JP2005507017A - アスファルトが充填された高分子フォーム - Google Patents

Abstract

本発明は、絶縁フォーム生成物、特に赤外線遮蔽としてアスファルトを含有する押出ポリスチレンフォームと、及び絶縁特性を改良し、またフォーム生成物の製造経費を削減する処理添加剤とに関する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁能を増加させかつ熱伝導性を減少させる赤外線遮蔽(infrared attenuating)添加剤を含有する硬質発泡ポリマーボードに関する。特に、本発明は、該発泡ポリマーボードの絶縁能を増加させるためにアスファルトを添加した硬質発泡ポリマーボードに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の用途における硬質発泡ポリマーボードの有用性は周知である。例えば、ポリマー発泡ボードは絶縁構造部材として広く使用されている。従来、カーボンブラック粉末化アモルファスカーボン、グラファイト、及び二酸化チタンなどの紫外線遮蔽剤(IAA)がポリマー発泡ボードの充填剤として使用され、その結果、特定の厚さに対する物質の熱伝導性を最小化させ、ついで絶縁能を最大化（R-値の増加）させる。熱伝導率、kは、単位厚さ当たりの温度降下に対する単位断面当たりの熱流量の割合として定義されている。
米国単位では、
【数１】

であり、メートル単位では、
【数２】

である。絶縁材料を通る熱伝導は、固体伝導性、気体伝導性、放射、及び対流を通して生じ得る。総熱抵抗（R値）、Rは熱伝達に対する抵抗の尺度であり、以下のように定義される。
R=t/k
式中、t=厚さである。
日本国特許出願、JP57-147510は、硬質ポリウレタンフォーム中のカーボンブラックの使用について記載しており、0.7質量%の下における、最大カーボンブラックレベルでは、K-因子の低下は4%未満である。
【０００３】
アスファルトは、高分子化合物の全体に渡って均一に、容易に混合され得る。本発明のアスファルト充填ポリスチレンフォームは、最初の及び経時熱伝導性(aged thermal conductivity)を両方とも減少させ、又は逆に、熱抵抗(R-値)を増加させる。本発明は、絶縁性の改良及びフォーム製品の製造経費の削減のために、赤外線遮蔽としてのアスファルトと、加工添加剤とを含有する、フォーム絶縁製品、特に押出されたポリスチレンフォームに関する。
硬質フォームセルは、構造上、セル壁、及びセルストラットの２つの部分から成る。硬質フォームにおいて、ストラットは閉じており、気流を制限し、熱効率を改善している。図２に示すように、セル壁は相対的にストレートエッジ部分であり、ストラットはセル壁の交差部分に形成されている。本発明は閉じたセルの、硬い、高分子フォームであって、フォーム状の高分子の質量に基づいて0.1〜15質量%の赤外線遮蔽剤及び加工添加剤としてアスファルトが充填された高分子フォームを教示しており、アスファルトは、フォーム中高分子中に均一にブレンドされて、アスファルトがセル壁、及びセルストラットに存在している。好ましい態様において、0.5〜3質量%のアスファルトを使用して、フォームの経時熱伝導性を、対応する充填されていないフォームの経時熱伝導性に以下改良する。
【０００４】
カーボンブラック又はいくつかの他の赤外線遮蔽剤は、放射部分を低減でき、従ってカーボンブラック充填高分子フォームの熱伝導性を減少させることができる。しかし、カーボンブラックは高い導電性を有する物質であり、固体導電性部分を増加させる傾向があり、従って結果としてカーボンブラック充填高分子フォームの合計熱伝導性は、カーボンブラックの使用量を高めると、それに伴って増大するかもしれない。さらに、公知技術においては、カーボンブラックの親水性の性質によって、加工助剤なしに高分子中に均一に分散することが困難であることは認識されていない。
