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JP7793633B2 - エアフィルタ用濾材 - Google Patents
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JP7793633B2 - エアフィルタ用濾材 - Google Patents

エアフィルタ用濾材

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Description

本開示は、工場及びビルの空調、自動車客室、エアコン、空気清浄機、個人用保護具等の種々の分野で使用されるエアフィルタ用濾材に関し、特に、環境負荷が小さく、かつ使用時の濾過性能の低下が小さいエアフィルタ濾材に関する。
ビル空調等に使用されるエアフィルタ用の中・高性能濾材としては、ガラス繊維濾材及びメルトブローン不織布濾材が主に使用される。ガラス繊維濾材は、不燃性であるため使用後は産業廃棄物として埋め立て処分される。このため、廃棄時の環境負荷が大きい。また、メルトブローン不織布濾材は、原料として再生不可能で有限な化石資源(PP等)を使用しており、焼却処分された場合のライフサイクル全体での二酸化炭素排出量が大きい。また使用後に環境に流出した場合、分解されず環境中に留まり続ける。以上の理由により、環境負荷が小さい、再生可能原料が主成分であり、かつ生分解性を有する濾材が望まれている。
これら問題を解決するために、フィブリル化リヨセル繊維、生分解性繊維、及び再生繊維または半合成繊維を含有する濾材が提案されている(特許文献1又は特許文献2を参照。)。しかしながら、リヨセル繊維等のセルロース系繊維は吸湿性及び吸水性が高いため、高湿度の環境での使用や、水分を含む気流やダストが通過した場合に、繊維の膨潤や濾材構造の変化を引き起こし、エアフィルタ用濾材の濾過性能の低下、例えば、PF値の低下を引き起こす問題がある。なお、PF値は数1の式により定義され、このPF値が高いほど、ダスト粒子の捕集効率が高く、かつ圧力損失が低い、濾過性能が高い濾材であることを意味する。
ここで、透過率[%]=100-捕集効率[%]
上記の問題を解決するためには、濾材に撥水性を付与する方法が有効であり、エアフィルタ用濾材に撥水性を付与する方法としては、フッ素系撥水剤を用いる方法が広く用いられている(例えば、特許文献3又は特許文献4を参照。)。しかしながら、フッ素系撥水剤を構成するパーフルオロアルキル化合物は、難分解性でかつ生物蓄積性が高いため、世界的にその使用を規制する動きがあり、本発明の目的には適さない。
特開2006-167659号公報 特開2006-326470号公報 特開2001-79318号公報 特開2014-98082号公報
前記の通り、環境負荷が小さく、かつ使用時の濾過性能の低下が小さい濾材が求められているが、従来の技術では、これらの特性を兼ね備えた濾材を得ることが難しかった。したがって、本開示の課題は、再生可能原料が主成分であり、かつ生分解性を有し、さらには十分な撥水性を有するエアフィルタ用濾材を提供することである。
本発明に係るエアフィルタ用濾材は、濾材を構成する繊維が、叩解繊維と非叩解繊維とを含み、前記叩解繊維がフィブリル化リヨセル繊維であり、前記非叩解繊維が生分解性繊維であり、前記叩解繊維と前記非叩解繊維の質量比率(叩解繊維/非叩解繊維)が3/97~20/80の範囲であり、かつ、前記濾材が、分子中にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーを主成分とする撥水剤を含み、前記撥水剤の主成分である前記炭化水素系ポリマーが、アクリルポリマーであり、該アクリルポリマーのエステル部分の炭素数が9個以上であることを特徴とする。このような構成によれば、環境負荷が小さく、かつ使用時の濾過性能の低下が小さい濾材を得ることができる。また、高い撥水性を得られる。
