CN115742500A - 超高分子量聚乙烯超薄单向带、防护板及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了超高分子量聚乙烯超薄单向带和防护板的制作方法，单向带的制作方法包括：移动的超高分子量聚乙烯纤维束在变频气流的作用下进行多次宽展；经变频气流的作用宽展后的超高分子量聚乙烯纤维束在原位多级精整辊的作用下进一步宽展，得到超高分子量聚乙烯超薄纤维束；利用无机纳米材料对树脂改性制作改性树脂；雾化的改性树脂以设定的角度和速度射在超高分子量聚乙烯超薄纤维束表面，复合得到超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带。防护板的制作方法包括：将超高分子量聚乙烯超薄单向带按照设定的规格和方向，多次铺层，得到多层单向带层；多层单向带层在模具中热压成型，得到超高分子量聚乙烯防护板。

Description

超高分子量聚乙烯超薄单向带、防护板及制作方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及超高分子量聚乙烯超薄单向带、防护板及制作方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯纤维是目前高性能纤维中比拉伸模量、比拉伸强度最好的纤维，同时具有

轴向和横向压缩强度低、抗冲击性好、耐化学腐蚀性强、密度小等优点，特别适合作为防护材料使用。超高分子量聚乙烯纤维广泛应用于防护制品中，如防弹衣、防弹头盔、车辆装甲防护、军用飞机装甲防护等领域。超高分子量聚乙烯单向带是制备防弹纤维制品的基材，超高分子量聚乙烯单向带的性能直接与防弹材料的防弹性能直接相关。为了提高改善防弹材料的防护性能，制备性能优良的超高分子量聚乙烯单向带始终是本领域的一个技术难点和重要发展方向。

发明内容

有鉴于此，一方面，一些实施例公开了超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，包括：

移动的超高分子量聚乙烯纤维束在变频气流的作用下进行多次宽展；

经变频气流的作用宽展后的超高分子量聚乙烯纤维束在原位多级精整辊的作用下进一步宽展，得到超高分子量聚乙烯超薄纤维束；

利用无机纳米材料对树脂改性制作改性树脂；

雾化的改性树脂以设定的角度和速度射在超高分子量聚乙烯超薄纤维束表面，预浸得到超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带。

进一步，一些实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，变频气流为气流风压和气流方向在宽展过程中进行调整变化的气流。

一些实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，多次宽展为在不同的变频气流下分别依次进行多次宽展。

一些实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，原位多级精整辊设置为可转动，宽展过程中原位多级精整辊的状态设置为转动或者静止；原位多级精整辊的转动方向设置为与超高分子量聚乙烯纤维束的移动方向相同或相反。

一些实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，无机纳米材料包括碳化硼、氮化硼、氧化铝、金刚石；树脂包括热塑性树脂和热固性树脂；无机纳米材料与树脂的质量比设置为2～6％。

一些实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，改性树脂在高压气流作用下雾化。

一些实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带中改性树脂与超高分子量聚乙烯纤维的质量比设定为15～30％。

另一方面，一些实施例公开了超高分子量聚乙烯超薄单向带，由超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法制作得到，超高分子量聚乙烯超薄单向带的厚度在0.04mm以下。

另一方面，一些实施例公开了超高分子量聚乙烯防护板，由超高分子量聚乙烯超薄单向带制作得到，制作方法包括：

S1、将超高分子量聚乙烯超薄单向带按照设定的规格铺层，得到第一层单向带层；

S2、在所述第一层单向带层上以设置的铺层角度和规格铺层，得到第二层单向带层；

S3、重复S2的铺层过程多次，得到具有设定厚度的多层单向带层；

S4、多层单向带层设置在模具中，在受热受压条件下成型，得到超高分子量聚乙烯防护板。

进一步，一些实施例公开的超高分子量聚乙烯防护板，相邻单向带层的铺层角度之间的夹角在0～45°之间。

本发明实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，利用变频气流振动宽展纤维束和机械宽展纤维束的多级组合，将超高分子量聚乙烯纤维宽展为超高分子量聚乙烯超薄纤维束，进而与改性树脂预浸，得到了厚度在0.04mm以下的超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带；进而利用该多相混杂单向带制作得到了超高分子量聚乙烯防护板，与普通超高分子量聚乙烯纤维制作的防护板相比，本发明实施例公开的防护板中具有更多层的超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带，层数增多，吸能效果大大优化，防弹性能提高，在防弹材料领域有良好应用前景。

