CN114058196A - 一种导热绝缘浆料、制备方法及其发热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于绝缘材料技术领域，尤其涉及一种导热绝缘浆料、制备方法及其发热装置。本发明高温粉为玻璃粉、亚钛粉、无水透明粉、硅酸盐、纳米轻硅粉、硅微粉中的一种或几种混合；高温填充粉为纳米二氧化硅、纳米硫酸钡、石英粉、纳米二氧化钛、绝缘碳黑、硫酸钡、色素炭黑中的一种或几种混合；助剂为水性分散剂、水性流平剂、水性润湿剂、水性消泡剂以及水性防沉剂等中的一种或几种混合；导热填料为氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化石墨烯中的一种或几种混合。本发明的材料导热系数性能好、绝缘度高，解决了石墨烯发热体的导热、绝缘等问题。
Description
技术领域
本发明属于绝缘材料技术领域，尤其涉及一种导热绝缘浆料、制备方法及其发热装置。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，石墨烯具有优异的光学、电学和力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法和SiC外延生长法。
随着科技的进步，现有的日用加热方式已经由以前的燃料加热渐渐向电加热转换，现在国内的电加热产品主要是以金属管作为电加热媒介，在高温下长时间工作容易被空气氧化导致腐蚀，使得电机热管金属表面的金属剥落，存在安全隐患，容易造成环境污染，导致局部受热不均匀，影响到加热器的使用寿命。
石墨烯高温发热浆料是一种新型的功能性涂料，最主要功能体现在通电（主要指AC 220）后能将电能转化为热能来取暖，是一种非常有前景的功能性浆料。目前市面上石墨烯导电涂料或浆料作为导电发热涂层一般应用于在200度以下场景使用，属于常规有机低温发热体系。
由于石墨烯具有非常优异的导电、导热性能，在各个领域都展现出巨大的科研价值和应用优势。目前，已经有很多研究人员对石墨烯导电涂料进行研究。经过近几年一系列的技术革新和提升，本领域的技术人员将其发热温度体系提升到了中高温（200~500℃）阶段，例如专利CN201930622685.7公布的一种石墨烯高温微晶玻璃外观结构，其中使用石墨烯作为发热涂层涂覆在微晶玻璃板上，是一种应用于烹饪加热食物的加热板。例如专利CN201720938309.4公布的是石墨烯高温加热结构，其中通过采用耐高温材质的基础载体作为加热载体，利用电源导线与石墨烯加热材料配合进行加热，加热效果好且使用寿命长。例如专利CN201720046482.3公布的是一种石墨烯纳米碳管高温陶瓷合金发热板，其中采用石墨烯高温纳米碳管发热导电涂料层作为发热层，能够使发热板的发热速度加快、能耗减低，第一耐温板和第二耐温板采用的耐温陶瓷板可以让发热层的发热温度上限提高，达到一个比较高的温度，在各层之间用耐高温胶水使之结合，防止了在高温的情况下各层的剥落，使产品品质和产品使用寿命得到提升，使本产品能够适用于各种有高温需求的工业领域及家庭用电器领域。例如专利CN201810668375.3公布了一种高温石墨烯导电涂料及其应用，其中利用高温石墨烯导电涂层通电，使其发热温度达到300℃，经测试该涂层能够连续工作2000h以上，并且能够承受短时间的500℃高温。
目前公布的有关石墨烯高温发热体的涂层中，对发热涂层与其他载体之间（金属薄板、微晶玻璃、陶瓷板或其他耐高温材质）进行导热传热以及封装等技术并未完全解决该技术问题，存在漏电、过热点以及高温带来的安全问题等隐患，例如专利CN201720046482.3公布提到的利用耐高温胶水，防止了在高温的情况下各层之间的剥落，但却无法解决500度甚至更高温度以上的耐温导热绝缘问题。本技术领域人员应该知道常规的耐高温胶水无法在500℃甚至更高温度以上长期保持高的粘结强度和耐高温不老化等问题。
