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會(huì)計(jì)學(xué)1材料科學(xué)導(dǎo)論五PPT課件第五章高分子材料第一節(jié)高分子材料概述第二節(jié)塑料第三節(jié)橡膠第四節(jié)纖維第1頁/共56頁
HermannStaudinger:
把“高分子”這個(gè)概念引進(jìn)科學(xué)領(lǐng)域,并確立了高分子溶液的粘度與分子量之間的關(guān)系(1953年諾貝爾獎(jiǎng))。KarlZiegler,GiulioNatta:乙烯、丙烯配位聚合(1963年諾貝爾獎(jiǎng))PaulJ.Flory:聚合反應(yīng)原理、高分子物理性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系(1974年諾貝爾獎(jiǎng))。HidekiShirakawa,AlanG.MacDiarmid,AlanJ.Heeger
:對導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展(2000年諾貝爾獎(jiǎng))。1956年,美國人Szwarc發(fā)明活性陰離子聚合,開創(chuàng)了高分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先河。一、高分子科學(xué)的發(fā)展概況第一節(jié)高分子材料概述第2頁/共56頁
●天然高聚物的利用與改性階段(19世紀(jì)前~19世紀(jì)末)
●合成高分子工業(yè)的發(fā)展與高分子化學(xué)的建立階段(20世紀(jì)初~40年代末)
●現(xiàn)代高分子科學(xué)階段(20世紀(jì)50年代初~20世紀(jì)末)
●21世紀(jì)的高分子科學(xué)-分子設(shè)計(jì)一、高分子科學(xué)的發(fā)展概況第一節(jié)高分子材料概述第3頁/共56頁一、高分子科學(xué)的發(fā)展概況第一節(jié)高分子材料概述
▲在合成上探索新的合成反應(yīng)與方法;探索和提高高分子鏈結(jié)構(gòu)有序和實(shí)現(xiàn)特定聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的合成技術(shù);用普通單體通過共聚合成新的高聚物?!诮Y(jié)構(gòu)與性能上研究高分子鏈和聚集態(tài)各層次的結(jié)構(gòu)和相態(tài)特點(diǎn)及對材料宏觀性能、功能的影響;研究外場條件對各層次高分子鏈運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,開發(fā)潛在性能;研究新型高分子材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、規(guī)律;研究生物高分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、信息傳遞,合成仿生功能材料。21世紀(jì)的高分子科學(xué)第4頁/共56頁
▲在成型加工上研究高聚物成型原理,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化;搜集高聚物流體數(shù)據(jù),用計(jì)算機(jī)進(jìn)行成型設(shè)計(jì);注意在成型加工過程中控制結(jié)構(gòu),形成技能。▲在高分子化學(xué)上精確設(shè)計(jì)、精確操作,發(fā)展完善高分子化學(xué)與物理的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)納米化、功能化、仿生化。一、高分子科學(xué)的發(fā)展概況第一節(jié)高分子材料概述21世紀(jì)的高分子科學(xué)第5頁/共56頁高分子科學(xué)既是一門應(yīng)用學(xué)科,也是一門基礎(chǔ)學(xué)科,它是建立在有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展而成的一門新興學(xué)科。