CN112300548A - 增韧聚乳酸组合物、增韧聚乳酸材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子塑料材料组合物技术领域,具体地涉及一种增韧聚乳酸组合物、一种增韧聚乳酸材料及其应用。该组合物包含:聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂;其中,所述MTP失活催化剂为积碳的分子筛材料,所述MTP失活催化剂的中值粒径D50≤2μm,比表面积为200‑500m2/g,孔容为0.2‑0.5cm3/g,酸量为0.2‑0.5mmol/g,硅铝比为4‑10:1,烧失量为1‑20%。本发明引入MTP失活催化剂对聚乳酸进行诱导结晶改性,尤其是通过MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂之间的协同作用,提高聚乳酸材料的结晶速率、结晶度和冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及高分子塑料材料组合物技术领域,具体地涉及一种增韧聚乳酸组合物、一种增韧聚乳酸材料及其应用。
背景技术
煤基甲醇制丙烯(MTP)是现代煤化工的重要组成,该过程使用大量10mm×0.5mm的柱状催化剂。该类催化剂的主要组成为硅铝氧化物分子筛,易于积碳失活使得固定周期更新成为必然,从而产生了大量的失活催化剂成为固体废弃物。随着环保要求,这些废弃催化剂的处理成为当务之急。因此,将MTP失活催化剂再资源化利用是当务之急。
作为一种新型的生物可降解的高分子材料,聚乳酸(PLA)由乳酸缩聚或丙交酯开环聚合而成,其原料来源充分且可再生,生产过程没有污染产生,产品又可降解;同时,聚乳酸具有优良的生物相容性、热稳定性、耐热性以及较好的加工性能和力学性能,被认为是21世纪最具有前景的环境友好型包装材料。但聚乳酸(PLA)同时也存在结晶速率慢、结晶度低、冲击韧性差等问题,极大地限制了聚乳酸(PLA)的应用,特别是在加工制品生产中需要聚乳酸制品在使用环境中保持形状稳定。因此,针对聚乳酸的这些缺点进行改进,提高聚乳酸的结晶速率、结晶度以及冲击韧性,改善制品的形状尺寸稳定性显得十分必要。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术聚乳酸存在结晶速率慢、结晶速度低、冲击韧性低、形状不稳定等问题,提供一种增韧聚乳酸组合物、一种增韧聚乳酸材料及其应用,由该组合物制得的材料具有较高的结晶速率、结晶度,提高了材料的形状稳定性和冲击韧性,同时,使MTP失活催化剂再资源化利用,且该材料的制备方法简单、工艺容易控制,便于工业化生产。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供一种增韧聚乳酸组合物,该组合物包含:聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂;
其中,所述MTP失活催化剂为积碳的分子筛材料,所述MTP失活催化剂的中值粒径D50≤2μm,比表面积为200-500m2/g,孔容为0.2-0.5cm3/g,酸量为0.2-0.5mmol/g,硅铝比为4-10:1,烧失量为1-20%。
本发明第二方面提供一种增韧聚乳酸材料,由第一方面提供的组合物经熔融共混处理得到。
优选地,制备所述材料的方法包括以下步骤:
(1)将聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂进行混合,得到混合物;
(2)将所述混合物依次进行熔融共混和可选的造粒,得到增韧聚乳酸材料。
本发明第三方面提供一种第二方面提供的增韧聚乳酸材料在工程塑料领域中的应用。
