CN1260015A - 处理木素纤维素材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种从木素纤维素材料段例如实木段或碎料板制造成品的方法,它包括用浸渍组合物穿过木素纤维素材料段的厚度对其进行浸渍,浸渍组合物由矿物油、矿物油用的非水溶剂例如二氯甲烷或超临界的二氧化碳,和溶解于矿物油和溶剂中的热固性树脂及,如果需要的话,其催化剂组成。此后,除去非水溶剂并使产物受到高温以使热固性树脂聚合而形成成品。

Description

处理木素纤维素材料的方法
发明背景
本发明涉及一种从木素纤维素材料段制造成品的方法。
由木材衍生的原料制造复合板制品是众所周知的。其例子是中密度纤维板(MDF)、高密度纤维板、定向木丝板、碎料板等等。这样的板材最通常是由缩合树脂例如尿素、三聚氰胺或可熔酚甲醛树脂粘合的。一种新趋向是使用农业纤维作为原料，因为农业产生卓越的纤维，其来源是能够快速地再生的，从而减轻对木材原料的压力。在此情况下，因为农业纤维表面与组成的性质、颗粒形状与比表面积对粘合剂提出了更苛刻要求之故，异氰酸酯是理想的粘合剂。
在所有的木素纤维素复合板制品、胶合板、纸制品与实木、特别是软材与边缘硬材的情况下，水是使它们降解的最重要的因素。
因此要求对木素纤维素制品进行处理使其成为高度耐水的。
此要求可以通过对作为板材生产的原料的颗粒状木素纤维素材料或胶合板生产用的单板进行预处理，或者通过对复合板材本身例如碎料板或MDF、纸浆与纸制品以及实木进行后处理来实现。
还可规定出次要的改进，例如改进的机械性能、防火性、消除甲醛与抗微生物或虫的侵袭性。
总是存在对木素纤维素材料制品的改进的制造方法的需求。
发明概述
根据本发明提供一种从木素纤维素材料段制造成品的方法，该方法包括以下步骤：(a)用浸渍组合物穿过其厚度浸渍木素纤维素材料段，浸渍组合物包含：
(i)矿物油；
(ii)热固性树脂及，如果需要的话，其催化剂；和
(iii)矿物油与热固性树脂及其催化剂用的非水溶剂；(b)  从步骤(a)的产物中除去非水溶剂；和(c)  使步骤(b)的产物受到高温以使热固性树脂聚合而形成成品。
术语“木素纤维素材料段”包括实木段、木单板和胶合板；预成型的复合板段，例如
碎料板、中密度纤维板、高密度纤维板、定向木丝板、以及由纸厂淤浆、一般混合的废纸与锯屑制备的板；原制纸与再生纸与硬纸板的段。
非水溶剂优选为二氯甲烷或超临界的液体二氧化碳。
矿物油与热固性树脂必须能溶于非水溶剂中以便使浸渍组合物成为溶液。
热固性树脂优选为异氰酸酯热固性树脂或其前体，更优选为由二苯甲烷-4，4’-二异氰酸酯(MDI)衍生的树脂。
浸渍组合物优选包括占浸渍组合物质量的2％～30％(包括2％和30％)的矿物油、优选为占浸渍组合物质量的7％～25％(包括7％和25％)的矿物油；占浸渍组合物质量的1％～25％(包括1％和25％)的热固性树脂及其任选地存在的催化剂、优选为占浸渍组合物质量的2.5％～15％(包括2.5％和15％)的热固性树脂及其任选地存在的催化剂；浸渍组合物的其余部分包括非水溶剂与可能存在的任选组分。
浸渍组合物优选被浸入到木素纤维素材料段中的量为每质量份木素纤维素材料为0.4～2(包括0.4％和2％)质量份浸渍组合物、优选每质量份木素纤维素材料为0.5～1(包括0.5％和1％)质量份浸渍组合物。一般说，吸收量取决于被处理的木素纤维素材料的性质。
在步骤(a)中，浸渍可以以任何合适的方式进行，例如通过将木素纤维素材料段浸入到浸渍组合物中，同时可以施加或不施加压力来进行。
