CN110467448B - 一种适于流延成型的纳米ntc陶瓷粉体及流延膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备方法,该NTC陶瓷粉体的名义化学组成为Mn3‑x‑y‑zNixFeyMzO4,M代表Sn、Cu、Ti、Al;其是以组成阳离子的乙酸盐、草酸盐与草酸为起始原料,通过控制全部组成阳离子与全部草酸根离子的摩尔比例,经配料、研磨混合,在80℃经过一定时间烘干至一定粘度后,以一定的升温速率加热到一定温度,保温一定时间,即获得蓬松状平均粒径在250~400纳米之间的适于流延成型的NTC陶瓷粉体;流延膜的制备采用有机溶剂路线,溶剂采用丙酮异丙醇溶液,分散剂采用磷酸三丁酯,粘结剂采用PVB的异丙醇溶液,增塑剂采用DBP。此制备方法可以获得精确计量组成的纳米陶瓷粉体,环境友好和适合批量生产;所获得的陶瓷粉体流延成型性好。
Description
技术领域
本发明涉及热敏陶瓷材料的制备领域,尤其是一种适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备方法。
背景技术
负温度系数(NTC)热敏陶瓷主要应用于测温、温度补偿和抑制浪涌电流。目前NTC热敏陶瓷制备主要问题是除了稳定性问题,即老化问题外, 还有制备过程中的一致性问题。一般NTC热敏陶瓷的制备采用高温固相法合成陶瓷粉体,等静压成型, 制备工艺简单易行, 但样品的一致性差, NTC热敏陶瓷的流延成形制备方法是解决样品一致性问题的可行工艺方法之一。但陶瓷流延成要求陶瓷粉体粒度细, 分散均匀, 球形度好。文献1“FeNiMnO4 负温度系数热敏电阻的制备与电性能表征”(功能材料, 2004年增刊:903-06)报道了以氯化亚铁、乙酸锰、乙酸镍和草酸为原料,按Fe2+,Ni2+,Mn2+总量和H2C204·2H20的物质的量比1:1:1:3称取上述试剂, 采用室温固相反应法制得FeNiMn(C204)3·nH20复合草酸盐前驱体,放入研钵中混和研磨,直至反应完全,将固相反应的产物于70℃烘干,得到草酸盐前驱体, 将该前驱体在800℃煅烧2h得到FeNiMnO4超细粉体。文献2“柠檬酸凝胶法制备 Mn–Ni–Fe 基负温度系数热敏陶瓷”(硅酸盐学报2010(38)8:1430-33) 报道了采用柠檬酸凝胶法制备锰-镍-铁基前驱体, 在300℃煅烧干燥的前驱体得到纳米粒度粉末, 压制成圆片坯体后在1100~1300℃烧结得到负温度系数热敏陶瓷样品。文献3“草酸盐均匀共沉淀法制备Ni-Mn-O系NTC热敏陶瓷粉体”(电子元件与材料2012(31)7:27-30)报道了采用均匀共沉淀法制备了Ni-Mn草酸盐前驱体。该方法最佳的共沉淀工艺条件如下:n(草酸二乙酯)/n(金属盐)=2,反应温度为80℃,反应时间为4h。该最佳条件下制备的前驱体形成了与MnC2O4·2H2O结构相似的(Ni,Mn)C2O4·nH2O的固溶体,其呈现近八面体形貌,尺寸分布均匀,为2~10μm,基本无团聚现象。前驱体约在700℃失重完全,并可形成具有高活性的尖晶石结构的Ni0.6Mn2.4O4物相,其在1200℃烧结可获得致密的陶瓷体。文献4“溶胶-凝胶自蔓延燃烧法合成纳米尖晶石型AFe2O4”(功能材料2017(48)6:06134-38)报道了通过溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备了系列纳米尖晶石材料AFe2O4(A=Cu、Co、Ni、Mg、Zn)。该方法制备的尖晶石材料呈明显的片状介孔结构, 比表面积在20m2/g左右, 层状结构之间距离15nm. A 位上元素不同, 制备过程中自蔓延温度不同, 孔结构和微观结构有较大差异。
以上文献报道了相关纳米NTC陶瓷粉体的制备方法, 可归纳为室温固相反应法、柠檬酸凝胶法(著名的Pechini法)、共沉淀法及高温自蔓延燃烧法。以上四种制备方法的各自的优缺点可归纳为: 室温固相反应法不使用溶剂,具有计量比易控制、高产率和工艺简单, 但室温固相反应时间长, 所报道的总阳离子与总草酸根离子摩尔比1:1方案, 干燥后易结块,煅烧后粉体易形成硬团聚。主要成分Fe元素采用FeCl2引入方案,制备过程中会形成HCl气体腐蚀设备和环境; 柠檬酸凝胶法计量比易控制、所制备的粉体颗粒细小均匀,但该法相对工艺复杂,溶胶不易形成;共沉淀法工艺相对简单、易批量生产,但产物计量比难准确控制。
鉴于以上制备方法的优缺点,本发明的基本思路为陶瓷粉体的制备采用部分低温固相法路线,并且适量增加了反应组成草酸含量获得适于流延成型纳米陶瓷粉体。所谓的部分低温固相法路线是将Mn3-x-y-zNixFeyMzO4中主要成分MnNi仍采用低温固相法反应策略,而Fe元素直接采用FeC2O4引入方案;通过过量引入草酸含量增加配合料反应酸性环境,稳定的反应物亚离子状态,增加前驱体低温固相反应可操作性。过量引入的草酸在100℃左右开始升华,160℃左右时大量升华,此过程会使具有一定粘度的前驱体形成多孔结构,有利于后期的草酸盐分解和蓬松状氧化物陶瓷粉体形成。流延膜的制备方法采用相对简单的有机溶剂路线,溶剂采用易获得的丙酮异丙醇二元溶液。此制备方法可以获得精确计量组成的陶瓷粉体,工艺周期短、可操作性强、环境友好和适合批量生产;所获得的纳米级别陶瓷粉体,分散性好、颗粒均匀,流延成型性好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备工艺简单,适合批量生产,环境友好,成本可控,可获得分散性好、颗粒均匀的适合流延成型的纳米陶瓷粉体及流延膜的制备方法。