通过上述技术方案,本发明引入MTP失活催化剂对聚乳酸进行诱导结晶改性,提高聚乳酸的结晶速率、结晶度以及冲击韧性;尤其是通过MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂之间的协同作用,进一步提高聚乳酸材料的结晶速率、结晶度和冲击韧性,使得聚乳酸材料在使用过程中具有较高的冲击强度和稳定性。尤其是将MTP失活催化剂用于制备增韧聚乳酸材料,变废为宝,实现资源再利用。此外,本发明提供的增韧聚乳酸材料制备方法简单,工艺条件易于控制,便于工业化生产。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
为了实现上述目的,本发明第一方面提供一种增韧聚乳酸组合物,该组合物包含:聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂;
其中,所述MTP失活催化剂为积碳的分子筛材料,所述MTP失活催化剂的中值粒径D50≤2μm,比表面积为200-500m2/g,孔容为0.2-0.5cm3/g,酸量为0.2-0.5mmol/g,硅铝比为4-10:1,烧失量为1-20%。
本发明的发明人研究发现:MTP失活催化剂对聚乳酸具有明显的成核剂和增强剂作用,降低了聚乳酸结晶过程中的能量壁垒,诱导聚乳酸熔融体以MTP失活催化剂为核心或自发成核,晶体迅速生长,提高了聚乳酸的结晶速率;而且所述MTP失活催化剂还能够使聚乳酸熔融体的晶体态优先于玻璃态生成,提高结晶度,非晶态成分降低,同时也避免得到的聚乳酸组合物在使用过程中二次结晶,克服使用过程中聚乳酸组合物形状不稳定的缺陷。
由于添加MTP失活催化剂作为成核剂,诱导聚乳酸晶体短时间内大量生成,使生成的晶粒得以细化,增强了聚乳酸的韧性;由于晶体的大量生成,也使得聚乳酸在高温下迅速形成物理凝胶网络,限制热塑性弹性体的聚集从而提高其分散性,可以大大提高聚乳酸的冲击韧性;MTP失活催化剂的无机材料特性也对聚乳酸起到增强作用。同时,聚乙二醇具有明显的链段运动活动剂和相容剂,提高了MTP失活催化剂与聚乳酸的相容性。
在本发明中,没有特殊情况说明下,所述MTP失活催化剂(即,积碳的分子筛材料)中的积炭量一般采用烧失量来表示。
在本发明中,为了进一步提高聚乳酸材料的结晶速率、结晶度和冲击韧性。优选地,所述MTP失活催化剂的中值粒径D50为1-2μm,比表面积为300-500m2/g,孔容为0.25-0.5cm3/g,酸性为0.25-0.4mmol/g,硅铝比为5-8:1,烧失量为5-15%。
在本发明中,没有特殊情况说明下,所述硅铝比是指SiO2中硅元素和Al2O3中铝元素的摩尔比。
根据本发明,优选地,所述MTP失活催化剂含有SiO2、Al2O3和杂质,其中,所述杂质含有SO3、CaO、Fe2O3、TiO2和Na2O。
进一步优选地,以所述MTP失活催化剂的重量为基准,所述SiO2和Al2O3的总含量≥98wt%,优选为98-99.8wt%;所述杂质的含量≤2wt%,优选为0.2-2wt%,更优选为0.5-2wt%。
在本发明中,对所述MTP失活催化剂的种类具有较宽的选择范围,只要所述MTP失活催化剂满足上述的中值粒径、比表面积、孔容、酸性、硅铝比和烧失量的条件即可。优选地,所述MTP失活催化剂选自彻底失活报废的MTP催化剂和/或不同反应周期失活的MTP催化剂。
根据本发明的一种优选实施方式,所述MTP失活催化剂包含SiO2、Al2O3和杂质,其中,所述杂质包含SO3、CaO、Fe2O3、TiO2和Na2O;进一步优选地,以所述MTP失活催化剂的重量为基准,所述SiO2和Al2O3的总含量≥98wt%;所述杂质的含量≤2wt%。
优选地,所述聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂的重量比为40-90:5-15:1-8:10-50:0.03-0.08,优选为45-76:8-12:2-6:10-40:0.03-0.08。采用优选的条件,更有利于提高材料的冲击性能、材料中聚醚酯弹性体与聚乳酸不分相。
