CN1807344A - 一种空心铸件陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents

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CN1807344A CN 200610045815 CN200610045815A CN1807344A CN 1807344 A CN1807344 A CN 1807344A CN 200610045815 CN200610045815 CN 200610045815 CN 200610045815 A CN200610045815 A CN 200610045815A CN 1807344 A CN1807344 A CN 1807344A
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Abstract

一种空心铸件陶瓷型芯,组成成分为:基体材料80~85%,莫莱石20~15%,基体材料由石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料组成,石英玻璃粉60~80%,二氧化硅多孔材料40~20%。其生产工艺包括配料,按基体材料80~85%、矿化剂材料20~15%配料,然后混合芯料,制备料浆,即将芯料与增塑剂、适量油酸一起熔化、混合,然后压制成型,烧结,再做高温强化和低温强化处理。产品断芯率低,不产生裂纹,收缩率小,室温、高温强度好,尺寸精度好、铸件合格率高。采用本发明方法,对于一些具有变截面细孔的复杂零件,在铸造过程中不变形,易脱芯,能制备出腔道复杂的薄壁铸件,与常规方法相比,避免了陶瓷型芯烧结困难、易断芯等问题的产生。

Description

一种空心铸件陶瓷型芯及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制备技术领域,具体涉及一种空心铸件陶瓷型芯及其制备方法。
背景技术
高压涡轮叶片是发动机的重要部件,为不断提高涡轮前燃气温度,世界各国从实心叶片制造发展到空心叶片制造,从多晶叶片到现在的单晶叶片,其目的就在于不断改善发动机的综合性能。但受金属熔点的限制,在合金材料上如果想提高叶片的承温能力已经接近了极限,因此不断改善叶片冷却结构,提高冷效就成为目前涡轮叶片设计与制造者所追求的目标。近年来,美国的GE公司、Allison公司、PW公司发明了一种高效冷却技术、俄罗斯也在研制一种能在2000K下工作的高效气冷叶片。该叶片之所以被称为高效气冷叶片,是因为它的冷却结构与以往的有较大的不同,冷效从300℃提高到600℃以上,叶片叶身布满了与内腔相通的直径约0.5mm左右的小孔,叶片承温能力显著提高。
发达国家之所以重视研制高效气冷叶片,是由于高效气冷叶片在很大程度上可以有效地提高涡轮发动机地性能,增加发动机使用寿命及安全系数。高效气冷叶片的制造,关键技术在于陶瓷型芯的制造,陶瓷型芯必须有很好的耐火度、室温强度、高温强度、高温热稳定性、空隙率及脱芯性能。而高效是由叶片的冷却结构决定的。以往传统的对流、回流、撞击孔、气膜孔等冷却方式,其冷效仅为300℃左右,而高效冷却结构却可达600℃以上,一方面它的冷却结构更为复杂,另一方面叶片实际的壁更薄,而且采用双层壁结构,这与传统的空心叶片有很大不同,陶瓷型芯结构更复杂,壁厚差异大。如此薄而细小的结构如何保证在烧结过程中不断裂、不产生裂纹、不变形,是技术难点。而我国目前尚未对此项技术进行专门研究。
发明内容
针对现有高压涡轮空心叶片陶瓷型芯生产工艺存在的问题,本发明提供一种空心铸件陶瓷型芯及其制备方法。
