CN112430855B - 一种均质纺丝溶液的制备方法 - Google Patents

一种均质纺丝溶液的制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的均质纺丝溶液的制备方法,包括:a)将温度为t1的低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物进行预混合,以获得堆积密度与压实密度之比为0.29~0.32的蓬松状预混物A,其中t1为5~50℃;b)将预混物A与温度为t2的所述低温熔融盐进行充分混合,直至获得均质透明的溶液,其中t1<t2<210℃。本发明方法通过上述两步加入低温熔融盐,既保证了纤维素、角质蛋白充分溶胀,避免发生白芯现象,又缩短了溶解时间,防止溶解过程中发生过度降解。

Description

一种均质纺丝溶液的制备方法
技术领域
本发明涉及再生纤维素纤维领域,具体涉及一种低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的均质纺丝溶液的制备方法。
背景技术
随着不可再生资源的过度开采和日益紧张,可再生资源的研究和开发也越来越受到人们的关注。纤维素、角质蛋白等作为含量丰富的可再生资源,受到极大关注。纤维素、角质蛋白或者纤维素/角质蛋白的混合物可以溶解在一定的溶剂中制备成均质透明溶液,该溶液可以通过控制凝固成型条件制成长丝、短纤维、薄膜、发泡材料等。天然纤维素具有结晶度高,且分子间及分子内存在大量的氢键,具有难溶解、难融化和不可塑等特性,影响其应用。因此,寻找纤维素的有效溶解体系,增加纤维素的可塑性与可及性,是十分必要的。
低温熔融盐是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐。低温熔融盐种类繁多,改变阳离子、阴离子的不同组合,可以设计合成出不同的低温熔融盐。由于低温熔融盐本身所具有的许多传统溶剂所无法比拟的优点及其作为绿色溶剂应用于有机及高分子物质的合成,因而受到越来越多的化学工作者的关注。
近年来,国内外对以低温熔融盐为溶剂对纤维素、角质蛋白、木质素进行溶解和加工的研究越来越多。CN101160325B、CN1844214A、CN101089250A、CN1491974A等均是将低温熔融盐与纤维素均匀混合后,直接升温溶解的方法制备纤维素/低温熔融盐溶液,而CN103710775A中则是将角质蛋白直接加入到高温的低温熔融盐中溶解。但是由于纯低温熔融盐对纤维素、角质蛋白溶解能力很强,在纤维素、角质蛋白或纤维素/角质蛋白溶解过程中,与低温熔融盐接触的部分很快溶解,易形成溶解的纤维素、角质蛋白或纤维素/角质蛋白浆液包裹着还未溶解的纤维素、角质蛋白或纤维素/角质蛋白的状态,使得内层的纤维素、角质蛋白不能够完全溶解,因而存在纤维素、角质蛋白或纤维素/角质蛋白混合物溶解不均匀、在纺丝液中形成凝胶等问题,对纤维素、角质蛋白或纤维素/角质蛋白溶液的后续应用造成极大的困扰。此外,这种直接溶解法制得的纺丝原液的表观黏度较高,使得纺丝原液的固含量受到限制,降低了生产效率。
CN 101476166A公开了一种间歇法制备纺丝原液的方法。该方法主要用于解决低温熔融盐溶解能力强、速度快而导致的被包裹在内部的纤维素未被溶解带来的纺丝效果差的问题。但该方法需在高温下真空除水,溶解时间较长,能耗高。
WO 2006/000197 A1、CN105670026A公开了一种纤维素溶液的制备方法,该方法是利用低温熔融盐在含水较多条件下不能溶解纤维素的特性,首先将低温熔融盐水溶液与纤维素原料进行预混合,然后在剪切、升高温度、抽真空条件下除去多余的水,使纤维素在低温熔融盐中溶解,获得均质透明的溶液。该方法与CN1211509C、CN1042165A中以NMMO为溶剂制备纤维素溶液的方法类似,该方法所需的真空脱水溶解设备较大且结构复杂,不利于工业化生产。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷,本发明提供了一种均质纺丝溶液的制备方法,采用真空条件下,升温分步添加低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物进行混合,获得充分溶解的匀质纺丝溶液。
由于低温熔融盐(离子液体)对纤维素的溶解能力太强,在溶解过程中,与离子液体接触的部分纤维素很快溶解,形成了黏度较大的纤维素浆液,在一定程度上减小了离子液体向内层纤维扩散和溶解的能力,从而会形成包裹着的凝胶、气泡以及未溶解的固体颗粒的纺丝液,难以形成匀质纺丝溶液,从而影响纺丝液质量。
本发明制备方法的第一步目的是控制不发生溶解,低温熔融盐充当了溶胀剂,使低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物体系中纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物处于融合处溶胀状态。
