CN118541602A - 用于直接表征具有孔隙度的膜的方法和装置以及此类膜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种表征膜的方法,该方法包括以下步骤:表征该膜以便获得通过超声波测量获得的该膜的克重以及通过X射线测量获得的该膜的克重;确定该膜的至少一个特性,该确定基于通过超声波测量获得的该膜的该克重、通过X射线测量获得的该膜的该克重、以及建立该至少一个特性与通过超声波测量获得的该膜的该克重和通过X射线测量获得的该膜的该克重之间的对应关系的至少一个对应的校准曲线或它们的组合。
Description
技术领域
本发明的背景是膜制造的背景,并且更具体地是具有孔隙度的膜的制造的背景,该制造需要在膜的形成过程中控制膜的特性。
背景技术
正在形成的膜可呈现达十米或更大的宽度,并且沿加工方向连续行进,这需要通过非接触式测量系统来不断地监视。通过包括安装在机械框架上的传感器的原位测量设备来执行对此类膜的特性的监视,该机械框架能够跨正在形成的行进的膜的宽度来移动这些传感器。
一些传感器执行对发送通过产品的某种辐射的吸收测量:传感器的发射头朝产品发送辐射,同时检测头执行对传输通过产品的辐射的测量。这两个头跨产品被一起移动,以便总是面向彼此。
辐射可以为各种类型,每种类型对应于给定的传感器类型:如US 5,621,173或US4,446,735中所述的超声波;β辐射;如GB 1271438或EP 1950527中所述的X射线;或红外线辐射。根据要表征的材料和从业者的具体需要来选择传感器类型。
在其形成期间表征均匀(即由唯一的固相制成)的膜并响应于连续表征而调整制造参数是常规执行的任务。可例如参考专利文献US 7,813 829B2。然而,表征具有腔的膜问题更大,因为腔使得难以解译所采集的数据。因此,到目前为止,仅已知相对复杂且间接的表征方法,诸如WO 2021/063641 A1中所描述的方法。
在Jasiuniene Elena等人的文章“Non-destructive Evaluation of theQuality of Adhesive Using Ultrasound,X-ray,and Feature-based Delta Fusion”,Applied Science,第12卷,第24期,2022/12/01,第12930页中描述了对粘结的航空部件的非破坏性评估,其涉及通过超声脉冲回波和射线照相技术获得的图像的融合。
发明目的
鉴于上述问题,申请人考虑了对两种类型的传感器的测量数据进行组合以表征膜,从而允许直接确定包括腔的膜的孔隙度或密度并由此确定该膜的厚度的方法。该方法可通过膜的测量装置、以膜的制造方法以及通过膜的生产线来实现。
发明内容
为此,本发明的第一方面涉及一种表征膜的方法,该方法包括以下步骤:表征膜以便获得通过超声波测量获得的膜的克重以及通过X射线测量获得的膜的克重;确定在密度、孔隙度和厚度当中进行选择的膜的至少一个特性,该确定基于通过超声波测量获得的膜的克重、通过X射线测量获得的膜的克重、以及建立该至少一个特性与通过超声波测量获得的膜的克重和通过X射线测量获得的膜的克重之间的对应关系的至少一个对应的校准曲线或它们的组合,其中该至少一个对应的校准曲线建立该至少一个特性与通过超声波测量获得的膜的克重和通过X射线测量获得的膜的克重的比率之间的对应关系。
该方法的优点在于直接测量膜的特性诸如其孔隙度或其密度(这不可能通过已知的常规手段进行直接测量)的可能性。此类方法可在膜制造过程、膜的测量装置或生产线中实现,尤其是当该膜具有通常使得其难以表征的孔隙度时。
根据本发明的第一方面的单独采用或以任何技术上可行的组合采用的另外的非限制性特征:
-该至少一个校准曲线可表示一方面的通过超声波测量获得的膜的克重和通过X射线测量获得的膜的克重的比率与另一方面的膜的该至少一个特性之间的关联性;
-表征膜的步骤可进一步包括测量包含在膜中的添加剂的基重的步骤,并且确定膜的至少一个特性的步骤也基于添加剂的测量的基重;
-添加剂可以为成穴剂。
