CN108242523A - 一种电池隔离膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池隔离膜,制得所述隔离膜的原料包括:(a)平均分子量为1.0×105‑8.0×106的,且密度为0.940‑0.976g/cm3范围内的高分子量聚乙烯;(b)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,500‑2000重量份的成孔剂;和(c)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,0.1‑10份抗氧化剂。
Description
技术领域
本发明涉及电化学领域,尤其涉及一种锂离子电池隔离膜。
背景技术
锂离子电池通常主要由正极,负极,隔膜,电解液,电池外壳组成。锂离子电池结构中,隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的主要作用是将电池的正、负极分隔开来,防止正负极直接接触而短路,同时还要使电解质离子能够在电池充放电过程中顺利通过,形成电流,在电池工作温度发生异常升高时,关闭电解质离子的迁移通道,切断电流保证电池安全。由此可见,隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
电池隔离膜的主要性能参数包括厚度,孔隙率,孔径大小,孔径分布,强度,热收缩率,闭孔温度和破膜温度等。为了减少电池内阻,电极面积必须尽可能大,所以对于隔膜的厚度要求尽可能的薄。电池隔膜本身虽然不导电,但是导电离子需要通过隔膜进行迁移,这就要求隔膜本身需要存在一定数量的孔,即孔隙率,但是孔隙率过高势必导致隔膜强度降低,影响电池整体可靠性。除此之外,电解液在隔膜上的浸润性直接影响离子迁移的阻力,浸润性越好,离子通过隔膜进行迁移的阻力越小,电池内阻也就越小。通常,在孔径不是非常大的情况下,孔径分布越均匀,电解液的浸润性越好。
因此,本领域迫切需要提供具有良好的强度,平均孔径和孔径分布的隔离膜,从而保证优异的电池性能。
发明内容
本发明旨在提供一种电池隔离膜。
在本发明的第一方面,提供了一种电池隔离膜,制得所述隔离膜的原料包括:
(a)平均分子量为1.0×105-10.0×106的,且密度为0.940-0.976g/cm3范围内的高分子量聚乙烯;
(b)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,500-2000重量份的成孔剂;和
(c)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,0.1-10份抗氧化剂。
在另一优选例中,所述高分子量聚乙烯的平均分子量为1.0×105-5.0×106;更优选为1.0×105-2.0×106。
在另一优选例中,所述高分子量聚乙烯的密度为0.940-0.966g/cm3;更优选为0.950-0.966g/cm3。
在另一优选例中,按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,成孔剂含量为700-1800重量份;更优选为800-1600重量份。
在另一优选例中,按所述成孔剂的40℃运动粘度为10-100mm2/s,更优选为20-80mm2/s,最优选为30-70mm2/s;
所述成孔剂选自下述的一种或两种以上:天然矿物油,C6-15烷烃,C8-15脂族羧酸,C8-15脂族羧酸C1-4烷酯,C2-6卤代烷烃,邻苯二甲酸酯,偏苯三酸酯,己二酸酯,癸二酸酯,马来酸酯,苯甲酸酯,环氧植物油,苯磺酰胺,磷酸三酯,二元醇醚,乙酰单酸甘油乙酯,柠檬酸酯,环己烷-1,2-二羧酸二异壬酯。
在另一优选例中,所述成孔剂的初馏点大于等于110℃。
在另一优选例中,按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,抗氧剂含量为0.5-8重量份;更优选为1-6重量份;
所述的抗氧剂选自下述的一种或两种以上:4,4-硫代双(6-叔丁基间甲酚),二丁基羟基甲苯,亚磷酸酯,特丁基对苯二酚,β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,1,1,3-三(2-甲基-4羟基-5-叔丁苯基)丁烷,2-特丁基-6-甲基苯酚,N,N’-二-β-萘基对苯二胺,硫代二丙酸双月桂酯,亚磷酸三(壬基苯基)酯,亚磷酸三苯酯。
在另一优选例中,所述隔离膜通过下述原料制得:
(a)平均分子量为1.0×105-10.0×106的,且密度为0.940-0.976g/cm3范围内的高分子量聚乙烯;
(b)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,500-2000重量份的成孔剂;和
(c)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,0.1-10份抗氧化剂。
在另一优选例中,本发明提供的隔离膜厚度为5-30μm,微孔孔径为30-80nm,孔隙率为30-60%。
