CN112585179B - 用于碳纤维的丙烯腈类共聚物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,该用于碳纤维的丙烯腈类共聚物包含:磺酸盐类单体单元、羧酸类单体单元和丙烯腈类单体单元,并且所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物包含0.55摩尔%至1.55摩尔%的所述磺酸盐类单体单元和0.60摩尔%至1.40摩尔%的所述羧酸类单体单元。
Description
技术领域
[相关申请的交叉引用]
本申请要求于2018年11月02日提交的韩国专利申请No.10-2018-0133738的优先权和权益,该专利申请的公开内容通过引用全部并入本说明书中。
[技术领域]
本发明涉及一种用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,具体地,涉及一种能够被制造为表现出优异的圆度的丙烯腈类纤维的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物。
背景技术
碳纤维是由总重量的90重量%以上的碳原子组成的纤维状碳材料,并且指在惰性气氛中通过使丙烯腈类聚合物和由作为石油或煤类碳氢化合物残余物的沥青或人造丝制成的纤维状前体进行热解而得到的纤维。
碳纤维是兼具碳的结构和组织特性以及纤维形状的材料,并且在耐热性、化学稳定性、电热传导性、根据低温膨胀性的尺寸稳定性、低密度、摩擦/磨损性能、X射线透过性、电磁波屏蔽性、生物相容性、柔韧性等方面优异。此外,根据活化条件,碳纤维可以具备显著的吸附能力。
丙烯腈类共聚物被广泛地用作碳纤维前体的原料。作为丙烯腈类共聚物的制备方法,通常使用溶液聚合。溶液聚合是使用单体、引发剂和反应溶剂的方法,并且具有由于可以使用共聚物溶液本身作为纺丝溶液,因此不需要将共聚物溶解在纺丝溶剂中的工艺的优点。
同时,由于碳纤维的机械性能受到作为前体的丙烯腈类纤维的形态的影响,因此,需要从纺丝工艺调节丙烯腈类纤维的形态。具体地,当通过湿法纺丝制造丙烯腈类纤维时,已知作为原料的丙烯腈类共聚物的凝结速率大大影响纤维的形态。因此,通常将氨加入到丙烯腈类共聚物溶液中以调节丙烯腈类共聚物的凝结速率。然而,另外需要加入氨的工艺,并且需要安装用于有毒气体氨的附加的安全管理设备,引起制造成本增加。
因此,需要开发一种丙烯腈类共聚物,该丙烯腈类共聚物可以在没有单独的氨处理的情况下通过湿法纺丝被制造为具有优异的形态的用于碳纤维的丙烯腈类纤维。
发明内容
技术问题
本发明提供一种用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,该丙烯腈类共聚物在不单独进行亲水化处理的情况下表现出优异的圆度。
另外,本发明提供一种用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,该丙烯腈类共聚物表现出优异的可纺性并且使耐火处理过程中的副反应最小化。
技术方案
本发明的一个方面提供一种用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,该用于碳纤维的丙烯腈类共聚物包含:磺酸盐类单体单元、羧酸类单体单元和丙烯腈类单体单元,其中,所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物包含0.55摩尔%至1.55摩尔%的所述磺酸盐类单体单元和0.60摩尔%至1.40摩尔%的所述羧酸类单体单元。
有益效果
根据本发明的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物可以在不单独进行亲水化处理的情况下被制造为表现出优异的圆度的丙烯腈类纤维。此外,可以实现优异的可纺性并且使耐火处理过程中发生的副反应最小化。
附图说明
图1是实施例2的洗涤后的丙烯腈类凝结纱线的扫描电镜(SEM)图像;
图2是比较例1的洗涤后的丙烯腈类凝结纱线的SEM图像。
具体实施方式
下文中,将更详细地描述本发明以帮助理解本发明。
本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应理解为局限于通常使用的含义或字典中的含义,而是基于发明人可以适当地定义术语的概念以便以最佳方式描述他们的发明的原则,术语和词语应当理解为与本发明的技术构思相一致的含义和概念。
在本发明中,圆度可以通过如下方式测量:使用丙烯腈类共聚物溶液制造凝结纱线,然后通过扫描电镜(SEM)图像分析凝结纱线以确定长轴与短轴的比例(长轴/短轴)。
在本发明中,C1至C3线型烷基可以是C1至C3直链或支链烷基。所述C1至C3线型烷基可以是选自甲基、乙基、丙基和异丙基中的一种或多种,并且优选是甲基。
在本发明中,C1至C3线型亚烷基可以是C1至C3直链或支链亚烷基。所述C1至C3线型亚烷基可以指C1至C3线型烷基具有两个结合位点(即,二价烷基)。
在本发明中,碱金属可以是选自锂、钠、钾、铷、铯和钫中的一种或多种,并且优选是钠。
1.用于碳纤维的丙烯腈类共聚物
