CN117304782A - 氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层及其制备方法和应用,其涂层包括R(NCO/NH)值=1.05的聚醚多元醇预聚体、聚天冬氨酸酯和改性氨基嘧啶溶液,其制备方法包括将2,4,6‑三氨基嘧啶溶解在溶剂中,并滴加硅烷偶联剂,制得改性氨基嘧啶;将聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇按照质量比为2:3混合,加入异佛尔酮二异氰酸酯制得聚醚多元醇预聚体;将醚多元醇预聚体,按照R(NCO/NH)值=1.05,与聚天冬氨酸酯和改性氨基嘧啶反应,得成品。本发明的涂层具有机械性能高、抗污性能强的特点,制备方法具有反应速度可控、反应稳定的特点。

Description

氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,特别是一种氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层及其制备方法和应用。
背景技术
海洋生物污损是开发资源过程中所需面对的一个难题,目前涂刷海洋防污涂料是防治海洋生物污损最为经济有效的手段。防污涂料中研究较多的是自抛光涂层和污损释放涂层,但是自抛光涂层的防污效果来自防污剂,通过水解后向环境中释放防污剂以规避海洋污损生物的附着,而主流防污剂多为重金属离子,这些重金属离子的释放会导致其在生物体内累积,造成生态系统的影响,对环境影响较大;污损释放型涂层通过水剪切力和低表面能避免污染生物的附着,虽然不会对环境造成影响,但是在静态条件下的防污能力有限,机械性普遍偏差,对基材的附着力较弱,易受到破坏,无法更好适应海洋环境。因此开防污性能和不易受到破坏兼顾的涂层成为目前新展趋势。
以聚氨酯为主体的改性涂层,是目前海洋防污涂层领域中的一个研究热点。一般来说,聚氨酯涂层本身不具备防污能力,因此选用有防污活性的物质对聚氨酯进行改性,这样既可以保留原有聚氨酯优异的力学能,还能赋予其防污能力。
在选用防污物质时需要注意多个方面,如反应活性、稳定性等。杂环化合物作为一种重要的化合被广泛应用到制药、生物测试等领域,目前使多数防污剂中大多具有杂环结构。许多杂环化合物及其衍生被认为具有潜在的活性。嘧啶是一种杂环化合物,由两个氮原子取代苯上间位上的两个碳原子所形的,具有一定的防污能力和接枝进入树脂基体的潜力,但是其含有的伯氨基反应速度过快,反应过程不易控制,难以保证下一步反应的进行,导致反应稳定性较差,产品质量无法保证,因此难以采用嘧啶作为防污物质来制备防污涂层。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层及其制备方法和应用。本发明的涂层具有机械性能高、抗污性能强的特点,制备方法具有反应速度可控、反应稳定的特点。
本发明的技术方案:氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,包括包括R(NCO/NH)值=1.05的聚醚多元醇预聚体、聚天冬氨酸酯和改性氨基嘧啶溶液。
前述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层中,按照重量份数计,包括聚醚多元醇预聚体10份、聚天冬氨酸酯5.08份和改性氨基嘧啶溶液0.16份。
前述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层中,所述改性氨基嘧啶溶液包括硅烷偶联剂、2,4,6-三氨基嘧啶和溶剂,其中硅烷偶联剂、2,4,6-三氨基嘧啶和溶剂的质量比为(5~6):1:(3.6~7)。
前述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层中,所述溶剂采用强极性溶剂,包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种;所述硅烷偶联剂采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷。
前述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层中,所述聚醚多元醇预聚体包括聚四氢呋喃二醇、聚丙二醇、异佛尔酮二异氰酸酯和催化剂,其中聚四氢呋喃二醇、聚丙二醇的质量比为2:3,催化剂的质量为聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇总质量的0.05~0.15%,异佛尔酮二异氰酸酯的质量是聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇总质量的45~50%。
