CN112403447A - 一种pamam/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法及应用,属于水处理用吸附材料研究领域。所述方法包括如下步骤:步骤一:将Kevlar纤维加入到DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色ANF溶液;步骤二:将不同代数PAMAM加入到步骤一得到的溶液中,充分超声混合后,得到一定浓度的混合溶液;步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到超纯水中进行质子交换,得到复合水凝胶;步骤四:将步骤三得到的水凝胶冷冻干燥得到PAMAM/ANF复合气凝胶。制备得到的气凝胶对染料和金属表现出优异的吸附性能。本发明结合了气凝胶和PAMAM分子的优势,且该方法步骤少,操作简单,性能优异,有利于工业化。
Description
技术领域
本发明属于水处理用吸附材料研究领域,具体涉及一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法及应用。
背景技术
飞速发展的现代工业导致的水污染问题引起了越来越广泛的关注。矿产、冶金、造纸、纺织、食品等现代工厂产生的工业废水含有大量的染料和金属离子,这对环境和人体是十分有害的。为了净化水资源,开发了各种各样的技术,包括化学沉积、膜过滤、生物处理等。但这些方法都有各自的缺点,如生成有毒副产物,耗能大和成本高等。吸附相对于上述方法而言,安全、有效、经济且易于操作,已经研究并应用了许多吸附材料,例如沸石,二氧化硅,小麦壳,橘皮,椰皮髓,杏仁壳,天然聚合物材料等。但这些吸附剂的吸附能力单一,无法同时吸附污水中的多种污染物。
较好的吸附性能要求吸附材料有较大的比表面积、对吸附质较大的亲和力以及较好的稳定性。树枝状高分子PAMAM分子链上有大量的氨基,这些基团对金属离子具有很强的亲和力,可以有效吸附去除污水中的金属离子,但其本身为无定形态,吸附处理后难以分离。气凝胶作为一种新兴材料,质轻而比表面积大,在吸附领域应用潜力大且已受到广泛研究,ANF气凝胶具有优异的亲水性、耐热性、化学惰性等优点在多个领域得到应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的吸附剂吸附能力单一、吸附后难分离的问题,提供一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法及应用,该方法利用芳纶纳米纤维分子链之间及其与PAMAM分子之间的强氢键作用,综合了PAMAM分子对金属离子的亲和作用和ANF气凝胶的优势,不仅增强了吸附能力还能同时处理污水中的金属离子和有机染料,为吸附剂的发展提供一个新思路。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,所述方法包括如下步骤:
步骤一:将Kevlar纤维加入到DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色ANF溶液;
步骤二:将PAMAM加入到步骤一得到的溶液中,加热混合均匀,充分超声混合后,降至室温,得到混合溶液;
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到超纯水中进行质子交换,充分静置以除去溶液中的DMSO和碱,得到复合水凝胶;
步骤四:用液氮将步骤三得到的复合水凝胶冷冻干燥,即得到PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
一种上述制备的复合气凝胶的应用,所述复合气凝胶用于对有机染料溶液进行吸附,具体为:取复合气凝胶,加入到50mg/mL~500mg/mL有机染料的水溶液中,将体系置于摇床中恒温震荡即可,所述复合气凝胶与有机染料的水溶液的混合比例为1~20mg:10mL~50mL。
一种上述制备的复合气凝胶的应用,所述复合气凝胶用于对金属离子溶液进行吸附,具体为:取复合气凝胶,加入到10mg/mL~500mg/mL金属离子的水溶液中,将体系置于摇床中恒温震荡即可,所述复合气凝胶与金属离子溶液的混合比例为5~30mg:10mL~50mL。
本发明相比于现有技术的有益效果为:本发明利用强氢键作用在溶液状态将PAMAM分子和芳纶纤维分子链复合在一起,然后制备得到气凝胶,综合了PAMAM和ANF气凝胶的不同优点,可对金属离子和有机染料进行有效吸附,尤其是染料,并且复合气凝胶性质稳定,不会产生有毒副产物。
附图说明
图1为气凝胶对染料的吸附量随时间变化图;
图2为气凝胶对金属离子的吸附量。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
芳纶纤维Kevlar在碱性条件下可以溶解在DMSO中,然后将PAMAM加入到溶液中充分搅拌混合,利用氢键作用将两种分子复合在一起,混合充分的溶液加入到大量水中进行质子交换得到复合水凝胶,冷冻干燥即得到复合气凝胶,该气凝胶既有PAMAM分子的对金属离子较强的亲和作用,同时又有芳纶气凝胶较大的比表面积、化学惰性以及对有机物的亲和性。
具体实施方式一:本实施方式记载的是一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,所述方法包括如下步骤:
步骤一:将Kevlar纤维加入到DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色ANF溶液;
步骤二:将PAMAM加入到步骤一得到的溶液中,加热降低溶液粘度帮助混合均匀,充分超声混合后,降至室温,得到混合溶液;
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到超纯水中进行质子交换,充分静置以除去溶液中的DMSO和碱,得到复合水凝胶;
步骤四:用液氮将步骤三得到的复合水凝胶冷冻干燥,即得到PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
具体实施方式二:具体实施方式一所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,步骤一中,所述Kevlar纤维在ANF溶液中的质量浓度为0.5~3%;所述碱的摩尔量为Kevlar分子链重复单元摩尔量的1~3倍;加入的碱的摩尔量与聚对苯二甲酰对苯二胺重复单元摩尔量的比为1、2、3;所述碱为NaOH、KOH、NaH2中的一种。不同浓度的ANF溶液制备的气凝胶孔尺寸不一样,导致比表面积不一样,本发明中限定的ANF溶液浓度可以保证制备的气凝胶具有较好的吸附性能。