根据本发明的一个实施方案的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物包含:磺酸盐类单体单元、羧酸类单体单元和丙烯腈类单体单元。
相对于用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的总摩尔量,所述磺酸盐类单体单元的含量可以为0.55摩尔%至1.55摩尔%,优选为0.60摩尔%至1.50摩尔%,更优选为0.80摩尔%至1.30摩尔%。当满足上述条件时,所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物可以在不单独进行亲水化处理的情况下被制造为表现出优异的圆度的纤维。此外,包含所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的纺丝溶液具有适当的粘度,由此可以改善可纺性。此外,耐火处理可以在适当的温度下进行,由此可以提高制造效率。低于上述范围,不能制造表现出优异的圆度的纤维。此外,包含所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的纺丝溶液的粘度增加,由此,可纺性会降低,并且在凝结工艺过程中凝结速率会显著降低。大于上述范围,在凝结工艺过程中纤维不能凝结而是被凝结溶液溶胀。此外,纤维会被制造为具有皮-芯结构,其中,通过凝结工艺制造的凝结纱线仅表面凝结而其内部不凝结。此外,在耐火处理过程中除了环化之外还发生副反应,因此,作为最终产物碳纤维的材料性能会下降。
所述磺酸盐类单体单元可以是来自由下面化学式1表示的单体的单元:
<化学式1>
在化学式1中,
R是氢或C1至C3线型烷基,
L是C1至C3线型亚烷基,
X是碱金属。
由于由化学式1表示的化合物的L是亚烷基,L因此不与自由基反应,由此可以提高聚合转化率。此外,由于所述化合物的分子结构的尺寸小,因此,所述化合物在耐火处理过程中不太可能充当缺陷。
然而,当L包含亚芳基、酰胺基等时,所述化合物的分子结构的尺寸变大,因此,由于由化学式1表示的化合物引起的空间位阻,在耐火处理过程中进行的丙烯腈类单体之间的环化不能顺利进行。
由于由化学式1表示的化合物的X是碱金属,因此,可以解决由纺丝工艺过程中产生的氨气引起的常规问题,即,工作环境和安全环境劣化。
所述磺酸盐类单体单元优选是来自选自烯丙基磺酸钠和甲代烯丙基磺酸钠中的一种或多种的单元。
相对于用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的总摩尔量,所述羧酸类单体单元的含量可以为0.60摩尔%至1.40摩尔%,优选地,为0.80摩尔%至1.30摩尔%。当满足上述范围时,可以降低耐火起始温度,并且在耐火处理过程中可以防止发生副反应。低于上述范围,耐火起始温度会升高。高于上述范围,在耐火处理过程中会发生副反应。
所述羧酸类单体单元可以是来自羧酸类单体的单元。所述羧酸类单体可以是选自丙烯酸、甲基丙烯酸、乙基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、柠康酸、马来酸和中康酸中的一种或多种,并且优选是衣康酸。
所述丙烯腈类单体单元可以是来自丙烯腈类单体的单元。所述丙烯腈类单体可以是选自丙烯腈、甲基丙烯腈和乙基丙烯腈中的一种或多种,并且优选是丙烯腈。
所述丙烯腈类单体单元作为剩余物被包含,使得所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的总摩尔量为100摩尔%。
同时,根据本发明的一个实施方案的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物可以是通过溶液聚合制备的共聚物溶液的状态。
2.用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的制备方法
根据本发明的一个实施方案的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物可以通过包括以下步骤的方法来制备:1)制备包含单体混合物和有机溶剂的反应溶液,所述单体混合物包含磺酸盐类单体、羧酸类单体和丙烯腈类单体;和2)使所述反应溶液进行聚合。
下文中,将详细描述根据本发明的一个实施方案的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的制备方法的各个步骤。
步骤1):制备反应溶液
首先,制备包含单体混合物和有机溶剂的反应溶液。
所述单体混合物包含磺酸盐类单体、羧酸类单体和丙烯腈类单体。
相对于单体混合物的总摩尔量,所述磺酸盐类单体的含量可以为0.55摩尔%至1.55摩尔%,优选为0.60摩尔%至1.50摩尔%,更优选为0.80摩尔%至1.30摩尔%。
相对于单体混合物的总摩尔量,所述羧酸类单体的含量可以为0.60摩尔%至1.40摩尔%,优选地,为0.80摩尔%至1.30摩尔%。
所述丙烯腈类单体可以作为剩余物被包含,使得所述单体混合物的总摩尔量为100摩尔%。
限制磺酸盐类单体、羧酸类单体和丙烯腈类单体的类型和含量的原因已经在“1.用于碳纤维的丙烯腈类共聚物”中描述过。
