高分子化学复习笔记汇编.docx
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高分子化学复习笔记汇编
第一章绪论
1.1高分子的基本概念、特点
单体：
能通过相互反应生成高分子的化合物。
高分子或聚合物：
由许多结构和组成相同的单元相互键连而成的相对分子质量在10000以上的化合物。
相对分子质量低于1000的称为低分子。
相对分子质量介于高分子和低分子之间的称为低聚物（又名齐聚物）。
相对分子质量大于1000000的称为超高相对分子质量聚合物。
主链：
构成高分子骨架结构，以化学键结合的原子集合。
侧链或侧基：
连接在主链原子上的原子或原子集合，又称支链。
支链可以较小，称为侧基；也可以较大，称为侧链。
聚合反应:
由低分子单体合成聚合物的反应称做~.
重复单元：
聚合物中组成和结构相同的最小单位称为~，又称为链节。
结构单元：
构成高分子链并决定高分子性质的最小结构单位称为~
单体单元：
聚合物中具有与单体的化学组成相同而键合的电子状态不同的单元称为~。
连锁聚合（ChainPolymerization）：
活性中心引发单体，迅速连锁增长的聚合。
烯类单体的加聚反应大部分属于连锁聚合。
连锁聚合需活性中心，根据活性中心的不同可分为自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合。
逐步聚合（StepPolymerization）：
无活性中心，单体官能团之间相互反应而逐步增长。
绝大多数缩聚反应都属于逐步聚合。
加聚反应（AdditionPolymerization）：
即加成聚合反应，烯类单体经加成而聚合起来的反应。
加聚反应无副产物。
缩聚反应（CondensationPolymerization）：
即缩合聚合反应，单体经多次缩合而聚合成大分子的反应。
该反应常伴随着小分子的生成。
聚合反应（Polymerization）：
由低分子单体合成聚合物的反应。
线型聚合物:
指许多重复单元在一个连续长度上连接而成的高分子.
热塑性塑料（ThermoplasticsPlastics）：
是线型可支链型聚合物，受热即软化或熔融，冷却即固化定型，这一过程可反复进行。
聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）等均属于此类。
热固性塑料（ThermosettingPlastics）：
在加工过程中形成交联结构，再加热也不软化和熔融。
酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂等均属于此类。
1.2高分子化合物的分类
1）按高分子主链结构分类：
可分为：
①碳链聚合物（Carbon-chainPolymer）：
大分子主链完全由碳原子组成的聚合物。
②杂链聚合物（Hetero-chainPolymer）：
聚合物的大分子主链中除了碳原子外，还有氧、氮，硫等杂原子。
③元素有机聚合物（ElementOrganicPolymer）：
聚合物的大分子主链中没有碳原子孙，主要由硅、硼、铝和氧、氮、硫、磷等原子组成。
④无机高分子（InorganicPolymer）：
主链与侧链均无碳原子的高分子。
2）按用途分可分为：
塑料、橡胶、纤维三大类，如果再加上涂料、粘合剂和功能高分子则为六大类。
塑料（Plastics）：
具有塑性行为的材料，所谓塑性是指受外力作用时，发生形变，外力取消后，仍能保持受力时的状态。
塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，受力能发生一定形变。
软塑料接近橡胶，硬塑料接近纤维。
橡胶（Rubber）：
具有可逆形变的高弹性聚合物材料。
在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。
橡胶属于完全无定型聚合物，它的玻璃化转变温度（Tg）低，分子量往往很大，大于几十万。
纤维（Fiber）：
聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。
纤维具有弹性模量大，受力时形变小，强度高等特点，有很高的结晶能力，分子量小，一般为几万。
3）按来源分可分为：
天然高分子、合成高分子、半天然高分子（改性的天然高分子）
4）按分子的形状分：
线形高分子、支化高分子、交联（或称网状）高分子
5）按单体分：
均聚物、共聚物、高分子共混物（又称高分子合金）
6）按聚合反应类型分：
缩聚物、加聚物
7）按热行为分：
热塑性聚合物（ThermoplasticsPolymer）：
聚合物大分子之间以物理力聚集而成，加热时可熔融，并能溶于适当溶剂中。
热塑性聚合物受热时可塑化，冷却时则固化成型，并且可以如此反复进行。
热固性聚合物（ThermosettingPolymer）：
许多线性或支链形大分子由化学键连接而成的交联体形聚合物，许多大分子键合在一起，已无单个大分子可言。
这类聚合物受热不软化，也不易被溶剂所溶胀。
8）按相对分子质量分：
高聚物、低聚物、齐聚物、预聚物。
1.3相对分子质量及其分布
1）相对分子质量
平均相对分子质量：
相对于一般低分子化合物都具有确定的相对分子质量而言，一般合成聚合物都不是由具有相同相对分子质量的大分子组成，而是由许多相对分子质量大小不等的同系物分子组成的混合物。
因此，高分子化合物的相对分子质量只是这些同系物相对分子质量的统计平均值。
数均分子量:
为i-聚体的分子分率和质量分率。
某体系的总质量m为分子总数所平均。
.