上述目的通过以下方案实现:
(1)以组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、乙酸亚锡或草酸亚锡、乙酸铜、四乙醇钛、乙酸铝和草酸为起始原料,按Mn3-x-y-zNixFeyMzO4计量比称取阳离子引入化合物的质量, 按全部组成阳离子与全部草酸根离子的摩尔比=3:3.2~4.8称取草酸,混合球磨配料50~80分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱体料;
(2)所得黄绿色膏状料,于80℃烘干18~30小时,获得烘干粘度为4000~9000mPa.s的粘稠前驱体料;
(3)将所得前驱体料,以5~10℃/min加热至720~820℃,保温2~4小时,即获得蓬松状平均粒径在250~400纳米之间所需NTC陶瓷粉体;
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=32~10:68~90二元溶液为溶剂; 按粉体:溶剂=5~4:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂;加入总质量的1~1.5%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨1~2h后, 加入总质量的25~30%的8~12%PVB含量的异丙醇溶液作为粘结剂,加入总质量的1~1.5%邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨;球磨2~4小时后再放置6~12个小时得到稳定、均一的流延浆料;
(5)均化好的流延料浆倒入流延机刮刀料斗, 调整适当刮刀高度, 以0.5~1.5m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出一定厚度的陶瓷坯体。
本发明的有益效果为:
部分低温固相法路线即主要Fe元素直接采用FeC2O4引入方案,降低原料成本,环境友好,适合批量生产;通过过量引入草酸含量增加配合料反应酸性环境,稳定的反应物亚离子状态,增加前驱体低温固相反应可操作性。过量引入的草酸分解过程会使具有一定粘度的前驱体形成多孔结构,有利于后期的草酸盐分解和蓬松状氧化物陶瓷粉体形成。流延膜的制备方法采用有机溶剂路线,采用易获得的丙酮异丙醇二元溶液为溶剂,方法简单易行。
此制备方法可以获得精确计量组成的陶瓷粉体,工艺周期短、可操作性强、环境友好和适合批量生产;所获得的纳米级别陶瓷粉体,分散性好、颗粒均匀,流延成型性好。
附图说明
附图1是实施例1所制备粉体的SEM图;
附图2是实施例1~6所制备粉体的XRD图。
具体实施方式
实施例1:名义组成为Mn0.91NiFeSn0.09O4 (x=1,y=1,z=0.09)适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备:
(1)以组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、乙酸亚锡和草酸为起始原料,按计量比Mn(CH3COO)2·4H2O:Ni(CH3COO)2·4H2O:FeC2O4·2H2O:Sn(CH3COO)2·4H2O:H2C2O4·2H2O =0.91 :1 : 1 : 0.09 : 3.2称量配合料总量100g, 放入球磨罐中,料球比=1:1.5,混合球磨50分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱体料;
(2)所得膏状料装入瓷盘,放入80℃鼓风干燥箱26小时烘至半干状态,测定黄绿色膏状料烘干粘度为6830mPa.s;
(3)将所得前驱体料,以5℃/min加热至720℃,保温4小时,即获得蓬松状平均粒径约在300纳米的适于流延成型所需的NTC陶瓷粉体;所制备粉体的SEM图片见附图1, 晶体结构XRD衍射花样见附图2中a曲线。
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=30:70二元溶液为溶剂; 按粉体: 溶剂=5:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂,加入占总质量的1.4%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨1h后, 加入总质量的30%的8%PVB含量异丙醇溶液作为粘结剂,加入占总质量1.2%的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨,球磨4小时后再放置10个小时得到稳定、均一的流延浆料。
