JP5049281B2 - 植物由来成分を有するポリカーボネート樹脂組成物 - Google Patents
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Description
このような問題に対処するために植物由来原料からなるポリカーボネートの研究も行われている(例えば特許文献1)。しかし植物由来原料からなるポリカーボネート単独では耐熱性、特に荷重たわみ温度が上記のような分野で実用的に用いるには十分とはいえず、耐熱性の改善が求められていた。また、植物由来原料からなる他のプラスチックとして近年ポリ乳酸が注目を集めている。ポリ乳酸は生分解性を有するため環境負荷が小さく、また生分解プラスチックの中でも比較的耐熱性が高く、機械的強度、透明性に優れているため、その用途が拡大している。
ポリ乳酸とポリカーボネートから成る樹脂組成物に関しては検討が行われており、ポリカーボネート樹脂の流動性改善やポリ乳酸の耐衝撃性・耐熱性の向上といった効果が得られている(例えば特許文献2〜5等)。しかしながら、ここで用いられているポリカーボネートはいずれも石油由来成分からなる芳香族ポリカーボネートであるため、ポリ乳酸を用いてはいるもののプラスチックの環境負荷減という観点からすると十分にその目的を達成されているとは言い難い。
(A成分)下記式(1)
(R1〜R4はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、シクロアルキル基またはアリール基)
で表されるエーテルジオール残基を含んで成り、ポリカーボネートの全ジオール残基中式(1)で表されるエーテルジオール残基が40〜100モル%を占めるポリカーボネート100重量部、および(B成分)ポリ乳酸1〜40重量部からなり、ポリ乳酸(B成分)はポリL−乳酸成分(B−1成分)とポリD−乳酸成分(B−2成分)とから構成され、かつ示差走査熱量計(DSC)測定の昇温過程におけるポリ乳酸成分に由来する融解ピークにおいて、195℃以上の融解ピーク面積の割合が示差走査熱量計(DSC)測定の昇温過程におけるポリ乳酸成分に由来する融解ピーク測定により得られる195℃以上(高温)の融解ピーク面積と140〜180℃(低温)融解ピーク面積の和に対して60%以上である樹脂組成物によって達成される。
本発明にかかる樹脂組成物は、
(A成分) 下記式(1)
(R1〜R4はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、シクロアルキル基またはアリール基)
で表されるエーテルジオール残基を含んで成り、ポリカーボネートの全ジオール残基中式(1)で表されるエーテルジオール残基が40〜100モル%を占めるポリカーボネート100重量部、および(B成分)ポリ乳酸1〜40重量部からなり、ポリ乳酸(B成分)がポリL−乳酸成分(B−1成分)とポリD−乳酸成分(B−2成分)から構成され、かつ示差走査熱量計(DSC)測定の昇温過程におけるポリ乳酸成分に由来する融解ピークにおいて、195℃以上の融解ピーク面積の割合が示差走査熱量計(DSC)測定の昇温過程におけるポリ乳酸成分に由来する融解ピーク測定により得られる195℃以上(高温)の融解ピーク面積と140〜180℃(低温)融解ピーク面積の和に対して60%以上である樹脂組成物である。
ここで、上記式(1)において、R1〜R4は好ましくは、それぞれ独立に水素原子、構成炭素数1〜12のアルキル基、構成炭素数1〜12のシクロアルキル基、構成炭素数6〜12のアリール基であり、特に、R1〜R4のすべてが水素原子であることが好ましい。
B成分のA成分に対する重量比がこの範囲よりも小さくなると樹脂組成物の溶融粘度が高くなり成型性が悪化するため好ましくない。また同重量比がこの範囲よりも大きいと、耐熱性改善の効果が得られず好ましくない。好ましくはポリカーボネート100重量部に対してポリ乳酸が5〜30重量部である。
本発明において、式(1)で表されるエーテルジオール残基はポリカーボネートの全ジオール残基中の40〜100モル%の範囲である。式(1)で表されるエーテルジオール残基の割合がこの範囲よりも小さくなると、得られる樹脂のガラス転移温度が低くなるため耐熱性が悪化し好ましくない。式(1)で表されるエーテルジオール残基の割合は全ジオール残基中より好ましくは60モル%以上90モル%以下である。
