CN115431513B - 一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,包括以下步骤:步骤S1:制备多元液晶烯烃分子;步骤S2:制备3D打印墨水前驱体;步骤S3:制备3D打印墨水;步骤S4:制备柔性触觉反馈致动材料;步骤S5:制备得到干燥的具有取向结构的厚度为300μm液晶弹体膜;步骤S6:制备得到柔性电路;步骤S7:制备柔性触觉反馈阵列。本发明是以调控反应性液晶聚合物混合物的组成和分子量使之具有挤出3D打印特性,并在此基础上通过上述混合物即打印墨水熔体在受限区域的剪切,实现液晶聚合物剪切取向,制备的具有可以发生二维到三维变化的液晶弹体膜为基础材料,并进一步结合柔性基底、加热电极以及供能***而形成的便携柔性触觉反馈阵列。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性致动材料制备技术领域,尤其涉及一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法。
背景技术
液晶分子是具有一定长径比的有机分子,其可以在一定的外界刺激或内在因素的诱导下实现有序凝聚态结构到无序微结构的转变,并引起液晶分子聚集体在微观和宏观特性的变化。利用该特性,取向态单畴液晶材料可以作为智能材料在软体机器人、人造肌肉以及致动器等方面进行应用,其刺激源包括光、电、磁和热等。为了实现液晶材料的致动性,需对液晶单元进行各项异性加工,通常剪切、拉伸和压缩等方法能对液晶单元进行取向。3D打印技术使打印墨水熔体在喷头的受限空间中进行压缩和剪切从而取向,再通过打印路径的控制可以实现液晶在面内复杂取向从而赋予其特殊的可逆刺激形变模式。
虚拟现实和增强现实等技术通常是以视觉和听觉模拟使用户获得近乎真实的感受。触觉反馈是进一步强化虚拟现实和增强现实等技术的重要手段,可以令虚拟的环境带给人近乎与现实无差别的感受。利用液晶弹性体可逆且可控的二维到三维的形变特性,可以将其制备成在空间中可逆上下伸缩的阵列,并通过合理的结构设计使之可控的进行程序化的凸起-恢复,并对人的触觉受体进行刺激从而实现触觉的反馈。此外,由于整个器件均由聚合物构成,因此其可具有极佳的柔性和便携性。
为此,我们提出一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,解决了现有技术中如何能在虚拟现实、增强现实以及盲文等方面有着潜在的应用如何使得到的制动材料的性能可以根据要求进行可控的调节,实现触觉的灵敏性和触觉阵列的工作稳定性的问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,包括以下步骤:
步骤S1:将4当量的1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯在四氢呋喃溶剂中搅拌溶解,并加入0.04当量的催化剂均匀混合,得到混合溶液;再将1当量四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯溶于四氢呋喃并用恒压逐滴滴加入混合溶液中,加料完毕后,继续在室温下反应完全,最后,过柱分离得到多元液晶烯烃分子;
步骤S2:将1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇按摩尔比1.05-1.2:1的比例溶解于二氯甲烷中,并加入质量分数为2%的光引发剂和质量分数为3%的所述步骤S1的同种催化剂搅拌均匀,在常温下反应,得到黏度为5.5×103-3.0×102Pa•s的3D打印墨水前驱体;
步骤S3:将所述3D打印墨水前驱体用去离子水清洗、过滤、干燥得到白色固体,将所述白色固体溶解于二氯甲烷中,并加入质量分数为1-10%的多元液晶烯烃分子均匀混合,在预设温度下减压挥发、干燥得到3D打印墨水;
步骤S4:将所述3D打印墨水加入3D打印料筒中进行加热,将加热后的3D打印墨水在旋涂了薄层聚乙烯醇的玻璃基底上进行打印,同时采用强度为20-40mW/cm2的紫外光固化,控制打印路径以控制液晶单元在二维平面内的取向结构,得到柔性触觉反馈致动材料;
步骤S5:将所述柔性触觉反馈致动材料在所述步骤S4的同种紫外光下继续反应,最后将所述柔性触觉反馈结构放入水中溶去聚乙烯醇,干燥后得到具有取向结构的厚度为300μm液晶弹体膜;