(5)均化好的料浆倒入流延机刮刀料斗, 调整适当刮刀高度1mm, 以1m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出约0.9mm厚陶瓷生坯膜。生坯膜经60℃保温干燥后3天后,坯体无开裂,表面光滑,韧性好。
实施例2:名义组成为MnNi0.94FeCu0.06O4 (x=0.94,y=1,z=0.06) 适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备:
(1)以组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、乙酸铜和草酸为起始原料,按计量比Mn(CH3COO)2·4H2O:Ni(CH3COO)2·4H2O:FeC2O4·2H2O:Cu(CH3COO)2·2H2O:H2C2O4·2H2O =1:0.94 : 1 : 0.06 : 2.8,称量配合料总量100g, 放入球磨罐中,料球比=1:1.5,混合球磨60分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱料;
(2)所得膏状料装入瓷盘,放入80℃鼓风干燥箱28小时烘至半干状态,测定黄绿色膏状料粘度烘干至7620mPa.s;
(3)将所得前驱体料,以8℃/min加热至820℃,保温4小时,即获得蓬松状平均粒径在约380纳米的适于流延成型所需的NTC陶瓷粉体;所制备粉体的晶体结构XRD衍射花样见附图2中b曲线。
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=30:70二元溶液为溶剂; 按粉体: 溶剂=4.5:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂,加入占总质量的1.4%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨2h后, 加入总质量25%的8%PVB含量异丙醇溶液作为粘结剂,加入总质量1%邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨,球磨4小时后再放置6个小时得到稳定、均一的流延浆料。
(5)均化好的料浆倒入流延机刮刀料斗, 调整适当刮刀高度1mm, 以1m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出约0.9mm厚陶瓷生坯膜。生坯膜经60℃保温干燥后3天后,坯体无开裂,表面光滑,韧性好。
实施例3:名义组成为MnNiFe0.8Ti0.2O4 (x=1, y=0.8,z=0.2) 适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备:
(1)以组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、四乙醇钛和草酸为起始原料,按计量比Mn(CH3COO)2·4H2O:Ni(CH3COO)2·4H2O:FeC2O4·2H2O·4H2O:C8H20O4Ti:H2C2O4·2H2O =1: 1: 0.8:0.2 : 3.3,称量配合料总量100g, 放入球磨罐中,料球比=1:1.5,混合球磨60分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱料;
(2)所得黄绿色膏状料装入瓷盘,放入80℃鼓风干燥箱18小时烘至半干状态,测定黄绿色膏状料粘度烘干至5010mPa.s;
(3)将所得前驱体料,以10℃/min加热至800℃,保温3小时,即获得蓬松状平均粒径在约340纳米的适于流延成型所需的NTC陶瓷粉体;所制备粉体的晶体结构XRD衍射花样见附图2中c曲线。
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=15:85二元溶液为溶剂; 按粉体: 溶剂=4:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂,加入占总质量的1.5%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨1.5h后, 加入总质量25%的12%PVB含量异丙醇溶液作为粘结剂,加入总质量1.3%邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨,球磨4小时后再放置12个小时得到稳定、均一的流延浆料。
(5)均化好的料浆倒入流延机刮刀料斗, 调整适当刮刀高度1mm, 以1.5m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出约0.8mm厚陶瓷生坯膜。生坯膜经60℃保温干燥后3天后,坯体无开裂,表面光滑,韧性好。
实施例4:名义组成为Mn0.92Ni0.92Fe0.92Al0.24O4 (x=0.92,y=0.92,z=0.24) 适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备:
(1)以组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁和草酸为起始原料,按计量比Mn(CH3COO)2·4H2O:Ni(CH3COO)2·4H2O:FeC2O4·2H2O:Al(CH3COO)3·4H2O:H2C2O4·2H2O =0.92:0.92: 0.92:0.24:3.1,称量配合料总量100g, 放入球磨罐中,料球比=1:1.5,混合球磨70分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱料;
(2)所膏状料装入瓷盘,放入80℃鼓风干燥箱24小时烘至半干状态,测定黄绿色膏状料粘度烘干至6210mPa.s;
(3)将所得前驱体料,以5℃/min加热至760℃,保温4小时,即获得蓬松状平均粒径在约280纳米的适于流延成型所需的NTC陶瓷粉体;所制备粉体的晶体结构XRD衍射花样见附图2中d曲线。
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=20:80二元溶液为溶剂;; 按粉体: 溶剂=4:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂,加入占总质量的1.5%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨1h后, 加入总质量25%的12%PVB含量异丙醇溶液作为粘结剂,加入总质量1.5%邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨,球磨2小时后再放置10个小时得到稳定、均一的流延浆料。
(5)均化好的料浆倒入流延机刮刀料斗, 调整适当刮刀高度1mm, 以0.5m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出约1mm厚陶瓷生坯膜。生坯膜经60℃保温干燥后3天后,坯体无开裂,表面光滑,韧性好。
实施例5:名义组成为Mn0.94NiFeSn0.06O4 (x=0.8,y=1.2,z=0.06) 适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备:
(1)以组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、草酸亚锡和草酸为起始原料,按计量比Mn(CH3COO)2·4H2O:Ni(CH3COO)2·4H2O:FeC2O4·2H2O:SnC2O4·4H2O:H2C2O4·2H2O=0.94:0.8 : 1.2 : 0.06 : 2.5,称量配合料总量100g, 放入球磨罐中,料球比=1:1.5,混合球磨80分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱料;
(2)所得膏状料装入瓷盘,放入80℃鼓风干燥箱26小时烘至半干状态,测定黄绿色膏状料粘度烘干至6900mPa.s;
(3)将所得前驱体料,以5℃/min加热至780℃,保温4小时,即获得蓬松状平均粒径在约300纳米的适于流延成型所需的NTC陶瓷粉体;所制备粉体的SEM图片见附图1, 晶体结构XRD衍射花样见图2中e曲线。
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=30:70二元溶液为溶剂; 按粉体: 溶剂=5:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂,加入占总质量的1.4%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨2h后, 加入总质量的30%的8%PVB含量异丙醇溶液作为粘结剂,加入占总质量1.2%的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨,球磨4小时后再放置10个小时得到稳定、均一的流延浆料。
(5)均化好的料浆倒入流延机刮刀料斗, 调整适当刮刀高度1mm, 以1m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出约0.9mm厚陶瓷生坯膜。生坯膜经60℃保温干燥后3天后,坯体无开裂,表面光滑,韧性好。
实施例6:名义组成为Mn0.98Ni0.98Fe0.98Al0.06O4 (x=0.98,y=0.98, z=0.06) 适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备:
(1)以组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、草酸铝和草酸为起始原料,按计量比Mn(CH3COO)2·4H2O:Ni(CH3COO)2·4H2O:FeC2O4·2H2O·4H2O:Al(C2O4)3:H2C2O4·2H2O=0.98:0.98: 0.98:0.06:3.0,称量配合料总量100g, 放入球磨罐中,料球比=1:1.5,混合球磨60分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱料;