上記ポリカーボネートは、還元粘度が0.40dl/g以上であることが好ましく、より好ましくは0.50dl/g以上であり、さらには0.60dl/g以上であることが好ましい。この範囲内にあるときには良好な溶融流動性を有し、さらには十分な機械強度を有する。なお、成形性等の観点からは1.0dl/g以下、より好ましくは0.80dl/g以下であることがより好ましい。
なお、還元粘度は、重合触媒、重合反応時間、重合反応温度、原料仕込み比等により容易に制御することが可能である。
本発明で用いるポリカーボネートのガラス転移温度は90℃以上であり、より好ましくは100℃以上である。ガラス転移温度が90℃よりも低くなると実用的に十分な耐熱性と成形性が得られない場合がある。
なお、Tgは、重合触媒、重合反応時間、重合反応温度、原料仕込み比、ポリカーボネート中の全ジオール残基中の式(1)で表されるエーテルジオール残基の割合等により容易に制御することが可能である。
ポリカーボネートにおけるジオール残基としては下記式(2)
(R5が炭素数が2から12である脂肪族炭化水素または脂環族から選ばれる基である少なくとも一つのジオール残基)
で表されるジオール残基をさらに含むことが好ましい。該ジオール残基は全ジオール残基中0〜60モル%であり、より好ましくは10〜40モル%である。
ここで上記式(2)におけるジオール残基の元となるジオールつまり、HO−R5−OHで表されるジオール成分としては、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノールなどが挙げられ、これらのジオール成分は少なくとも2種類以上組み合わせても良い。この中でもポリマーの合成において重合度が上がりやすく、またポリマーの物性においても高いガラス転移点を示すといった点で1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオールが好ましく、植物由来の製造法もあることから1,3−プロパンジオールがより好ましい。また、ジオール成分としてエーテルジオール類と脂肪族ジオール以外のジオール成分を含んでも良い。その他のジオール成分として、シクロヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノールなどの脂環式アルキレンジオール類、ジメタノールベンセン、ジエタノールベンゼンなどの芳香族ジオール、ビスフェノール類などが挙げられる。
本発明に用いる脂肪族ジオールは、単蒸留、精留または再結晶のいずれかにより精製するのが好ましい。
上記式(1)で表されるエーテルジオール残基を構成するエーテルジオールとしては、具体的には下記式(3)、(4)または(5)
で表されるイソソルビド、イソマンニド、イソイディッドなどが挙げられる。これら糖質由来のエーテルジオールは、自然界のバイオマスからも得られる物質で、再生可能資源と呼ばれるものの一つである。イソソルビドはでんぷんから得られるD−グルコースに水添した後、脱水を受けさせることにより得られる。その他のエーテルジオールについても、出発物質を除いて同様の反応により得られる。
特に、式(1)で表されるエーテルジオール残基としてイソソルビドの残基を含んでなるポリカーボネートが好ましい。イソソルビドはでんぷんなどから簡単に作ることができるエーテルジオールであり資源として豊富に入手することができる上、イソマンニドやイソイディッドと比べても製造の容易さ、性質、用途の幅広さの全てにおいて優れている。上記式(1)で表されるエーテルジオール残基のうち、イソソルビドの残基は60〜100重量%であることが好ましい。
本発明で用いるポリ乳酸の分子量については特に制限はないが、5万以上であることが好ましく、より好ましくは8万以上、さらには10万以上であることが好ましい。上限としては30万以下であることが好ましい。この範囲内にあるときには良好な溶融流動性を有し、さらには十分な機械強度を有する。
