CN105482327A - (1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料,通过合成乙烯基咪唑功能性离子液体单体,在聚乙烯醇溶液中对离子液体单体进行原位聚合,将聚离子液体引入到交联聚乙烯醇以形成网络状复合材料。由于聚离子液体结构中具有较大的阴阳离子基团,有较高的极化密度和极化率,是很好的微波吸收介质,所以该聚合物复合材料在微波驱动下具有很好的形状记忆效应。与该领域当前研究的靠添加无机填料实现光、电、磁等远程响应的形状记忆聚合物相比,本案所公开的聚合物复合材料是完全基于聚合物的,且是非直接接触的微波驱动型形状记忆聚合物,可避免因无机填料填充聚合物所带来的相容性差及受热不均匀等问题。
Description
技术领域
本发明涉及形状记忆聚合物技术领域,特别涉及一种微波驱动型形状记忆聚合物及其制备方法。
背景技术
形状记忆材料是20世纪80年代以来不断发展起来的一类可对外界环境刺激做出响应的智能高分子材料。它以质轻、易加工、形变量大、记忆效应显著等优点被广泛应用于机械系统和医疗器械等领域。近年来,研究者不断在探索可使形状记忆材料发生形变回复的多种驱动方式(参见:Shapememorypolymers:Past,presentandfuturedevelopments,MartinD.Hager,StefanBode,ChristineWeber,UlrichS.Schubert,ProgressinPolymerScience49(2015)3-33;Newdirectionsinthechemistryofshapememorypolymers,GaylaJ.Berg,MatthewK.McBride,ChenWang,ChristopherN.Bowman,Polymer55(2014)5849-5872;以及,Areviewofstimuli-responsiveshapememorypolymercomposites,HarperMeng,GuoqiangLi,Polymer54(2013)2199-2221),并取得了很好的研究成果。如冷劲松和Koerner等人分别将碳纳米颗粒和碳纳米管引入到聚合物基体中(参见:J.Leng,X.Wu,Y.Liu,Infraredlight-activeshapememorypolymerfilledwithnanocarbonparticles,JournalofAppliedPolymerScience,2009,114:2455-2460.;以及,H.Koerner,G.Price,N.A.Pearce,M.Alexander,R.A.Vaia,Remotelyactuatedpolymernanocomposites-stress-recoveryofcarbon-nanotube-filledthermoplasticelastomers,NatureMaterials,2004,3:115-120),利用碳填料对红外光的吸收起间接加热的作用从而得到能对红外光响应的形状记忆聚合物(SMPs),前者在红外辐照下经过约200s后可完全回复;朱光明等人以短切碳纤为导电填料引入到聚合物基体中,靠无机填料形成导电网络,通过电流生热使体系温度升高实现材料的形变回复,得到电响应型SMPs复合材料(魏堃,朱光明,唐玉生,电致型形状记忆聚合物复合材料的研究进展,材料导报,2011,25:9-12);Lendlein等人将SiO2改性磁性纳米粒子与聚醚型聚氨酯复合,得到通过磁场远程诱导磁性粒子生热驱动材料形状的回复(参见:R.Mohr,K.Kratz,T.Weigel,M.L.Gabor,M.Moneke,A.Lendlein,Initiationofshape-memoryeffectbyinductiveheatingofmagneticnanoparticlesinthermoplasticpolymers,ProceedingoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica.2006,103,3540-3545)。
从已有的报道来看,多数是通过在高分子基体中添加无机功能填料使复合材料在相应的刺激下实现导电、导热等功能。但这类复合材料在一定程度上存在无机填料与聚合物相容性差、受热不均、升温速率慢、形状记忆性能不理想等问题。然而,尽管目前形状记忆聚合物材料(SMPs)的驱动方式已实现多样化,但将微波这种高效、快速、具有潜力的刺激源作为形状记忆聚合物的驱动力的研究鲜有报道。因此,为了提高形状记忆材料的稳定性,本论文结合了微波热效应的特点和聚合物的结构特性,对微波具有强吸收能力的聚离子液体(PIL)引入到聚乙烯醇(PVA)基体中,构筑PIL/PVA聚合物网络,制备完全基于聚合物体系且性能稳定的微波响应型形状记忆聚合物复合材料(SMPC)。