CN103153635A - 包含胶乳油墨成膜助剂的印刷介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了印刷介质，其包含含有胶乳油墨成膜助剂的图像接受层。本发明还提供了形成图像的方法，其使用胶乳油墨和涂覆有图像接受层的印刷介质，该图像接受层包含胶乳油墨成膜助剂。本发明还提供了印刷产品，其包含印刷在印刷介质上的胶乳油墨，该印刷介质包含含有胶乳油墨成膜助剂的图像接受层。

Description

包含胶乳油墨成膜助剂的印刷介质
发明背景
喷墨印刷已经成为在各种介质表面例如普通纸、铜版纸、塑料膜、共挤出的纸塑复合材料、纺织品、室内和室外横幅、标牌等上记录图像的一种流行方式。大部分市售的喷墨油墨是水基的。因为它们的水基性质，当曝露于水或者高湿度时，与其他印刷方法相比，喷墨油墨系统通常趋向于表现出更差的图像持久性和耐久性。
胶乳喷墨印刷是一种新的喷墨印刷技术。在胶乳喷墨印刷中，胶乳微粒可以充当粘合剂，改善有色着色剂到介质表面上的粘附性。胶乳微粒的粘合力主要取决于它们的成膜能力。更强的成膜能力通常关联更好的粘附性。但是，在配制用于喷墨印刷的胶乳油墨时存在折衷考虑。具体地，具有强成膜能力的胶乳可以增强胶乳油墨的粘附性，但是也会对喷墨构造(architechture)的可靠性和喷墨能力(jettability)产生不利的影响。
详细说明
在本发明中，已经发现可以实现胶乳油墨喷射到印刷介质上之后的改善的成膜性，使得通过对印刷介质的改进获得了喷墨构造的可靠性和喷墨能力，和更好的油墨颜料的粘附性从而产生改进的印刷产品。
本发明提供用来将胶乳油墨成膜助剂加入施涂到印刷介质上的图像接受层制剂中，而不是在胶乳油墨制剂中包含该成膜助剂。这种方案不同于将助剂或者聚结剂直接加入到面涂层例如油墨或者油漆制剂中(美国专利号4489188、5236987和7696262，和欧洲专利申请号07020568.7)。该方法实现了使得具有较低成膜性的胶乳油墨在给定温度变得更易于成膜的结果，而没有与改变胶乳油墨制剂相关的问题。
具有改善的油墨耐水性和耐刮擦性的印刷产品是通过如下实现的：用包含一种或多种胶乳油墨成膜助剂的图像接受层来涂覆印刷介质，从而改善包含某些喷墨相容性胶乳的喷墨油墨到印刷介质上的粘附性。胶乳油墨成膜助剂是能够降低油墨胶乳粒子的成膜温度的化合物。因为油墨中的胶乳微粒的粘合力与成膜能力有关，因此实现了更好的粘附性。因此，实现了油墨耐水性和耐刮擦性的改善，而不损害油墨制剂，从而能够同时实现喷墨构造的可靠性和喷墨能力二者，以及油墨颜料的粘附性。
浓度、量和其他数据在本文中可以范围的形式给出(例如5%至20%)。应当理解这样的范围形式仅仅是为了方便和简要来使用的，并且应当灵活地解释为不仅包括作为所述范围的界限明确记载的数值，而且还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或者子范围，如同每个数值和子范围都明确记载一样。例如，5%至20%的范围应当解释为包括了数值例如但不限于5%、5.5%、9.7%、10.3%、15%等，和子范围例如但不限于5%至10%、10%至15%、8.9%至18.9%等。
印刷产品
本发明提供了包含印刷介质和胶乳油墨的印刷产品。该印刷介质由介质基底制成，该基底在至少一个表面上至少部分涂覆有包含至少一种胶乳油墨成膜助剂的图像接受层，并且胶乳油墨印刷到该印刷介质上，使得该胶乳油墨的聚合物胶乳在印刷介质的图像接受层的至少一部分上形成膜。例如，胶乳油墨经由喷墨印刷通过喷射油墨滴而施涂到印刷介质上。然后干燥该油墨。在本文中使用时，胶乳油墨指施涂到印刷介质上的液体油墨和干燥过程之后的油墨(在其中该油墨的含水部分已经蒸发了)二者。本文公开了构成所述印刷产品和生产该印刷产品的方法的各种要素。