また、ポリ乳酸のガラス転移温度については特に制限はないが、40℃以上であることが好ましく、50℃以上であることがより好ましい。この範囲内にあるときには室温下での使用に十分な耐熱性を有する。なお、ガラス転移温度の上限値については70℃以下であることが好ましい。
本発明の樹脂組成物におけるポリ乳酸(B成分)は、主としてL−乳酸単位からなるポリ乳酸であるB−1成分、および主としてD−乳酸単位からなるポリ乳酸であるB−2成分である。
B−1成分は、主にL−乳酸単位とその他D−乳酸単位および/または乳酸以外の共重合成分単位とにより構成されるポリ乳酸である。
B−2成分は、主にD−乳酸単位とその他L−乳酸単位および/または乳酸以外の共重合成分単位とにより構成されるポリ乳酸である。
さらに、本発明の樹脂組成物におけるB成分中のB−1成分およびB−2成分の重量比(B−1成分/B−2成分)は10/90〜90/10であることが好ましく、より大きな耐熱性向上効果を発現させるためには、25/75〜75/25であることが好ましく、さらに好ましくは40/60〜60/40である。一方のポリマーの重量比が10未満であるかまたは、90を超えると、耐熱性向上の効果が十分に発現しないため好ましくない。
ポリ乳酸(B成分)中のポリ乳酸成分には、本発明の目的を阻害しない範囲において、乳酸以外の成分を共重合してもよく、この乳酸以外の共重合成分単位としては、2個以上のエステル結合形成可能な官能基を持つジカルボン酸、多価アルコール、ヒドロキシカルボン酸、ラクトン等由来の単位およびこれら種々の構成成分からなる各種ポリエステル、各種ポリエーテル、各種ポリカーボネート等由来の単位を単独、もしくは混合して使用することができる。
ジカルボン酸としては、コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、テレフタル酸、イソフタル酸等が挙げられる。多価アルコールとしてはエチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、グリセリン、ソルビタン、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の脂肪族多価アルコール等あるいはビスフェノールにエチレンオキシドが付加させたものなどの芳香族多価アルコール等が挙げられる。ヒドロキシカルボン酸として、グリコール酸、ヒドロキシブチルカルボン酸等が挙げられる。ラクトンとしては、グリコリド、ε−カプロラクトングリコリド、ε−カプロラクトン、β−プロピオラクトン、δ−ブチロラクトン、β−またはγ−ブチロラクトン、ピバロラクトン、δ−バレロラクトン等が挙げられる。
本発明の樹脂組成物におけるポリ乳酸(B成分)を構成する各ポリ乳酸成分(B−1、B−2成分)は、既知の任意のポリ乳酸の重合方法により製造することができ、例えばラクチドの開環重合、乳酸の脱水縮合、およびこれらと固相重合を組み合わせた方法などにより製造することができる。
各ポリ乳酸成分(B−1、B−2成分)を既知の任意の重合方法により製造する場合、副生成物として乳酸の環状二量体であるラクチドが生成することがある。各ポリ乳酸成分は、樹脂の熱安定性を損ねない範囲であれば、かかるラクチドを含有していてもよい。
かかる各ポリ乳酸成分に含まれるラクチドは、各ポリ乳酸成分の重合終了後、溶融減圧下で除去する方法、溶媒を用いて抽出除去する方法などにより、ポリ乳酸成分から除去することが、樹脂の熱安定性を向上させる上で好ましい。各ポリ乳酸成分に含まれるラクチドは、各ポリ乳酸成分に対して2重量%以下、好ましくは1重量%以下、より好ましくは0.5重量%以下である。
ポリ乳酸(B成分)を構成する各ポリ乳酸(B−1、B−2成分)に使用される乳酸以外の共重合成分単位は、2個以上のエステル結合形成可能な官能基を持つジカルボン酸、多価アルコール、ヒドロキシカルボン酸、ラクトン等およびこれら種々の構成成分からなる各種ポリエステル、各種ポリエーテル、各種ポリカーボネート等が挙げられる。
