JP2019507807A - 球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法 - Google Patents

球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、第1の工程において、一般式(I)RSiOR [式中、Rは1〜16個の間の炭素原子を有する炭化水素基であり、その炭素鎖は隣接していない−O−によって中断されることができ、RはC〜Cアルコキシ基を表す。]のトリアルコキシシランが、6以下のpHを有する酸性化した水と反応し、混合されて加水分解物を生じ、第2の工程において、加水分解物は水又はC〜Cアルカノール中の塩基の溶液と混合され、第3の工程において、混合物は少なくとも2時間貯蔵され、第4の工程において、ポリシルセスキオキサン粒子は噴霧乾燥される、球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法に関する。本発明は、この方法に従って製造することができるポリシルセスキオキサン粒子にも関する。

Description

本発明は、トリアルコキシシランの加水分解、加水分解物の縮合及び粒子の噴霧乾燥による球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法、並びにポリシルセスキオキサン粒子に関する。
従来技術、例えば、JP3970449B2号、JPH06248081A号及びJPH0488023A号は、球状ポリメチルシルセスキオキサン粒子を製造するための様々な方法を開示する。JP3970449B2号は、空時収量の最適化及び粒径の制御を記載する。乾燥は、粒子の溶融及び網目構造の構築をもたらす。粉状生成物を得るために、溶融粒子は、不都合なことにその後の粉砕によって得られる。
粉砕の必要な処理工程は、費用がかかり、面倒であり、欠点である。乾燥後、非常に大量かつほこりの多いポリシルセスキオキサン粒子を最初に詰める必要がある。これは、梱包工場の材料損失及び洗浄費用を伴う。その後、材料はミルに輸送されなければならない。ポリシルセスキオキサン粒子の嵩密度が低いために、非常に大きな容器が必要とされ、このことにより輸送及び中間貯蔵が不便かつ費用のかかるものになる。ミルでは、材料を再度輸送しなければならない。これはさらに材料の損失を伴い、さらに、無毒であるが非常にほこりの多い材料から共働者を保護するための保護手段を講じなければならない。比較的過酷な条件のために摩耗又は破損した粒子による材料の損失がミル内にさらに存在する。
これまで、粒子の凝集挙動の制御を可能にする方法は記載されていない。
特許第3970449号公報 特開平06−248081号公報 特開平04−88023号公報
本発明は、第1の工程において、一般式(I):
RSiOR (I)
[式中、
Rは、炭素鎖が隣接していない−O−基によって中断されていてもよい1〜16個の炭素原子を有する炭化水素基を表し、
はC〜Cアルコキシ基を表す。]
のトリアルコキシシランが、混合されながら、6以下のpHを有する酸性化した水と反応して加水分解物を生じ、
第2の工程において、加水分解物は、水又はC〜Cアルカノール中の塩基の溶液と混合され、
第3の工程において、混合物は少なくとも2時間貯蔵され、
第4の工程において、ポリシルセスキオキサン粒子は噴霧乾燥される、
球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法を提供する。
粒子が噴霧乾燥によって分散液から直接単離されたとき、凝集のない球状ポリシルセスキオキサン粒子が得られることが判明した。これは、たった1つの処理工程で解凝集粒子を与える。
したがって、別個の乾燥及びその後の粉砕に必要な輸送集約的、処理集約的、及び洗浄集約的な開所での粉末取扱いを回避することができる。ポリシルセスキオキサン粒子は非常に穏やかな条件下で分散される。ミルで起こり得るような摩耗又は破損した粒子による材料損失は、噴霧乾燥では著しく低減される。
このような粒子は、特に化粧用途に非常に有利な挙動を示す。それらは、低剪断でも液体様の流動可能な状態に変換され(流動化)、したがって非常に塗りやすく、柔らかい皮膚感触を提供する。この挙動は、凝集した粒子では観測できない。これらは皮膚に塗る際にボーリング(balling)を受ける。
