saturada de H_{2}O.
Generalmente, puede decirse en cuanto al desarrollo de la presente invención, que las partículas de carbonato cálcico precipitado que se diferencian, en cuanto a tamaño de los gránulos y a propiedades, de los productos conocidos hasta ahora, pueden obtenerse mediante la adición de CO_{2} a una suspensión acuosa de carbonato cálcico básico (BCC) como producto de fase previa en condiciones definidas.
Según hemos dicho ya, el carbonato cálcico básico puede fabricarse por diferentes procedimientos conocidos. Preferentemente, el BCC de un diámetro hasta 3 um aprox. y un grosor de los granos hasta 0,5 um aprox., se obtiene mediante la carbonatización parcial de la suspensión de hidróxido cálcico en una escala de temperaturas de 0 a 20ºC, preferentemente, de 10 a 15ºC. El CO_{2} se dosifica preferentemente en una suspensión acuosa de hidróxido cálcico con una velocidad de circulación de 0,06 a 0,40 dm^{3} CO_{2}/h/g CaO hasta que ha reaccionado con el CO_{2} del 60 al 70% del hidróxido cálcico de la lechada de cal. En función de las condiciones de la precipitación (cantidad de CO_{2}, temperatura) de la lechada de cal, se agregan diversos formadores de compuesto de Ca y otros compuestos químicos (por ej. polifosfato sódico) en una concentración de 0,01 a 1% en peso referida al contenido en CaO. La concentración de la suspensión de hidróxido cálcico se mueve en la zona de 30 a 150g de CaO/dm^{3} convertida, preferentemente de 40 a 70 g CaO/dm^{3}. La carbonatización se efectúa con CO_{2} gaseoso o con una mezcla gaseosa que, además, de CO_{2} no contenga otros gases que reaccionen con el hidróxido cálcico (por ejemplo, aire o nitrógeno). Al respecto, las mezclas gaseosas contienen más del 10% de CO_{2}, preferentemente 20%. Los calores de la reacción se evacuan al principio del proceso o durante la formación de BCC amorfo.
El final del período de formación de BCC se caracteriza por una disminución brusca de la conductividad, que es superior a 0,5 mS/cm/min. En este momento se interrumpe la carbonatización según la invención y se estabiliza el carbonato cálcico básico obtenido mediante aditivos superficialmente activos, como por ej. fosfonato orgánicamente sustituido, policarboxilato o copolímeros de bloque de hidrófilo doble, los cuales se agregan con una proporción de aproximadamente 0,5 a 5% en peso, especialmente de 1-2% en peso referido al contenido en CaCO_{3} de la suspensión de hidróxido cálcico. Al efecto, están indicados, por ej.aminotri(ácido metilenfosfónico), l-hidroxietilen-(1.1-ácido difosfónico), etilendiamin-tetra(ácido metilenfosfónico), hexametilendiamin-tetra-ácido metilenfosfónico), dietilentriamin-penta-(ácido metilenfosfónico), etc, así como sus sales solubles. Estos compuestos son conocidos como medios de secuestro multifuncionales de iones metálicos e inhibidores de piedras. En lugar de un fosfonato orgánico pueden emplearse también diversos homopolímeros bajomoleculares del ácido acrílico (peso molecular de 1000 a 10000) o sus correspondientes formas salinas, así como otros compuestos de efecto parecido.
La presencia de fosfonatos orgánicamente sustituidos representa un papel muy importante en el proceso de recarbonatización. En presencia de polifosfonatos, el carbonato cálcico básico de la suspensión demuestra durante el proceso de recarbonatización (excepcionalmente) mucha resistencia contra la deformación de los cristales, circunstancia que se atribuye a la fijación firme pasar de los cristales por absorción de las grandes moléculas de fosfonato. Así, dichos cristales pueden a la forma calcítica durante la instalación de grupos de CO_{3} en la retícula del cristal sin que se produzca una modificación del aspecto del cristal. Una precipitación en la zona de menos de 1% en peso de polifosfonato, referida al producto CaCO_{3}, conduce a una distribución bimodal del tamaño de las partículas caracterizada por grandes aglomerados irregulares y partículas alargadas, que se originan durante la precipitación. Si no hay aditivos en la suspensión, se constituyen partículas de forma cristalina prismática.