附图说明

图1实施例1超高分子量聚乙烯超薄单向带制作方法流程示意图

图2实施例2原位多级精整辊示意图；

图3实施例3超高分子量聚乙烯防护板制作过程示意图。

附图标记

1释放组件 2气动变频振动装置

3原位多级精整辊 4引导辊

5雾化装置 31波浪形表面

11第一层单向带层 12第二层单向带层

13第三层单向带层 100超高分子量聚乙烯纤维束

具体实施方式

在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本发明实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明实施例中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明实施例公开的内容。

除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明实施例所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本发明实施例中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。

本文所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。在本文中以范围格式表示或呈现的数值数据，仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。

在本文中，包括权利要求书中，连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由……构成”和“由……组成”是封闭连接词。

为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本发明的主旨。

在不冲突的前提下，本发明实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本发明实施例公开的内容。

在一些实施方式中，超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法包括：

移动的超高分子量聚乙烯纤维束在变频气流的作用下进行多次宽展；通常，超高分子量聚乙烯纤维束在释放的过程中，沿其轴向方向保持持续的移动状态，纤维在受到张力的作用下在牵引辊、引导辊上移动有利于对纤维束中的纤维进行宽展，使其相互分离；移动的超高分子量聚乙烯纤维束在气流的作用下可以进行宽展，例如在气流的吹扫下纤维束中的纤维被吹散，相互分离，但是由于持续从气流始终保持一种状态，使得纤维束很快达到一种稳定的状态，而不再继续分散，分散宽展的效果受到限制，例如变频气流进行吹扫，可以在利用气流吹扫纤维束的过程中，改变气流的大小，流速变化的气流持续吹扫到纤维束后，对纤维束的作用力在连续变化，能够在对纤维丝进行吹扫分散作用的过程中产生额外的振动作用，振动的纤维丝能够进一步因为相互碰撞左右而分散，有效提高了纤维束中纤维丝之间的分散效果，宽展效果更加；进一步，气流分散纤维束的过程中，改变气流的吹扫方向，也能够加强纤维束中纤维丝之间的相互作用，促进其相互分散、宽展；如果在纤维束的宽展过程中持续改变气流的方向，或者以设定的规律周期性的改变气流的方向，则可以对宽展过程进行有效控制，控制最终的宽展效果；鉴于变频气流对纤维束的宽展作用时间有限，可以对纤维束进行多次变频气流宽展，加强宽展效果；为了合理控制变频气流对纤维束的宽展效果，可以对多次变频气流宽展过程独立控制，独立进行，在不同的工艺条件下进行多次宽展，有利于控制对纤维束的宽展效果。

经变频气流的作用宽展后的超高分子量聚乙烯纤维束在原位多级精整辊的作用下进一步宽展，得到超高分子量聚乙烯超薄纤维束；通常利用机械辊能够对纤维束进行宽展，利用机械辊与纤维束之间的作用力将纤维束中的纤维分散、宽展，能够降低纤维束的厚度；对于采用变频气流宽展后的超高分子量聚乙烯纤维束而言，采用原位多级精整辊进一步宽展，则能够与变频气流的宽展作用相互协调，更有利于对超高分子量聚乙烯纤维束宽展带的进一步宽展，其中的纤维排列更为均匀，有利于改善超高分子量聚乙烯超薄单向带的性能；超高分子量聚乙烯纤维束经过多次变频气流振动宽展和波浪式展纱辊宽展后，得到超高分子量聚乙烯超薄纤维束，在纤维丝束的宽度方向纤维分散均匀，使得纤维束的张力更为均匀，大大降低了相位排列偏转角度，能有效抑制纤维复合材料中层间开裂和裂纹扩展，大幅度提高纤维复合材料的力学性能，例如大幅度提高超高分子量聚乙烯超薄单向带及防护板的力学性能；

利用无机纳米材料对树脂改性制作改性树脂；通常可以将无机纳米材料与树脂进行混合调配，得到包含有无机纳米颗粒的树脂液；树脂液以液态形式参与后续的预浸工艺，液态的树脂液便于进行雾化；例如，按设定质量取无机纳米材料放入液体树脂中混合，再用搅拌器进行搅拌，搅拌速度设置为500r/min，搅拌60Min，之后脱泡20min，可以得到无机纳米颗粒的质量含量为5％的改性树脂液。无机纳米粒子还可以提高单向带基体的冲击吸收能，提高单向带的吸能水平。