本发明的第二方面涉及一种测量装置,该测量装置包括传感器,传感器包括发射器头和检测器头,该发射器头包括(i)X射线源(SXR)和(ii)超声波源,该检测器头包括(i)X射线传感器和(ii)超声波传感器,测量装置经配置以便执行对定位在传感器的发射器头与检测器头之间的膜的X射线表征和超声波表征,测量装置被配置成执行根据本发明的第一方面所述的表征膜的方法。测量装置可包括选择性传感器系统,该选择性传感器系统被配置成测量包含在膜中的添加剂的基重,测量装置被进一步配置成利用该基重来执行根据本发明的第一方面所述的表征膜的方法。
本发明的第三方面涉及一种制造膜的方法,该方法包括以下步骤:将化学化合物引入到制备设备中;从制备设备的出口通过成形设备输出膜;根据本发明的第一方面来表征膜以确定膜的该至少一个特性;将膜的该至少一个特性与针对此特性的目标值进行比较;以及基于该比较,生成并发送反馈信号至成形设备和制备设备中的至少一者,以调整至少一个制造参数。表征膜的步骤可进一步包括测量包含在膜中的添加剂的基重,并且确定膜的至少一个特性的步骤也可基于添加剂的测量的基重。
本发明的第四方面涉及一种用于制造膜的生产线,该生产线包括:制备设备,该制备设备被配置成对混合物进行制备以形成膜并且具有配备有成形设备的出口,该成形设备被配置成为膜赋予形状;以及根据本发明的第二方面所述的测量装置,该测量装置被配置成表征通过成形设备来成形的膜,生产线被配置成执行根据本发明的第三方面所述的制造膜的方法。在生产线中,根据本发明的第二方面所述的测量装置可进一步包括选择性传感器系统,该选择性传感器系统被配置成测量包含在膜中的添加剂的基重,测量装置可进一步被配置成利用该基重来执行根据本发明的第一方面所述的表征膜的方法,生产线可被配置成利用添加剂的测量的基重来执行根据本发明的第三方面所述的制造膜的方法。
附图说明
当结合附图考虑时,通过阅读以下详细描述,本发明的许多其他特征和优点将变得明显,在附图中:
-图1示出了组合的X射线/超声波测量系统;
-图2示出了图1的系统的传感器;
-图3示出了包括图1的组合的X射线/超声波测量系统的膜生产线;
-图4示出了根据本发明的测量方法;
-图5示出了可在图4所示的方法中使用的第一校准曲线;
-图6示出了可在图4所示的方法中使用的第二校准曲线;
-图7示出了根据本发明的膜制造方法;并且
-图8示出了具有孔隙度的膜。
具体实施方式
在表征具有孔隙度的膜中未采用直接测量的原因是膜中存在的腔使得常规表征方法不起作用。
就通过吸收进行X射线表征而言,X射线根据它们穿过的物质的量而衰减,但与该物质的分布无关。对于没有腔的膜,厚度轮廓(例如单位为m)可直接从基重轮廓导出,该基重轮廓是通过将基重值(例如单位为g/m2)除以膜的密度(例如单位为g/m3)而从X射线衰减导出的,当膜是均匀的且由已知材料制成时,该膜的密度是已知的常数。然而,当存在腔时,即使构成膜的材料可能是已知的,膜的密度也是未知的。结果是多孔膜的X射线表征将给出关于构成膜并被X射线穿过的物质的量(即膜的基重或克重)的信息,而不是关于其厚度、密度或孔隙度的信息,厚度、密度或孔隙度是从业者通常寻求的参数。
就超声波表征而言,要表征的膜响应于被到来的激发超声波激发而发射超声波。膜内腔界面的存在将随机地散射超声波,腔具有降低由膜发射的超声波的振幅的假象的效应。实际结果是,从穿过膜的超声波的衰减推导出的基重将看起来比其实际基重高,并且以根据腔的特性的不受控制的方式。
在本实施例中,我们考虑在通过超声波测量系统进行的克重测量中,腔对膜的表观克重的贡献与形成膜的材料的克重成比例。尽管本发明不限于该特定模型,但是其将被用于解释导致该方法的途径。上面的考虑解释为下面的公式Eq.1和Eq.2:
其中gRX(film)表示膜的真实克重g的X射线吸收测量结果,其等同于构成膜的材料的克重gMat。X射线吸收测量结果gRX(film)被认为是准确的,从而公式1的等式被认为是准确的。在公式Eq.2中,gUS(film)表示通过超声波测量系统获得的膜的真实克重g的测量结果,但不准确,并且因此与g不同,gMat表示构成膜的物质的材料的克重(不包括腔),并且α是(乘以gMat)表示如由超声波测量系统所感知的腔对膜的克重的贡献的因子。膜中不存在腔时,公式Eq.3将为真:
gUS(film)=gMat=g Eq.3
将Eq.1插入到Eq.2中得出公式Eq.4:
gUS(film)=gRX(film)+α×gRX(film)Eq.4
并得出公式Eq.5:0
我们看到α(其表示腔对膜的超声波测量结果的贡献)可表达为超声波测量结果与X射线吸收测量结果之间的比率的函数。因此,在适当校准时,看起来可以直接经由膜克重的X射线表征和超声波表征的组合来表达材料的孔隙度φ或该材料的密度ρ。
下面详细描述该原理的具体实施,如图1至图8所示。此类具体实施允许对具有腔的膜的孔隙度和密度的直接表征。根据这些结果,并且因为从X射线测量结果已知材料的基重或克重g,也可以基于下面的公式Eq.6来推导膜的厚度t。
下面详细描述的具体实施包括被配置成以实际方式来实现上面概述的原理的测量装置100,以及包括该装置以控制膜(包括具有孔隙度的膜)的生产的生产线300。图8示出了厚度为t且包括腔Cav的此类膜F。
测量装置
图1示出了操作中的测量装置100,该测量装置包括:定义孔口12的框架10,框架和孔口沿宽度方向Wdir延伸;传感器20,该传感器可在孔口12内沿宽度方向Wdir移动;以及驱动系统30,该驱动系统被配置成使传感器20沿宽度方向Wdir移动。传感器20包括发射器头22和面向发射器头22的检测器头24。在(a)中,测量装置100以前视图表示,如在加工方向Mdir上所看到的,该加工方向在正在制造的膜F的循环的方向上。当横跨孔口时,膜被保持在垂直于图中如Z所指示的竖直方向的水平面中。在(b)中,测量装置100以顶视图表示,如从上面所看到的,仅表示了膜F的一小部分。测量装置100经配置以便表征在垂直于宽度方向Wdir的加工方向Mdir上、通过孔口12并且在传感器20的发射器头22与检测器头24之间水平行进的正在形成的膜F。
控制系统40功能性地连接至传感器20和驱动系统30,并且被配置成操作传感器20和驱动系统30。控制系统配备有计算机存储器和被配置成利用从传感器获得的数值数据的电子计算机。控制系统被配置成通过使传感器20沿宽度方向Wdir移动来利用该传感器在其宽度上扫描正在形成的膜F。
图2更具体地示出了传感器20。发射器头22包括(i)X射线源SXR和(ii)超声波源SUS;相反地,检测器头24包括(i)X射线传感器SensXR和(ii)超声波传感器SensUS。
传感器20经配置使得在操作中,X射线源SXR朝X射线传感器SensXR发射X射线XR,使得X射线传感器SensXR检测已穿过要表征的膜F的X射线XR,并且超声波源SUS朝超声波传感器SensUS发射超声波US,使得US传感器SensUS检测已穿过膜F的超声波。这两种表征(X射线和超声)优选地同时执行,但也可相继执行。
连接至传感器20的控制系统40形成X射线表征系统和超声波表征系统两者,或者换句话说,形成组合的X射线和超声波表征系统。
生产线
图3示出了用于该实施例中由聚合物形成的膜F的实现根据本发明的制造方法700的生产线300的实施例。
生产线300包括制备设备330,该制备设备包括:入口320,形成混合物310的化学化合物通过该入口被引入到制备设备330中;以及出口340。出口340配备有成形设备345,该成形设备被配置成调整两个唇缘之间的距离,膜F通过该两个唇缘被挤出。混合物可包括聚合物和旨在形成聚合物膜的添加剂。
制备设备330旨在对用于成形为膜的聚合物310进行制备,例如通过使用加热器和温度计使其达到合适的温度。
在该实施例中,根据常规制造过程,入口320可包括将处于熔融状态的聚合物给料到制备设备330中的螺杆,并且出口340可包括模具,熔融聚合物被推动通过该模具并成形为膜。
在模具出口处,所得膜沿加工方向Mdir直线移动,并且随后根据旋转辊360的旋转R围绕该旋转辊卷绕。
在制备设备的出口340与辊360之间,膜可经历任何常规制造步骤,包括例如压延、加热、拉伸、切割或干燥步骤。