Minuciosas investigaciones sobre el desarrollo del procedimiento han demostrado que variando las condiciones de la precipitación como, por ejemplo, caudales de gas o, especialmente, hidrodinámica del sistema, es posible fabricar productos con tamaños de partículas medios diferentes (diámetro medio de las partículas de aprox. 0,5 a 1,5 um). Así, se ha observado que con una mayor potencia accionadora, se obtiene un producto con menor tamaño del grano. Esto demuestra una considerable influencia de la aplicación de energía al proceso de absorción de gas durante el cual es especialmente importante conseguir entre el gas disperso y el líquido una transición de sustancia lo más elevada posible. La energía aplicada produce, en forma de esfuerzos de cortadura laminares y turbulentos, la necesaria disgregación de burbujas gaseosas. De esta manera, se influye en el diámetro de las burbujas gaseosas generadas; es decir, en la superficie específica del limite de las fases, así como en el coeficiente de la película del líquido. Las burbujas grandes ascienden rápidamente hacia la superficie del líquido a través de la lechada de cal sin contribuir a la transición de sustancia mientras que las burbujas pequeñas con gran tiempo de permanencia se empobrecen en gas reaccionador, con lo que mejora esencialmente la fracción de burbujas medias en la transición de sustancia. Al aumentar el aporte de energía disminuye el diámetro de las burbujas conque la proporción de absorción viene determinada cada vez más claramente por los fenómenos de la transición de sustancia. Esto, puede conducir a elevadas hipersaturaciones locales o a una elevada proporción de formación de gérmenes. Según la invención, con un aporte energético de 25 kW/m^{3}, se obtiene un producto con un tamaño del grano de alrededor de 0,7 um.
Además, las minuciosas investigaciones sobre el desarrollo del procedimiento han demostrado que con la lenta recarbonatización controlada de la suspensión antes citada o durante la disgregación del carbonato cálcico básico se mantiene la forma cristalina de las plaquitas. Para ello, es necesario que al comienzo de la gasificación el valor pH no descienda más de 0,04 pH-unidades/min. Cuando valor pH durante la gasificación desciende más de 0,04 pH-unidades/min no se genera carbonato cálcico calcítico con forma de plaquitas. Para mantener el valor pH existen diversos métodos. Por ejemplo, el aporte del CO_{2} con una circulación gaseosa de 0,01 a 0,5 dm^{3}/h/g CaO, un valor deseable de 0,01 a 0,1 dm^{3}/h/g con variación de las revoluciones del agitador. Estas variables no son críticas y pueden ajustarse empíricamente.
Según la invención, la segunda fase del procedimiento (Recarbonatización de la suspensión de BCC estabilizada) puede llevarse a cabo acto seguido o en cualquier momento. La carbonatización de BCC se efectuará hasta que la mezcla de la transformación se carbonatice cuantitativamente en calcita en forma de plaquitas. Se recomienda terminar este proceso en la zona pH de 7 a 8.
La invención prevé también que pueda fabricarse un producto parecido mediante el secado del BCC estabilizado en condiciones controladas (elevada humedad del aire en una atmósfera de CO_{2}).
El carbonato cálcico en placas obtenido con arreglo a la invención puede utilizarse, por su calidad, sin limitaciones temporales, especialmente para fabricar papel, en la industria de los plásticos, para pintar papel, para pinturas de dispersión etc. Como consecuencia del elevado blanco y del mejor brillo y de la excelente lisura y capilaridad de las superficies obtenidas, supone una ventaja especial el empleo del producto, por ejemplo, en el sector del papel con chorro de
tinta.
Todos los carbonatos cálcicos mencionados y descritos en los ejemplos que siguen se precipitaron a partir de cal Schaefer (Fábrica de Hahnstätten, Alemania) y todas las precipitaciones se llevaron a cabo a escala 10, 100 o 200 dm^{3}.
El factor granulométrico es un parámetro que permite la determinación de la distribución de partículas por tamaños cuyo diámetro se ajuste al diámetro medio de las partículas.