一、高分子科學(xué)的發(fā)展概況第一節(jié)高分子材料概述高分子科學(xué)高分子化學(xué)研究聚合反應(yīng)和高分子化學(xué)反應(yīng)原理,選擇原料、確定路線、尋找催化劑、制訂合成工藝等。研究聚合物的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,為設(shè)計(jì)合成預(yù)定性能的聚合物提供理論指導(dǎo),是溝通合成與應(yīng)用的橋梁。高分子物理高分子加工研究聚合物加工成型的原理與工藝。第6頁/共56頁
●高聚物高聚物是高分子化合物的簡稱,是由成千上萬個(gè)原子通過化學(xué)鍵連接而成的高分子所組成的化合物?!窀呔畚锏幕咎攸c(diǎn) 相對分子質(zhì)量大 高聚物的基本特點(diǎn)分子鏈長 相對分子質(zhì)量具有多分散性第一節(jié)高分子材料概述二、高聚物的基本概念第7頁/共56頁▲單體(monomer)能夠形成結(jié)構(gòu)單元的分子所組成的化合物,即聚合時(shí)的小分子原料?!Y(jié)構(gòu)單元(structuralunit)組成高聚物的基本單元?!貜?fù)單元(structuralrepeatunit)高分子鏈中重復(fù)出現(xiàn)的單元,即鏈節(jié)(chainelement)。▲聚合度(degreeofpolymerization)重復(fù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)目,即鏈節(jié)數(shù)。單獨(dú)提出用DP或Xn表示,在結(jié)構(gòu)式中用n表示。第一節(jié)高分子材料概述●常用的術(shù)語第8頁/共56頁
▓實(shí)例分析以氯乙烯(VC)為單體,通過聚合生成聚氯乙烯(PVC)。
nCH2=CH
→~CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH~以對苯二甲酸、乙二醇為單體,通過聚合生成聚對苯二甲酸乙二酯(的確良)。ClClClClCl簡寫Cl[CH2-CH]n結(jié)構(gòu)單元重復(fù)結(jié)構(gòu)單元nHO-CH2-CH2-OH+nHOOC--COOHHO[C--C-O-CH2-CH2-O]HOOn重復(fù)結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元第一節(jié)高分子材料概述返回第9頁/共56頁鏈原子ChainAtoms構(gòu)成高分子主鏈骨架的單個(gè)原子。鏈單元ChainUnits由鏈原子及其取代基組成的原子或原子團(tuán)。聚丙烯聚乙二醇第10頁/共56頁構(gòu)成高分子主鏈結(jié)構(gòu)一部分的單個(gè)原子或原子團(tuán),可包含一個(gè)或多個(gè)鏈單元。重復(fù)組成高分子分子結(jié)構(gòu)的最小的結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)單元ConstitutionalUnit重復(fù)結(jié)構(gòu)單元ConstitutionalRepeatingUnit,CRU第11頁/共56頁平均相對分子質(zhì)量是體系內(nèi)所有個(gè)體相對分子質(zhì)量的平均值,高聚物的相對分子質(zhì)量具有多分散性。塑料相對分子質(zhì)量橡膠相對分子質(zhì)量纖維相對分子質(zhì)量高密度聚乙烯聚氯乙烯聚苯乙烯聚碳酸酯6~30萬5~15萬10~30萬2~6萬天然橡膠丁苯橡膠順丁橡膠氯丁橡膠20~40萬16~20萬25~30萬10~12萬錦綸-66滌綸維尼綸腈綸1.2~1.8萬1.8~2.3萬6~7.5萬5~8萬表:常見三大合成材料的相對分子質(zhì)量范圍▲平均相對分子質(zhì)量第一節(jié)高分子材料概述第12頁/共56頁高聚物的命名習(xí)慣或商品命名法系統(tǒng)命名法通俗命名法樹脂命名法橡膠命名法結(jié)構(gòu)特征命名法“聚”+單體名稱三、高聚物的命名與分類1、命名第一節(jié)高分子材料概述第13頁/共56頁
▲通俗命名法