前述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层中,所述催化剂采用二月桂酸二丁基锡、三乙胺、环烷酸钴、N-乙基吗啉中的一种或至少两种,催化剂的质量为聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇总质量的0.05~0.15%。
上述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层的制备方法,包括以下步骤:
S1、制备改性嘧啶:将2,4,6-三氨基嘧啶溶解在溶剂中,并加入硅烷偶联剂,反应温度为35~45℃,反应时间为7.5~8.5h,得改性氨基嘧啶溶液;
S2、制备聚醚多元醇预聚体:
a、将聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇混合,并加入催化剂,升温至100~110℃,然后真空脱水0.8~1.2h,脱水完成后降至室温,得A品;
b、向A品中加入异佛尔酮二异氰酸酯,并保持温度不超过50℃,得B品;
c、将B品升温至75~85℃,反应2~3h,得聚醚多元醇预聚体;
S3、制备聚天冬氨酸酯聚脲改性涂层:
取聚醚多元醇预聚体、聚天冬氨酸酯和改性氨基嘧啶溶液固化反应后,得成品。
前述的制备方法中,步骤S1中的溶剂采用强极性溶剂,包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种;所述硅烷偶联剂采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷,其中γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷、2,4,6-三氨基嘧啶和二甲基亚砜的质量比为(5~6):1:(3.6~7)。
前述的制备方法中,步骤S3中,固化前先搅拌,搅拌速度为1800~2200r/min,搅拌时间为1~3min;再在1800~2200r/min速度下脱泡1~2min,混合均匀后,于35~45℃的温度下脱泡、于75~85℃的温度下固化。
本方案还包括所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层在海洋防污涂层上的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明以聚天冬氨酸酯聚脲为基体树脂,以2,4,6-三氨基嘧啶作为防污活性物质,与硅烷偶联剂利用氨基-环氧开环反应制备偶联剂改性嘧啶,并将改性嘧啶接枝到聚脲树脂基体中,得到嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层。
其中的聚天冬氨酸酯聚脲克服了传统聚脲反应速度过快、难以控制的缺点,也克服了传统聚氨酯体系低温不能固化、需要烘烤设备辅助、对湿度敏感等缺陷点,具有凝胶时间、固化可控,涂料的膜厚可调节,机械性能较好,具有较高的耐冲击性、耐磨性及较好的柔韧性、抗紫外线性能等。
其中的偶联剂改性嘧啶具有防污潜力,而且结构中含三个伯氨基,使其容易接入到聚脲树脂体系中,并通过改性得到仲胺基类物质,这样既可以保证下一步反应的进行,也可以减缓反应速度,便于控制反应过程,提高反应稳定性和产品质量,其中的三官能度物质还可以给成品涂层提供高交联,增强其机械性,保障耐磨性。
最终制得的嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,经过表面形态、耐热性、机械性能、耐磨性能以及防污性能的研究,发现其表面粗糙度、硬度增加,结构更加稳定,不易降解,对基材的附着力强,具有良好的强度、韧性和耐冲击性,防污耐磨耐清洗,不易受到破坏,可以更好地适应海洋环境,不会对环境造成影响。
附图说明
图1是本发明中氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层的合成示意图;
图2是涂层的SEM图像;
图3是涂层的邵氏硬度测试结果图;
图4是涂层对基材的附着力结果图;
图5是涂层的磨损量图;
图6是涂层浸泡双眉藻液后的表面硅附着情况图;
图7是浸泡不同天数的小新月藻液的附着情况图;
图8是涂层对硅藻的抑制附着率图;
图9是经过高压水流冲刷后涂层表面硅藻附着情况图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明,但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1:
氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,按照重量份数计,包括聚醚多元醇预聚体10份、聚天冬氨酸酯5.08份和改性氨基嘧啶溶液0.16份,记为AMPU2.5。
其中聚醚多元醇预聚体中多余的NCO的摩尔数:(聚天冬氨酸酯的仲氨基+改性氨基嘧啶的仲氨基)的摩尔数为1.05。