Para calcular el factor granulométrico de un colectivo de partículas, se efectúa primero una determinación de la distribución por tamaño de las mismas, por ejemplo, por medio de un análisis de sedimentación y se representa gráficamente registrando en el eje de la abscisa el diámetro equivalente y en el eje de las ordenadas la proporción de partículas en % de masa. Las características de la finura d_{80%} y d_{20%} se leen en las curvas de las sumas de la distribución del paso y se calcula el factor granulométrico por medio de la siguiente fórmula:
F= 2 d_{80%} - d_{20%}
\hskip0.7cm
d_{80%}+ d_{20%}.
en donde
d_{80%}= diámetro de las partículas en um con 80% de masa,
d_{20%}= diámetro de las partículas en um con 20% de masa.
La invención se detalla a continuación sobre la base de tres ejemplos, aclarando con las correspondientes figuras. Al efecto, muestran:
La fig. 1 una fotografía en microscopio electrónico reticular (toma REM) del producto en forma de plaquita fabricado de acuerdo con el ejemplo 1;
la fig. 2 la distribución por tamaño de las partículas del producto en forma de plaquitas según el ejemplo 1;
la fig. 3 una fotografía por difracción de rayos X del producto según el ejemplo 1;
la fig. 4 una toma REM del producto en forma de plaquita según el ejemplo 2 y
la fig. 5 la distribución por tamaños de partículas del producto en forma de plaquita según el ejemplo 2
Ejemplo 1
En una suspensión de hidrato cálcico con una concentración de 68 g de CaO/dm^{3} se introduce a una temperatura de salida de 15ºC una mezcla de aire-CO_{3} con 20% de CO_{2}, añadiéndose a la suspensión 0,3% de polifosfato sódico referido a CaCO_{3}. El caudal de gas es de 0,35 dm^{3} CO_{2}/h/g CaO y el aporte específico de energía por medio de un agitador asciende a 25 kW/m^{3}. El calor de la reacción se evacua durante la formación amorfa de BCC (principio del proceso). La reacción al carbonato cálcico básico en forma de platica se termina cuando la conductividad de la suspensión desciende a más de 0,5 nS/cm/min. En el momento oportuno se añade a la suspensión 1,3% en peso de etilendiamin-tetra(ácido metilenofosfónico), referido al CaCO_{3} y se agita. La suspensión así obtenida se recarbonatiza en condiciones de gasificación modificadas, continuándose la gasificación mientras en el comienzo de la misma el valor pH no descienda de 0,04 pH-unidades/min. Luego, se agregan agitando suavemente 0,06 dm^{3} de CO_{2}/h/g de CaO. La reacción de la calcita en forma de placa termina cuando se carbonatiza la mezcla de transformación cuantitativamente en calcita en placa en cuyo momento el valor pH oscila entre 7 y 8. El material en placa se filtra, se seca a 105ºC y se moltura. El producto está constituido por partículas aglomeradas sueltas en forma de placa y de un diámetro de 1,2 um y una densidad del grano de 0,1 um. Predominantemente tiene una estructura cristalina calcítica con solo escasos indicios de vaterita determinada con un difractómetro CubiX XRD de la Casa Philips, Holanda y una superficie específica de 13 m^{2}/g determinada con el método BET con un aparato Gemini de la fábrica Micromeritics. La fig.1 muestra la foto REM (Zeiss, DSM 962, Alemania), la fig.2 es la distribución por tamaños de las partículas (Sedigraph 5100) y la fig.3 es un difractograma del producto. El factor granulométrico, determinado con la fórmula actual utilizando los valores tomados de la fig.2, asciende a
0,76.
Ejemplo 2
En este caso se introduce en una suspensión de hidrato cálcico con una concentración de 68 g CaO/dm^{3} una mezclada CO_{2} y aire con 20% de CO_{2}, como se ha descrito en el ejemplo 1, ascendiendo el caudal de gas a 0,24 dm^{3} de CO_{2}/h/g CaO y el aporte específico de energía a 200kW/m^{3}. La recarbonatización se efectúa con 0,0dm^{3} de CO_{2}/h/g CaO, como se ha descrito en el ejemplo 1.Por lo demás se procede como en el ejemplo 1. El producto está constituido por partículas de estructura cristalina calcítica de un diámetro de 0,6 um y un grosor de 0,1 um. La superficie específica asciende a 20m^{2}/g. La fig.4 representa la fotografía REM y la fig.5, la distribución por tamaño de partículas del producto. El factor granulométrico asciende a 0,71.