ポリ乳酸(B成分)を構成する各ポリ乳酸成分(B−1、B−2成分)は、樹脂の熱安定性を損ねない範囲で重合に関わる触媒を含有していてもよい。このような触媒としては、各種のスズ化合物、アルミニウム化合物、チタン化合物、ジルコニウム化合物、カルシウム化合物、有機酸類、無機酸類などを挙げることができる。このような触媒としては、スズ、アルミニウム、ジルコニウムおよびチタンの脂肪酸塩、炭酸塩、硫酸塩、リン酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、アルコラート、あるいは、それら金属そのものが挙げられる。具体的には、オクチル酸スズ、アルミニウムアセチルアセトネート、アルミニウムアルコキシド、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシドが挙げられる。
かかる各ポリ乳酸成分(B−1、B−2成分)に含まれる重合に関わる触媒は、各ポリ乳酸成分の重合反応終了後に、溶媒を用いて抽出除去する方法、または該触媒を不活性化させる公知の安定剤を共存させる方法などにより、除去または失活させることが、樹脂の熱安定性を向上させる上で好ましい。
本発明で得られる樹脂組成物の示差走査熱量計(DSC)測定を行うと昇温過程において140〜180℃および195℃以上の領域に2種の異なる融解ピークが観測される。該樹脂組成物のうちポリカーボネート成分は非晶性であるために融解ピークが観測されず、これら2種類の融解ピークはポリ乳酸に帰属される。これらのピークのうち195℃以上の融解ピークの割合が60%以上であることが好ましい。この割合が60%未満となると耐熱性向上の効果が十分に得られず好ましくない。この割合は70%以上であることがより好ましく、80%以上であることがさらに好ましい。
本発明の樹脂組成物においては、厚さ3mm、幅12mm、長さ120mmの試験片を用いてISO75−1およびISO75−2に従って樹脂組成物の荷重たわみ温度を測定した際に1.80MPaの荷重下での荷重たわみ温度が85℃より高い温度である。荷重たわみ温度がこれよりも低いと種々の用途において使用する際の耐熱性が十分ではなく好ましくない。
本発明の樹脂組成物は単独で用いてもよく、また本発明の目的を損なわない範囲で他の熱可塑性樹脂(例えば、ポリアルキレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂、液晶性ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂など)、充填剤(ガラス繊維、炭素繊維、天然繊維、有機繊維、セラミックスファイバー、セラミックビーズ、タルク、クレーおよびマイカなど)、酸化防止剤(ヒンダードフェノール系化合物、イオウ系酸化防止剤など)、難燃添加剤(リン系、ブロモ系など)、紫外線吸収剤(ベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、シアノアクリレート系など)、流動改質剤、着色剤、光拡散剤、赤外線吸収剤、有機顔料、無機顔料、離形剤、可塑剤などを添加することができる。
また、本発明の樹脂組成物は射出成型や押出成型、ブロー成型などの方法によって、各種成型品(射出成型品、押出成型品、ブロー成型品、フィルム、繊維、シートなど)に加工し利用することができる。
下記の製造例に示す方法により、(A成分)ポリカーボネート成分(以下、「Bio−PC」と略記することがある。)および(B成分)ポリ乳酸成分の製造を行った。また実施例中における各値は下記の方法で求めた。
(1)還元粘度:フェノール/テトラクロロエタン(体積比50/50)の混合溶媒10mlに対してポリカーボネート120mgを溶解して得た溶液の35℃における粘度をウデローベ粘度計で測定した。単位はdl(リットル)/gである。
(2)重量平均分子量:ポリ乳酸の重量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラム(GPC)によりポリスチレン換算値を求めた。
(3)ガラス転移温度およびポリ乳酸に帰属される195℃以上の融解ピークの割合(R195以上):TA instruments社製DSC2920を用いて窒素雰囲気下、昇温速度20℃/分の条件で測定した。尚、R195以上は下記の各実施例で得られた射出成型品のDSC測定結果より195℃以上(高温)の融解ピーク面積と140〜180℃(低温)融解ピーク面積から以下の式により算出した。
