CN114477194A - 基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,包括:制备二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶;进行溶剂置换获得二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块;基于冷冻干燥方法,干燥获得二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末;基于化学气相沉积法,用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂进行疏水改性,冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末或疏水性二氧化硅气凝胶块;疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。本发明设计的制备方法,使用安全环保的硅氧烷疏水改性剂,可以减少改性剂使用量,减少改性剂处理时间,大幅度降低疏水性二氧化硅气凝胶的生产成本,大幅度提高二氧化硅气凝胶的改性效率。
Description
技术领域
本发明涉及疏水性材料技术领域,具体为一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法。
背景技术
气凝胶是一种轻质纳米固态材料,最常见的气凝胶为疏水性二氧化硅气凝胶,是一种防热隔热性能非常好的纳米多孔三维网络骨架结构的固体材料,具有低密度、高孔隙率、高比表面积及超级绝热性等优良特性,广泛应用在隔热保温、生物医学、化工、新能源材料和微电子材料制造等领域。
目前,疏水性二氧化硅气凝胶粉的制备方法包括两种,第一种是将干燥后的具有疏水性的块状二氧化硅气凝胶进行粉碎研磨制备出气凝胶粉体;第二种是将二氧化硅湿凝胶粉碎后进行疏水改性,然后进行真空干燥得到气凝胶粉体。例如中国专利CN111960424A,公开了一种超疏水的球形二氧化硅气凝胶材料的制备方法,以水玻璃为硅源,通过球滴法形成球形二氧化硅湿凝胶,老化后再加入疏水改性液进行表面改性,经溶剂置换和干燥(常压干燥、真空干燥或超临界干燥)得到球形疏水改性气凝胶。再例如中国专利CN 103523790A,公开了一种低成本大规模生产疏水气凝胶的气相化学表面修饰方法,采用超临界流体干燥技术实现气凝胶大规模生成。再例如中国专利CN111232992A,公开了一种气凝胶的改性方法,采用有机蒸汽与气凝胶表面羟基化学接枝,通过紫外光照和高温热(200~250℃)处理得到改性气凝胶。
上述几种疏水性二氧化硅气凝胶粉体的制备方法,一方面采用常压干燥方法或超临界干燥方法制备疏水性二氧化硅气凝胶块体及粉末,具有高耗能、危险性大、难以工业化生产的问题;另一方面往往需要使用昂贵的有机硅氧烷前驱体,或者消耗较多的改性剂如三甲基氯硅烷,且制备过程常使用正己烷为置换溶剂,具有毒性大、成本高,干燥过程溶剂蒸发作为废气排出造成污染问题。
发明内容
为了提高二氧化硅气凝胶疏水改性效率,实现低成本、低毒性、低污染、安全生产疏水性二氧化硅气凝胶的目的,本发明提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法。
实现发明目的的技术方案如下:一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,包括以下步骤:
制备二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶;
用置换溶剂对二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶进行置换,获得二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块;
基于冷冻干燥方法,对二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块进行干燥,获得二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末;
基于化学气相沉积法,用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂对二氧化硅气凝胶粉末或二氧化硅气凝胶块进行疏水改性,冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末或疏水性二氧化硅气凝胶块;
对疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
本发明设计的疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法的原理是:通过冷冻干燥方法或超临界干燥方法干燥得到二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末,通过化学气相沉积法,采用低成本、安全无毒、低污染的气态硅氧烷疏水改性剂,一方面可以大幅度降低疏水性二氧化硅气凝胶粉末的生产成本,另一方面气态硅氧烷疏水改性剂容易进入二氧化硅气凝胶粉末的孔隙内,气态硅氧烷疏水改性剂能够提高对二氧化硅气凝胶粉末的改性效率,可以提高改性效率。
在本发明的一个实施例中,上述气态硅氧烷疏水改性剂为液态硅氧烷经加热后挥发获得。
进一步的,上述液态硅氧烷包括甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、六甲基二硅氧烷中一种或几种。
在本发明的一个实施例中,上述含氨气体催化剂为氨气或含氨混合气体。
进一步的,上述氨气由浓氨水加热挥发并除去水蒸气获得,或直接从纯氨气的气瓶中输出。含氨混合气体由醋酸铵、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵中一种或几种固体铵盐经加热后分解获得。
