CN108626248B - 包括电绝缘层的滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

一种滚动轴承，其包括：第一圈元件和第二圈元件，在所述第一圈元件与所述第二圈元件之间可滚动地布置有滚动体；和位于所述第一圈元件的表面和/或所述第二圈元件的表面上的电绝缘层，其中所述电绝缘层被构造为陶瓷层并由含有氧化铝、即Al2O3和钛氧化物的金属氧化物的混合物制成。

Description

包括电绝缘层的滚动轴承
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承，其在滚动轴承的圈元件(/环元件)的表面上包括电绝缘层，以及涉及用于制造滚动轴承的在表面上包括电绝缘层的圈的方法。此外，本发明涉及一种机器组件，其在壳体元件或机器部件的表面上包括电绝缘层。
背景技术
已知在外圈的表面包括陶瓷涂层的滚动轴承，以便防止电流通过轴承。陶瓷涂层用作电绝缘层。
从DE 10 2013 104 186 A1知晓一种在表面包括陶瓷涂层的轴承圈，其中该涂层包括填充有塑料的比例为10％至50％的孔(pores)。
此外，从EP 1 528 274 B1知晓一种在圈元件的表面包括电绝缘层的滚动轴承单元，其中电绝缘层由灰色氧化铝制成，该灰色氧化铝包括混有TiO2的Al2O3，其中TiO2的量小于1重量％(即，1重量百分比)。尽管包含了一定比例TiO2的涂层具有比由纯氧化铝Al2O3制成的涂层小的电阻，但是所选择的涂层具有如下优点：归因于一定比例的二氧化钛，涂层会更好地附着于圈的金属表面。
此外，从JP 2008050669 A知晓一种滚动轴承的圈，该圈在表面包括具有2％至6％的孔隙率(porosity)的热喷涂陶瓷层。孔隙(porosity)填充有有机密封剂。
从JP 5850464 B知晓一种滚动轴承的圈，该圈在表面包括喷涂陶瓷层，该喷涂陶瓷层包括比例在2％至40％之间的二氧化钛TiO2。
从US 8,425,120 B2知晓一种圈上的由氧化铝和二氧化钛制成的陶瓷涂层，该陶瓷涂层包括比例为0.01重量％至0.02重量％的二氧化钛TiO2，并且氧化铝的颗粒尺寸(/粒度)(particle size)为从10μm(延伸)至50μm，其中平均尺寸在15μm至25μm之间。
发明内容
本发明的目的是进一步发展一种包括了电绝缘涂层的滚动轴承，使得在运行时该层的电阻在不同的运行条件下保持可靠的高值，同时层的截面薄。
通过本发明，该目的的技术方案的特征在于所述电绝缘层被构造为陶瓷层并由含有氧化铝Al2O3和钛氧化物的金属氧化物的混合物制成，其中，所述电绝缘层包含钛化合物，所述钛化合物含有被还原的钛氧化物TiOx和/或金属钛Ti，或者(所述钛化合物)由这些(即指的是，被还原的钛氧化物TiOx和/或金属钛Ti)构成，其中所述电绝缘层还包含由能够固化的合成树脂(cured synthetic resin)构成的密封剂。
根据本发明，陶瓷层由粉末制成，该粉末由呈粉末形式的金属氧化物构成。用于制造的粉末主要由氧化铝Al2O3和钛氧化物构成。在这里，钛氧化物主要(/实质上)以二氧化钛TiO2存在，但是钛氧化物还可以含有次要含量的亚化学计量的钛氧化物TiOx，例如TiO1.7。位于圈元件的表面的本发明的陶瓷层主要含有被化学还原的钛氧化物TiOx和/或金属Ti。在这里，被还原的(reduced)钛氧化物TiOx可以以各种价态存在，比如以一氧化钛(II价)TiO、三氧化二钛(III价)Ti2O3和非化学计量的低价氧化物TiOx(例如，TiO1.7)存在。此外，钛还可以以非被还原的钛氧化物(二氧化钛(IV价)TiO2)存在。然而，在这里必要的是，在陶瓷层中，被还原的钛氧化物(包括金属钛)与未被还原的二氧化钛的比例为至少20％，优选为至少50％，最优选为至少80％。
