JPS58471B2 - 改良されたポリウレタン組成物 - Google Patents

改良されたポリウレタン組成物

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JPS58471B2
JPS58471B2 JP49123961A JP12396174A JPS58471B2 JP S58471 B2 JPS58471 B2 JP S58471B2 JP 49123961 A JP49123961 A JP 49123961A JP 12396174 A JP12396174 A JP 12396174A JP S58471 B2 JPS58471 B2 JP S58471B2
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silica
polyurethane
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、引裂きエネルギーが改良されたポリウレタン
組成物に関するものである。
従来のポリウレタンの引裂きエネルギー(以下Γと略称
する)は、通常10〜50kg/cmであり、この水準
は、現在ポリウレタンが既に使用されている限定された
分野に於いては満足できるものとして受は入れられてい
る。
しかし、ある種の苛酷な条件下における使用、例えば、
悪路用のタイヤトレッド、衝撃的な引裂応力に耐えなけ
ればならないゴルフボールのカバー、砕石場で、石の大
小を分別するラバースクリーン等の使用には、現行のポ
リウレタンは、耐えられる限界外にあった。
既に高水準にあるポリウレタンのFを更に改良すること
は容易ではないが、もしそれを達成する事に成功すれば
、上記の使用品目を含め、ポリウレタンの用途は益々拡
大されるものと信じられる。
かかるΓを改良するために、シリカを充填する方法は、
ポリウレタン以外のゴム、プラスチックの分野では公知
であるが、これ自体ミクロ不均質補強構造を内在するポ
リウレタンの場合に於いては、その効果は顕著ではない
し、また機械的強度低下を伴うことが予想された。
本発明者らは、かような見解にもかゝわらず、鋭意研究
を進めた結果、硬化後のポリウレタンの架橋点間鎖長(
以下1と略称する)に対し2.5≦1/d≦20の範囲
にある平均粒子径(以下、dと称する)を有する酸性シ
リカを、末端にインシアネート基を有するプレポリマー
100部当り20乃至50部混練り硬化した場合、驚異
的な水準のΓが得られるという予想外の結果をえて、本
発明に到達した。
すなわち、本発明によるポリウレタン硬化組成物の第一
の特徴は、従来のポリウレタンを遥かに凌ぐ、100〜
300kg/cmという高いΓ水準にあることである。
しかも、この際、機械的強度の低下は伴わない。
第2の特徴は、この様な著しい補強効果を示す事にも拘
らず、シリカ充填による弾性率の増加率が、補強性充填
剤の通念及び理論から予想されるより、かなり小さく抑
えられる、という事である。
すなわち、通常のゴムをシリカ等により補強した場合、
弾性率の向上は著しい。
この事は、弾性率の高い水準を望まない場合、欠点とも
なり得るものである。
しかるに本発明の場合、弾性率の水準をほとんど変える
ことなく、Γのみを改良しうる利点を有する。
以下に、本発明を具体的に詳述する。本発明で用いられ
る末端にインシアネート基を有するプレポリマーは、末
端に活性水素基を有するポリエーテル、ポリエステル、
ポリエーテルとポリエステルの共重合体、ジエン重合体
およびこれらの混合物から選ばれた少くとも1つと、イ
ンシアネート化合物とも反応せしめて得られたものであ
る。
こゝで述べる末端活性水素基は、末端水酸基、末端チオ
ール基、末端アミン基、および末端カルボキシル基等を
指す。
上述の末端活性水素基を有するポリエーテル、ポリエス
テル、ポリジエン等はこれらの低分子量のものをあらか
じめ多官能のインシアネート化合物、例えばジイソシア