根据本发明的一种优选实施方式,所述聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂的重量比为40-90:10:4:10-50:0.03-0.08;优选为45.92-75.97:10:4:10-40:0.03-0.08。
根据本发明,优选地,所述聚乳酸的参数满足:数均分子量为(0.1-3)×105,优选为(0.1-1)×105;熔点为120-200℃,优选为150-180℃,更优选为160-170℃;玻璃化温度为55-65℃,优选为58-62℃,更优选为60℃;冷结晶温度为100-115℃,优选为105-110℃,更优选为108℃。
在本发明中,对所述聚乳酸的来源具有较宽的选择范围,只要所述聚乳酸满足上述参数即可。优选地,所述聚乳酸可以购买得到,也可以制备得到,本发明对此不作限定。
优选地,所述聚乙二醇的数均分子量为1000-10000,例如,1000、3000、4000、5000、7000、9000、10000,优选为2000-6000,更优选为3000-5000。采用优选的条件,更有利于聚乳酸链段运动在废MTP-DC的诱导下快速结晶。
在本发明中,所述热塑性弹性体能够提高增韧聚乳酸材料的韧性,优选地,所述热塑性弹性体为聚酯段和聚醚段的嵌段共聚物。其中,所述聚酯段提高了增韧聚乳酸材料的柔顺性,即,提高了材料的拉伸和回缩性能;所述聚醚段具有较好的结晶性能,即,提高了材料的回弹性与强度。
优选地,所述热塑性弹性体在190℃和2.16kg载荷下的熔融流动指数为5-10g/10min,优选为7-9g/10min。其中,所述熔融流动指数的单位为g/10min。所述热塑性弹性体的熔融流动指数的测试方法包括:塑料粒在一定时间(10min)内、一定温度及压力(各种材料标准不同)下,融化成塑料流体,然后通过一直径为2.095mm圆管所流出的克数(g);当所述熔融流动指数越大,表示该塑胶材料的加工流动性越佳,反之则越差。
进一步优选地,所述聚酯段选自聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯;所述聚醚段选自聚乙二醇醚、聚丙二醇醚和聚四氢呋喃醚中的至少一种。
优选地,所述抗氧剂选自抗氧剂1010和/或抗氧剂1076;其中,抗氧剂1010是指四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯;抗氧剂1076是指β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯。
本发明第二方面提供一种增韧聚乳酸材料,该材料由第一方面提供的组合物经熔融共混处理得到。
在本发明的一些实施方式中,优选地,所述材料的冲击强度为5-25kJ/m2,优选为5-20kJ/m2,其中,所述冲击强度采用电子组合式摆锤冲击试验机测得。
根据本发明,制备所述材料的方法包括以下步骤:
(1)将聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂进行混合,得到混合物;
(2)将所述混合物依次进行熔融共混和可选的造粒,得到增韧聚乳酸材料。
在本发明中,没有特殊情况说明下,所述聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂的种类和重量比均依照上述的限定,本发明在此不作赘述。
在本发明中,步骤(1)中,对所述混合的方式具有较宽的选择范围,只要将所述聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂混合均匀即可。优选地,所述混合包括:先将聚乳酸、MTP失活催化剂和热塑性弹性体进行第一混合,再加入聚乙二醇进行第二混合,最后加入抗氧剂进行第三混合。