本发明专利重点解决目前在以石墨烯高温发热涂层或发热体作为发热源的发热组件等相关问题，具体指与金属薄板之间的绝缘问题，与微晶玻璃、陶瓷板或其他耐高温材质之间的导热传热等问题，以及整个发热组件的封装（隔绝空气和防水）等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种一种导热绝缘浆料、制备方法及其发热装置。本发明的材料导热系数性能好、绝缘度高，解决了石墨烯发热体的导热、绝缘等问题。
本发明的技术方案是：一种导热绝缘浆料，其特征在于：按重量比100份组成构成为：50-70份高温粉，1-5份高温填充粉，1-5份助剂，5-15份导热填料，20-40份溶剂；其中高温粉为玻璃粉、亚钛粉、无水透明粉、硅酸盐、纳米轻硅粉、硅微粉中的一种或几种混合，颗粒≤10um；所述高温填充粉为纳米二氧化硅、纳米硫酸钡、石英粉、纳米二氧化钛、绝缘碳黑、硫酸钡、色素炭黑中的一种或几种混合，颗粒≤5um；所述助剂为水性分散剂、水性流平剂、水性润湿剂、水性消泡剂以及水性防沉剂等中的一种或几种混合；所述导热填料为氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化石墨烯中的一种或几种混合，颗粒≤2um；所述溶剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚及其酯、石油醚、无水乙醇、醋酸乙酯、醋酸丁酯中的一种或几种混合。
根据如上所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚20份；粉料为硅微粉30份、玻璃粉20份、纳米二氧化1份、石英粉1份、氮化铝6份、氮化硅5份、氧化石墨烯3份，助剂为水性分散剂3份、水性润湿剂1份。
根据如上所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚20份，粉料为无水透明粉30份、纳米轻硅粉30份、纳米硫酸钡1份、石英粉1份、氮化铝2份、氮化硅2份、氧化石墨烯1份，助剂为水性分散剂2份、水性润湿剂1份。
根据如上所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为石油醚10份、丙二醇甲醚10份；粉料为无水透明粉30份、玻璃粉40份、纳米二氧化硅1份、石英粉1份、氮化铝2份、氧化石墨烯3份，助剂为水性分散剂2份、水性润湿剂1份。
根据如上所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚15份，粉料为无水透明粉30份、玻璃粉30份、纳米二氧化硅1份、石英粉1份、氮化硼6份、氧化石墨烯3份，助剂为水性分散剂3份、水性润湿剂1份。
一种导热绝缘浆料的制备方法，采用如上所述的导热绝缘浆料，其特征在于：包括如下步骤：将溶剂和粉料依次加入到分散罐中混合，下搅拌分散，再逐步加入助剂高速分散10 min，得到混合粗料；混合粗料进行两次研磨，其中第一次可调节辊间距为20μm，第二次可调节辊间距为≤10μm，得到黑色粘稠状的流体即为所制备的导热绝缘浆料。
根据如上所述的一种导热绝缘浆料的制备方法，其特征在于：在分散罐中混合，第一次转速为600 r/min下搅拌分散10 min，加入助剂后转速为1500 r/min下高速分散10min。
一种发热装置，包括基础载体层、导热绝缘层、石墨烯发热层，其特征在于：导热绝缘层设置在基础载体层和石墨烯发热层之间。
根据如上所述的一种发热装置，其特征在于：其制作方法包括步骤：
步骤一：在基础载体层烧制绝缘层的步骤，将导热绝缘浆料覆盖在基础载体层上，然后烘干将导热绝缘浆料烧结成为导热绝缘层；