表１は、熱可塑性におけるカーボンブラック及びアスファルトの間のスペクトル色の差異を示す。最も広く使用されている知覚的色彩の忠実な測定基準の一つはデルタE測定基準であり、照明標準色空間規格における国際指令の一部として規定されている。この測定基準を用いて二つの光の知覚的差異を測定するために、これら二つの光のスペクトル力分配は最初にXYZ表示に変換され、これは、ヒト網膜の３つの円錐のスペクトル力応答を反映する（線形移動の範囲内で）。次いで、XYZ値は空間に変形され、そこでは、等しい距離は、等価な知覚的差異（“知覚的に統一された”空間）に対応することが想定されている。次いで、二つの標的間の知覚的差異は、この空間のユークリッド距離を用いて計算されうる。該距離は“デルタE”単位として表現される。１デルタE単位は、およそ色彩差の閾値検出レベルを表す。もし、デルタEが１より小さい場合、ヒトの目では検知できない。
【０００５】
【表１】

本発明の目的は、他の添加剤と組み合わせたアスファルト充填された硬質高分子フォームを製造することであり、該アスファルトは所定の厚み及び密度に対して改善された熱伝導性（低下したK-因子）及び改善された絶縁値（増大したR-値）を含む全体的な化合物効果を示す。
本発明の別の目的は、保持され又は改良された圧縮強度、熱寸法安定性、耐火性、及び水吸収性を有するアスファルト充填した硬質高分子フォームを製造することである。
更に本発明の別の目的は、硬質高分子フォーム製造物の使用の為に、加工添加剤としても機能する赤外線遮蔽剤を提供すること、及び発泡工程の間、セルの大きさ、及び高分子のレオロジーを制御することである。
更に本発明の別の目的は、建築上の社会ニーズ及びビルエネルギーコード要求を良く満たす、特定の厚さに対する高い絶縁値(R-値)を有する高分子フォームを提供することである。
例えば、本発明の別の目的は、低コストな機能性顔料としてアスファルトを使用することにより、単純で経済的な方法で高分子フォーム製品の経費を低下させることである。
本発明の前記及び他の利点は、本発明の１以上の好ましい態様が詳細に記載されかつ付随の図面に説明されている以下の開示から明らかになるであろう。本発明の範囲から離れることなく、又は本発明のいかなる利点を犠牲にすることなく、工程、構造上の特徴、及び部品配置における変更は当業者にとって明らかである。
【０００６】
（発明の詳細な説明）
前記目的は、熱絶縁を改良し、そして他の特性を同様に維持するためにアスファルトを含有する硬質プラスチックフォームの開発を通じて達成された。本発明は、特に、アスファルト、発泡剤、及び他の添加剤による押出工程によって調製された硬質な、独立気泡の、高分子フォームの生産物に関する。
硬質フォームのプラスチック材料は、高分子フォームを作るに適するものであれば、いかなる材料でもよく、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエステル、ポリ塩化ビニリデン、ポリメチルメタクリレート、ポリウレタン、ポリウレア、フェノール-ホルムアルデヒド、ポリイソシアヌレート、フェノール類、それらのコポリマー及びターポリマー、熱可塑性高分子ブレンド、ゴム改質高分子化合物などを含む。適したポリオレフィンは、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びエチレンコポリマーを含む。
【０００７】
好ましい熱可塑性高分子は、アルケニル芳香族高分子材料を含む。適したアルケニル高分子材料は、アルケニル芳香族ホモポリマー、及びアルケニル芳香族化合物と共重合性エチレン性不飽和コモノマーとのコポリマーを含む。アルケニル芳香族高分子材料はさらに、少量の非アルケニル芳香族高分子を含んでもよい。アルケニル芳香族高分子材料は、単独で、１種以上のアルケニル芳香族ホモポリマー、１種以上のアルケニル芳香族コポリマー、各アルケニル芳香族ホモポリマー及びコポリマーの１以上の混合物、前記のものと非アルケニル芳香族高分子とのブレンドから成っていてもよい。