本发明选择石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料为基体,莫莱石为矿化剂,白石蜡和高压聚乙烯为增塑剂,将原料按照一定的比例均匀混合,在一定的温度、压力下压制成型,然后通过适当的烧结工艺和高温强化、低温强化工艺制备出合格的陶瓷型芯。陶瓷型芯产品的组成成分以重量百分比计为:基体材料80~85%,莫莱石(主要成分为3Al2O3.2SiO,GB/T12215-90,粒度≤53μm)20~15%。其中基体材料由石英玻璃粉(SiO2≥99.97%,粒度≤61μm)和多孔型二氧化硅材料混合而成,按重量百分比石英玻璃粉占基体材料60~80%,二氧化硅多孔材料占基体材料40~20%。二氧化硅多孔材料SiO2≥99.97%,杂质(主要为Na2O≤0.03%),平均孔径70~80μm,粒度75~120μm。二氧化硅多孔材料可以以市售的硅溶胶为原料制备,方法是将硅溶胶加热至500±30℃,保温4h,蒸干水份,然后将二氧化硅固体球磨100h,磨成粉体,粒度可以不作要求;然后煅烧粉体,于1150±30℃,保温2~4h,再将煅烧完的物料细磨(球磨),至粒度为75~120μm。
1、配料
制备型芯的原料主要有基体材料、矿化剂材料、增塑剂材料,基体材料选用石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料的混合物,性质参数如上所述,按重量百分比石英玻璃粉占基体材料60~80%,二氧化硅多孔材料占基体材料40~20%;矿化剂材料选用莫莱石(3Al2O3.2SiO,粒度≤53μm),芯料由基体材料和矿化剂材料组成,配比按重量百分比计为:基体材料80~85%,矿化剂材料20~15%。增塑剂材料为按重量百分比97%白石蜡和3%高压聚乙烯的混合物,增塑剂材料占基体材料和矿化剂材料总重量的15%~18%。
石英玻璃粉由石英玻璃球球磨制得。按重量比石英玻璃∶磨球∶水为1∶1.3∶1的比例配料,球磨80~90小时后过250目以上的水筛,在200±10℃温度条件下,保温4~6小时,降温至室温,将石英玻璃粉盛于干净防潮的容器中备用。然后将石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料混合好。
2、混合芯料
将基体材料和矿化剂材料按配比混合,用球磨机球磨,时间大于2小时,过100目以上的铜筛,然后将芯料盛于搪瓷盘中,于150~200℃温度条件下烘干,时间大于2小时。
3、制备料浆
将占芯料重15~18%的增塑剂加入油浴坩埚中熔化,待全熔后开动搅拌,将烘干的芯料逐渐加入坩埚内,全部加入后,再加入占芯料重0.1%~0.2%的油酸,搅拌,时间大于4小时,料浆温度控制在120~130℃范围内,搅拌均匀后,静止20~30分钟排除气泡。
4、压制成型
控制制模间室温20±2℃,将模具预热至30~40℃,料浆温度控制在80~100℃,在0.2~0.6MPa压力下通过压蜡机压制成型。
5、烧结
将制备好的芯装入陶瓷槽,按照图1所示烧结工艺曲线进行烧结,升温至200℃,烧结4~6小时,然后升温至400℃烧结1~2小时,升温至600℃烧结1小时,升温至900℃烧结1小时,最后升温至1160~1200℃烧结4~6小时,然后随炉冷却至常温。烧结后产品孔隙率30~40%。
6、高温强化
高温强化剂的配比如下:
  组份   含量(ml)
  原硅酸乙酯精馏酒精蒸馏水盐酸   10001526013.3~13.6
高温强化剂的配制方法为:往水解器内倒入全部的精馏酒精和蒸馏水,开动搅拌器,搅拌2~3分钟,搅拌的条件下,缓慢加入盐酸。再搅拌2分钟,搅拌的条件下逐渐加入原硅酸乙酯,控制水解液温度40~52℃,当温度高于52℃时,进行冷却。原硅酸乙酯加完后,继续搅拌30~60分钟,冷却至室温。
高温强化方法为:将烧结好的型芯浸入高温强化剂中,待气泡完全消失(约30~40分钟)后,取出,将型芯置于自干架上自干24小时以上,或氨干30分钟以上。
7、低温强化
低温强化剂配方如下:
  组份   含量(重量%)
  酚醛醇溶清漆精馏酒精乌洛托品   50455