ネート化合物と反応せしめ予備鎖延長したもの、または
、両末端に活性水素基を有するポリエーテル、ポリエス
テル、ポリジエン等の両末端をインシアネート化合物で
処理し、これに末端多価活性水素基を有するポリエーテ
ル、ポリエステル、ポリジエン等と反応せしめ、予備鎖
延長したもの等も含まれる。
これらのポリエーテル、ポリエステル、ポリジエンの具
体例をあげれば次の通りである。
末端に活性水素を有するポリエーテルとしては例えばポ
リエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリブ
チレンオキシド、ポリエチレンオキシド及びその類似物
並にポリエピクロルヒドリンのようなポリエピハロヒド
リン及びポリスチレンオキシド及びその類似物の如き適
尚なポリアルキレンオキシド及びポリオキシテトラメチ
レングリコールなどのポリヒドリックポリアルキレンエ
ーテル、前記オキサイド類とテトラハイドロフランの共
重合体、ブタンジオキシエチルグリコール又はジエチレ
ングリコールとホルムアルデヒドとを組合して得られる
適当なポリアセタール、等があり、好ましくは、ポリオ
キシテトラメチレングリコールが使用される。
末端に活性水素を有するポリエステルとしては例えば蓚
酸、マロン酸、コハク酸、ゲルタール酸、アジピン酸、
ピメリン酸、コルク酸、アゼライン酸、セバシン酸、ブ
ラシル酸、タプシク酸、フマール酸、クルタコン酸、α
−ヒドロムコン酸、β−ヒドロムコン酸、α−ブチル−
α−エチル−ゲルタール酸、α・β−ジエチルコハク酸
、フタール酸、イソフタール酸、テレフタール酸、ヘミ
メリト酸、トリメリド酸、トリメシン酸、メロファン酸
、プレニチン酸、ピロメリチン酸、ベンゼンペンタカル
ボン酸、1・4−シクロヘキサンジカルボン酸、■・3
・5−ベンゼントリカルボン酸、3・4・9・10−ペ
リレンテトラカルボン酸およびその類似物のような多価
カルボン酸と、エチレンクリコール、フロピレンクリコ
ール、フロパン−1・2−ジオール、フロパン−1・3
−ジオール、アリールオキシプロパンジオール、ブタン
−1・4−ジオール、ブタン−1・3−ジオール、ブタ
ン−2・3−ジオール、ブタン−2・4−ジオール、ブ
タンジオキシエチルグリコール、ブチンート4−ジオー
ル、ブテン−1・4−ジオール、ペンタン〜1・4−ジ
オール、ペンタンート5−ジオール、ヘキサン−1・6
−ジオール、テカンート10−ジオール、ドデカン−1
・12−ジオール、オクタデカン−7・18−ジオール
、4・4′−ジヒドロキシジシクロヘキシルメタン、4
・4′−ジヒドロキシシンクロへキシルジメチルメタン
、ビス−2−ヒドロキシエチルテレフタレート、キシリ
レンクリコール、クリセリン、ヒマシ油、トリメチロー
ルプロパン、トリメチロールエタン、ヘキサン−1・2
・6−ト!Jオール、ヘキサント3・6−ドリオール、
ペンタエリスリトール、ソルビトール、マンニトール、
広義に於ける糖、ハイドロキノン、4・4′−ジヒドロ
キシジフェニルメタン、4・4′−ジヒドロキシジフェ
ニルジメチルメタン、レゾルシノール、クリコールで次
式で表わされるもの (式中nは1〜4である) 及びその類似物及びその混合物等のポリオールとより得
られるヒドロキシポリエステルがあり、好ましくはジヒ
ドロキシポリエチレンアジペート、ジヒドロキシブチレ
ンアジペートが使用される。
またラクトン系、ラクトン共重合系のヒドロキシポリエ
ステル、ポリジメチレンアジペート等のポリエステルエ
ーテルグリコールも使用できる。
末端に活性水素を有するポリジエンとしては、(a)4
〜6個の炭素原子を含有している共役ジエンのホモポリ
マーまたはコポリマー(例えばポリブタジェン、ポリイ
ソプレン、ポリクロロプレン、ポリピペリレン、ブタジ
ェン−イソプレン等)、(b)上記の共役ジエンと芳香
族ビニルモノマーとのコポリマー(例えばブタジェン−
スチレン、インプレン−スチレン、ブタジェン−ビニル
ナフタリン、ブタジェン−α〜メチルスチレン等の各組