(2)所得膏状料装入瓷盘,放入80℃鼓风干燥箱30小时烘至半干状态,测定黄绿色膏状料粘度烘干至7950mPa.s;
(3)将所得前驱体料,以5℃/min加热至760℃,保温4小时,即获得蓬松状平均粒径在约350纳米的适于流延成型所需的NTC陶瓷粉体;所制备粉体的晶体结构XRD衍射花样见附图2中f曲线。
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=25:75二元溶液为溶剂; 按粉体: 溶剂=4:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂,加入占总质量的1.5%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨1h后, 加入总质量25%的12%PVB含量异丙醇溶液作为粘结剂,加入总质量1.5%邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨,球磨2小时后再放置10个小时得到稳定、均一的流延浆料。
(5)均化好的料浆倒入流延机刮刀料斗, 调整适当刮刀高度1mm, 以1m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出约0.9mm厚陶瓷生坯膜。生坯膜经60℃保温干燥后3天后,坯体无开裂,表面光滑,韧性好。
Claims (4)
1.一种适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备方法,其特征在于:所述的NTC陶瓷粉体的名义化学组成为Mn3-x-y-zNixFeyMzO4,M代表Sn、Cu、Ti、Al中的一种;其是以陶瓷粉体的名义化学组成金属阳离子的乙酸盐、草酸盐与草酸为起始原料,通过控制全部组成阳离子与全部草酸根离子的摩尔比例,经配料、研磨混合,在80℃经过一定时间烘干至一定粘度后,以一定的升温速率加热到一定温度, 保温一定时间,即获得蓬松状平均粒径在250~400纳米之间的适于流延成型的NTC陶瓷粉体;流延膜的制备采用有机溶剂路线, 溶剂采用丙酮异丙醇溶液, 分散剂采用磷酸三丁酯, 粘结剂采用PVB的异丙醇溶液,增塑剂采用DBP;
一种适于流延成型纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备方法包括以下步骤:
(1)以陶瓷粉体组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、乙酸亚锡或草酸亚锡、乙酸铜、四乙醇钛、乙酸铝和草酸为起始原料,按Mn3-x-y-zNixFeyMzO4计量比称取阳离子引入化合物的质量, 按全部陶瓷粉体组成阳离子与全部草酸根离子的摩尔比=3:3.2~4.8称取草酸,混合球磨配料50~80分钟,得黄绿色膏状陶瓷粉体前驱体料;
(2)所得黄绿色膏状料,于80℃烘干18~30小时,获得烘干粘度为4000~9000mPa.s的粘稠前驱体料;
(3)将所得前驱体料,以5~10℃/min加热至720~820℃,保温2~4小时,即获得蓬松状平均粒径在250~400纳米之间所需NTC陶瓷粉体;
(4) 流延浆料制备:选用丙酮:异丙醇=32~10:68~90二元溶液为溶剂; 按粉体: 溶剂=5~4:3质量比, 将粉体加入配置好的溶剂;加入总质量的1~1.5%磷酸三丁酯分散剂后进行第一次球磨; 球磨1~2h后, 加入总质量的25~30%的8~12%PVB含量的异丙醇溶液作为粘结剂,加入总质量的1~1.5%邻苯二甲酸二丁酯(DBP)作为增塑剂进行第二次球磨;球磨2~4小时后再放置6~12个小时得到稳定、均一的流延浆料;
(5)均化好的流延料浆倒入流延机刮刀料斗,调整适当刮刀高度, 以0.5~1.5m/min的刮刀速度于玻璃衬底上流延浇注出一定厚度的陶瓷坯体;
所述的NTC陶瓷粉体的化学组成为Mn3-x-y-zNixFeyMzO4,其中M代表Sn、Cu、Ti、Al,x:0.7-1.3,y: 0.7-1.3,z:0.06-0.24。
2.根据权利要求1所述一种适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述的以陶瓷粉体组成阳离子的乙酸亚锰、乙酸亚镍、草酸亚铁、乙酸亚锡或草酸亚锡、乙酸铜、四乙醇钛、乙酸铝、草酸为起始原料,按Mn3-x-y-zNixFeyMzO4计量比称取陶瓷粉体阳离子引入化合物的质量, 按全部陶瓷粉体组成阳离子与全部草酸根离子的优化摩尔比=3:3.5~4.5。
3.根据权利要求1所述一种适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述的所得黄绿色膏状料的烘干粘度优化范围为5000~8000mPa.s。
4.据权利要求1所述一种适于流延成型的纳米NTC陶瓷粉体及流延膜的制备方法,其特征在于,步骤(4)所述的流延浆料制备:选用丙酮-异丙醇二元溶液比例范围为丙酮:异丙醇=30~20:70~80。
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