在步骤(b)中，非水溶剂可以以任何合适的方式来除去，例如通过加热。溶剂、特别当它为二氯甲烷时，优选被回收以供再使用。
在步骤(c)中，步骤(b)的产物可以以任何合适的方式经受高温，例如在加热室中或加热炉中，经受温度高到足以引起热固性树脂聚合的高温，例如约75℃～185℃(包括75℃和185℃)、优选为约120℃，时间为充分长，例如0.5～3小时(包括0.5小时和3小时)、优选为约1.5小时。
浸渍组合物还可以包括各种任选组分例如：
(iv)防腐剂例如杀菌剂、灭霉剂或杀虫剂等，其优选用量为浸渍组合物总质量的0.25％～5％(包括0.25％和5％)；
(v)溶于浸渍组合物中的二羧酸酐或三羧酸酐，其用量为浸渍组合物总质量的0.5％～8％(包括0.5％和8％)、优选为浸渍组合物总质量的约2.5％；
(vi)选自阻燃剂、紫外光吸收剂、染料与抗氧剂的其他添加剂等等。实施方式说明
本发明的要点是一种从木素纤维素材料段制造成品的方法。
木素纤维素材料指任何由光合作用而形成的植物材料。
木素纤维素材料段可选自：
1.预定用于制造胶合板或层压板制品例如地板等的旋切或刨切的单板。
2.预成型的复合板例如中密度纤维板、高密度纤维板、粗纸板、碎料板、刨花板、定向木丝板、层压板材(laminated veneer lumber)、以及由纸厂淤浆、一般混合的废纸与锯屑制成的板。
3.在切、锯或刨条件下加工的实木。
4.纸制品例如原制牛皮纸、再生纸、卡片纸板或纸浆制品。
天然的植物纤维或颗粒、或它们的最终制品是由半纤维素、纤维素与木素组成的。这些材料的水分含量的增加会引起溶胀，因为所说材料的细胞壁聚合物含有羟基或其他含氧的基团，它们通过氢键吸引水。半纤维素是最富吸湿性的。正是水分溶胀细胞壁而引起材料的膨胀直至细胞壁被水饱和为止。这明显地导致了作为微生物侵袭结果的降解和膨胀与尺寸的不稳定性，而在复合材料板的情况下这可能会导致其断裂。此现象出现在本发明中所述的所有木素纤维素材料组中。
已经知道，主要通过使用酐来化学改性木素纤维素材料和用异氰酸酯树脂对材料协同地进行树脂浸透。纤维素的化学改性起通过降低存在的羟基数目来缩小氢键现象的作用。然而，本发明的要点在于通过插入憎水性内聚薄膜来减少与这些木素纤维素材料组接触的水，而憎水性内聚薄膜是由矿物油/热固性树脂形成的。
因此，本发明的要点是用必须包含矿物油、热固性树脂、以及矿物油与热固性树脂用的无水溶剂的浸渍组合物来浸渍木素纤维素材料。
溶剂的选择是本发明的一个重要方面。优选的溶剂是二氯甲烷，因为作为矿物油的载体它有非常高的溶解性，促进浸渍组合物的渗透和完全润湿木素纤维素材料的细胞基质。另外一些优点是易处理、沸点低、高蒸发速率、低的汽化潜热、惰性与因此而带来的无化学干扰性、非燃烧性和非常低的爆炸危险性，和最后是在沸点为39℃时的易回收性。
其他与较小被优选的溶剂是具有工艺参数为18巴(1800kPa)压力和-40℃温度的超临界的液体二氧化碳。
被优选溶剂的重要优点在于，在处理期间被处理的材料不会膨胀、溶胀或引起内聚力的损失。
其他的较小适用的溶剂是乙酸甲酯、乙酸乙酯、苯、三氯乙烯与石油溶剂。
优选的是，溶剂，特别是当它为二氯甲烷时，被回收再利用。
油必须是矿物油，优选为低粘度石蜡油或惰性的环烷矿物油。
适用的矿物油的例子是：
Waksol-F，由南非的Sasol化学工业有限公司Carbon-Tar分部提供，它是一种由煤衍生的矿物油，闪点107.5℃，含水量为0.05％和蜡含量为10～15％，蜡在高温下溶于油中，蜡的倾点为30～40℃。此油的密度为0.9g/cm3.