第二步继续添加低温熔融盐,提高体系中低温熔融盐溶剂的比例和体系温度,达到对体系中纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物充分均匀溶解目的。
第一方面,本发明申请实施方案提供了一种低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的均质纺丝溶液的制备方法,包括:
a)将温度为t1的低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物进行预混合,以获得松散度为0.29~0.32的蓬松状预混物A,其中t1为5~50℃;
b)将预混物A与温度为t2的所述低温熔融盐进行充分混合,直至获得均质透明的溶液,其中t1<t2<210℃。
在这里,为便于纺丝后低温熔融盐的回收,步骤a)和步骤b)中添加的是相同种类的低温熔融;预混物A的松散度可以用堆积密度与压实密度之比来表征。
在一个实施方案中,预混物A的堆积密度为0.26~0.30g/cm3,压实密度为0.85~1.0g/cm3
在这里,堆积密度是预混物A的散粒材料在自然堆积状态下的密度,这可以通过市售的堆积密度测定仪测得。压实密度是将预混物A经一定压力压实后的密度,本发明采用专用于聚合物密度测量的压实密度分析仪进行测量,例如Elatest压实密度分析仪,所施加的压力约为6.0巴。
在另一实施方案中,预混合步骤a)中低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的质量之比为2~12,预混合时间为5~60分钟,搅拌速度为5~120转/分。
通过此步预混合的步骤,在一定混合时间和搅拌速度下,低温熔融盐充当了溶胀剂,进入到纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物内部,削弱大分子之间的相互作用,使其体积膨胀。
在又一实施方案中,步骤a)和b)中溶解设备体系的真空度为-0.01~-0.1Mpa,以有效地避免高黏度溶液制备过程中易夹带气泡的问题。
在又一实施方案中,步骤b)中所述低温熔融盐通过喷淋加入预混物A中,优选步骤b)中所获得的均质透明的溶液在90℃下粘度为20~30000Pa·s。
在又一实施方案中,所述低温熔融盐的含水率低于30000ppm,所述纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的含水质量百分率小于15%。
在又一实施方案中,所述纤维素的聚合度为300~2800,以浆粕或粉末形式使用,所述角质蛋白为动物角蛋白,以粉末形式使用
在又一实施方案中,所述低温熔融盐选自磷酸酯、醋酸盐或氯盐。
在又一实施方案中,步骤b)中所获得的溶液可用于生产长丝、短纤、复合纤维、薄膜、发泡材料等。
本发明的有益效果在于:
本发明提供的方法不仅有效地避免了高黏度溶液制备过程中易夹带气泡的问题,而且在防止高分子材料记忆效应的前提下缩短了溶解时间,避免了溶解过程中发生过度降解。
本发明的制备方法分两步进行,通过保证在第一步预混合步骤中获得具有特定松散度的蓬松状预混物A,这既区别于低温熔融盐含量较高时的浆粥状,又不同于纤维素或角质蛋白含量较高时的软泥状,从而确保了低温熔融盐在此阶段不会溶解与其接触的纤维素或角质蛋白。也就是说,本发明方法的第一步要尽量控制不发生溶解,低温熔融盐对纤维素或角质蛋白的溶解的整个过程都控制发生在第二步,提高体系中溶剂的比例和体系温度进而使溶质溶解。
由此,本发明的制备方法解决了现有技术中易形成溶解的纤维素、角质蛋白或纤维素/角质蛋白浆液包裹着还未溶解的纤维素、角质蛋白或纤维素/角质蛋白的问题,且溶解时间短,能耗低。
具体实施方式
具体而言,本发明提供了一种低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的均质纺丝溶液的制备方法,包括:
a)将温度为t1的低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物进行预混合,以获得堆积密度与压实密度之比为0.29~0.32的蓬松状预混物A,t1为5~50℃;
b)将预混物A与温度为t2的所述低温熔融盐进行充分混合,直至获得均质透明的溶液,其中t1<t2<210℃。