印刷介质
所述印刷产品包含印刷介质和胶乳油墨。该印刷介质的构造允许改善胶乳油墨的粘附性，而不损害油墨制剂。该印刷介质由介质基底制成，该基底在至少一个表面上至少部分涂覆有本文公开的图像接受层。例如，在该印刷介质是一张打印纸的情形中，图像接受层可以至少部分涂覆这张纸的一面或者两面。可选择地，在该印刷介质是一张打印纸的情形中，该图像接受层可以完全涂覆这张纸的一面或者两面。
介质基底
胶乳油墨可以例如通过喷墨印刷施涂到许多表面上，并且本发明不受构成介质基底的表面类型的限制。例如介质基底可以是但不限于任何类型的纤维素纸基底、聚合物膜基底或者非有机膜基底。任何公知类型的用于制造纤维素纸基底的造纸纸浆、用于制造聚合物膜的聚合物纤维和非有机膜都可以用于制造所述介质基底。用于制造纤维素纸基底的代表性例子包括由任何合适的木浆或者非木纸浆制成的任何类型的纤维素纸。合适的纸浆的更多代表性例子包括机械木浆、化学磨木浆、化学机械纸浆和/或它们的混合物。因此在某些实施方案中，漂白的硬木化学牛皮纸浆可以用于制造主要的纸浆组合物。所述介质基底还可以是纺织品。用于制造聚合物膜基底的聚合物树脂的代表性例子包括聚烯烃例如HDPE、LDPE、LLDPE、PP和聚烯烃共聚物例如聚酯和聚酰胺。在该介质基底可以表征为基本原料的情形中，该介质基底可以例如具有大约60至大约300g/m2(gsm)的定量(basis weight)。
矿物填料可以掺入到用于制造介质基底的纸浆中。这类填料的代表性例子包括重质碳酸钙、沉淀碳酸钙、二氧化钛、高岭土、煅烧粘土、硅酸盐及它们的混合物。掺入到介质基底中的填料量没有具体限制。在某些实施方案中，该介质基底掺有大约5至大约20重量%的填料。在某些实施方案中，该介质基底掺有大约5至大约15重量%的填料。
当使用纤维素纸基底时，该基底可以具有低孔隙率，使得成膜添加剂不会过度迁移到该基底中。降低纤维素纸基底的孔隙率的方法的例子包括表面施胶方法，例如在纤维网形成和干燥后，将天然或者合成的聚合物材料施涂到纸纤维网表面上。用于降低纤维素纸基底的孔隙率的可用聚合物材料的代表性例子包括淀粉或者合成聚合物胶乳。另一例子是“树脂饱和”方法，在其中在湿部(wet end)处理或者表面施胶处理过程中将聚合物树脂施涂到纤维基质上。对于所用树脂的类型没有具体限制，只要它们与所述系统，特别是与湿部处理相容即可。表面施胶处理对于饱和而言是有用的，因为可以使用阳离子、阴离子或者中性带电的树脂。
底涂层
所述印刷介质至少包含涂覆有含有胶乳油墨成膜助剂的图像接受层的介质基底。但是，在用图像接受层涂覆该介质基底之前，可以将“底涂层”直接施涂到介质基底上。图像接受层随后施涂到该底涂层的至少一部分上。考虑将一张纸作为示例性的介质基底时，该底涂层可以施涂到该纸张的一面或者两面上，然后图像接受层施涂到已经施涂有底涂层的所述纸张的一面或者两面上。底涂层提供了至少两种有用的功能。一种功能是产生光滑表面。另一功能是产生具有比基本原料更高的表面能的表面(特别是在其中所述基底是高度饱和的或者与聚合物材料共挤出的情形中)，使得随后施涂的面层图像接受层可以牢固地粘附到该基本原料上，而不需要向该图像接受层中掺入过量的添加剂例如表面活性剂和润滑剂。这类添加剂可能会软化胶乳油墨膜和降低耐久性。示例性底涂层制剂包含任何类型的作为填料的无机粒子例如碳酸钙和粘土、作为粘合剂的聚合物胶乳以及表面活性剂和其他加工控制剂的混合物。
图像接受层
所述印刷介质的介质基底在至少一个表面上涂覆有图像接受层(也称作图像接受涂层)。该图像接受层包含颜料、聚合物粘合剂和至少一种胶乳油墨成膜助剂(其降低了胶乳油墨的胶乳微粒的成膜温度)。
