CN101553538A - 防锈颜料及含有该防锈颜料的防锈涂料组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了能够为金属材料赋予优异防锈性的无公害型防锈颜料以及含有该颜料的防锈涂料组合物。本发明的防锈涂料组合物特征在于,包含含有P2O5、CaO、SiO2和MgO的非晶质无机组合物,其特征在于,优选包含含有10~30质量%的P2O5、20~40质量%的CaO、10~30质量%的SiO2和10~20质量%的MgO的非晶质无机组合物。
Description
技术领域
本发明涉及为金属材料提供优异的防锈性的无公害型的防锈颜料及含有该防锈颜料的防锈涂料组合物。
背景技术
以往,作为防锈颜料,使用铬酸盐(铬酸锶、碱性铬酸锌、碱性铬酸锌钾等)和铅化合物(铅丹、一氧化二铅、碳氮化铅、铅酸钙等)。虽然这些防锈颜料对金属发挥了优异的防锈性能,但毒性是令人担心的。铬和铅作为环境污染物质被限制,期待提供代替这些材料的新型防锈颜料。
作为目前市售的非铅、非铬系的防锈颜料,例如有金属的磷酸盐、亚磷酸盐、磷硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐、偏硼酸盐、钼酸盐、聚磷酸盐等。作为它们的金属阳离子,例如可以使用钙、锶、钡、锌、铝、镁等。另外,接受离子交换的二氧化硅,例如接受钙交换的二氧化硅等也有市售。
此外,在下述专利文献1中公开了含有具有螯合能力的膦酸的防锈颜料,另外,在下述专利文献2中公开了含有有机取代的膦酸或膦酰基羧酸(phosphonocarboxylic acid)的多价金属盐的防锈颜料。
专利文献1:日本特表平11-512126号公报
专利文献2:日本特开平7-207182号公报
专利文献3:日本特开昭57-92588号公报
专利文献4:日本特开昭57-149885号公报
专利文献5:日本特开昭57-200279号公报
专利文献6:日本特开昭58-69794号公报
专利文献7:日本特开昭58-89939号公报
专利文献8:日本特开昭58-145681号公报
专利文献9:日本特开昭60-65785号公报
专利文献10:日本特开昭62-270484号公报
专利文献11:日本特开平8-295584号公报
专利文献12:日本特开昭53-18636号公报
发明内容
发明要解决的问题
在这些防锈颜料当中,目前最广泛使用的是以三聚磷酸铝、磷酸锌为主成分的防锈颜料。然而,三聚磷酸铝、磷酸锌等的防锈颜料在性能方面不一定能达到与铬系和铅系的防锈颜料相比相同的水平,寻求进一步改进防锈性能。
因此,本发明的目的在于,提供能够为金属材料提供优异防锈性的无公害型防锈颜料以及含有该防锈颜料的防锈涂料组合物。
用于解决问题的方案
本发明人等鉴于上述实情而进行反复深入研究,结果发现,包含含有P2O5、CaO、SiO2和MgO的非晶质无机组合物的防锈颜料,颜料中的防锈性效果成分极少溶出到水中,将含有该防锈颜料的涂料组合物在金属材料表面上涂布时,可以提供与以往的含有铬系和铅系防锈颜料的涂料组合物相匹敌的优异防锈性,从而完成了本发明。
即,本发明正要提供的第一技术方案是一种防锈颜料,其特征在于,包含含有P2O5、CaO、SiO2和MgO的非晶质无机组合物。
另外,本发明将要提供的第二技术方案是一种防锈涂料组合物,其特征在于,包含上述第一发明的防锈颜料。
发明的效果
根据本发明,可以提供能够赋予金属材料优异的防锈性的无公害型防锈颜料以及含有该防锈颜料的防锈涂料组合物。
具体实施方式
以下根据优选实施方案说明本发明。