具体实施方式三:具体实施方式一所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,步骤二中,所述PAMAM的代数为2~7;所述PAMMA与Kevlar纤维的质量比为0.1-10:1;所述加热的温度为50℃-70℃。引入PAMAM,可以提供更多的与污染物作用的原子和基团,代数增加同理。
具体实施方式四:具体实施方式三所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,步骤二中,所述PAMMA与Kevlar纤维的质量比为0.5:1、1.0:1、1.5:1或2.0:1。
具体实施方式五:具体实施方式一所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,步骤三中,所述混合溶液与超纯水的体积比为1:5~50,静置时间为24h-96h;所述质子交换的时间为12h~96h。
具体实施方式六:具体实施方式一所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,步骤四中,所述冷冻干燥的温度为-50℃~-65℃,时间为24h~72h。
具体实施方式七:具体实施方式六所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,步骤四中,所述冷冻干燥的时间为24h~48h。
具体实施方式八:一种具体实施方式一至七任一项制备的复合气凝胶的应用,所述复合气凝胶用于对有机染料溶液进行吸附,具体为:取复合气凝胶,加入到50mg/mL~500mg/mL有机染料的水溶液中,将体系置于摇床中恒温震荡即可,所述复合气凝胶与有机染料的水溶液的混合比例为1~20mg:10mL~50mL。
具体实施方式九:具体实施方式八所述的复合气凝胶的应用,所述染料为刚果红、亚甲基橙、亚甲基蓝中的一种或多种;所述吸附的时间为0.5h~48h,温度为30℃~90℃。
具体实施方式十:一种具体实施方式一至七任一项制备的复合气凝胶的应用,所述复合气凝胶用于对金属离子溶液进行吸附,具体为:取复合气凝胶,加入到10mg/mL~500mg/mL金属离子的水溶液中,将体系置于摇床中恒温震荡即可,所述复合气凝胶与金属离子溶液的混合比例为5~30mg:10mL~50mL。
具体实施方式十一:具体实施方式十所述的复合气凝胶的应用,所述金属离子为Ag+、Cu2+、Ni2+、Pb2+中的一种或多种;所述吸附的时间为0.5h~48h,温度为30℃~90℃。
实施例1:
步骤一:将2g Kevlar纤维加入到98g DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色溶液。
步骤二:加热步骤一得到的溶液至50℃,将1g三代PAMAM加入到溶液中,充分混合后,降至室温。
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到500mL超纯水中进行质子交换,静置24h,得到复合水凝胶。
步骤四:用液氮将步骤三得到的水凝胶冷冻,-60℃下进行冷冻干燥24h得到PAMAM/ANF复合气凝胶。
基于实施例1制备的复合气凝胶,提供以下的应用例:
应用例1-1:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡0.5h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为91.251mg/L,吸附量为17.498mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡0.5h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为95.871mg/L,吸附量为8.2588mg/g。
应用例1-2:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡1.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为79.263mg/L,吸附量为41.474mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡1.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为95.262mg/L,吸附量为9.476mg/g。
应用例1-3:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡3.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为41.672mg/L,吸附量为116.656mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡3.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为95.262mg/L,吸附量为9.476mg/g。
应用例1-4:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡6.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为25.672mg/L,吸附量为148.660mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡6.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为94.356mg/L,吸附量为11.388mg/g。
应用例1-5:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡12.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为10.692mg/L,吸附量为178.616mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡12.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为94.569mg/L,吸附量为10.862mg/g。