所述聚合物粘合剂是聚合物组合物，其在无机粒子和构成图像接受层的其他组分之间提供粘合，并且还可以在图像接受层和其他层之间提供粘合。在某些实施方案中，该聚合物粘合剂可以是水溶性聚合物。在某些实施方案中，该聚合物粘合剂可以是水分散性聚合物胶乳。合适的聚合物粘合剂的代表性例子包括苯乙烯丁二烯共聚物、聚丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酸、聚酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚氨酯、它们的共聚物及它们的混合物。
颜料可以是有机或者无机颜料。颜料的代表性例子包括重质碳酸钙、沉淀碳酸钙、二氧化钛、高岭粘土、硅酸盐、塑料颜料、三水合氧化铝及它们的混合物。颜料的物理形式可以是粉末或者预分散的含水浆料。
虽然在其他应用中，可能优选用于喷墨印刷的图像接受层具有高孔隙率以改善油墨吸收，但是本发明的图像接受层可以构建为“封闭的(closed)”着色涂层。这种结构特性可以通过选择具有不同的粒度和尺寸分布的至少两种无机颜料的最佳组合来实现。在某些实施方案中，该图像接受层包含具有不同粒度的至少两种无机颜料。例如，在一种实施方案中，将具有大约1.2微米至大约2.0微米的相对较大的平均粒度和大约5m2/g至大约10m2/g的比表面积的粗颜料(例如碳酸钙)用作主要颜料，并且使用平均粒度为大约0.5微米至大约0.8微米且具有窄尺寸分布的另一种相对较细粒度的碳酸钙来填充主要颜料之间的松散的填充空间。
在本文中使用时，尺寸分布是用“粒度分布指数”来表示的，即根据式1的尺寸比例：
I=(D85/D15)1/2   (式1)
这里D85是以微米表示的平均粒度，其中根据分布曲线大约85%的颜料粒子的尺寸小于该数值，而D15是平均粒度值，其中大约15%的颜料粒子的尺寸小于该数值。例如，该粒度分布指数可以是大约1至大约10。例如，该粒度分布指数可以是大约1至大约4。
主要颜料与次要颜料的重量比可以是大约95%至大约60%的主要颜料比大约5%至大约40%的次要颜料。例如大约95重量%的主要颜料比大约5重量%的次要颜料，或者大约90重量%的主要颜料比大约10重量%的次要颜料，或者大约80重量%的主要颜料比大约20重量%的次要颜料，或者大约75重量%的主要颜料比大约25重量%的次要颜料，或者大约70重量%的主要颜料比大约30重量%的次要颜料，或者大约60重量%的主要颜料比大约40重量%的次要颜料等。在某些实施方案中，封闭度(closing level)通过压汞仪法表征孔体积小于85%。
在某些实施方案中，图像接受层包含第三颜料。该第三颜料是任何具有多孔结构的有机或者无机颜料或者其可以在图像接受层凝固过程中形成多孔结构。多孔颜料的微孔结构提供了用于胶乳油墨成膜助剂的存储空间，使得至少一部分的胶乳油墨成膜助剂在干燥过程中保持在图像接受层结构内。用于包含在图像接受层中的颜料的代表性例子包括碳酸钙、沸石、二氧化硅、滑石、氧化铝、三水合铝(ATH)、硅酸钙、高岭土、煅烧粘土和它们的混合物。
胶乳油墨成膜助剂