本发明的防锈颜料,其特征在于,包含非晶质无机组合物,该组合物,其含有P2O5、CaO、SiO2和MgO,优选组成为(1)10~30质量%、优选15~25质量%的作为磷酸成分的P2O5,(2)20~40质量%、优选25~35质量%的作为钙成分的CaO,(3)10~30质量%、优选15~25质量%的作为硅酸成分的SiO2,(4)10~20质量%、12~17质量%的作为镁成分的MgO,根据X射线衍射分析显示非晶质。
包含前述非晶质无机组合物的本发明的防锈颜料的各成分极少溶出但显示稳定的颜料特性,在将包含该防锈颜料的涂料组合物涂布在金属材料表面时,可以提供与以往的包含铬系和铅系的防锈颜料的涂料组合物相匹敌的优异防锈性。
另外,在本发明的防锈颜料中,如果前述各成分的比例在上述组成范围之外,则无机组合物容易发生结晶化,来自颜料的成分的溶出性容易消失,因此,有不能作为防锈颜料发挥作用的倾向,从而难以获得本发明的上述效果。
除了上述成分(1)~(4)以外,本发明的防锈颜料根据需要可以含有5质量%以下的B2O3、5质量%以下的MnO,进一步可以含有5质量%以下的Fe2O3、Al2O3、Na2O等成分。
另外,本发明的防锈颜料中使用的非晶质无机组合物根据JIS K5101-16-1测定的水溶性成分优选在0.1~1质量%的范围,更优选在0.1~0.6质量%的范围。如果水溶性成分低于上述范围,则由溶出到水中的成分带来的金属材料表面防锈效果变得不充分,而如果水溶性成分超出上述范围,成分的溶出过快,防锈效果不能持久。另外,在溶出的磷酸成分按P2O5计为0.001%以上,优选为0.001~1质量%,进一步优选为0.002~0.5质量%时,从能够进一步提高防锈性能这一点来看,是特别优选的。
另外,用于本发明的防锈颜料中的非晶质无机组合物通过激光衍射散射法测定求出的体积平均粒径优选为0.5~15μm的范围,更优选为1~5μm的范围。如果非晶质无机组合物的体积平均粒径在0.5~15μm的范围,在使用该颜料制备防锈涂料组合物时,在金属材料表面上涂布的涂膜的外观、强度和耐久性是良好的。
另外,本发明的防锈颜料中使用的非晶质无机组合物根据JIS K5101-14-1测定的筛余物优选为1.0质量%以下,更优选为0.5质量%以下。另外,在本发明中,根据JIS K5101-14-1测定的筛余物是指使用45μm筛孔的网测定的筛余物,该值相当于粒径45μm以上的颗粒的含量。如果该筛余物超过1.0质量%,则在使用该颜料制备防锈涂料组合物时,在金属材料表面上涂布的涂膜的外观、强度和耐久性变差。
另外,本发明的防锈颜料中使用的非晶质无机组合物是通过将含有镁源、钙源、磷酸源和硅酸源的混合物加热熔融,然后骤冷而生成的物质,从能够防止结晶化(主要是磷灰石的生成)和在与水接触时将磷酸等成分溶出设定在上述范围内的方面来看是优选的。
上述含有镁源、钙源、磷酸源和硅酸源的混合物可以是含有这些成分的各个化合物之间的混合物,另外可以使用含有两种以上这些成分的化合物、矿物等。
在本发明中,尤其优选的非晶质无机组合物是摩尔组成为xMgO·yCaO·P2O5·zSiO2(其中,x是2.9~3.1的范围,y是3.9~4.1的范围,z是2.9~3.1的范围)的非晶质无机组合物,尤其是用3MgO·4CaO·P2O5·3SiO2表示的所谓的熔成磷肥(fusedphophate fertilizer)。
本发明的防锈颜料中使用的非晶质无机组合物可以使用熔成磷肥的典型制造方法来制备,例如可以使用专利文献3至11等中记载的方法等来制备。
也就是说,该非晶质无机组合物可以通过将含有各成分的原料混合、熔融,然后骤冷,根据需要粉碎和分级来制备。作为前述含有各成分的原料,例如可以使用磷酸钙、磷酸镁、二氧化硅(天然品、合成品)、硅酸钙等工业原料或天然原料(硅石、硅砂、磷矿石、蛇纹岩、橄榄岩等)来制备。