步骤二、烧结石墨烯发热层的步骤，将石墨烯发热浆料印在导热绝缘层上，然后烘干将石墨烯发热浆料烧结成为石墨烯发热层。
根据如上所述的一种发热装置，其特征在于：其制作方法包括步骤：还包括步骤三、通过导电胶将电极贴附在烧结好的石墨烯发热层上。
本发明的有益效果是：一是导热系数性能好、绝缘度高，并可在高温环境下稳定工作。二是热膨胀系数可以根据基础载体层做适当的配方调整。三是解决石墨烯发热体绝缘、导热及封装等问题。
具体实施方式
以下对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种导热绝缘浆料，总计100份，其按重量比组成构成，50-70份高温粉，1-5份高温填充粉，1-5份助剂，5-15份导热填料，20-40份溶剂；
所述高温粉为玻璃粉、亚钛粉、无水透明粉、硅酸盐、纳米轻硅粉、硅微粉中的一种或几种混合，颗粒≤10um；
所述高温填充粉为纳米二氧化硅、纳米硫酸钡、石英粉、纳米二氧化钛、绝缘碳黑、硫酸钡、色素炭黑中的一种或几种混合，颗粒≤5um；
所述助剂为水性分散剂、水性流平剂、水性润湿剂、水性消泡剂以及水性防沉剂等中的一种或几种混合；
所述导热填料为氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化石墨烯中的一种或几种混合，颗粒≤2um；
所述溶剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚及其酯、石油醚、无水乙醇、醋酸乙酯、醋酸丁酯中的一种或几种混合。
本发明的高温填充粉用做高温功能填料，应用于绝热绝燃类无机高温涂料或油墨，是一种高端环保新型无机材料。高温填充粉特点是：有较强的助熔作用，能够降低高温粉的膨胀系数，提高产品的热稳定性，同时增加高温涂层的光泽与白度，提高高温涂层的强度，在扩大熔融范围的同时能够增加高温涂层的光彩，是一种高端环保新型无机材料。
高温粉、高温填充粉、导热填料统称为粉料。 具体实施例1：
1）、将溶剂（乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚20份）和粉料（硅微粉30份、玻璃粉20份、纳米二氧化1份、石英粉1份、氮化铝6份、氮化硅5份、氧化石墨烯3份），依次加入到分散罐中混合，在转速为600 r/min下搅拌分散10 min，再逐步加入助剂（水性分散剂3份、水性润湿剂1份），再转速为1500 r/min下高速分散10 min，得到混合粗料；本发明两次分散速度不同，是依据物件颗粒大小和性状不同而定的，粉料的粒径大，采用低速分散，选择转速小。相反后加的液态助剂，其自身分散性就很好，需要的是与其他物料就行复合，故分散速度大。
2）、将步骤1中的混合粗料倒入到数显三辊研磨机中，进行两次研磨。其中第一次可调节辊间距为20μm，第二次可调节辊间距为≤10μm，得到黑色粘稠状的流体即为所制备的导热绝缘浆料；
3）、步骤2中的导热绝缘浆料的旋转粘度可采用NDJ-5S数显旋转粘度计进行测试，其浆料细度可采用天津永利达刮板细度计进行测试；
4）、将步骤2中的导热绝缘浆料利用印刷机进行丝网印刷，测试导热绝缘浆料在高温烧结后涂层的物理性能，其涂层表面能采用达因笔进行测试；其涂层的附着力采用百格刀划格仪进行测试；其涂层的导热系数测试采用多功能快速导热系数测试仪进行测试；其涂层的电阻测试采用表面体积电阻率测试仪进行测试。
具体实施例2：
1）、将溶剂（乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚20份）和粉料（无水透明粉30份、纳米轻硅粉30份、纳米硫酸钡1份、石英粉1份、氮化铝2份、氮化硅2份、氧化石墨烯1份），依次加入到分散罐中混合，在转速为600 r/min下搅拌分散10 min，再逐步加入助剂（水性分散剂2份、水性润湿剂1份），再转速为1500 r/min下高速分散10 min，得到混合粗料；