在印刷介质的图像接受层的制剂中包含至少一种胶乳油墨成膜助剂。该胶乳油墨(其预期与所公开的印刷介质组合使用来形成印刷产品)包含聚合物胶乳作为油墨粘合剂。该聚合物胶乳的成膜温度与玻璃化转变温度(Tg)相关。通常，当胶乳油墨喷射到印刷介质上时，离散的胶乳聚合物粒子铺展到表面上，随后进行干燥过程。随着水性溶剂(例如水)渗入到基底中或者在干燥过程中从液滴中蒸发，与油墨制剂中存在的表面活性剂有关的互斥力抑制了粒子的密集堆积，并且首先形成了粒子的立方体排列。随着水性溶剂继续蒸发，所述粒子变成密集堆积，固体体积是大约70%或者更高。毛细管力持续地将粒子驱使到一起。当大部分的水性溶剂被从体系中驱除时，通过表面张力提高克服了粒子间的互斥力，并且所述粒子聚结成离散膜。由于对粒子变形的抵抗力，这种成膜主要取决于油墨制剂中的胶乳的弹性模量和最低成膜温度(MFFT)。胶乳油墨的胶乳MFFT必须仔细选择，因为具有强成膜能力的胶乳可能会对喷墨构造的可靠性和喷墨能力产生不利影响。通过将胶乳油墨成膜助剂加入到印刷介质图像接受层制剂中，施涂到具有一定成膜能力的图像接受层上的胶乳油墨在给定的温度变得更容易成膜。
胶乳油墨成膜助剂的量至少是成膜量。成膜量是这样的量，它能够从印刷介质的图像接受层转移到施涂于经涂覆的印刷介质表面上的液体胶乳油墨中，在胶乳油墨干燥时促进形成连续膜。成膜量将根据所用的胶乳、制剂和具体成膜助剂而变化。量不足将不能促进在胶乳油墨干燥时形成连续膜。但是，过多添加剂(过载)可能会软化膜强度。所以，虽然胶乳油墨成膜助剂的量至少是成膜量，但是优选不高到使得制剂过载并且导致膜强度软化。在某些实施方案中，胶乳油墨成膜助剂的量是大约0.01至大约5.0重量份/100重量份无机填料。在某些实施方案中，胶乳油墨成膜助剂的量是大约0.1至大约0.5重量份/100重量份无机填料。
所述胶乳油墨成膜助剂与在图像接受层制剂中用作分散相的水至少部分混溶。在某些实施方案中，该胶乳油墨成膜助剂与在图像接受层制剂中用作分散相的水完全混溶。
该胶乳油墨成膜助剂在图像接受层的干燥温度下(大约70℃至大约100℃)具有低挥发性，但是在胶乳油墨固化过程中(大约95℃至大约120℃)具有更大的挥发性。
可用作胶乳油墨成膜助剂的化学品是具有合适的水相容性和温度挥发性的任何化学品，其能够降低油墨胶乳微粒的弹性模量并提供短暂的增塑来促进聚合物链运动，由此增强胶乳油墨成膜。代表性的例子包括柠檬酸盐或者癸二酸盐化合物，乙氧基醇，乙二醇低聚物和低分子量聚合物，乙二醇醚，甘油缩醛，具有超过12个碳的主链的表面活性剂(其是阴离子、阳离子或者非离子型的)，和环酰胺如内酰胺例如β-内酰胺、γ-内酰胺和δ-内酰胺，及它们的混合物。在某些实施方案中，该胶乳油墨成膜助剂是环酰胺如内酰胺例如β-内酰胺、γ-内酰胺和δ-内酰胺，及它们的混合物。在某些实施方案中，该胶乳油墨成膜助剂是γ-内酰胺。γ-内酰胺的代表性例子包括N-甲基-2-吡咯烷酮、5-甲基-2-吡咯烷酮和2-吡咯烷酮。
胶乳油墨
适用于印刷产品的与涂覆有含胶乳油墨成膜助剂的图像接受层的印刷介质表现出改善的粘附性的油墨是本领域已知的。这类油墨在着色剂颜料、水性溶剂、水性相容性助溶剂、表面活性剂、湿润剂或者抗微生物剂方面没有具体限制，但是包含至少一种聚合物胶乳。在本文中使用时，胶乳是悬浮液，其包含液体(例如水和/或其他液体)和尺寸为大约20nm至大约500nm且重均分子量为大约10000Mw至大约2000000Mw的聚合物微粒。在某些实施方案中，该胶乳的聚合物微粒尺寸是大约100nm至大约300nm。在某些实施方案中，该聚合物微粒的重均分子量是大约40000Mw至大约100000Mw。
通常，聚合物微粒在液体中的存在量是大约0.5wt%至大约15wt%。聚合物微粒可以包含多个单体，所述单体通常是无规聚合的，并且还可以是交联的。当交联时，交联微粒的合并分子量可以超过大约2000000Mw。该聚合物胶乳具有一定的成膜温度或者玻璃化转变温度。在某些实施方案中，这个玻璃化转变温度是大约20℃至大约100℃。