特にポリシルセスキオキサン粒子を振盪した直後には、流体、即ち、液体様の挙動が明らかである。体積増加が大きいほど、流体挙動がより顕著になる。50%の体積増加を示す材料は、既に、例えば、容器内の材料(振盪直後)が、容器の傾倒時に液体と同様に前後に流れるという点でそれ自身を表す流体挙動を示す。50%の体積増加を有する材料は、非常に急速な沈降を受け、不都合な非流体初期状態に戻る。球状ポリシルセスキオキサン粒子は、好ましくは、少なくとも100%の体積増加を示す。
ポリシルセスキオキサン粒子は、好ましくは少なくとも30重量%、好ましくは少なくとも40重量%、特に好ましくは少なくとも50重量%の<20μmのふるい画分を含む。
ポリシルセスキオキサン粒子は、好ましくは少なくとも60重量%、好ましくは少なくとも70重量%の<40μmのふるい画分を含む。
ポリシルセスキオキサン粒子は、好ましくは25重量%未満、好ましくは20重量%未満、特に好ましくは15重量%未満の>100μmのふるい画分を含む。
Rは、好ましくは1〜6個の炭素原子を有するアルキル基又はフェニル基、特にエチル基又はメチル基を表す。
は、好ましくはメチル基、エチル基又はn−プロピル基、特にメチル基を表す。
一般式(I)の好ましいトリアルコキシシランは、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリ−n−プロポキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン及びメチルトリス(2−メトキシエトキシ)シラン及びそれらの混合物である。
加水分解物を与える反応は、好ましくは5.5以下、特に好ましくは4.5以下、好ましくは少なくとも1、特に好ましくは少なくとも2、特に少なくとも2.3のpHを有する酸性化した水中で行われる。
使用する水は、好ましくは脱イオン化され、酸性化の前に、いずれの場合も20℃で測定した50μS/cm以下、好ましくは30μS/cm以下、特に好ましくは20μS/cm以下、特に好ましくは10μS/cm以下の導電率を有する。
使用される水は、ブレンステッド酸又はルイス酸を用いて酸性化することができる。
ルイス酸の例は、BF、AlCl、TiCl、SnCl、SO、PCl、POCl、FeCl及びそれらの水和物並びにZnClである。ブレンステッド酸の例は、塩酸、臭化水素酸、硫酸、硝酸、亜硝酸、クロロスルホン酸、リン酸、例えば、オルトリン酸、メタリン酸及びポリリン酸、ホウ酸、亜セレン酸、硝酸、カルボン酸、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸及びシュウ酸、ハロ酢酸、例えば、トリクロロ酢酸及びトリフルオロ酢酸、p−トルエンスルホン酸、酸性イオン交換体、酸性ゼオライト及び酸で活性化したフラー土である。
塩酸、臭化水素酸及び酢酸が好ましい。
水の酸性化は、加水分解物に変換する前に、変換と同時に、又は変換前及び変換と同時に実施することができる。特定の一実施形態では、加水分解物を与える反応前に水が塩酸で部分的に酸性化されて、塩酸のさらなる部分が一般式(I)のトリアルコキシシランを介して導入される。
トリアルコキシシランの加水分解は、弱い発熱反応である。好ましい実施形態では、第1の工程の温度は、任意に、加熱又は冷却することにより、好ましくは0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは15℃〜40℃で、非常に特に好ましくは15℃〜30℃、特に15℃〜25℃に維持され、目標温度に達した後の温度変化は好ましくは10℃未満、好ましくは5℃未満である。トリアルコキシシランの計量添加は、所望の目標温度に達する前又は後に開始することができる。
別の実施形態では、トリアルコキシシランは一度に計量供給される。冷却によって熱が積極的ではないか又は部分的にのみ除去される。この実施形態では、トリアルコキシシランの添加後に発熱性の温度上昇が起こる。第1の工程における反応温度は、20℃〜80℃、好ましくは60℃以下である。