本発明に係るエアフィルタ用濾材では、前記非叩解繊維である前記生分解性繊維が、再生セルロース繊維、天然セルロース繊維及びポリ乳酸繊維からなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。これにより、高い濾過性能と生分解性を有する濾材を得ることができる。さらに、前記ポリ乳酸繊維の配合量は、全繊維質量を100質量部としたとき、0~20質量部であることが好ましい。
本発明に係るエアフィルタ用濾材では、濾材全体における前記撥水剤の含有量が、固形分で0.3~2.0質量%であることが好ましい。
本発明に係るエアフィルタ用濾材では、前記濾材が、界面活性剤を含む形態を包含する。これにより、高い濾過性能を得ることができる。
本発明に係るエアフィルタ用濾材では、前記界面活性剤が、第四級アンモニウム塩であることが好ましい。これにより、さらに高い濾過性能を得ることができる。
本発明に係るエアフィルタ用濾材では、MIL-STD-282に規定された撥水性が、100mm水柱高以上であることが好ましい。これにより、使用時の濾過性能の低下を抑えることができる。
本発明に係るエアフィルタ用濾材では、前記叩解繊維である前記フィブリル化リヨセル繊維は、平均繊維径が0.3μm以上、最大繊維径が8μm以下、長さ加重平均繊維長が1mm以上であることが好ましい。捕集効率及び濾材の引張強度の低下が生じにくい。
本発明に係るエアフィルタ用濾材では、前記非叩解繊維である前記生分解性繊維は、繊維径が5μm以上であることが好ましい。平均繊維径が5μm以上であると、叩解繊維を均一に分布させるために必要な空隙を維持することでき、圧力損失の上昇を引き起こしにくく、濾材の捕集効率の低下も引き起こしにくい。
本開示により、環境負荷が小さく、かつ使用時の濾過性能の低下が小さい濾材を得ることができる。すなわち、再生可能原料が主成分であり、かつ生分解性を有し、さらにはフィブリル化リヨセル繊維を含むセルロース系繊維の吸湿を防ぐために十分な撥水性を有するエアフィルタ用濾材を得ることができる。
次に、本発明について実施形態を示して詳細に説明するが、本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。
本実施形態におけるリヨセル繊維とは、溶剤としてN-メチルモルホリン-N-オキシドを用いた有機溶剤紡糸法によって紡糸された再生セルロース繊維である。有機溶剤紡糸法は、セルロースをそのまま有機溶剤に溶解させて紡糸するため、分子の切断が少なく、平均重合度が他の再生セルロース繊維に比べて高く、繊維の剛直性が高いとともに、繊維の断面形状が円形に近い特徴を有する。この剛直性と断面形状により、濾材中の空隙を維持し易くなる。また、叩解後のフィブリル化リヨセル繊維も、前記の剛直性と断面形状の特徴を維持する。さらに、叩解によりフィブリル化されると、粒子捕集に寄与する繊維の表面積が大きくなるため、捕集効率が上昇するとともに、繊維同士の絡み合いが多くなるため、濾材の引張強度が上昇する。
本実施形態における叩解繊維は、フィブリル化リヨセル繊維であり、叩解繊維の配合量は、濾材を構成する全繊維質量を100部とすると、そのうち、3~20部であり、好ましくは5~15部、さらに好ましくは5~13部である。配合量が3部よりも少ないと、十分な捕集効率が得られにくく、また繊維同士の絡まりが少ないために十分な引張強度が得られない。一方で、配合量が20部よりも多いと、繊維同士の絡まりが多すぎるために空隙を塞いで、捕集効率の上昇に比して圧力損失が大きく上昇し、PF値が低下する。
リヨセル繊維をフィブリル化するための叩解方法としては、ナイヤガラビーター、PFIミル、シングルディスクリファイナー、ダブルディスクリファイナー等の叩解機を使用できる。叩解においては、リヨセルの繊維長を短くしすぎないように、強すぎる負荷をかけずに叩解することが好ましい。
リヨセル繊維の叩解を進めると、繊維が切断されて繊維長が短くなる。繊維長が短くなりすぎると、シート形成後の空隙を埋めてしまうため、圧力損失が高くなる恐れがある。本発明で使用するフィブリル化リヨセル繊維は、長さ加重平均繊維長が1mm以上であることが好ましく、1~3mmであることがより好ましく、1~2mmであることがさらに好ましい。