质均分子量:
采用光散射法测得:
粘均分子量（Viscosity-averageMolecularWeight）：
用粘度法测得的聚合物的分子量。
2）聚合度
聚合度（
）：
即高分子链中重复单元的重复次数，以
表示；衡量聚合物分子大小的指标。
聚合度
与相对分子质量的关系为
式中M为重复单元的相对分子质量.
由于共聚物和混缩聚物的重复单元由两个或两个以上结构单元组成,如果采用聚合度
往往会带来计算上的不便，因此大部分情况下，将聚合度定义为每个大分子链所含结构单元数目的平均值，通常以
表示。
聚合度
与相对分子质量的关系为
，
为结构单元的平均相对分子质量。
特别强调：
聚合度的计算最好以结构单元数目而不以重复单元数目为基准，即通常采用的是
表示聚合度。
3）相对分子质量分布
多分散性（Polydispersity）：
聚合物通常由一系列相对分子量不同的大分子同系物组成的混合物，这种相对分子质量的不均一性称为相对分子质量的多分散性。
多分散性有三种表示法：
①多分散系数；②分级曲数；③分布函数。
多分散系（指）数可以用重均分子量和数均分子量的比值来表示,这一比值称为多分散指数,其符号为
，对于完全单分散的聚合物D=1，其数值大小表征聚合物相对分子质量大小悬殊的程度。
分子量分布（MolecularWeightDistribution,MWD）：
由于高聚物一般由不同分子量的同系物组成的混合物，因此它的分子量具有一定的分布，分子量分布一般有分布指数和分子量分布曲线两种表示方法。
第二章逐步聚合
2.1逐步聚合反应的基本概念
1逐步的特征
逐步聚合（StepPolymerization）：
通常是由单体所带的两种不同的官能团之间发生化学反应而进行的。
无活性中心，单体官能团之间相互反应而逐步增长。
绝大多数缩聚反应都属于逐步聚合。
其特征为：
①逐步聚合反应是通过单体功能基之间的反应逐步进行的。
在反应初期，聚合物远未达到实用要求的高分子量（>5000——10000）时，单体就已经消失了。
②逐步聚合反应的速率是不同大小分子间反应速率的总和。
③聚合产物的相对分子质量随转化率增高而逐步增大的。
④在高转化率才能生成高分子量的聚合物。
3）按参加反应的单体种类分类
（1）逐步均聚反应：
只有一种或两种单体参加聚合反应，生成的聚合物只含有一种重复单元。
（2）逐步共聚反应：
两种或两种以上单体参加聚合反应，生成的聚合物含有两种或两种以上的重复单元。
3.缩聚反应
缩聚反应：
是缩合聚合的简称，是多次缩合重复结果形成缩聚物的过程。
缩合和缩聚都是基团间的反应，两种不同基团可以分属于两种单体分子，也可能同在一种单体分子上。
官能度
（Functionality）：
一分子聚合反应原料中能参与反应的官能团数称为官能度。
1-1、1-2、1-3体系缩合，将形成低分子物；2-2或2-官能度体系缩聚，形成线形缩聚物；2-3、2-4或3-3体系则形成体形缩聚物。
4.线形缩聚机理
线形缩聚机理的特征有：
逐步和可逆。
1）线型缩聚反应的逐步性
缩聚大分子的生长是由于官能团相互反应的结果。
缩聚早期，单体很快消失，转变成二聚体、三聚体、四聚体等低聚物，转化率很高，以后的缩聚反应则在低聚物之间进行。
缩聚反应就是这样逐步进行下去的，聚合度随时间或反应程度而增加。
延长聚合时间的主要目的在于提高产物相对分子质量，而不在于提高转化率。
缩聚早期，单体的转化率就很高，而相对分子质量却很低。
转化率：
是指转变成聚合物的单体部分占起始单体量的百分数。
逐步特性是所有缩聚反应所共有的。
2）线型缩聚反应的平衡性
许多缩聚反应是可逆的，其可逆的程度可由平衡常数来衡量。