適切なアルケニル芳香族高分子は、スチレン、アルファメチルスチレン、エチルスチレン、ビニルベンゼン、ビニルトルエン、クロロスチレン及びブロモスチレンなどのアルケニル芳香族化合物に由来するものを含む。好ましいアルケニル芳香族高分子はポリスチレンである。C_2-6アルキル酸、及びアルキルエステル、アイオノマー誘導体、及びC_4-6ジエンなどのモノエチレン性不飽和化合物の少量を、アルケニル芳香族化合物と共重合してもよい。共重合性化合物の例としては、アクリル酸、メタクリル酸、エタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、アクリロニトリル、無水マレイン酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸n-ブチル、メタクリル酸メチル、酢酸ビニル、及びブタジエンを含む。
【０００８】
好ましい構造は実質的に（すなわち、95%より多く）、及び最も好ましくは完全にポリスチレンからなる。本発明は(1)質量平均分子量約30,000〜約500,000を有する高分子化合物、１つの態様において、ポリスチレンは質量平均分子量約250,000含むフォーム製品の製法に関する。(2)他の化合物の効果的な添加剤存在下又は不存在下におけるアスファルト、(3)発泡剤、及び(4)核生成剤、難燃性化学物質のような他の加工添加剤を含む、発泡性混合物を形成する工程大気又は減圧の領域で混合物を発泡して、泡生成物を形成する工程を有する。以下の態様は、硬質ポリスチレンフォームにアスファルトを添加することによる高温絶縁値の利点を示す。
【０００９】
適当な発泡剤を使用して、本発明を実施してもよい。本発明の実施に有用な発泡剤は無機剤、有機発泡剤、及び化学発泡剤を含む。適当な無機発泡剤は、二酸化炭素、窒素、アルゴン、水、空気、窒素、及びヘリウムを含む。有機発泡剤は1-9個の炭素原子を有する脂肪族炭化水素、1-3個の炭素原子を有する脂肪族アルコール、及び1-4個の炭素原子を有する完全又は一部ハロゲン化した脂肪族炭化水素を含む。脂肪族炭化水素は、メタン、エタン、プロパン、n-ブタン、イソブタン、n-ペンタン、イソペンタン、及びネオペンタンを含む。脂肪族アルコールは、メタノール、エタノール、n-プロパノール、及びイソプロパノールを含む。十分又は一部ハロゲン化された脂肪族炭化水素はフルオロカーボン、クロロカーボン、及びクロロフルオロカーボンを含む。フルオロカーボンの例は、メチルフルオリド、ペルフルオロメタン、エチルフルオリド、1,1-ジフルオロエタン(HFC-152a)、1,1,1-トリフルオロエタン(HFC-143a)、1,1,1,2-テトラフルオロエタン(HFC-134a)、ペンタフルオロエタン、ジフルオロメタン、ペルフルオロエタン、2,2-ジフルオロプロパン、1,1,1-トリフルオロプロパン、ペルフルオロプロパン、ジクロロプロパン、ジフルオロプロパン、ペルフルオロブタン、及びペルフルオロシクロブタンを含む。本発明において使用される、一部ハロゲン化されたクロロカーボン及びクロロフルオロカーボンは、塩化メチル、塩化メチレン、塩化エチル、1,1,1-トリクロロエタン、1,1-ジクロロ-1-フルオロエタン(HCFC-141b)、1-クロロ-1,1-ジフルオロエタン(HCFC-142b)、クロロジフルオロメタン(HCFC-22)、1,1-ジクロロ-2,2,2-トリフルオロエタン(HCFC-123)、及び1-クロロ-1,2,2,2-テトラフルオロエタン(HCFC-124)等を含む。完全にハロゲン化されたクロロフルオロカーボンは、トリクロロモノフルオロメタン(CFC-11)、ジクロロジフルオロメタン(CFC-12)、トリクロロトリフルオロエタン(CFC-113)、1,1,1-トリフルオロエタン、ペンタフルオロエタン、ジクロロテトラフルオロエタン(CFC-114)、クロロヘプタフルオロプロパン、及びジクロロヘキサフルオロプロパンを含む。化学発泡剤は、アゾジカーボンアミド、アゾジイソブチロ-ニトリル、ベンゼンスルホンヒドラジド、4,4-オキシベンゼンスルホニル-セミカルバジド、p-トルエンスルホニルセミカルバジド、アゾジカルボン酸バリウム、及びN,N'-ジメチル-N,N'-ジニトロソテレフタルアミド、及びトリヒドラジノトリアジンを含む。本発明において、高分子の質量をもとに、8-14質量%のHCFC-142b又は4-12質量%のHFC-134aと、0-3%エタノールとともに、使用することが望ましい。上記と別に、エタノール、メタノール、プロパノール、イソプロパノール及びブタノール等の0-4%の低級アルコールとともに3-8%の二酸化炭素を使用してもよい。