2）、将步骤1中的混合粗料倒入到数显三辊研磨机中，进行两次研磨。其中第一次可调节辊间距为20μm，第二次可调节辊间距为≤10μm，得到黑色粘稠状的流体即为所制备的导热绝缘浆料；
3）、步骤2中的导热绝缘浆料的旋转粘度可采用NDJ-5S数显旋转粘度计进行测试，其浆料细度可采用天津永利达刮板细度计进行测试；
4）、将步骤2中的导热绝缘浆料利用印刷机进行丝网印刷，测试导热绝缘浆料在高温烧结后涂层的物理性能，其涂层表面能采用达因笔进行测试；其涂层的附着力采用百格刀划格仪进行测试；其涂层的导热系数测试采用多功能快速导热系数测试仪进行测试；其涂层的电阻测试采用表面体积电阻率测试仪进行测试。
具体实施例3：
1）、将溶剂（石油醚10份、丙二醇甲醚10份）和粉料（无水透明粉30份、玻璃粉40份、纳米二氧化硅1份、石英粉1份、氮化铝2份、氧化石墨烯3份），依次加入到分散罐中混合，在转速为600 r/min下搅拌分散10 min，再逐步加入助剂（水性分散剂2份、水性润湿剂1份），再转速为1500 r/min下高速分散10 min，得到混合粗料；
2）、将步骤1中的混合粗料倒入到数显三辊研磨机中，进行两次研磨。其中第一次可调节辊间距为20μm，第二次可调节辊间距为≤10μm，得到黑色粘稠状的流体即为所制备的导热绝缘浆料；
3）、步骤2中的导热绝缘浆料的旋转粘度可采用NDJ-5S数显旋转粘度计进行测试，其浆料细度可采用天津永利达刮板细度计进行测试；
4）、将步骤2中的导热绝缘浆料利用印刷机进行丝网印刷，测试导热绝缘浆料在高温烧结后涂层的物理性能，其涂层表面能采用达因笔进行测试；其涂层的附着力采用百格刀划格仪进行测试；其涂层的导热系数测试采用多功能快速导热系数测试仪进行测试；其涂层的电阻测试采用表面体积电阻率测试仪进行测试。
具体实施例4：
1）、将溶剂（乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚15份）和粉料（无水透明粉30份、玻璃粉30份、纳米二氧化硅1份、石英粉1份、氮化硼6份、氧化石墨烯3份），依次加入到分散罐中混合，在转速为600 r/min下搅拌分散10 min，再逐步加入助剂（水性分散剂3份、水性润湿剂1份），再转速为1500 r/min下高速分散10 min，得到混合粗料；
2）、将步骤1中的混合粗料倒入到数显三辊研磨机中，进行两次研磨。其中第一次可调节辊间距为20μm，第二次可调节辊间距为≤10μm，得到黑色粘稠状的流体即为所制备的导热绝缘浆料；
3）、步骤2中的导热绝缘浆料的旋转粘度可采用NDJ-5S数显旋转粘度计进行测试，其浆料细度可采用天津永利达刮板细度计进行测试；
4）、将步骤2中的导热绝缘浆料利用印刷机进行丝网印刷，测试导热绝缘浆料在高温烧结后涂层的物理性能，其涂层表面能采用达因笔进行测试；其涂层的附着力采用百格刀划格仪进行测试；其涂层的导热系数测试采用多功能快速导热系数测试仪进行测试；其涂层的电阻测试采用表面体积电阻率测试仪进行测试。
从上表可以看出，本发明的导热绝缘浆料附着力测试、表面张力系数、粘度等指标良好，在两次烧结后仍能够与基础载体层和石墨烯发热层接触良好，其导热系数性能好、绝缘度高，并可在高温环境下稳定工作，其热膨胀系数可以根据基础载体层做适当的配方调整，使本发明的浆料可以作为石墨烯发热层的绝缘层。
本技术方案采用的是以无机耐高温粉体材料为载体，与传统的有机物在耐温性上差异相当大，导热绝缘涂层的烧结温度高达650℃以上，正常情况下550℃以内的温度可正常连续工作下无任何影响。根据GBT-2008 非金属基体红外辐射加热器通用技术要求，加热体的正常使用的连续工作寿命不低于5000h，相对应的导热绝缘涂层也不低于该技术标准。