なお、フィブリル化リヨセル繊維の長さ加重平均繊維長は、ISO 16065-2:2007「Determination of fibre length by automated optical analysis-Part2」にしたがって測定した。
リヨセル繊維は、叩解によりフィブリル化が進行して繊維径が細くなる。本実施形態で使用するフィブリルリヨセル繊維の平均繊維径は0.3μm以上であることが好ましく、0.3~1.0μmであることがより好ましく、0.3~0.8μmであることがさらに好ましい。フィブリル化リヨセル繊維の最大繊維径は8μm以下であることが好ましく、6μm以下であることがより好ましく、4μm以下であることがさらに好ましい。平均繊維径が0.3μm未満であると、フィブリル化の進行にともなって繊維が切断され、濾材の引張強度が低くなるとともに、空隙を維持することができなくなり、捕集効率が低下するおそれがある。また、平均繊維径が1.0μmを超える、及び最大繊維径が8μmを超えると、粒子捕集に寄与する繊維の表面積が小さくなり、捕集効率が低下するおそれがある。
なお、本実施形態における繊維径は、電子顕微鏡を用いて濾材の表面の写真撮影を行い、得られた電子顕微鏡写真に横方向に直線を1本引き、その直線と繊維との交点における繊維径を計測した。平均繊維径は、測定200点の算術平均値とした。
本実施形態における非叩解繊維は、叩解されていない生分解性繊維であり、再生セルロース繊維、天然セルロース繊維及びポリ乳酸繊維からなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。同じ種類の繊維について繊維径の異なる繊維を配合してもよい。
本実施形態における非叩解繊維の配合量は、濾材を構成する全繊維質量を100部とすると、そのうち、80~97部である。配合率がこの範囲を外れると、前記の叩解繊維の配合量の範囲を外れることとなる。
再生セルロース繊維とは、セルロースを原料として、ビスコース法により紡糸されたビスコースレーヨン繊維や、有機溶媒紡糸法により紡糸されたリヨセル繊維等である。これらは、木材パルプを原料とした再生可能材料であり、土中埋没生分解性及び海洋生分解性を有している。
天然セルロース繊維とは、植物から取り出されたセルロースを主体とした繊維であり、木材パルプ、コットンリンターパルプ、麻パルプ、ケナフパルプ、木材パルプをアルカリ処理して得られるマーセル化パルプ等がある。これらは、植物を原材料とした再生可能原料であり、土中埋没生分解性を有している。
ポリ乳酸繊維とは、バイオマス由来の澱粉を原料として糖化及び発酵により得られた乳酸を化学的に重合したポリマーを主体として紡糸した繊維である。これは、トウモロコシ等を原料とした再生可能材料であり、土中埋没生分解性を有している。またポリ乳酸繊維は、セルロース系繊維とは異なり熱可塑性を有しているため、熱融着により濾材に引張強度を付与し、または濾材に熱成形性を付与することができる。ポリ乳酸繊維は、原料が食料と競合するため、濾材物性が許容できる範囲で、配合量を低く抑えることが好ましい。ポリ乳酸繊維の配合量は、濾材中の繊維全体のうち、好ましくは0~30部であり、より好ましくは0~20部である。すなわち、非叩解繊維の配合量は、濾材を構成する全繊維質量を100部とすると、そのうち、80~97部であり、ポリ乳酸繊維をn部配合する場合には、再生セルロース繊維及び天然セルロース繊維の合計量(片方のみである場合を含む)を(80-n)~(97‐n)部配合する。但し、nは30部以下であることが好ましい。
本実施形態における非叩解繊維は、平均繊維径が5μm以上であることが好ましく、より好ましくは5~40μmであり、さらに好ましくは7~35μmである。平均繊維径が5μmよりも細いと、叩解繊維を均一に分布させるために必要な空隙を維持することが難しくなり、圧力損失の上昇を引き起こす恐れがある。一方で、平均繊維径が40μmを超えると、叩解繊維との繊維径の差異が大きいために、濾材の孔径のばらつきが大きくなり、捕集効率の低下を引き起こす恐れがある。