押出フォーム生成物に配合してもよい任意の添加剤は、更に赤外線遮蔽剤、可塑剤、難燃性化学物質、顔料、エラストマー、押出補助、抗酸化剤、充填剤、帯電防止剤、紫外線吸収剤などを含む。これらの任意の添加剤は、発泡性ゲル又は得られた押出フォーム生成物の所望の特徴を得られる量で含めてもよい。好ましくは、任意の添加剤は、樹脂混合物に添加されるが、他の方法で押出フォーム製造工程に添加されてもよい。
【００１０】
硬質ポリスチレンフォームは熱絶縁特性を改良した。押出工程中、高分子粘度を増加させるほとんどの赤外線遮蔽剤(IAA)と異なり、アスファルトは高分子粘度を減少させる。オリフィスを通る溶融した高分子の流速は、メルト・フロー・インデックス又はISO1133:1977(E)に従って試験された単にメルト・インデックス(MI)として記載される。メルト・フロー・インデックスは、分子量及び高分子の粘度に関連する特性パラメータとして使用されうる（表１）。少量のアスファルトは、改良された熱絶縁値(R/インチ)の利点を実証する。典型的には、アスファルトの量は、ベース高分子を基準にして約0.1質量%〜15質量%の範囲であり、好ましくは0.5質量%〜3質量%の範囲である。このアスファルトは、軟化点約105℃(221°F)〜約155℃(311°F)を有する、すべての石油由来のアスファルトでよい。本発明の硬質フォームに使用されるのに特定に適したアスファルトは、粒子サイズ約2.4mm（8メッシュ）及び軟化点約123℃(253°F)を有するSU7606（オーエンス・コーニング社、トランブール、オハイオ州、米国）などの粒状アスファルトである。粒状アスファルトは、押出工程において、溶融高分子に直接添加されるか、又はポリスチレンビーズと予備混合されるか、60%まで予め装入して、典型的には約30%まで、ペレット、又はビーズに押出しかつ切断することができる。
【００１１】
好ましい添加剤は、ケイ酸塩（例えばタルク、マイカ）、酸化物（例えば銅(II)酸化物、鉄(III)酸化物、マンガン(IV)酸化物）、及び化学元素IB、IIB、IIIA、IVA群（例えば炭素、アルミニウム）を含み、粒子サイズが100ナノメートル未満〜約10マイクロメートル（ミクロン）であるアスファルトは、またこれらの添加剤の凝集形成の阻止に役立ち、無機IAA及び核形成剤を含み、同様に分散補助を仕える。
押出フォーム生成物は押出機、ミキサー、ブレンダーなどによる、当技術分野における公知の手段によって調製してよい。アスファルト、高分子、赤外線遮蔽剤、及び他の添加剤を含む可塑化樹脂混合物は溶融混合温度(melt mixing temperature)まで加熱され、完全に混合される。溶解混合温度は高分子を可塑化又は溶融するに十分でなければならない。従って、溶融混合温度は、ガラス転移温度又は高分子融点以上である。好ましくは、好ましい態様において溶融混合温度は、アスファルトの量に従って、200℃（392°F）〜280℃（536°F）であり、最も好ましくは約220℃（428°F）〜240℃（464°F）である。
【００１２】
発泡剤は、その後、発泡性ゲルに混和される。発泡性ゲルはその後ダイ溶融温度まで冷却される。ダイ溶融温度は主に溶融混合温度より冷たく、好ましい態様において約100℃（212°F）〜150℃（302°F）であり、最も好ましくは約110℃（230°F）〜120℃（248°F）である。ダイ圧力は、発泡剤を含有する発泡性ゲルの前発泡を防止するのに十分な圧力でなければならない。前発泡は減圧領域への押出前に、発泡性ゲルの望ましくない早発性の泡立ちを伴って生じる。その結果、ダイ圧力は発泡ゲルの個性及び発泡ゲル中の発泡剤の量に応じて異なる。好ましくは、好ましい態様において、圧力は4000000〜7000000Pa（40 〜70バール）であり、最も望ましくは約5000000Pa（50バール）である。膨張率、すなわちダイギャップ当りの発泡厚は20〜70の範囲であり、主として約60である。