步骤S6:在柔性基底上打印阵列式的环形铜加热电极并用铜引线接出,将所述液晶弹体膜分别安装在阵列式的所述环形加热电极上,边缘用粘接剂粘接,得到柔性电路;
步骤S7:在所述柔性电路上粘接聚合物保护层,所述聚合物保护层以开孔的方式使所述环形铜加热电极和所述液晶弹体膜所在区域的Z方向致动不受保护层限制,得到柔性触觉反馈阵列。
进一步地,所述步骤S1中所述多元液晶烯烃分子为四(((4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基)-2-甲基苯)-4((4-(乙基丙基酰氧基己氧基)苯甲酰氧基)-2-甲基苯)硫醚)季戊四醇酯,用于调节打印墨水流变特性和液晶弹体膜热致可逆形变比率。
进一步地,所述步骤S1中的催化剂为二正丙胺或三乙胺,所述步骤S2中的光引发剂为安息香双甲醚或光引发剂819。
进一步地,所述步骤S2中所述1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和所述2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比1.1:1,并按化学计量比进行完全反应,得到的聚合物的数均聚合度为10。
进一步地,所述步骤S3中所述多元液晶烯烃分子的质量分数为5%。
进一步地,所述步骤S3中所述预设温度为60℃,所述步骤S4中将所述3D打印墨水加入3D打印料筒中进行加热的温度为70℃,加热时间为1h。
进一步地,所述步骤S4中将加热后的3D打印墨水在旋涂了薄层聚乙烯醇的玻璃基底上进行打印的压强为80psi,速度为1-10mm/s。
进一步地,所述步骤S4中的紫外光波长为365nm。
进一步地,所述步骤S5中将所述柔性触觉反馈结构在紫外光下继续反应的时间为120min。
进一步地,所述步骤S6中所述柔性基底或所述步骤S7中所述聚合物保护层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚碳酸酯以及单向或双向拉伸聚丙烯中的一种。
本发明的有益效果是:
1、本发明是以调控反应性液晶聚合物混合物的组成和分子量使之具有挤出3D打印特性,并在此基础上通过上述混合物即打印墨水熔体在受限区域的剪切,实现液晶聚合物剪切取向,制备的具有可以发生二维到三维变化的液晶弹体膜为基础材料,并进一步结合柔性基底、加热电极以及供能***而形成的便携柔性触觉反馈阵列。
2、本发明的原理明确简单、制备方法简便可控。根据实际的应用要求,可以通过墨水组成的控制和打印参数调节,实现材料制动性和机械性能的动态可控,使其在虚拟现实、增强现实以及盲文触觉等方面有着潜在的应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中柔性触觉反馈阵列的示意图;
图2为本发明实施例4中3D打印液晶弹体膜在90℃和常温的热激励循环形变稳定性;
图3为本发明实施例4中3D打印液晶弹体膜在90℃加热和自然冷却过程的形变-时间图;
图4为本发明实施例4中3D打印液晶弹体膜在50-100℃的温度范围内的温度-形变图;
图5为本发明对比例1中3D打印液晶弹体膜的应力-应变曲线图;
图6为本发明实施例4中3D打印液晶弹体膜的应力-应变测试曲线图;
图7为本发明实施例4中打印液晶弹体触觉单元在周期电场下二维到三维变化高度变化规律图。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,包括以下步骤:
步骤S1:将4当量的1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯在四氢呋喃溶剂中搅拌溶解,并加入0.04当量的催化剂二正丙胺均匀混合,得到淡黄色溶液;再将1当量四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯溶于四氢呋喃并用恒压逐滴滴加入混合溶液中,加料完毕后,继续在室温下反应2h,最后,过柱分离得到多元液晶烯烃分子,四(((4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基)-2-甲基苯)-4((4-(乙基丙基酰氧基己氧基)苯甲酰氧基)-2-甲基苯)硫醚)季戊四醇酯;