在本发明的一个改进实施例中,上述二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末与气态硅氧烷疏水改性剂之间的质量比为(1:0.2)~(1:1)。
在本发明的另一个改进实施例中,上述疏水改性的温度为65~95℃。
在本发明的一个实施例中,上述二氧化硅醇凝胶的制备方法,包括:
将硅源、醇溶剂、去离子水混合,用酸催化剂调节PH至2~4.5;
30~60℃条件下进行水解;
加入二甲基甲酰胺、去离子水混匀,用碱催化剂调节PH至6.5~8,静置获得二氧化硅醇凝胶。
在本发明的一个实施例中,上述二氧化硅水凝胶的制备方法为:
稀释水玻璃,经离子交换树脂法去除杂质离子并调节PH至2~4,加碱溶液调节PH至6~8,静置获得二氧化硅水凝胶;
或稀释水玻璃,用酸溶液调节PH至9~10.5,静置获得二氧化硅水凝胶。
在本发明的一个实施例中,上述置换溶剂为叔丁醇、去离子水中的一种或两种。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明的方法通过冷冻干燥方法及化学气相沉积法,采用低成本、安全无毒、低污染的气态硅氧烷疏水改性剂代替传统的具有一定毒性的含氯硅烷改性剂,一方面可以可以减少改性剂使用量,减少改性剂处理时间,大幅度降低疏水性二氧化硅气凝胶粉末的生产成本,另一方面气态硅氧烷疏水改性剂容易进入二氧化硅气凝胶粉末的孔隙内,可以提高改性效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法的流程图;
图2为实施例1基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法的流程图;
图3为实施例2基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法的流程图;
图4为实施例3基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
本具体实施方式提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,如图1所示,疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶。
S2、用置换溶剂对二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶进行置换,获得二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块。
S3、基于冷冻干燥方法,对二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块进行干燥,获得二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末。
S4、基于化学气相沉积法,用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂对二氧化硅气凝胶粉末或二氧化硅气凝胶块进行疏水改性,冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末或疏水性二氧化硅气凝胶块。
S5、对疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法的原理是:通过冷冻干燥方法得到二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末,通过化学气相沉积法,采用低成本、安全无毒、低污染的气态硅氧烷疏水改性剂,一方面可以大幅度降低疏水性二氧化硅气凝胶粉末的生产成本,另一方面气态硅氧烷疏水改性剂容易进入二氧化硅气凝胶粉末的孔隙内,气态硅氧烷疏水改性剂也能够加快与二氧化硅气凝胶粉末的反应速率,可以提高改性效率。以下,通过实施例1~3对上述疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法进行详细的说明:
实施例1:
本实施例提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,如图2所示,疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备二氧化硅醇凝胶。
二氧化硅醇凝胶的制备方法,包括:将硅源、醇溶剂、去离子水混合,用酸催化剂调节PH至2~4.5;30~60℃条件下进行水解;加入二甲基甲酰胺、去离子水混匀,用碱催化剂调节PH至6.5~8,静置获得二氧化硅醇凝胶。
具体的,硅源可以选择TEOS(正硅酸乙酯)、TMOS(四甲氧基硅烷)中一种或两种;醇溶剂可以选择为乙醇、甲醇、异丙醇、叔丁醇中的一种或几种;酸催化剂可以选择乙酸、草酸、盐酸、柠檬酸中的一种或几种;碱催化剂为氨水、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠中的一种或几种。
具体的,上述硅源、醇溶剂、去离子水三者的体积比为1:(6~14):(2~4),水解的时间范围为4~24h(具体时间可以根据实际情况决定);二甲基甲酰胺与去离子水的摩尔添加比例为(0.05~0.2):(1~4)。
S2、用置换溶剂对二氧化硅醇凝胶进行置换,获得二氧化硅湿凝胶球。
在本步骤中,置换溶剂为叔丁醇、去离子水中的一种或两种,溶剂置换过程为:将二氧化硅醇凝胶在20~60℃下陈化6~48h使凝胶内部反应完全,将凝胶粉碎、研磨成均匀获得二氧化硅醇凝胶球。将二氧化硅醇凝胶球在约35~60℃下浸泡在2~5倍二氧化硅醇凝胶球体积的置换溶剂中,每隔约8~24h更换一次置换溶剂,进行2~6次置换后完成溶剂置换,获得二氧化硅湿凝胶球。
S3、基于冷冻干燥方法,对二氧化硅湿凝胶球进行干燥,获得二氧化硅气凝胶粉末。