应用例1-6:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡24.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为2.219mg/L,吸附量为195.562mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡24.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为92.291mg/L,吸附量为15.418mg/g。
应用例1-7:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡48.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为1.859mg/L,吸附量为196.282mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡48.0h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为91.312mg/L,吸附量为17.376mg/g。
由该实施例可知,复合气凝胶对染料的吸附性能要好于对银离子的吸附性能,但吸附银离子的速度要快于吸附染料。
实施例2:
步骤一:将2g Kevlar纤维加入到98g DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色溶液。
步骤二:加热步骤一得到的溶液至50℃,将1g三代PAMAM加入到溶液中,充分混合后,降至室温。
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到500mL超纯水中进行质子交换,静置24h,得到复合水凝胶。
步骤四:用液氮将步骤三得到的水凝胶冷冻,-60℃下进行冷冻干燥24h得到PAMAM/ANF复合气凝胶。
基于实施例1制备的复合气凝胶,提供以下的应用例:
应用例2-1:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为2.219mg/L,吸附量为195.562mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中30℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为92.291mg/L,吸附量为15.418mg/g。
应用例2-2:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中40℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为1.853mg/L,吸附量为196.294mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中40℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为91.313mg/L,吸附量为17.374mg/g。
应用例2-3:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为1.853mg/L,吸附量为196.294mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为91.657mg/L,吸附量为16.686mg/g。
应用例2-4:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中60℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为2.054mg/L,吸附量为195.892mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中60℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为91.012mg/L,吸附量为17.976mg/g。
应用例2-5:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中70℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为1.734mg/L,吸附量为196.532mg/g。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中70℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为91.814mg/L,吸附量为16.372mg/g。
应用例2-6:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中80℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为1.821mg/L,吸附量为196.358mg/g,由该实施例可知,升高温度可以一定程度地提高吸附能力,但影响不大。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中80℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为91.124mg/L,吸附量为17.753mg/g。
应用例2-7:
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中90℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为1.783mg/L,吸附量为196.434mg/g,由该实施例可知,升高温度可以一定程度地提高对刚果红的吸附能力,但影响不大。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中90℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为90.322mg/L,吸附量为19.356mg/g,由该实施例可知,升高温度可以一定程度地提高对刚果红的吸附能力,但影响不大。