适用于本发明的低温熔融盐选自1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([EMIM]DEP)、1-甲基-3-甲基咪唑磷酸盐([MMIM]DMP)、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-甲基烯丙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)、1-甲基烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-丙基-3-甲基咪唑甲酸盐、1-甲基烯丙基-3-甲基咪唑甲酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑甲酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑甲酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑丙酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑丙酸盐、1-甲基烯丙基-3-甲基咪唑丙酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑硫酸盐、1-甲基烯丙基-3-甲基咪唑硫酸盐等。低温熔融盐在本发明中作为液体溶剂原料使用,其本身的化学结构并不重要,只要在混合温度下能保持液体状态即可。因此,本发明还可以使用其它常温下可保持液态并且可溶解纤维素或角质蛋白的低温熔融盐。
适用于本发明的纤维素的聚合度(DP)为300~2800,其可以选自细菌纤维素、棉花、脱脂棉、棉短绒、棉浆粕、木浆粕、竹浆粕、微晶纤维素以及麻、稻草、小麦秸秆、棉花秸秆、玉米秸秆、甘蔗渣和各种草中提取的纤维素,或者这些纤维素的混合物。本发明中,所述纤维素一般以浆粕或粉末形式使用,以提高固液混合的效率。
适用于本发明的角质蛋白可以为动物角蛋白,例如羊毛、兔毛、猪毛、牦牛毛等。同样为了提高混合效率,角质蛋白在本发明中以粉末形式使用。
由于低温熔融盐极易溶于水并且在含水量较高的情况下不能溶解纤维素等,因此低温熔融盐和纤维素、角质蛋白或纤维素和角质蛋白的含水率应控制在一定范围内。本发明方法中低温熔融盐的含水率可以低于30000ppm,优选含水率为0,而纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的含水质量百分率可以小于15%。
本发明方法第一步a)中预混合温度t1可以为5~50℃,优选20-50℃,更优选35-40℃。当t1低于5℃时,有些种类的低温熔融盐可能发生结晶。为了在该步骤中能够获得具有特定松散度的蓬松状预混物A,t1最好不要超过50℃。当使用黏度偏大的低温熔融盐如1-丁基-3-甲基咪唑氯盐等时,在上述温度范围内选择偏高的t1值有利于降低液体黏度,促进低温熔融盐与纤维素或角质蛋白的混合。第二步b)中的温度t2应该大于t1,以促进纤维素或角质蛋白在低温熔融盐中的充分溶解,缩短溶解时间;但是,t2不能高于210℃,优选115℃<t2<145℃,更优选115℃<t2<125℃以防止低温熔融盐发生分解,因此t1<t2<210℃,优选t1<t2<145℃,更优选t1<t2<125℃。
添加过两次低温熔融盐的最终溶解体系温度t3过低不利于溶质的完全溶解,t3过高则可能造成低温熔融盐发生分解且造成能源的浪费,因此最终溶解体系的温度t3应控制在85℃~115℃,优选90℃~100℃。为使添加过两次低温熔融盐的最终溶解体系能达到最佳溶解温度t3,步骤b)中添加的温度为t2的低温熔融盐的质量m2与步骤a)中添加的温度为t1的低温熔融盐的质量m1之比应控制在一定范围,在本发明中,m2与m1之比可以为0.8~2,优选1.5~2。
为了获得具有特定松散度的蓬松状预混物A,预混合步骤a)中低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的质量之比可以为2~12,优选2~5,以使溶质能够充分吸收溶剂的同时保持松散状、且混合后无液体渗出为宜;预混合时间可以控制在5~60分钟,优选10~30分钟,更优选10~20分钟;搅拌速度过快可能会造成溶质的提前溶解,搅拌速度过慢则不利于溶质均匀吸收溶剂,因此搅拌速度可以控制为5~120转/分,优选10~80转/分,更优选50~80转/分,由此避免该步骤中纤维素或角质蛋白在低温熔融盐中发生溶解,以致于最终不能得到均质透明的溶液。
本发明中,预混物A的松散度可以用堆积密度与压实密度之比来表征。堆积密度是预混物A的散粒材料在自然堆积状态下的密度,这可以通过市售的堆积密度测定仪测得。压实密度是将预混物A经一定压力压实后的密度,本发明采用专用于聚合物密度测量的压实密度分析仪进行测量,例如Elatest压实密度分析仪,所施加的压力可以约为6.0巴。本发明的制备方法中首先将纤维素、角质蛋白或其混合物粉碎,得到用于预混合的物料,其堆积密度可以为0.3~0.35g/cm3;预混合后,所得预混物A的堆积密度可以为0.26~0.30g/cm3,压实密度可以为0.85~1.0g/cm3。由此,预混物A的松散度可以控制在0.29~0.32。