雾化的改性树脂以设定的角度和速度射在超高分子量聚乙烯超薄纤维束表面，复合得到超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带。通常改性树脂液在高压气流作用下进行雾化，处于雾化状态的改性树脂形成具有一定的速度的汽流，其中的无机纳米粒子与空气相互作用形成等离子体，等离子体与宽展的超高分子量聚乙烯纤维相互作用，可以降低纤维表面与树脂液相互接触的结合能，促进了树脂液在纤维表面的分散成膜，树脂液对纤维表面的浸渍效果优异，能够将雾化的树脂液均匀高效的分布在纤维表面形成树脂液膜，但是不会改变超薄纤维束中纤维之间的排列状态，能够完全保持超薄纤维束的强度性能；同时，纤维束中的纤维表层边缘区域中通常含有高活性成分，容易与空气中的氧气发生反应，生成含氧活性官能团，能够与其他官能团以化学键形式反应，形成强界面，进一步在雾化的树脂液中，与树脂中的活性基团发生反应，树脂发生固化交联反应，形成流平性能好、分布均匀的树脂膜，预浸完成后纤维表面覆盖有均匀分布的树脂膜，后续进一步干燥，可以得到超高分子量聚乙烯超薄单向带，超薄单向带中包括纤维束和分布在纤维丝周围的树脂基体，以及位于树脂膜中的无机纳米粒子，所以超高分子量聚乙烯超薄单向带是一种多相混杂单向带。

一些实施例中，变频气流为气流风压和气流方向在宽展过程中进行调整变化的气流。通常地，变频气流通过气动变频振动装置实现，气动变频振动装置通常包括风机和气体导流组件，利用风机可以提供压力流量不同的气流，通过气体导流组件可以引导气流的流向和气流与纤维束的作用面积，进而实现气流风压和气流方向的调整控制。

一些实施例中，多次宽展为在不同的变频气流下分别依次进行多次宽展。通常，变频宽展是在变频气流的作用下实现，在纤维束的宽展工艺中设置多个气动变频振动装置，可以进行多次宽展；多个气动变频振动装置通常依次分布在超高分子量聚乙烯纤维束的移动路线上，可以根据纤维束的宽展需要设定气动变频振动装置的设置位置、装置之间的距离和装置的工艺参数等。

一些实施例中，原位多级精整辊设置为可转动，宽展过程中原位多级精整辊的状态设置为转动或者静止；原位多级精整辊的转动方向设置为与超高分子量聚乙烯纤维束的移动方向相同或相反。原位多级精整辊是利用呈波浪形的弧形表面与纤维束之间的相互作用，实现对纤维束的宽展。原位多级精整辊的表面呈波浪形，具有连续排列的凸起的弧形表面，相邻的凸起的弧形表面之间为凹陷的表面，凸起的弧形表面能够与纤维束接触，而凹陷的表面不能与纤维束接触，在原位多级精整辊转动过程中，外轮廓的凸起与凹陷规律性变化，使得原位多级精整辊的凸起辊面与纤维接触状态以一定的频率变换，在恒定牵引力作用下，纤维在原位多级精整辊上处于张紧-松弛的循环重复状态，实现纤维束的展纱，纤维排列更均匀。凸起的弧形表面的弧度、凸起的弧形表面之间的间隔距离等则根据宽展需要进行设计。

通常原位多级精整辊与纤维束的作用过程中，可以通过对原位多级精整辊的运动状态进行调整，以调整其对纤维束的宽展作用；例如，原位多级精整辊与纤维束同向运动，则二者之间的作用力相对较小，分散或汇聚效果相对较弱，原位多级精整辊与纤维束同向运动过程中，二者之间的速度存在差异，也可以对纤维束的作用产生影响，即还可以通过调整相对运动速度调整对纤维束的作用；原位多级精整辊与纤维束逆向运动，则二者之间的作用力相对较大，展纱辊对纤维束产生较大的阻尼作用，对纤维分散或者汇聚的效果影响相对较大；类似的，逆向运动的状态下，二者之间的速度差也对与纤维束的作用产生影响。