可以使用单体组合来形成胶乳微粒。可以用于形成胶乳微粒的其他可用单体的代表性例子包括苯乙烯、甲基丙烯酸C1-C8烷基酯、丙烯酸C1-C8烷基酯、乙二醇单甲基丙烯酸酯和二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸、丙烯酸等。在某些实施方案中，胶乳微粒包括使用各种重量比的苯乙烯、甲基丙烯酸己酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸(它们共聚形成胶乳)的乳液单体混合物制备的那些。在某些实施方案中，苯乙烯和甲基丙烯酸己酯单体可以提供胶乳微粒的大部分，而乙二醇二甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸甲酯可以较小量与之共聚。在这类实施方案中，通过甲基丙烯酸来提供酸基团。
印刷方法
本发明的印刷介质提供了改进的使用胶乳油墨的喷墨印刷方法。这种图像形成方法包括将含有聚合物胶乳的胶乳油墨喷射到本发明印刷介质的图像接受层的至少一部分上。
更特别地，该图像形成方法包括将墨滴热喷射到本发明的印刷介质上。在一种或多种润湿剂、湿润剂和/或油墨连接料中的添加剂帮助润湿表面使得墨滴铺展之后，由墨滴产生了液体油墨膜。形成了包含油墨连接料、胶乳聚合物粒子和颜料粒子的混合物的层。在印刷机的印刷区和固化区中的辐射加热器和强制通风使油墨连接料蒸发，同时所述热量驱使成膜助剂至少部分或者完全进入到油墨层中，帮助胶乳聚合物粒子聚结成连续的聚合物膜，其包封颜料形成耐久的、高品质印刷图像。
实施例
下面公开的实施方案仅仅是本发明的代表，本发明可以各种形式实施。因此，在下面的实施例中公开的具体结构、功能和工序细节不解释为限制性的。
在这个实施例中，原纸是由纤维素纤维制成的，其包含大约78%的生纤维、10%的用过的(post-consumer)纤维和12%的碳酸钙填料。该原纸原料使用丙烯酸胶乳树脂表面施胶。底涂层通过具有测量杆的试验涂敷机直接施涂到介质基底上。该底涂层的组成为85重量%的碳酸钙填料和15%的具有丙烯酸-苯乙烯共聚物的聚合物胶乳粘合剂。底涂层中包含了大约2%的添加剂。这些添加剂包括表面活性剂、消泡剂、pH调节剂、抗微生物剂和其他加工控制化学品。表1列出了图像接受层的重量份配比。该图像接受层使用与底涂层相同的方法施涂。
印刷测试是在HP Designjet L25500打印机上进行的，其装备有指定为HP 789油墨盒的HP胶乳。该打印机的条件设定为：加热区温度50℃，固化区温度110℃和空气流量15%。
油墨粘附性测试使用改进ASTM D2486擦洗测试进行。油墨粘附量通过目视观察擦洗后所除去的油墨量和定量测量转移到测试探针上的油墨二者来测定。较高的OD表示较差的油墨粘附性。油墨耐久性通过将印刷样品浸入水中，并且浸泡2分钟来测定。在用湿海绵刮擦印刷表面，随后使用剥离器以剪切力刮擦之后，目视评估油墨蔓延(ink running)的结果。其他图像品质例如色域(gaumat)或者油墨渗色使用标准的Hewlett-Packard工序测定。测试结果汇总在表2中。
表1.(重量份)
  实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
CaCO3- (粗) 65 65 70 65 65
粘土- (细) 25 25 30 25 25
多孔颜料 10 10 0 10 10
胶乳粘合剂 18 18 18 18 18
成膜助剂 2-吡咯烷酮，3pt ESP9147，3pt 2-吡咯烷酮，3pt 0 二丙二醇二甲醚
表面活性剂 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
消泡剂 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
表2.
