JP2010105285A - 粉体原料用押出機および熱可塑性樹脂組成物の製造方法 - Google Patents

粉体原料用押出機および熱可塑性樹脂組成物の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】粉体原料使用時の押出効率を向上させ、押出機から吐出して得られる熱可塑性樹脂組成物の発生ガス量を低減することができる粉体原料用押出機と、その粉体原料用押出機を使用した熱可塑性樹脂組成物の製造方法を提供する。
【解決手段】同方向回転二軸押出機1であって、粉体原料が供給される第一搬送部4と、この搬送部の下流側に2つ以上の混練部と2つ以上の搬送部を有するスクリュ3構成を有し、搬送部に少なくとも1つのスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85であるスクリューエレメントを有する粉体原料用押出機1とその粉体原料用押出機1を使用した熱可塑性樹脂組成物の製造方法を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、粉体原料用の押出機に関し、さらに詳しくは見掛け密度が低い粉体原料を高効率で押出し、押出機から吐出後に得られる熱可塑性樹脂組成物を成形する際に発生するガスによるトラブルを低減する押出機とその押出機を使用した熱可塑性樹脂組成物の製造方法に関するものである。
一般に、熱可塑性樹脂組成物は熱可塑性樹脂にフィラー成分等の粉体状強化材や、各種の機能付与材を加えて、押出機を通してペレットに造粒された後、成形加工機による製品の生産が行なわれる。
しかしながら、熱可塑性樹脂が粉体であったり、多量の粉体強化材を含む粉体原料を押出する際には、ペレット状原料に比べて見掛け密度が低い為、押出機への噛み込み性が劣る特性を有している。そのため、押出量が低下し、効率の良い生産を行なうことが出来なかった。
従来、粉体原料を押出する技術については、次のようなものが知られている。
例えば、特許文献1では、高濃度にフィラー成分を含有する樹脂組成物の生産性向上に一条スクリューと特定のひねり角を有するニーディングブロックを組み合わせたスクリュー構成を用いる方法が記載されている。
また、特許文献2には、粉体原料を用いる樹脂組成物の生産性向上に一条スクリューと特定のニーディングブロックを配置するスクリュー構成を用いる方法が記載されている。
特開平9−29814号公報 特開平10−24483号公報
しかしながら、特許文献1や特許文献2に記載された製造方法では、押出機内の空間容積が狭く、生産性の向上には限界があった。
また、従来技術で生産性を向上させた場合には、押出機内での脱揮が十分に行なえず、熱可塑性樹脂組成物に含まれるガス量が増加する。押出機から吐出した後にカッティングして得られる熱可塑性樹脂組成物ペレットは、成形加工機をもちいて製品の生産が行なわれるが、一般的に用いられる射出成形においては、熱可塑性樹脂組成物ペレットから発生するガスが増えると、成形品の表面外観が悪くなったり、金型に汚れが付着して金型の清掃頻度が多くなる問題があった。
本発明の目的は、上述したような従来技術における押出効率を更に向上させ、押出機から吐出後にカッティングして得られる熱可塑性樹脂組成物の発生ガス量を低減することができる粉体原料用押出機と、その粉体原料用押出機を使用した熱可塑性樹脂組成物の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討し、本発明に至った。すなわち、本発明の粉体原料用押出機およびその粉体原料用押出機を使用した熱可塑性樹脂組成物の製造方法は、以下のとおりである。
1.同方向回転二軸押出機であって、粉体原料が供給される第一搬送部と、第一搬送部の下流側に2つ以上の混練部と2つ以上の搬送部を有するスクリュー構成を有し、搬送部に少なくとも1つのスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85であるスクリューエレメントを有する粉体原料用押出機。
2.第一搬送部にスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85であるスクリューエレメントを有する1に記載の粉体原料用押出機。
3.第一搬送部に、リード長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが0.7〜2である一条スクリューエレメントを有する1または2記載の粉体原料用押出機。