根据其大小，可将线型缩聚大致分成三类：
①平衡常数小，如聚酯化反应，K≈4，低分子副产物水的存在对聚合物相对分子质量影响很大，应除去。
②平衡常数中等，如聚酰胺化反应，K≈300～500，水对聚合物相对分子质量有所影响。
③平衡常数很大或看作不可逆，如聚碳酸酯和聚砜一类的缩聚，平衡常数总在几千以上。
可逆平衡的程度则各类缩聚反应有明显的差别。
3）线型缩聚反应的平衡常数
Flory等活性理论：
单官能团化合物的分子链达到一定长度之后，其官能团的化学反应活性与分子链长无关。
按照官能团等活性理论，可以用一个平衡常数表征整个聚合反应的平衡特征，并以体系中的官能团浓度代替单体浓度。
以聚酯反应为例，则其平衡常数为
方括号的含义是代表官能团的浓度和小分子的浓度。
平衡为限，不能使扩散成为控制速率的主要因素。
4）反应程度和聚合度
考虑到在线型缩聚反应中实际参加反应的是官能团而不是整个单体分子，所以通常采用已经参加了反应的官能团与起始官能团的物质的量之比即反应程度
来表征该反应进行的程度：
=已反应官能团数／起始官能团总数
式中：
为反应起始时单体的总物质的量；N为缩聚反应体系中同系物（含单体）的总物质的量。
线型平衡缩聚物的数均聚合度与反应程度的关系为
7）获得高相对分子质量缩聚物的基本条件
获得高相对分子质量缩聚物的重要条件是：
①单体纯净，无单官能团化合物。
②官能团等物质的量配比。
③尽可能高的反应程度，包括温度控制、催化剂、后期减压排除小分子、惰性气体保护等。
2.2官能团等活性概念
官能团等活性概念：
反应物的两个官能团的反应活性是相等的，它与分子链的大小（分子量）无关，与另一个官能团是否已经反应也无关。
2.4聚合度与平衡常数的关系
官能团等活性和等物质的量配比时，线型平衡缩聚反应达到平衡时聚合物同系物（其中含单体）的平均聚合度（
）与平衡常数（
）、反应程度（
）以及体系中小分子存留率（
）之间的关系为
这是一个普遍公式，式中：
，定义为存留在体系中小分子的物质的量分数；
为生成小分子（这里用H20代表）的物质的量。
1）密闭体系
平衡聚合反应：
单体与聚合物之间存在平衡关系的聚合反应称为~或可逆聚合反应。
通常将逆反应叫做解聚反应。
缩聚反应在与外界完全无传质过程的所谓“密闭反应器”中进行。
所以，密闭体系中进行的线型平衡缩聚反应达到平衡时的聚合物同系物的聚合度完全由平衡常数决定。
2）敞开体系
缩聚反应在能够与外界进行传质过程的敞开反应器中进行，即将小分子副产物不断从反应体系中移走。
当聚合物平均相对分子质量在10000以上时，反应程度可近似地取为1，则
（许尔兹公式）
所以，对于绝大多数线型平衡缩聚反应而言，要获得高相对分子质量的聚合物就必须保证反应在敞开的反应器中进行，同时需要排出小分子副产物，使残留在反应体系中的小分子尽可能小。
2．5线型聚合反应的分子量控制
根据不同的用途、在不同的场合对聚合物的相对分子质量控制的目的为以下二者之一：
①使聚合物的相对分子质量达到或接近预期的数值。
使聚合反应在达到要求的相对分子质量时失去进一步聚合的条件。
可采用控制两种官能团的配比或加入端基封锁剂的方法。
②使聚合物的相对分子质量尽可能高。
创造使大分子两端的官能团能够无限制地进行聚合反应的条件。
控制分子量通常有以下方法：
①控制反应程度。
②控制反应官能团的当量比。
③加入少量单官能团单体。
1．控制反应程度
在任何情况下，缩聚物的聚合度均随反应程度的增加而增加。
逆反应和原料非等物质的量比均使反应程度有所限制，难以获得高相对分享质量的缩聚物。
2．缩聚平衡对聚合度的影响
对于聚酯化一类可逆缩聚反应，平衡常数对反应程度进而对聚合度将产生很大影响。