所述改性氨基嘧啶溶液包括γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷、2,4,6-三氨基嘧啶和二甲基亚砜,其中γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷、2,4,6-三氨基嘧啶和二甲基亚砜的质量比为5.67:1:4。
所述聚醚多元醇预聚体包括聚四氢呋喃二醇、聚丙二醇、异佛尔酮二异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡,其中聚四氢呋喃二醇、聚丙二醇的质量比为2:3,二月桂酸二丁基锡的质量为聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇总质量的0.1%,异佛尔酮二异氰酸酯的质量是聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇总质量的48%。
氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层的制备方法为(除非特殊说明,以下实施例中的“份”均为重量份):
S1、制备改性嘧啶:如图1(a)所示,将2.5份的2,4,6-三氨基嘧啶溶解在二甲基亚砜(DMSO)中,将溶液放置在带有温度计和冷凝装置的磁力搅拌器中,向溶液中缓慢滴加14.18份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷(KH560),反应温度为40℃,反应时间为8h,得改性氨基嘧啶pd-560的二甲基亚砜溶液;
S2、制备聚醚多元醇预聚体:
如图1(b)所示,a、将聚四氢呋喃二醇(PTMG2000)40份和聚丙二醇(PPG3000)60份、催化剂二月桂酸二丁基锡0.1份搅拌混合,升温至105℃,然后利用真空泵真空脱水1h,脱水完成后停止加热并降至室温,得A品;
b、向A品中缓慢加入异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)48份,并保持温度不超过50℃,得B品;
c、将B品升温至80℃,反应2.5h,得聚醚多元醇预聚体,最终体系的NCO的质量百分比以滴定实验结果为准;
S3、制备聚天冬氨酸酯聚脲改性涂层:
如图1(c)所示,取聚醚多元醇预聚体10份,按照R(NCO/NH)值=1.05,与聚天冬氨酸酯(NH1220)5.08份和改性氨基嘧啶pd-560的二甲基亚砜(DMSO)溶液0.16份混合,放入自转公转搅拌机中,按照搅拌速度为2000r/min,搅拌2min,然后按照速度为2000r/min脱泡1.5min。混合完成后,将混合物涂覆在所需基材或者浇注在聚四氟乙烯模具中,并放入真空烘箱脱泡,脱泡的烘箱温度设置为40℃,脱泡后将温度升至80℃,去除涂层内的挥发组分并使其固化,得成品。
实施例2:
参照实施例1的制备方法,制备实施例2,实施例2与实施例1的区别为:聚醚多元醇预聚体的加入量为10份、聚天冬氨酸酯的加入量为4.95份,改性氨基嘧啶pd-560的二甲基亚砜溶液的加入量为0.32份,得到的涂层记为AMPU5。
实施例3:
参照实施例1的制备方法,制备实施例3,实施例3与实施例1的区别为:聚醚多元醇预聚体的加入量为10份、聚天冬氨酸酯的加入量为4.69份,改性氨基嘧啶pd-560的二甲基亚砜溶液的加入量为0.64份,得到的涂层记为AMPU10。
实施例4:
参照实施例1的制备方法,制备实施例4,实施例4与实施例1的区别为:聚醚多元醇预聚体的加入量为10份、聚天冬氨酸酯的加入量为4.43份,改性氨基嘧啶pd-560的二甲基亚砜溶液的加入量为0.96份,得到的涂层记为AMPU15。
对比例:
参照实施例1的制备方法,制备对比例,对比例与实施例1的区别为:聚醚多元醇预聚体的加入量为10份、聚天冬氨酸酯的加入量为5.21份,不加入改性氨基嘧啶pd-560的二甲基亚砜溶液,得到的涂层记为AMPU0。
将对比例以及实施例1-4的成品进行性能测试:
(1)表面形态观察:
通过扫描电子显微镜对对比例以及实施例1-4的涂层表面进行形貌的观察,结果如图2所示。通过SEM图片可以看到没有改性的涂层表面光滑平整,而本发明实施例的涂层,粗糙度增加,表明对基质的附着力增加。
(2)热稳定性测试:利用热重分析仪对涂层进行TG测试,测试时首先将样品制成细小颗粒状,称取5-10mg于陶瓷坩埚中,在高纯氮气保护下进行升温测试。测试过程中,氮气流速为50mL/min,温度范围为30~700℃,升温速率为10℃/min。涂层的热失重数据结果见表1。
表1涂层的热重分析数据表
样品名称 Td5() Tmax() 残碳量(%)
对比例 286.53 431.60 1.483
实施例1 266.23 432.25 2.570
实施例2 284.69 432.25 4.680
实施例3 320.29 436.52 4.385
实施例4 265.14 434.73 5.123
从表1中可以看出,实施例的分解温度高于对比例,且实施例3的分解温度最高,表明本发明的涂层结构较为稳定,不易降解。