在本发明的第二方面,提供了一种如上所述的本发明提供的隔离膜的制备方法,所述方法包括步骤:将高分子量聚乙烯,成孔剂和抗氧化剂混合后连续挤出,并使挤出物成带状物,然后对带状物进行拉伸得到薄膜后定型收卷得到如上所述的本发明提供的隔离膜,所述带状物在拉伸前进行减压蒸馏。
具体实施方式
目前市售的锂离子电池隔膜一般采用聚烯烃多孔膜,发明人经过探索,发现高分子量聚乙烯的平均分子量需要在特定的范围内,过高与过低会导致孔径和孔隙率透气值不佳或收缩率和破膜温度不理想的情况出现。在此基础上,完成了本发明。
隔离膜
制备获得本发明提供的电池隔离膜的原料包括高分子量聚乙烯、成孔剂和抗氧化剂;按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,成孔剂的用量为500-2000重量份;按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,抗氧化剂的用量为0.1-10重量份。在本发明的一种实施方式中,本发明提供的电池隔离膜的原料由高分子量聚乙烯、成孔剂和抗氧化剂组成;按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,成孔剂的用量为500-2000重量份;按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,抗氧化剂的用量为0.1-10重量份。
本发明中使用的高分子量聚乙烯,其平均分子量为1.0×105-10.0×106,优选为1.0×105-5.0×106,更优选为1.0×105-2.0×106;使用的高分子量聚乙烯,其密度为0.940-0.976g/cm3,优选0.940-0.966g/cm3,最优选0.950-0.966g/cm3。
本发明中使用的高分子量聚乙烯可以是一种高分子量聚乙烯,也可以是两以上高分子量聚乙烯的混合物;在本发明的一种优选实施方式中,混合物中两种高分子量聚乙烯的分子量的差异在500万以下;更佳地,在300万以下;最佳地,在200万以下。
本发明中使用的成孔剂,可以是天然矿物油,C6-15烷烃,C8-15脂族羧酸,C8-15脂族羧酸C1-4烷酯,C2-6卤代烷烃,邻苯二甲酸酯,偏苯三酸酯,己二酸酯,癸二酸酯,马来酸酯,苯甲酸酯,环氧植物油,苯磺酰胺,磷酸三酯,二元醇醚,乙酰单酸甘油乙酯,柠檬酸酯,环己烷-1,2-二羧酸二异壬酯中的一种或两种以上的混合。
本发明中使用的成孔剂,其40℃运动粘度为10-100mm2/s,优选20-80mm2/s,最优选30-70mm2/s;其初馏点大于等于110℃。
本发明中使用的成孔剂,按使用的高分子量聚乙烯的重量为100份计,成孔剂含量优选为700-1800重量份,更优选为800-1600重量份。
如本文所用,“天然矿物油”和“矿物油”可以互换使用,都是指经石油提取之后得到的一类矿物油,如工业上常用的白油。
本发明中使用的抗氧化剂可以是4,4-硫代双(6-叔丁基间甲酚),二丁基羟基甲苯,亚磷酸酯,特丁基对苯二酚,β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,1,1,3-三(2-甲基-4羟基-5-叔丁苯基)丁烷,2-特丁基-6-甲基苯酚,N,N’-二-β-萘基对苯二胺,硫代二丙酸双月桂酯,亚磷酸三(壬基苯基)酯,亚磷酸三苯酯中的一种或两种以上的混合。
本发明中使用的抗氧化剂,按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,抗氧化剂含量优选为0.5-8重量份,更优选为1-6重量份。
本发明提供的隔离膜厚度为5-30μm,微孔孔径为30-80nm,孔隙率为30-60%。
隔离膜制备方法
本发明提供的隔离膜的制备方法包括步骤:
第一步,将需要使用的上述原料混合均匀,得到混合物;
第二步,将混合物连续加入双螺杆挤出机后连续挤出;
第三步,连续挤出的混合物经流延后成带状物;
第四步,将带状物进行减压蒸馏后送入双向拉伸机进行拉伸,得到薄膜;
第五步,将薄膜进行热定型后收卷得到本发明提供的隔离膜。
上述步骤中涉及的挤出机、拉伸机等都是本领域中常用的。
上述第四步中通过减压蒸馏的方式去除隔膜中的成孔剂,减少了萃取工艺,可以明显突破制膜工艺的速度瓶颈。
本发明提到的上述特征,或实施例提到的特征可以任意组合。本案说明书所揭示的所有特征可与任何组合物形式并用,说明书中所揭示的各个特征,可以任何可提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。因此除有特别说明,所揭示的特征仅为均等或相似特征的一般性例子。
本发明的主要优点在于:
本发明提供的电池隔离膜具有优异的综合性能,如具有较低的微孔孔径,均匀集中的孔径分布,良好的孔隙率和膜强度,以及较为宽广的破膜温度和闭孔温度区间。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明,否则所有的百分数、比率、比例、或份数按重量计。本发明中的重量体积百分比中的单位是本领域技术人员所熟知的,例如是指在100毫升的溶液中溶质的重量。除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
