CN108137826A - 用于生产木质纤维素塑料复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生产木质纤维素塑料复合材料的方法。本发明要解决的问题是提供一个相对于现有技术更完善的,尤其是更方便且成本更为低廉的用于生产木质纤维素塑料复合材料的方法。为了解决该问题,本发明提供了一个用于生产木质纤维素塑料复合材料的方法,即a.将热塑性塑料颗粒以及由水和含木质纤维素颗粒和热塑性塑料颗粒组成的混合物导入一个精炼装置中,以及b.含木质纤维素的颗粒将在精炼装置中进行纤维化处理,其中热塑性塑料颗粒在经过熔化或开始熔化后导入精炼装置,或在精炼装置内进行熔化或开始熔化,使经过熔化或开始熔化的热塑性塑料颗粒以及纤维化的含木质素纤维颗粒在精炼装置内形成材料复合颗粒。
Description
技术领域
本发明涉及用于生产木质纤维素塑料复合材料以及在此基础上生产的或可生产的木质纤维素塑料复合材料的方法。
背景技术
含有木质纤维素的原材料,诸如原木或者竹子,或各类天然纤维正越来越多地用作复合材料中的加强料或填充料。其原因在于原材料的日益匮乏,以及出于可持续性发展的需要。此外还能实现特定的材料特性,如更高的硬度以及耐热塑性。“木塑复合材料”(WPC)或天然纤维加强型复合材料(NFK)的应用领域主要是建筑行业(例如阳台建造)或汽车行业(例如车门内板)。2012年,WPC和NFC在欧洲生产的复合材料的市场占有率已达15%(352000吨)。其产量预计还将有显著提升。在特定的应用领域,例如设计领域或汽车行业,其产量甚至预计会翻倍(Carus和Eder 2014,木塑复合材料(WPC)和天然纤维复合材料(NFC):欧洲和全球市场2012和未来发展趋势)。作出这些预测的缘由是对于基于可再生原料生产的材料需求的增加。
对于生产木质纤维素塑料复合材料或合成材料,缩写为“LKC”(C为Compunds的缩写),已知的优先采用的设备包括挤出机,尤其是同步运行的双螺杆挤出机,以及内搅拌式捏合机或压力式捏合机。为此需要在挤出加工前将单个组成部分(木质纤维、塑料以及可能采用的添加剂)采用多个方法步骤进行干燥,并进行可剂量化加工。在经过通常能源消耗较大的处理过程(粉碎)后,相关材料将通过相应装置导入挤出机的螺旋通道,并在螺旋通道中进行熔化、混合,并在过程结束阶段通过喷嘴输出、冷却,并在制粒机中进行颗粒化处理。
在采用挤出机或内搅拌式捏合机生产LKC方面,各类发表文章提到将精炼纤维(RMP=精炼机械纸浆,TMP=热机械纸浆,CTMP=热化学机械纸浆)作为加强元素用于热塑矩阵(Lerche,Henrik;Benthien,Jan T.;Schwarz,Katrin U.;Ohlmeyer,Martin,2013,纤维分离条件对于木质纤维/高密度聚乙烯复合物机械和物理特性的影响。发表于:木材化学和技术刊物34(2),98-110;Peltola,H.;Laatikainen,E.;Jetsu,P.,2011,木质纤维物理处理对于纤维形态学和生物复合物特性的影响。发表于:塑料、橡胶和复合物40(2),86-92).