トリアルコキシシランが0.5〜5時間かけて、特に好ましくは2時間以下で計量添加されることが好ましい。急速添加と計量添加の間に、本発明の実施形態の流体移行があり、即ち、例えば、40℃以下の熱を部分的に除去しながら15分で急速に添加することが可能であり、又は、例えば、2時間以上かけて計量添加を行うが、低レベルの冷却しか行わないことが可能であり、このため最初は30℃まで昇温させてこの温度に保たれる。
一定温度での計量添加が特に好ましい。
第1の工程では、水100重量部当たり5〜43重量部、好ましくは11〜34重量部、特に13〜25重量部のトリアルコキシシランを添加することが好ましい。
第1の工程における混合は、スタティックミキサーを用いて又は好ましくはスターラーを用いて行うことができる。
トリアルコキシシランを計量添加した後、混合物はさらに5分間〜5時間、特に好ましくは10分間〜3時間、特に15分間〜1.5時間撹拌されることが好ましい。さらなる撹拌時間は、好ましくは、シランの添加時間とさらなる撹拌時間の合計が6時間を超えないように選択される。
さらなる撹拌中の温度は、0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは10℃〜40℃、非常に特に好ましくは10℃〜30℃、特に15℃〜25℃に維持される。第1の工程における反応温度とさらなる攪拌中の温度との差は、20℃未満、好ましくは10℃未満、特に5℃未満であることが好ましい。
第2の工程では、塩基がアルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ金属メトキシド、アンモニア及び有機アミンから選択されることが好ましい。好ましい有機アミンは、アルキルアミン、例えば、モノエチルアミン、ジエチルアミン若しくはトリエチルアミン、モノメチルアミン、ジメチルアミン若しくはトリメチルアミン又は1,2−エチレンジアミンである。Li、Na、Kの水酸化物を用いることが好ましい。水又は1〜3個の炭素原子を有するアルカノール中のアルカリ金属水酸化物の溶液を用いることが好ましい。好ましいアルカノールは、1−プロパノール、2−プロパノール、エタノール、特にメタノールである。水中のアンモニア又はアルカリ金属水酸化物の溶液も同様に好ましい。20℃で0.001〜1100g/l、好ましくは0.01〜500g/l、特に好ましくは0.1〜500g/lのアルカリ金属水酸化物の希釈溶液又は濃縮溶液が適している。
1〜3個の炭素原子を有するアルカノール中のアルカリ金属水酸化物の溶液を使用する場合、粒子は相互に低い接着性を示し、低い程度の凝集を示し、クランピングに対するより低い傾向を有する。粒子は化粧品用途に好ましいより乾燥した皮膚感触を示す。
アルカリ金属水酸化物としては、KOHが好ましい。
また、NaOH及びKOHの代替物として可能であるのは、NaOH又はKOH形成剤の使用であり、これは、第2の工程において、加水分解物中に存在する水と直ちに反応してNaOH又はKOHを生じる。その例は、ナトリウムメトキシド、カリウムメトキシド、NaH及びKHである。この実施形態では、メタノール溶液中のナトリウムメトキシド又はカリウムメトキシドを使用することが好ましい。
いずれの場合も塩基の添加直後に、少なくとも6、好ましくは少なくとも6.5、かつ10以下、好ましくは9.5以下のpHが達成されることを保証するのに十分な塩基溶液が添加されることが好ましい。粒径は、塩基の量の添加によって影響され得、低いpH値はより大きな粒子をもたらす。特に好ましいpHは7.5〜9である。
塩基の溶液は、好ましくは10秒〜10分、特に1〜3分かけて、好ましくは激しく、短時間撹拌しながら添加される。
好ましい実施形態では、第2の工程における塩基の添加の温度は、好ましくは0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは10℃〜40℃、非常に特に好ましくは10℃〜30℃、特に15℃〜25℃である。さらなる撹拌中の温度と塩基の添加中の温度との差は20℃未満、好ましくは10℃未満、特に5℃未満であることが好ましい。
第2の工程における混合は、スタティックミキサーを用いて又は好ましくはスターラーを用いて行うことができる。