R195以上(%)=A195以上/(A195以上+A140〜180)×100
R195以上:195℃以上の融解ピークの割合
A195以上:195℃以上の融解ピーク面積
A140〜180:140〜180℃の融解ピーク面積
(4)荷重たわみ温度:射出成型により得られた厚さ3mm、幅12mm、長さ120mmの試験片を用いて1.80MPaの荷重下で測定し、ISO75−1およびISO75−2に準ずる手法で測定した。
(5)植物由来成分含有比率(wt%):植物由来成分比率は下記にBioPC中の植物由来成分含有比率(wt%)を82%(以下に算出式を記載)、scPLAの植物由来成分含有比率(wt%)を100%、ビスフェノールAよりなる一般タイプのポリカーボネートの植物由来成分含有比率(wt%)を0とし、それぞれの含有割合から下記式により樹脂組成物中の植物由来成分含有比率(wt%)を求めた。
BioPC中の植物由来成分含有比率(wt%)=
式中、イソソルビドユニットとは、イソソルビドからカルボニル基を除いたユニットを、1,3−プロパンジオールユニットとは、1,3−プロパンジオールからカルボニル基を除いたユニットを意味する。
また、式中Aは樹脂中のイソソルビドユニットモル比率(=0.75)を意味し、式中Bは樹脂中の1,3−プロパンジオールユニットモル比率(=0.25)を意味する。
樹脂組成物中の植物由来成分含有比率(wt%)=
82×C+100×D+0×E
式中、Cは樹脂組成物中のBioPCの重量比率、Dは樹脂組成物中のscPLAの重量比率、EはビスフェノールAよりなる一般タイプのポリカーボネートの重量比率をそれぞれ示す。
製造例1:(A成分)ポリカーボネート成分(Bio−PC)の製造
イソソルビド(20.0kg、137モル)、1,3−プロパンジオール(4.69kg、61.6モル)およびジフェニルカーボネート(41.9kg、196モル)とを重合槽に入れ、また重合触媒として2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン二ナトリウム塩(13.3mg、4.89×10−5モル)およびテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(7130mg、1.96×10−2モル)を加え窒素雰囲気下180℃で溶融した。攪拌下、減圧および昇温を行い、生成するフェノールを留去しながら反応槽内を66.67Pa(0.5mmHg)、245℃に到達せしめた。得られたポリカーボネートを「Bio−PC」と略記する。
Bio−PCの還元粘度は0.59〜0.63、DSC測定によるガラス転移点は121〜122℃であった。
製造例2:(B−1成分)ポリL−乳酸成分の製造
L−ラクチド(株式会社武蔵野化学研究所製)48.75重量部とD−ラクチド(株式会社武蔵野化学研究所製)1.25重量部を重合槽に加え、系内を窒素置換した後、ステアリルアルコール0.05重量部、触媒としてオクチル酸スズ25×10−3重量部を加え、190℃、2時間、重合を行い、ポリマーを製造した。このポリマーを7%5N塩酸のアセトン溶液で洗浄し、触媒を除去し、ポリL−乳酸成分(PLLA、B−1成分)を得た。得られたPLLA(B−1成分)の重量平均分子量は118,200であった。融点(Tm)は159℃であった。結晶化点(Tc)は120℃であった。
製造例3:(B−2成分)ポリD−乳酸成分の製造
L−ラクチド(株式会社武蔵野化学研究所製)1.25重量部とD−ラクチド(株式会社武蔵野化学研究所製)48.75重量部を重合槽に加え、系内を窒素置換した後、ステアリルアルコール0.05重量部、触媒としてオクチル酸スズ25×10−3重量部を加え、190℃、2時間、重合を行い、ポリマーを製造した。このポリマーを7%5N塩酸のアセトン溶液で洗浄し、触媒を除去し、ポリD−乳酸成分(PDLA、B−2成分)を得た。得られたPDLA(B−2成分)の重量平均分子量は130,700であった。融点(Tm)は156℃であった。結晶化点(Tc)は120℃であった。