所述有机溶剂是反应溶剂,与无机溶剂相比,有利于增加聚合过程中共聚物的重均分子量和浓度。此外,可以将聚合后的共聚物溶液直接用于纺丝工艺中,因此,可以减少工艺步骤,这最终会有助于提高纤维前体的生产率。
所述有机溶剂可以是选自二甲亚砜、二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺中的一种或多种,并且优选是二甲亚砜。
相对于100重量份的单体混合物,所述有机溶剂的含量可以为200重量份至500重量份或250重量份至400重量份,并且含量优选为250重量份至400重量份。当满足上述范围时,用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的重均分子量适当地保持,并且包含所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物的纺丝溶液的粘度也适当地保持,从而可以容易地进行纺丝工艺。
步骤2):聚合
随后,使所述反应溶液进行聚合。
所述聚合可以在引发剂的存在下进行。
所述引发剂可以是选自偶氮二异丁腈、2,2'-偶氮双(4-甲氧基-2,4-二甲基戊腈)、2,2'-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)、二甲基2,2'-偶氮双(2-甲基丙酸酯)、2,2'-偶氮双(2-甲基丁腈)、1,1'-偶氮双(环己烷-1-甲腈)、2,2'-偶氮双[N-(2-丙烯基)-2-甲基丙酰胺]、[(氰基-1-甲基乙基)偶氮]甲酰胺、2,2'-偶氮双(N-丁基-2-甲基丙酰胺)和2,2'-偶氮双(N-环己基-2-甲基丙酰胺)中的一种或多种,并且优选是选自偶氮二异丁腈、二甲基2,2'-偶氮双(2-甲基丙酸酯)和2,2'-偶氮双(2-甲基丁腈)中的一种或多种。
相对于100重量份的单体混合物,所述引发剂的加入量可以为0.5重量份至1.0重量份或0.6重量份至0.8重量份,并且加入量优选为0.6重量份至0.8重量份。当满足上述条件时,可以适当地保持聚合速率,由此,可以提高相对于参照时间的聚合转化率。此外,可以制备具有适合于纺丝工艺的重均分子量的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物。
所述聚合可以是溶液聚合。
同时,所述聚合可以包括:所述反应溶液在第一温度下的第一聚合;和所述反应溶液在高于所述第一温度的第二温度下的第二聚合。
第一温度可以在55℃至80℃或60℃至70℃的范围内,并且优选在60℃至70℃的范围内。当满足上述条件时,可以适当地保持聚合速率,由此可以提高相对于参照时间的聚合转化率。此外,可以制备具有适合于纺丝工艺的重均分子量的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物。
第二温度可以在65℃至90℃或70℃至80℃的范围内,并且优选在70℃至80℃的范围内。当满足上述条件时,可以适当地保持聚合速率,由此可以提高相对于参照时间的聚合转化率。此外,可以制备具有适合于纺丝工艺的重均分子量的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物。
第二聚合可以在引发第一聚合之后4小时至9小时或6小时至8小时引发,并且优选在引发第一聚合之后6小时至8小时引发。当满足上述条件时,可以适当地保持聚合速率,由此可以提高相对于参照时间的聚合转化率。此外,可以制备具有适合于纺丝工艺的重均分子量的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物。
第二聚合可以进行4小时至9小时或6小时至8小时,优选进行6小时至8小时。当满足上述条件时,可以适当地保持聚合速率,由此可以提高相对于参照时间的聚合转化率。此外,可以制备具有适合于纺丝工艺的重均分子量的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物。
第二聚合结束之后,得到用于碳纤维的丙烯腈类共聚物。
3.用于碳纤维的丙烯腈类纤维
根据本发明的另一实施方案的用于碳纤维的丙烯腈类纤维由根据本发明的一个实施方案的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物制成,并且圆度为1.13以下,优选地,为1.1以下。
当满足上述条件时,可以改善作为最终产品的碳纤维的外观质量。
下文中,将详细描述本发明的示例性实施方案,使得本领域普通技术人员可以容易地进行本发明。然而,应当理解的是,本发明可以以各种形式实施,并且示例性实施方案不意在将本发明限制于此。
<丙烯腈类聚合物的制备方法>
实施例1
将100重量份的包含0.60摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠、1.00摩尔%的衣康酸和98.40摩尔%的丙烯腈的单体混合物均匀地溶解在318重量份的二甲亚砜中,以制备反应溶液。
将所述反应溶液加入到配备有搅拌器的反应器中,用氮气充满反应器的内部,然后以1℃/分钟的速率将反应器内部的温度升高至60℃。加入0.6重量份的偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂,进行溶液聚合8小时。之后,以1℃/分钟的速率将反应器内部的温度升高至70℃,并且使溶液聚合再进行另外6小时。聚合结束之后,得到丙烯腈类共聚物溶液。