在粉末形式和陶瓷层这两者中，“钛氧化物”是指包含氧的钛的化合物，诸如一氧化钛(II价)TiO、三氧化二钛(III价)Ti2O3、二氧化钛(IV价)TiO2和非化学计量的低价钛氧化物(具有范围从TiO到TiO2的组分)。
根据本发明，陶瓷层还包括密封剂(sealer)，该密封剂由能够固化的(cured)合成树脂构成。在这里有利的是，包含被还原的钛氧化物和/或金属钛的陶瓷层与合成树脂的组合生成电绝缘层，与迄今为止已知的陶瓷层相比，该电绝缘层在长期潮湿的环境中具有显著改进的电绝缘效果。陶瓷层的与电特性相关的耐水性显著好于在先已知的陶瓷层。已经发现，从理想的干燥环境中的电阻值起(直)到最大限度的湿润环境中的电阻值，电阻被设定为如下电阻值：该电阻值保持比仅由纯白色氧化铝Al2O3构成的被同等密封的陶瓷层高至少10倍(factor)的电阻值。
根据一个优选的设计，提供的是，所述合成树脂含有能够固化的酚醛树脂或能够固化的厌氧粘合剂，或者，由其构成。
厌氧固化粘合剂可以被理解为二甲基丙烯酸酯(dimethacrylic acid esters)，其例如通过将甲基丙烯酸与四甘醇酯化(esterification)成四甘醇二甲基丙烯酸酯，然后通过聚合变成能够固化的甲基丙烯酸(酯)树脂(methacrylate resin)而制得。
在这里有利的是，利用酚醛树脂密封含有被还原的钛氧化物或钛的陶瓷层会支持酚醛树脂的固化并使固化的酚醛树脂稳定化。例如，对此负有共同责任的是TiO的强还原特性。此外，包含在该层中的被还原的钛氧化物内含物(inclusions)(起到使酚醛树脂的烯烃基团(alkene radicals)金属催化固化的作用)也能够支持稳定化。此外，本发明的陶瓷层与酚醛树脂的组合具有如下优点：由于被密封的陶瓷层会在固化后基本上立即均匀着色，因此防止了被密封的层的颜色随着时间的推移而变化。在这里，已经证明含有苯酚、苯酚-2-甲基和/或丙烯的酚醛树脂是特别有利的。另一优点是，归因于毛细(管)作用，酚醛树脂可以渗透到陶瓷层的最细中间空间和孔中不然的话还可以例如使用真空浸渍而压入到陶瓷层的最细中间空间和孔中，并且在其(/陶瓷层的最细中间空间和孔)中固化。
使用诸如甲基丙烯酸(酯)树脂等的厌氧粘合剂对陶瓷层优选进一步密封具有如下优点：甲基丙烯酸酯树脂与含有被还原的钛氧化物或钛的陶瓷层的组合会支持甲基丙烯酸酯树脂的聚合(优选的是，自由基(radical)聚合)。在这里有利的是，归因于毛细(管)作用，甲基丙烯酸酯树脂能够渗透到陶瓷层的最细中间空间和孔中，不然的话还能够例如使用真空浸渍而压入到陶瓷层的最细中间空间和孔中，并且在陶瓷层的最细中间空间和孔中厌氧地(即，在无氧条件下)固化。存在于该层中的钛化合物、金属钛和被还原的钛氧化物在这里用作用于甲基丙烯酸酯树脂的交联(即，固化)的催化剂。归因于陶瓷层中的金属钛和/或被还原的钛氧化物与作为有机密封剂的甲基丙烯酸(酯)树脂的优选组合，已经令人惊讶地发现，在潮湿的环境条件下，即使陶瓷层包含作为电导体的金属钛或TiO和/或作为半导体的被还原的钛氧化物，该层也能够理想地适合作为电绝缘层。在这里有利的是，由于被还原的钛氧化物和/或金属钛与填充有树脂的孔邻接并因而与用作厌氧自由基聚合的各个起始点的树脂直接接触，因此归因于被还原的钛氧化物和/或金属钛的存在，树脂的固化能够完全地进行。如果在陶瓷层中这些起始点是均匀分布的，则在整个层中会发生树脂的完全聚合。代替甲基丙烯酸树脂，还可以使用以类似的方式与被还原的钛氧化物相互作用而催化固化的其它厌氧粘合剂。