実施例1
(A成分)100重量部に対して、(B−1成分)5.5重量部および(B−2成分)5.5重量部をペレット状でドライブレンドしたものを射出成型機(日精樹脂工業株式会社製射出成型機PS20E2A)を用いて、シリンダー温度240℃、金型温度40℃、射出時間4秒、冷却時間30秒で射出成型することにより、厚さ3mm、幅12mm、長さ120mmの成型品を作製し、荷重たわみ温度を測定した(重量比:Bio−PC/PLLA/PDLA=90/5/5)。結果を表1に示す。
実施例2
(A成分)100重量部に対して、(B−1成分)および(B−2成分)をそれぞれ12.5重量部混合した以外は実施例1と同様の操作により作製した成型品の荷重たわみ温度を測定した(重量比:Bio−PC/PLLA/PDLA=80/10/10)。結果を表1に示す。
比較例1
(A成分)100重量部に対して、(B−1成分)および(B−2成分)をそれぞれ21.5重量部混合した以外は実施例1と同様の操作により作製した成型品の荷重たわみ温度を測定した(重量比:Bio−PC/PLLA/PDLA=70/15/15)。結果を表1に示す。
比較例2
(A成分)100重量部をシリンダー温度230℃、金型温度50℃で射出成型することにより、厚さ3mm、幅12mm、長さ120mmの成型品を作製し、荷重たわみ温度を測定した。結果を表1に示す。
参考例1
ビスフェノールAよりなる一般タイプのポリカーボネート(PC、帝人化成株式会社製「パンライト」、L−1250)100重量部に対して(B−1成分)および(B−2成分)をそれぞれ12.5重量部混合し、成型時の金型温度を80℃とした以外は実施例1と同様の操作により作製した成型品の荷重たわみ温度を測定した(重量比:PC/PLLA/PDLA=80/10/10)。結果を表1に示す。
参考例2
ビスフェノールAよりなる一般タイプのポリカーボネート(PC、帝人化成株式会社製「パンライト」L−1250)をシリンダー温度280℃、金型温度を80℃とした以外は実施例1と同様の操作により作製した成型品の荷重たわみ温度を測定した。結果を表1に示す。
表1からわかるように、Bio−PCとポリ乳酸とからなる本発明の樹脂組成物は、植物由来成分含有比率は低減させることなく、Bio−PC単体と比べて荷重たわみ温度が10℃以上の飛躍的向上をしていることがわかる。
Claims (6)
- (A成分)下記式(1)
(R1〜R4はそれぞれ独立に水素原子、アルキル基、シクロアルキル基またはアリール基)
で表されるエーテルジオール残基を含んで成り、全ジオール残基中式(1)で表されるエーテルジオール残基が40〜100モル%を占めるポリカーボネート100重量部、および(B成分)ポリ乳酸1〜40重量部からなり、ポリ乳酸(B成分)がポリL−乳酸成分(B−1成分)とポリD−乳酸成分(B−2成分)から構成され、かつ示差走査熱量計(DSC)測定の昇温過程におけるポリ乳酸成分に由来する融解ピークにおいて、195℃以上の融解ピーク面積の割合が示差走査熱量計(DSC)測定の昇温過程におけるポリ乳酸成分に由来する融解ピーク測定により得られる195℃以上(高温)の融解ピーク面積と140〜180℃(低温)融解ピーク面積の和に対して60%以上である樹脂組成物。 - B成分中のポリL−乳酸成分(B−1成分)とポリD−乳酸成分(B−2成分)の重量比(B−1成分/B−2成分)が10/90〜90/10である請求の範囲第1項に記載の樹脂組成物。
- 厚さ3mm、幅12mm、長さ120mmの試験片を用いてISO75−1およびISO75−2に従って樹脂組成物の荷重たわみ温度を測定した際に1.80MPaの荷重下での荷重たわみ温度が85℃より高い温度である請求の範囲第1項または第2項に記載の樹脂組成物。
- 式(2)のジオール残基が1,3−プロパンジオール残基である、請求の範囲第4項に記載の樹脂組成物。
- 式(1)で表されるエーテルジオール残基として、イソソルビド残基を含んで成る、請求の範囲第1項〜第5項のいずれかに記載の樹脂組成物。
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