低温强化剂的配制方法:先将精馏酒精与酚醛醇溶清漆混合,在不断搅拌下加入乌洛托品,全溶后装瓶并用蜡封口备用。使用时,用粘度计测量其粘度在15~17秒。
低温强化方法:将高温强化好的型芯浸入低温强化剂中,待气泡完全消失后取出,置于自干架上,自干24小时以上,然后将型芯在150±10℃温度条件下烘干1~2小时。
制备好型芯后,应进行检验,检验型芯不允许有裂纹、凸起、凹陷、缺肉等缺陷,凹槽内不允许有强化剂堆积,并用专用工艺规程进行尺寸检测。
本发明制备的陶瓷型芯断芯率低,不产生裂纹,收缩率小,室温、高温强度好,尺寸精度好、铸件合格率高。采用本发明方法,对于一些具有变截面细孔的复杂零件,在铸造过程中不变形,易脱芯,能制备出腔道复杂的薄壁铸件,与常规方法相比,避免了陶瓷型芯烧结困难、易断芯等问题的产生。采用本发明陶瓷型芯制造的涡轮叶片,其冷效系数可达0.5~0.6,涡轮前燃气温度可达2000K以上,冷却空气的需要量比现有产品少15~30%,产品寿命提高2~4倍。
附图说明
图1为烧结工艺曲线图。
图2为制备的陶瓷型芯样品外貌图。
具体实施方式
实施例1
1、配料
基体材料选用石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料的混合物,按重量百分比石英玻璃粉占基体材料60%,二氧化硅多孔材料占基体材料40%;矿化剂材料选用莫莱石(3Al2O3.2SiO,粒度≤53μm,GB/T12215-90,梅河口生产),芯料配比按重量百分比计为:基体材料83%,矿化剂材料17%。增塑剂材料为按重量百分比97%白石蜡(GB254-87,50~60#)和3%高压聚乙烯(HG2-299-65,A级)的混合物,增塑剂材料占基体材料和矿化剂材料总重量的16%。
石英玻璃粉由石英玻璃球(JC177-81,SiO2≥99.97%)球磨制得。按重量比石英玻璃∶磨球∶水为1∶1.3∶1的比例配料,球磨85小时后过250目以上的水筛,在200±10℃温度条件下,保温5小时,降温至室温,将石英玻璃粉盛于干净防潮的容器中备用。二氧化硅多孔材料以市售的硅溶胶为原料制备,方法是将硅溶胶加热至500±30℃,保温4h,蒸干水份,然后将二氧化硅固体球磨100h,磨成粉体,粒度可以不作要求;然后煅烧粉体,于1150±30℃,保温3h,再将煅烧完的物料细磨(球磨),至粒度为80μm。然后将石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料混合好。
2、混合芯料
将基体材料和矿化剂材料按配比混合,用球磨机球磨,时间2.5小时,过100目以上的铜筛,然后将芯料盛于搪瓷盘中,装于电热干燥箱中,于180℃温度条件下烘干,时间2.5小时。
3、制备料浆
将占芯料重16%的增塑剂加入油浴坩埚中熔化,待全熔后开动搅拌,将烘干的芯料逐渐加入坩埚内,全部加入后,再加入占新料重0.1%的油酸,搅拌,时间4.5小时,料浆温度控制为125℃,搅拌均匀后,静止25分钟排除气泡。
4、压制成型
控制制模间室温20±2℃,将模具预热至35℃,料浆温度控制在90℃,在0.4MPa压力下通过压蜡机压制成型。
5、烧结
将制备好的芯装入陶瓷槽,按照图1所示烧结工艺曲线进行烧结,升温至200℃,烧结5小时,然后升温至400℃烧结1.5小时,升温至600℃烧结1小时,升温至900℃烧结1小时,最后升温至1180℃烧结5小时,然后随炉冷却至常温。
6、高温强化
高温强化剂的配比如下:
  组份   技术条件   含量(ml)
  原硅酸乙酯精馏酒精蒸馏水盐酸   HB5345-86 SiO2 32~34%HCl≤0.04%GB/T394.1-1994工业用GB/T622-1989   10001526013.5
高温强化剂的配制方法为:往水解器内倒入全部的精馏酒精和蒸馏水,开动搅拌器,搅拌2分钟,搅拌的条件下,缓慢加入盐酸。再搅拌2分钟,搅拌的条件下逐渐加入原硅酸乙酯,控制水解液温度45℃,原硅酸乙酯加完后,继续搅拌45分钟,冷却至室温。