好ましい態様において、押出ポリスチレンポリマーフォームは、フラットダイ及び板形削り機を備えるツインスクリュー押出機（低剪断）により調製される。上記と別に、放射状のダイ、及びスリンキー(slinky)な成形機を備えた単一のスクリュータンデム押出機（高剪断）を用いることも出来る。アスファルトが、ポリスチレン、発泡剤、及び/又は核形成剤、難燃剤、赤外線遮蔽剤とともに、マルチ供給器により、押出機中に添加される。アスファルトは押出工程において、高分子全体に均一に混合され、従って得られた均質のフォーム構造が得られる(図２、及び図３)。
以下は本発明の実施例であり、限定的に解釈されるべきでない。
【実施例１】
【００１３】
本発明は、他に示されてない限り、すべてのフォームボードが厚さ2.81cm(1.5インチ)でありかつ、すべてのR-値が180日経時R-値である以下の実施例によりさらに説明される。以下の実施例及び参照例において、硬質ポリスチレンフォームボードは、平たい金型、及び打ち抜き板を備えるツインスクリューLMP押出機により製造された。押出工程は、真空状態で適用された。
表３の要約である表２は、ツインスクリュー押出機において、実施例と、アスファルト添加剤不存在下の参照例に対応する加工条件を示した。使用されたアスファルトはTrumbull#3706粒状アスファルト(オーウエンス・コーニング社製)であり、石油をベースとする材料から形成され、約116℃(240°F)(ASTM D-36)である高い軟化点を有するように処理された。使用されたポリスチレン樹脂は、70%がメルトインデックスが3であるポリスチレンであり、30%がメルトインデックスが18.8であるポリスチレンである（両方ともDelTech社製であり、分子量、Mw約250,000）。複合材料のメルトインデックスは、化合物において(in compound)約7.8である。安定化したヘキサブロモシクロドデカン(Great Lakes Chemical社製,HBCD SP-75)が、難燃剤として、固体フォーム高分子化合物の1%質量の量で用いられた。
【００１４】
【表２】

上記実施例、及び参照例、及びアスファルトを添加しない従来法の比較例の結果を、表３に示した。
【００１５】
【表３】

*表中、xは、縦（押出）方向の平均セルの寸法、yは、横軸方向のセルの寸法、及びzは、板強度方向のセルの寸法。
**CBはナノカーボンブラック。
表３に示されるように、発泡工程に、追加の添加剤の存在又は不存在下において、アスファルトを、好ましくは固体フォーム高分子化合物の1-3質量%で添加すると、ポリスチレンフォームボード生産物の耐熱性特性が5-18%改良された。38個のサンプルの試験データに基づいて、多変量回帰計算により図４に示されるように、R-値対アスファルト量を得て、それによればR-値は、異なる密度のアスファルト充填のポリマーフォームの同一セル構造の予測されるR-値と比較して、1-5%重量%アスファルトを添加すると、2-8%増大したことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は走査型電子顕微鏡(SEM)画像の3%アスファルト(run#468-3)含有のポリスチレンフォームである。
【図２】図２は、3%アスファルト含有のポリスチレンフォームの壁、及び支柱のSEM画像である。
【図３】図３は、アスファルトを含む及び含まない高分子化合物のメルトインデックス差を示すグラフ図である。
【図４】図４は、180日間にわたる、いくつかの密度レベルのポリスチレンフォームボードについてのR-値対アスファルト量に関する38回の試験結果を示すグラフである。

Claims (28)

1. 高分子化合物、
   アスファルト、及び
   発泡剤
   を含有することを特徴とする高分子フォーム物質。
2. 前記アスファルトが、前記高分子化合物に基づいて、約0.1〜15質量%の量で添加されている請求項１に記載の高分子フォーム物質。
3. 前記アスファルトが、前記高分子化合物に基づいて、約1〜4質量%の量で添加されている請求項２に記載の高分子フォーム物質。
