CN102320992A - 全氟腈基乙烯基醚的制备方法 - Google Patents

全氟腈基乙烯基醚的制备方法 Download PDF

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陈焱锋
陈辉
缪丹杰
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Abstract

公开了一种制备下式(I)全氟腈基乙烯基醚化合物的连续或重复间歇方法,其中n为1,2,3或者4;所述方法包括以下步骤:a)提供一种下式全氟乙烯基羧酸酯化合物(II)与氨反应,得到全氟乙烯基羧酰胺化合物(III),其中,R为含有1-20个碳原子的烷基,n为1,2,3或者4;b)在一定量的脱水剂中加入全氟乙烯基羧酰胺化合物(III),并使反应温度保持在合适的温度,得到全氟腈基乙烯基醚化合物(I)。CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN (I)CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR (II)CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2 (III)

Description

全氟腈基乙烯基醚的制备方法
技术领域
本发明涉及一类重要的含氟聚合物单体-全氟腈基乙烯基醚(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN)的制备方法,本发明方法具有很高的收率,低成本且适于工业化生产。
背景技术
全氟腈基乙烯基醚(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN)是一类重要的含氟聚合物单体,其结构含有的全氟烷氧基乙烯基醚和腈基团(-CN)两种官能团,可以有效用于高含氟的弹性体和全氟弹性体中作为交联单位的单体。
美国专利US4,138,426和US 4,281,092使用全氟腈基乙烯基醚类化合物制备了一系列的高含氟的弹性体和全氟弹性体类的聚合物,并测试证明了其聚合物的良好性能。这些现有的专利方法利用化合物(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR)的氟烯羧酸酯作为前体,得到一系列的全氟腈基乙烯基醚类化合物,但是反应副产物多,收率不高。例如,如美国专利US 4,138,426的实施例8所述,其产物的总摩尔收率只有9%。
欧洲专利EP 0,729,940介绍了改进的制备全氟腈基乙烯基醚(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN)的方法,虽然此方法反应的选择性较高,但总收率不高,最高为75%,其脱水反应采用价格昂贵的三氟醋酸酐和吡啶试剂,产生的三废也较多,对工业化生产有很大的局限性。
因此,仍需要开发一种高效的全氟腈基乙烯基醚的制造方法,要求这种制备方法不仅具有反应收率高优点,而且还具有低成本和易于工业化生产的优点。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种高效的全氟腈基乙烯基醚的制造方法,本发明方法不仅具有反应收率高的优点,而且还具有低成本和易于工业化生产的优点。
因此,本发明提供一种制备下式(I)全氟腈基乙烯基醚化合物的方法:
CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN  (I)
其中n为1、2、3或者4;
所述方法包括以下步骤:
a)使下式全氟乙烯基羧酸酯化合物(II)与氨反应:
CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR  (II)
得到全氟乙烯基羧酰胺化合物(III):
CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2(III)
其中,R为含有1-20个碳原子的烷基,n为1、2、3或者4;
b)向全氟乙烯基羧酰胺化合物(III)中加入脱水剂,得到全氟腈基乙烯基醚化合物(I)。
本发明方法的产物总摩尔收率大于85%,并且容易实现低成本的连续或重复间歇的工业化生产。
具体实施方式
本发明提供一种高效的全氟腈基乙烯基醚的制造方法,本发明方法包括提供一种式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR化合物,在不存在溶剂或者在溶剂的作用下与氨反应,合成出式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2化合物,进一步在脱水剂作用下脱水并收集得到全氟腈基乙烯基醚(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN)的步骤。
1.氨反应步骤
本发明方法包括提供一种式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR化合物,在不存在溶剂或者在溶剂的作用下与氨反应,合成出式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2化合物的步骤。