高温强化方法为:将烧结好的型芯浸入高温强化剂中,待气泡完全消失后,取出,将型芯置于自干架上自干24小时以上,或氨干30分钟以上。
7、低温强化
低温强化剂配方如下:
  组份   技术条件   含量(重量%)
  酚醛醇溶清漆精馏酒精乌洛托品   HG1-574-67GB/T394.1-1994纯度不小于99.5%   50455
低温强化剂的配制方法:先将精馏酒精与酚醛醇溶清漆混合,在不断搅拌下加入乌洛托品,全溶后装瓶并用蜡封口备用。使用时,用粘度计测量其粘度在15~17秒。
低温强化方法:将高温强化好的型芯浸入低温强化剂中,待气泡完全消失后取出,置于自干架上,自干24小时以上,然后将型芯在150±10℃温度条件下烘干2小时。
实施例2
1、配料
基体材料选用石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料的混合物,按重量百分比石英玻璃粉占基体材料80%,二氧化硅多孔材料占基体材料20%,矿化剂材料选用莫莱石(3Al2O3.2SiO,粒度≤53μm,GB/T12215-90,梅河口生产),芯料由基体材料和矿化剂材料组成,配比按重量百分比计为:基体材料85%,矿化剂材料15%。增塑剂材料为按重量百分比97%白石蜡(GB254-87,50~60#)和3%高压聚乙烯(HG2-299-65,A级)的混合物,增塑剂材料占基体材料和矿化剂材料总重量的18%。
石英玻璃粉由石英玻璃球(JC177-81,SiO2≥99.97%)球磨制得。按重量比石英玻璃∶磨球∶水为1∶1.3∶1的比例配料,球磨80小时后过250目以上的水筛,在200±10℃温度条件下,保温6小时,降温至室温,将石英玻璃粉盛于干净防潮的容器中备用。二氧化硅多孔材料可以以市售的硅溶胶为原料制备,方法是将硅溶胶加热至500±30℃,保温4h,蒸干水份,然后将二氧化硅固体球磨100h,磨成粉体,粒度可以不作要求;然后煅烧粉体,于1150±30℃,保温4h,再将煅烧完的物料细磨(球磨),至粒度为90μm。然后将石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料混合好。
2、混合芯料
将基体材料和矿化剂材料按配比混合,用球磨机球磨,时间3小时,过100目以上的铜筛,然后将芯料盛于搪瓷盘中,于200℃温度条件下烘干,时间3小时。
3、制备料浆
将占芯料重18%的增塑剂加入油浴坩埚中熔化,待全熔后开动搅拌,将烘干的芯料逐渐加入坩埚内,全部加入后,再加入占芯料重0.2%的油酸,搅拌,时间5小时,料浆温度控制在130℃,搅拌均匀后,静止20分钟排除气泡。
4、压制成型
控制制模间室温20±2℃,将模具预热至40℃,料浆温度控制在100℃,在0.6MPa压力下通过压蜡机压制成型。
5、烧结
按照图1所示烧结工艺曲线进行烧结,升温至200℃,烧结6小时,然后升温至400℃烧结2小时,升温至600℃烧结1小时,升温至900℃烧结1小时,最后升温至1200℃烧结4小时,然后随炉冷却至常温。
6、高温强化
高温强化剂的配比如下:
  组份   技术条件   含量(ml)
  原硅酸乙酯精馏酒精蒸馏水盐酸   HB5345-86 SiO2 32~34%HCl≤0.04%GB/T394.1-1994工业用GB/T622-1989   10001526013.6
高温强化剂的配制方法为:往水解器内倒入全部的精馏酒精和蒸馏水,开动搅拌器,搅拌2分钟,搅拌的条件下,缓慢加入盐酸。再搅拌2分钟,搅拌的条件下逐渐加入原硅酸乙酯,控制水解液温度52℃,原硅酸乙酯加完后,继续搅拌60分钟,冷却至室温。
高温强化方法为:将烧结好的型芯浸入高温强化剂中,待气泡完全消失后,取出,将型芯置于自干架上自干24小时以上,或氨干30分钟以上。
7、低温强化
低温强化剂配方如下:
  组份   技术条件   含量(重量%)