根据已公布的研究结果表明,通过使用精炼纤维可显著提高复合材料的强度。其原因除了纤维具有良好的长度直径比例(L/D比例)外,还包括较大的纤维表面积。纤维表面积更大,将提高在已熔化聚合物上的接触面积,并由此改善复合材料的强度特性。目前为止,此类含精炼纤维的复合物仅可通过结合多个方法步骤进行少量生产。对纤维直接进行复合处理目前为止无可行方法。其原因说明如下:
-堆密度:精炼纤维和一般纤维具有极小的堆密度。其原因在于,纤维材料内部始终具有间隔,因此有很多空气包含其中。空气会导致在以下过程中出现问题,因此必须在处理过程中将其从材料中清除。这意味着,处理过程将变慢(渗透性降低),以及需要更多的技术性工作,例如增加和增大排气口。解决此问题的方法是将纤维捏成团状。其中将通过压膜对纤维进行压制,并使其压缩成具有松散特性的材质。团状物生产过程中,除了需要额外的成本和工艺流程外,还需通过压制压膜来对纤维进行微缩处理。此类纤维微缩处理对于复合物的强度特性具有不良影响(Bengtsson,Magnus;Le Baillif,Marie;Oksman,Kristiina,2007,高填充纤维素纤维聚乙烯复合物的挤出和机械特性。发表于:复合物A部分:应用科学和制造38(8),1922-1931)。另外还会形成未能和聚合物充分弥散(混合)的团粒。对于采用团状化纤维的工业化生产,则无相关已知信息。
–湿度:通常情况下,含有木质纤维素的材料在热塑处理前,都需要进行技术性干燥处理,因为湿度过高一方面会导致过程难以控制(水蒸气突然溢出),另一方面必须通过较大的能源消耗将所含的水分清除。木质纤维由于具有吸湿特性,可吸收周围区域的湿气,即便在干燥处理后也可使湿气再次进入复合物。这意味着,材料在经过干燥后,也能吸收水分,并且在加工过程中必须再次将水分蒸发。
-可剂量化:基于其较小的堆密度,纤维之间将保持间距,并相互缠绕,从而造成在连续加工过程中无法进行剂量化处理。通过材料的干燥,将降低精炼纤维的灵活性,换言之,这些纤维具有更高的刚性,并形成相互缠绕的趋势。如出现此类情况,则会在进料位置形成更多的搭接体,从而无法使其自行继续输送。
-形成团粒:根据干燥过程,细小颗粒状的,如经粉碎或呈纤维状的木质纤维,也将形成团粒。这些团粒具有很高的内部硬度,因此不会在后续的复合过程中再次松散开。由此在复合物和最终产品中形成的团粒,将对复合物外观和技术特性造成不良影响。
发明内容
本发明的目的在于,提供一个相对于现有技术更完善的,尤其是更方便且成本更为低廉的用于生产木质纤维素塑料复合材料的方法。
为了实现此目的,本发明提供了一个用于生产木质纤维素塑料复合材料的方法。
a.热塑性塑料颗粒以及由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物将被导入一个精炼装置中,以及
b.含木质纤维素的颗粒将在精炼装置中进行纤维化处理,
其中热塑性塑料颗粒将以熔化或开始熔化的状态导入精炼装置,或在精炼装置中熔化或开始熔化,从而使已融化或开始熔化的热塑性塑料颗粒和纤维化的含木质纤维素的颗粒在精炼装置中形成材料复合颗粒。
在根据本发明的方法中,含木质素的原料采用例如纤维、碎屑、碎片或粉末和可流动的热塑性塑料的形式导入到精炼装置。在精炼装置中,热塑性塑料颗粒将以开始熔化或已融化的状态和纤维化的木质素颗粒混合成复合材料。其中热塑性塑料和含木质纤维素材料将通过一个加工过程进行混合,以形成复合产物(复合物)用于在后续热塑过程中优选进行直接继续处理。由此,通过本发明,可首次对热塑性塑料和含木质纤维素材料进行湿式复合处理。
通过本发明,可避免多次干燥,并可在纤维不产生额外受损的情况下,对热塑性塑料和木质纤维进行复合处理。所制成的复合物可通过传统的成形方法,如热塑技术(挤出、压铸、压制方法)进行后续加工。此外,通过本发明,相比传统的复合加工可实现更高的生产能力(产量)。