而将PIL引入到本研究的一个重要依据是离子液体(IL)具有较好的介电性能、较低的挥发性、高热化学稳定性等特点,近年来被用作微波辐射有机化学合成中的反应介质(参见:S.Mallakpour,Z.Rafiee,Newdevelopmentsinpolymerscienceandtechnologyusingcombinationofionicliquidsandmicrowaveirradiation,ProgressinPolymerScience,2011,36:1754–1765.;以及,K.Kempe,C.R.Becer,U.S.Schubert,Microwave-assistedpolymerizations:recentstatusandfutureperspectives,Macromolecules,2011,44:5825–5842),这一方法不仅缩短了反应时间同时也提高了反应物的产率。而聚离子液体(PIL)是由含离子液体的单体聚合而成的,一个很大的优势在于分子结构中存在体积较大且极化率较高的有机阳离子和阴离子基团,因此有较高的离子密度,这使得PIL成为微波吸收材料的最佳选择。我们在预研中初步探索发现微波可驱动含有少量水分子的PVA发生形变回复,是因为极性分子水的介电常数和介电损耗较高,可将电磁能转变成热能。因此对于结构单元是由具有较高介电性能的离子液体(IL)构成的PIL(参见:J.Tang,M.Radosz,Y.Shen,Poly(ionicliquid)sasopticallytransparentmicrowave-absorbingmaterials,Macromolecules,2008,41:493-496;以及,D.Mecerreyes,Polymericionicliquids:Broadeningthepropertiesandapplicationsofpolyelectrolytes,ProgressinPolymerScience,2011,36:1629–1648),在微波辐照下离子基团会因交变电场的方向极化产生热量,为SMPs的形变回复提供所需能量,微波驱动作用机理如图1所示。利用微波这种加热效率高、无需预热,且可实现远程控制的清洁能源作为形变回复新的驱动力在形状记忆材料领域具有重要的意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料,其通过在复合材料中引入微波吸收介质,使聚合物材料在微波驱动下能够产生很好的形状记忆效应,以解决靠添加无机填料的方法制得的形状记忆聚合物存在的无机填料与聚合物相容性差、受热不均、升温速率慢、形状记忆性能不理想等问题。
本发明还有一个目的是为了提供一种(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,通过在聚乙烯醇(PVA)溶液中对离子液体单体(ILM)进行原位聚合将聚离子液体(PIL)引入到交联PVA形成具有网络结构的聚乙烯基咪唑PIL/PVA聚合物复合材料。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料,其为网络交联结构,所述(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体的分子结构为
本案还提供了所述(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,其通过以下步骤制备:
步骤一、合成1-乙烯基-3-乙基咪唑溴([ViEtIm][Br]):采用N-乙烯基咪唑和溴乙烷进行反应,得到1-乙烯基-3-乙基咪唑溴;
步骤二、合成聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴)(P[ViEtIm][Br]):取步骤一制得的1-乙烯基-3-乙基咪唑溴,加入引发剂,以三氯甲烷为溶剂,氮气保护下反应,经洗涤干燥得到聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴);
步骤三:合成聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)(P[ViEtIm][BF4]):取NaBF4溶液与步骤二合成的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴)溶液混合并搅拌反应,经抽滤得到聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐);以及,
步骤四:制备(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物(P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA)复合材料:取步骤三制得的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)溶解于二甲基亚砜(DMSO)制成溶液,将其与聚乙烯醇(PVA)水溶液混合,进行原位聚合反应,调节溶液至酸性,加入戊二醛(GA,wt%=1)搅拌,并将搅拌均匀的混合溶液注入玻璃管制成棒状样品,使其在室温下发生交联反应,最终制得(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物。
优选地,步骤一中,所述N-乙烯基咪唑和溴乙烷的添加量质量比为1:2。