南非Engen(Mobil Chemicals)的Parprol 22，一种低粘度、蜂蜜色的由石油衍生的石蜡加工油，含蜡或不含蜡。Parprol 22具有密度为0.859g/cm3，40℃粘度为20.6cSt(1 cSt＝1×10-6m2/S)，碳结构族分析与百分比为芳族3、环烷族28、链烷族69，中和值为0.01mgKOH/g，闪点为196℃。
壳牌基油(Shell Base Oil)，型号MVI(P1300)，多环芳族化合物的含量为2.9％、硫的百分比为2％、总酸值为0.1mgKOH/g。
另外一些例子是Quendilla 19，一种加工油；或Transcal N，一种低粘度的传热油，二者均由英国石油公司提供。
一般说，基于成本原因，与环烷油相比石蜡油被优选。还适用的是那些其中适当百分比的蜡是可以溶解的，且其溶液在本发明所选的溶剂优选为二氯甲烷中稳定的矿物油。在本发明的范围内的矿物油是木素纤维素材料防水用的加工油，它们是惰性的并且与热固性树脂(即，被可能使用的异氰酸酯或聚酯树脂)不会交联，因为在它们的化学组成中没有可利用的羟基或其他活性基团。
浸渍组合物还必须包括能溶于非水溶剂中的热固性树脂。
热固性树脂优选为异氰酸酯热固性树脂。
异氰酸酯是含有-N＝C＝O基团的化合物且由通式：
                          R(NCO)x来表征，式中x是可变的且代表NCO基的数目，R代表合适的基团。
有机异氰酸酯的例子包括芳族异氰酸酯例如间位与对位亚苯基二异氰酸酯、甲苯-2，4--和2，6-二异氰酸酯、二苯甲烷-4，4-二异氰酸酯、二苯甲烷-2，4二异氰酸酯、氯代亚苯基-2，4二异氰酸酯、二亚苯基-4，4-二异氰酸酯、4，4-二异氰酸酯-3，3-二甲基联苯、3-甲基二苯甲烷-4，4-二异氰酸酯和二苯醚二异氰酸酯、2，4，6-三异氰酸根合甲苯和2，4，4-三异氰酸根合二苯醚。可以使用异氰酸酯的混合物，例如甲苯二异氰酸酯异构体如市售的2，4-和2，6-异构体的混合物以及还有由苯胺/甲醛缩合物的光气化作用而产生的二聚和多聚异氰酸酯的混合物。这样混合物是本技术领域中所公知的并且包括含有亚甲基桥的聚苯基聚异氰酸酯的粗光气化作用产物，包括二异氰酸酯、三异氰酸酯和与任何光气化作用副产物在一起的更高官能度的聚氰酸酯。
优选的组合物是那些其中的异氰酸酯是芳族二异氰酸酯或更高官能度的聚异氰酸酯，特别是含有二异氰酸酯、三异氰酸酯和更高官能度的聚异氰酸酯的亚甲基桥的聚苯基聚异氰酸酯的粗混合物。亚甲基桥的聚苯基聚异氰酸酯是本技术领域中所熟知的，并且有时被称为具有异氰酸酯官能度为2.5～3的聚合的亚甲基桥聚苯基聚异氰酸酯(MDI)，而其他产物有时被称为具有更高官能度的粗MDI。它们是通过相应的聚胺混合物的光气化作用制备的，而所说的聚胺混合物是通过苯胺与甲醛的缩合而得到的。
适用的异氰酸酯的具体例子是那些具有NCO百分含量优选为超过20％、更优选为超过25％的那些异氰酸酯。这些异氰酸酯因为高的NCO基数目之故而促进潜伏状态或减少活性，并提供最大的羟基结合能力。其例子是Bayer公司Desmadur的VKS或Desmadur VK，它们是芳族聚异氰酸酯例如二苯甲烷-4，4-二异氰酸酯与聚合物物质的混合物。这些物质和类似物质是工业中被称为MDI类的那些物质。另一种所用的物质是二异氰酸酯-二苯甲烷，更具体的例子是SuprasecDNR-5005(它是聚合的MDI)，或是Suprasec 2020(它是单体的MDI)，二者具有可利用的NCO百分比分别为30.7％和29％，它们分别是具有标准官能度的聚合的MDI和单体的MDI。Suprasec树脂由ICI供应。粗MDI的另一个实例是DOW化学公司提供的Voronate M229。
另外适用的二异氰酸酯是甲苯二异氰酸酯，其另一名字为甲代亚苯基二异氰酸酯简称为TDI，例如Bayer公司的Desmadur L 75。