“复合材料”,亦称“化合材料”或“复合物”可理解为一种由两种或多种通过粘合或紧配合或两者结合的形式复合制成的材料其中复合材料和其单个组成部分相比,具有不同的,且通常为更好的材料特性。这里的“木质纤维素塑料复合材料”可理解为一种由一种或多个塑料,尤其是热塑性塑料和含木质纤维素材料组成的材料组成的复合材料。
“含木质纤维素材料”,特定情况下作为“木质纤维材料”的同义词,可优选理解为一种由不同成分比例的纤维素、半纤维素和木质素组成的材料。然而,此概念不仅涵盖了主要或完全由木质纤维组成的材料。当木质素经过相应的化学分解已全部或部分去除时(CTMP、纤维素或半纤维素)时,此概念同时还包括了不含木质素的半纤维素/纤维素纤维。此外,所述概念除了木质纤维素、半纤维素和/或纤维素外,还包含其他组成部分。
“含木质素颗粒”这个概念指的是由含木质素材料构成的颗粒。含木质素颗粒的例子包括木屑、木料碎片、木材纤维和木料粉末。
“水和含木质纤维素颗粒的混合物”,可理解为一种由含木质纤维素颗粒和添加水构成的混合物,尤其例如由木料颗粒等含木质纤维素的材料和水组成的混合物,其中水分的比例应高于含木质纤维素颗粒(如木料颗粒)中的纤维饱和度。此概念除了水和含木质纤维素颗粒之外,还涵盖了其他组成部分。此概念尤其涉及仅包含水和含木质纤维素颗粒的混合物。“由含木质纤维素和热塑性塑料颗粒组成的水成悬浮物”可理解为一种由在水中悬浮的含木质纤维素和热塑性塑料颗粒构成的悬浮物。例如,此悬浮物也可包含添加剂,如润滑剂、增附剂或类似物质。
“精炼装置”可理解为一种通常用于纤维素和/或木材行业的粉碎或颗粒化装置,其中对木质纤维素材料的粉碎或颗粒化处理将用于纤维材料的生产。木质纤维素通常采用碎片、锯屑或纤维材质的形式导入精炼装置。通常情况下,精炼装置具有一个静止的粉碎体(定子)和一个旋转的粉碎体(转子)。“锤盘式精炼装置”可理解为一种相向排列的锤盘的精炼装置,且在各个锤盘之间形成一个锤盘间隙,在该间隙中将对需粉碎物进行粉碎处理。其中锤盘(转子)一般会根据第二个固定式锤盘(定子)进行相应地转动。此概念还涵盖了两个以上的锤盘,例如带双粉碎组件和两个锤盘间隙的两个双锤盘式精炼装置。锤盘通常具有颗粒化装置,例如位于径向分布的板块(挡块)上。需粉碎物例如将通过填料蜗杆输送至锤盘中心位置,以便随后最终通过转子和形成的离心力输送至外壳外侧。根据锤盘间距和锤盘组件的情况,将形成压缩和摩擦力,从而启动材料的粉碎加工(Gharehkhani,Samira;Sadeghinezhad,Emad;Kazi,Salim Newaz;Yarmand,Hooman;Badarudin,Ahmad;Safaei,Mohammad Reza;Zubir,Mohd Nashrul Mohd,2015,关于纸浆精炼对于纤维属性的基础性影响的探讨,发表于:Carbohydr Polym 115,785-803)并对材料特性造成明显影响。材料导出通过在精炼装置上径向或切向排列的开口进行。在工业加工实践中,相关材料经常连续性导入和导出精炼装置。
这里的“热塑性塑料”可理解为具有热塑性聚合物或由热塑聚合物组成的混合物。热塑性塑料是可在特定温度范围内(热塑性)反向成形的塑料。例如,热塑性塑料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)、热塑性弹性体(TPS)或聚氯乙烯(PVC)。
“热塑性塑料颗粒”的“熔化或开始熔化”的表述指的是,这些颗粒物至少部分在其表面的超出玻璃化转变温度的温度条件下进行加热,以使颗粒至少在其表面的部分区域内至少呈粘稠状。
热塑性塑料和木质纤维素材料之间的量比具有可变性。木质纤维素含量优选范围为10至90质量百分比,尤其优选20%至80%之间的质量百分比值,考虑到复合物重量则尤其优选30%至70&之间的值。