4.第一搬送部の全体長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが4〜20である1〜3のいずれか記載の粉体原料用押出機。
5.第一搬送部に続く第一混練部に、右ひねりのニーディングブロックを有する1〜4のいずれか記載の粉体原料用押出機。
6.ニーディングブロックのディスク幅Wとスクリュー直径Dとの比W/Dが0.3〜1であり、ひねり角が10〜30°である5記載の粉体原料用押出機。
7.第一混練部の全体長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが3〜15である1〜6のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
8.第一混練部の下流側にベント口を有する1〜7のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
9.第一混練部の下流側の第二搬送部に大気開放ベントを有する1〜8のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
10.第二搬送部の下流側の第二混練部より下流側に真空ベントを有する1〜9のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
11.ベント口を有する搬送部にスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85のスクリューエレメントを有する1〜10のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
12.1〜11のいずれかに記載の粉体原料用押出機に、見掛け密度が0.1〜0.7g/ml、又は平均粒径が1〜500μmの粉体原料を含む原料を供給し、混練押出する熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
13.粉体原料がポリフェニレンスルフィドを20〜100重量%を含む12記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
本発明の粉体原料用押出機は以上の様に構成されているため、押出効率に優れ、押出機から吐出後にカッティングして得られる熱可塑性樹脂組成物の発生ガス量を低減することができる。
本発明は、粉体原料用の同方向回転二軸押出機であって、第一搬送部と、第一搬送部の下流側に2つ以上の混練部と、2つ以上の搬送部を有する押出機に関する。
本発明においてはスクリュー構成に大きな特徴を有するものであり、搬送部のスクリューとしては、一条スクリューエレメント、二条スクリューエレメント、三条スクリューエレメントなど、通常搬送部に使用されるフライト状スクリューエレメントを用いることが出来るが、搬送部の少なくとも一部にスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85のスクリューエレメントを有することが重要である。
スクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dは押出機内の空間容積を示す指標として用いることができる。粉体原料を押出機に供給する際には、押出機内の空間容積が大きいほど原料の噛み込み性が向上し、押出効率を高めることが出来る。従って、D/dが1.65〜1.85であることが好ましく、更に好ましくは、D/dが1.75〜1.85であることが好ましい。
また、押出機から吐出後にカッティングして得られる熱可塑性樹脂組成物の発生ガス量を低減するためには、押出機の搬送部に付帯したベント口から脱揮を行なうが、脱揮効率を高める為には、樹脂表面積を広くすることが有効である。スクリューエレメントのD/dを1.65〜1.85とすることで、スクリュー溝部での樹脂表面積が拡くなり、効果的に脱揮を行なうことが出来る。更に好ましくは、D/dが1.75〜1.85であることが好ましい。
なお、D/dが大きいほど空間容積が大きくなり押出効率が高まりることに加えて脱揮効率も高まるが、スクリューシャフトとスクリュー溝部の肉厚が薄くなりすぎると、強度が不足してスクリューセグメントが割れたり、スクリューシャフトが曲がるなどのトラブルの原因となることがあるので、D/dは1.85以下である必要がある。
以下、本発明の粉体原料用押出機の実施形態などについて図面を用いて説明する。