密闭体系中聚合度与平衡常数的定量关系为
。
敞开体系中聚合度与平衡常数和存留在体系中小分子的摩尔分数的定量关系为
，如不及时除去小分子副产物，由于逆反应，将得不到很高的反应程度和聚合度。
2.7逐步聚合反应实施方法
欲使逐步聚合成功，必须考虑下列原则和措施：
①原料要尽可能纯净。
②单体按化学计量配制，加微量单官能团物质或某双官能团单体微过量来控制分子量；
③尽可能提高反应程度；
④采用减压或其他手段去除副产物，使反应向聚合物方向移动。
融熔缩聚（MeltPoly-condensation）：
熔融缩聚是指反应温度高于单体和缩聚物的熔点，反应体系处于熔融状态下进行的反应。
熔融缩聚的关键是小分子的排除及分子量的提高。
优点：
①体系中组分少，设备利用率高，生产能力大。
②反应设备比较简单，产品比较纯净，不需要后处理。
缺点：
①要求生产分子量高的聚合物时有困难。
②长时间高温加热会引起氧化降解等副反应；③要求官能团物质的量比例严格，条件比较苛刻。
④当聚合物熔点不超过300时，才能考虑采用熔融聚合。
溶液缩聚（SolutionPoly-condensation）：
单体加适当催化剂在溶剂（包括水）中呈溶液状态下进行的缩聚叫溶液缩聚。
特点：
①反应温度较低，一般为40~100。
②反应设备简单。
③由于溶剂的引入，设备利用率低，由于溶剂的回收处理，使工艺过程复杂化。
选用溶剂时需要考虑的因素：
①溶剂的极性。
②溶剂化作用。
③溶剂的副反应。
界面缩聚（InterfacialPoly-condensation）：
两单体分别溶解于两不互溶的溶剂中，反应在两相界面上进行的缩聚称之为界面缩聚，具有明显的表面反应的特性。
特点：
①复相反应，将两单体分别溶于互不相溶的溶剂中。
②不可逆。
③界面缩聚的总速率决定于扩散速率。
高分子量聚合物的生成与总转化率无关。
④相对分子质量对配料比敏感性小。
⑤反应温度低，相对分子质量高。
⑥所用设备体积大，利用率低。
固相缩聚：
是在玻璃化温度以上，熔点以下的固态所进行的缩聚反应。
2.8非线型逐步聚合反应
1.支化型逐步聚合反应
当体系存在大于两个官能团的单体时（官能度
时），得到支化高分子，而不会产生交联。
其中，
体系生成超支化高分子（hyperbranchedpolymer）。
当超支化高分子中所有的支化点的官能度相同，且所有支化点间的链段长度相等时，叫树枝形高分子（dendrimer）。
2.交联型逐步聚合反应
在A-B单体与
单体（
）的聚合反应体系中，若加入B-B型单体时，两个聚合物分子链之间就可以发生反应，生成交联型聚合物。
这种大分子之间成键生成交联聚合物的反应称做交联反应。
聚合体系中单体的平均官能度、官能团物质的量的比及反应程度，决定了聚合反应是生成支化高分子还是交联高分子（体型聚合物）。
体型聚合物（热固性聚合物）在性能上具有不溶、不熔和机械强度高的特点。
而线形聚合物或支链形聚合物（热塑性聚合物）则可熔融塑化，受热后，潜在官能团进一步交联而固化。
1）体型缩聚反应的特点
体型缩聚反应的特点：
①可分步进行。
②存在凝胶化过程。
③凝胶点之后，聚合反应速率较同类线型反应的反应速率低。
凝胶化过程也叫凝胶化现象（gelation），即体型缩聚反应当反应程度达到某一数值时，反应体系的黏度会突然增加，突然转变成不溶、不熔、具有交联网状结构的弹性凝胶的过程。
此时的反应程度被称做凝胶点
（criticalreactionconversionpoint）。
通常以气泡在体系中不能上升为判据。
凝胶化过程发生时，体系中存在凝胶和溶胶两个部分。