热塑性塑料颗粒例如可在精炼装置中,尤其是通过在该位置生成的剪切力和/或精炼装置的加热元件进行熔化或开始熔化,或在熔化或开始熔化状态下方才导入精炼装置。基于根据本发明的优选实施方式,热塑性塑料颗粒将至少在精炼装置中方才进行熔化或开始熔化。精炼装置为此可具有相应的加热装置,或通过相应的加热装置进行加热。例如可对粉碎组件,如在使用锤盘式精炼装置时的一个或多个锤盘进行电气加热。作为替代方式或补充,可通过热蒸汽对精炼装置进行加热。
在特定情况下已融化或开始熔化的热塑性塑料颗粒,以及由水和含木质纤维素颗粒的混合物可分开或共同导入精炼装置。例如,在特定情况下,已融化或开始熔化的热塑性塑料颗粒在导入精炼装置前,分开放入由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物中,并和由水和含木质纤维素组成的混合物一起导入精炼装置。在特定情况下已融化或开始熔化的热塑性塑料颗粒,以及由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物也可分开或一起导入精炼装置,并在精炼装置内方才进行混合。然而优选采用将热塑性塑料颗粒和由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物一起导入精炼装置的方式。其中,热塑性塑料颗粒在特定情况下,可通过合适的方式进行熔化或开始熔化,并在此之前被导入到由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物,优选地在导入精炼装置前进行。
基于根据本发明的实施方式,将由含木质纤维素和热塑性塑料颗粒组成的水成悬浮物导入精炼装置,热塑性塑料颗粒将在精炼装置中熔化或开始熔化,并对含木质纤维素颗粒进行纤维化处理,使熔化或开始熔化的热塑性塑料颗粒和纤维化的含木质纤维素颗粒在精炼装置中形成材料复合颗粒。
精炼装置中的温度优选采用或高于热塑性塑料颗粒玻璃化转变温度。在热塑性塑料颗粒采用由具有不同玻璃化转变温度的不同热塑性塑料组成的混合物的情况下,则精炼装置内的温度优选采用或高于具有最高玻璃化转变温度的热塑性塑料玻璃化转变温度。这尤其对于根据本发明的、且热塑性塑料颗粒在精炼装置中方才进行熔化或开始熔化的方法实施形式优选采用。而且这对于热塑性塑料颗粒已在精炼装置中熔化或开始熔化的实施方式也具有优势,例如用于避免热塑性塑料颗粒冷却至低于精炼装置中的玻璃化转变温度。
基于本发明的方法优选实施方式,热塑性塑料颗粒熔化或开始熔化所需的热能至少部分通过精炼装置中的剪切力生成。在优选使用锤盘式精炼装置的情况下,例如通过选择锤盘间距、锤盘组件、锤盘旋转速度和进料(需颗粒化物质的类型、压力和速度)生成的剪切力,可使热塑材料开始熔化或熔化,并在沿定子和转子粉碎组件的径向流动过程中和纤维化的含木质纤维素材料相连接。所需的热能在特定情况下仅可通过形成的剪切力获得。如上文所述,所需的热能也可额外或仅通过加热精炼装置粉碎组件进行提供,例如通过电气加热或热蒸汽。
基于根据本发明的特别优选的实施方式,精炼装置采用具有锤盘的锤盘式精炼装置,并通过锤盘将热塑性塑料颗粒和由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物进行集中导入,以及相对于锤盘对材料复合颗粒进行径向或切向输出。塑料和木质纤维素材料将通过此方式置于各锤盘之前的锤盘间隙中间位置,复合处理(颗粒化、混合以及特定情况下进行熔化)将从内到外相对于锤盘边缘径向或切向位置继续进行,所形成的复合材料将输出到锤盘外部边缘,在该位置进行接收或继续处理,例如可与悬浮液体进行分离。
优选地,所形成的材料复合颗粒将和多余液体至少大部分实现分离。