図1は本発明の一実施形態である同方向回転二軸押出機1の装置概略図を示すものである。押出機1はセグメント化されたスクリューを組替えることによりスクリュー構成を変更できる二軸押出機であり、供給口2から供給された粉体原料を搬送する第一搬送部4と、混練して粉体原料の少なくとも一部を溶融する第一混練部5と、大気開放ベント口9を有する第二搬送部6と、混練溶融する第二混練部7と、真空ベント口10を有する第三搬送部8を有している。
押出機1の長さは、その全体長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが20〜70となる長さであることが好ましい。L/Dが20未満では脱揮部が短くなったり、繊維状補強材などを供給する場合のサイドフィード方式の適用が困難であり、L/Dが70を越えると、樹脂の熱劣化を生じやすくなる。
第一搬送部4は、粉体原料を押出機に噛み込ませる部分である。そのスクリューとしては、一条スクリューエレメント、二条スクリューエレメントなど、通常搬送部に使用されるフライト状スクリューエレメントを用いることが出来るが、少なくとも1つのスクリューエレメントのD/dが1.65〜1.85のスクリューエレメントを用いることが、押出効率を高める為に好ましい。また、第一搬送部の全体長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dは7〜20が好ましく、7.0〜20.0がさらに好ましい。また、D/dが1.65〜1.85のスクリューの全体長さLとスクリュー長径との比L/Dは4〜20であることが好ましく、さらに好ましくは、4.0〜20.0である。
また、第一搬送部には、搬送能力の高い一条スクリューエレメントを用いることが好ましく、一条スクリューエレメントのリード長さはLとスクリュー長径Dとの比L/Dは0.7〜2が好ましく、一条スクリューエレメントの全体長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが4〜20であることが好ましく、4.0〜20.0がさらに好ましい。一条スクリューのリード長さのL/Dが0.7未満であると搬送能力が低下し、リード長さL/Dが2を超えると、搬送能力が大きすぎて第一混練部での溶融状態が不安定となりトラブルの原因となる。また、一条スクリューの全体長さのL/Dが4未満であると搬送能力が低下し、全体長さのL/Dが20を超えてもそれ以上の搬送能力の向上は望めない。
更に好ましい形態としては、第一搬送部4の上流側である供給口2の下部から一条スクリューエレメントを配置するのが良い。その場合に、第一搬送部4の下流側に二条スクリューを用いることもできるが、一条スクリューと同時に用いる場合には、トランジションスクリューエレメントを介して用いることができる。
なお、第一搬送部4には、二条スクリューを単独で用いることもできる。
第一搬送部4に続く第一混練部5は、粉体樹脂に剪断力を与え混練する部分である。第一混練部5に用いられるスクリューとしては、ニーディングブロック、ミキシングスクリューなど、通常混練部に使用されるスクリューエレメントを用いることが出来る。また、第一混練部の長さは、L/Dで3.5〜15であることが好ましく、3.5〜15.0がさらに好ましい。
第一混練部では、特に、右ひねりのニーディングブロックと中立ニーディングブロックの組み合わせが好ましく用いられるが、好ましくは、その少なくとも一部が、右ひねりのニーディングブロックであり、ディスク幅Wとスクリュー長径Dとの比を示すW/Dが0.3〜1.0のディスクが10〜30°のひねり角で配設されており、その右ひねりのニーディングブロック部の全体長さのL/Dが3.0〜15.0であるスクリュー構成を有することが好ましい。W/Dが0.3未満であると十分な剪断力がかからず、溶融状態が不安定となりトラブルの原因となる。また、W/Dが1.0を超えると、十分な推進力が得られずに樹脂が滞留し、供給口2に粉体が巻き込み空気と共にバックフローするトラブルが生じる。また、ひねり角が10°未満であると十分な推進力が得られずに樹脂が滞留し、供給口2に粉体が巻き込み空気と共にバックフローするトラブルの原因となり、30°を超えると、粉体がディスク間の隙間を通って大気開放ベント口9から粉体が噴出すトラブルの原因となる。また、全体長さがL/Dが3.0未満であると溶融状態が不十分となり、15.0を超えると、樹脂が完全溶融し、供給口2に粉体が巻き込み空気と共にバックフローするトラブルの原因となる。