本実施形態における撥水剤は、使用中の濾過性能の低下を防止するのに十分な撥水性を付与するために用いられる、分子中にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーを主成分とする撥水剤であり、アクリルポリマーを主成分とすることが好ましい。ここで、分子中にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーを主成分とするとは、撥水剤のポリマー成分のうち50質量%以上が、好ましくは80質量%以上が、さらに好ましくは90質量%以上が、炭化水素を骨格とし、酸素や窒素等を含む有機化合物からなるポリマーからなることである。アクリルポリマーを主成分とする撥水剤は、原料モノマーであるアクリル酸エステルまたはメタクリル酸エステルのエステル部分の炭素数を多くすることにより、撥水性を高くすることができる。ここで、アクリルポリマーを主成分とするとは、撥水剤のポリマー成分のうち50質量%以上が、好ましくは80質量%以上が、さらに好ましくは90質量%以上が、アクリル酸エステル及び/またはメタクリル酸エステルを主な原料モノマーとして重合されたポリマーからなることである。また、前記エステル部分の炭素数は、9個以上が好ましく、12個以上がより好ましい。
本実施形態における濾材の撥水性は、好ましくは100mm水柱高以上であり、より好ましくは150mm水柱高以上、さらに好ましくは200mm水柱高以上である。濾材中の撥水剤含有量は、必要とする撥水性が得られ、かつ濾材の生分解性を阻害しない範囲とする必要がある。濾材全体における撥水剤含有量は固形分で0.3~2.0質量%がよく、好ましくは0.3~1.0質量%であり、さらに好ましくは0.3~0.5質量%である。
本実施形態における界面活性剤は、濾材中の繊維同士が密着しすぎることを防止して濾過性能を向上させるために用いられる。種々の組成及びイオン性を有する界面活性剤の中から、本発明の効果を妨げない範囲で選択できる。特に、濾過性能を向上させる効果が高い、第四級アンモニウム塩が好ましい。さらに、第四級アンモニウム塩は抗菌性を有することから、濾材への抗菌性の付与が可能である。濾材中の界面活性剤含有量は、濾材の生分解性を阻害しない範囲とする必要がある。濾材全体における界面活性剤含有量は固形分で0~1.0質量%がよく、好ましくは0~0.5質量%であり、さらに好ましくは0.1~0.5質量%である。
本実施形態における濾材の坪量は、特に限定するものではないが、好ましくは25~350g/m、より好ましくは50~250g/m、さらに好ましくは70~150g/mである。
本実施形態における濾材のPF値は、特に限定するものではないが、好ましくは5以上であり、より好ましくは7以上である。
本実施形態における濾材の引張強度は、用途や後加工の方法に応じて必要とされる引張強度が異なり、特に限定するものではないが、好ましくは0.4kN/m以上、より好ましくは0.6kN/m以上である。
本実施形態の濾材は、湿式抄紙法を用いて製造される。すなわち、濾材を構成する繊維をパルパー等の分散機を用いて水中に分散させて、得られた繊維スラリーをワイヤー上に堆積及び脱水してシートを形成し、得られた湿潤シートを熱風ドライヤーやシリンダードライヤー等の乾燥機を用いて乾燥させて、乾燥シートとしての濾材を得る。撥水剤及び界面活性剤を付与する場合は、乾燥前の湿潤シートに対して、水分散液の状態でスプレーまたは浸漬等の含浸処理により付与されて、乾燥される。また、撥水剤のみを付与する場合には、乾燥後の乾燥シートに付与してもよい。
以下に、本発明に係る実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。しかし、本発明はこれらに限定されるものではない。
リヨセル繊維(繊度1.7dtex(繊維径12μm)、繊維長4mm、製造元:Lenzing AG)に対して、ナイヤガラビーターを用いて叩解処理を行い、平均繊維径が0.7μm、最大繊維径3.5μm、長さ加重平均繊維長が1.1mmであるフィブリル化リヨセル繊維を得た。
叩解繊維として得られたフィブリル化リヨセル繊維、及び
非叩解繊維として、次に列挙する、
リヨセル繊維(繊度1.7dtex(繊維径12μm)、繊維長4mm、製造元:Lenzing AG)、