△“聚”+單體名稱
▓實(shí)例聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚異丁烯、聚偏二氯乙烯等。
△原料名稱簡字+“樹脂”▓實(shí)例酚醛樹脂、脲醛樹脂擴(kuò)充:聚氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂等第一節(jié)高分子材料概述第14頁/共56頁
△單體簡字+“橡膠”▓實(shí)例丁苯橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、順丁橡膠
△結(jié)構(gòu)特征命名具有“酯-COO-結(jié)構(gòu)”的高聚物稱為聚×××酯;具有“酰胺-CONH-結(jié)構(gòu)”的高聚物稱為聚×××酰胺;具有“醚-O-結(jié)構(gòu)”的高聚物稱為聚×××醚。第一節(jié)高分子材料概述第15頁/共56頁高聚物的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元通俗名稱系統(tǒng)名稱習(xí)慣或商品名稱英文縮寫-CH2-CH2--CH2-CH(CH3)--CH2-CH(Cl)--CH2-C(CH3)--CO--OCO(CH2)2O--NH-(CH2)5-CO-聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚對苯二甲酸乙二酯聚已內(nèi)酰胺聚亞乙基聚亞丙基聚(1-氯亞乙基)聚[(1-甲氧基酰基)-1-甲基亞乙基]聚(氧亞乙基對苯二酰)高密度聚乙烯低密度聚乙烯(絲用)丙綸(絲用)氯綸有機(jī)玻璃滌綸錦綸-6或尼龍-6HDPELDPEPPPVCPMMAPETPPA-6COOCH3▲習(xí)慣名稱與商品名稱第一節(jié)高分子材料概述第16頁/共56頁合成高分子2、分類按照來源劃分蛋白質(zhì)核酸多糖天然橡膠天然漆料某些無機(jī)高分子化學(xué)纖維塑料合成橡膠合成黏合劑合成涂料天然高分子第一節(jié)高分子材料概述第17頁/共56頁按照主鏈所含元素組成碳鏈高聚物雜鏈高聚物元素有機(jī)高聚物無機(jī)高聚物按高聚物的用途分類塑料(plastics)橡膠(rubber)纖維(fiber)涂料黏合劑第一節(jié)高分子材料概述第18頁/共56頁按聚合物結(jié)構(gòu)分類(高分子鏈幾何形狀)線型高聚物體型高聚物支鏈型高聚物按高分子鏈排列情況分類結(jié)晶高聚物非晶高聚物第一節(jié)高分子材料概述第19頁/共56頁線形高分子環(huán)狀高分子支化高分子梳形高分子梯形高分子網(wǎng)狀高分子星形高分子體型高分子第20頁/共56頁按照熱學(xué)性質(zhì)分類按照合成反應(yīng)類型分類加聚物-加成聚合反應(yīng)聚合物縮聚物-縮合聚合反應(yīng)聚合物均聚物共聚物接枝聚合物交聯(lián)聚合物按照結(jié)構(gòu)單元組成分類熱塑性聚合物熱固性聚合物第一節(jié)高分子材料概述第21頁/共56頁加聚反應(yīng)是指聚合產(chǎn)物的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的組成與單體相同的聚合反應(yīng),其聚合產(chǎn)物稱加聚物縮聚反應(yīng)是指聚合產(chǎn)物的分子組成比單體分子少若干原子,即在聚合反應(yīng)過程中伴隨有水等小分子副產(chǎn)物生成,其聚合產(chǎn)物稱縮聚物nCH2=CH→~CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH~例第22頁/共56頁均聚物由一種單體聚合而成的聚合物。如:均聚物Homopolymer氯乙烯單體生成均聚物的聚合反應(yīng)稱均聚反應(yīng)(Homopolymerization)第23頁/共56頁共聚物由兩種或兩種以上單體聚合而成的聚合物。生成共聚物的聚合反應(yīng)稱為共聚反應(yīng)。根據(jù)各種單體單元在分子鏈中的排列狀況,可將共聚物分為無規(guī)共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物等。