优选的设计提供的是，能够固化的厌氧甲基丙烯酸酯树脂含有聚合的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯。在这里，作为甲基丙烯酸酯树脂的组分，已经发现三甘醇二甲基丙烯酸酯和四甘醇二甲基丙烯酸酯是特别有利的。此外，作为附加的组分，单独或组合地使用环己二烯或异苯并呋喃二酮(isobenzofurandione)或马来酸酐是有利的。
一个优选的设计提供的是，所述陶瓷层具有小于40％的孔隙率(porosity)，优选地，所述陶瓷层具有小于12％的孔隙率，并且孔具有在0.5μm至20μm之间的平均直径，优选地，所述孔具有在0.5μm至7μm之间的平均直径，其中所述孔填充有所述能够固化的合成树脂。对于具有这样的孔隙率和平均孔径(pore size)的组合有利的是，由于归因于所选择的孔隙率和孔径，在层中树脂蓄积(resin reservoir)是均匀分布的，该树脂蓄积通过毛细管以最大可能的程度彼此连接，因此所使用的合成树脂在固化前会可靠地贯穿(/渗透)(penetrates)整个陶瓷层。由此，液态合成树脂能够被施涂到陶瓷层的表面上，并且会例如通过毛细管作用而在整个深度上可靠地贯穿陶瓷层。
进一步优选的设计提供的是，包含在陶瓷层中的被还原的钛氧化物和金属钛被形成为内含物(inclusions)，该内含物在平行于陶瓷层的表面的方向上的平均大小(averageextension)通常显著大于在垂直于陶瓷层的表面的方向上的平均大小。优选的是，内含物被形成为薄片状或鳞片状(英文“flat(扁平)”)。在这里，优选的是，内含物在垂直于陶瓷层的表面的方向上具有<15μm(优选小于5μm)的平均大小。在平行于陶瓷层的表面的方向上，即在鳞片状内含物的纵向(长度)延伸方向上，内含物具有5μm至80μm的平均大小。在包含了被还原的钛氧化物和/或钛的内含物的该鳞片状设计中有利的是，与球面形内含物相比，这些内含物相对于各自的体积而言具有非常大的表面积。至少较大的内含物具有该鳞片状结构。归因于大的表面积，确保了足够的孔与这些内含物的表面直接邻接。因而，这些内含物可以与树脂以能够进行催化作用的方式接触。归因于鳞片状内含物平行于表面的定向，因此如下可能性是重要的：垂直于位于途中的表面地渗透到陶瓷层的深度中的树脂与被还原的钛氧化物或钛的鳞片状内含物相遇，因而该内含物垂直于渗透方向地定向。归因于至少较大的内含物的表面积与体积的有利比例，因此能够在不使与树脂接触的内含物的表面积低于可靠的催化聚合所需值的情况下，保持陶瓷层中的钛化合物的总体比例低。由于钛化合物代表的是电半导体或者甚至电导体，因此从该观点出发，钛化合物的比例较低是期望的。换言之，如果陶瓷层中的钛化合物的内含物在所有尺寸上均以相同比例被形成球面形，则可用于与树脂接触的表面积将明显较小。为了获得相同的表面积，将必须增大钛化合物的比例，这会对陶瓷材料的电阻产生负面影响。
优选的设计提供的是，所述陶瓷层中的氧化铝Al2O3的比例为96重量％至99.7重量％，所述钛化合物的比例为0.3重量％至4重量％。陶瓷层中的钛化合物的比例为1％-2％是特别优选的。陶瓷层中的各钛化合物、即可能的二氧化钛TiO2、一氧化钛(II价)TiO、三氧化二钛(III价)Ti2O3、亚化学计量的钛氧化物TiOx和金属钛Ti均计数为钛化合物的比例。
在这里，优选的层厚度落在10μm至3000μm之间，进一步优选的是，落在750μm至3000μm之间。
根据本发明的另一方面，提出了用于制造本发明的滚动轴承的圈元件的方法。根据本发明，在所述圈元件的表面上设置电绝缘层，其中所述电绝缘层通过热喷涂法制成，包括如下步骤：
-提供含有氧化铝Al2O3和钛氧化物的粉末，
-将所述粉末热喷涂到所述圈元件的表面上，
-将有机密封剂涂布到喷涂(的)层上。
根据本发明，随着所述粉末(含有氧化铝Al2O3和钛氧化物)的喷涂，所述粉末中含有的钛氧化物被至少部分地化学还原为TiOx和/或TiO和/或金属钛Ti。
