CN106221540A - 改性水性聚氨酯抗菌涂层的制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明属于抗菌防腐剂及食品保鲜包装材料或者食品加工机械涂层领域，具体涉及一种柠檬桉精油/g‑C3N4复合材料改性水性聚氨酯抗菌涂层剂的制备及应用。通过将柠檬桉精油吸附到g‑C3N4纳米材料中，以减少柠檬桉精油在使用过程中的挥发，从而减少柠檬桉精油的浪费，提高其利用率，达到长效抗菌与高效利用的目的，然后用制备的这个复合材料对水性聚氨酯抗菌涂料进行改性，提高涂料自身的稳定性和抗菌防霉性。

Description

改性水性聚氨酯抗菌涂层的制备方法及用途
技术领域
本发明属于抗菌防腐剂及食品保鲜包装材料或者食品加工机械涂层领域，具体涉及一种柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯抗菌涂层剂的制备及用途。
背景技术
柠檬桉精油属挥发性油，浅黄色透明液体,有清爽的香茅醛气味,香茅醛经化学改性后,生成乙酸香茅酯、羟基香茅醛、麝香草酚等。柠檬桉叶精油(挥发油)具有令人愉快的香味,是重要的香料用油,大量用于生产各种香料、肥皂、化妆品及食品等。药理研究表明柠檬桉精油具有疏风解热、祛湿解毒、杀虫等功能，已由中国药典收载。用于医药配制止咳剂、漱口水、除虫剂油膏和配制牙膏、牙粉、糖果等香精。它是含氧量极高的精油，所以，对呼吸系统疾病有极好的疗效，具有非常强的杀菌和杀病毒的功效，吸入柠檬桉精油蒸汽对治疗感冒有明显的疗效，它可以让鼻塞立即得到缓和，还能抑制感冒病毒滋生。
国内关于柠檬桉精油的专利申请多是在杀菌、杀病毒、医药技术等领域。CN104488981A公开一种柠檬按树叶精油的应用,将该精油作为蚊虫熏杀剂。与其它按树叶精油相比,本发明的柠檬按树叶精油对蚊虫具有更好的杀虫活性和熏杀速度。CN105030677A公开了一种高稳定性的柠檬按精油纳米脂质体抗菌剂及制备方法，本发明属于抗菌剂及药物制剂或者化妆品领域，具体涉及一种高稳定性的柠檬按精油纳米脂质体抗菌剂及制备方法，制备工艺重现性好,且产品形态完整，粒径均一，具有良好的稳定性与抗菌性。
目前来看柠檬桉精油在医学和防腐杀虫行业被广泛应用，具有较好的杀菌、灭虫和抗病毒等特点，在抗菌剂及药物制剂或者化妆品领域也有所涉及。而且柠檬桉精油易挥发，暴露在空气中不稳定，所以要寻找有效的方法降低柠檬桉精油在使用过程中的挥发程度，延长其贮存期。因此，本发明用纳米材料g-C3N4对精油进行吸附。纳米材料g-C3N4比表面积较大，而且由于其是多孔结构能够有效地吸附大量精油。其次将吸附精油的g-C3N4混入到涂层材料水性聚氨酯中制备改性抗菌涂层。
水性聚氨酯具有高强度、高硬度、并且具有优异的耐疲劳性能和良好的柔韧性等。同时水性聚氨酯还具备不同于溶剂型聚氨酯的优点。方便的操作使用性能、环保无刺激性气味、不燃且易被改性等。这些性能使得水性聚氨酯能够比较成功地应用于许多领域，广泛的替代溶剂型聚氨酯，如机械表面涂层、医用脚手架，油墨用粘接剂，并且能够用作性能优良的涂覆织物染料以及各种具有特殊功能的功能性涂料，例如自洁型杀菌涂料、耐腐蚀性涂料以及突光涂料等。但是，水性聚氨酯涂层的抗病毒、耐候性、力学性能和防菌性等影响涂层性能的主要因素，都有部分缺陷，所以为了克服这些缺陷我们用吸附精油的纳米材料对其进行改性。纳米材料所特有的表面效应、小尺寸粒子效应以及轨道量子效应等特性，能够使水性聚氨酯的耐热性、耐水性以及机械力学性能得到很大程度的弥补，柠檬桉精油的防腐抗菌特性也能够提高水性聚氨酯涂层的抗病毒抗菌性。
发明内容
本发明的目的是公开柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯抗菌涂层的制备方法及其用途，通过将柠檬桉精油吸附到g-C3N4纳米材料中，以减少柠檬桉精油在使用过程中的挥发，从而减少柠檬桉精油的浪费，提高其利用率，达到长效抗菌与高效利用的目的，然后用制备的这个复合材料对水性聚氨酯抗菌涂料进行改性，提高涂料自身的稳定性和抗菌防霉性。
本发明由尿素在真空管式炉中通过煅烧法制备纳米材料g-C3N4，升温速率为5℃/min，煅烧温度为550℃，煅烧时间为4h。
本发明由柠檬桉精油，纳米材料g-C3N4和水性聚氨酯涂料制成柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂。
本发明的制备方法是先用尿素在真空管式炉中通过煅烧法制备纳米材料g-C3N4，再将柠檬桉精油溶解在纳米材料g-C3N4中，密封加热搅拌，然后加入水性聚氨酯涂料搅拌均匀并超声分散除去膜分散体系中的气体，得到改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂。
所述密封加热搅拌指在密封在40℃烘箱中搅拌24h。