  油墨蔓延 油墨粘附性(油墨OD) 聚结 色域
实施例1 5 3 非常好 334500
实施例2 4 3.6 非常好 336000
实施例3 4+ 5.1 良好 334100
对比例1 1 12.4 良好 335000
对比例2 2 9.7 良好 335800
油墨蔓延通过下面的分数来评估：5–没有可见的蔓延油墨，4–非常少的油墨蔓延，3–较少的油墨蔓延，处于可接受的程度，2–处于可接受程度之外的油墨蔓延，和1–显著的油墨蔓延。
虽然已经详细描述了本发明具体的实施方案，但是本领域技术人员可以理解基于本公开的整体教导，可以对那些细节发展出各种变型和替代。因此，所公开的具体设置仅仅表示示例性的而不限制本发明的范围，本发明范围是通过所附权利要求及其任何和全部等同物的整个范围给出的。还应当理解的是本文公开的实施方案包括本文所公开的和/或任何从属权利要求所述的特征的任意和全部的组合。

Claims (15)

1.印刷产品，其包含印刷在印刷介质上的胶乳油墨，其中所述印刷介质包含介质基底，该介质基底在至少一个表面上至少部分涂覆有图像接受层，且其中所述图像接受层包含至少一种胶乳油墨成膜助剂。
2.权利要求1的印刷产品，其中所述介质基底包含纤维素纸基底、聚合物膜基底或者非有机膜基底。
3.权利要求1的印刷产品，其中胶乳油墨成膜助剂的量是大约0.01重量份至大约5.0重量份/100重量份无机填料。
4.权利要求1的印刷产品，其中所述胶乳油墨包含聚合物胶乳，该聚合物胶乳在印刷介质的图像接受层的至少一部分上形成膜。
5.权利要求4的印刷产品，其中所述聚合物胶乳的玻璃化转变温度是大约20℃至大约100℃。
6.印刷介质，其包含介质基底，该介质基底在至少一个表面上至少部分涂覆有图像接受层，其中所述图像接受层包含至少一种胶乳油墨成膜助剂。
7.权利要求6的印刷介质，其中所述图像接受层包含至少两种具有不同平均粒度的无机填料。
8.权利要求7的印刷介质，其中所述图像接受层包含平均粒度为大约1.2微米至大约2.0微米的第一无机填料和平均粒度为大约0.5微米至大约0.8微米的第二无机填料。
9.权利要求8的印刷介质，其中第一无机填料与第二无机填料的重量比是大约70重量%至大约80重量%的第一无机填料比大约30重量%至大约20重量%的第二无机填料。
10.权利要求6的印刷介质，其中所述介质基底在至少一个表面上至少部分直接涂覆有底涂层，且其中所述底涂层上至少部分涂覆有图像接受层。
11.权利要求6的印刷介质，其中所述胶乳油墨成膜助剂的量是大约0.01重量份至大约5.0重量份/100重量份无机填料。
12.权利要求6的印刷介质，其中所述胶乳油墨成膜助剂包括：柠檬酸盐化合物；癸二酸盐化合物；乙氧基醇；乙二醇低聚物和低分子量聚合物；乙二醇醚；甘油缩醛；具有超过12个碳的主链的阴离子、阳离子或者非离子型表面活性剂；环酰胺；及它们的混合物。
13.权利要求12的印刷介质，其中所述环酰胺选自β-内酰胺、γ-内酰胺、δ-内酰胺及它们的混合物。
14.图像形成方法，所述方法包括将包含聚合物胶乳的胶乳油墨喷射到权利要求6的印刷介质的图像接受层的至少一部分上。
15.权利要求14的方法，其中所述图像接受层包含有机或者无机颜料、聚合物粘合剂和至少一种胶乳成膜助剂，且其中所述胶乳油墨成膜助剂包含：柠檬酸盐化合物；癸二酸盐化合物；乙氧基醇；乙二醇低聚物和低分子量聚合物；乙二醇醚；甘油缩醛；具有超过12个碳的主链的阴离子、阳离子或者非离子型表面活性剂；环酰胺；或它们的混合物。
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