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1、 常 州 轻 工 职 业 技 术 学 院毕 业 论 文课题名称: 双向拉伸聚丙烯薄膜生产 系 别: 轻工工程系 专 业:_ 高分子材料应用技术 班 级: 09 塑模332 学生姓名: 张 三 指导教师: 孙 燕 清 摘要本文介绍了双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的生产方法及工艺流程,分析了原材料、纵横拉伸比、温度等因素对BOPP薄膜物理、力学性能的影响,并且对生产中常见的问题进行了分析,提出了解决铸片常见缺陷及拉伸破膜的方法。关键词:双向拉伸聚丙烯薄膜,铸片,加工ABSTRACTIntroduced the bidirectional stretch polypropylene (BOPP) t
2、hin film production method and the technical process, analyzed raw material, vertically and horizontally stretched compared to, factors and so on temperature to the BOPP thin film physics, mechanics performance influence, and to produced the common question to carry on the analysis, proposed the sol
3、ution cast the piece common flaw and stretches the broken membrane the method.Keywords:BOPP,CASTS THE PIECE,THE PROCESSING 目 录1 前言 11.1 双向拉伸BOPP的性能11.1.1 原材料性能11.1.2 纵、横向拉伸比21.1.3 温度21.2 双向拉伸BOPP的用途31.3 我国BOPP的市场前景32 双向拉伸BOPP的生产 42.1 BOPP的生产工艺流程42.2 生产设备介绍 62.3 设备名称、规格、主要技术参数和功能72.4 BOPP薄膜生产中常见的问题及解
4、决办法83 结语 11致谢 12参考文献 13双向拉伸聚丙烯薄膜生产1 前言双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜具有质轻、透明、无毒、防潮、透气性低、机械强度高等优点,广泛用于食品、医药、日用轻工、香烟等产品的包装,并大量用作复合膜的基材。自1957年聚丙烯(PP)树脂工业化生产后1,世界各公司竞相开发BOPP薄膜,1958年意大利Montecatini公司首创BOPP薄膜生产技术,1959年和1962年欧美及日本相继开始生产,目前全世界BOPP薄膜年生产能力已达282万吨,年产量超过155万吨,而且产量每年还在以15左右的速率递增。 随着我国国民经济的高速发展,社会需求的增长刺激了BOPP薄膜的迅
5、速发展,国内许多企业相继从国外引进BOPP薄膜生产线,以满足市场需求。截止1998年底,全国共有BOPP薄膜生产线80条,年生产能力超过45万吨,发展速度相当快,其中1995年1996年间就新增生产能力16万吨,使当时我国BOPP薄膜的生产能力猛增1倍。BOPP薄膜工业的迅速发展,对包装、电子电器、石油化工等行业的发展起到了积极的促进作用2。1.1 双向拉伸BOPP的性能1.1.1 原材料性能工业化生产BOPP薄膜用主料的主要成分是PP。PP是一种典型的立体规整性聚合物,根据烃基在分子平面两侧的分布,可分为等规PP、间规PP和无规PP。等规PP和间规PP具有不同的结晶结构,等规PP是以均相成核