本发明还公开了采用该导热绝缘浆料的发热装置，包括基础载体层、导热绝缘层、石墨烯发热层，导热绝缘层设置在基础载体层和石墨烯发热层之间，其中基础载体层可为金属薄板、微晶玻璃、陶瓷板或其他耐高温材质；导热绝缘层为本发明导热绝缘浆料烘干后形成的绝缘层；石墨烯发热层为石墨烯浆料烘干所形成的发热层。发热装置还可以包括高温电极层、高温电极层通常为烧结型高温银浆层。
本发明的导热绝缘浆料，其应用于石墨烯高温发热层中，解决发热体绝缘、导热及封装等问题。其中该导热绝缘浆料可做成水性导热绝缘油墨，利用常规丝网印刷工艺实现。或可做成水性导热绝缘涂料，利用常规喷涂设备实现在非平面石墨烯发热体上。
本发明的导热绝缘层、石墨烯发热层具有韧性，当基础载体层发生裂纹、撞击凹凸不平时时，导热绝缘层、石墨烯发热层由于具有一定的韧性不会断裂，导热绝缘层可以有效阻止石墨烯发热层与基础载体层内部液体接触，此时通过测量石墨烯发热层电阻变化并通过控制系统即时切断电源，确保在极端情况下使采用本发明技术的产品不会带电，使采用本发明技术的器具更加安全。
本发明还公开了一种带导热绝缘层发热装置的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在基础载体层烧制绝缘层的步骤，采用丝网印刷的方式将导热绝缘浆料覆盖在基础载体层上，然后将其放入在隧道炉中，在500℃至700℃的温度，加热时间20分钟至60分钟，将导热绝缘浆料烧结成为导热绝缘层，导热绝缘层厚度在10um至40um之间，如可以为15um、20um、30um。本发明器具的绝缘电气强度可以经受频率为50Hz或60Hz，电压3000V，历时1min实验电压的冲击。
步骤二、烧结石墨烯发热层的步骤。具体过程为：通过丝网印刷或者喷涂等方式将石墨烯发热浆料印在导热绝缘层上，印好后的基础载体层通过隧道炉，在500℃至700℃的温度，加热时间20分钟至60分钟，将石墨烯发热浆料烧结成为石墨烯发热层。
本发明的石墨烯发热浆料可以采用《一种石墨烯复合浆料、高温发热涂层及其加热方法制备方法》（专利申请号：201911037379.2）中公开的石墨烯发热浆料，其热膨胀系数与高硼硅玻璃的一致，该发明专利的石墨烯发热涂层的方块电阻为30至80Ω，功率密度可达10W/cm2。
在本领域中第二次烧结时，在高温情况下，石墨烯发热浆料在导热绝缘层上烧结，第一层绝缘层易损坏，导致第二层附着力差，本发明的基础载体层、石墨烯发热层和导热绝缘层可以通过调节相应的配方使热膨胀系数相同，确保了二次烧结后，基础载体层与涂层之间的连接仍旧紧密。
本发明还可以包括步骤三、通过导电胶将电极贴附在烧结好的石墨烯发热层上，石墨材料做电极有很多优点：导电性好、不易氧化、耐高温、有一定在韧性等材料特性。本发明的电极可以为多层高导电高密度石墨烯纸，石墨烯纸的厚度为0.05 cm至0.1cm之间，宽度为1.0cm至1.5cm之间，导电胶为耐高温的高导电自干胶，电极上加工多个透气孔，有利于导电胶快速固化。
Claims (10)
1.一种导热绝缘浆料，其特征在于：按重量比100份组成构成为：50-70份高温粉，1-5份高温填充粉，1-5份助剂，5-15份导热填料，20-40份溶剂；其中高温粉为玻璃粉、亚钛粉、无水透明粉、硅酸盐、纳米轻硅粉、硅微粉中的一种或几种混合，颗粒≤10um；所述高温填充粉为纳米二氧化硅、纳米硫酸钡、石英粉、纳米二氧化钛、绝缘碳黑、硫酸钡、色素炭黑中的一种或几种混合，颗粒≤5um；所述助剂为水性分散剂、水性流平剂、水性润湿剂、水性消泡剂以及水性防沉剂等中的一种或几种混合；所述导热填料为氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化石墨烯中的一种或几种混合，颗粒≤2um；所述溶剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚及其酯、石油醚、无水乙醇、醋酸乙酯、醋酸丁酯中的一种或几种混合。