必须说明的是，术语“异氰酸酯热固性树脂”被用来包括该树脂本身和可被称为其前体的那些组分，例如MDI类和TDI类。
木材酯化作用的另一例子是使用异氰酸乙酯，根据下式异氰酸乙酯与羟基反应形成氨基甲酸乙酯(尿烷)：
                
异氰酸酯树脂是完全溶于二氯甲烷中并与木素纤维素材料的纤维素和半纤维素分子上的羟基反应而形成木材酯。以此种方式它们形成化学键粘合而不是内聚粘合。异氰酸酯有助于将矿物油束缚到木素纤维素基质中。
适用的热固性树脂的其他例子如下：
由温度触发催化剂催化的、通常在团状模塑或片状模塑中使用的不饱和聚酯。其例子是南非NCS树脂公司的Ultraset 997，由Triganox29B50催化，在温度为110℃～150℃开始聚合。环氧树脂例如壳牌化学品公司提供的Epikote系列或由汽巴-嘉基提供的AralditePY340.2，使用80℃的潜热触发催化剂例如由Anchor化学品公司提供的三氟化硼或芳族聚胺如Ancamine SRX催化。甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸或甲基丙烯酸酯类，使用合适的催化剂。
浸渍组合物优选包括占浸渍组合物总质量的2％～30％(包括2％和30％)、更优选为7％～25％(包括7％和25％)的矿物油；1％～25％(包括1％和25％)、优选为2.5％～15％(包括2.5％和15％)的热固性树脂及其可有可无的催化剂；其余为另外的组分与溶剂。
最好，木素纤维素材料段的吸收量为每质量份木素纤维素材料为0.4质量份～2质量份(包括0.4质量份和2质量份)、更优选为每质量份木素纤维素材料为0.5质量份～1.5质量份(包括0.5质量份和1.5质量份)的浸渍组合物。
一般说，吸收量取决于木素纤维素材料的性质。不同类型木素纤维素材料的一般吸收量如下：
中密度纤维板 每质量份的板材为0.68质量份的浸渍组合物。
含水量为12％的
美国南方长叶松- 每质量份的松木为1.25质量份的浸渍组合物。
杨木- 每质量份的杨木为1.45质量份的浸渍组合物。
云杉- 每质量份的云杉为0.75质量份的浸渍组合物。
原制牛皮纸- 每质量份的纸为0.65质量份～0.9质量份的浸渍组合物。
再生纸- 每质量份的纸为0.9质量份～1.25质量份的浸渍组合物。
浸渍组合物还可以包含防腐剂例如杀菌剂、灭霉剂或杀虫剂等，特别是杀白蚁剂，防腐剂的优选用量为组合物质量的0.25％～5％。生物杀伤剂的例子是硼、阿特拉津、噻唑或氨基甲酸酯的配合物，杀白蚁剂的例子是环烷酸锌或铜、合成除虫菊酯类、油相容的高沸点焦油酸、五氯苯酚或叔-丁基氧化锡-六氯化苯。
浸渍组合物还可以包含二羧酸酐或三羧酸酐。二羧酸酐可以是马来酐、苯二甲酸酐、琥珀酸酐、四氢化苯二甲酸酐，优选为马来酐。三羧酸酐可以是1，2，4-苯三酸酐。
高温下的没有溶剂存在下的酐与木素纤维素材料之间的反应是酯化反应，产生例如马来酸木素纤维素酯。使用酐的目的是酯化纤维素并且还清除掉存在的羟基或水，从而进一步促进在浸渍组合物中使用的异氰酸酯的潜伏状态，和在一旦通过残余的羧基除去溶剂后催化异氰酸酯的聚合。在加工期间酐还能扩大木素纤维素材料的变性。浸渍组合物可以含占浸渍组合物质量的0.5％～8％、优选为约2.5％的酐。
浸渍组合物还可以包含下面所列的其他添加剂。
可以将防火剂或阻燃剂化学品添加到浸渍组合物而增加优点。与浸渍组合物中其他组分存在相当大的相容性，所用的阻燃剂以其在所选择溶剂中的溶解度来选定。其例子是由Akzo化学品公司提供的Flyrol FR2-LV[它是三(1，3-二氯异丙基)磷酸酯]和Flyrol DMMP(磷含量为25％和酸值为1.3mgKOH/g的dimethylmethalphosphenate)。阻燃剂还起有效的粘度抑制剂的作用。阻燃剂按浸渍组合物总质量的0.25％～5％的比例来添加。