在本发明中,术语“氨”是指氨气或者任意浓度的氨水,所述氨水浓度的非限定性例子有,例如100%氨气,28%质量浓度的氨水,15%质量浓度的氨水。
在上述通式化合物中,R为含有1-20个碳原子的烷基,较好为1-8的烷基、更好为1-4的烷基。
在上述通式化合物中,n为1、2、3或者4。
适用于本发明方法的式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR化合物无特别的限制,可以由市场购得,或者通过美国专利US 4,281,092公开的方法合成得到。
在本发明的一个实例中,式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR化合物的R为甲基,乙基,正丙基等。
在本发明方法中,式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2化合物的合成过程中,以摩尔量计算,式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR化合物的加入量通常等于或者低于氨的用量,但是氨过量的量最好不要太多,因为过分过量的氨可能导致全氟乙烯基(CF2=CF-)生成副产物,使反应收率降低。
所述氨为氨气或者氨水,在本发明的一个实例中,以纯氨的量计算,氨的加入量通常为式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR化合物加入量的100~250摩尔%,较好为110~150摩尔%。
本发明方法可在溶剂的存在下进行,或者也可在不存在溶剂的情况下进行。使用溶剂有利于进一步提高收率。
当使用溶剂时,溶剂本身会对反应的收率影响较大,如果使用含氧的溶剂,会使收率较低。一般使用不含氧的卤代溶剂。较好的卤代溶剂的非限定性例子有,例如卤代C1-6烷烃,如二氯甲烷、三氯甲烷、1,1,1-三氯三氟乙烷、1,1-二氯-1-一氟乙烷、1,1-二氯-2,2,2-三氟乙烷、全氟己烷或者多种上述溶剂的混合溶剂。
在本发明中,术语“卤代溶剂”是指起溶剂作用的C1-8卤代烷烃,较好是C1-6卤代烷烃,更好是C1-4卤代烷烃。
在本发明中,术语“卤素”是指氟、氯、溴和/或碘;较好是氟和/或氯。
在本发明的一个实施方案中,使用1,1,1-三氯三氟乙烷和二氯甲烷以任意比例形成的混合溶剂,发现它的稳定性好,对所有产物原料都有明显的惰性,收率很高并可以回收多次反复使用。
在本发明的另一个实施方式中,所述1,1,1-三氯三氟乙烷和二氯甲烷混合溶剂的重量混合比为0.5-2∶1,较好为0.7-1.7∶1,更好为0.9-1.1∶1。
在本发明方法中,溶剂或者溶剂混合物中含有含氟溶剂可进一步提高最终产物的收率。溶剂的加入量无特别的限制,可以是本领域已知的任何常规的用量。在本发明的一个较好实例中,溶剂通常是CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR化合物加入量的0~500重量%,较好是50~350重量%,更好是70~150重量%。
在本发明方法中,氨和全氟乙烯基羧酸酯化合物的反应可在各种温度下进行。发明人发现温度对反应的收率有一定的影响,在合适的温度下反应可进一步明显增加反应产物的收率。
当采用氨气作为反应原料时,反应温度一般为-40℃~50℃,较好在-5℃~40℃,更好为15℃~25℃。
当反应采用氨水和全氟乙烯基羧酸酯化合物反应,反应温度有一定增加,优选的反应温度为-10℃~70℃,较好在10℃~50℃,更好25℃~35℃。
在本发明方法中,在采用上述方法时,式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2化合物的合成收率,能达到大于95%,高于已知方法的收率。
在本发明方法中,所述反应步骤的反应压力对反应速率和选择性影响较小,反应压力一般可低于大气压,常压或高于大气压。总体而言,优选接近大气压的压力,对反应设备要求就较低,易于工业化生产。
在本发明方法中,所述反应步骤的反应时间不是关键的,反应过程中的温度,压力和物质的加入量决定了反应时间,通常物料的加入速度应该是匀速的,温度和压力变化较小的,通常可将形成的反应混合物在任何合适的温度和压力保持一段时间,以便反应完全。在阅读了本发明公开的内容后,本领域的普通技术人员非经创造性劳动就可容易地确定合适的反应时间。
2.脱水步骤
本发明方法还包括使式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2化合物在脱水剂作用下进行脱水的步骤。脱水剂可以是本领域已知的任何常规的脱水剂。在本发明的一个较好的实例中,使用廉价的五氧化二磷、三氯氧磷或者两者的混合物等作为脱水剂。脱水反应通常不使用溶剂,从而在较低的成本下,得到较高的反应收率。
在本发明的一个较好实例中,所述脱水剂(例如五氧化二磷、三氯氧磷或者两者的混合物等)的加入量通常为式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2化合物加入量的120~350摩尔%,较好为150~200摩尔%。
在本发明方法中,脱水反应可在常规的温度下进行。但是发现脱水反应的反应温度对反应的收率有一定的影响,在合适的温度下反应收率较高,优选的反应温度为100℃~300℃,较好在120℃~240℃,更好140℃~180℃。