实施例2
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含1.00摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠、1.00摩尔%的衣康酸和98.00摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类共聚物溶液。
实施例3
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含1.50摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠、1.00摩尔%的衣康酸和97.50摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类共聚物溶液。
实施例4
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含0.60摩尔%的烯丙基磺酸钠、1.00摩尔%的衣康酸和98.40摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类共聚物溶液。
实施例5
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含1.50摩尔%的烯丙基磺酸钠、1.00摩尔%的衣康酸和97.50摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类共聚物溶液。
比较例1
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含1.00摩尔%的衣康酸和99.00摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类共聚物溶液。
比较例2
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含0.50摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠、1.00摩尔%的衣康酸和98.50摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类共聚物溶液。
比较例3
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含1.60摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠、1.00摩尔%的衣康酸和97.40摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类聚合物溶液。
比较例4
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含1.00摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠、0.50摩尔%的衣康酸和98.50摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类聚合物溶液。
比较例5
除了使用通过均匀地溶解100重量份的包含1.00摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠、1.50摩尔%的衣康酸和97.50摩尔%的丙烯腈的单体混合物而制备的反应溶液之外,以与实施例1中相同的方式得到丙烯腈类聚合物溶液。
同时,根据实施例和比较例的单体混合物的组分总结并示于下面表1和表2中。
实验例1
测量根据实施例和比较例的丙烯腈类共聚物溶液(丙烯腈类共聚物:20重量%)的粘度和凝结速率,并示于下面表1和表2中。
(1)粘度(泊):使用布氏粘度计通过下面的条件测量。
锭子类型:圆锥型(CPA-52Z),圆锥角=3°,圆锥半径=1.2cm,间隙:13μm以下,测量剪切速率:10/秒至20/秒,测量温度:45℃
(2)凝结速率(μm/秒):首先,提供尺寸为76mm(宽度)、26mm(长度)和1mm(厚度)的载玻片作为第一基板。在第一基板上以间隔20mm设置彼此隔开的两个尺寸为24mm(宽度)、24mm(长度)和100μm(厚度)的分区。然后,在分区上设置尺寸为40mm(宽度)、24mm(长度)和10μm(厚度)的盖玻片作为第二基板,从而制造单元池。
将单元池安装在图象分析仪(Nikon制造的Nikon Eclipse Ti-U/DS-QilMc)中,将0.01ml的纺丝溶液(聚丙烯腈:20重量%,二甲亚砜:80重量%)注入到单元池中,并使0.05ml的凝结溶液沿一个方向通过纺丝溶液。
在这种情况下,凝结溶液由0.5重量%的交联三聚氰胺粒子(由Polyscience,Inc.制造的交联三聚氰胺粒子,平均粒径:1μm,形状:球形)、49.75重量%的水和49.75重量%的二甲亚砜组成。