6、的三维生长方式进行结晶,而间规PP主要以均相成核的二维方式进行结晶,形成了外观尺寸不规则的小晶片,而且由于间规PP分子结构的规整度较低,使得间规PP具有较低的结晶速率和结晶度。研究表明,等规度越大,结晶速率越快,薄膜产品的屈服强度和表面硬度会明显增大,而无规PP在聚合物中起内部润滑剂的作用,并有利于聚合物定向,有助于改善薄膜的光学性能。目前,BOPP薄膜品种繁多,性能也差异很大,造成这种情况的主要原因是使用的原料和生产工艺不同。实践证明,只有等规PP的质量分数为95%97%,无规PP的质量分数为3%5%的PP才适合生产BOPP薄膜,并且一般选用熔体流动速率为24g/10min的PP。另外,通过
7、在PP薄膜的表面上共挤出一层或多层熔点较低的共聚物,可以扩大BOPP薄膜在包装工业中的应用范围3。1.1.2 纵、横向拉伸比拉伸比是一个很重要的工艺参数,无论是纵向拉伸比,还是横向拉伸比,对BOPP薄膜的物理、力学性能都有重大的影响。在一定的温度下,拉伸比愈大,PP分子链的取向度愈大。即薄膜的力学强度提高、模量增大、断裂伸长率减小,冲击强度、耐折性增大,透气、光泽性变好。BOPP薄膜生产过程中的取向主要发生在纵向拉伸和横向拉伸过程中,在经过纵向拉伸后,高分子链呈单轴纵向取向,大大提高了铸片的纵向力学性能,而横向性能劣化。进一步横向拉伸后,高分子链呈双轴取向状态。随着分子链取向度的提高,薄膜中伸
8、直链段数目增多,折叠链段数目相应减少,晶片之间的连接链段逐渐增加,材料的密度和强度都相应提高,而断裂伸长率降低。因此双向拉伸可以综合改善PP薄膜的性能。纵向拉伸比和横向拉伸比的差异最终决定BOPP薄膜纵、横向的物理、力学性能差异。如果纵向拉伸比和横向拉伸比相差不大,两个方向上的分子取向就没有明显的差异,BOPP薄膜表现出各向同性。为了生产纵向性能高于横向性能的BOPP薄膜,纵、横拉伸比的选择相当重要,一般情况下,纵向拉伸比(4.55.5)小于横向拉伸比(7.59.0)。BOPP薄膜的横向拉伸是一个重要且复杂的过程,整个过程在一个连续的热环境中进行。横向拉伸过程具有多拉伸起始点,这主要是由横向上
9、的某些薄弱点、较高的横向拉伸速率,以及薄膜中杂质、气泡和外观缺陷等因素造成的。多拉伸起始点易引起产品厚度不均匀。同时在横向拉伸时,有“阶梯拉伸”和“固有拉伸倍数”的问题。即在横向拉伸过程中,在薄膜的横向有若干个突然被拉伸到最大倍数的“阶梯”点。随着拉伸过程的进行,“阶梯”逐渐向两侧扩展,直至在整个幅面上全部被拉伸。在BOPP薄膜生产中,拉伸程度必须达到“固有拉伸倍数”,即薄膜的纵向拉伸比和横向拉伸比的乘积必须达到40左右。如果纵向拉伸比不足,拉伸后薄膜横向出现许多“斑马纹”或厚条道;如果横向拉伸比不足,两个边部就会出现厚条道2。1.1.3 温度拉伸各区的温度分布是影响BOPP薄膜拉伸取向、结晶
10、的关键因素。温度是通过聚合物粘度和松弛时间的作用来影响取向过程的。温度升高,聚合物粘度降低,在恒定应力作用下,高弹形变和粘性形变都要增大,高弹形变增加有限,粘性形变发展却很快,有利于聚合物取向。(1)在高于粘流温度Tf或熔点(Tm)温度拉伸时,聚合物的大分子活动能力很强,在很小的外应力作用下就会引起分子链解缠、滑移和取向,然而在高温作用下,其分子的解取向速率也会加快,使有效取向度降低。(2)当温度逐渐升高到Tg以上时,聚合物具有弹性,热运动的能量克服了某些物理交联点的牵制,使链段产生运动,但整个分子链尚不能移动。(3)当在Tg以下拉伸时,外力只能引起分子链伸缩、振动和键角的微小改变。塑料薄膜的