此外,测量装置100经配置以便在膜F离开出口340之后并在其至旋转辊360的途中表征该膜。
由聚合物形成的膜F包括腔,因为其具有孔隙度,并且其孔隙度、密度或厚度不能通过常规测量装置来直接测量。
孔隙度或密度的直接测量
图4示出了实现上述原理的测量方法400。
在步骤S10处,提供一组校准样本以获得校准曲线。
这些样本由具有已知组成的材料(诸如已知的聚合物)制成,每个样本具有特定的已知孔隙度和密度并具有膜的形状。选择孔隙度以至少覆盖关于要表征的膜的孔隙度的感兴趣范围。样本的数量可由从业者根据校准曲线的期望的分辨率或精度来确定。
为了简明起见,我们将在该实施例中考虑其中校准样本由与要表征的膜相同的材料制成的情况。
例如,为了表征由聚丙烯制成的膜,一组样本由20个具有腔(分别表达为100%至n%,其中n为包含在1至20之间的5的倍数)的聚丙烯膜构成。因此,该组样本覆盖0%至95%的孔隙度范围。
在步骤S20处,样本中的每个样本由传感器20来表征,以便针对样本中的每个样本获得通过超声波测量获得的克重gUS(sample)和通过X射线测量获得的克重gRX(sample)。
在步骤S30处,在针对每个样本的比率gUS(sample)/gRX(sample)与对应样本的孔隙度或密度之间建立关联性。例如,与相同样本有关的数据存储在控制系统40的计算机存储器中所记录的表的相同行中,如下表1所示,其中第n个样本通过Sn和相关联的孔隙度、密度、克重gUS(sample)、克重gRX(sample)和比率gUS(sample)/gRX(sample)(分别为Pn、Dn、gUS(n)、gRX(n)和gUS(n)/gRX(n))来识别。
样本 | 孔隙度 | 密度 | gUS(sample) | gRX(sample) | 比率 |
S1 | P1 | D1 | gUS(1) | gRX(1) | gUS(1)/gRX(1) |
S2 | P2 | D2 | gUS(2) | gRX(2) | gUS(2)/gRX(2) |
S3 | P3 | D3 | gUS(3) | gRX(3) | gUS(3)/gRX(3) |
S4 | P4 | D4 | gUS(4) | gRX(4) | gUS(4)/gRX(4) |
表1
在步骤S40处,校准曲线根据表1中所收集的数据来定义并以常规方式存储在计算机存储器中,以便建立比率gUS(film)/gRX(film)的给定范围的值与膜的密集特性(孔隙度和密度中的任一者)之间的对应关系。这例如通过定义对绘制在这样的图上的实验点进行拟合的曲线来完成,该图具有在x轴上的比率和在y轴上的所选择的密集特性。
在本文件中,校准曲线是对实验数据与已知特性之间的关联性进行设计的通用术语。在这里,其表示一方面的通过超声波测量获得的膜的克重和通过X射线测量获得的膜的克重的比率与另一方面的膜的密集特性(孔隙度φ或密度ρ)之间的关联性。
图5以曲线图的形式示出了校准曲线CC(ρ),从而允许从膜的测量值gUS(film)和gRX(film)的比率gUS(film)/gRX(film)推导出要表征的膜的密度ρ。
类似地,图6以曲线图的形式示出了校准曲线CC(φ),从而允许从膜的测量值gUS(film)和gRX(film)的比率gUS(film)/gRX(film)推导出要表征的膜的孔隙度φ。
在步骤S50处,要表征的膜由传感器20来表征,以便获得分别通过超声波测量和X射线测量获得的膜的克重gUS(film)和gRX(film),并且将膜的这些测量数据存储在计算机存储器中。
在步骤S60处,控制系统40基于膜的测量数据(克重gUS(film)和gRX(film))和存储在计算机存储器中的对应的校准曲线来确定膜的至少一个密集特性(即膜的密度、孔隙度或两者),并且将该密度或该孔隙度存储在计算机存储器中。此外,作为外延特性的膜的厚度t可从通过X射线测量获得的膜的克重gRX(film)和通过应用公式Eq.6获得的膜的密度ρ来推导。