作为进一步优选的步骤，密封剂在施涂后与至少部分被化学还原为TiOx和/或TiO和/或金属钛Ti的钛氧化物相互作用而固化。
为了更好的层粘合，优选的是，圈元件的待涂覆表面在热喷涂之前进行清洁并随后干燥和/或额外地喷砂。
在这里有利的是，在最终制得的陶瓷层中，与初始粉末相比，被还原的钛氧化物的比例能够显著增大。优选的是，粉末需要实质上不含有被还原的钛氧化物，而是能够仅(exclusively)含有二氧化钛(IV价)TiO2作为钛氧化物。在这里，归因于热喷涂法，二氧化钛TiO2能够被化学还原为一氧化钛(II价)TiO、三氧化二钛(III价)Ti2O3和非化学计量的低价氧化物TiOx(例如，TiO1.7)。此外，二氧化钛TiO2能够被还原为金属钛Ti。然而，还可以使用除了二氧化钛TiO2以外已经包含一定比例的被还原的钛氧化物的粉末作为初始粉末。根据本发明，归因于热喷涂法，于是能够增大被还原的钛氧化物和/或金属钛的比例。
该方法的一个优选实施方式提供的是，热喷涂法是等离子喷涂法。作为一种选择，热喷涂法还可以是高速火焰喷涂。此外，作为另一种选择，热喷涂法还可以是热悬浮喷涂法。
有利的是，通过等离子喷涂或高速火焰喷涂，能够精确地控制钛化合物的化学还原，使得在喷涂(的)层中包含被还原的钛氧化物和/或金属钛。
该方法的一个优选的实施方式提供的是，所述热喷涂法利用氩气和/或氢气作为处理气体的组分来进行。
在这里，将用于使所供给的涂层粉末熔融的气体混合物称作处理气体。在这里，处理气体非常热，以至于能够呈等离子体形式。
在这里，含在等离子体中的氢气起到使钛化合物化学还原的作用。通过等离子喷涂能够特别可靠地控制化学还原的量。因而，例如，利用等离子体中的氩气与氢气的比能够精确地设定喷涂(的)层中的还原组分及其比例。等离子体中的氢气比例增大会增大例如化学还原的最终产物中的金属钛的比例。作为一种选择，还能够以氮气或氦气作为等离子体处理气体来执行喷涂法。还能够利用不同的处理气体来精确地设定喷涂层中的还原组分及其比例。
此外，能够通过粉末在等离子体中的停留(dwell)时间来控制还原比例，进而能够利用等离子体中的气体流量和/或气体压力以及路线来设定还原比例。同样的是，能够利用等离子体的温度来控制喷涂层中的还原组分及其比例。优选的是，在超过10,000开尔文的等离子温度下执行等离子喷涂。
此外，能够通过等离子喷涂中的适当参数来设定喷涂层中的孔径以及喷涂层中的含有钛化合物的内含物的尺寸和形状。该方法的一个优选实施方式是以如下方式执行该方法：在喷涂层中在相对于喷涂层的表面的各个方向上产生内含物的如上所述的孔隙率、平均孔径和平均尺寸。
该方法的一个优选的实施方式提供的是，应用含有甲基丙烯酸树脂的密封剂作为所述有机密封剂，所述密封剂在被还原的钛氧化物的介导(mediation)下在所述喷涂(的)层的孔中厌氧聚合。有利的是，电绝缘层由此具有特别良好的防潮性。在这里，被还原的钛氧化物用作已经被描述为用于树脂的厌氧聚合的金属催化剂。
在该方法的进一步优选实施方式中，提供的是，含有氧化铝Al2O3和二氧化钛的粉末使用平均粒径(/粒度)(grain size)为0.01μm至63μm(这取决于热喷涂法)的粉末而起作用，优选的是，当使用等离子喷涂法时，粒径在5μm至63μm之间，最优选在10μm至30μm之间。在一个优选的实施方式中，在提供粉末之前，通过使含有氧化铝Al2O3的粉末和含有二氧化钛的粉末以同喷涂层中的氧化铝Al2O3与所有钛化物的比对应的期望混合比混合，制备第一粉末。优选提供的是，使对应混合的第一粉末熔融(melted)并均质化。随后，研磨冷却的固态金属氧化物块，以形成第二粉末。