分别选用金属铁片，玻璃片和塑料片作为试样底板；另外，对于3种试样底板，均要事先要进行表面处理，用75％(V/V)的酒精浸泡并超声处理5-6h再用蒸馏水洗净自然晾干后，用板刷将改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂均匀涂抹在经过处理的金属铁片，玻璃片和塑料片上，厚度为1.0mm，放入恒温箱中30℃恒温干燥24h。
所述金属铁片，玻璃片和塑料片规格均为食品级，大小均为10mm×10mm，金属铁片为304材质的不锈钢片，玻璃片为高硼硅材质，塑料片为PET材质。
所述纳米材料g-C3N4和柠檬桉精油的质量比为1:1～1:5；得到的改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂中纳米材料g-C3N4和柠檬桉精油的质量之和与水性聚氨酯的体积之比为：0.04g/mL。
所述的柠檬桉精油是指稀释后的柠檬桉精油，将纯柠檬桉精油加入到无水乙醇中得到体积百分浓度为10％的稀释后的柠檬桉精油，即体积百分浓度为10％的柠檬桉精油-无水乙醇溶液。
将制备的柠檬桉精油/纳米材料g-C3N4混入水性聚氨酯涂料中，得到改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂,然后涂层剂涂覆在准备的试样底板上探究其各方面性能，柠檬桉精油/纳米材料g-C3N4质量比为5:1，混入水性聚氨酯的浓度为0.04％时抗菌效果就已经比较理想，这个条件下得到的改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂表面粗糙度、疏水性能、硬度、耐冲击性和附着性能都比较理想。
附图说明
图1改性聚氨酯涂层的表面粗糙度。
图2改性聚氨酯涂层的摩擦系数。
图3改性聚氨酯涂层的水接触角。
图4改性聚氨酯涂层抗金属片上金黄色葡萄球菌生物膜。
图5改性聚氨酯涂层抗玻璃片上金黄色葡萄球菌生物膜。
图6改性聚氨酯涂层抗塑料片上金黄色葡萄球菌生物膜。
表1柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层膜的失水率。
具体实施方式
通过下面实例说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护内容，不仅局限于此。
实施例1柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层膜的制备及其性能研究
1实验材料
尿素；AR；国药集团化学试剂有限公司。
无水乙醇；AR；国药集团化学试剂有限公司。
柠檬桉精油；AR；法国florihana精油。
水性聚氨酯；山东省青岛市杰恩特科技有限公司。
2实验方法
1)g-C3N4吸附柠檬桉精油
①称取160μL 100％(V/V)的柠檬桉精油，加1440μL无水乙醇溶解配成10％(V/V)的柠檬桉精油。
②称取5份0.125g-C3N4到5mL离心管中，按照质量比1:1，1:2，1:3，1:4，1:5分别加入不同体积的10％的柠檬桉精油后，在40℃下密封搅拌24h使其充分吸附。
③将上述柠檬桉精油/g-C3N4复合物按0.04％(W/V)的浓度加入到水性聚氨酯涂料中，搅拌均匀并超声分散除去膜分散体系中的气体，由此制备了不同吸附比例的改性柠檬桉精油/g-C3N4水性聚氨酯。
④选用10mm×10mm的金属铁片作为试样底板，对于此试样底板事先要进行表面处理，用75％(V/V)的酒精浸泡超声处理5-6h再用蒸馏水洗净自然晾干。
⑤用板刷将改性后的水性聚氨酯分别均匀涂抹在经过处理的6片10mm×10mm的金属铁片上，放入恒温箱中30℃恒温干燥24h。
2)表面粗糙度的测定
①将涂刷了改性水性聚氨酯的金属铁片(规格为10mm×10mm)，放置在表面粗糙度测量仪(SRM-1(D)型)的工作台上，测量涂层表面的粗糙度Ra。
②调整传感器，使其达到平行于涂层的位置。检查被测面与传感器的接触是否良好。
③启动测量仪，传感器产生滑动，并做匀速直线运动，根据设定距离往返运动后停止运动。
④测量仪描绘出涂层表面的微观轮廓，绘制出相对于基准线的浮动运动曲线。
⑤并经过测量仪中的信号采集系统和运算处理系统得到采集运行结果，得到涂层表面的粗糙度值。
3)表面摩擦系数的测定
摩擦系数是指两表面叫的摩擦力其作用在接触面上垂直力之比值。摩擦系数与表面的粗糖度有关，而与接触面积大小无关，可以分为动态摩擦和静态摩擦。涂层的表面摩擦系数不仅与表面粗糙度有关，而且与涂层自身的一些性能和状态(浸泡、干燥)等有关。
本实验采用斜面摩擦系数仪，选取刷涂在规格为10mm×10mm金属铁片上烘干的试样。将试样固定在样台上，将涂层表面的电子感应沿块加载物放在试样上；启摩擦系数仪，试样板匀速升起，开始滑动瞬间的倾斜角度，得到涂层表面的磨擦系数。
4)水接触角的测定