作为一个例子,可以列举出下列方法:(A)将蛇纹岩或橄榄岩和硅石以及含有该两种成分的镍渣(nickel slag)等与成为含磷成分的磷矿石配合来作为主原料,根据需要混合微量的诸如锰或硼之类的添加成分,然后在电炉、平炉等熔融炉内在1200℃以上,优选1400~1500℃加热熔融,然后将熔融物水碎,干燥,根据需要进一步粉碎,分级而获得微粉产品的方法;(B)将包含规定量的氧化镁、生石灰、磷酸和硅酸的混合物,根据需要在该混合物中混合微量的锰或硼之类的添加成分之后,在电炉、平炉等熔融炉中在1200℃以上、优选1400~1500℃加热熔融,然后将熔融物水碎,干燥,根据需要进一步粉碎,分级而获得微粉产品的方法;(C)将包含规定量的硅酸镁、磷酸钙和生石灰的混合物,根据需要在该混合物中混合微量的锰或硼之类的添加成分之后,在电炉、平炉等熔融炉中在1200℃以上,优选1400~1500℃加热熔融,然后将熔融物水碎,干燥,根据需要进一步粉碎,分级而获得微粉产品的方法等。
除了上述非晶质无机组合物以外,本发明的防锈颜料通过并用含有选自Ca、Mg、Zn和Si所组成的组中的一种或两种以上金属元素的金属化合物,可以提高防锈性能。
作为能够使用的上述金属化合物,可以使用这些金属粉末或这些金属的氧化物、碳酸盐、氢氧化物、磷酸盐、亚磷酸盐,它们可以是含水物,也可以是无水物。在这些当中,金属粉末、金属氧化物和碳酸盐从协同效果高的观点来考虑而优选使用,另外,尤其优选的是选自锌粉末、氧化锌、碳酸钙、亚磷酸镁和非晶质硅酸所组成的组中的一种或两种以上。对该金属化合物的物性等没有特定限制,但根据激光衍射散射法测定而求出的体积平均粒径优选为0.5~15μm的范围,更优选为1~5μm的范围。如果该体积平均粒径在0.5~15μm的范围,在使用该金属化合物与上述防锈颜料制备防锈涂料组合物时,在金属材料的表面上涂布的涂膜的外观、强度和耐久性是良好的。在本发明的防锈涂料组合物中,相对于100质量份前述非晶质无机粉体,这些金属化合物能够以5~100质量份的范围含有。
另外,并用的该金属化合物可以作为与该防锈颜料的均匀混合物预先配制,也可以在到了后述涂料组合物阶段时在涂料组合物中另外添加使用。
所述防锈颜料和金属化合物根据需要可以用选自酸式磷酸酯或/和具有螯合能力的膦酸或其衍生物中的有机磷酸化合物表面处理。作为酸式磷酸酯,例如,可以列举出酸式磷酸甲酯、酸式磷酸二甲酯、酸式磷酸乙酯、酸式磷酸二乙酯、酸式磷酸甲乙酯、酸式磷酸正丙酯或异丙酯、酸式磷酸正二丙酯或异二丙酯、酸式磷酸甲基丁基酯、酸式磷酸乙基丁基酯、酸式磷酸丙基丁基酯、酸式磷酸正辛酯或异辛酯、酸式磷酸正二辛酯或异二辛酯、酸式磷酸正癸酯、酸式磷酸正二癸酯、酸式磷酸正月桂酯、酸式磷酸正二月桂酯、酸式磷酸正鲸蜡酯或异鲸蜡酯、酸式磷酸正二鲸蜡酯或异二鲸蜡酯、酸式磷酸正硬脂酯、酸式磷酸正二硬脂酯或异二硬脂酯、酸式磷酸烯丙酯、酸式磷酸二烯丙酯等,可以列举选自这些化合物的Mg、Ca、Sr、Ba、Zn或Al中的一种或两种以上的金属盐、胺盐等。
作为具有螯合能力的膦酸的化合物,例如可以列举出氨基亚烷基膦酸、乙二胺四亚烷基膦酸、烷基甲烷-1-羟基-1,1-二膦酸或2-羟基膦酰基醋酸等代表性化合物。这些当中,作为氨基亚烷基膦酸,例如可以列举出次氮基三苯乙烯膦酸、次氮基三亚丙基膦酸、次氮基二乙基亚甲基膦酸、次氮基丙基双亚甲基膦酸等。作为乙二胺四亚烷基膦酸,例如可以列举出乙二胺四亚甲基膦酸、乙二胺四亚乙基膦酸、乙二胺四亚丙基膦酸等。作为亚烷基-1-羟基-1,1-二膦酸,例如,可以列举出甲烷-1-羟基-1,1-二膦酸、乙烷-1-羟基-1,1-二膦酸、丙烷-1-羟基-1,1-二膦酸等,也可以是选自这些化合物的Mg、Ca、Sr、Ba、Zn或Al盐中的一种或两种以上的复合盐,不限于这些化合物。另外,还可以将一种或两种以上的上述酸式磷酸酯与具有螯合能力的膦酸的化合物组合使用。相对于磷的含氧酸盐的酸式膦酸酯或/和具有螯合能力的膦酸的配合量根据所使用的化合物的物性、种类等而不同,通常是0.1~30质量%,优选为1~10质量%。