凝胶（gel）是呈交联网状结构的体形聚合物，不溶于一切溶剂；溶胶（sol）则是被包裹在凝胶的网状结构中的链形聚合物，其相对分子质量较小，是可以溶解的。
溶胶可用溶剂浸取出来，溶胶还可以进一步交联成凝胶。
2）无规预聚物和结构预聚物
（1）无规预聚物。
通常将在接近凝胶点时终止聚合反应，得到的相对分子质量不高、可以在加工成型过程中交联固化的聚合物叫做预聚物（prepolymerization）。
将分子链端的未反应官能团完全无规的预聚物通常叫做无规预聚物。
例如，碱催化酚醛树脂、脲醛树脂、醇酸树脂、三聚氰胺树脂（即密醛树脂）都属于此类。
在工艺上，根据反应程度的不同，将体型缩聚物的合成分为甲、乙、丙三个阶段。
甲阶树脂（A-stageresin）的反应程度
小于凝胶化开始时的临界反应程度
（凝胶点），甲阶聚合物具有良好的溶、熔性能。
乙阶树脂（B-stageresin）
接近
，溶解性能变差，但仍能熔融。
丙阶树脂（C-stageresin）的
，已经交联，不能再溶、熔。
成型加工厂多使用乙阶树脂。
（2）结构预聚物。
将具有特定的活性端基或侧基、基团结构比较清楚的特殊设计的预聚物称为结构预聚物。
例如，环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酸催化酚醛树旨、制备聚氨酯用的聚醚二元醇和聚酯二元醇、遥爪聚合物都属于此类。
结构预聚物往往是线型低聚物，其本身一般不能进一步聚合或交联，第二阶段交联固化时，需另加入催化剂或其他反应性物质来进行，这些加入的催化剂或其他反应物通常叫固化剂。
3.Carothers方程法
平均官能度
（Aver-Functionality）：
是指在两种或两种以上单体参加的混缩聚或共缩聚反应中，在达到凝胶点以前的线型缩聚反应阶段，反应体系中实际能够参加反应的各种官能团总物质的量与单体总物质的量之比。
体型缩聚的重点是凝胶点计算。
凝胶点计算的关键是平均官能度的计算。
对于两种官能团参加的体型缩聚反应的平均官能度的计算要点是：
①按照官能团的种类将单体分为两组，分别计算两种官能团的总物质的量；②比较两种官能团总物质的量的大小，判断体系官能团的配比是等物质的量还是不等物质的量，选择相应的公式计算平均官能度；③将平均官能度带入Carothers方程即可计算出凝胶点。
应当注意的是计算凝胶点的数值一定小于或等于1，通常情况下应该保留三位有效数字。
Carothers对体型缩聚反应线型阶段作如下两点合理假定：
①在线型缩聚阶段每进行一步反应都必然等量消耗两个不同的官能团，同时伴随着一个同系物分子的消失。
②达到凝胶化过程发生的那一刻，聚合物的相对分子质量急速增大直至发生交联，此时将聚合度定义为无穷大。
于是按照反应程度定义[
，
]可以得到Carothers方程：
（1）反应物等当量
聚合度与单体平均官能度及反应程度的关系式：
或
凝胶点时：
（2）反应物不等当量
两种单体非等当量时，可以简单的认为，聚合反应程度是与量少的单体有关。
另一单体的过量部分对分子量增长不起作用。
如对一个三元混合物体系，单体
，
和
的摩尔分数分别为
、
和
，官能度分别为
、
和
。
单体
和
含有同样的A官能团，并且B官能团过量，即
则平均官能度为：
或
式中
是A和B官能团的当量系数，它等于或小于1，
是
的单体所含A官能团占总的A官能团的分数。
反应程度（ExtentofReaction）与转化率（Conversion）：
参加反应的官能团数占起始官能团数的分率。
参加反应的反应物（单体）与起始反应物（单体）的物质的量的比值即为转化率。
凝胶化现象（GelationPhenomena）凝胶点（GelPoint）：