合せによるコポリマー)。
(e)上記の共役ジエンとビ= /L/ニトリルモノマ
ーとのコポリマー(例エバフタジエンーアクリロニトリ
ル、インプレン−アクリロニトリル、ブタジェン−α−
またはβ−メチルアクリロニトリル等の各組合せによる
コポリマー)、の各グリコールがある。
中でも末端水酸基を有するポリエーテルおよびポリエス
テルが望ましい。
次にウレタンポリマー形成のため上述のポリエーテル、
ポリエステルまたはポリジエンと反応せしめるインシア
ネート化合物は、通常2ヶ以上のイソシアネート基を有
する化合物が好ましい。
これらの具体例をあげれば、テトラメチレン−1・4−
ジイソシアネート、ヘキサメチレン−1・6−ジイソシ
アネート、■・3−及び1・4−キシレンジイソシアネ
ート等の脂肪族ポリイソシアネート、ω・ω′−ジイソ
シアネー)−1・2−ジメチルシクロヘキサン、■−メ
チルシクロヘキサンー2・4及び2・6−ジイソシアネ
ート、■・3−及び1・4−シクロへキシルジインシア
ネート、メチレンビス(4−シクロヘキシルイソシアネ
ート)、インフオロンジイソシアネート等の脂環式ポリ
イソシアネート、2・4−及び2・6〜トリレンジイソ
シアネート、5−クロロ−2・4−トリレンジイソシア
ネート、ジフェニル−4・4′−ジイソシアネート、メ
タ及びパラフェニレンジイソシアネート、1・4−1■
・5−12・6−1及び2・7−ナフタレンジイソシア
ネート、ジフェニルメタン−4・4′−ジイソシアネー
ト、ジフェニルレンチルシタンー4・4′〜ジイソシア
ネート、ジフェニルエーテル−4・4′−ジイソシアネ
ート、3・3′−ジメチルジフェニル−4・4′−ジイ
ソシアネート、次式で示されるポリメチレンポリフェニ
ルイソシアネート等の芳香族ポリイソシアネート及びこ
れらの混合物を挙げる事ができ、この全てが好ましい。
n=o〜6 上述の如くして得られたプレポリマーを硬化するために
、下記の如き活性水素を有する鎖延長剤が用いられる。
これらのうちポリアミンおよびポリオールが好適である
その具体例としてはポリアミンでは4・4′−メチレン
ビスオルトクロロアニリン、メチレンジアニリン、メチ
レンビス(2−メトキシアニリン)、2・2′・5−ト
リクロロ−4・4’−メチレンジアニリン、0−フェニ
レンジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレ
ンジアミン、2・6−ジクロロ−p−フェニレンジアミ
ン、トリレン−2・4−ジアミン、トルイジン、ジアニ
シジン、ジフェニルエーテル−4・4′−ジアミン、4
・4′−ジフェニルジアミノスルフォン、3・3′−ジ
フェニルジアミノスルフォン、ナフタレン−1・5−ジ
アミン、芳香族ジアミンで次式で表わされるもの即ち (こ匁でRは から選ばれた残基であ りR′は−H,−CH3、−C4H9、および−C6H
13から選ばれた残基である。
)、他の芳香族ジアミンで次式で示されるもの即ち、(
こゝでRは から選ばれた残 基でありR′は−C■3、−C2■5、−C3H7、−
1−C4H9、およびハロゲンから選ばれた残基である
)、2・4−ジアミノクメン、m−トリレンジアミン、
p−クロロ−o−フェニレンジアミン、0−クロロ−p
−フェニレンジアミン及びこれらの誘導体及び混合物等
の芳香族ジアミン、ヒドラジン、エチレンジアミン、ト
リメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、ヘキサメ
チレン−1・6−ジアミン、ピペラジン、プロピレンジ
了りパン及びこれらの混合物等の脂肪族ポリアミンが挙
げられる。
また、活性水素を有する鎖延長のポリオールの例として
は、エチレングリコール、プロピレングリコール、プロ
バント2−ジオール、フロパン−1・3−ジオール、ア
リロキシプロパンジオール、ブタン−1・4−ジオール
、ブタン−1・3−ジオール、ブタン−2・3−ジオー
ル、ブタンジオキシエチルグリコール、ブテンート4−