在这里有利的是，第一粉末和第二粉末中的钛化合物的比例总体保持相同；然而，由于在第一粉末中，颗粒由氧化铝Al2O3或二氧化钛构成，因此含有钛化合物的粉末中的颗粒比例在第二粉末中显著大于在第一粉末中。在第二种粉末中，各个颗粒均由氧化铝Al2O3和钛化合物的混合物构成。在这里有利的是，归因于如此制得的第二粉末，与具有相同比例的钛化合物的第一粉末相比，能够减小含有钛化合物的内含物的平均尺寸。另一优点是，喷涂层中的包含钛化合物的内含物的均质性得以提高且分布更加均匀。作为一种选择，粉末可以由含有熔融的氧化铝Al2O3的粉末和含有以期望的混合比添加到熔融氧化铝Al2O3中并均质化成熔融物的二钛氧化物的粉末制成。在这里，在这两种制造方法中，在熔融物的混合比中考虑因熔融损失而导致的浓度偏移。随后，研磨冷却的固态金属氧化物块，以形成第二粉末。上述优点适用于粉末的这两种制造方法。
本发明的另一方面涉及一种机器组件，其包括以能够转动的方式布置在壳体元件中的机器部件，其中所述机器部件使用滚动轴承支撑在所述壳体元件中，所述滚动轴承的第一表面与所述壳体元件的表面接触，所述滚动轴承的第二表面与所述机器部件的表面接触，所述壳体元件的表面和/或所述机器部件的表面包括电绝缘陶瓷层，所述电绝缘陶瓷层由含有氧化铝Al2O3和钛氧化物的金属氧化物的混合物制成，其中，所述绝缘层包含钛化合物，所述钛化合物含有被还原的钛氧化物TiOx和/或TiO和/或金属钛Ti，或者由这些(/被还原的钛氧化物TiOx和/或TiO和/或金属钛Ti)构成，其中所述电绝缘层还包含由能够固化的合成树脂构成的密封剂(sealer)。
附图说明
图1是根据本公开的安装在机器组件的壳体中的滚动轴承的示意性侧立视图。
具体实施方式
现在参照图1，其仅出于说明本公开的实施方式的目的、而非出于限制本公开的实施方式的目的而提供，图1示出了机器壳体10，采用轴的形式的机器部件12安装在机器壳体10中以用于转动。具有外圈(/外环)16和内圈(/内环)18以及多个滚子元件(/滚动体)20的轴承14可转动地支撑机器部件12，用于(使机器部件12)相对于壳体10转动。壳体10的表面22和/或轴承14的表面24和/或机器部件的表面26涂覆有根据本公开的绝缘涂层。图1中的绝缘涂层的部位是说明性的，并且涂层可以形成在壳体和/或轴承和/或机器部件的任意表面上。
以上参照附图详细地描述了本发明的代表性的而非限制性的示例。该详细描述仅仅意在对本领域技术人员给出用于实施本教导的优选方面的进一步细节的教导，而非意在限制本发明的范围。此外，以上公开的附加特征和教导中的每一者均可以单独使用或与其它特征和教导结合使用，以提供改进的具有绝缘层的滚动轴承。
另外，以上详细描述中公开的特征和步骤的组合可能不一定是在最宽泛意义上实施本发明，而是仅仅给出特别描述本发明的代表性示例的教导。此外，上述代表性示例的各个特征以及以上各个独立权利要求和从属权利要求可以以未具体且明确列举出的方式组合，以便提供本教导的额外有用的实施方式。
与实施方式和/或权利要求书中的特征的组成(compositions)无关，说明书和/或权利要求书中公开的所有特征均意在出于原始书面公开的目的以及出于限制所要求保护的主题的目的而单独地且彼此独立地公开。另外，所有的值范围或实体组的表征均意在出于原始书面公开的目的以及出于限制所要求保护的主题的目的而公开每个可能的中间值或中间实体。

Claims (15)

1.一种滚动轴承，其包括：第一圈元件和第二圈元件，滚动体可滚动地布置在所述第一圈元件与所述第二圈元件之间；和位于所述第一圈元件的表面和/或所述第二圈元件的表面上的电绝缘层，其中所述电绝缘层被构造为陶瓷层并由含有氧化铝、即Al2O3和钛氧化物的金属氧化物的混合物制成，