通過普通的聚合方法,只能得到無規(guī)共聚物和交替共聚物,嵌段共聚物和接枝共聚物必須通過特殊方法制備。共聚是高分子化合物改性的重要方法之一共聚物Copolymer第24頁/共56頁共聚物CopolymerHOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OHHO(CH2)3OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-(OC-Ph-COOCH2CH2CH2O)m-共聚物HOOC-Ph-COOHHOCH2CH2OH-(OC-Ph-COOCH2CH2O)n-隱含單體HOOC-Ph-COOCH2CH2OH均聚物第25頁/共56頁高聚物的形成反應(yīng)(formationreactionofpolymer)是指由低分子單體形成高聚物的化學(xué)反應(yīng)。廣義還應(yīng)包括利用高聚物的化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為另一種高聚物的反應(yīng)。四、高聚物的形成反應(yīng)第一節(jié)高分子材料概述第26頁/共56頁四、高聚物的形成反應(yīng)按元素組成和結(jié)構(gòu)變化分類加聚反應(yīng)(polyadditionreaction)縮聚反應(yīng)(polycondensationreaction)高聚物化學(xué)轉(zhuǎn)變按反應(yīng)機(jī)理分類連鎖聚合反應(yīng)(chainpolymerization)逐步聚合反應(yīng)(step-reactionpolymerization)高聚物形成反應(yīng)的類型第一節(jié)高分子材料概述第27頁/共56頁四、高聚物的形成反應(yīng)第一節(jié)高分子材料概述連鎖聚合的特點(diǎn):(1)聚合需要活性中心,如自由基、陽離子、陰離子等,因此有自由基聚合、陽離子聚合、陰離子聚合之分。(2)聚合過程由鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止等基元反應(yīng)組成。(3)聚合過程中相對分子質(zhì)量變化不大,體系始終由單體、高分子量聚合物和引發(fā)劑組成。沒有分子量遞增的產(chǎn)物。(4)單體轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間增加。第28頁/共56頁四、高聚物的形成反應(yīng)第一節(jié)高分子材料概述逐步聚合的特點(diǎn):(1)低分子單體通過官能團(tuán)間的反應(yīng)逐步形成大分子。體系由單體和分子量遞增的一系列中間產(chǎn)物組成。(2)每一步反應(yīng)的速率和活化能基本相同。(3)反應(yīng)初期大部分單體很快形成低聚物,短期內(nèi)轉(zhuǎn)化率很高。隨后低聚物相互反應(yīng),分子量緩慢上升。(4)大部分是平衡反應(yīng)。
烯類單體的加聚反應(yīng)一般為連鎖聚合;大多數(shù)縮聚反應(yīng)為逐步聚合。第29頁/共56頁五、聚合反應(yīng)的工業(yè)實(shí)施方法
連鎖聚合反應(yīng)工業(yè)實(shí)施方法本體聚合(bulkpolymerization)溶液聚合(solutionpolymerization)懸浮聚合(suspensionpolymerization)乳液聚合(emulsionpolymerization)第一節(jié)高分子材料概述第30頁/共56頁五、聚合反應(yīng)的工業(yè)實(shí)施方法