一些实施例中，无机纳米材料包括碳化硼、氮化硼、氧化铝、金刚石；树脂包括热塑性树脂和热固性树脂；无机纳米材料与树脂的质量比设置为2～6％。

一些实施例中，改性树脂在高压气流作用下雾化。通常地，改性树脂的雾化过程在雾化装置中进行。一些实施例中，雾化装置包括供料组件、喷枪、高压气源。供料组件设置与喷枪连通，同时喷枪设置与高压气源连通；供料组件中的改性树脂输送到喷枪中，在进入喷枪的高压气流的作用下高速喷出、雾化，形成具有一定覆盖面积的雾化区域，将该雾化区域与宽展后的超高分子量聚乙烯超薄纤维束适配设置，则可以将雾化的改性树脂液喷射到超高分子量聚乙烯超薄纤维束表面，进行预浸。

一些实施例中，超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带中改性树脂与超高分子量聚乙烯纤维的质量比设定为15～30％。

一些实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带由超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法制作得到，超高分子量聚乙烯超薄单向带的厚度在0.04mm以下。

一些实施例公开的超高分子量聚乙烯防护板由超高分子量聚乙烯超薄单向带制作得到，制作方法包括：

S1、将超高分子量聚乙烯超薄单向带按照设定的规格铺层，得到第一层单向带层；

S2、在所述第一层单向带层上以设置的铺层角度和规格铺层，得到第二层单向带层；

S3、重复S2的铺层过程多次，得到具有设定厚度的多层单向带层；

S4、多层单向带层设置在模具中，在受热受压条件下成型，得到超高分子量聚乙烯防护板。

一些实施例中，防护板中相邻单向带层的铺层角度之间的夹角在0～45°之间。

一些实施例中，防护板由多层超高分子量聚乙烯超薄单向带复合得到，具体地，将超高分子量聚乙烯超薄单向带逐层铺设，形成多层相互叠合的单向带层，每一层中的单向带铺层方向相同，相邻的单向带层之间的铺层角度相差45°，铺设完成后放入热压模具进行热压复合，压力设置为5-25MPa，保压压力为25MPa，保压温度设定为128-130℃，保压时间设定为30min，热压复合结束后，缓慢降温，脱模，得到超高分子量聚乙烯防护板。

以下结合实施例对技术细节做进一步示例性说明。

实施例1

图1为实施例1公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带制作方法流程示意图。

实施例1中，超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作过程包括:

超高分子量聚乙烯纤维束100经由释放组件1释放，在后续设置的多个导向辊4的引导下和牵引辊的牵引下持续移动；在移动的纤维束上方，依次设置有三个独立的气动变频振动装置2，控制气动变频振动装置2向超高分子量聚乙烯纤维束100吹扫变频振动气流，在变频气流的作用下进行三次宽展；

经变频气流的作用宽展后的超高分子量聚乙烯纤维束100在原位多级精整辊3的作用下进一步宽展，得到超高分子量聚乙烯超薄纤维束；

宽展后的超高分子量聚乙烯超薄纤维束的上方适配设置有雾化装置5的喷枪，设置雾化装置5的作业条件控制喷枪喷出改性树脂液；

设定的角度和速度喷射的改性树脂液在超高分子量聚乙烯超薄纤维束表面形成雾化区域，持续通过雾化区域的超高分子量聚乙烯超薄纤维束与改性树脂预浸，得到超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带。

实施例2

图2为实施例2公开的原位多级精整辊示意图，其中，图2中的下图为上图AA’面横截面示意图。

如图2所示，原位多级精整辊3的表面为波浪形，波浪形表面31包括向上突出的弧形表面和向下凹陷的弧形表面，沿着原位多级精整辊的圆周方向间隔连续排布，二者连续过渡，在持续恒张力的作用下移动过程中，凸起的弧形表面与纤维束相接触，原味多级精整辊转动过程中，对设置在波浪形表面31上的纤维束进行有规律的宽展-松弛作用，实现纤维束的超薄宽展，纤维在纤维束宽度方向的分布更为均匀。

从图2中的下图可知，原位多级精整辊的凸起的弧形表面31是指凸起的棱表面在辊面圆周方向连续过渡，呈现弧形，有利于辊面与纤维束之间的作用力均匀分散，提高纤维宽展均匀性，还能够防止对纤维造成损坏。