4. 前記アスファルトが、約105℃(221°F)〜約155℃(311°F)に軟化点を有する請求項１に記載の高分子フォーム物質。
5. 赤外線遮蔽剤、可塑剤、難燃剤化学物質、顔料、エラストマー、押出成型補助、酸化防止剤、充填剤、帯電防止剤及び紫外線吸収体から成る群から選択した1種以上の添加剤をさらに含む請求項１に記載の高分子フォーム物質。
6. 前記高分子化合物が、熱可塑性高分子化合物である請求項１に記載の高分子フォーム物質。
7. 前記高分子化合物が、アルケニル芳香族高分子化合物である請求項６に記載の高分子フォーム物質。
8. 前記アルケニル芳香族高分子化合物が、ポリスチレンである請求項７に記載の高分子フォーム物質。
9. さらに、ケイ酸塩、酸化物、及びIB、IIB、IIIA、IVA群の化学元素から成る群から選択した赤外線遮蔽剤を含む請求項１に記載の高分子フォーム物質。
10. a)高分子化合物、
    b)アスファルト、
    c)発泡剤、及び
    d)赤外線遮蔽剤、
    を含有することを特徴とする高分子フォーム物質。
11. 前記アスファルトが、前記高分子化合物に基づいて、約0.1〜15質量%の量で添加されている請求項９に記載の高分子フォーム物質。
12. 前記アスファルトが前記高分子化合物に基づいて、約1〜4質量%の量で添加されている請求項１０に記載の高分子フォーム物質。
13. 前記アスファルトが、約105℃(221°F)〜約155℃(311°F)に軟化点を有する請求項９に記載の高分子フォーム物質。
14. ケイ酸塩、酸化物、及びIB、IIB、IIIA、IVA群の化学元素から成る群から選択した赤外線遮蔽剤を含む請求項９に記載の高分子フォーム物質。
15. 可塑剤、難燃性化学物質、顔料、エラストマー、押出成型補助、酸化防止剤、充填剤、帯電防止剤、及び紫外線吸収体から成る群から選択した1種以上の添加剤をさらに含む請求項１に記載の高分子フォーム物質。
16. 前記高分子化合物が、熱可塑性高分子化合物である請求項９に記載の高分子フォーム物質。
17. 前記高分子化合物が、アルケニル芳香族高分子化合物である請求項１４に記載の高分子フォーム物質。
18. 前記アルケニル芳香族高分子化合物が、ポリスチレンである請求項１５に記載の高分子フォーム物質。
19. 以下の工程、
    a)高分子化合物、赤外線遮蔽剤、及びアスファルトを含む樹脂混合物を溶融混合温度まで加熱して、発泡性ゲルにする工程、
    b)前記ゲルの前発泡を防止するのに十分な圧力の下で、１種以上の発泡剤を該樹脂混合物に配合する工程、
    c)前記ゲルをダイ溶融温度まで冷却する工程、及び
    d)前記ゲルを、低いダイ圧力の領域まで、金型を通して押し出して、フォームを形成する工程、
    を含むことを特徴とする押出高分子フォームの製造方法。
20. 前記アスファルトが、前記高分子化合物に基づいて、約0.1〜15質量%の量で添加される請求項１９に記載の製法。
21. 前記アスファルトが、前記高分子化合物に基づいて、約1〜4質量%の量で添加される請求項２０に記載の製法。
22. 前記アスファルトが、約105℃(221°F)〜約155℃(311°F)に軟化点を有する請求項１９に記載の製法。
23. 赤外線遮蔽剤、可塑剤、難燃性化学物質、顔料、エラストマー、押出成型補助、酸化防止剤、充填剤、帯電防止剤、及び紫外線吸収体から成る群から選択した1種以上の添加剤を添加する工程をさらに含む請求項１９に記載の製法。
24. 前記高分子化合物が、熱可塑性高分子化合物である請求項１９に記載の製法。
25. 前記高分子化合物が、アルケニル芳香族高分子化合物である請求項２４に記載の製法。
26. 前記高分子化合物が、アルケニル芳香族高分子化合物である請求項２４に記載の製法。
27. 前記アルケニル芳香族高分子化合物が、ポリスチレンである請求項２５に記載の製法。
28. ケイ酸塩、酸化物、及びIB、IIB、IIIA、IVA群の化学元素から成る群から選択した赤外線遮蔽剤を添加する工程をさらに含む請求項１９に記載の製法。

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