从粒子开始移动的时间点开始测量凝结溶液中包含的交联三聚氰胺粒子1分钟的移动距离和移动时间。
实验例2
将根据实施例和比较例的丙烯腈类共聚物溶液的温度升高至60℃,然后使用喷丝头(孔的直径:0.065mm,孔的数目:1,000)将所述溶液排放到包含重量比为1:1的水和二甲亚砜的凝结溶液(温度:50℃)中,并进行凝结以制造凝结纱线。同时,将喷丝头设置在凝结溶液中。用水(80℃)洗涤凝结纱线。通过扫描电镜(SEM)图像分析来测量如此洗涤的凝结纱线的圆度,并将其结果示于下面表1和表2中。此外,根据实施例2的洗涤后的丙烯腈类凝结纱线的SEM图像示于图1中,根据比较例1的洗涤后的丙烯腈类凝结纱线的SEM图像示于图2中。
实验例3
使用辊在120℃下将在实验例2中制造的丙烯腈类凝结纱线拉伸至15倍,以制造丙烯腈类拉伸纱线。随后,在以10℃/分钟将温度升高至400℃的同时,使用差示扫描量热计(DSC,由TA仪器公司制造的Q100)在氮气气氛下对丙烯腈类拉伸纱线进行耐火处理。此外,测量放热开始温度、耐火起始温度和阻燃峰值温度,并将其结果示于下面表1和表2中。
[表1]
[表2]
参照表1、表2、图1和图2,在使用包含0.60摩尔%至1.50摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠的单体混合物的实施例1至实施例3的情况下,丙烯腈类共聚物溶液表现出低的凝结速率。此外,洗涤后的丙烯腈类凝结纱线表现出优异的圆度,并且丙烯腈类拉伸纱线表现出适当的耐火起始温度和适当的阻燃峰值温度。另一方面,在使用不包含甲代烯丙基磺酸钠以及包含0.50摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠的单体混合物的比较例1和比较例2的情况下,丙烯腈类共聚物溶液表现出过高的凝结速率。此外,洗涤后的丙烯腈类凝结纱线表现出差的圆度。
在使用包含1.60摩尔%的甲代烯丙基磺酸钠的单体混合物的比较例3的情况下,丙烯腈类共聚物溶液表现出过低的凝结速率,因此,由其制成的丙烯腈类凝结纱线很可能不收缩反而膨胀,由此可以预测,所述丙烯腈类共聚物溶液将不适合于纺丝工艺。此外,尽管比较例3的洗涤后的丙烯腈类凝结纱线表现出优异的圆度,但是它被制造为具有皮-芯结构。此外,在比较例3的丙烯腈类拉伸纱线的情况下,观察到两个耐火起始温度和两个阻燃峰值温度,由此可以认为发生副反应。
在使用包含0.50摩尔%的衣康酸的单体混合物的比较例4的情况下,丙烯腈类拉伸纱线表现出非常高的耐火起始温度,使得耐火能量效率降低,并且由于过度蓄热和发热,纤维可能受损。
在使用包含1.50摩尔%的衣康酸的单体混合物的比较例5的情况下,丙烯腈类共聚物溶液表现出过高的粘度,导致纺丝工艺不能顺利进行。此外,在丙烯腈类拉伸纱线的情况下,观察到两个耐火起始温度,由此可以认为发生副反应。
在分别使用包含0.60摩尔%和1.50摩尔%的烯丙基磺酸钠的单体混合物的实施例4和实施例5的情况下,丙烯腈类共聚物溶液表现出适当的粘度和适当的凝结速率,洗涤后的丙烯腈类凝结纱线也表现出适当的圆度,并且丙烯腈类拉伸纱线也表现出适当的耐火起始温度和适当的阻燃峰值温度。
Claims (8)
2.根据权利要求1所述的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,其中,所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物包含0.60摩尔%至1.50摩尔%的所述磺酸盐类单体单元。
3.根据权利要求1所述的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,其中,所述用于碳纤维的丙烯腈类共聚物包含0.80摩尔%至1.30摩尔%的所述羧酸类单体单元。
4.根据权利要求1所述的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,其中,所述磺酸盐类单体单元是来自选自烯丙基磺酸钠和甲代烯丙基磺酸钠中的一种或多种的单元。
5.根据权利要求1所述的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,其中,所述丙烯腈类单体单元是来自选自丙烯腈、甲基丙烯腈和乙基丙烯腈中的一种或多种的单元。
6.根据权利要求1所述的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,其中,所述羧酸类单体单元是来自选自丙烯酸、甲基丙烯酸、乙基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、柠康酸、马来酸和中康酸中的一种或多种的单元。
7.根据权利要求1所述的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物,其中,所述羧酸类单体单元是来自衣康酸的单元。
8.一种用于碳纤维的丙烯腈类纤维,该用于碳纤维的丙烯腈类纤维由根据权利要求1至7中任意一项所述的用于碳纤维的丙烯腈类共聚物制成,圆度为1.13以下。
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