步骤S2:将1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇按摩尔比1.05:1的比例溶解于二氯甲烷中,并加入质量分数为2%的光引发剂安息香双甲醚和质量分数为3%的催化剂二正丙胺搅拌均匀,常温反应,得到黏度为5.5×103Pa•s的3D打印墨水前驱体;
步骤S3:将所述3D打印墨水前驱体用去离子水清洗、过滤、干燥得到白色固体,将所述白色固体溶解于二氯甲烷中,并加入质量分数为8%的多元液晶烯烃分子均匀混合,在60℃温度下常压挥发、干燥得到3D打印墨水;
步骤S4:将所述3D打印墨水加入3D打印料筒中温度为70℃进行加热1h,接着在80Psi下挤出墨水打印在旋涂了薄层聚乙烯醇的玻璃基底上,打印速度为1mm/s,同时采用强度为20mW/cm2的波长为365nm紫外光固化,控制打印路径以控制液晶单元在二维平面内的取向结构,得到具有热致可逆Z轴形变的液晶材料作为触觉反馈阵列的基本材料;
步骤S5:将所述柔性触觉反馈结构在波长为365nm紫外光下继续反应120min,最后将所述柔性触觉反馈结构放入水中溶去聚乙烯醇,干燥后得到具有取向结构的厚度为300μm液晶弹体膜;
步骤S6:在聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上打印阵列式的环形铜加热电极并用铜引线接出,将所述液晶弹体膜分别安装在阵列式的所述环形加热电极上,边缘用粘接剂粘接,得到柔性电路;
步骤S7:在所述柔性电路上粘接聚对苯二甲酸乙二醇酯保护层,所述聚对苯二甲酸乙二醇酯保护层以开孔的方式使所述环形铜加热电极和所述液晶弹体膜所在区域的Z方向致动不受保护层限制,得到柔性触觉反馈阵列,其组成结构参见图1。
实施例2:制备过程与实施例1相同,区别仅在于:
步骤S1和步骤S2中使用的催化剂为三乙胺;
步骤S2中1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比为1.1:1,光引发剂为光引发剂819,得到的3D打印墨水前驱体的黏度为3×103Pa•s;
步骤S3中多元液晶烯烃分子的质量分数为6%;
步骤S4中打印的速度为4mm/s,紫外光强度为30mW/cm2;
步骤S6和步骤S7中柔性基底和聚合物保护层的材料均为聚氨酯。
实施例3:制备过程与实施例1相同,区别仅在于:
步骤S1和步骤S2中使用的催化剂为三乙胺;
步骤S2中光引发剂为光引发剂819,得到的3D打印墨水前驱体的黏度为5×103Pa•s;
步骤S3中多元液晶烯烃分子的质量分数为3%;
步骤S4中打印的速度为8mm/s,紫外光强度为35mW/cm2;
步骤S6和步骤S7中柔性基底和聚合物保护层的材料均为聚二甲基硅氧烷。
实施例4:制备过程与实施例1相同,区别仅在于:
步骤S2中1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比为1.1:1,得到的3D打印墨水前驱体的黏度为3×103Pa•s;
步骤S3中多元液晶烯烃分子的质量分数为5%;
步骤S4中打印的速度为5mm/s,紫外光强度为40mW/cm2;
步骤S6和步骤S7中柔性基底和聚合物保护层的材料均为聚酰亚胺。
以相同方式获得的样条的可逆热致形变循环特性参见图2;形变量随时间变化特性参见图3;形变量随温度变化图参见图4;其在周期性电场下所展现的从二维到三维结构的变化规律参见图6,打印液晶弹体触觉单元在周期电场下二维到三维变化高度变化规律图参见图7。
实施例5:制备过程与实施例1相同,区别仅在于:
步骤S2中1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比为1.2:1,光引发剂为光引发剂819,得到的3D打印墨水前驱体的黏度为2×102Pa•s;
步骤S3中多元液晶烯烃分子的质量分数为1%;
步骤S4中打印的速度为10mm/s,紫外光强度为40mW/cm2;
步骤S6和步骤S7中柔性基底和聚合物保护层的材料均为聚碳酸酯。
实施例6:制备过程与实施例1相同,区别仅在于:
步骤S3中多元液晶烯烃分子的质量分数为10%;
步骤S4中打印的速度为5mm/s,紫外光强度为40mW/cm2;
步骤S6和步骤S7中柔性基底和聚合物保护层的材料均为单向拉伸聚丙烯。
实施例7:制备过程与实施例1相同,区别仅在于:
步骤S1和步骤S2中使用的催化剂为三乙胺;