实施例3:
步骤一:将2g Kevlar纤维加入到98g DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色溶液。
步骤二:加热步骤一得到的溶液至50℃,将2g三代PAMAM加入到溶液中,充分混合后,降至室温。
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到500mL超纯水中进行质子交换,静置24h,得到复合水凝胶。
步骤四:用液氮将步骤三得到的水凝胶冷冻,-60℃下进行冷冻干燥24h得到PAMAM/ANF复合气凝胶。
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为1.985mg/L,吸附量为196.03mg/g,高于同等条件下加入1g PAMAM的气凝胶的吸附能力。
实施例4:
步骤一:将2g Kevlar纤维加入到98g DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色溶液。
步骤二:加热步骤一得到的溶液至50℃,将3g三代PAMAM加入到溶液中,充分混合后,降至室温。
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到500mL超纯水中进行质子交换,静置24h,得到复合水凝胶。
步骤四:用液氮将步骤三得到的水凝胶冷冻,-60℃下进行冷冻干燥24h得到PAMAM/ANF复合气凝胶。
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为0.914mg/L,吸附量为198.172mg/L,高于加入2g PAMAM的复合气凝胶。
实施例5:
步骤一:将2g Kevlar纤维加入到98g DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色溶液。
步骤二:加热步骤一得到的溶液至50℃,将4g三代PAMAM加入到溶液中,充分混合后,降至室温。
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到500mL超纯水中进行质子交换,静置24h,得到复合水凝胶。
步骤四:用液氮将步骤三得到的水凝胶冷冻,-60℃下进行冷冻干燥24h得到PAMAM/ANF复合气凝胶。
步骤五:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的刚果红水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度。
步骤六:取10mg复合气凝胶,加入到20mL 100mg/L的硝酸银水溶液中,将体系置于摇床中50℃震荡24h,取吸附后溶液的上清液,测试其浓度为0.549mg/L,吸附量为198.902mg/g,说明随着加入PAMAM质量的增加,吸附能力增加。
Claims (11)
1.一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:
步骤一:将Kevlar纤维加入到DMSO的碱溶液中,常温下搅拌至纤维溶解,得到暗红色ANF溶液;
步骤二:将PAMAM加入到步骤一得到的溶液中,加热混合均匀,充分超声混合后,降至室温,得到混合溶液;
步骤三:将步骤二得到的混合溶液加入到超纯水中进行质子交换,充分静置以除去溶液中的DMSO和碱,得到复合水凝胶;
步骤四:用液氮将步骤三得到的复合水凝胶冷冻干燥,即得到PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述Kevlar纤维在ANF溶液中的质量浓度为0.5~3%;所述碱的摩尔量为Kevlar分子链重复单元摩尔量的1~3倍;所述碱为NaOH、KOH、NaH2中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,其特征在于:步骤二中,所述PAMAM的代数为2~7;所述PAMMA与Kevlar纤维的质量比为0.1-10:1;所述加热的温度为50℃-70℃。
4.根据权利要求3所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,其特征在于:步骤二中,所述PAMMA与Kevlar纤维的质量比为0.5:1、1.0:1、1.5:1或2.0:1。
5.根据权利要求1所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,其特征在于:步骤三中,所述混合溶液与超纯水的体积比为1:5~50,静置时间为24h-96h;所述质子交换的时间为12h~96h。
6.根据权利要求1所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,其特征在于:步骤四中,所述冷冻干燥的温度为-50℃~-65℃,时间为24h~72h。
7.根据权利要求6所述的一种PAMAM/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备方法,其特征在于:步骤四中,所述冷冻干燥的时间为24h~48h。
8.一种权利要求1~7任一项制备的复合气凝胶的应用,其特征在于:所述复合气凝胶用于对有机染料溶液进行吸附,具体为:取复合气凝胶,加入到50mg/mL~500mg/mL有机染料的水溶液中,将体系置于摇床中恒温震荡即可,所述复合气凝胶与有机染料的水溶液的混合比例为1~20mg:10mL~50mL。
9.根据权利要求8所述的复合气凝胶的应用,其特征在于:所述染料为刚果红、亚甲基橙、亚甲基蓝中的一种或多种;所述吸附的时间为0.5h~48h,温度为30℃~90℃。
10.一种权利要求1~7任一项制备的复合气凝胶的应用,其特征在于:所述复合气凝胶用于对金属离子溶液进行吸附,具体为:取复合气凝胶,加入到10mg/mL~500mg/mL金属离子的水溶液中,将体系置于摇床中恒温震荡即可,所述复合气凝胶与金属离子溶液的混合比例为5~30mg:10mL~50mL。
11.根据权利要求10所述的复合气凝胶的应用,其特征在于:所述金属离子为Ag+、Cu2+、Ni2+、Pb2+中的一种或多种;所述吸附的时间为0.5h~48h,温度为30℃~90℃。
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