体型缩聚反应进行到一定程度时，体系粘度将急剧增大，迅速转变成不溶、不熔、具有交联网状结构的弹性凝胶的过程，即出现凝胶化现象。
此时的反应程度叫凝胶点。
预聚物（Pre-polymer）：
体形缩聚过程一般分为两个阶段，第一阶段原料单体先部分缩聚成低分子量线形或支链形预聚物，预聚物中含有尚可反应的基团，可溶可熔可塑化。
该过程中形成的低分子量的聚合物即是预聚物。
无规预聚物（RandomPre-polymer）：
预聚物中未反应的官能团呈无规排列，经加热可进一步交联反应。
这类预聚物称做无规预聚物。
结构预聚物（StructuralPre-polymer）：
具有特定的活性端基或侧基的预聚物称为结构预聚物。
结构预聚物往往是线形低聚物，它本身不能进一步聚合或交联。
2）取代的电负性和共轭性决定烯烃的聚合反应类型
（1）带吸电子取代基的烯烃能够进行自由基型和阴离子型两种聚合反应；
（2）带推（供）电子取代基的烯烃能够进行阳离子型聚合反应。
但是丙烯除外，只能进行配位聚合。
（3）带共轭取代基的烯烃能够进行自由基、阴离子和阳离子三种类型的聚合反应。
下面列出烯烃取代基的种类与其能够进行的聚合反应类型的相关性：
阴离子聚合
阳离子聚合
聚合上限温度Tc（CeilingTemperatureofPolymerization）：
ΔG=0，聚合和解聚处于平衡状态时的温度即为聚合上限温度，在此温度以下进行的聚合反应无热力学障碍；超过聚合上限温度聚合就无法进行。
平衡温度：
在此温度以下进行的聚合反应无热力学障碍；高于此温度聚合物将自动降解或分解；在此温度或稍低于此温度条件下单体的聚合反应十分困难。
也可以通过实验测定聚合反应转化率与温度的关系，再外推至转化率为零时的温度（
）。
2.自由基聚合的基元反应
自由基聚合反应包括：
链引发、链增长和链终止。
链引发（ChainInitiation）：
形成单体自由基活性种的反应。
链引发包括两步：
初级自由基的形成（即引发剂的分解，吸热反应），单体自由基的形成（放热反应）。
链增长（ChainPropagation）：
单体自由基形成后，它仍具有活性，能打开第二个烯类分子的π双键，形成新的自由基，新自由基的活性并不随着链段的增加而衰减，与其它单体分子结合成单元更多的链自由基，即链增长。
其有两个特征:
一是放热反应,二是增长活化能低,增长速率极高。
链终止（ChainTermination）：
自由基活性高，有相互作用终止而失去活性的倾向。
链自由基失去活性形成稳定聚合物的反应称为链终止反应。
自由基聚合反应的特点是：
慢引发、快增长、速终止，三者的速率常数递增。
其中链引发反应速率主要是由引发剂分解速率决定。
链终止反应包括双基终止和转移终止两种类型。
单基终止（Mono-radicalTermination）：
链自由基从单体、溶剂、引发剂等低分子或大分子上夺取一个原子而终止，这些失去原子的分子可能形成新的自由基继续反应，也可能形成稳定的自由基而停止聚合。
双基终止（Bi-radicalTermination）：
链自由基的独电子与其它链自由基中的独电子或原子作用形成共价键的终止反应。
双基终止包括双基偶合终止和双基歧化终止。
偶合终止（CouplingTermination）：
两链自由基的独电子相互结合成共价键的终止反应，偶合终止的结果是大分子的聚合度为链自由基重复单元数的两倍。
歧化终止（DisproportionationTermination）：
某链自由基夺取另一自由基的氢原子或其他原子终止反应。
歧化终止的结
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