レーヨン繊維(1)(繊度0.6dtex(繊維径7μm)、繊維長4mm、製品名:レーヨンコロナSD、製造元:ダイワボウレーヨン(株)、
レーヨン繊維(2)(繊度2.2dtex(繊維径14μm)、繊維長5mm、製品名:レーヨンコロナSB、製造元:ダイワボウレーヨン(株))、
レーヨン繊維(3)(繊度9.0dtex(繊維径28μm)、繊維長8mm、製品名:レーヨンコロナCD、製造元:ダイワボウレーヨン(株))、
マーセル化パルプ繊維(平均繊維径34μm、平均繊維長2.8mm)、製品名:Porocenia、製造元:Rayonier Inc.)、
コットンリンター繊維(平均繊維径18μm、平均繊維長2mm、製品名:PS711、製造元:Shandong Silver Hawk Chemical Fiber Co.)、
ポリ乳酸単一繊維(繊度1.7dtex(繊維径13μm)、繊維長5mm、融点170℃、製品名:テラマックPL01、製造元:ユニチカ(株))、
またはポリ乳酸芯鞘繊維(繊度2.2dtx(繊維径15μm)、繊維長5mm、芯部融点170℃、鞘部融点130℃、製品名:テラマックPL80、製造元:ユニチカ(株))、
の何れかを、
表1~表3に示した部数比率で混合して、スラリー濃度が0.5質量%となるように水道水を加えてパルパーを用いて離解して繊維スラリーを得た。次に、表1~表3に示した坪量となるように計量した繊維スラリーを、手抄装置を用いて抄紙して湿潤シートを得た。ただし、比較例3はフィブリル化リヨセル繊維を用いずに湿潤シートを作製した。
次に、得られた湿潤シートに、アクリルポリマーを主成分とする撥水剤(製品名:ユニダインXF-5005、製造元:ダイキン工業(株))の水希釈液を、濾材中の撥水剤含有量が固形分で0.3質量%となるように含浸処理により付与して、130℃のロータリードライヤーにおいて乾燥して、実施例及び比較例のエアフィルタ用濾材を得た。ただし、比較例6は撥水剤の含浸処理を行わなかった。また、実施例17の含浸処理は下記の方法にて行った。
実施例17は、得られた湿潤シートに、アクリルポリマーを主成分とする撥水剤(製品名:ユニダインXF-5005、製造元:ダイキン工業(株))と第四級アンモニウム塩界面活性剤(製品名:カチオーゲンTMP、製造元:第一工業製薬(株))の混合水希釈液を、濾材中の撥水剤含有量が固形分で0.3質量%、界面活性剤含有量が固形分で0.2質量%となるように含浸処理により付与して、130℃のロータリードライヤーにおいて乾燥して、エアフィルタ用濾材を得た。
実施例及び比較例において得られたエアフィルタ用濾材の評価は、以下に示す方法を用いて行った。
(1)坪量[g/m
JIS P 8124:2011にしたがって測定した。
(2)厚さ[mm]
JIS P 8118;1998にしたがって測定した。なお、測定圧力は50kPaとした。
(3)密度[g/cm
JIS P 8118;1998にしたがって測定した。
(4)圧力損失[Pa]
有効面積0.01mのエアフィルタ用濾材に、面風速5.3cm/秒で通風した時の差圧を微差圧計で測定した。
(5)透過率及び捕集効率[%]
ラスキンノズルで発生させた多分散ポリアルファオレフィン(以下、PAOと略す。)粒子を含む空気を、有効面積0.01mのエアフィルタ用濾材に、面風速5.3cm/秒で通風した時の濾材の上流及び下流におけるPAO粒子の個数を、レーザーパーティクルカウンターKC-22B(リオン社製)を使用して測定し、透過率を下流個数/上流個数×100の式より計算した。また、捕集効率を100-透過率の式より計算した。なお、対象粒子径は0.3μmとした。
(6)PF値
PF値は、圧力損失と透過率の測定値より、(数1)の式より求めた。PF値が高いほど、低い圧力損失で高い捕集効率(すなわち低い透過率)を有する濾材であることを意味する。
ここで、透過率[%]=100-捕集効率[%]
(7)撥水性
MIL-STD-282にしたがって測定した。
(8)引張強度
JIS P 8113-2006「紙及び板紙-引張特性の試験方法―第2部:定速伸張法」にしたがって測定した。
(9)ガーレー剛度
JAPAN TAPPI紙パルプ試験方法No.40:2000にしたがって測定した。