S4、基于化学气相沉积法,用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂对二氧化硅气凝胶粉末进行疏水改性,冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
其中,二氧化硅气凝胶粉末与气态硅氧烷疏水改性剂之间的质量比为(1:0.2)~(1:1)。气态硅氧烷疏水改性剂为液态硅氧烷经加热后挥发获得,且液态硅氧烷包括甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、六甲基二硅氧烷中一种或几种。含氨气体催化剂为氨气或含氨混合气体,其中氨气由浓氨水加热挥发并除去水蒸气获得,或直接从纯氨气的气瓶中输出;含氨混合气体由由醋酸铵、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵中一种或几种固体铵盐经加热后分解获得。
具体的,上述气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂可以以两种方式产生,一种是:将二氧化硅气凝胶粉末放置在65-95℃的密闭容器中,通入气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂进行改性;另一种是:将二氧化硅气凝胶粉末、液态硅氧烷、固体铵盐/浓氨水三者分区放置在密闭容器中,加热至65-95℃,并在此温度下进行改性,在改性结束后降温并通过抽真空方式抽出密闭容器内多余的气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂即可。
例如:将TEOS与乙醇、水按摩尔比硅源:醇:水=1:8:2混合后,添加乙酸至PH为4,在50℃下水解8h后,添加0.1摩尔比二甲基甲酰胺、2摩尔比水混合均匀,添加3mol/L氨水调节PH约7.2,获得二氧化硅醇凝胶。
将二氧化硅醇凝胶在35℃下陈化12h使凝胶内部反应完全,在40℃下浸泡在老化液中24h,粉碎、研磨成均匀的凝胶球;将二氧化硅醇凝胶在55℃下浸泡在约4倍二氧化硅醇凝胶体积的质量比叔丁醇置换溶剂:去离子水=5:1的置换溶剂中,每隔约12h更换一次置换溶剂,5次后完成溶剂置换,置换后的凝胶在冻干机内进行真空冷冻干燥,得到二氧化硅气凝胶粉末;
将二氧化硅气凝胶粉末、二甲基二乙氧基硅烷、醋酸铵分装在敞口容器或表面皿上(二氧化硅气凝胶粉末与二甲基二乙氧基硅烷的质量比为1:0.3),置于同一密闭容器中,加热至95℃下4h完成疏水改性,然后抽真空除去多余改性剂蒸汽,冷却后得到疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
使用疏水角测定仪测量疏水性二氧化硅气凝胶粉末,其疏水角达到约156°,具有超疏水性。
实施例2:
本实施例提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,如图3所示,疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备二氧化硅水凝胶。
其中,二氧化硅水凝胶的制备方法有两种,一种为:稀释水玻璃(PH约为12~13),经离子交换树脂法去除杂质离子(如钠离子)并调节PH至2~4,加碱溶液调节PH至6~8,静置获得二氧化硅水凝胶;另一种为:稀释水玻璃(PH约为12~13),用酸溶液调节PH至9~10.5,静置获得二氧化硅水凝胶。
具体的,用去离子水对水玻璃进行稀释,使得SiO2的含量约在5%~10%范围内;碱溶液为氨水、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠中的一种或几种;酸催化剂为稀硝酸、稀盐酸中的一种或两种。
S2、用置换溶剂对二氧化硅水凝胶进行置换,获得二氧化硅湿凝胶块。
在本步骤中,在本步骤中,置换溶剂为叔丁醇、去离子水中的一种或两种,溶剂置换过程为:二氧化硅水凝胶在20~60℃下陈化6~48h,使二氧化硅水凝胶内部反应完全,将二氧化硅水凝胶在35~60℃下浸泡在2~5倍二氧化硅水凝胶体积的置换溶剂中,每隔8~24h更换一次置换溶剂,进行2~6次后完成溶剂置换获得置换后的二氧化硅湿凝胶块。
S3、基于冷冻干燥方法,对二氧化硅湿凝胶块进行干燥,获得二氧化硅气凝胶块。
S4、基于化学气相沉积法,用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂对二氧化硅气凝胶块进行疏水改性,冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶块。
其中,二氧化硅气凝胶块的疏水改性过程与实施例1中的相同,在此不再进行赘述。
S5、对疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
例如:水玻璃添加去离子水稀释至SiO2含量约在5%-10%后,添加酸溶液调节PH至约10.5后静置得到二氧化硅水凝胶;二氧化硅水凝胶在室温下陈化24h使凝胶内部反应完全,然后将二氧化硅水凝胶粉碎、研磨成均匀的二氧化硅水凝胶球;
将二氧化硅水凝胶球在55℃下浸泡在约5倍二氧化硅水凝胶球的体积的去离子水中,每隔约8h更换一次水,约4次后完成溶剂置换,获得二氧化硅湿凝胶球;将二氧化硅湿凝胶球进行真空冷冻干燥,得到二氧化硅气凝胶粉末;
将二氧化硅气凝胶粉末、二甲基二甲氧基硅烷改性剂、氯化铵分装在敞口容器或表面皿上(二氧化硅气凝胶粉末与改性剂的质量比为1:0.5),置于同一密闭容器中,加热至80℃下6h完成疏水改性;抽真空除去多余改性剂蒸汽,冷却后得到疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
使用疏水角测定仪测量疏水性二氧化硅气凝胶粉末,其疏水角达到约151°,具有超疏水性。
实施例3:
本实施例提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,如图4所示,疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备二氧化硅水凝胶。