其特征在于，所述电绝缘层包含钛化合物，所述钛化合物含有被还原的钛氧化物、即TiOx和/或金属钛、即Ti，或者由被还原的钛氧化物、即TiOx和/或金属钛、即Ti构成，其中所述电绝缘层还包含由能够固化的合成树脂构成的密封剂。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述能够固化的合成树脂含有能够固化的酚醛树脂或能够固化的厌氧粘合剂，或者由能够固化的酚醛树脂或能够固化的厌氧粘合剂构成。
3.根据权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于，所述能够固化的合成树脂含有甲基丙烯酸树脂。
4.根据权利要求3所述的滚动轴承，其特征在于，所述能够固化的甲基丙烯酸树脂含有聚合的聚乙二醇甲基丙烯酸酯。
5.根据权利要求4所述的滚动轴承，其特征在于，所述能够固化的甲基丙烯酸树脂含有三甘醇甲基丙烯酸酯和/或四甘醇甲基丙烯酸酯。
6.根据权利要求2或3所述的滚动轴承，其特征在于，所述能够固化的酚醛树脂含有苯酚、苯酚-2-甲基和/或丙烯。
7.根据权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述陶瓷层具有小于40％的孔隙率，并且孔具有在0.5μm至20μm之间的平均直径，其中所述孔填充有所述能够固化的合成树脂。
8.根据权利要求7所述的滚动轴承，其特征在于，所述陶瓷层具有小于12％的孔隙率。
9.根据权利要求7所述的滚动轴承，其特征在于，所述孔具有在0.5μm至7μm之间的平均直径。
10.根据权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述陶瓷层中的氧化铝、即Al2O3的比例为96重量％至99.7重量％，所述钛化合物的比例为0.3重量％至4重量％。
11.一种用于制造滚动轴承的圈元件的方法，所述滚动轴承包括在所述圈元件的表面上的电绝缘层，其中所述电绝缘层通过热喷涂法制成，包括以下步骤：
-提供含有氧化铝、即Al2O3和钛氧化物的粉末，
-将所述粉末热喷涂到所述圈元件的表面上，
-将有机密封剂施涂到喷涂层上，
其中随着所述粉末的喷涂，所述粉末中含有的钛氧化物被至少部分地化学还原为TiOx和/或TiO和/或金属钛、即Ti。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述热喷涂为等离子喷涂。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述热喷涂法利用氩气和氢气作为燃料气体的组分来执行或者所述热喷涂法利用氢气作为燃料气体的组分来执行。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，应用含有甲基丙烯酸树脂的密封剂作为所述有机密封剂，所述有机密封剂在被还原的钛氧化物的介导下在所述喷涂层的孔中厌氧聚合。
15.一种机器组件，其包括以能够转动的方式布置在壳体元件中的机器部件，其中所述机器部件使用滚动轴承而支撑在所述壳体元件中，所述滚动轴承的第一表面与所述壳体元件的表面接触，所述滚动轴承的第二表面与所述机器部件的表面接触，所述壳体元件的表面和/或所述机器部件的表面包括电绝缘陶瓷层，所述电绝缘陶瓷层由含有氧化铝、即Al2O3和钛氧化物的金属氧化物的混合物制成，
其特征在于，所述电绝缘陶瓷层包含钛化合物，所述钛化合物含有被还原的钛氧化物、即TiOx和/或TiO和/或金属钛、即Ti，或者由被还原的钛氧化物、即TiOx和/或TiO和/或金属钛、即Ti构成，其中所述电绝缘陶瓷层还包含由能够固化的合成树脂构成的密封剂。
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