逐步聚合反應(yīng)工業(yè)實(shí)施方法第一節(jié)高分子材料概述熔融縮聚(meltpolycondensation)溶液縮聚(solutionpolycondensation)固相縮聚(solidphasepolycondensation)界面縮聚(interfacepolycondensation)乳液縮聚(emulsionpolycondensation)第31頁/共56頁第一節(jié)高分子材料概述六、聚合物的通用性質(zhì)高分子材料的特點(diǎn)是性能廣泛,可加工性能好,具有良好的韌性、黏附性、保溫性等,可以進(jìn)行拉伸,注塑、模壓等加工成型。缺點(diǎn)是材料的耐高溫性能和抗壓強(qiáng)度較低。第32頁/共56頁聚合物的共性在力學(xué)性質(zhì)(彈性、強(qiáng)度、韌性、硬度等)方面表現(xiàn)為跨度范圍非常寬。與金屬和非金屬材料相比,具有黏彈性和高彈性(拉伸彈性),硬度一般偏小,斷裂伸長較大,蠕變性能顯著。第一節(jié)高分子材料概述六、聚合物的通用性質(zhì)1.力學(xué)性質(zhì)第33頁/共56頁A-玻璃態(tài)B-過渡態(tài)C-高彈態(tài)D-過渡態(tài)E-粘流態(tài)Tb-脆化溫度Tg-玻璃化溫度Tf-粘流溫度圖:高聚物在恒定載荷作用下的形變-溫度曲線(恒加載速率)第34頁/共56頁第一節(jié)高分子材料概述六、聚合物的通用性質(zhì)2.電學(xué)性能同力學(xué)性能一樣,導(dǎo)電性能和介電性能也具有非常寬的范圍(如從絕緣體一直到良導(dǎo)體),導(dǎo)電機(jī)理種類多樣。3.光學(xué)性能多數(shù)呈玻璃態(tài),透明,折射率和散射率變化較大。第35頁/共56頁第一節(jié)高分子材料概述六、聚合物的通用性質(zhì)4.熱學(xué)性能一般不耐高溫,沒有明顯熔點(diǎn),具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,絕熱性好。5.化學(xué)性能耐腐蝕、耐氧化、但老化性質(zhì)顯著(特別是光老化)第36頁/共56頁1、分子型化合物,分子內(nèi)為共價(jià)鍵、分子間為范德華力。2、沒有一定的分子量,只有平均分子量。3、一般不容易形成完全晶態(tài)結(jié)構(gòu)。構(gòu)象結(jié)構(gòu)和相態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。七、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第一節(jié)高分子材料概述第37頁/共56頁第二節(jié)塑料樹脂(resin)是指遇熱變軟,具有可塑性的高分子化合物的統(tǒng)稱。一般是無定型的透明或半透明的固體或半固體。一、樹脂與塑料樹脂按來源分類天然樹脂(resin)合成樹脂(syntheticresin)
由單體合成或天然高聚物改性獲得樹脂的用途樹脂是制造合成塑料、合成纖維、合成橡膠、黏合劑、涂料、離子交換樹脂等產(chǎn)品的主要原料。第38頁/共56頁第二節(jié)塑料
塑料是以樹脂為主要成分,適當(dāng)加入(或不加)添加劑(填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、顏料等),可在一定溫度、壓力下塑化成型,而產(chǎn)品最后能在常溫下保持形狀不變的一類高分子材料。
塑料與樹脂的區(qū)別樹脂是純的高聚物塑料是以樹脂為主的高聚物制品。第39頁/共56頁第二節(jié)塑料二、塑料的分類按塑料受熱后性能變化分類熱塑性塑料熱固性塑料熱塑性塑料具有線型高分子鏈結(jié)構(gòu),在受熱、受壓時(shí)能保持其化學(xué)本性,例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。它們具有多種用途,可制成板材、管材、薄膜,包裝材料等,所以又稱為通用塑料。熱固性塑料在加工過程中從線型高分子變成交聯(lián)的體型高分子,具有不溶、不熔的特性,例如酚醛樹脂、脲醛樹脂等。第40頁/共56頁按應(yīng)用分類通用塑料→產(chǎn)量大、應(yīng)用廣、加工性能好、成本低的塑料工程塑料特種工程塑料氟塑料PTFE熱致性液晶聚合物L(fēng)CP聚苯酯PHB聚芳酯PAR聚醚酮類PEK聚醚類PSF聚酰亞胺類PI聚苯硫醚PPS通用工程塑料熱塑性聚酯PBT聚苯醚PPO聚甲醛POM聚碳酸酯PC聚酰胺一般塑料→用量小、性能一般的塑料,如PMMA等特種塑料→性能獨(dú)特、價(jià)格高的耐熱、阻隔、導(dǎo)電塑料第二節(jié)塑料第41頁/共56頁第二節(jié)塑料三、塑料的生產(chǎn)與應(yīng)用世界及中國塑料原料(樹脂)產(chǎn)量年度199119952001200220032004世界(億頓)11.51.81.922.1中國(億頓)0.0250.0350.1290.159