其中,二氧化硅水凝胶的制备方法与实施例2的相同,在此不再进行赘述。
S2、用置换溶剂对二氧化硅水凝胶进行置换,获得二氧化硅湿凝胶块;对二氧化硅湿凝胶块进行粉碎、研磨后获得二氧化硅湿凝胶球。
其中,二氧化硅水凝胶的置换方法与实施例2的相同,在此不再进行赘述。
S3、基于冷冻干燥方法,对二氧化硅湿凝胶球进行干燥,获得二氧化硅气凝胶粉末;
S4、基于化学气相沉积法,用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂对二氧化硅气凝胶粉末进行疏水改性,冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
其中,二氧化硅气凝胶块的疏水改性过程与实施例1中的相同,在此不再进行赘述。
例如:水玻璃添加去离子水稀释至SiO2含量约在5%-10%后,添加酸溶液调节PH至约11后静置得到二氧化硅水凝胶;二氧化硅水凝胶在室温下陈化24h使凝胶内部反应完全,得到二氧化硅湿凝胶块;
将二氧化硅湿凝胶块在50℃下浸泡在约4倍二氧化硅湿凝胶块的体积的去离子水与叔丁醇按1:1配置的混合液中,每隔约8h更换一次水,约5次后完成溶剂置换,获得二氧化硅湿凝胶块;将二氧化硅湿凝胶球进行真空冷冻干燥,得到二氧化硅气凝胶块。
将二氧化硅气凝胶块、二甲基二甲氧基硅烷改性剂、氯化铵分装在敞口容器或表面皿上(二氧化硅气凝胶块与改性剂的质量比为1:0.5),置于同一密闭容器中,加热至80℃下6h完成疏水改性;抽真空除去多余改性剂蒸汽,冷却后得到疏水性二氧化硅气凝胶块;将疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨成均匀的疏水性气凝粉末。
使用疏水角测定仪测量疏水性二氧化硅气凝胶粉末,其疏水角达到约151°,具有超疏水性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于,包括以下步骤:
制备二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶;
用置换溶剂对二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶进行置换,获得二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块;
基于冷冻干燥方法,对二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块进行干燥,获得二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末;
基于化学气相沉积法,用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂对二氧化硅气凝胶粉末或二氧化硅气凝胶块进行疏水改性,冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末或疏水性二氧化硅气凝胶块;
对疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。
2.根据权利要求1所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:气态硅氧烷疏水改性剂为液态硅氧烷经加热后挥发获得。
3.根据权利要求2所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:液态硅氧烷包括甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、六甲基二硅氧烷中一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:含氨气体催化剂为氨气或含氨混合气体或含氨混合气体。
5.根据权利要求4所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:氨气由浓氨水加热挥发并除去水蒸气获得,或直接从纯氨气的气瓶中输出;
含氨混合气体由醋酸铵、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵中一种或几种固体铵盐经加热后分解获得。
6.根据权利要求1~5任一项所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末与气态硅氧烷疏水改性剂之间的质量比为(1:0.2)~(1:1)。
7.根据权利要求1~5任一项所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:疏水改性的温度为65~95℃。
8.根据权利要求1所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:二氧化硅醇凝胶的制备方法,包括:
将硅源、醇溶剂、去离子水混合,用酸催化剂调节PH至2~4.5;
30~60℃条件下进行水解;
加入二甲基甲酰胺、去离子水混匀,用碱催化剂调节PH至6.5~8,静置获得二氧化硅醇凝胶。
9.根据权利要求1所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:二氧化硅水凝胶的制备方法为:
稀释水玻璃,经离子交换树脂法去除杂质离子并调节PH至2~4,加碱溶液调节PH至6~8,静置获得二氧化硅水凝胶;
或稀释水玻璃,用酸溶液调节PH至9~10.5,静置获得二氧化硅水凝胶。
10.根据权利要求1所述的制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法,其特征在于:置换溶剂包括叔丁醇、去离子水中的一种或两种。
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