Ejemplo 3
Se fabrica un polvo de carbonato cálcico con estructura de calcita y aspecto de placa, como se describe en el ejemplo 1. Después de agregar 1,3% en peso de etilendiamin-tetra(ácido metilenfosfónico) referido a CaCO_{3}, se filtra acto seguido el carbonato cálcico básico y se seca en atmósfera de H_{2}O saturada en CO_{2}. El producto final que se presenta puede compararse con el producto descrito en el ejemplo 1. Esto se aplica también a la representación de las figs. 1 a 3.

Claims (8)

1. Procedimiento para fabricar carbonato cálcico calcítico estable en forma de plaquitas con un factor granulométrico de aprox. 0,5 a 1,5 um, siguiendo los siguientes pasos:
- El hidróxido cálcico en suspensión acuosa se convierte en carbonato cálcico básico con la adición de CO_{2} y con un aporte de energía de 25 a 200 kW/m^{3};
- en la suspensión se distribuyen agitando como sustancias superficialmente activas uno o varios aditivos del grupo constituido por fosfonatos orgánicamente sustituidos, policarboxilatos o copolímeros de bloque de dobles hidrófilos de 0,5 a 5% en peso referido al carbonato cálcico;
- además de la adición de la sustancia superficialmente activa, se agrega más CO_{2} a la suspensión para lo cual al comienzo de la gasificación de CO_{2}, se reduce el valor pH de la suspensión a un valor de \leq 0,04 unidades pH/min, y
- se filtra el carbonato cálcico calcítico así formado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la conversión del hidróxido cálcico en carbonato cálcico básico se lleva a cabo a una temperatura \leq 15ºC.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la conversión del hidróxido cálcico en carbonato cálcico básico se efectúa a una temperatura de aprox. 15-20ºC con adición de una formación compleja de calcio como polifosfatos, fosfonatos, ácidos hidroxicarbónicos, sacarosa o glutamato con 0,01 a 1% en peso referido al contenido en CaO de la suspensión de hidróxido cálcico.
4.Carbonato cálcico calcítico estable en forma de plaquita con un factor granulométrico de aprox. 0,5 a 1 y un diámetro medio de las partículas de aprox. 0,5 a 1,5 um.
5. Procedimiento para fabricar carbonato cálcico calcítico estable en forma de plaquitas con un factor granulométrico de aprox. 0,5 a 1 y un diámetro medio de las partículas de aprox.
0,5 a 1,5 um, siguiendo los siguientes pasos:
- el hidróxido cálcico en suspensión acuosa se convierte en carbonato cálcico básico, agregando CO_{2} y con un aporte energético de aprox. 25 a 200 kW/m^{3} de la suspensión,
- en la suspensión se distribuyen agitando, como sustancias superficialmente activas uno o varios aditivos del grupo constituido por fosfonatos orgánicamente sustituidos, policarboxilatos o copolímeros de bloque de dobles hidrófilos con aprox. 0,5 a 5% en peso referido al carbonato cálcico,
- Se filtra el carbonato cálcico básico formado y se seca en atmósfera de CO_{2} saturada a unos 150ºC.
6. Carbonato cálcico calcítico estable en forma de plaquitas con un factor granulométrico de aprox. 0,5 a 1 y un diámetro medio de las partículas de aprox. 0,5 a 1 um.
7. Utilización del carbonato cálcico de las reivindicaciones 4 y 6 como sustancia de relleno o pigmento en plásticos, papel, pintura, especialmente pinturas de dispersión y cosméticos.
8. Utilización del carbonato cálcico de las reivindicaciones 4 y 6 para cubrir papeles de chorro de tinta.
ES00108224T 2000-04-14 2000-04-14 Procedimiento para fabricar carbonato calcico calcitico estable en forma de plaquetas. Expired - Lifetime ES2223336T3 (es)

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