ジオール、ブチン−1・4−ジオール、ペンタンート4
−ジオール、ペンタン−1・5−ジオール、ヘキサン−
1・6−ジオール、デカン−1・10−ジオール、ドデ
カン−1・12−ジオール、オクタデカン−7・18−
ジオール、4・4′−ジヒドロキシジシクロヘキシルメ
タン、4・4′−ジヒドロキシジシクロへキシルジメチ
ルメタン、ビス−2−ヒドロキシエチルテレフタレート
、キシリレングリコール、クリセリン、ヒマシ油、トリ
メチロールプロパン、トリメチロールエタン、ヘキサン
−1・2・6−ドリオール、ヘキサンート3・6−ドリ
オール、ペンタエリスリトール、ソルビトール、マンニ
トール、広義に於ける糖、ハイドロキノン、4・4′−
ジヒドロキシジフェニルメタン、4・4′−ジヒドロキ
シジフェニルジメチルメタン、レゾルシノール、チオジ
グリコール、グリコールで次式で表わされるもの (式中nは1〜4である) 及びその類似物及びその混合物等が挙げられる。
これらの中でもメチレンビスオルトクロロアニリン、メ
チレンジアニリン、ナフタレン−1・5−ジアミンニフ
エニレンジアミン、トリレン−2・4−ジアミン、ジフ
ェニルエーテル−4・4’−シアミン、ヒドラジン、エ
チレンジアミン、2・6−シクロロフエニレンジアミン
、ヘキサメチレン−ドロージアミン、ピペラジン、次の
構造式で表わされる化合物 及び (こゝでR”は、−CH3、−C2H5、−C3H7、
および−C4H0から選ばれた残基である)、エチレン
クリコール、■・3−プロピレンクリコール、1・4−
ブタンジオール、トリメチロールプロパン、次の構造式
で表わされる化合物。
及びこれらの混合物が好ましい。
本発明で使用するシリカは4%の懸濁水状態で測定した
pHが3〜7の酸性シリカである。
すなわち、ゴム業界で常用されている如きアルカリ性シ
リカは、インシアネート基を三量化、三量化させる副反
応の触媒となったり、正常な鎖延長反応を妨害したり、
機械的強度の悪化を、ひきおこしたりする恐れがあるか
らである。
シリカは、吸水能が大きいので、使用前に加熱減圧乾燥
して、吸着水によるインシアネート消費を抑制すること
も重要である。
本発明を達成する上で重要な点は、配合する酸性シリカ
のdが硬化後のポリウレタン組成物の架橋点間鎖長1に
対し2.5≦1/d≦20の範囲にあることである。
ポリウレタンの1をどの長さに設定するかは、使用者の
硬度に対する要求水準から決められるが下記の方法によ
り、任意の長さに調節する事が可能である。
すなわち、(1)プレポリマーの分子量を変える。
(2)ポリイソシアネート、鎖延長剤の種類を変える。
(3)可塑剤を混合する等。(1)でいうプレポリマー
の分子量は通常用いるポリエーテル、ポリエステルまた
はポリジエンの数平均分子量を1000乃至4000の
範囲に変えることによって行われる。
また(2)、(3)の手段も、適宜に、また要すれば(
1)と組合わせて行われる。
これらの所望のポリウレタンの架橋点間鎖長1に対し2
.5≦1/d≦20の平均粒径の酸性シリカを選択して
始めて飛躍した値の引裂きエネルギーの向上が期待でき
る。
この範囲外すなわち1に対し1/2.5より大きいもの
はΓはある程度は向上しても飛躍的なΓの向上は期待で
きない。
又、1/20未満のものは、現実的でない。
用いられる酸性シリカ粒径の最も好ましい範囲は1に対
し7≦1/d≦15の範囲である。
次に重要なことは、上述の範囲の粒径のシリカの配合量
がプレポリマー100重量部当り20〜50重量部の範
囲にあることである。
この配合量が20重量部未満ではΓの改良が充分でなく
、また50重量部を超える量ではΓ以外の機械的強度の
低下をきたし、好ましくない。
なお、“プレポリマー100重量部当り″という表現は
、一段法の場合は、”活性水素を有する多官能ポリマー
とポリイソシアネートの合計100重量部当り”を意味
するものとする。
ポリマー中へ、シリカを混入する時期は、鎖延長剤をプ