根据本发明的一种具体实施方式,先将聚乳酸、MTP失活催化剂和热塑性弹性体在高速搅拌混合机中,在高速剪切作用下充分混合后,再加入聚乙二醇,最后加入抗氧剂,得到混合均匀的混合物。
优选地,所述混合的时间为5-30min,优选为5-15min,其中,所述混合的时间是指第一混合、第二混合和第三混合的总时间之和。
优选地,在所述混合之前,对所述聚乳酸、MTP失活催化剂、热塑性弹性体和聚乙二醇各自独立地进行干燥。
在本发明中,对所述干燥的方式没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的干燥方式即可,只要除去所述聚乳酸、MTP失活催化剂、热塑性弹性体和聚乙二醇中吸附的水,避免加工受热与剪切作用使样品分解。优选地,所述干燥为真空干燥。
本发明的一种优选实施方式,所述聚乳酸、MTP失活催化剂和热塑性弹性体的真空干燥条件各自独立地包括:温度为70-100℃,优选为75-90℃;时间为1-10h,优选为5-6h。
本发明的另一种优选实施方式,所述聚乙二醇的真空干燥条件包括:温度为30-60℃,优选为35-50℃;时间为5-20h,优选为8-15h。
优选地,步骤(2)中,所述熔融共混的条件包括:螺杆转速为20-50r/min,优选为20-30r/min;加料段温度为180-185℃,混合段温度为185-195℃,模口温度为180-185℃。
在本发明中,对所述熔融共混的设备具有较宽的选择范围,优选地,所述熔融共混在双螺杆挤出机中进行。
本发明将所述混合物在双螺杆挤出机中挤出后,优选在空气中风冷下牵引至切粒机进行造粒,得到增韧聚乳酸材料。本发明对所述增韧聚乳酸材料的粒径范围没有要求,采用本领域技术人员熟知的聚乳酸材料颗粒的常规粒径范围即可。
本发明提供的方法中,将所述聚乳酸和MTP失活催化剂经过混合、熔融共混,使MTP失活催化剂与聚乳酸充分接触,提高熔融共混和造粒过程的结晶速度,从而提高聚乳酸材料的结晶速率和结晶度,提高了聚乳酸材料的稳定性。
本发明第三方面提供一种二方面提供的增韧聚乳酸材料在工程塑料领域中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行解释说明。
实施例和对比例中MTP失活催化剂的比表面积为350m2/g,孔容为0.4425cm3/g,酸量为0.28mmol/g,烧失量为10%,且MTP失活催化剂的元素分析列于表1,即:
表1
聚乳酸的参数满足:数均分子量为105,熔点为160℃,玻璃化温度为60℃,冷结晶温度为108℃。
热塑性弹性体购自四川晨光科新塑胶有限责任公司牌号为H2040的市售品,其中,H2040(190℃×2.16kg载荷)的熔融流动指数为8.23g/10min。
聚乙二醇(数均分子量为4000)购自阿拉丁公司的市售品。
增韧聚乳酸材料的冲击强度采用电子组合工冲击试验机测得。
实施例1-5和对比例1-6制得的增韧聚乳酸材料的性能测试列于表2。
实施例1
(1)将聚乳酸、MTP失活催化剂(中值粒径D50为1.59μm)和热塑性弹性体放入真空干燥箱中,在80℃温度下真空干燥6h;将聚乙二醇在40℃温度下真空干燥12h;
(2)将真空干燥后的聚乳酸45.95重量份、MTP失活催化剂10重量份、热塑性弹性体40重量份和聚乙二醇4重量份,以及抗氧化剂1010为0.05重量份加入高速搅拌混合机中,在高速剪切作用下充分混合5min,得到混合物;
(3)将混合物在双螺杆挤出机中进行熔融共混,并将所得产物在切粒机中进行造粒,得到增韧聚乳酸材料S1,其中,熔融共混的条件包括:螺杆转速为20r/min,加料段温度为185℃,混合段温度为190℃,模口温度为185℃。
实施例2
(1)将聚乳酸、MTP失活催化剂(中值粒径D50为1.59μm)和热塑性弹性体放入真空干燥箱中,在80℃温度下真空干燥6h;将聚乙二醇在40℃温度下真空干燥12h;