步骤S2中1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比为1.1:1,光引发剂为光引发剂819,得到的3D打印墨水前驱体的黏度为3×103Pa•s;
步骤S3中多元液晶烯烃分子的质量分数为5%;
步骤S4中打印的速度为5mm/s,紫外光强度为40mW/cm2;
步骤S6和步骤S7中柔性基底和聚合物保护层的材料均为双向拉伸聚丙烯。
对比例1:制备过程与实施例4相同,区别仅在于:步骤S2中1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比为0.8:1。
其力学性能参见图5(由于端基为巯基,无法进行光引发的交联反应,且其数均聚合度仅为5,所以其力学性能极差,同时也无任何可逆制动效果)。
对比例2:制备过程与实施例4相同,区别仅在于:步骤S2中1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比为1.5:1。
对比例3:制备过程与实施例4相同,区别仅在于:步骤S3中多元液晶烯烃分子的质量分数为15%。
对比例4:制备过程与实施例4相同,区别仅在于:步骤S3中不添加多元液晶烯烃分子。
对比例5:制备过程与实施例4相同,区别仅在于:步骤S4中紫外光强度为10mW/cm2。
对比例6:制备过程与实施例4相同,区别仅在于:步骤S4中紫外光强度为60mW/cm2。
对比例7:制备过程与实施例4相同,区别仅在于:步骤S4中打印的速度为10mm/s。
将实施例与对比例进行性能测试,测试结果如表1所示:
表1 实施例与对比例性能测试对比表
说明:“-”为该数据未获得。
由此可见,根据对比例1和对比例2得到,当1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比的比值低于实施例4中的最佳值且大于1时,所获得的墨水前驱体聚合物分子量过大,无法通过热熔融挤出方式进行液晶材料的取向和打印或在聚合物末端留下巯基无法进行后续的光交联,导致材料无可逆致动特性;当低于实施例4中的最佳值且小于1时,组成打印墨水的聚合物末端为巯基,无法进行后续的交联反应所以不能作为热致可逆致动材料;当高于实施例4中的最佳值时,所获墨水前驱体聚合物分子量小,其熔体粘度过低,打印过程不可控,且其通过剪切所造成的液晶取向难以固定,降低了材料的外观形态和可逆形变率,最终严重削弱最终触觉阵列的性能,甚至无法成功的制备该阵列。
根据对比例3和对比例4得到,多元液晶交联度过多造成材料交联度过大,从而使液晶弹体热制动过程液晶单元的有序-无序转变受到限制,进而降低阵列在Z轴方向上的可逆伸缩幅度。当低于实施例4中的最佳值时,材料的交联度较低,不能提供很好的力学性能,从而影响材料的自支撑和使用中的机械稳定性。
根据对比例5和对比例6得到,当紫外光强度低于实施例4中的最佳值时,材料在初次交联过程不足无法固定由于挤出剪切而诱导的液晶取向,最终使材料中的液晶单元的取向度降低而无法提供较大程度的可逆形变;当大于实施例4中的最佳值时,初次交联完成度大,会限制熔体的流动性,进而使挤出的线条之间无法发生材料之间的融合使之不能得到特殊取向的弹体膜或该膜的质量不佳,不能最为本发明中的触觉反馈阵列的制备。
根据对比例7得到,当打印速度高于实施例4中的最佳值时,均会使打印的液晶弹体的外观完整性难以控制无法作为本发明中的触觉反馈阵列的制备材料。此外,当打印速度低于实施例4中的最佳值时,打印墨水在喷头中的剪切力会相对较小,进而降低液晶单元的取向度,最终减弱材料的可逆形变量。
综上所述,本发明从墨水的组成比例及挤出打印条件控制,平衡了液晶弹体的可逆致动特性和物理机械特性,使其在实现较大可逆热致动性的同时保证良好的力学性能,最终实现了一种高性能的触觉反馈阵列的制备。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:将4当量的1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯在四氢呋喃溶剂中搅拌溶解,并加入0.04当量的催化剂均匀混合,得到混合溶液;再将1当量四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯溶于四氢呋喃并用恒压逐滴滴加入混合溶液中,加料完毕后,继续在室温下反应完全,最后,过柱分离得到多元液晶烯烃分子;