第2の工程の後、混合は好ましくは10分以内、好ましくは5分以内で終結する。第2の工程の後、混合物は、好ましくは少なくとも1時間、好ましくは少なくとも1.5時間、特に好ましくは少なくとも2.5時間移動させない。スターラーはその後、粒子の沈降を防ぐために低速でスイッチを入れることができる。沈降したポリシルセスキオキサン粒子は容易にかき混ぜ得るため、これは任意であり、必要ではない。
第2の工程の後、混合物の温度は、少なくとも1時間、好ましくは少なくとも1.5時間、特に好ましくは少なくとも2.5時間の間、20℃以下、好ましくは10℃以下変化することが好ましい。
粒子の形成が行われる第3の工程の開始段階において、混合物が移動されると、これは、変形した、合体した又は凝集した粒子の発生を増加させる。
好ましい実施形態では、第3の工程において、混合物はポリシルセスキオキサン粒子の単離まで移動させない。
第3の工程では、ポリシルセスキオキサン粒子が単離される前に、混合物を少なくとも4時間、特に好ましくは少なくとも7時間、特に少なくとも10時間貯蔵することが好ましい。12週間までの貯蔵時間も可能である。
混濁は、通常1〜30分後でも見える。
第3の工程における温度は、好ましくは0℃〜60℃、好ましくは10℃〜50℃、特に好ましくは10℃〜40℃、非常に特に好ましくは10℃〜30℃、特に15℃〜25℃である。低温はより大きな粒子を形成し、より高温はより小さな粒子を形成する。
15℃〜25℃の温度では、外側領域に向かう反応混合物の温度勾配があったとしてもごくわずかしかないので、反応器壁と反応溶液との間の熱勾配が最小であり、したがって粒子の沈殿の間の熱の対流が最少である。
本発明による方法は、バッチ法、セミバッチ法又は連続法として実施することができる。
好ましい実施形態では、混合物は、第3の工程の後に酸を添加することによって中和される。
好ましい実施形態では、粒子は、好ましくは濾過又は遠心分離によって、第3の工程の後に単離される。単離後、好ましくはDM水、メタノール、エタノール及びこれらの混合物から選択される洗浄液で粒子を洗浄することが好ましい。洗浄された粒子は、好ましくはDM水、メタノール、エタノール及びそれらの混合物から選択される液体で再分散される。得られた分散液は、好ましくは5重量%〜50重量%、特に好ましくは10重量%〜35重量%、特に10重量%〜25重量%の粒子を含む。
多くの有機アミンのような揮発性塩基、例えば、ジエチルアミン又はトリエチルアミン又はアンモニアが使用される場合、洗浄は好ましくは省略される。
塩基としてアンモニアを使用することは有利である。何故ならば、ここでは、塩基それ自体と得られる塩基の塩の両方が噴霧乾燥の条件下で揮発性であるからである。
工程2で得られた混合物又は単離、洗浄及び再分散によって得られた分散液から、乾燥した自由流動性の粉末が噴霧乾燥機内で製造される。混合物のアルコール含有量に依存して、使用される乾燥ガスは、空気又は不活性ガス、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、2%以下の酸素を含む希薄な空気である。
噴霧乾燥は、例えば少なくとも1つの2材料ノズル、硬質金属又は中空円錐ノズル又は旋回霧化ノズルを有するもの、又は加熱された乾燥ガス流中に回転霧化ディスクを有するもの等の液体の噴霧乾燥に適した周知の装置のいずれか内で実施することができる。好ましくは空気、希薄な空気又は窒素である乾燥ガス流の噴霧乾燥装置への流入温度は、110℃〜350℃、特に好ましくは少なくとも150℃で300℃以下、特に少なくとも200℃で280℃以下であることが好ましい。乾燥中に形成されるガス流の流出温度は、好ましくは40℃〜200℃、特に100℃〜180℃である。噴霧圧力は、好ましくは少なくとも500hPa、特に好ましくは少なくとも800hPaで500000hPa以下、特に100000hPa以下である。霧化ノズルの回転速度は、特に4000〜50000rpmの間である。
特定の実施形態では、噴霧乾燥されたポリシルセスキオキサン粒子は、例えば、パドル乾燥機、流動床乾燥機、トレイ乾燥機、流動乾燥機又はドラム乾燥機中で、後乾燥される。
110℃の流出温度で長時間乾燥された粒子は乾燥しているが、高いSi−OH含量を有する。140℃では、Si−OH含有量は著しく減少するが、まだ完全には除去されない。160℃でSi−OH基は再び著しく減少する。減少したSi−OH含量は、粒子の塗布挙動及び流動化において利点をもたらす。