第二搬送部6は、粉体原料と共に押出機に噛み込まれた空気や、粉体原料に含まれる揮発分をベント口9から除去する部分である。そのスクリューとしては、二条スクリューエレメントや、三条スクリューエレメントなど、通常搬送部に使用されるフライト状スクリューエレメントを用いることが出来るが、少なくとも1つのスクリューエレメントのD/dが1.65〜1.85のスクリューエレメントを用いることが、脱揮効率を高める為に好ましい。更に好ましくは、D/dが1.75〜1.85のスクリューエレメントを用いることが好ましい。また、その長さL/Dは2〜10が好ましく、2.0〜10.0がさらに好ましい。
なお、第二搬送部6に付帯するベント口9は、大気開放ベントであっても真空ベントであっても良いが、粉体原料が真空ベントで吸引される場合には大気開放ベントを好適に用いることが出来る。
第二混練部7は、粉体樹脂に剪断力を与え溶融混練する部分であり、熱可塑性樹脂組成物として適正な混練状態とする部分である。第一混練部5に用いられるスクリューと同様に、ニーディングブロック、ミキシングスクリューなど、通常混練部に使用されるスクリューエレメントを用いることが出来る。また、その長さは、L/D=2〜10であることが好ましく、2.0〜10.0がさらに好ましい。
第三搬送部8は、粉体原料に含まれる揮発分や、原料の熱分解によって発生した揮発分などをベント口10から除去する部分である。そのスクリューとしては、二条スクリューエレメントや、三条スクリューエレメントなど、通常搬送部に使用されるフライト状スクリューエレメントを用いることが出来るが、少なくとも1つのスクリューエレメントのD/dが1.65〜1.85のスクリューエレメントを用いることが、脱揮効率を高める為に好ましい。更に好ましくは、D/dが1.75〜1.85であることが好ましい。また、その長さは、L/D=2〜10であることが好ましく、2.0〜10.0がさらに好ましい。
なお、第三搬送部8に付帯するベント口10は、大気開放ベントであっても真空ベントであっても良いが、脱揮効率を高める為には、真空ベントを好適に用いることが出来る。
また、スクリュー3の構成において、D/dが異なるスクリューエレメントやニーディングブロックを組み合わせて使用する際には、D/dの差によりスクリューセグメント間に段差が生じることがある。その段差によって樹脂が滞し炭化物が発生したり、スクリューセグメントが破損する場合がある。そのため、D/dの異なるスクリューセグメントを組み合わせる場合には、内径を変化させ、滑らかにスクリューセグメント間を繋ぐ、トランジションエレメントを使用することも可能である。
更に、熱可塑性樹脂組成物の機械強度等の特性を向上させるために、補強材を配合する場合があるが、本発明の押出機を用いて、例えば図2に示すように、溶融後の樹脂に補強材を混合するサイドフィード方式を適用することもできる。その場合は、供給口2から供給された粉体原料を搬送する第一搬送部4と、混練して少なくとも一部を溶融する第一混練部5と、大気開放ベント口9を有する第二搬送部6と、混練溶融する第二混練部7と、供給口12から供給された補強材を搬送する第三搬送部8と、補強材を分散する第三混練部13と、真空ベント口10を有する第四搬送部14を有するスクリュー構成を適用することができる。
本発明の押出機1を用いて熱可塑性樹脂組成物の製造方法を説明する。
供給口2から供給された粉体原料は、押出機バレルの加熱およびスクリュー3の回転により、吐出口11の方に溶融混練されながら運ばれる。混練ゾーン5および混練ゾーン7、あるいは混練ゾーン13で各原料が均一に溶融混練されて熱可塑性樹脂組成物となる。熱可塑性樹脂組成物は吐出口11から吐出され、造粒機にてペレット化されたり、あるいは直接接続された成形装置に送られる。
上記の様な熱可塑性樹脂組成物の溶融混練製造方法に際しては、押出機のバレル温度も重要であり、粉体原料の融点温度以上350℃以下、またはガラス転移温度以上350℃以下に設定して行なうことが好ましい。バレル温度が低すぎると粉体原料の混練状態が不安定となりやすく、逆に高すぎると樹脂の熱分解などの悪影響が発生することがある。