本发明下述实例中涉及的效果测试方法包括:
1.厚度
采用德国马尔薄膜测厚仪1216根据GB/T6672-2001塑料薄膜与薄片厚度的测定方法测定。
2.电阻
采用万用表在隔离膜相距10cm的两个点上测得,采用的结果为不同的测量点上10次测定的平均值。
3.透过率
采用Gurley透气度测试仪4110根据GB/T1037塑料薄膜和片材透水蒸汽性试验方法进行测定。
4.开孔率
采用PMI AAQ-3K-A-1全自动压水仪测定。
5.孔径
采用PMI AAQ-3K-A-1全自动压水仪测定。
6.刺穿强度
采用上海倾技QJ210A万能试验机根据GB/T 2679.7纸板戳穿强度进行测定。
7.拉伸强度
采用上海倾技QJ210A万能试验机根据ASTM d882-2002塑料薄片的拉伸标准测试方法进行测定。
8.收缩率
在常温(23℃)试验环境下测量隔膜上两点之间的距离L0,将试样放置于120℃±1℃烘箱中的不锈钢加上,保温1h后取出,待隔膜冷却到常温试验环境时,测量隔膜上两点之间的距离L1,收缩率S按以下公式计算:S=(L0-L1)/L0×100%。
9.闭孔温度
整个隔膜样品固定在不锈钢架上,放置于已经加热到预设温度的烘箱内两分钟,取出样品冷却,再用上述方法测量其气体透过率。将透气率下降5%时的温度取为闭孔温度。
10.破膜温度
整个薄膜样品固定在不锈钢架上,放置于已经加热到预设温度的烘箱内两分钟,取出样品观察其随后发生变形(例如收缩)。将最高发生变形时的温度作为其破膜温度。
下述实例中的原料来源购自北京燕山石化高科技术有限责任公司。
实施例1
将100克密度为0.957g/cm3的,平均分子量为3.0×105高分子量聚乙烯,0.5克抗氧剂(β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯),700克40℃运动粘度为50mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
实施例2
将100克密度为0.953g/cm3的,平均分子量为5.0×105高分子量聚乙烯,0.5克β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,700克40℃运动粘度为50mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
实施例3
将100克密度为0.951g/cm3的,平均分子量为1.0×106高分子量聚乙烯,0.5克β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,800克40℃运动粘度为40mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
实施例4
将100克密度为0.947g/cm3的,平均分子量为2.0×106高分子量聚乙烯,1.0克β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,900克40℃运动粘度为40mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
实施例5
将100克密度为0.948g/cm3的,平均分子量为5.0×106高分子量聚乙烯,1.0克β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,1000克40℃运动粘度为40mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
实施例6
将100克密度为0.953g/cm3的,平均分子量为5.0×105高分子量聚乙烯,200克密度为0.940g/cm3的,平均分子量为8.0×106高分子量聚乙烯,1.0克β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,3600克40℃运动粘度为40mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
比较例1
将100克密度为0.935g/cm3的,平均分子量为5.0×104的聚乙烯,0.5克β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,700克40℃运动粘度为40mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
比较例2
将100克密度为0.935g/cm3的,平均分子量为10.0×106的聚乙烯,1.0克β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,2500克40℃运动粘度为30mm2/s的矿物油加入连续配料加料釜中,以50转/分的速度搅拌,将原料混合均匀。