优选地,步骤二中,引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN),AIBN的添加量为1-乙烯基-3-乙基咪唑溴质量的0.1~3%。其作用是引发乙烯基咪唑的双键进行聚合,将离子液体单体引发聚合转换成为离子液体聚合物。
优选地,步骤三中,NaBF4与P[ViEtIm][Br]的摩尔比为1:1~15:1。向P[ViEtIm][Br]溶液中添加NaBF4的目的是用BF4 -与Br-进行阴离子交换。
优选地,复合材料中P[ViEtIm][BF4]的添加量为PVA质量的5%~50%。聚合物P[ViEtIm][BF4]有体积较大的阴阳离子基团,在微波场下能发生极化,是一种很好的微波吸收介质,因此将P[ViEtIm][BF4]与PVA复合可以赋予复合材料微波吸收性能。
优选地,步骤四中原位聚合反应为:P[ViEtIm][BF4]的DMSO溶液与8%的PVA水溶液混合,氮气保护,70℃搅拌3h反应后,冷却。
如上所述,本发明所述的(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料及其制备方法具有以下有益效果:
(1)由于聚离子液体结构中具有较大的阴阳离子基团,有较高的极化密度和极化率,是很好的微波吸收介质,所以该聚合物复合材料在微波驱动下具有很好的形状记忆效应;
(2)与该领域当前研究的靠添加无机填料实现光、电、磁等远程响应的形状记忆聚合物相比,本研究工作设计的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)PIL/PVA复合材料是完全基于聚合物的、且可实现非直接接触的微波驱动型形状记忆聚合物,可避免因无机填料填充聚合物所带来的相容性差及受热不均匀等问题。
附图说明
图1a为本发明实施例所述的[ViEtIm][Br]的核磁谱图;
图1b为本发明实施例所述的P[ViEtIm][Br]的核磁谱图;
图2为本发明实施例所述的PVA、P[ViEtIm][BF4]和P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA的红外光谱;
图3为本发明实施例所述的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)PIL/PVA复合材料微波驱动下的宏观形变恢复行为(30%PIL,400W辐照量)(A:红外热成像,B:数码照片);
图4a为本发明实施例所述的不同[ViEtIm][BF4]含量的PIL/PVA复合膜的动态力学性能曲线一;
图4b为本发明实施例所述的不同[ViEtIm][BF4]含量的PIL/PVA复合膜的动态力学性能曲线二;
图5为本发明实施例所述的损耗角正切tanσ与P[ViEtIm][BF4]含量的关系;
图6为本发明实施例所述的不同P[ViEtIm][BF4]含量的SMPC在微波(420W)驱动下的形状记忆性能。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
1、1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐离子液体单体[ViEtIm][BF4]的合成及聚合P[ViEtIm][BF4]的合成步骤如下所示:
第一步:1-乙烯基-3-乙基咪唑溴[ViEtIm][Br]的合成:
采用N-乙烯基咪唑和溴乙烷进行反应,得到1-乙烯基-3-乙基咪唑溴,所述N-乙烯基咪唑和溴乙烷的添加量质量比为1:2;
第二步:聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴)P[ViEtIm][Br]的合成:取第一步制得的1-乙烯基-3-乙基咪唑溴,加入引发剂,以三氯甲烷为溶剂,氮气保护下反应,经洗涤干燥得到聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴),引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN),AIBN的添加量为1-乙烯基-3-乙基咪唑溴质量的0.1~3%;
第三步:聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)P[ViEtIm][BF4]的合成:取NaBF4溶液与第二步合成的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴)溶液混合并搅拌反应,经抽滤得到聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐),NaBF4与P[ViEtIm][Br]的摩尔比为1:1~15:1;
2、P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA聚合物复合材料制备
取上述制得的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)溶解于二甲基亚砜(DMSO)制成溶液,将其与聚乙烯醇(PVA)水溶液混合,进行原位聚合反应,调节溶液至酸性,加入戊二醛(GA,wt%=1)搅拌,并将搅拌均匀的混合溶液注入玻璃管制成棒状样品,使其在室温下发生交联反应,最终制得(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物,制得的复合材料中P[ViEtIm][BF4]的添加量为PVA质量的5%~50%。