(2)将真空干燥后的聚乳酸55.95重量份、MTP失活催化剂10重量份、热塑性弹性体30重量份和聚乙二醇4重量份,以及抗氧化剂1010为0.05重量份加入高速搅拌机,在高速剪切作用下充分混合5min,得到混合物;
(3)将混合物在双螺杆挤出机中进行熔融共混,并将所得产物在切粒机中进行造粒,得到增韧聚乳酸材料S2,其中,熔融共混的条件包括:螺杆转速为20r/min,加料段温度为185℃,混合段温度为190℃,模口温度为185℃。
实施例3
(1)将聚乳酸、MTP失活催化剂(中值粒径D50为1.59μm)和热塑性弹性体放入真空干燥箱中,在80℃温度下真空干燥6h;将聚乙二醇在40℃温度下真空干燥12h;
(2)将真空干燥后的聚乳酸65.95重量份、MTP失活催化剂10重量份、热塑性弹性体20重量份和聚乙二醇4重量份,以及抗氧化剂1010为0.05重量份加入高速搅拌机中,在高速剪切作用下充分混合5min,得到混合物;
(3)将混合物在双螺杆挤出机中进行熔融共混,并将所得产物在切粒机中进行造粒,得到增韧聚乳酸材料S3,其中,熔融共混的条件包括:螺杆转速为20r/min,加料段温度为185℃,混合段温度为190℃,模口温度为185℃。
实施例4
按照实施例1的方法,不同的是,将聚乳酸的用量替换为75.95重量份,热塑性弹性体的用量替换为10重量份,得到增韧聚乳酸材料S4。
实施例5
按照实施例1的方法,不同的是,将所述聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体不进行真空干燥,即:
将聚乳酸45.95重量份、MTP失活催化剂10重量份、热塑性弹性体40重量份和聚乙二醇4重量份,以及抗氧化剂1010 0.05重量份加入高速搅拌混合机中,在高速剪切作用下充分混合5min,得到混合物,然后按照步骤(3),得到增韧聚乳酸材料S5。
对比例1
将聚乳酸放入真空干燥箱,在80℃温度下真空干燥6h;并将真空干燥后的聚乳酸在双螺杆挤出机中进行熔融共混,并将所得产物在切粒机中进行造粒,得到纯聚乳酸D1,其中,熔融共混的条件包括:螺杆转速为20r/min,加料段温度为185℃,混合段温度为190℃,模口温度为185℃。
对比例2
(1)将聚乳酸和MTP失活催化剂(中值粒径D50为1.59μm)放入真空干燥箱中,在在80℃温度下真空干燥6h;
(2)将真空干燥后的聚乳酸90重量份和MTP失活催化剂10重量份放入高速搅拌机中,在高速剪切作用下充分混合4min,得到混合物;
(3)将混合物在双螺杆挤出机中进行熔融共混,并将所得产物在切粒机中进行造粒,得到增韧聚乳酸材料D2,其中,熔融共混的条件包括:螺杆转速为20r/min,加料段温度为185℃,混合段温度为190℃,模口温度为185℃。
对比例3
按照实施例1的方法,不同的是,将所述MTP失活催化剂的中值粒径D50替换为3μm,得到增韧聚乳酸材料D3。
对比例4
按照实施例1的方法,不同的是,不加入10重量份的MTP失活催化剂,得到增韧聚乳酸材料D4。
对比例5
按照实施例1的方法,不同的是,各组分的用量不同,即:聚乳酸的用量替换为80重量份,MTP失活催化剂的用量替换为8重量份,聚乙二醇的用量替换为5重量份,热塑性弹性体的用量替换为6.9重量份,抗氧剂1010的用量替换为0.1重量份,得到增韧聚乳酸材料D5。
对比例6
按照实施例1的方法,不同的是,将MTP失活催化剂替换为SiO2和Al2O3,且硅铝比为7.11,得到增韧聚乳酸材料D6。
表2
注:*-聚乳酸、MTP失活催化剂、热塑性弹性体、聚乙二醇和抗氧剂的重量比。