实验中使用接触测量仪来测量涂层表面接触角。使用仪器测量接触角前，应将试样表面清理干净，并且保持干燥。测试接触角时，水滴应控制在3μL左右，为减小实验数误差，本实验采用同一试样随机测3个点，求平均值。将水滴到表面后，每3s自动拍照一张，共拍11张。然后测量每一帧的水接触角。
本实验根据所得到的接触角动态图片，从水滴与涂层表面接触起计时，取10s间隔记接触角值，此后每一分钟取一个接触角值，直至5min时停止记录。
5)耐水性的测定
测量涂有涂层的金属铁片的质量(M0)，得到将载玻片样品浸泡装有250mL去离子水的聚四氟乙稀盒中，浸泡一定时间t，用镊子取出并用滤纸吸干表面旳水分，测量其重量称为湿重(M1)对比初重、湿重计算吸水率，如下述公式
Φ = M 1 - M 0 M 0
其中Ф为吸水率，％。
3实验结果
1)涂层膜的表面粗糙度
表面粗糙度是决定涂层材料是否适用的重要指标之一。由图1可知，随着掺杂质量比的提高，涂层的表面粗糙度逐渐减小，由0.563下降到0.172。实验表明，加入的g-C3N4后，不仅粗糙度较小，且涂层表面的凹凸较为均匀，未出现较大凸起，表明改性后粉体分散效果较好。
2)涂层膜的摩擦系数
与涂层的表面粗糙度规律相似，通过图2可知，柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:0的水性聚氨酯涂层的摩擦系数在0.67以上，加入g-C3N4之后，涂层的摩擦系数有所减少；随着g-C3N4含量的增加，涂层表面的摩擦系数明显降低。柠檬桉精油/g-C3N4质量比达到1:3之后，下降速度有所减缓。实验表明，加入柠檬桉精油/g-C3N4之后，可以改聚氨酯涂层的摩擦性能，减阻效果较好。
3)涂层膜的水接触角
图3是由接触角测量仪拍摄的图片，经过软件测量出水接触角。由图3可知，柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:0的水性聚氨酯涂层的水接触角随着时间变化明显，液体在涂层表面迅速铺开，接触角变小，变化幅度为15.5％，加入柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:5，随时时间变化不大，接触角大小稳定，具有稳定的疏水性。实验表明，加入柠檬桉精油/g-C3N4可以明显改善水性聚氨酯的疏水性能。
4)涂层膜的耐水性
由于涂层成分主要是水性聚氨酯，所以涂层烘干恒重之后，主要减少的是水性聚氨酯的质量。从表1可以看出，柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:0的水性聚氨酯涂层的失重率达到3.75％，而加入g-C3N4后的涂层失重率逐渐减小到1.47％。涂层食物失重率与耐水性有很大关系，失重率的降低使涂层的耐水性能更加良好，从而获得更稳定的涂层结构。
表4柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层膜的失水率
实施例2制备的改性水性聚氨酯涂层膜抗铁片上金黄色葡萄球菌生物膜效果的研究
1实验材料
①改性的水性聚氨酯
②金黄色葡萄球菌
2实验方法
1)菌液的制备
直接取接种于营养肉汤培养基试管里的菌种，金黄色葡萄球菌培养48h后的，用振荡器混匀后，用0.03mol/L磷酸盐缓冲液10倍梯度稀释1000倍(约为105cfu/mL)。
2)制备柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层膜
参照上述实施例1以10mm×10mm金属铁片为试样底板将制备的不同吸附比例的柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层剂刷在铁片表面备用。
3)对照组样液的制备
用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液，加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液和普通的水性聚氨酯涂层金属铁片的试管中。
4)试验组样液的制备
用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液液加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液的试管中，充分震荡摇匀后，分别将步骤2准备的不同吸附比例的金属铁片加入上述试管中。
5)静置培养
将含对照样本和试验样本的试管固定于恒温培养箱中，在作用温度37℃±1℃条件下静置培养48h以形成生物膜。
6)静置培养一定时间后活菌计数
在静置培养48h后，将铁片夹出，用灭菌的PBS缓冲溶液轻轻冲洗3次，最后夹入灭菌的10mL的离心管中，加入3mL的PBS缓冲溶液超声10min破碎生物膜，在离心管中形成细菌悬浮液。将离心管中含有金黄色葡萄球菌的对照样液和试验样液经10倍梯度稀释100倍后，分别吸取0.1mL原液、10-1、10-2和10-3倍样液涂布于已倒有营养琼脂培养基平板上，每样液平行涂布2个平皿，倒置于37℃±1℃恒温培养箱中培养48h做活菌培养计数。