采用本发明的方法,可使式CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN化合物的合成总收率,能达到大于85%,并且适于工业化低成本生产。
在本发明方法中,所述脱水步骤的反应压力对反应速率和选择性影响较小,反应压力一般可低于大气压,常压或高于大气压。总体而言,优选接近大气压的压力,对反应设备要求就较低,易于工业化生产。
在本发明方法中,所述脱水步骤的反应时间不是关键的,反应过程中的温度,压力和物质的加入量决定了反应时间,通常物料的加入速度应该是匀速的,温度和压力变化较小的,通常可将形成的反应混合物在任何合适的温度和压力保持一段时间,以便反应完全。在阅读了本发明公开的内容后,本领域的普通技术人员非经创造性劳动就可容易地确定合适的脱水反应时间。
在本发明的一个实例中,所述反应的总反应时间控制在2-12小时,较好为4-10小时,更好为5-7小时。
适用于本发明方法的常压连续或间歇式反应器无特别的限制。但是本发明的改进更适合工业化生产,所需的反应器应由抗氨腐蚀和抗氧化剂腐蚀的材料构建。
本发明的投料总量对本发明方法不是关键的,它仅仅和采用的反应系统大小有关系。
在反应结束后,可用任何适当的方法将产物从混合物中分离出来,所述方法包括溶剂分离和蒸馏。一般可采用减压蒸馏除去反应溶剂,氨和醇类产物,得到CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2化合物,后续的脱水反应,经蒸馏可以得到产物,产物经过水洗和常规精馏,可以得到纯度大于99%的产品。
本发明可用于工业合成全氟腈基乙烯基醚。
下列实施例进一步说明本发明的目的和优点,但是这些实施例中的具体材料及其用量,以及其它条件和细节均不应视为对本发明的限制,如未加说明,化合物的纯度为分析纯。
实施例1
1.全氟酰胺中间体制备
在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料和冷凝系统的2L的密闭反应釜中加入400g二氯甲烷,100g 1,1,1-三氯三氟乙烷(F113a)和1000g全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-COOCH3),开动搅拌装置,冷却温度至5℃,在常压下,开始通入氨气,反应是放热的,控制反应温度在20℃,压力为0.02MPa,氨气的通入速度由冷却系统调整,5小时共加入50g氨气,在既定温度下搅拌1小时。反应所得混合物减压加热至40℃、抽出未反应的氨,甲醇副产物和溶剂,得到中间体全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯酰胺(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CONH2)共954g,经分析其纯度为98.0%,摩尔收率为96.9%。
经测试,所得产物的沸点:90℃/1mmHg;质谱MS Mw=406.98,红外光谱FT-IR,CONH2,3400cm-1,3050cm-1,1650cm-1;核磁共振NMR H1,化学位移δ7.0,6.7。
2.全氟腈基乙烯基醚制备
在2L反应釜中加入250g五氧化二磷和上述酰胺中间体500g(纯度98.0%),加热至160℃反应5小时,冷凝收集得到产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CN)共448g,经分析其纯度为96%,摩尔收率为91.8%。该反应基于全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯摩尔量计算的产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈的总收率为89.0%。
经测试,所得产物的沸点:102℃/760mmHg;质谱MS Mw=389.0,红外光谱FT-IR,CN,2250cm-1
比较例1B
(相当于美国专利US 4,138,426所述的方法)
在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料和冷凝系统的2L的密闭反应釜中加入600ml乙醚,800g全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯,开动搅拌装置,冷却温度至15℃,在常压下,开始通入氨气,4小时共加入40g氨气,在既定温度下搅拌1小时。产物采用1,1,2-三氯三氟乙烷(F113)萃取,并通过水洗蒸馏以后,得到中间体全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯酰胺共185g,经分析其纯度为96.0%,摩尔收率为23.0%。在1L反应釜,加入上述酰胺中间体150g,并加入150ml四氢呋喃,温度降低至-10℃,分别缓慢加入80ml吡啶和70ml三氟乙酸酐,反应5小时,温度控制在0~10℃,加入200ml冰水悴灭反应。水洗分层,得到的产品进行蒸馏,收集得到产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈共107g,经分析其纯度为95%,摩尔收率为73.9%。该反应基于全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯摩尔量计算的产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈的总收率为17.0%。