(3)邵氏硬度测试:利用邵氏硬度计对涂层的硬度进行测量,具体结果如图3所示。实施例1-4的硬度均大于对比例的硬度,并随着pd-560加入量的增加,涂层的交联点增多,交联密度增高,刚性结构增多,涂层的硬度提高。
(6)附着力测试:利用拉拔法测量涂层对Q235钢的附着力,其结果如图4所示。对比例的附着力为9.42MPa,实施例4的附着力为15.15MPa,实施例1-4的附着力均大于对比例的附着力,并随着pd-560加入量的增加,涂层的附着力逐渐增大。这正是利用硅烷偶联剂的硅氧烷结构,与金属表面的接触角小,更易在金属表面展开,并和金属表面的水分发生反应,生成硅羟基,增大对基材的附着力;同时涂层生成大量羟基,羟基含量的升高使得涂层中能够与基材形成氢键的位点增加,在受到外力影响时涂层中形成氢键会吸收一部分能量,这就需要更大的应力才使涂层从基材上分离,使得涂层附着力有一定的提升。通常情况下,涂层与基材的附着力大于3.0MPa可以满足实际应用,因此测试结果说明本发明涂层对基材的附着力足以适用于海洋环境,满足实际应用要求。
(7)强度和韧性测试:利用万能拉力机对涂层进行拉伸实验,对涂层的极限抗拉强度和断裂伸长率进行测试,得到涂层的拉伸性能数据,结果见表2所示。
表2涂层的拉伸性能数据
样品名称 拉伸强度(MPa) 断裂伸长率(%)
对比例 6.31±0.43 2410
实施例1 9.19±0.37 1745
实施例2 5.14±0.50 1874
实施例3 3.98±0.62 2003
实施例4 1.60±0.27 931
通过表2可知,本发明制备的聚脲涂层具有良好强度和韧性。其中实施例1的拉伸强度最高,达到9.19MPa。
(8)耐冲击性测试:按照标准GB/T1732-2020对涂层的耐冲击性进行测试,将实施例1-4的涂层均匀涂覆在处理好的马口铁片上,待涂层固化后通过漆膜冲击器对涂层进行冲击,完毕后取出样品,观察样品表面情况,实验结果见表3。如表3所示,经过冲击性实验,表明实施例1-4均具有良好的抗冲击性能,冲击强度均达到了50cm,涂层内部结构具有抵抗应力的能力,在受到迅速形变时可以通过弹性形变抵抗外部应力的影响,使涂层表面不会出现破损和脱落现象。
表3涂层的抗冲击测试结果
样品名称 厚度(μm) 冲击距离(cm) 表面情况
实施例1 180 50 无任何裂纹破损
实施例2 206 50 无任何裂纹破损
实施例3 172 50 无任何裂纹破损
实施例4 196 50 无任何裂纹破损
(9)耐磨性能测试:按照标准GB/T1768对涂层的耐磨性能进行测试,所用仪器为Taber Type Tester磨耗仪。测试时设置转速为60r/min,转数为500r,载荷为500g。测试前后用分析天平称取试样质量,磨损量以试样磨损前后的质量差表示(精确至0.1mg)。每个样品测试3次,最终结果以平均值为准。测试结果如图7所示。
由图5可知,对比例在500r下的磨损量为0.0815g,实施例1和实施例2的磨损量较低,其中实施例2的磨损量为0.0481g,具有优秀的耐磨性能。
(10)防污性能测试:
采用硅藻作为污损生物模型进行附着实验,以空白玻璃片作为空白样品,对涂层的防污性能进行表征,其中硅藻选用是双眉藻和小新月藻,将涂层浸入藻液中,观察涂层表面的硅藻附着情况,通过涂层表面的附着面积对比,计算涂层硅藻抑制率,研究涂层的防污能力。
海藻静态粘附测试:将待测试的涂层清洗干净,干燥后置于紫外灯下杀菌30min,实验所用仪器均用高温锅灭菌后使用。将涂层和50mL藻液放入锥形瓶中,用封口膜封口后放置于光照培养箱中。光照和温度与培养硅藻的条件一致,实验结束后取出涂层,用去离子水洗涤涂层除去表面漂浮的硅藻,然后利荧光显微镜对涂层表面硅藻附着情况进行观察,每个涂层随机取不同的三个位置进行拍照记录,并计算硅藻的附着面积,结果取三次实验的平均值。
双眉藻液静态附着情况如图6所示,可以看到经过双眉藻液浸泡后的空白玻璃片上附着了大量的硅藻,且对比例的涂层表面也出现了大量的双眉藻,其数量和玻璃片上相差不大,这表明未改性的聚天冬氨酸酯脲涂层不具备抗硅藻附着能力。而实施例1-实施例4的涂层的表面硅藻的数量出现明显的减少,这表明了本发明的涂层存在一定的防污活性,对硅藻的附着起到抑制作用。其中实施例1的抗硅藻附着性能最佳,相比于玻璃片硅藻数量减少了93.6%。随着pd-560含量的增加,涂层表面硅藻数量虽然呈现增加趋势,但数量上仍然少于对比例。因此本发明的产品具有抗双眉藻液的附着能力。
进一步,对在小新月藻液中不同浸泡天数下的空白组和涂层组进行观察。不同天数下空白组和涂层组表面的小新月藻附着情况如图7所示。
随着浸泡时间的增加,空白组和对比例上的硅藻数量逐渐增加,在共同培养7天后空白组和对比例表面基本都被硅藻覆盖;而实施例1-4上的硅藻数量则明显减少,具有良好的抗硅藻附着能力,提高涂层的抗污性能。其中实施例1的表面硅藻数量最少,7天时相比于空白组表面减少了90.25%。涂层对硅藻的抑制附着率如图8所示,表明本发明的涂层对双眉藻和小新月藻均具有较高的抑制附着率。