另外,为了提高分散性,所述防锈颜料和金属化合物可以用高级脂肪酸或其衍生物、表面活性剂、硅烷偶联剂进一步表面处理。
另外,所述防锈颜料根据需要可以含有不损害本发明效果的添加量的水铝钙石、水滑石等具有氯离子捕捉能力的无机阴离子交换体、亚硝酸碱金属盐、亚硝酸碱土金属盐等亚硝酸盐。
本发明的防锈涂料组合物含有所述防锈颜料和漆料(coating vehicle)。漆料是指分散涂料成分的介质。即,它是将作为涂膜形成成分的聚合油、天然或合成树脂、无机系粘结剂、纤维素和橡胶的衍生物等高分子物质或它们的混合物溶于溶剂的材料。
作为所述合成树脂,例如可以列举出酚醛树脂、醇酸树脂、蜜胺树脂、胍吖嗪树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、聚胺树脂、丙烯酸树脂、聚丁二烯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、硅树脂、含氟树脂等,它们根据需要可以是混合系或改性树脂。
另外,作为上述无机系粘结剂,可以列举出水溶性硅酸盐、改性水溶液硅酸盐、烷基硅酸酯、烷氧基硅酸酯、烷氧基硅烷、偶联剂、胶态二氧化硅等。
作为前述水溶性硅酸盐,用通式M2O·xSiO2·yH2O表示,M表示钠、锂、钾等碱金属、N(C2H4OH)2、N(CH2OH)4、N(C2H4OH)4、C(NH2)3NH,式中的x和y表示整数,作为具体的化合物,可以列举出硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂等硅酸碱金属盐,硅酸三乙醇胺、硅酸四甲醇铵、硅酸四乙醇铵等。
作为前述改性水溶性硅酸盐,可以列举出用选自铝、镁、钙、钡、锶、锌、锆和钒中的金属的氧化物、氢氧化物、氟化物、硅氟化物的一种或两种以上改性所述水溶性硅酸盐而获得的物质,或者所述水溶性硅酸盐用硅氟化钠、三硅氟化锌酸钾、氟铝络合物盐、氟锌络合物盐等改性的物质(参照专利文献12)等。
作为前述硅酸烷基酯,用通式SiR4或SiXR3表示,式中的R表示烷基,X表示烷氧基、乙烯基、环氧基、氨基、甲基丙烯酸基、巯基。作为所述烷基,可以列举出甲基、乙基、丙基、丁基等碳数1~5的直链状或支链状的烷基,作为具体的化合物,例如可以列举出硅酸四甲酯、硅酸四乙酯、硅酸四丙酯、硅酸四丁酯等。
作为前述烷氧基硅烷,用通式Si(OR)4或SiX(OR)3、SiR(OR)3表示,式中的R表示烷基,X表示乙烯基、环氧基、氨基、甲基丙烯酸基、巯基。作为所述烷基,例如可以列举出甲基、乙基、丙基、丁基等碳数1~5的直链状或支链状烷基,作为具体的化合物,例如可以列举出四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷、四丁氧基硅烷。
作为前述硅烷偶联剂,例如可以列举出γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷、β-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷等硅烷系偶联剂,三硬脂酰基钛酸异丙酯、四辛基双(二-十二烷基)亚磷酸酯钛酸酯、三辛酰基钛酸异丙基酯、三-十二烷基苯磺酰基钛酸异丙基酯等钛系偶联剂,铝系偶联剂,锆系偶联剂等。