经测试,产物的沸点:102℃/760mmHg;质谱MS Mw=389.0,红外光谱FT-IR,CN,2250cm-1
比较例1C
(相当于欧洲专利EP 0,729,940所述的方法)
在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料和冷凝系统的2L的密闭反应釜中加入680g全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯,开动搅拌装置,冷却温度至-15℃,开始通入氨气,8小时共加入32g氨气,在既定温度下搅拌1小时。反应所得混合物减压加热至40℃、抽出未反应的氨,甲醇产物,得到中间体全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯酰胺共575g,经分析其纯度为87.0%,摩尔收率为76.3%。在反应釜继续加入400ml二甲基亚酰胺,温度降低至-10℃,分别缓慢加入120g吡啶和350g三氟乙酸酐,反应5小时,温度控制在-10℃,加入300ml冰水悴灭反应。水洗分层,得到的产品进行蒸馏,收集得到产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈共385g,经分析其纯度为93%,摩尔收率为86.1%。该反应基于全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯摩尔量计算的产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈的总收率为65.7%。
经测试,所得产物的沸点:102℃/760mmHg;质谱MS Mw=389.0,红外光谱FT-IR,CN,2250cm-1
实施例2
1.全氟酰胺中间体制备
在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料和冷凝系统的2L的密闭反应釜中加入500g二氯甲烷,1000g全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-COOCH3),开动搅拌装置,冷却温度至5℃,在常压下,开始通入氨气,控制反应温度在25℃,压力为0.01MPa,氨气的通入速度由冷却系统调整,7小时共加入52g氨气,在既定温度下搅拌1小时。反应所得混合物减压加热至40℃、抽出未反应的氨,甲醇副产物和溶剂,得到中间体全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯酰胺(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CONH2)共917g,经分析其纯度为96.8%,摩尔收率为92.0%。
经测试,所得产物的沸点:90℃/1mmHg;质谱MS Mw=406.98,红外光谱FT-IR,CONH2,3400cm-1,3050cm-1,1650cm-1;核磁共振NMR H1,化学位移δ7.0,6.7,
2.全氟腈基乙烯基醚制备
在2L反应釜中加入200g五氧化二磷和上述酰胺中间体500g(纯度98.0%),加热至160℃反应5小时,冷凝收集得到产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CN)共427g,经分析其纯度为96.7%,摩尔收率为88.2%。
经测试,所得产物的沸点:102℃/760mmHg;质谱MS Mw=389.0,红外光谱FT-IR,CN,2250cm-1
实施例3
1.全氟酰胺中间体制备
在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料和冷凝系统的2L的密闭反应釜中加入200g二氯甲烷,200g 1,1,1-三氯三氟乙烷(F113a)和1000g全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-COOCH3),开动搅拌装置,冷却温度至5℃,在常压下,开始通入氨气,反应是放热的,控制反应温度在15℃,压力为0.01MPa,氨气的通入速度由冷却系统调整,6小时共加入48g氨气,在既定温度下搅拌1小时。反应所得混合物减压加热至40℃、抽出未反应的氨,甲醇副产物和溶剂,得到中间体全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯酰胺(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CONH2)共962g,经分析其纯度为98.3%,摩尔收率为98.0%。
经测试,所得产物的沸点:90℃/1mmHg;质谱MS Mw=406.98,红外光谱FT-IR,CONH2,3400cm-1,3050cm-1,1650cm-1;核磁共振NMR H1,化学位移δ7.0,6.7。
2.全氟腈基乙烯基醚制备