ポリシルセスキオキサン粒子は、電子顕微鏡で検査すると球状の形状を示すことが好ましい。球状ポリシルセスキオキサン粒子は、好ましくは、少なくとも0.6、特に少なくとも0.7の平均真球度yを示す。球状ポリシルセスキオキサン粒子は、好ましくは、少なくとも0.6、特に少なくとも0.7の平均真円度xを有する。真円度x及び真球度yは、DIN EN ISO 13503−2の37頁の附属書B.3、特に図B.1に従って決定することができる。
全ての方法の工程が周囲大気圧、即ち、約0.1MPa(絶対)の圧力で行われることが好ましい。それらはより高い圧力又はより低い圧力で実施することもできる。少なくとも0.08MPa(絶対)、特に好ましくは少なくとも0.09MPa(絶対)、特に好ましくは0.2MPa(絶対)以下、特に0.15MPa(絶対)以下の圧力が好ましい。
上記の式の上記の記号の全ては、互いに独立して各々定義される。ケイ素原子は全ての式において4価である。
以下の実施例では、特に断らない限り、全ての量及びパーセンテージは重量に基づくものであり、全ての圧力は0.10MPa(絶対)であり、全ての温度は20℃である。
体積加重粒度分布d50
体積加重粒度分布の決定は、ISO 13320に従って、2バールの圧縮空気を分散媒体として有するRODOS乾式分散機を取り付けたSympatec HELOS装置を用いた静的レーザー回折によるものである。d50は、メジアン粒径を示す。
ふるい分析:
ふるい分析は、100%振幅でRetsch AS 200基本分析ふるい機を用いた乾式ふるいによるものであった。分析のために、以下のメッシュサイズ、即ち、200μm、100μm、40μm、20μm、底を有するDIN ISO 3310による4つのふるいを積み重ねた。いずれの場合も、50gの物質を第1のふるい(200μm)の上に加え、10分間ふるいにかけた。
流動化及び体積増加の決定:
6.0gのポリシルセスキオキサン粒子を50mlのPP遠心分離管に導入し、30秒間激しく振盪し、水平面に1時間放置する。必要であれば、光のタッピングによって水準面を続いて生成する。試料の(沈降)体積を読み取る。容器を密閉し、材料が全て分散されるまで少なくとも30秒間激しく振盪する。遠心分離管を平面上にまっすぐに戻し、直ちに(振盪した)体積を読み取る。振盪及び読み取りを合計3回繰り返し、決定された値から平均体積(振盪、3回の実験の平均)を決定する。次いで、体積の増加を、次の式で計算する。
体積増加=体積(振盪、3回の実験の平均)×100/体積(沈降)
顕微鏡検査は、Zeiss SUPRA 55 VP走査型電子顕微鏡を用いて行った。検査の前に、Safematic CCU−010スパッタコーターを用いて試料を金で飛散させて、帯電現象を防止した。
実施例1〜3の球状ポリシルセスキオキサン粒子は、DIN EN ISO 13503−2、37頁、附属書B.3、図B.1に従う、0.8の平均真球度、及び0.85の平均真円度xを有する。
実施例
[実施例1]
導電率0.1μS/cmの脱塩水1328gをガラスフラスコに最初に入れ、20℃に温度制御する。フラスコの内容物を300rpmで撹拌する。0.1モルの塩酸を添加することによってpHを4.40の値に調整する。メチルトリメトキシシラン291.6gを1時間かけて計量供給し、温度を20℃に維持する。計量添加終了後、フラスコの内容物を20℃で1時間撹拌する。0.1モルのメタノール性KOH溶液65.49gを20℃で1分間かけて添加し、合計3分間混合して均一な混合物を形成する。次いで、スターラーのスイッチを切る。21時間後、沈殿した粒子を濾過し、DM水で洗浄し、DM水で再分散させて15%懸濁液を得る。次いで、懸濁液をNiro Mobile Minor実験室噴霧乾燥機で、260℃の流入温度及び155〜160℃の流出温度で窒素を乾燥ガスとして使用して乾燥させる。
[実施例2]
この実施例は、沈殿を達成するために0.1モルのメタノール性KOH溶液85.14gを添加する以外は、実施例1の方法に従って実施する。
[実施例3]
この実施例は、沈殿を達成するために1モルのアンモニア水溶液7.96gを添加する以外は、実施例1の方法に従って実施する。
[比較例V1]
この例は、沈殿した粒子を濾過し、DM水で洗浄し、150℃で18時間乾燥キャビネット中で乾燥させる以外は、実施例1の方法に従って実施する。