レポリマーに混合する前、プレポリマー側へ混練りして
もよいし、両者を混合させた後、その混合物中へ、シリ
カを混練りしてもよいが、後者の方が、ポリウレタン部
の成分の配合比が精密になるので奨められる。
ポリマー中へのシリカの分散状態は極めて重要な問題で
ある。
本発明の目的を達成するためには、混練りの際、高ぜん
断のかかる装置、例えば、ペイントミル、ラブラミキサ
、2本ロール、ブラベンダー、バンバリー等を使用する
事ができる。
好ましくはペイントミルである。
化学実験室で用いる2枚羽の回転攪拌装置でも混合だけ
は可能であるが、分散が不良である為、前述の装置を用
いた場合に比べて、Γは約5割減少する。
本発明による材料は、高い引裂き特性を要求される物品
に応用することができる。
本発明でいうところの1は、下記に示す様に、測定と、
その結果に基づく計算の2段階で得るものとする。
1例として、ポリオキシテトラメチレングリコールを用
いるポリウレタンの1の測定法を次に示す。
すなわち、第1段階では、文献イーエフ、クルフ等:ジ
ャーナル オフ ポリマーサイエンス 第XLV巻、第
341−345頁1960年(E、F、C1uff e
t al、JourvalofPolymer 5ci
ence、VoL、XLV、Pages341−345
.1960)の方法に従い、英国ウオーレス社のレチキ
ュロメーターを用いて、クロロホルムを膨潤溶媒に用い
て、網目鎖密度νcHc13を測定する。
ρをポリウレタンの比重とすれば、架橋点間分子量Mp
は、Mp=ρ/νCHCl である。
第2段階では、ポリオキシテトラメチレングリコールの
単量体(分子量72)の長さを、結合角を一切考慮せず
7.4人と仮定し、1=(Mp/72 )X7.4の式
で、■を計算する事にする。
■は、シリカを充填しないポリウレタンについて求める
事にし、シリカを充填した場合のl/dの計算は、シリ
カを充填しない場合のlをそのまま用いる事にする。
シリカの平均粒径は、電子顕微鏡で80000倍に拡大
した写真から、統計的に求めた。
又、機械的物性は、東洋ボールドウィン社製の万能引張
り試験機テンシロンUTM−1型を用いて、5cm/m
inの引張り速度で測定した。
測定項目としては、10%モジュラスを10倍して求め
た弾性率(Eloと略称する)、破断強度(TBと略称
する)破断時伸び率(EBと略称する)、Γ、歪集中因
子(mγと略称する)を採用した。
TB、EB、Γの数値は大きい方が良く、mγは小さい
方が良い。
Γは厚さ2mm、巾10mmの試料の端から、巾の方向
へ2mm長のカットを貫通させ、そのカットが、4cm
に設定したチャック間の真中にくる様に固定して、測定
した。
この試験法は、文献(楊井啓吉、二宮和彦、日本ゴム協
会誌、第41巻、116頁、1968)に従って行った
ものである。
この様にして得られた本発明のウレタン組成物は、タイ
ヤトレッド、ソリッドタイヤ、籾摺りロール、コンベア
ローラー、コンベアベルト、Vベルト、スリーブホース
ライニング、ゴルフボールカバー、ラバースクリーン、
防舷材、バンパー、靴底、トラクションドライブベルト
に好適に使用される。
以下に、本発明を、さらに詳細に説明する為、実施例を
示す。
これは、あくまで、例示のためのものであり、本発明を
限定するものではない。
以下すべての部は重量部を示す。
予備実験 十分に脱水したポリオキシテトラメチレングリ1コール
COH価106.9)100部にトリレン−2・4−ジ
イソシアネー)33.7部を加え、80℃の温度で8時
間、攪拌しながら反応させた。
得られたプレポリマーのインシアネート基含量は、6.
02%であった。
(プレポリマーAと略称する)。又、同様の方法により
、これより分子量の大きい3種のポリオキシテトラメチ
レングリコール(OH価66.3.42.6.33.8
)100部当り、トリレン−2・4−ジイソシアネート
を夫々21.1部、13.7部、11.0部を反応させ
、イソシアネート基含量4,12%、2.82%、2.