步骤S10至S40共同构成用于要表征的膜的表征步骤S50和S60的制备步骤PS。一旦该制备步骤已被执行一次,校准曲线就被存储在控制系统40的计算机存储器中。因此,不必再次执行制备步骤SP,并且可独立于制备步骤SP来重复包括步骤S50和S60的表征步骤CS(带有利用存储在计算机存储器中的校准曲线的子步骤)。
在该实施例中,采用一组聚丙烯样本来定义用于表征聚丙烯膜的校准曲线。通过引入由其他材料的密度除以聚丙烯的密度的比率定义的校正因子,自然可以从相同的校准曲线来表征由除聚丙烯之外的其他材料制成的膜。更一般地,可采用任何材料来形成该组校准样本,并且可表征由任何材料形成的膜,只要这两种材料之间的密度比率是已知的即可。
此外,可测量并考虑添加至膜的基体材料的添加剂的存在,因为它影响膜本身的基重,并且因此影响密度、孔隙度和厚度的确定。例如,就膜包括用于形成腔的已知成穴剂(即已知密度的化学化合物)而言,膜中的成穴剂的比例可通过特定传感器来测量,并通过计算形成膜的材料(基体材料+成穴剂)的经校正的密度而被引入膜的密度和孔隙度的计算中。成穴剂可以为无机类型(例如碳酸钙颗粒)或有机类型(例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT),其在膜基体聚合物(例如聚丙烯)中是不可混溶的)。
因此,步骤S50可包括使用选择性传感器系统370(诸如被配置成表征图3的膜F的扫描仪)来测量膜中的添加剂的分布,该选择性传感器系统包括能够具体地测量包含在膜中的添加剂的基重的传感器。此类传感器可例如基于添加剂对红外线辐射的吸收。另外,在步骤S60中,膜的密度、孔隙度、厚度的确定基于除膜的测量数据(克重gUS(film)和gRX(film))之外的添加剂的测量的基重和对应的校准曲线。
图3示出了其中选择性传感器系统被集成在测量装置100中并由控制系统40控制的情况。另选地,选择性传感器系统370可独立于测量装置100。
上面的说明具体适用于这样的模型,在该模型中,在通过超声波测量系统进行的克重测量中,腔对膜的表观克重的贡献与形成膜的材料的克重成比例,并且感兴趣的物理量表达为比率gUS(film)/gRX(film)的函数。更一般的方法将考虑gUS(film)和gRX(film)作为独立变量,并且通过确定二维校准曲线来通过常规的插值或回归建立膜的密集特性(孔隙度φ或密度ρ)与通过超声波测量获得的膜的克重和通过X射线测量获得的膜的克重两者之间的关联性。
制造方法
根据本发明的制造方法如图7所示,并且包括:将化学化合物经由入口320引入到制备设备330中的步骤S710;将化学化合物从出口340输出并通过成形设备345成形为膜F的步骤S720;以及将片材或膜卷绕到旋转辊360上的步骤S730。
在步骤S720与S760之间插置表征步骤CS的步骤S50和S60,该表征步骤允许在成形设备345与辊360之间表征膜。从步骤S60开始,在步骤S740处,使用控制系统40将膜的至少一个所测量的特性(孔隙度、密度、厚度)与此特性的目标值进行比较。
在步骤S750处,基于步骤S740的比较,生成并发送反馈信号FB至成形设备345和/或至制备设备(330)以调整至少一个制造参数,诸如两个唇缘之间的距离(聚合物的膜F通过该两个唇缘被挤出)、温度或添加至形成膜的聚合物的添加剂的比例。更一般地,当从业者看到反馈信号适配时,可采用该反馈信号以便调整影响膜的孔隙度、密度或厚度的任何参数。通过以这种方式进行,响应于形成反馈回路的表征步骤CS而调整步骤S720。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求,本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可理解和实现所公开的实施例的其他变型。
Claims (10)
1.一种表征膜(F)的方法(400),所述方法包括以下步骤:
-表征(S50)所述膜(F)以便获得通过超声波测量获得的所述膜的克重以及通过X射线测量获得的所述膜的克重;