11、拉伸温度一般在TgTm(或Tf)之间,具体温度根据聚合物的性能决定。实践证明,采用比较低的预热、拉伸温度或者拉伸后立即进行冷却,是提高BOPP薄膜取向度、减小结晶度的有效方法。预热温度过高会导致PP形成球晶,薄膜透明性下降;而拉伸温度过高,PP链段易于解取向,不但引起热封性面层材料粘辊,而且大大降低BOPP薄膜的物理、力学性能。横向拉伸区的温度分布应力求均匀、稳定,否则会影响BOPP薄膜横向厚度的均匀性及拉伸的连续性。PP是结晶性聚合物,其最大结晶速率的温度约为Tm的0.800.85倍,温度越高(如在Tm附近)或越低(如在Tg附近),越难结晶。如果在拉伸过程中要防止预热、拉伸时PP结晶度的急剧
12、增加,选择拉伸温度时最好不要在其最大结晶速率的温度区域,而选在结晶开始熔融、分子链能够运动的温度下,即在低于Tm 25左右的温度范围内进行拉伸4。1.2 双向拉伸BOPP的用途BOPP薄膜是包装领域的重要产品,具有质轻、透明、无毒、防潮、透气性低、力学强度高等优点,被广泛用于食品、医药、日用轻工、香烟等产品的包装,并大量用作复合膜的基材,有“包装皇后”的美称。双向拉伸法是一种技术要求十分高的塑料成型加工方法,除需要具备性能良好的加工设备外,更重要的是要求生产人员能够深入掌握PP的性能及加工条件对产品性能的影响,及时解决生产中存在的问题。1.3 我国BOPP的市场前景自1957年聚丙烯(PP)树
13、脂工业化生产后,世界各公司竞相开发BOPP薄膜,1958年意大利Montecatini公司首创BOPP薄膜生产技术,1959年和1962年欧美及日本相继开始生产,目前全世界BOPP薄膜年生产能力已达282万吨,年产量超过155万吨,而且产量每年还在以15左右的速率递增。 随着国民经济的不断发展,人民生活水平日益提高,国内对BOPP薄膜的需求量也将不断增加。目前我国对BOPP薄膜的年需求量为44万吨左右,其中印刷复合用光膜24.5万吨、胶粘带和PVDC涂布用基膜5万吨、珠光膜4万吨、烟膜7.5万吨、电工膜1万吨、镀铝膜1万吨、其它专用膜1万吨,其中,国内只有23万吨的产量,其余21万吨膜全部要进
14、口。预计到2000年,我国BOPP薄膜的需求量为49.151.7万吨,其中印刷复合用光膜需求量为2930万吨,胶粘带和PVDC涂布用基膜55.5万吨,珠光膜4.55万吨,烟膜77.5万吨,电工膜1.11.2万吨,镀铝膜1.5万吨,其它专用膜1万吨。2005年国内对BOPP薄膜的需求量进一步提高到64.968.7万吨,其中印刷复合用光膜3840万吨,胶粘带和PVDC涂布用基膜7万吨,珠光膜6.57万吨,烟膜88.5万吨,电工膜1.41.5万吨,镀铝膜22.5万吨,其它专用膜22.2万吨。随着我国食品、医药、烟草、电子电器和印刷业的发展,国内对BOPP薄膜的需求量将不断增加,同时对其产品质量也将提
15、出更高的要求。目前国内BOPP薄膜专用料仍有80依赖进口,有许多专用膜也仍需进口,石化企业应加快BOPP薄膜专用料的研究开发,努力提高产品质量,扩大生产规模,生产出适合于各种应用领域的BOPP薄膜专用料,同时要做好产品的技术咨询和售后服务等方面的工作,以便不断改进产品质量,缩小与世界先进水平的差距,使我国BOPP薄膜产品质量赶上或超过世界先进水平1。2 双向拉伸BOPP的生产2.1 BOPP的生产工艺流程目前BOPP薄膜的生产方法主要有管膜法和平膜法。管膜法属双向一步拉伸法;平膜法又分为双向一步拉伸和双向两步拉伸两种方法。管膜法具有设备简单、投资少、占地小、无边料损失、操作简单等优点,但由于存