其中,原位聚合反应为:P[ViEtIm][BF4]的DMSO溶液与8%的PVA水溶液混合,氮气保护,70℃搅拌3h反应后,冷却。
用核磁、红外手段分析验证合成产物的结构变化;用扫描电镜观察材料截面形貌。
①核磁分析
采用美国Bruker公司的DPX300型核磁共振仪来测定待测物质结构。以DMSO为核磁试剂,在300MHz下对其离子液体及聚离子液体得结构进行氢核磁表征。其中离子液体及聚离子液体的浓度均为10mg/ml。
乙烯基咪唑离子液体单体及聚合物的核磁图谱分析:所合成的离子液体单体[ViEtIm][Br]及其聚合物P[ViEtIm][Br]的结构用氢核磁共振(1HNMR),以氘代DMSO为溶剂进行了分析,产物的结构得到进一步的证实。1HNMR图谱及主要数据见图1a、图1b和表1。
表1离子液体的核磁数据(δ,ppm)
②FTIR分析
利用60XSB型傅立叶红外光谱仪分别对PVA、P[ViEtIm][BF4]、P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA复合模结构组成进行红外光谱分析。
结果分析:图2显示了PVA、P[ViEtIm][BF4]和P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA三种聚合物的红外吸收光谱。与PVA相比,P[ViEtIm][BF4]及P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA在662cm-1附近吸收峰为咪唑正鎓离子环上的C-H健面外弯曲振动峰;1554cm-1处的吸收峰对应咪唑环C=N的伸缩振动;1640cm-1处出现了咪唑环上C=C伸缩振动峰。另外三种聚合物在1050cm-1附近都有吸收,该范围内的吸收是由主链上C-H弯曲振动引起的。2960-2850cm-1处是聚合主链上C-H的伸缩振动吸收峰;3440cm-1处除了靠物理键键合的水分子吸收外,还有咪唑环上N-H伸缩振动产生的吸收峰(参见:蒋春花,王宏宇,齐力等.PVA接枝离子液体聚合物电解质的制备及性能[J].高等学校化学学报,2013,34(1):231-235.;以及,RebecaMarcilla,J.Albertoblazquez,JavierRodriguez,etal.Tuningthesolubilityofpolymerizedionicliquidsbysimpleanion-exchangereactions.JournalPolymerScience:PartA:PolymerChemistry,2004,42:208-212.)。
③形状记忆性能
为了观察SMPC的宏观形状回复行为,将起始形状为直棒状的样品在80℃下受热外力作用下赋形为螺旋状,之后样品用来进行微波辐照观察其形变回复过程。样品的瞬间形状用数码摄像机进行录制处理。同时采用红外热像仪(E4,American)记录在回复过程中不同时刻样品的温度。
结果分析:为了更好地观察整个回复过程的形变回复,通过红外热像仪来记录样品在不同回复时间下的瞬间形状。如图3所示临时形状为螺旋的样品在温度达到74℃时形状就开始发生变化,并在30s内逐渐回复到起始的直棒形状,回复过程中样品温度也在逐渐升高,当完全回复时样品的平衡温度可高达120℃。这说明对于PIL/PVA形状记忆复合材料来说微波是一种非常高效的驱动力,复合材料的转变温度应该是PVA的Tg。
④热力学性能测试
差示扫描量热分析(DSC)使用NETZSCHDSC204仪器进行测试。测试条件:大约10mg样品以10℃/min的升温速率从25℃升高到250℃。热失重分析(TGA)使用Dupont2100热分析仪器进行测试。测试条件:约10mg的样品以10℃/min的升温速率从25℃升高到550℃,记录热分析曲线。动态机械性能测试(DMA)使用DMAQ800V7.1仪器,在拉伸模式下测得。测试条件:频率为1Hz,以2℃/min的升温速率从-20℃加热到200℃,氮气氛围。
结果分析:从图4a及图4b中DMA结果中不同P[ViEtIm][BF4]含量的PIL/PVA储能模量(E0)和损耗正切角(tanδ)随温度变化之间的关系也可看出PIL/PVA复合膜在65℃和125℃存在两个损耗峰,分别对应于PVA和PIL的玻璃化转变温度。此外当温度升高到PVA的Tg附近时E0均降低约两个数量级,这正是SMPs的典型特征,储能模量的降低意味着PIL/PVA复合材料具备形状记忆效应的特征。此外PIL的引入略微降低了PIL/PVA的E0,当PIL含量为30%时E0的降低比较明显。这是因为聚合物在低于Tg时的储能模量主要归因于聚合物晶区和无定形区玻璃态的弹性。PVA是一种典型的部分结晶聚合物,由于侧链羟基间形成很强的氢键作用,聚合物链间形成的较高的物理相互作用致使SM-PVA材料在较低的温度具有较高的储能模量。当PIL的引入一定程度上削弱了分子间的氢键作用,阻碍了PVA分子链的有序排列从而降低了PVA的结晶度。
⑤介电性能测试