本発明の押出機は、粉体原料の溶融混練に適している。ここで粉体原料としては、粉体樹脂を挙げることができる。粉体樹脂の具体例としては、ポリオレフィン系樹脂(高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン等)ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド系樹脂(ナイロン6、ナイロン66等)、ポリエステル系樹脂(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリカーボネート等)、ポリオキシメチレン(ポリアセタール等)、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、ポリスチレン、液晶プラスチック等を採用することができる。
また、粉体樹脂と粉体フィラーを混合した粉体原料にも有効である。粉体フィラーとしては、従来熱可塑性樹脂組成物の粉体フィラーとして使用されるものを使用することができ、珪酸鉱物、珪酸塩鉱物や種々の鉱物類を粉砕などの加工により微粉化した板状、針状、および粒状のものが好ましく用いられる。具体例としては、ベントナイト、ドロマイト、モンモリロナイト、バーライト、微粉ケイ酸、ケイ酸アルミニウム、酸化ケイ素、ドーソナイト、シラスバルーン、クレー、セリサイト、長石粉、タルク、炭酸カルシウム、炭酸リチウム、カオリン、ゼオライト(合成ゼオライトも含む)、滑石、マイカ、合成マイカおよびワラステナイト(合成ワラステナイトも含む)、ガラスフレーク、ガラスビーズ、ハイドロタルサイトおよびシリカなどが挙げられる。
本発明の押出機を使用する熱可塑性樹脂組成物の製造方法は、供給口2より供給される原料が、特に、見掛け密度が0.1〜0.7g/ml、又は平均粒径が1〜500μmの、嵩高い粉体を含む原料である場合に有効である。なお、見掛け密度はJIS K7365に示される方法で測定した値を言い、平均粒径はJIS K5600−9−3に示される方法で測定した値を言う。
本発明の熱可塑性樹脂組成物の原料には、上記の粉体原料を含むものであり、粉体原料の他に、ペレット状、繊維状などの原料を併用しても良い。
更に補強材は供給口2および/または供給口12より供給する。但し、繊維状補強材のように、強い剪断力を加えたりすると切断しやすいものの場合には、供給口12から供給することが好ましい。かかる補強材の種類は、特に限定されないが、従来熱可塑性樹脂組成物の強化繊維として使用されるものが使用することができ、具体例としては、ガラス繊維、炭素繊維、アスベスト繊維、炭素繊維、グラファイト繊維、金属繊維、チタン酸カリウムウイスカー、ホウ酸アルミニウムウイスカー、マグネシウム系ウイスカー、珪素系ウイスカー、スラグ繊維、石膏繊維、シリカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化硅素繊維及びホウ素繊維などの無機強化繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、再生セルロース繊維、アセテート繊維、ケナフ、ラミー、木綿、ジュート、麻、サイザル、亜麻、リネン、絹、マニラ麻、さとうきび、木材パルプ、紙屑、古紙及びウールなどの有機強化繊維等が挙げられる。
更に、供給口2および/または供給口12より付加的成分を加えることもできる。例えば、エラストマー、難燃剤、酸化防止剤、耐候性改良剤、離型剤、帯電防止剤、核剤、着色剤等を添加することができる。
次に実施例及び比較例によって、本発明の効果を具体的に説明する。
押出機は、(株)日本製鋼所製二軸押出機(TEX44、L/D=35.0)を用い、粉体原料を供給口2から供給し、ベント口9を大気開放ベント、ベント口10を真空ベントとした押出機を通して吐出されたストランド状樹脂組成物を水冷固化し、造粒機にて熱可塑性樹脂組成物ペレットとした。
なお、スクリュー構成は、第一搬送部4、第一混練部5、第二搬送部6、第二混練部7、第三搬送部8の長さL/Dは、順に10.5、5.5、4.0.4.5、10.5と同一とし、搬送部や混練部のD/dを表1に示す通り、種々変えて実験を行なった。
吐出量の測定は、押出機のスクリュー回転数を350rpm、バレル温度を300℃で一定とし、粉体原料が噛み込まなくなる吐出量を測定した。
また、熱可塑性樹脂組成物ペレットを320℃で2時間処理を行い、処理前後の重量変化より加熱減量を測定した。