16、在生产效率低、产品厚度公差大等缺点,自20世纪80年代以来几乎没有发展,目前仅用于生产BOPP热收缩膜等特殊品种。双向一步拉伸法制得的产品纵横向性能均衡,拉伸过程中几乎不破膜,但因设备复杂、制造困难、价格昂贵、边料损失多、难于高速化、产品厚度受限制等问题,目前尚未得到大规模采用。而双向两步拉伸法设备成熟、生产效率高、适于大批量生产,被绝大多数企业所采用。1、 生产工艺流程BOPP通常采用逐次拉伸法生产,其工艺流程参见图1。 图1 逐次拉伸法工艺流程图1-挤出机,2-T型机头,3-冷却辊,4-预热辊,5-纵向拉伸辊,6-横向拉伸预热区,7-拉伸区,8-热定型区,9-收卷机2、生产工艺双向拉伸聚丙
17、烯膜的生产分为两大部分,第一部分是制备厚片,第二部分是双向拉伸,下面分述之。(1)制备厚片 将原料加入料斗中,经螺杆塑化,通过T型机头挤出成片,片厚0.6mm左右,挤出机温度控制在190260(从机身后向前增温),厚片立即被气刀紧密地贴合在冷却辊上进行冷却,水温为1520,制备的厚片应是表面平整,光洁,结晶度小,厚度公差小的片材。(2)双向拉伸 首先进行纵向拉伸,纵向拉伸有单点拉伸和多点拉伸。所谓单点拉伸,是靠快速辊和慢速辊之间的速差来控制拉伸比,在两辊之间装有若干加热的自由辊,这些辊不起拉伸作用,而只起加热和导向作用。而多点拉伸是在预热辊和冷却辊之间装有不同转速的辊筒,借每对辊筒的速差,使厚
18、片逐渐拉伸,辊筒之间的间隙很小,一般不允许有滑动现象,以保证薄膜的均匀和平整。这里介绍的是用多点拉伸法生产BOPP膜。首先将厚片经过几个预热辊进行预热,预热温度150155,预热后厚片进入纵向拉伸辊,拉伸温度155160;拉伸倍数与厚片的厚度有关,一般纵向位伸倍数随原片厚度的增加而适当提高,这样才能保证原片经纵向拉伸后被均匀地展开,否则由于纵向拉伸倍数偏低而产生横格纹,犹如“搓衣板”状。如原片厚度为0.6 mm左右时,拉伸倍数为5倍。如原片厚度为l mm左右时,纵向拉伸倍数为6倍。拉伸倍数过大,破膜率增大。所以,工艺条件的选择须视具体情况而定。经纵向拉伸后的膜片应进入拉幅机进行横向拉伸,拉幅机
19、分为预热区(165170),拉伸区(160165)和热定型区(160165)。膜片由夹具夹住两边,沿张开一定角度的拉幅机轨道被强行横向拉伸,一般拉伸倍数为56倍。经过纵横两向拉伸定向的薄膜要在高温下定型处理,以减小内应力,并获得稳定的尺寸,然后冷却、切边、卷取。如果需印刷再增加电火花处理等工序3、4。 2.2 生产设备介绍(1)挤出机 螺杆直径200mm,长径比33:1,压缩比3.1:1,螺杆为分离型螺杆,转速990r/min。(2)机头 直型歧管式T型机头,模唇长度800毫米。(3)冷却成型机 此冷却成型机是采用小直径多辊筒双面冷却机,为了使厚片与辊筒之间不夹带空气,且膜片紧贴于冷却辊上,需
20、在冷却辊上方用气刀压住厚片。冷却成型机结构见图2,大冷却辊的尺寸为11001000,小冷却辊的尺寸为6001000mm。图2 冷却成型机1-机头,2-气刀,3-冷却辊,4-膜片(4)纵向拉伸机主要由预热辊,拉伸辊和冷却辊组成。预热辊是由45个辊筒组成。为消除预热时厚片热膨胀造成的“涌片”,预热辊筒转速相同,辊筒直径以6 mm的等差级数增大,加热方式有蒸气加热或油加热,拉伸辊是由高速辊与低速辊的速差对厚片进行拉伸,低速辊筒转速330m/min;高速辊简转速15150m/min,辊筒直径167 mm;冷却辊直径300 mm,以循环热水进行冷却。(5)横向拉伸机亦称拉幅机。它是两组带有夹子的链条在张
21、开一定角度的导轨中水平回转,辊子导轨部分置于保温箱内,保温箱分为三个区域:预热区、拉伸区、热定型区。各区均由热风加热2、6。2.3 设备技术参数和功能 冷却系统主要设备见表1,双向拉伸聚丙烯薄膜成型时在纵拉区域的工艺条件见表2,双向拉伸聚丙烯薄膜成型时在横拉区域的工艺条件见表3。表1 冷却系统主要设备表序号名称单位数量规格装机容量备注1螺杆式冷水机组台2制冷量810KW173.7KW2冷却塔台2型号LBCM-2007.5KW3冷冻水泵台3KLW 150-40 C22KW两用、一备4冷冻水泵台3KLW 125-20037KW两用、一备5冷却水泵台3KLW 150-31530KW两用、一备6冷却水