本发明中的预混物A仍能保持相对蓬松的状态,这既区别于低温熔融盐含量较低时的粉状(部分纤维素粉末未被浸润),又不同于纤维素或角质蛋白含量较低时的软泥状,预混物A中的纤维素或角质蛋白处于已溶胀且未溶解的状态。在步骤b)中,通过向这种蓬松的预混物A中加入一定量温度比步骤a)中的高的低温熔融盐,低温熔融盐能快速流入预混物A的孔隙中,与其充分混合,提高了溶解体系中溶剂的比例和体系温度,进而使纤维素、角质蛋白发生溶解,获得均质透明的溶液;由于这样溶解时间短,从而可以避免纤维素或角质蛋白在溶解过程中发生过度降解,此外,在进行预混合步骤的同时,对步骤b)中待加入的低温熔融盐进行加热而非混合后再加热,省去了混合后的加热时间,进一步缩短了溶解时间。步骤b)中的低温熔融盐可以通过置于顶部的喷淋装置加入,充分混合后可获得在90℃下黏度为20~30000Pa·s的均质溶液。
本发明方法通过上述两步加入低温熔融盐,既保证了纤维素、角质蛋白充分溶胀,避免发生白芯现象,又缩短了溶解时间,防止溶解过程中发生过度降解。
可以看到,本发明的制备方法仍是采用低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或其混合物在混合罐中直接混合的常规方式,这样能避免现有技术中使用某些特定设备例如螺杆挤出机进行溶解过程中的高分子记忆效应,从而提高了最终溶液的可加工性能,为实现纤维素、角质蛋白、纤维素/角质蛋白溶液的规模化应用提供了一种简单、高效的方法。这是因为高分子的松弛运动需要一定时间,而纤维素或角质蛋白在螺杆挤出机中的溶解时间一般很短,从而会存在一定的记忆效应,如此对后续纺丝不利。
本发明方法中步骤a)和b)都进行抽真空处理,以使体系的真空度可以保持在-0.01~-0.1MPa,从而有效地避免了高黏度溶液制备过程中易夹带气泡的问题。
通过本发明方法获得的均质纺丝溶液可用于生产长丝、短纤、复合纤维、薄膜、发泡材料等。
实施例
以下通过实施例来更详细地说明本发明。所有实施例中预混物A的堆积密度;压实密度都采用Elatest压实密度分析仪(产自德国,
Figure BDA0002637017100000101
)测得,压缩空气的压力约为6.0巴。
实施例1:
1)首先将20g形状约为1cm2的纤维素浆粕加入到混合罐A中,并抽真空至-0.1MPa。然后将80g含水率约为1200ppm的1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入混合罐A中,温度约为40℃。在搅拌速度约为80转/分下搅拌20分钟,获得堆积密度约为0.286g/cm3、压实密度约为0.923g/cm3的预混物,其松散度约为0.3099。
2)在保持体系的真空度约为-0.1MPa的条件下,将135g温度约为121℃的[AMIM]Cl加入到混合罐A中,使其与预混物充分混合,获得黏度约为968Pa·s的均质透明的纤维素溶液。
实施例2
1)首先将18g纤维素粉末(DP=1000)与2g粉碎为细粉状的角质蛋白(纤维素和角质蛋白混合粉末的堆积密度约为0.33g/cm3)加入到混合罐A中,并抽真空至-0.09MPa。然后将70g含水率约为6000ppm的1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([EMIM]DEP)加入混合罐A中,温度约为38℃,在搅拌速度约为60转/分下搅拌20分钟,获得堆积密度约为0.283g/cm3、压实密度约为0.962g/cm3的预混物,其松散度约为0.2942。
2)在保持体系的真空度约为-0.09MPa的条件下,将120g温度约为121℃的[EMIM]DEP加入到混合罐A中,使其与预混物充分混合,获得黏度约为4180Pa·s的均质透明溶液。
实施例3
1)首先将16g粉碎为细粉状的角质蛋白(堆积密度约为0.32g/cm3)加入到混合罐A中,并抽真空至-0.1MPa。然后将60g含水率约为10000ppm的1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯([EMIM]DEP)加入混合罐A中,温度约为40℃,在搅拌速度约为60转/分下搅拌15分钟,获得堆积密度约为0.28g/cm3、压实密度约为0.954g/cm3的预混物,其松散度约为0.2935。
2)在保持体系的真空度约为-0.1MPa的条件下,将温度约为135℃的80g[EMIM]DEP加入到混合罐A中,使其与预混物充分混合,获得黏度均质透明的角质蛋白溶液。
实施例4
1)首先将12g粉末状纤维素与3g粉碎为细粉状的角质蛋白(纤维素和角质蛋白混合粉末的堆积密度约为0.342g/cm3)加入到混合罐A中,并抽真空至-0.1MPa。然后将45g的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)加入混合罐A中,温度约为40℃,在搅拌速度约为50转/分下搅拌20分钟,获得堆积密度约为0.295g/cm3、压实密度约为0.964g/cm3的预混物,其松散度约为0.3060。
2)在保持体系的真空度约为-0.1MPa的条件下,将80g温度约为125℃的[BMIM]Cl加入到混合罐A中,使其与预混物充分混合,获得黏度约为13420Pa·s的均质透明的纤维素/角蛋白溶液。
实施例5