不同聚离子液体含量的SMPC的介电常数(ε')和损耗因子(ε")用自动网络分析仪(PNA3621,30MHz-3200MHz)在2450MHz室温下进行测量。微波辐照和加热样品之间的关系与材料的介电性能有关,其中介电损耗正切角tanσ(tanσ=ε"/ε')代表材料被极化和被加热的能力。
表2形状记忆互穿网络复合材料介电性能和回复性能与P[ViEtIm][BF4]含量的关系
正如表2和图5所示,与PVA相比,PIL/PVA复合材料有较高的介电损耗因子和介电损耗常数。
图6显示与未添加聚离子液体的PVA相比,不同P[ViEtIm][BF4]含量的复合材料均有高达95%以上的形变回复率。
本文合成了乙烯咪唑类离子液体单体及其聚合物,通过红外、核磁分析对其结构进行了表征。在PVA水溶液中加入聚离子液体同时用GA交联PVA,得到具有交联网络的形状记忆聚合物复合材料,即P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA。由于PIL结构中存在较大体积的阴阳离子基团,有较高的极化密度和极化率,因此PIL是一种很好的微波吸收介质,弯曲法测试结果表明该复合材料在微波驱动下具有很好的形状记忆效应。
PIL的含量对形变回复时间有显著影响,当P[ViEtIm][BF4]含量从0%增加到30%,P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA复合膜介电损耗因子呈增大趋势,回复时间逐步缩短,回复率逐步提高。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料,其特征在于,其为网络交联结构,所述(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体的分子结构为。
2.一种制备权利要求1所述的(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,其特征在于,通过以下步骤制备:
步骤一、合成1-乙烯基-3-乙基咪唑溴([ViEtIm][Br]):采用N-乙烯基咪唑和溴乙烷进行反应,得到1-乙烯基-3-乙基咪唑溴;
步骤二、合成聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴)(P[ViEtIm][Br]):取步骤一制得的1-乙烯基-3-乙基咪唑溴,加入引发剂,以三氯甲烷为溶剂,氮气保护下反应,经洗涤干燥得到聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴);
步骤三:合成聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)(P[ViEtIm][BF4]):取NaBF4溶液与步骤二合成的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴)溶液混合并搅拌反应,经抽滤得到聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐);以及,
步骤四:制备(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物(P[ViEtIm][BF4]PIL/PVA)复合材料:取步骤三制得的聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)溶解于二甲基亚砜(DMSO)制成溶液,将其与聚乙烯醇(PVA)水溶液混合,进行原位聚合反应,调节溶液至酸性,加入戊二醛(GA,wt%=1)搅拌,并将搅拌均匀的混合溶液注入玻璃管制成棒状样品,使其在室温下发生交联反应,最终制得(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物。
3.根据权利要求2所述的(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述N-乙烯基咪唑和溴乙烷的添加量质量比为1:2。
4.根据权利要求2或3所述的(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:步骤二中,引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN),AIBN的添加量为1-乙烯基-3-乙基咪唑溴质量的0.1~3%。
5.根据权利要求4所述的(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:步骤三中,NaBF4与P[ViEtIm][Br]的摩尔比为1:1~15:1。
6.根据权利要求2或5所述的(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:复合材料中P[ViEtIm][BF4]的添加量为PVA质量的5%~50%。
7.根据权利要求6所述的(1-乙烯基-3-乙基咪唑硼酸盐)聚离子液体/聚乙烯醇聚合物复合材料的制备方法,其特征在于:步骤四中原位聚合反应为:P[ViEtIm][BF4]的DMSO溶液与8%的PVA水溶液混合,氮气保护,70℃搅拌3h反应后,冷却。
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