溶剂可溶的耐光染料例如Clariant公司的Sayinyl类或Solvoperm类染料也可被包括在浸渍组合物中，其量为浸渍组合物质量的0.005％～0.075％，以便着色材料或使其美观，例如在刨切单板的情况下。
其他的添加剂包括紫外线吸收剂和抗氧剂。
本发明方法的第一步是用浸渍组合物浸渍木素纤维素材料段。这可以用任何合适的方式来达到。例如，可将木素纤维素材料段浸在浸渍组合物中。为了给出具体的实施例，将木素纤维素材料段放置在压力容器中，随后根据水分百分率施加最低级别的真空，即，对于平衡水分一般为12％来说，材料受到约15分钟的15kPa的真空。抽真空的作用是除去细胞内外的空气使浸渍组合物能透入。之后，将浸渍组合物注满压力容器并施加适度高的压力以保证浸渍组合物渗透到木素纤维素材料段中。
在本发明的另一些步骤中，除去过多的浸渍组合物，并且例如从加热窑中除去和回收非水溶剂。最后，使浸渍过的材料受到合适温度条件的作用以聚合热固性树脂。显然，聚合温度取决于热固性树脂的性质，但是，一般说，温度约为80℃～120℃、时间为1.5小时足以聚合热固性树脂。
如以上所指出的，最好，在步骤(a)之前，将木素纤维素材料段干燥到尽可能低的百分含水率，这在经济上是合理的，最好使百分含水率为小于20％质量。
实施例1
按以下的质量百分比配制浸渍组合物：
二氯甲烷  73％
Sasol Carbotar部提供的、含有12％溶解蜡与倾点为30℃～40℃的Waxol F  21％
ICI聚氨酯公司提供的异氰酸酯MDI，牌号Suprasec 5005  5％
马来酐  1％
下列材料被处理：
材料 处理前的质量 处理后的湿质量 处理材料的吸液量g/g 留在材料中的WaxolF的百分率 留在材料中的异氰酸酯MDI的百分率
6mmMDF   71   128   0.80   17％   4％
12mmMDF   141   250   0.77   16％   3.8％
19mm标准MDF   236   386   0.64   13％   3.2％
12mm定向木丝板   123   229   0.86   18％   4.3％
亚热带长叶松(Subtropicalpinusparula)   112   221   0.97   20％   4.85％
处理程序为将复合材料板材与松木放置在高压釜中，施加通过液环真空泵产生的真空为时15分钟，接着用浸渍组合物注满高压釜并在整个室中施加为时20分钟的8巴(800kPa)的压力。然后将浸渍组合物返回到其储槽中，从充注料中回收二氯甲烷同时通过预热的空气在闭合的管路循环中将其在高压釜中移动，吸取溶剂的空气经过三个冷凝段，最后在通过热交换器与返回到高压釜之前穿过膜。按此种方式没有溶剂被发散到大气中。在完全回收溶剂后，空气温度被升高到120℃保持2小时并排出充注料。在较厚的复合材料情况下，为了实现浸渍组合物完全浸渗透到复合材料中，必须采用较长的真空与压力循环。实施例2
按以下的质量组分配制浸渍组合物：
Suprasec 5005，由ICI提供的MDI  12％
Parprol 22，由Engen提供的矿物油  17％
马来酐  2.5％
染料，由Clarient提供的Solvoperm，其是溶剂可溶的耐光染料  0.75％
二氯甲烷  67.75％
首先使杨木、椴木、南美红木、三角叶杨、与南方长叶松段受到为时20分钟的15kPa的真空，然后被浸在浸渍组合物中，同时施加为时30分钟的7.5巴(750kPa)的压力。然后卸去此压力并从浸渍室中取出浸渍的木素纤维素材料段。
使木素纤维素材料段穿过回收窑以除去与回收二氯甲烷，时间超过24小时。
此后，使木素纤维素材料段经受逐步上升的最高达120℃的温度，并保持此温度为时1.5小时以聚合热固性树脂。经受此处理的木素纤维素材料段适用作暴露的木地板。