动态清洗后防污性能保持测试:将实施例1-4的涂层置于50L/min的水流下,冲刷时间为30min,并对冲刷过后的涂层进行硅藻粘附测试,并对涂层表面的硅藻附着情况进行观察,观察结果如图9所示。从图9可以看到,在受水流冲击后的本发明涂层仍然具有防污性能,其中实施例1的表面硅藻附着数量最少,表明本发明的涂层在清洗后仍然保持抑制硅藻附着的能力,同时其本身的机械性能保证涂层在经过冲刷后不会出现破损现象。

Claims (10)

1.氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,其特征在于:包括R(NCO/NH)值=1.05的聚醚多元醇预聚体、聚天冬氨酸酯和改性氨基嘧啶溶液。
2.根据权利要求1所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,其特征在于:按照重量份数计,包括聚醚多元醇预聚体10份、聚天冬氨酸酯5.08份和改性氨基嘧啶溶液0.16份。
3.根据权利要求1所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,其特征在于:所述改性氨基嘧啶溶液包括硅烷偶联剂、2,4,6-三氨基嘧啶和溶剂,其中硅烷偶联剂、2,4,6-三氨基嘧啶和溶剂的质量比为(5~6):1:(3.6~7)。
4.根据权利要求3所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,其特征在于:所述溶剂采用强极性溶剂,包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种;所述硅烷偶联剂采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷。
5.根据权利要求1所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,其特征在于:所述聚醚多元醇预聚体包括聚四氢呋喃二醇、聚丙二醇、异佛尔酮二异氰酸酯和催化剂,其中聚四氢呋喃二醇、聚丙二醇的质量比为2:3,异佛尔酮二异氰酸酯的质量是聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇总质量的45~50%。
6.根据权利要求5所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层,其特征在于:所述催化剂采用二月桂酸二丁基锡、三乙胺、环烷酸钴、N-乙基吗啉中的一种或至少两种,催化剂的质量为聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇总质量的0.05~0.15%。
7.根据权利要求1-6任意一项权利要求所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、制备改性嘧啶:将2,4,6-三氨基嘧啶溶解在溶剂中,并加入硅烷偶联剂,反应温度为35~45℃,反应时间为7.5~8.5h,得改性氨基嘧啶溶液;
S2、制备聚醚多元醇预聚体:
a、将聚四氢呋喃二醇和聚丙二醇混合,并加入催化剂,升温至100~110℃,然后真空脱水0.8~1.2h,脱水完成后降至室温,得A品;
b、向A品中加入异佛尔酮二异氰酸酯,并保持温度不超过50℃,得B品;
c、将B品升温至75~85℃,反应2~3h,得聚醚多元醇预聚体;
S3、制备聚天冬氨酸酯聚脲改性涂层:
取聚醚多元醇预聚体、聚天冬氨酸酯和改性氨基嘧啶溶液固化反应后,得成品。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:步骤S1中的溶剂采用强极性溶剂,包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种;所述硅烷偶联剂采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷,其中γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧硅烷、2,4,6-三氨基嘧啶和二甲基亚砜的质量比为(5~6):1:(3.6~7)。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:步骤S3中,固化前先搅拌,搅拌速度为1800~2200r/min,搅拌时间为1~3min;再在1800~2200r/min速度下脱泡1~2min,混合均匀后,于35~45℃的温度下脱泡、于75~85℃的温度下固化。
10.根据权利要求1-6任意一项权利要求所述的氨基嘧啶改性聚天冬氨酸酯聚脲涂层在海洋防污涂层上的应用。
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