7)数据处理
根据所记录的活菌菌落数，计算出在接触震荡24h后的每个样液中金黄色葡萄球菌的活菌总数，对照，得出结论。
3实验结果
由图4可知，随着柠檬桉精油/g-C3N4质量比的增加，水性聚氨酯涂层的抗菌性能有所增加。柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:0时，残存菌数为5.6lg(cfu/cm2)；柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:5时，残存菌数为4.8lg(cfu/cm2)；上述实验结果表明经过柠檬桉精油/g-C3N4改性的聚氨酯涂层，涂层到含金黄色葡萄球菌生物膜的金属片，48h后，具有较好的抗菌性能。
实施例3制备的改性水性聚氨酯涂层膜抗玻璃片上金黄色葡萄球菌生物膜效果的研究
1实验材料
①改性的水性聚氨酯
②金黄色葡萄球菌
2实验方法
1)菌液的制备
直接取接种于营养肉汤培养基试管里的菌种，金黄色葡萄球菌培养48h后的，用振荡器混匀后，用0.03mol/L磷酸盐缓冲液10倍梯度稀释1000倍(约为105cfu/mL)。
2)制备柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层膜
参照上述实施例1以10mm×10mm玻璃片为试样底板将制备的不同吸附比例的柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层剂刷在玻璃片表面备用。
3)对照组样液的制备
用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液，加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液和普通的水性聚氨酯涂层玻璃片的试管中。
4)试验组样液的制备
用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液液加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液的试管中，充分震荡摇匀后，分别将步骤2准备的不同吸附比例的玻璃片加入上述试管中。
5)静置培养
将含对照样本和试验样本的试管固定于恒温培养箱中，在作用温度37℃±1℃条件下静置培养48h以形成生物膜。
6)静置培养一定时间后活菌计数
在静置培养48h后，将玻璃片夹出，用灭菌的PBS缓冲溶液轻轻冲洗3次，最后夹入灭菌的10mL的离心管中，加入3mL的PBS缓冲溶液超声10min破碎生物膜，在离心管中形成细菌悬浮液。将离心管中含有金黄色葡萄球菌的对照样液和试验样液经10倍梯度稀释100倍后，分别吸取0.1mL原液、10-1、10-2和10-3倍样液涂布于已倒有营养琼脂培养基平板上，每样液平行涂布2个平皿，倒置于37℃±1℃恒温培养箱中培养48h做活菌培养计数。
7)数据处理
根据所记录的活菌菌落数，计算出在接触震荡24h后的每个样液中金黄色葡萄球菌的活菌总数，对照，得出结论。
3实验结果
由图5可知，随着柠檬桉精油/g-C3N4质量比的增加，水性聚氨酯涂层的抗菌性能有所增加。柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:0时，残存菌数为6.1lg(cfu/cm2)；柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:5时，残存菌数为5.4lg(cfu/cm2)；上述实验结果表明经过柠檬桉精油/g-C3N4改性的聚氨酯涂层，涂层到含金黄色葡萄球菌生物膜的玻璃片，48h后，具有较好的抗菌性能。
实施例4制备的改性水性聚氨酯涂层膜抗塑料上金黄色葡萄球菌生物膜效果的研究
1实验材料
①改性的水性聚氨酯
②金黄色葡萄球菌
2实验方法
1)菌液的制备
直接取接种于营养肉汤培养基试管里的菌种，金黄色葡萄球菌培养48h后的，用振荡器混匀后，用0.03mol/L磷酸盐缓冲液10倍梯度稀释1000倍(约为105cfu/mL)。
2)制备柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层膜
参照上述实施例1以10mm×10mm塑料片为试样底板将制备的不同吸附比例的柠檬桉精油/g-C3N4复合材料改性水性聚氨酯涂层剂刷在塑料片表面备用。
3)对照组样液的制备
用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液，加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液和普通的水性聚氨酯涂层塑料片的试管中。
4)试验组样液的制备