2.根据权利要求1所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚20份；粉料为硅微粉30份、玻璃粉20份、纳米二氧化1份、石英粉1份、氮化铝6份、氮化硅5份、氧化石墨烯3份，助剂为水性分散剂3份、水性润湿剂1份。
3.根据权利要求1所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚20份，粉料为无水透明粉30份、纳米轻硅粉30份、纳米硫酸钡1份、石英粉1份、氮化铝2份、氮化硅2份、氧化石墨烯1份，助剂为水性分散剂2份、水性润湿剂1份。
4.根据权利要求1所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为石油醚10份、丙二醇甲醚10份；粉料为无水透明粉30份、玻璃粉40份、纳米二氧化硅1份、石英粉1份、氮化铝2份、氧化石墨烯3份，助剂为水性分散剂2份、水性润湿剂1份。
5.根据权利要求1所述的一种导热绝缘浆料，其特征在于：溶剂为乙二醇二缩水甘油醚10份、丙二醇甲醚15份，粉料为无水透明粉30份、玻璃粉30份、纳米二氧化硅1份、石英粉1份、氮化硼6份、氧化石墨烯3份，助剂为水性分散剂3份、水性润湿剂1份。
6.一种导热绝缘浆料的制备方法，采用权利要求1至权利要求5任一中所述的导热绝缘浆料配方，其特征在于：包括如下步骤：将溶剂和粉料依次加入到分散罐中混合，下搅拌分散，再逐步加入助剂高速分散10 min，得到混合粗料；混合粗料进行两次研磨，其中第一次可调节辊间距为20μm，第二次可调节辊间距为≤10μm，得到黑色粘稠状的流体即为所制备的导热绝缘浆料。
7.根据权利要求6所述的一种导热绝缘浆料的制备方法，其特征在于：在分散罐中混合，第一次转速为600 r/min下搅拌分散10 min，加入助剂后转速为1500 r/min下高速分散10 min。
8.一种发热装置，包括基础载体层、导热绝缘层、石墨烯发热层，其特征在于：导热绝缘层设置在基础载体层和石墨烯发热层之间。
9.根据权利要求8所述的一种发热装置，其特征在于：采用权利要求1至权利要求5任一种导热绝缘浆料，其制作方法包括步骤：
步骤一：在基础载体层烧制绝缘层的步骤，将导热绝缘浆料覆盖在基础载体层上，然后烘干将导热绝缘浆料烧结成为导热绝缘层；
步骤二、烧结石墨烯发热层的步骤，将石墨烯发热浆料印在导热绝缘层上，然后烘干将石墨烯发热浆料烧结成为石墨烯发热层。
10.根据权利要求8所述的一种发热装置，其特征在于：其制作方法包括步骤：还包括步骤三、通过导电胶将电极贴附在烧结好的石墨烯发热层上。
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| CN114921116A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-08-19 | 常州市鑫誉达热能科技有限公司 | 一种热交换用铝合金表面喷涂涂料、制备方法及涂层 |
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- 2020-08-05 CN CN202010779581.9A patent/CN114058196A/zh active Pending
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