含木质纤维素颗粒优选为木料碎屑、木料碎片、木材纤维或木料粉末,或不含木质素的纤维素纤维(CTMP)或纤维素。其中,所述方法不限于特定的木材种类和类型。
例如,热塑性塑料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)、热塑性弹性体(TPS)或聚氯乙烯(PVC)在热塑性塑料中可补充添加剂,例如润滑剂、增附剂等。
本发明还涉及一种通过本发明的方法制成或可制成的木质纤维素塑料复合材料。
附图说明
下文将结合附图和下述实例说明本发明的几个实施例,但本发明并不受实施例的限制,其中:
图1用于实施本发明的方法所需装置的优选实施方式的图形化说明。
图2另一个用于实施本发明的方法所需装置的优选实施方式的图形化说明。
图1通过图形化方式显示了实施例1(见下文)中使用的试验用精炼装置的构造。精炼装置1涉及的是一种具有两个锤盘2、3的锤盘式精炼装置,且两个锤盘在外壳4内形成锤盘间隙5。第一个锤盘(定子锤盘)2为固定式,第二个锤盘(转子锤盘)3绕轴体10旋转,该轴体采用箭头表示。在定制锤盘2的中空轴11内装有螺旋输送管6,通过该输送罐可将需粉碎材料集中输送到锤盘间隙5中。需粉碎材料可通过漏斗7输送至螺旋输送管6。外壳4上部侧面具有一个通道8,通过其可将热蒸汽导入外壳4内部。外壳4底部装有一个排出口9,通过其可将完成加工的产品从外壳4取出。
图2通过图形化方式显示了实施例2使用的精炼装置构造。精炼装置1的主要区别在于,采用槽体12取代了漏斗7。
具体实施方式
实施例1
以下描述的试验采用了低密度聚乙烯(LDPE)和杉木锯屑,用于根据本发明的湿式复合处理。其中采用了混合比例为60%杉木屑和40%LDPE(质量比例)。在精炼装置中进行纤维化处理前,已将锯屑在桨叶式反应器内170℃温度条件下预煮了6分钟。其中放入了5kg碎屑和10L水。通过此类水热预处理,将木纤维的中间片层软化,由此降低弹性模块,同时便于在精炼装置内进行纤维化处理。在工业化生产过程中,例如MDF生产,将在连续化过程中对碎片进行预煮并随后进行纤维化处理。其中从煮制器到精炼装置采用的是一个封闭式压力系统,温度范围为170℃至200℃,压力范围为6至12bar。而这里采用的试验用精炼装置涉及的是一个开放式系统,其中可达到100℃温度条件。在对碎屑进行预煮后,直接将已称重的聚合物以粒料形式通过人工操作混合到已软化的碎屑中,并在不进行进一步处理的情况下(筛滤、压出或类似处理)导入精炼装置。
这里的精炼装置1通过通道8利用蒸汽(温度约为100℃)进行注料并进行预加热,以便在精炼装置1内对聚合物进行预熔化或熔化处理(参见图1)。基于开放式系统结构,通过蒸汽仅可将精炼装置1预加热至大约100℃的温度。聚合物开始熔化或熔化所产生的额外能量导入,通过碎屑和聚合物粒料纤维化产生的剪切力输送至系统内。在纤维化处理过程中,精炼器1整个内部空间均有蒸汽导入。
为了进行纤维化和湿式复合处理,已对锤盘间距进行了设置,同时在此基础上将锤盘间隙5厚度设置为0.1mm。在精炼装置1和螺栓输送管设备组件开启后,材料通过漏斗7导入粉碎设备组件中,进行纤维化处理,并通过离心力作用通过精炼器外壳4下端的排出口9排出。材料在精炼器中从材料导入漏斗到材料排出口9的停留时间为10秒左右。
用于上述试验的试验参数列于表格1中。
表格1用于实施例1的试验参数
试验参数
相比初始材料,所制成的湿式复合物已进行了高度纤维化处理。聚合物相比初始材料已进行了高度颗粒化处理,且肉眼无法识别。聚合物开始熔化迹象可进行目视识别。无法对木料和热塑性塑料进行后续分离(例如通过悬浊处理)。
实施例2
聚丙烯(PP)和高密度聚乙烯和杉木/松木碎片根据本发明进行了复合处理,用于以下描述说明的试验实施过程。碎片的初始材料湿度为13%。单个试验参数和材料组成成分和规格信息列于表格2中。此试验使用了以下类型的压力精炼器2:Sprout-Waldron 12“带预开启的煮制器(容量55l)(参见图2)。通过所描述的试验实施过程中使用的压力精炼器1,可相比实施例1在更长的时间段内对工业化应用进行演示说明。