  酚醛醇溶清漆精馏酒精乌洛托品   HG1-574-67GB/T394.1-1994纯度不小于99.5%   50455
低温强化剂的配制方法:先将精馏酒精与酚醛醇溶清漆混合,在不断搅拌下加入乌洛托品,全溶后装瓶并用蜡封口备用。
低温强化方法:将高温强化好的型芯浸入低温强化剂中,待气泡完全消失后取出,置于自干架上,自干24小时以上,然后将型芯在150±10℃温度条件下烘干2小时。
实施例3
1、配料
基体材料选用石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料的混合物,按重量百分比石英玻璃粉占基体材料70%,二氧化硅多孔材料占基体材料30%,矿化剂材料选用莫莱石(3Al2O3.2SiO,粒度≤53μm,GB/T12215-90,梅河口生产),芯料由基体材料和矿化剂材料组成,配比按重量百分比计为:基体材料80%,矿化剂材料20%。增塑剂材料为按重量百分比97%白石蜡(GB254-87,50~60#)和3%高压聚乙烯(HG2-299-65,A级)的混合物,增塑剂材料占基体材料和矿化剂材料总重量的15%。
石英玻璃粉由石英玻璃球(JC177-81,SiO2≥99.97%)球磨制得。按重量比石英玻璃∶磨球∶水为1∶1.3∶1的比例配料,球磨90小时后过250目以上的水筛,在200±10℃温度条件下,保温4小时,降温至室温,将石英玻璃粉盛于干净防潮的容器中备用。二氧化硅多孔材料以市售的硅溶胶为原料制备,方法是将硅溶胶加热至500±30℃,保温4h,蒸干水份,然后将二氧化硅固体球磨100h,磨成粉体,粒度可以不作要求;然后煅烧粉体,于1150±30℃,保温2h,再将煅烧完的物料细磨(球磨),至粒度为120μm。然后将石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料混合好。
2、混合芯料
将基体材料和矿化剂材料按配比混合,用球磨机球磨,时间2.2小时,过100目以上的铜筛,然后将芯料盛于搪瓷盘中,装于电热干燥箱于150℃温度条件下烘干,时间2.2小时。
3、制备料浆
将占芯料重15%的增塑剂加入油浴坩埚中熔化,待全熔后开动搅拌,将烘干的芯料逐渐加入坩埚内,全部加入后,再加入占芯料重0.1%的油酸,搅拌,时间5小时,料浆温度控制在120℃,搅拌均匀后,静止30分钟排除气泡。
4、压制成型
控制制模间室温20±2℃,将模具预热至30℃,料浆温度控制在80℃,在0.2MPa压力下通过压蜡机压制成型。
5、烧结
按照图1所示烧结工艺曲线进行烧结,升温至200℃,烧结4小时,然后升温至400℃烧结1小时,升温至600℃烧结1小时,升温至900℃烧结1小时,最后升温至1160℃烧结6小时,然后随炉冷却至常温。
6、高温强化
高温强化剂的配比如下:
  组份   技术条件   含量(ml)
  原硅酸乙酯精馏酒精蒸馏水   HB5345-86 SiO2 32~34%HCl≤0.04%GB/T394.1-1994工业用   100015260
  盐酸   GB/T622-1989   13.3
高温强化剂的配制方法为:往水解器内倒入全部的精馏酒精和蒸馏水,开动搅拌器,搅拌3分钟,搅拌的条件下,缓慢加入盐酸。再搅拌2分钟,搅拌的条件下逐渐加入原硅酸乙酯,控制水解液温度40℃,原硅酸乙酯加完后,继续搅拌30分钟,冷却至室温。
高温强化方法为:将烧结好的型芯浸入高温强化剂中,待气泡完全消失后,取出,将型芯置于自干架上自干24小时以上,或氨干30分钟以上。
7、低温强化
低温强化剂配方如下:
  组份   技术条件   含量(重量%)
  酚醛醇溶清漆精馏酒精乌洛托品   HG1-574-67GB/T394.1-1994纯度不小于99.5%   50455
低温强化剂的配制方法:先将精馏酒精与酚醛醇溶清漆混合,在不断搅拌下加入乌洛托品,全溶后装瓶并用蜡封口备用。