通过表2数据可知,本发明提供的增韧聚乳酸材料,具有较高的冲击强度;尤其是将实施例1和对比例1进行比较可知,在聚乳酸作为基体的前提下,添加10重量份MTP失活催化剂、4重量份聚乙二醇、40重量份热塑性弹性体和0.05重量份抗氧剂,得到的聚乳酸组合物的冲击强度高达16.7kJ/m2,结晶度高达29%,相比对比例1制得的纯聚乳酸,冲击强度提高了5.51倍,提高了聚乳酸材料的冲击强度,同时也实现了MTP失活催化剂的资源化利用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种增韧聚乳酸组合物,其特征在于,该组合物包含:聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂;
其中,所述MTP失活催化剂为积炭的分子筛材料,所述MTP失活催化剂的中值粒径D50≤2μm,比表面积为200-500m2/g,孔容为0.2-0.5cm3/g,酸量为0.2-0.5mmol/g,硅铝比为4-10:1,烧失量为1-20%。
2.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述MTP失活催化剂含有SiO2、Al2O3和杂质,其中,所述杂质含有SO3、CaO、Fe2O3、TiO2和Na2O;
优选地,以所述MTP失活催化剂的重量为基准,所述SiO2和Al2O3的总含量≥98wt%,优选为98-99.8wt%;所述杂质的含量≤2wt%,优选为0.2-2wt%。
3.根据权利要求1或2所述的组合物,其中,所述聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂的重量比为40-90:5-15:1-8:10-50:0.03-0.08,优选为45-76:8-12:2-6:10-40:0.03-0.08。
4.根据权利要求1-3中分任意一项所述的组合物,其中,所述聚乳酸的参数满足:数均分子量为(0.1-3)×105,优选为(0.1-1)×105;熔点为120-200℃,优选为150-180℃;玻璃化温度为55-65℃,优选为58-62℃;冷结晶温度为100-115℃,优选为105-110℃;
优选地,所述聚乙二醇的数均分子量为1000-10000,优选为2000-6000;
优选地,所述热塑性弹性体为聚酯段和聚醚段的嵌段共聚物;
优选地,所述热塑性弹性体在190℃和2.16kg载荷下的熔融流动指数为5-10g/10min,优选为7-9g/10min;
优选地,所述聚酯段选自聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯;
优选地,所述聚醚段选自聚乙二醇醚、聚丙二醇醚和聚四氢呋喃醚中的至少一种;
优选地,所述抗氧剂选自抗氧剂1010和/或抗氧剂1076。
5.一种增韧聚乳酸材料,由权利要求1-4中任意一项所述的组合物经熔融共混处理得到。
6.根据权利要求5所述的材料,其中,所述材料的冲击强度为5-25kJ/m2,优选为5-20kJ/m2。
7.根据权利要求5或6所述的材料,其中,制备所述材料的方法包括以下步骤:
(1)将聚乳酸、MTP失活催化剂、聚乙二醇、热塑性弹性体和抗氧剂进行混合,得到混合物;
(2)将所述混合物依次进行熔融共混和可选的造粒,得到增韧聚乳酸材料。
8.根据权利要求7所述的材料,其中,步骤(1)中,所述混合包括:先将聚乳酸、MTP失活催化剂和热塑性弹性体进行第一混合,再加入聚乙二醇进行第二混合,最后加入抗氧剂进行第三混合;
优选地,在所述混合之前,对所述聚乳酸、MTP失活催化剂、热塑性弹性体和聚乙二醇各自独立地进行干燥。
9.根据权利要求7或8所述的材料,其中,步骤(2)中,所述熔融共混的条件包括:螺杆转速为20-50r/min,优选为20-30r/min;加料段温度为180-185℃,混合段温度为185-195℃,模口温度为180-185℃;
优选地,所述熔融共混在双螺杆挤出机中进行;
优选地,所述造粒在切粒机中进行。
10.权利要求5-9中任意一项所述的材料在工程塑料领域中的应用。
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