在2L反应釜中加入290g五氧化二磷和上述酰胺中间体500g(纯度98.0%),加热至160℃反应5小时,冷凝收集得到产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CN)共418g,经分析其纯度为94.9%,摩尔收率为84.7%。
经测试,所得产物的沸点:102℃/760mmHg;质谱MS Mw=389.0,红外光谱FT-IR,CN,2250cm-1
实施例4
1.全氟酰胺中间体制备
在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料和冷凝系统的2L的密闭反应釜中加入200g二氯甲烷,100g 1,1,1-三氯三氟乙烷(F113a)和1000g全氟(5-甲基-4,7-二氧杂-8-烯)壬烯甲酯(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-COOCH3),开动搅拌装置,在常压下,开始加入200ml,28%浓度的氨水溶液,控制反应温度在35℃,搅拌8小时。反应所得混合物减压加热至80℃、抽出未反应的氨,甲醇副产物、溶剂和水,得到中间体全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯酰胺(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CONH2)共932g,经分析其纯度为97.2%,摩尔收率为93.9%。
经测试,所得产物的沸点:90℃/1mmHg;质谱MS Mw=406.98,红外光谱FT-IR,CONH2,3400cm-1,3050cm-1,1650cm-1;核磁共振NMR H1,化学位移δ7.0,6.7。
2.全氟腈基乙烯基醚制备
在2L反应釜中加入240g五氧化二磷和上述酰胺中间体500g(纯度98.0%),加热至145℃反应7小时,冷凝收集得到产物全氟(4-甲基-3,6-二氧杂-7-烯)辛烯腈(CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)2-CN)共458g,经分析其纯度为96.5%,摩尔收率为94.4%。
经测试,所得产物的沸点:102℃/760mmHg;质谱MS Mw=389.0,红外光谱FT-IR,CN,2250cm-1

Claims (9)

1.一种制备下式(I)全氟腈基乙烯基醚化合物的方法:
CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CN  (I)
其中n为1,2,3或者4;
所述方法包括以下步骤:
a)使下式全氟乙烯基羧酸酯化合物(II)与氨反应:
CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-COOR  (II)
得到全氟乙烯基羧酰胺化合物(III):
CF2=CF-O-CF2CF(CF3)-O-(CF2)n-CONH2(III)
其中,R为含有1-20个碳原子的烷基,n为1、2、3或者4;
b)将脱水剂加入得到的所述全氟乙烯基羧酰胺化合物(III)中,得到全氟腈基乙烯基醚化合物(I)。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于所述全氟乙烯基羧酸酯与氨的反应是在无溶剂存在下进行的。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于所述全氟乙烯基羧酸酯与氨反应在溶剂存在的情况下进行,所述溶剂选自惰性的不含氧的卤代溶剂,如二氯甲烷、三氯甲烷、1,1,1-三氯三氟乙烷、1,1-二氯-1-一氟乙烷、1,1-二氯-2,2,2-三氟乙烷、或者它们中的多种的混合物。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于所述全氟乙烯基羧酸酯与氨的反应是在1,1,1-三氯三氟乙烷和二氯甲烷的混合溶剂中进行的,1,1,1-三氯三氟乙烷和二氯甲烷的的重量混合比为0.5-2∶1。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,当步骤a)中的氨为氨气时,该步骤的反应温度为15℃~25℃;
当步骤a)中的氨为氨水时,该步骤的反应温度为25℃~35℃。
6.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于步骤a)的氨的摩尔量是全氟乙烯基羧酸酯的110~150摩尔%。
7.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于步骤b)中所加脱水剂选自五氧化二磷、三氯氧磷或者其混合物。
8.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于步骤b)的反应温度为140℃~180℃。
9.如权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于所述脱水剂的加入量为化合物(II)加入量的120~350摩尔%,较好为150~200摩尔%。
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