如此实施例中所述的，使用本发明方法所获得的强度的代表性的例子如下：
杨木(Acer Rubrum)以每克木材吸收0.94克的吸收率吸收浸渍组合物，在13mm的Janka球试验中达到的处理硬度为7160N，而未经处理的对比值为3100N。
同样，棉木(Populus Deltroides)具有处理硬度为5430N，而未经处理的对比值为1500N。
本发明的主要目的是赋予木素纤维素材料以耐水性的工艺技术，使有可能根据产物的最终应用而在广范围内改变憎水度。此外，通过使用相同的浸渍组合物与添加剂，也能获得改进的机械性能例如硬度与模量，随颜色与表面铜绿而变化的外观，防火性与抗菌、木材蛀虫或白蚁的侵袭。

Claims (15)

1.一种从木素纤维素材料段制造成品的方法，它包括以下步骤：(a)用浸渍组合物穿过其厚度浸渍木素纤维素材料段，浸渍组合物包含以下物质的溶液：
(i)矿物油；
(ii)热固性树脂及，如果需要的话，其催化剂；和
(iii)矿物油与热固性树脂及其催化剂用的非水溶剂；(b)从步骤(a)的产物中除去非水溶剂；和(c)使步骤(b)的产物受到高温以使热固性树脂聚合而形成成品。
2.根据权利要求1的方法，其中非水溶剂选自二氯甲烷和超临界的液体二氧化碳。
3.根据权利要求1或2的方法，其中热固性树脂为异氰酸酯热固性树脂或其前体，及其任选的催化剂。
4.根据权利要求3的方法，其中热固性树脂是由二苯甲烷-4，4-二异氰酸酯衍生的树脂，及其任选的催化剂。
5.根据权利要求1或2的方法，其中热固性树脂选自不饱和聚酯树脂、环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸与甲基丙烯酸酯树脂。
6.根据权利要求1～5中任一项权利要求的方法，其中浸渍组合物包含占浸渍组合物质量的2％～30％(包括2％和30％)的矿物油，占浸渍组合物质量的1％～25％(包括1％和25％)的热固性树脂及其任选的催化剂，浸渍组合物的其余部分包括非水溶剂与任何任选的组分。
7.根据权利要求6的方法，其中浸渍组合物包含占浸渍组合物质量的7％～25％(包括7％和25％)的矿物油，占浸渍组合物质量的5％～15％(包括5％和15％)的热固性树脂及其任选的催化剂，浸渍组合物的其余部分包括非水溶剂与任何任选的组分。
8.根据权利要求1～7中任一项权利要求的方法，其中浸渍组合物以每质量份木素纤维素材料为0.4～2质量份(包括0.4和0.2质量份)的量被浸入到木素纤维素材料段中。
9.根据权利要求8的方法，其中浸渍组合物以每质量份木素纤维素材料为0.5～1.5质量份(包括0.5和1.5质量份)的量被浸入到木素纤维素材料段中。
10.根据权利要求1～9中任一项权利要求的方法，其中在步骤(a)中，通过将木素纤维素材料段浸渍在浸渍组合物中而用浸渍组合物浸渍木素纤维素材料段，可以任选地施加或不施加压力。
11.根据权利要求1～10中任一项权利要求的方法，其中在步骤(b)中，非水溶剂通过加热被从步骤(a)的产物中除去。
12.根据权利要求11的方法，其中在步骤(b)中，除去溶剂以供再使用。
13.根据权利要求1～12中任一项权利要求的方法，其中在步骤(c)中，步骤(b)的产物经受为时0.5～3小时(包括0.5和3小时)的75℃～185℃的温度，以聚合热固性树脂而形成成品。
14.根据权利要求1～13中任一项权利要求的方法，其中浸渍组合物包含其量为浸渍组合物质量的0.25％～5％(包括0.25％和5％)防腐剂。
15.根据权利要求1～14中任一项权利要求的方法，其中浸渍组合物包含可溶于浸渍组合物中的二羧酸酐或三羧酸酐，酐的量为浸渍组合物质量的0.5％～8％(包括0.5和8％)。
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