[比較例2]
本発明でない比較例V1からの粒子を、Alpine 100AFG流動床対向ジェットミル中で5バールの圧力及び4000rpmのシフトレバー速度で分散させる。
[比較例V3]
この例は、沈殿した粒子を濾過し、DM水で洗浄し、150℃で18時間乾燥キャビネット中で乾燥させる以外は、実施例3の方法に従って実施する。
[比較例4]
本発明でない比較例V3からの粒子をAlpine 100AFG流動床対向ジェットミル中で7バールの圧力及び12000rpmのシフトレバー速度で分散させる。
Figure 2019507807
本発明は、第1の工程において、一般式(I):
RSiOR (I)
[式中、
Rは、炭素鎖が隣接していない−O−基によって中断されていてもよい1〜16個の炭素原子を有する炭化水素基を表し、
はC〜C アルキル基を表す。]
のトリアルコキシシランが、混合されながら、6以下のpHを有する酸性化した水と反応して加水分解物を生じ、
第2の工程において、加水分解物は、水又はC〜Cアルカノール中の塩基の溶液と混合され、
第3の工程において、混合物は少なくとも2時間貯蔵され、
第4の工程において、ポリシルセスキオキサン粒子は噴霧乾燥される、
球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法を提供する。

Claims (12)

  1. 第1の工程において、一般式(I):
    RSiOR (I)
    [式中、Rは、炭素鎖が隣接していない−O−基によって中断されていてもよい1〜16個の炭素原子を有する炭化水素基を表し、RはC〜Cアルコキシ基を表す。]
    のトリアルコキシシランが、混合されながら、6以下のpHを有する酸性化した水と反応して加水分解物を生じ、
    第2の工程において、加水分解物は、水又はC〜Cアルカノール中の塩基の溶液と混合され、
    第3の工程において、混合物は少なくとも2時間貯蔵され、
    第4の工程において、ポリシルセスキオキサン粒子は噴霧乾燥される、
    球状ポリシルセスキオキサン粒子の製造方法。
  2. Rがエチル基又はメチル基を表す、請求項1に記載の方法。
  3. がエチル基又はメチル基を表す、請求項1から2のいずれか一項に記載の方法。
  4. 第1の工程では、水100重量部当たり5〜43重量部のトリアルコキシシランが添加される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 第2の工程において、水中のアンモニア溶液又は炭素原子数1〜3のアルカノール中のアルカリ金属水酸化物の溶液が使用される、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. いずれの場合も塩基の添加直後に測定して、6.5〜9.5のpHが達成されることを確実にするために、塩基の十分な溶液が添加される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 第2の工程における塩基の添加の温度が10℃〜40℃である、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 第3の工程において、混合物が少なくとも7時間貯蔵される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 第3の工程の後、混合物が酸の添加により中和される、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 第3の工程の後、粒子が単離され、洗浄液で洗浄され、洗浄された粒子が液体で再分散される、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 噴霧乾燥装置への乾燥ガス流の流入温度が110℃〜350℃である、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 請求項1から11のいずれか一項に記載の方法によって製造可能なポリシルセスキオキサン粒子。
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