(10)生分解性
濾材サンプルを土壌中に6か月間埋設し、その後、濾材形状を確認する。6か月後に濾材形状を保っていないものを○、ほぼ形状に変化がないものを×とした。
(11)熱成形性
深さ3mmの凹凸を上下に有する熱成形金型を200℃に加熱し、その間に濾材を挟み、1kgf/cmの圧力で5秒間加圧して熱成形を行い、成形された濾材の成形深さと破れを評価した。成形深さが2mm以上であり、破れがないものを○、エンボス深さが2mm未満、または破れがあるものを×とした。
なお、熱成形性の評価は、実施例2、14~16のみにおいて行った。
表1及び表2は、坪量を一定として、叩解繊維の配合量及び非叩解繊維の種類の影響を示した結果、さらに、撥水剤を含有しない場合及び界面活性剤を含有する場合の結果を示している。これらの結果より、叩解繊維の配合量が20部より多い比較例1及び4では、PF値が5未満と低かった。叩解繊維の配合量が3部未満の比較例2、3及び5では、引張強度が0.4kN/m未満と低かった。非叩解繊維としてポリ乳酸繊維を配合した実施例14~16では、引張強度が高く、熱成形性が付与された。撥水剤を含有しない比較例6では、撥水性が発現しなかった。界面活性剤を含有した実施例17では、界面活性剤を含有しない実施例2よりもPF値が高かった。
表3は、圧力損失の最大値が40Paとなるように繊維の部数比率を調整した場合の、坪量の影響を示した結果である。実施例18~28は、坪量を25~350g/mの範囲で調整された例であるが、いずれも生分解性を有しつつ、PF値及び撥水性が良好なエアフィルタ用濾材となった。
本発明のエアフィルタ用濾材は、工場及びビルの空調、自動車客室、エアコン、空気清浄機、個人用保護具等の種々の分野で使用されるエアフィルタ用濾材に用いることができる。

Claims (9)

  1. 濾材を構成する繊維が、叩解繊維と非叩解繊維とを含み、
    前記叩解繊維がフィブリル化リヨセル繊維であり、
    前記非叩解繊維が生分解性繊維であり、
    前記叩解繊維と前記非叩解繊維の質量比率(叩解繊維/非叩解繊維)が3/97~20/80の範囲であり、かつ、
    前記濾材が、分子中にフッ素を含まない炭化水素系ポリマーを主成分とする撥水剤を含み、
    前記撥水剤の主成分である前記炭化水素系ポリマーが、アクリルポリマーであり、
    該アクリルポリマーのエステル部分の炭素数が9個以上であることを特徴とするエアフィルタ用濾材。
  2. 前記非叩解繊維である前記生分解性繊維が、再生セルロース繊維、天然セルロース繊維及びポリ乳酸繊維からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載のエアフィルタ用濾材。
  3. 前記濾材が、界面活性剤を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のエアフィルタ用濾材。
  4. 前記界面活性剤が、第四級アンモニウム塩であることを特徴とする請求項3に記載のエアフィルタ用濾材。
  5. MIL-STD-282に規定された撥水性が、100mm水柱高以上であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一つに記載のエアフィルタ用濾材。
  6. 前記叩解繊維である前記フィブリル化リヨセル繊維は、平均繊維径が0.3μm以上、最大繊維径が8μm以下、長さ加重平均繊維長が1mm以上であることを特徴とする請求項1~5のいずれか一つに記載のエアフィルタ用濾材。
  7. 前記非叩解繊維である前記生分解性繊維は、繊維径が5μm以上であることを特徴とする請求項1~6のいずれか一つに記載のエアフィルタ用濾材。
  8. 前記ポリ乳酸繊維の配合量は、全繊維質量を100質量部としたとき、0~20質量部であることを特徴とする請求項2に記載のエアフィルタ用濾材。
  9. 濾材全体における前記撥水剤の含有量が、固形分で0.3~2.0質量%であることを特徴とする請求項1に記載のエアフィルタ用濾材。
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