なお、実施例1〜3及び比較例1〜3に用いた粉体原料は、見掛け密度0.39g/ml、平均粒径60μmのポリフェニレンスルフィド(東レ(株)製L4230)60wt%と、見掛け密度0.43g/ml、平均粒径5μmの炭酸カルシウム((株)カルファイン製KS−1000)40wt%を混合して得た、見掛け密度0.41g/ml、平均粒径30μmの混合粉末原料を使用した。なお、見掛け密度はJIS K7365に示される方法で測定し、平均粒径はJIS K5600−9−3に示される方法で測定した。また、比較例4では、上記混合粉末原料を使用し、押出機を通して吐出されたストランド状樹脂組成物を水冷固化し、造粒機にてペレタイズして得たペレットを原料として使用した。
表1より、比較例に比べ実施例は、吐出量が増加し押出効率に優れ、押出機から吐出後にカッティングして得られる熱可塑性樹脂組成物の発生ガス量を低減することができることがわかる。
Figure 2010105285
本発明に用いられる押出機の1例の横断面図である。 本発明に用いられるサイドフィーダを適用した押出機の1例の横断面図である。 本発明の搬送部に用いられる一条スクリューエレメントの平面図と側面図。 本発明の搬送部に用いられる二条スクリューエレメントの平面図と側面図。 本発明の混練部に用いられるニーディングブロックの平面図と側面図。
符号の説明
1:押出機
2:供給口
3:スクリュー
4:第一搬送部
5:第一混練部
6:第二搬送部
7:第二混練部
8:第三搬送部
9:ベント口
10:ベント口
11:吐出口
12:第二供給口
13:第三混練部
14:第四搬送部

Claims (13)

  1. 同方向回転二軸押出機であって、粉体原料が供給される第一搬送部と、第一搬送部の下流側に2つ以上の混練部と2つ以上の搬送部を有するスクリュー構成を有し、搬送部に少なくとも1つのスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85であるスクリューエレメントを有する粉体原料用押出機。
  2. 第一搬送部にスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85であるスクリューエレメントを有する請求項1に記載の粉体原料用押出機。
  3. 第一搬送部に、リード長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが0.7〜2である一条スクリューエレメントを有する請求項1または2記載の粉体原料用押出機。
  4. 第一搬送部の全体長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが4〜20である請求項1〜3のいずれか記載の粉体原料用押出機。
  5. 第一搬送部に続く第一混練部に、右ひねりのニーディングブロックを有する請求項1〜4のいずれか記載の粉体原料用押出機。
  6. ニーディングブロックのディスク幅Wとスクリュー直径Dとの比W/Dが0.3〜1であり、ひねり角が10〜30°である請求項5記載の粉体原料用押出機。
  7. 第一混練部の全体長さLとスクリュー長径Dとの比L/Dが3〜15である請求項1〜6のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
  8. 第一混練部の下流側にベント口を有する請求項1〜7のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
  9. 第一混練部の下流側の第二搬送部に大気開放ベントを有する請求項1〜8のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
  10. 第二搬送部の下流側の第二混練部より下流側に真空ベントを有する請求項1〜9のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
  11. ベント口を有する搬送部にスクリュー長径Dとスクリュー短径dとの比D/dが1.65〜1.85のスクリューエレメントを有する請求項1〜10のいずれかに記載の粉体原料用押出機。
  12. 請求項1〜11のいずれかに記載の粉体原料用押出機に、見掛け密度が0.1〜0.7g/ml、又は平均粒径が1〜500μmの粉体原料を含む原料を供給し、混練押出する熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
  13. 粉体原料がポリフェニレンスルフィドを20〜100重量%を含む請求項12記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
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