作为前述胶态二氧化硅,可以使用粒径通常大约2~100nm、固体分大约20~40%、含有0.7%以下的Na2O、尤其优选能够在pH8~10下用碱稳定的胶态二氧化硅。
所述涂膜成分可以使用一种或者适宜组合两种以上使用。另外,作为稀释剂,可以使用水、醇类、酮类,诸如苯类、甲苯、二甲苯之类的芳族烃类,诸如液体石蜡的脂族烃类等通常在涂料领域等中使用的溶剂。
本发明的防锈颜料相对于漆料的配合量通常为2~50质量%,优选5~20质量%。如果配合量小于2质量%,则防锈力降低,而如果大于50质量%,不能获得优选的涂膜特性。
本发明的防锈涂料组合物可以含有和使用除了上述成分以外的在涂料领域中通常使用的各种添加剂。尤其,本发明的防锈涂料组合物通过并用上述含有选自Ca、Mg、Zn和Si中的一种或两种以上金属元素的金属化合物,从能够提高防锈性能的方面来看是优选的。
本发明的防锈涂料组合物可以用于刷毛或辊筒涂布、喷涂、静电涂装、粉体涂装、辊涂、帘式流动涂布、浸渍涂装、电沉积涂装等。
虽然本发明的防锈颜料的防锈机理是复杂的,还没有弄清楚,但推测,少量溶出的磷酸离子和硅酸离子与金属材料的铁和锌反应,形成牢固的钝化涂膜,同时镁离子、钙离子使金属材料稳定化。
实施例
以下通过实施例详细说明本发明,然而本发明不限于这些实施例。另外,在以下实施例中,构成本发明的防锈颜料主成分的非晶质无机组合物称之为“非晶质无机粉体试样”。
<非晶质无机粉体试样的制备>
将按照硅酸镁(MgSiO3)4517份、磷酸钙(Ca3(PO4)2)3102份、生石灰(CaO)841份的比例调整混合而获得的粉末在设定于1500℃的电炉中熔融2小时。然后将熔融物水碎,干燥,接着用干式超微粉碎机Dynamic Mill(三井矿山公司制造)粉碎操作2小时。结果,使用日机装公司制造的Microtrac粒度分布测定装置通过激光衍射散射法得出的平均粒径为2.5μm,根据JISK5101-14-1测定的筛余物(使用筛孔45μm的过滤器)为0.2质量%,获得了含有21.3质量%P2O5、33.6质量%CaO、27.0质量%SiO2和18.1质量%MgO的无机粉体试样(3MgO·4CaO·P2O5·3SiO2)。
另外,所得无机组合物试样根据X射线衍射确认是非晶质的,这作为非晶质无机粉体试样。
另外,根据JIS K5101-16-1测定的结果,所得非晶质无机粉体试样的水溶性成分为0.31质量%。进一步分析该水溶性成分,结果确认,水溶性成分中主要含有0.005质量%的按P2O5计的磷酸离子、0.16质量%的按SiO2计的硅酸离子、0.08质量%的按CaO计的钙离子和0.012质量%的按MgO计的镁离子。
(实施例1~4)
如表1所示,使用高速混合器,在2000rpm下将上述制备的非晶质无机粉体试样与金属化合物混合5分钟,制备防锈颜料。
(对比例1~4)
如表1所示,与上述同样制备铬酸锶或者防锈颜料。
表1
在表1中,使用平均粒径1μm的氧化锌、平均粒径1μm的碳酸钙、平均粒径1μm的铬酸锶和平均粒径5μm的磷酸锌。
<防锈性能的评价>
1)试验钢板使用下述两种钢板。
·JIS G3141 SPCC-SD钢板(以下称为“钢板”)
·JIS G3302 SGCC熔融镀锌钢板(以下称为“锌钢板”)
2)试验涂料
用调漆法制备含有实施例1~4、对比例1~4获得的防锈颜料的防锈涂料组合物以及未配合防锈颜料的涂料组合物(对比例5)。
各试验涂料的配合比例如下所示。
<醇酸涂料>
醇酸树脂 21.3份