作为可选实施例，原位多级精整辊内部为空心结构，包括形成空心结构的外壳体，该外壳体为波浪形，整体形成具有波浪形表面的圆柱体形，圆柱体形壳体的两端固结有位于其中心轴上的转轴。

实施例3

图3为实施例3公开的超高分子量聚乙烯防护板制作过程示意图。

S1、将超高分子量聚乙烯超薄单向带按照与图3中水平方向一致的方向进行铺层，铺为正方形，得到正方形的第一层单向带层11；

S2、在正方形的第一层单向带层上，以与图3中水平方向呈α角度的方向进行铺层，铺层为正方形，得到第二层单向带层12；其中α的范围为0～45°；

S3、在正方形的第二层单向带层上，以与图3中水平方向呈β角度的方向进行铺层，铺为正方形，得到第三层单向带层13；然后在正方形的第三层单向带层上，以与图3中水平方向呈γ角度的方向进行铺层，得到第四层单向带层14；最后得到具有设定厚度的四层单向带层；其中，β-α的范围为0～45°，γ-β的范围为0～45°；

S4、四层单向带层设置在模具中，在受热受压条件下成型，成型后根据设定规格进行裁剪，得到超高分子量聚乙烯防护板。

本发明实施例公开的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，利用变频气流振动宽展纤维束和机械宽展纤维束的多级组合，将超高分子量聚乙烯纤维宽展为超高分子量聚乙烯超薄纤维束，进而与改性树脂预浸，得到了厚度在0.04mm以下的超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带；进而利用该多相混杂单向带制作得到了超高分子量聚乙烯防护板，与普通超高分子量聚乙烯纤维制作的防护板相比，本发明实施例公开的防护板中具有更多层的超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带，层数增多，吸能效果大大优化，防弹性能提高，在防弹材料领域有良好应用前景。

本发明实施例公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的发明构思，并不构成对本发明实施例技术方案的限定，凡是对本发明实施例公开的技术细节所做的常规改变、替换或组合等，都与本发明具有相同的发明构思，都在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，其特征在于，包括：

移动的超高分子量聚乙烯纤维束在变频气流的作用下进行多次宽展；

经变频气流的作用宽展后的超高分子量聚乙烯纤维束在原位多级精整辊的作用下进一步宽展，得到超高分子量聚乙烯超薄纤维束；

利用无机纳米材料对树脂改性制作改性树脂；

雾化的改性树脂以设定的角度和速度射在超高分子量聚乙烯超，预浸得到超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带。

2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，其特征在于，所述变频气流为气流风压和气流方向在宽展过程中进行调整变化的气流。

3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，其特征在于，所述多次宽展为在不同的变频气流下分别依次进行多次宽展。

4.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，其特征在于，所述原位多级精整辊设置为可转动，宽展过程中所述原位多级精整辊的状态设置为转动或者静止；所述原位多级精整辊的转动方向设置为与超高分子量聚乙烯纤维束的移动方向相同或相反。

5.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，其特征在于，所述无机纳米材料包括碳化硼、氮化硼、氧化铝、金刚石；所述树脂包括热塑性树脂和热固性树脂；所述无机纳米材料与所述树脂的质量比设置为2～6％。

6.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，其特征在于，所述改性树脂在高压气流作用下雾化。

7.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法，其特征在于，超高分子量聚乙烯纤维多相混杂单向带中改性树脂与超高分子量聚乙烯纤维的质量比设定为15～30％。

8.超高分子量聚乙烯超薄单向带，由权利要求1～7任一项所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带的制作方法得到，所述超高分子量聚乙烯超薄单向带的厚度在0.04mm以下。

9.超高分子量聚乙烯防护板，其特征在于，由权利要求8所述的超高分子量聚乙烯超薄单向带制作得到，制作方法包括：

S1、将超高分子量聚乙烯超薄单向带按照设定的规格铺层，得到第一层单向带层；

S2、在所述第一层单向带层上以设置的铺层角度和规格铺层，得到第二层单向带层；

S3、重复S2的铺层过程多次，得到具有设定厚度的多层单向带层；

S4、多层单向带层设置在模具中，在受热受压条件下成型，得到超高分子量聚乙烯防护板。

10.根据权利要求9所述的超高分子量聚乙烯防护板，其特征在于，相邻单向带层的铺层角度之间的夹角在0～45°之间。

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