材料之前已通过手动操作加水进行混合,并随后放入煮制器12中。在纤维化处理前,材料已在125℃和145℃条件下加热了10分钟。精炼器锤盘间距设置为0.1mm。在加热完毕后,材料将通过蒸汽压力(可手动控制)从煮制器经过螺旋输送管,输送至精炼器锤盘之间的位置,在该位置进行纤维化处理,并通过切向离心力通过阀门开口(10mm)排出。
在导通阀后侧将直接对材料中的水分进行冲击式蒸汽处理,从而实现材料的干燥。材料排出后随即测得的材料湿度为35-40%。相比初始材料(碎片、粒料),可目视识别出材料已高度纤维化。纤维形状类似于MDF纤维。可目视识别出热塑性塑料已纤维化,并和热纤维相连接,且无法分割。
表格2用于实施例1的试验参数Fi=杉木,Ta=松木,Spezifik.=规格,PP=聚丙烯,HDPE=高密度聚乙烯。“分馏”项中列出了颗粒大小范围参数
Claims (11)
1.用于生产木质纤维素塑料复合材料的方法
a.热塑性塑料颗粒以及由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物导入精炼装置中,以及
b.含木质纤维素的颗粒将在精炼装置中进行纤维化处理,
其中热塑性塑料颗粒将以熔化或开始熔化的状态导入精炼装置,或在精炼装置中熔化或开始熔化,从而使已融化或开始熔化的热塑性塑料颗粒和纤维化的含木质纤维素的颗粒在精炼装置中形成材料复合颗粒。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于,由水和含木质纤维素颗粒的混合物可分开或共同,优选采用共同的方式导入精炼装置。
3.根据权利要求2的方法,其特征在于,热塑性塑料颗粒在精炼装置中进行熔化或开始熔化。
4.根据权利要求3的方法,其特征在于,将由含木质纤维素和热塑性塑料颗粒组成的水成悬浮物导入精炼装置,热塑性塑料颗粒将在精炼装置中熔化或开始熔化,并对含木质纤维素颗粒进行纤维化处理,使熔化或开始熔化的热塑性塑料颗粒和纤维化的含木质纤维素颗粒在精炼装置中形成材料复合颗粒。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,精炼装置内的温度等于或高于热塑性塑料颗粒玻璃化转变温度。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,热塑性塑料颗粒熔化或开始熔化所需的热能至少部分通过精炼装置中的剪切力生成。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,精炼器为具有锤盘的锤盘式精炼器。
8.根据权利要求7的方法,其特征在于,通过锤盘将热塑性塑料颗粒和由水和含木质纤维素颗粒组成的混合物进行集中导入,以及相对于锤盘对材料复合颗粒进行径向或切向输出。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,含木质纤维素颗粒优选为木料碎屑、木料碎片、木材纤维或木料粉末,或不含木质素的纤维素纤维(CTMP)或纤维素。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,热塑性塑料颗粒采用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)、热塑性弹性体(TPS)或聚氯乙烯(PVC)或其混合物。
11.木质纤维素塑料复合材料,通过根据权利要求1至10的其中一项进行生产或可进行生产。
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