防锈颜料 5.3份
氧化钛 13.3份
碳酸钙 24.0份
矿油精 8.0份
干燥剂 0.37份
醇酸树脂BECKOSOL P-470-70(大日本油墨化学工业株式会社生产)
干燥剂:DICNATE(大日本油墨化学工业株式会社生产)
<环氧涂料>
环氧树脂 34.0份
防锈颜料 5.4份
氧化钛 6.5份
二甲苯/甲基乙基酮 17.0份
固化剂 41.3份
二甲苯/丁醇 7.7份
环氧树脂:Epikote1001X75(Japan Epoxy Resins Co.,Ltd.生产)
固化剂:TORMIDE 410N(富士化成工业公司生产)
3)试验涂装板
将0.8mm×70mm×150mm的各钢板进行溶剂脱脂,用干燥涂膜厚度设定为30微米的棒涂机涂布各试验涂料,在室温下放置1周进行干燥。干燥后,用遮盖胶带密封涂装钢板的背面和端面,对试验涂装面进行划方格。
4)盐水喷雾试验
在盐水喷雾试验机内在温度35℃、喷雾压力1kg/cm2的条件下在试验涂装板上用5%NaCl水溶液进行240小时喷雾试验。
5)试验结果
按照以下五个等级评价法评价盐水喷雾试验结果,判定防锈性能。结果在表2中给出。
评价5:除划格部分以外没有生锈,也没有起泡。
评价4:从划格部分起单侧2mm以内生锈和起泡
评价3:从划格部分起单侧6mm以内生锈和起泡。
评价2:从划格部分起单侧12mm以内生锈或起泡。
评价1:从划格部分起单侧12mm以上生锈或起泡。
表2
从表2的结果可以证明,含有本发明的实施例1~4的防锈颜料的防锈涂料组合物在涂布于各钢板上时发挥了优异的防锈效果。
产业上的可利用性
根据本发明,可以提供能够赋予金属材料优异防锈性的无公害型防锈颜料以及含有该防锈颜料的防锈涂料组合物。
Claims (11)
1.一种防锈颜料,其特征在于,包含含有P2O5、CaO、SiO2和MgO的非晶质无机组合物。
2.一种防锈颜料,其特征在于,包含含有10~30质量%的P2O5、20~40质量%的CaO、10~30质量%的SiO2和10~20质量%的MgO的非晶质无机组合物。
3.根据权利要求1或2所述的防锈颜料,其中所述非晶质无机组合物根据JIS K5101-16-1测定的水溶性成分在0.1~1质量%的范围,溶出的磷酸成分按P2O5计为0.001质量%以上。
4.根据权利要求1~3的任一项所述的防锈颜料,其中所述非晶质无机组合物是通过将含有镁源、钙源、磷酸源和硅酸源的混合物加热熔融,然后骤冷而生成的。
5.根据权利要求1~4的任一项所述的防锈颜料,其中所述非晶质无机组合物的摩尔组成为xMgO·yCaO·P2O5·zSiO2(其中,x是2.9~3.1的范围,y是3.9~4.1的范围,z是2.9~3.1的范围)。
6.根据权利要求1~4的任一项所述的防锈颜料,其中体积平均粒径为0.5~15μm的范围。
7.根据权利要求6所述的防锈颜料,其中根据JISK5101-14-1测定的筛余物为1.0质量%以下。
8.一种防锈涂料组合物,其特征在于,含有权利要求1~7的任一项所述的防锈颜料。
9.根据权利要求8所述的防锈涂料组合物,其包含防锈颜料和含有选自Ca、Mg、Zn和Si所组成的组中的一种或两种以上金属元素的金属化合物。
10.根据权利要求9所述的防锈涂料组合物,其中所述金属化合物是选自锌粉末、氧化锌、碳酸钙、亚磷酸镁和非晶质硅酸所组成的组中的一种或两种以上。
11.根据权利要求9或10所述的防锈涂料组合物,其中相对于100质量份的非晶质无机粉体,所述金属化合物的配合比例为5~100质量份的范围。
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