低温强化方法:将高温强化好的型芯浸入低温强化剂中,待气泡完全消失后取出,置于自干架上,自干24小时以上,然后将型芯在150±10℃温度条件下烘干1小时。

Claims (6)

1、一种空心铸件陶瓷型芯,以重量百分比计的组成成分为:基体材料80~85%,莫莱石20~15%,基体材料由石英玻璃粉和二氧化硅多孔材料组成,按重量百分比石英玻璃粉占基体材料60~80%,二氧化硅多孔材料占基体材料40~20%。
2、按照权利要求1所述的空心铸件陶瓷型芯,其特征在于二氧化硅多孔材料以硅溶胶为原料制备,方法是将硅溶胶加热至500±30℃,保温4h,蒸干水份,然后将二氧化硅固体球磨100h,磨成粉体;然后煅烧粉体,于1150±30℃,保温2~4h,再将煅烧完的物料细磨至粒度为75~120μm。
3、权利要求1所述的空心铸件陶瓷型芯的制备方法,其特征在于按以下工艺步骤进行:
(1)配料
基体材料选用石英玻璃粉,SiO2≥99.97%,粒度≤61μm,矿化剂材料选用莫莱石,粒度≤53μm,芯料配比按重量百分比计为:基体材料80~85%,矿化剂材料20~15%,基体材料选用石英玻璃粉和多孔型二氧化硅材料,按重量百分比石英玻璃粉占基体材料60~80%,二氧化硅多孔材料占基体材料40~20%,增塑剂材料为按重量百分比97%白石蜡和3%高压聚乙烯的混合物,增塑剂材料占基体材料和矿化剂材料总重量的15%~18%;
(2)混合芯料
将基体材料和矿化剂材料按配比混合,用球磨机球磨,时间大于2小时,过100目以上的铜筛,然后将芯料盛于搪瓷盘中,于150~200℃温度条件下烘干,时间大于2小时;
(3)制备料浆
将占芯料重15~18%的增塑剂加入油浴坩埚中熔化,待全熔后开动搅拌,将烘干的芯料逐渐加入坩埚内,全部加入后,再加入占芯料重0.1%~0.2%的油酸,搅拌,时间大于4小时,料浆温度控制在120~130℃范围内,搅拌均匀后,静止20~30分钟排除气泡;
(4)压制成型
控制制模间室温20±2℃,将模具预热至30~40℃,料浆温度控制在80~100℃,在0.2~0.6MPa压力下通过压蜡机压制成型;
(5)烧结
将制备好的芯装入陶瓷槽,升温至200℃,烧结4~6小时,然后升温至400℃烧结1~2小时,升温至600℃烧结1小时,升温至900℃烧结1小时,最后升温至1160~1200℃烧结4~6小时,然后随炉冷却至常温;
(6)高温强化
将烧结好的型芯浸入高温强化剂中,待气泡完全消失后,取出,将型芯置于自干架上自干24小时以上,或氨干30分钟以上;
(7)低温强化
将高温强化好的型芯浸入低温强化剂中,待气泡完全消失后取出,置于自干架上,自干24小时以上,然后将型芯在150±10℃温度条件下烘干1~2小时。
4、按照权利要求3所述的空心铸件陶瓷型芯的制备方法,其特征在于石英玻璃粉由石英玻璃球球磨制得,按重量比石英玻璃∶磨球∶水为1∶1.3∶1的比例配料,球磨80~90小时后过250目以上的水筛,在200±10℃温度条件下,保温4~6小时,降温至室温。
5、按照权利要求3所述的空心铸件陶瓷型芯的制备方法,其特征在于采用的高温强化剂的配方为:原硅酸乙酯1000ml,精馏酒精152ml,蒸馏水60ml,盐酸13.3~13.6ml;高温强化剂的配制方法为:往水解器内倒入全部的精馏酒精和蒸馏水,开动搅拌器,搅拌2~3分钟,搅拌的条件下,缓慢加入盐酸,再搅拌2分钟,搅拌的条件下逐渐加入原硅酸乙酯,控制水解液温度40~52℃,当温度高于52℃时,进行冷却,原硅酸乙酯加完后,继续搅拌30~60分钟,冷却至室温。
6、按照权利要求3所述的空心铸件陶瓷型芯的制备方法,其特征在于采用的低温强化剂配方以重量百分比计为:酚醛醇溶清漆50%,精馏酒精45%,乌洛托品5%,低温强化剂的配制方法:先将精馏酒精与酚醛醇溶清漆混合,在不断搅拌下加入乌洛托品,全溶后装瓶并用蜡封口。
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