30%を有する3種のプレポリマーを得た(夫々、プレ
ポリマーB、C,Dと略称する)。
実施例 1 温度を70℃に保ったプレポリマーB100部に、12
0℃で溶解した4・4’−メチレンビスオルトクロロア
ニリンを、アミノ基とインシアネート基の当量比が1.
0であるように加え、十分に混合攪拌した後、混合物を
直ちに、ペイントミル上に移しかえた。
この混合物を予め、180℃の温度と4mmHgの減圧
下で脱水した平均粒径160Aの酸性シリカ(日本アエ
ロジル社品、アエロジル200、pH3,6〜4.3)
を、プレポリマーB成分100都酒り、40部に相当す
る量を配合し混練りを十分に行なった。
この混線物を、すぐに、100℃に予熱しておいた鉄製
のスラブモールドに移し変え、電熱プレスで加圧しなが
ら、100℃で3時間硬化させた。
得られた弾性体組成物のぷ(室温での物性測定結果は表
1に記載した。
この考察は、実施例2.3.4、比較例1〜3説明後、
併せて行うことにする。
実施例2.3.4.5、比較例1〜2 4種のプレ
ポリマーA、B、C1Dと3種のシリカを組合せて、表
1に示す如き、6種の弾性体組成物をえた。
用いたシリカは、平均粒子径80人(日本アエロジル社
品、アエロジル300、pH3,6〜4.3)、160
人(日本アエロジル社品、アエロジル200.pH3,
6〜4.3)、400A(日本アエロジル社品、アエロ
ジル0X50、pH3,6〜4.3)であり、配合量は
プレポリマー100部肖り、40部を使用した。
弾性体組成物をえる為の操作手順は、実施例1と同様に
行なった。
なお、通常ウレタンの物性水準を示すため、プレポリマ
ーA、B、C,Dから、シリカを充填しないポリウレタ
ンを、その他の条件は、実施例1と同一にして作成した
(参考例1〜4)。
これらの弾性体の室温での物性測定結果は、表1に記載
した。
表1の参考例から、まず、通常ウレタンのΓが高々50
kg/cm止りである事を知るべきである。
これらに比較して、シリカを充填した弾性体が、いずれ
の場合も、Γの向上を認めた事はある程度予想しえたと
しても、その中で100〜300kg/cmのものが得
られた事は、驚異的なことであり、全く予想しえない結
果であった。
このΓ向上には、■単独あるいはシリカの平均粒子径単
独が関与しているのではなく、1/dが重要な役割を果
たしていることは表1から明白である。
すなわち、2.5≦1/d≦20が必須である事を知る
ことができる。
実施例6、比較例3〜5 平均粒子径160人のシリカを5部、10部、20部、
60部用いたことを除いて、他は実施例3と同様にして
実験を行なった。
なお、この場合のl/dは7.2である。
表2から、シリカの充填部数が20部に満たない場合は
、Γは殆んど向上しないが、20部から飛躍的に増大し
、40部で最高値をとる。
しかし60部ではΓは低下しはじめ、TBの悪化も顕著
である。
この様な結果から、TBを保持しながら100kg/C
rrL以上のΓ水準を達成する為には、プレポリマー1
00部掘り、20乃至50部が必須な範囲である事が解
る。
次に、これらシリカ充填弾性体組成物に於いて、かよう
な著しい補強作用が発現しているにも拘らず、Eloの
増加率がブース・ゴールド(Gtlth−Gold)の
式(高分子学会線「ゴムの性質と加工」)から予想され
るより小さいことは、重ねて驚くべき利点である。
何故なら、例えば1・4−シスポリブタジェン100部
に、補強性のカーボンブラックSAFを50部混練りし
た弾性体のEloの増加率は、ブース・ゴールドの式か
ら予想される2、0倍より大きく、3.0倍を示すし、
補強性の充填剤では、これが一般的な傾向であるからで
ある。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1末端にイソシアネート基を有するポリウレタンプレポ
    リマー100重量部に対し硬化後の架橋点間鎖長lに対
    し2.5≦1/d≦20の範囲にある平均粒径dの酸性
    シリカ、20〜50重量部を混練り後この混練り物を硬
    化することよりなる引裂きエネルギーが改良されたポリ
    ウレタン組成物。
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