-确定(S60)在密度(ρ)、孔隙度(φ)和厚度(t)当中进行选择的所述膜的至少一个特性(ρ,φ,t),所述确定基于通过超声波测量获得的所述膜的所述克重、通过X射线测量获得的所述膜的所述克重、以及建立所述至少一个特性(ρ,φ,t)与通过超声波测量获得的所述膜的所述克重和通过X射线测量获得的所述膜的所述克重之间的对应关系的至少一个对应的校准曲线(CC(ρ),CC(φ))或它们的组合,
其中所述至少一个对应的校准曲线(CC(ρ),CC(φ))建立所述至少一个特性(ρ,φ,t)与通过超声波测量获得的所述膜的所述克重和通过X射线测量获得的所述膜的所述克重的比率之间的对应关系。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述至少一个校准曲线表示一方面的通过超声波测量获得的所述膜的所述克重和通过X射线测量获得的所述膜的所述克重的比率与另一方面的所述膜的所述至少一个特性之间的关联性。
3.根据权利要求1或2所述的方法,
其中表征(S50)所述膜的所述步骤进一步包括测量包含在所述膜(F)中的添加剂的基重,并且
其中确定所述膜的至少一个特性(ρ,φ,t)的所述步骤也基于所述添加剂的测量的基重。
4.根据权利要求3所述的方法,其中所述添加剂为成穴剂。
5.一种测量装置(100),所述测量装置包括传感器(20),所述传感器(20)包括发射器头(22)和检测器头(24),所述发射器头包括(i)X射线源(SXR)和(ii)超声波源(SUS),所述检测器头包括(i)X射线传感器(SensXR)和(ii)超声波传感器(SensUS),所述测量装置经配置以便执行对定位在所述传感器(20)的所述发射器头(22)与所述检测器头(24)之间的膜(F)的X射线表征和超声波表征,
所述测量装置被配置成执行根据权利要求1或2所述的表征膜(F)的方法(400)。
6.根据权利要求5所述的测量装置,所述测量装置进一步包括选择性传感器系统(370),所述选择性传感器系统被配置成测量包含在所述膜中的添加剂的基重,所述测量装置被进一步配置成执行根据权利要求3或4所述的表征膜(F)的方法(400)。
7.一种制造膜(F)的方法(700),所述方法包括以下步骤:
-将化学化合物(310)引入(S710)到制备设备(330)中;
-从所述制备设备(330)的出口(340)通过成形设备(345)输出(S720)所述膜(F);
-根据权利要求1或2所述的方法中的任一者,来表征(CS,S50,S60)所述膜(F)以确定所述膜的所述至少一个特性;
-将所述膜的所述至少一个特性与针对所述特性的目标值进行比较(S740);以及
-基于所述比较,生成并发送(S750)反馈信号(FB)至所述成形设备(345)和所述制备设备(330)中的至少一者,以调整至少一个制造参数。
8.根据权利要求7所述的方法,
其中表征(S50)所述膜的所述步骤进一步包括测量包含在所述膜中的添加剂的基重,并且
其中确定(S60)所述膜的至少一个特性(ρ,φ,t)的所述步骤也基于所述添加剂的测量的基重。
9.一种用于制造膜(F)的生产线(300),所述生产线包括:
-制备设备(330),所述制备设备被配置成对混合物(310)进行制备以形成膜(F)并且具有配备有成形设备(345)的出口(340),所述成形设备被配置成为所述膜(F)赋予形状;和
-根据权利要求5所述的测量装置(100),所述测量装置被配置成表征通过所述成形设备(345)来成形的所述膜,
所述生产线被配置成执行根据权利要求7所述的制造膜(F)的方法(700)。
10.根据权利要求9所述的生产线,
其中根据权利要求5所述的测量装置(100)进一步包括选择性传感器系统(370),所述选择性传感器系统被配置成测量包含在所述膜中的添加剂的基重,所述测量装置被进一步配置成执行根据权利要求3或4所述的表征膜(F)的方法(400),所述生产线被配置成执行根据权利要求8所述的制造膜(F)的方法(700)。
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