22、泵台2KLW65-200(I)15KW一用、一备表2 双向拉伸聚丙烯薄膜成型时在纵拉区域的工艺条件预热段辊筒温度/(8个)拉伸段辊筒温度/(3个)定型段辊筒温度/(3个)135145120130135145表3 双向拉伸聚丙烯薄膜成型时在横拉区域的工艺条件预热段风箱温度/(6个)拉伸段风箱温度/(10个)定型段风箱温度/(12个)冷却段风箱温度/(4个)165175155165160170202.4 BOPP薄膜生产中常见的问题及解决办法在生产BOPP薄膜过程中所要实现的主要目标首先是在尽可能高速的前提下实现连续生产,其次是提高BOPP薄膜的性能,保证质量,再次是降低能耗。然而,在实际生产过程
23、中,由于多方面的原因,BOPP薄膜出现各种各样的问题,使生产目标难以实现。笔者针对生产中常见的问题,结合引进的法国DMT公司的8.2m BOPP薄膜生产线提出解决的办法。1、横向条纹(1)大间距横向条纹其产生原因主要有挤出熔体压力不稳、急冷辊转速或温度不均、风刀风量波动过大3点。其中第1点比较常见。造成压力不稳的因素有很多,最主要的一方面是生产线线速度提速过快,造成计量泵转速迅速提高,而另一方面主挤出机螺杆转速提高相对较慢,造成模头吐料不足,压力不稳。遇到此类情况,最好适当延长提速时间,待线速度稳定后,横向条纹自然消失。还有一种比较常见的情况,就是原料因素。在各项工艺条件控制较好,经多次调整无
24、明显改善时,就要考虑更换原料。(2)小间距横向条纹小间距横向条纹在实际生产过程中并不常见,产生原因有4点:机头的角度不适宜、风刀角度或风量不适宜、机头附近气流影响、急冷辊转速不稳。可从这4个方面加以解决。2、纵向条纹在铸片过程中,有时会看到挤出铸片局部、固定位置处有连续纵向条纹。如果用这种铸片来生产BOPP薄膜,将导致薄膜横向厚度不均匀;收卷、分切薄膜外观出现明显的突起(暴筋)或纵向条纹。消除纵向条纹通常采取的措施有: 选用结构合理、质量好的模头,保证唇口光洁,不得有任何机械损伤。 加强熔体过滤。 及时清除唇口上的杂物,做好机头维护工作。 提高气刀吹风的均匀性。 合理控制挤出各段温度。调整好机
25、头相对急冷辊的位置。3、两边翘曲该现象主要是由附片效果不好、铸片过程中两面温差过大造成的。铸片翘曲将影响薄膜的平整性,就PP来说,由于铸片冷却不均匀,结晶不均匀,直接影响薄膜的成膜性。铸片边缘通常向温度较低的一面翘曲,因此在生产过程中可根据铸片的翘曲情况判断急冷辊面与水槽中冷却水温度的高低,进而考虑解决办法。4、出现气泡如果熔体中夹带杂质,原料含水率过高,挤出温度过高,物料加热时间过长或者挤出机、过滤器中积存空气或降解物等情况时,铸片中就可能出现气泡。在正常生产过程中如果出现气泡,要仔细观察气泡形状、颜色等,分析产生原因并加以解决。如果空螺杆开机挤出或更换新的熔体过滤器再次开机时,挤出机或过滤
26、器中可能存有空气或降解物,此时铸片中一般会出现气泡。这种问题一般通过充分排料就可以解决。5、边缘不整齐铸片边缘不整齐可能是由于模唇两端密封件损坏造成边部漏料,也可能是压边系统不正常,或者是挤出熔体压力不稳。查明原因后要及时使用相应的方法解决,否则容易造成横拉脱夹。6、其它缺陷在铸片过程中可能还会出现铸片内含有晶点、焦料、未熔料、结晶度不适宜、光泽度不良及出现鲨鱼皮现象等缺陷。这些缺陷在工艺较成熟、技术水平较高的生产线上一般不会出现。7、拉伸破膜的原因及解决办法在生产过程中,物料从铸片到收卷,整个过程中都有可能破膜。通常,根据破膜位置把破膜分为横拉前破膜、横拉破膜、横拉后破膜。8、横拉前破膜在铸