中國是僅次于美國的塑料生產(chǎn)大國、消費(fèi)大國、原料進(jìn)口大國、制品出口大國第42頁/共56頁國內(nèi)塑料的應(yīng)用包裝材料(22%)日用材料(20%)農(nóng)業(yè)材料(17%)電子、機(jī)、汽車材料(17%)建筑材料(7%)其他材料(18%)第二節(jié)塑料三、塑料的生產(chǎn)與應(yīng)用第43頁/共56頁國家建材包裝電氣電子汽車家具農(nóng)業(yè)玩具運(yùn)動(dòng)用品日用品機(jī)械部件其他日本303410653624韓國32481161632美國2225454139加拿大273441942313德國25308972516法國2439713458比利時(shí)2734116511455意大利1245445327英國233587373425西班牙1435588511217巴西135211815810一些國家塑料應(yīng)用比例(2001年)第44頁/共56頁第三節(jié)橡膠橡膠(Rubber)是一種在外力作用下能發(fā)生較大的形變,當(dāng)外力解除后,又能迅速恢復(fù)其原來形狀的高分子彈性體。合成橡膠(SyntheticRubber)是一類具有可逆形變的合成高彈性材料。一、橡膠及合成橡膠橡膠物質(zhì)的典型特性是玻璃化溫度低,具有高彈性。二、橡膠的特性第45頁/共56頁橡膠天然橡膠合成橡膠通用橡膠丁苯橡膠,約占50%順丁橡膠,約占15%異戊橡膠乙丙橡膠丁鈉橡膠特種橡膠丁腈橡膠氯丁橡膠氯基橡膠氟橡膠氯醚橡膠硅橡膠聚氨酯橡膠聚硫橡膠丙烯酸酯橡膠三、橡膠的分類第三節(jié)橡膠第46頁/共56頁第三節(jié)橡膠橡膠硫化是使線型分子之間產(chǎn)生硫橋而交聯(lián)的過程。四、橡膠的硫化與增強(qiáng)第47頁/共56頁未經(jīng)硫化的橡膠其大分子是線型或支鏈型結(jié)構(gòu),因其制品強(qiáng)度很低、彈性小、遇冷變硬、遇熱變軟、遇溶劑溶解等,使得制品無使用價(jià)值。所以橡膠制品必須經(jīng)過硫化變形網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)才有實(shí)用價(jià)值。對橡膠進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧蚧?,即可以保持橡膠的高彈性,又可以使橡膠具有一定的強(qiáng)度。同時(shí),為了增加制品的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗撕裂性,而在加工過程中加入惰性填料(如氧化鋅、粘土、白堊、重晶石等)和增強(qiáng)填料(如炭黑)等。第三節(jié)橡膠四、橡膠的硫化與增強(qiáng)第48頁/共56頁第三節(jié)橡膠丁苯橡膠是由1,3-丁二烯與苯乙烯共聚而得的高聚物。絕大多數(shù)丁苯橡膠用于輪胎工業(yè),其次是汽車零件、工業(yè)制品、電線和電纜包皮、膠管和膠鞋等。丁苯橡膠(SBR)順丁橡膠是以1,3-丁二烯為單體,經(jīng)配位聚合而得到的高順式聚丁二烯高分子彈性體。順丁橡膠主要用于制造輪胎中的胎面膠和胎側(cè)膠,約占80%以上。順丁橡膠(BR)異戊橡膠(IR)是以異戊二烯為單體經(jīng)過配位聚合而得到的聚順1,4-異戊二烯彈性體的簡稱,又稱為“合成天然橡膠”。異戊橡膠(IR)五、典型合成橡膠第49頁/共56頁第四節(jié)纖維纖維(Fiber)是指柔韌、纖細(xì),具有相當(dāng)長度、強(qiáng)度、彈性和吸濕性的絲狀物(長徑比超過100)。大多數(shù)是不溶于水的有機(jī)高分子化合物,少數(shù)是無機(jī)物。合成纖維是(SyntheticFiber)用化學(xué)合成方法制成的纖維。滌綸、錦綸、腈綸被稱為三大合成纖維。一、纖維及合成纖維第50頁/共
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