1)首先将18g的纤维素粉末(聚合度为DP=550,堆积密度约为0.34g/cm3)加入到混合罐A中,并抽真空至-0.1MPa。然后将48g的1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入混合罐A中,温度约为45℃,在搅拌速度约为10转/分下搅拌40分钟,获得堆积密度约为0.295g/cm3、压实密度约为0.975g/cm3的预混物,其松散度约为0.3026。
2)在保持体系的真空度约为-0.1MPa的条件下,将96g温度约为110℃的[AMIM]Cl加入到混合罐中,使其与预混物充分混合,获得黏度约为2560Pa·s的均质透明的纤维素溶液。
实施例6
1)首先将10g的纤维素粉末(聚合度为DP=1000,堆积密度约为0.318g/cm3)加入到混合罐A中,并抽真空至-0.1MPa。然后将42g温度约为28℃的1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)加入混合罐A中,在搅拌速度约为80转/分下搅拌25分钟,获得堆积密度约为0.275g/cm3、压实密度约为0.864g/cm3的预混物,其松散度约为0.3183。
2)在保持体系的真空度约为-0.1MPa的条件下,将82g温度约为128℃的[AMIM]Cl加入到混合罐A中,使其与预混物充分混合,获得黏度约为2437Pa·s的均质透明的纤维素溶液。
实施例7
1)首先10.5g的纤维素粉末(聚合度为DP=800,堆积密度约为0.332g/cm3)混合均匀,加入到混合罐A中,并抽真空至-0.1MPa。然后将39.5g的1-甲基-3-甲基咪唑磷酸盐([MMIM]DMP)加入混合罐A中,温度约为15℃,在搅拌速度约为90转/分下搅拌9分钟,获得堆积密度约为0.285g/cm3、压实密度约为0.964g/cm3的预混物,其松散度约为0.2956。
2)在保持体系的真空度约为-0.1MPa的条件下,将65g温度约为150℃的[MMIM]DMP加入到混合罐A中,使其与预混物充分混合,获得黏度约为6095Pa·s的均质透明的纤维素溶液。

Claims (8)

1.一种低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于包括:
a)将温度为t1的低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物进行预混合,以获得松散度为0.29~0.32的蓬松状预混物A,其中t1为5~50℃,
所述预混物A的松散度为堆积密度与压实密度之比,所述堆积密度是预混物A的散粒材料在自然堆积状态下用堆积密度测定仪测得的密度,所述压实密度是将预混物A用Elatest压实密度分析仪施加6.0巴压力压实后的密度,所述预混物A的堆积密度为0.26~0.30g/cm3,压实密度为0.85~1.0g/cm3
所述预混合步骤中低温熔融盐与纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的质量之比为2~12,预混合时间为5~60分钟,搅拌速度为5~120转/分;
b)将预混物A与温度为t2的所述低温熔融盐进行充分混合,直至获得均质透明的溶液,其中t1<t2<210℃。
2.根据权利要求1所述的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于步骤a)和b)中体系的真空度为-0.01~-0.1MPa。
3.根据权利要求1所述的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于步骤b)中所述低温熔融盐通过喷淋加入预混物A中。
4.根据权利要求1所述的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于步骤b)中所获得的均质透明的溶液在90℃下粘度为20~30000Pa·s。
5.根据权利要求1所述的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于所述低温熔融盐的含水率低于30000ppm,所述纤维素、角质蛋白或纤维素角质蛋白混合物的含水质量百分率小于15%。
6.根据权利要求1所述的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于所述纤维素的聚合度为300~2800,以浆粕或粉末形式使用,所述角质蛋白为动物角蛋白,以粉末形式使用。
7.根据权利要求1所述的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于所述低温熔融盐选自磷酸盐、醋酸盐或氯盐。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的均质纺丝溶液的制备方法,其特征在于步骤b)中所获得的溶液用于生产长丝、短纤、复合纤维、薄膜、发泡材料。
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