步骤S2:将1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇按摩尔比1.05-1.2:1的比例溶解于二氯甲烷中,并加入质量分数为2%的光引发剂和质量分数为3%的所述步骤S1的同种催化剂搅拌均匀,在常温下反应,得到黏度为5.5×103-3.0×102Pa•s的3D打印墨水前驱体;
步骤S3:将所述3D打印墨水前驱体用去离子水清洗、过滤、干燥得到白色固体,将所述白色固体溶解于二氯甲烷中,并加入质量分数为1-10%步骤S1制备得到的多元液晶烯烃分子均匀混合,在预设温度下常压挥发、干燥得到3D打印墨水;
步骤S4:将所述3D打印墨水加入3D打印料筒中进行加热,将加热后的3D打印墨水在旋涂了薄层聚乙烯醇的玻璃基底上进行打印,同时采用强度为20-40mW/cm2的紫外光固化,控制打印路径以控制液晶单元在二维平面内的取向结构,得到柔性触觉反馈结构;
步骤S5:将所述柔性触觉反馈结构在所述步骤S4的同种紫外光下继续反应,最后将所述柔性触觉反馈结构放入水中溶去聚乙烯醇,干燥后得到具有取向结构的厚度为300μm液晶弹体膜;
步骤S6:在柔性基底上打印阵列式的环形铜加热电极并用铜引线接出,将所述液晶弹体膜分别安装在阵列式的所述环形加热电极上,边缘用粘接剂粘接,得到柔性电路;
步骤S7:在所述柔性电路上粘接聚合物保护层,所述聚合物保护层以开孔的方式使所述环形铜加热电极和所述液晶弹体膜所在区域的Z方向致动不受保护层限制,得到柔性触觉反馈阵列。
2.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中所述多元液晶烯烃分子为四(((4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基)-2-甲基苯)-4((4-(乙基丙基酰氧基己氧基)苯甲酰氧基)-2-甲基苯)硫醚)季戊四醇酯,用于调节打印墨水流变特性和液晶弹体膜热致可逆形变比率。
3.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中的催化剂为二正丙胺或三乙胺,所述步骤S2中的光引发剂为安息香双甲醚或光引发剂819。
4.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中所述1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和所述2,2’-(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇的摩尔比1.1:1,并按化学计量比进行完全反应,得到的聚合物的数均聚合度为10。
5.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中所述多元液晶烯烃分子的质量分数为5%。
6.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中所述预设温度为60℃,所述步骤S4中将所述3D打印墨水加入3D打印料筒中进行加热的温度为70℃,加热时间为1h。
7.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中将加热后的3D打印墨水在旋涂了薄层聚乙烯醇的玻璃基底上进行打印的压强为80psi,速度为1-10mm/s。
8.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中的紫外光波长为365nm。
9.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S5中将所述柔性触觉反馈结构在紫外光下继续反应的时间为120min。
10.如权利要求1所述的一种基于液晶弹体致动的柔性触觉反馈阵列的制备方法,其特征在于,所述步骤S6中所述柔性基底或所述步骤S7中所述聚合物保护层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚碳酸酯以及单向或双向拉伸聚丙烯中的一种。
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