用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液液加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液的试管中，充分震荡摇匀后，分别将步骤2准备的不同吸附比例的塑料片加入上述试管中。
5)静置培养
将含对照样本和试验样本的试管固定于恒温培养箱中，在作用温度37℃±1℃条件下静置培养48h以形成生物膜。
6)静置培养一定时间后活菌计数
在静置培养48h后，将塑料片夹出，用灭菌的PBS缓冲溶液轻轻冲洗3次，最后夹入灭菌的10mL的离心管中，加入3mL的PBS缓冲溶液超声10min破碎生物膜，在离心管中形成细菌悬浮液。将离心管中含有金黄色葡萄球菌的对照样液和试验样液经10倍梯度稀释100倍后，分别吸取0.1mL原液、10-1、10-2和10-3倍样液涂布于已倒有营养琼脂培养基平板上，每样液平行涂布2个平皿，倒置于37℃±1℃恒温培养箱中培养48h做活菌培养计数。
7)数据处理
根据所记录的活菌菌落数，计算出在接触震荡24h后的每个样液中金黄色葡萄球菌的活菌总数，对照，得出结论。
3实验结果
由图5可知，随着柠檬桉精油/g-C3N4质量比的增加，水性聚氨酯涂层的抗菌性能有所增加。柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:0时，残存菌数为6.2lg(cfu/cm2)；柠檬桉精油/g-C3N4质量比为1:5时，残存菌数为5.7lg(cfu/cm2)；上述实验结果表明经过柠檬桉精油/g-C3N4改性的聚氨酯涂层，涂层到含金黄色葡萄球菌生物膜的塑料片，48h后，具有较好的抗菌性能。

Claims (8)

1.改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：将柠檬桉精油溶解在纳米材料g-C3N4中，密封加热搅拌，然后加入水性聚氨酯涂料搅拌均匀并超声分散除去膜分散体系中的气体，得到改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂；采用纳米材料g-C3N4对柠檬桉精油进行吸附，将吸附柠檬桉精油的纳米材料g-C3N4混入到水性聚氨酯涂料中，改善水性聚氨酯涂料的表面粗糙度、摩擦性能、疏水性能、耐水性能，并赋予水性聚氨酯涂料抗菌性能。
2.如权利要求1所述的改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：纳米材料g-C3N4由尿素在真空管式炉中通过煅烧法制备，升温速率为5℃/min，煅烧温度为550℃，煅烧时间为4h。
3.如权利要求1所述的改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：所述密封加热搅拌指在密封在40℃烘箱中搅拌24h。
4.如权利要求1所述的改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：所述纳米材料g-C3N4和柠檬桉精油的质量比为1:1～1:5；得到的改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂中纳米材料g-C3N4和柠檬桉精油的质量之和与水性聚氨酯的体积之比为：0.04g/mL。
5.如权利要求1所述的改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：所述的柠檬桉精油是指稀释后的柠檬桉精油，将纯柠檬桉精油加入到无水乙醇中得到体积百分浓度为10％的稀释后的柠檬桉精油，即体积百分浓度为10％的柠檬桉精油-无水乙醇溶液。
6.如权利要求4所述的改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：所述纳米材料g-C3N4和柠檬桉精油的质量比为1:5。
7.如权利要求1所述的改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：分别选用金属铁片，玻璃片和塑料片作为试样底板；对于3种试样底板，均要事先要进行表面处理，用75％(V/V)的酒精浸泡并超声处理5-6h再用蒸馏水洗净自然晾干后，用板刷将改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂均匀涂抹在经过处理的金属铁片，玻璃片和塑料片上，厚度为1.0mm，放入恒温箱中30℃恒温干燥24h。
8.如权利要求7所述的一种改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法，其特征在于：所述金属铁片，玻璃片和塑料片规格均为食品级，大小均为10mm×10mm，金属铁片为304材质的不锈钢片，玻璃片为高硼硅材质，塑料片为PET材质。
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