27、片或纵拉过程中生产条件发生了明显变化、薄膜纵向厚度变化很大或铸片出现很大缺陷时,使得铸片在拉伸过程中局部拉伸应力超过了材料的允许承受应力,导致横向破膜。不过横拉前破膜在正常生产过程中很少见。9、横拉破膜横拉破膜在生产过程中最为常见。薄膜被高速横向拉伸时最容易破裂。一般把横拉破膜分为横向破膜、纵向破膜和脱夹破膜3种类型。(1)横向破膜横向破膜原因很多,具体可分为: 原料中含有性能差异较大的杂质(低分子物、油污等)。 铸片上有明显的横向条纹、气泡。 各种不明显的横拉前破膜因素进一步扩大(纵向厚度波动等),使局部区域应变过大。 铸片的结晶、取向状况偏差过大。 过滤器损坏,片铸片杂质含量高。 机头漏料
28、。 辊面压伤。 废料、设备划伤薄膜。 挤出、纵向拉伸温度设定不当。 烘箱顶部及风管上聚集的各种挥发物落到薄膜上。另外,链夹损坏也是其中一个重要原因。(2)纵向破膜如果出现纵向破膜,可以从以下几个方面分析: 薄膜横向厚度偏差过大。 纵、横向拉伸比过大。 纵向拉伸时边缘温度过高。 纵向拉伸定型温度过高,铸片结晶取向不好。 链夹温度过高。 横拉烘箱内有废料划伤薄膜。(3)脱夹破膜脱夹主要从膜片、夹具和工艺3方面分析::首先,如果铸片边缘不好或者厚度偏差大,就容易造成脱夹。此时要及时调整铸片工艺,把铸片的缺陷消除。其次,如果在正常生产中出现脱夹,经人工复位后仍然脱夹,此时就要考虑设备原因。可能是有链夹
29、损坏无法闭合,也可能是有废膜挂在链夹上,或者可能是入口导边器失灵。出现此种情况,要立即停机,并认真检查。另外,薄膜横向拉伸时预热、拉伸温度过低,入口张力不适宜等也会造成脱夹。10、横拉后破膜(牵引、收卷破膜)横拉后破膜主要是由于设备故障或操作不当造成的。主要可以归纳为: 牵引、收卷张力过大。 电晕电极与电晕辊间距过小,擦伤薄膜。 切边切刀不锋利,造成薄膜边缘不整。 吸边不及时。 薄膜包辊。 飞刀不合适,无法正常换卷等7。3 结语BOPP薄膜生产技术进入我国不过几十年的时间,但由于对世界工业发达国家先进生产技术、设备的积极引进,加上我国专业技术人员的努力研究开发,我国的BOPP薄膜生产已在世界B
30、OPP薄膜生产中占据重要一席。目前,BOPP薄膜生产工艺已日趋成熟,BOPP薄膜市场保持相对稳定,因此,在生产中及时解决问题,努力提高产品档次、质量,已经成为各BOPP薄膜生产厂家共同关心的话题。致谢在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成要感谢我的指导老师孙燕清。她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。我也感谢高分子教研室的老师们,他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在这里请接受我诚挚的谢意! 参考文献1 王丽新,刘志芳.我国BOPP薄膜生产现状及其专用料应用情况J.当代石油化工,2006,14(1) :32-352 聂家华.国内外B
31、OPP薄膜现状及发展趋势J.中国翔料,2002,16 (10):163 庄乃根,丁建生.现代塑料加工应用,2004, 16 (2): 134 曾宝忠.国内双问拉伸聚内烯产业的发展历史及现状J.现代塑料加工应用,2006,18(2):59-61.5 张丽叶编著.挤出成型. 北京:化学工业出版社,20026 薛平,张明珠,何亚东等.中国塑料,2001, 15 (8): 537 尹燕平.双向拉伸塑料薄膜M.北京:化学工业出版社,1999.8 王加龙主编.塑料挤出制品生产工艺手册.北京:中国轻工业出版社,1992 9 冯绍华,尹文艳,沈海燕等.塑料科技,2006, 34 (1):110 曹福林,梁现海.BOPP薄膜市场现状及发展趋势J.塑料科技,2007,35(5):98-101.