将混合物连续加入双螺杆挤出机,在180℃条件下,所述高分子量聚乙烯,抗氧剂在双螺杆挤出机中连续溶解于矿物油中,再由双螺杆挤出机以200转/分的速度连续挤出。
连续挤出的混合物进入到置于减压蒸馏室中的狭缝模头内,混合物通过狭缝模头挤出到流延冷却辊,在80℃条件下流延成带状物,将得到的带状物置入减压蒸馏室中进行减压蒸馏,同时送入双向拉伸机进行拉伸,用以除去带状物中的矿物油。将所得薄膜在120℃条件下热定型15分钟,将薄膜以50米/分的速度收卷,最终得到半干半湿法电池隔离膜。
从以上实验结果可以看出,随着分子量的增加,隔膜的强度有所增加,收缩率也在不断减小。但是过大的分子量不利于隔膜的开孔,孔径和孔隙率相对较低,进而导致透气值也相对较高;较低的分子量虽然更容易使隔膜开孔,但孔径和孔隙率相对较大,强度较低,收缩率也较高,并且破膜温度出现明显下降,丧失了实际的应用优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用以限定本发明的实质技术内容范围,本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中,任何他人完成的技术实体或方法,若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同,也或是一种等效的变更,均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
Claims (10)
1.一种电池隔离膜,其特征在于,制得所述隔离膜的原料包括:
(a)平均分子量为1.0×105-10.0×106的,且密度为0.940-0.976g/cm3范围内的高分子量聚乙烯;
(b)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,500-2000重量份的成孔剂;和
(c)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,0.1-10份抗氧化剂。
2.如权利要求1所述的隔离膜,其特征在于,所述高分子量聚乙烯的平均分子量为1.0×105-5.0×106;优选为1.0×105-2.0×106。
3.如权利要求1所述的隔离膜,其特征在于,所述高分子量聚乙烯的密度为0.940-0.966g/cm3;优选为0.950-0.966g/cm3。
4.如权利要求1所述的隔离膜,其特征在于,按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,成孔剂含量为700-1800重量份;优选为800-1600重量份。
5.如权利要求1所述的隔离膜,其特征在于,按所述成孔剂的40℃运动粘度为10-100mm2/s,优选为20-80mm2/s,更优选为30-70mm2/s;所述成孔剂选自下述的一种或两种以上:天然矿物油,C6-15烷烃,C8-15脂族羧酸,C8-15脂族羧酸C1-4烷酯,C2-6卤代烷烃,邻苯二甲酸酯,偏苯三酸酯,己二酸酯,癸二酸酯,马来酸酯,苯甲酸酯,环氧植物油,苯磺酰胺,磷酸三酯,二元醇醚,乙酰单酸甘油乙酯,柠檬酸酯,环己烷-1,2-二羧酸二异壬酯。
6.如权利要求1所述的隔离膜,其特征在于,所述成孔剂的初馏点大于等于110℃。
7.如权利要求1所述的隔离膜,其特征在于,按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,抗氧剂含量为0.5-8重量份;优选为1-6重量份;所述的抗氧剂选自下述的一种或两种以上:4,4-硫代双(6-叔丁基间甲酚),二丁基羟基甲苯,亚磷酸酯,特丁基对苯二酚,β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳酸酯,1,1,3-三(2-甲基-4羟基-5-叔丁苯基)丁烷,2-特丁基-6-甲基苯酚,N,N’-二-β-萘基对苯二胺,硫代二丙酸双月桂酯,亚磷酸三(壬基苯基)酯,亚磷酸三苯酯。
8.如权利要求1所述的隔离膜,其特征在于,所述隔离膜通过下述原料制得:
(a)平均分子量为1.0×105-10.0×106的,且密度为0.940-0.976g/cm3范围内的高分子量聚乙烯;
(b)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,500-2000重量份的成孔剂;和
(c)按所述高分子量聚乙烯的重量为100份计,0.1-10份抗氧化剂。
9.如权利要求1-8任一项所述的隔离膜,其特征在于,所述隔离膜厚度为5-30μm,微孔孔径为30-80nm,孔隙率为30-60%。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的隔离膜的制备方法,所述方法包括步骤:将高分子量聚乙烯,成孔剂和抗氧化剂混合后连续挤出,并使挤出物成带状物,然后对带状物进行拉伸得到薄膜后定型收卷得到如权利要求1-9任一项所述的隔离膜,其特征在于,带状物在拉伸前进行减压蒸馏。
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