TW202334264A - 基材表面親水處理之方法及具親水改質表面之基材 - Google Patents
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Abstract
一種基材表面親水處理之方法,係包括:將親水聚合物覆於具活性基團之基材表面;以及使該親水聚合物與該活性基團進行交聯反應,以獲得具親水性之基材表面;其中,該親水聚合物係包含源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元。本發明復提供一種以如上所述之方法製得之基材。藉本發明之方法,能有效提升其表面之親水性,且較現有之改質技術更具持久性及耐水洗性,實具有應用前景。
Description
本發明係關於一種基材表面處理之方法,尤其係關於一種基材表面親水處理之方法及具親水改質表面之基材。
表面處理實為十分重要的工藝項目,其優勢在於可於不改變基材本質之情況下,進一步獲得其所不具備的某些特性,因而廣泛應用於微機電、光電、化學、生化、醫療材料等領域。
關於基材之親水性處理,係常用於偏疏水性材質或對極性液體之親和能力有限之基材(如:玻璃、塑料、矽晶片等),其目的為求能符合應用之潤濕、自淨、防污、抗靜電、生物相容性等需求,其中又尤以電漿技術最為常見。惟,電漿技術所賦予的親水能力易於短時間內快速衰退,無法持久。
有鑑於此,有必要提出一種較現有技術更具持久性之基材表面親水處理之方法,以解決上述習知技術所存在的問題。
為解決上述之問題,本發明係提供一種基材表面親水處理之方法,係包括:將親水聚合物覆於具活性基團之基材表面;以及使該親水聚合物與該活性基團進行交聯反應,以獲得具親水性之基材表面;其中,該親水聚合物係包含源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元。
於本發明的一具體實施態樣中,該具活性基團之基材表面係經活化處理形成;於一實施例中,該活化處理係為電漿處理,且該電漿氣體為氧或空氣。
於本發明的一具體實施態樣中,該活性基團係為羥基。
於本發明的一具體實施態樣中,該基材之材質係選自由銅箔、鋁箔、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚二甲基矽氧烷及二氧化矽所組成群組中之一種。
於本發明的一具體實施態樣中,該親水聚合物係分散於介質中形成一親水組成物,且藉由選自旋塗、浸塗及噴塗中之至少一種方式將該親水組成物覆於該基材表面。
於本發明的一具體實施態樣中,該親水組成物中之親水聚合物含量係為1至50重量%。
於本發明的一具體實施態樣中,該親水聚合物之結構如式(I)所示,
其中,該X係源自烯烴的單元,且其側鏈係具親水性基團;以及a與b之比例係為5:5至9:1。
於本發明的另一具體實施態樣中,該親水性基團係為羥基、羧酸基或兩性離子基團。
於本發明的一具體實施態樣中,該X係選自源自下列單體中的至少一結構:
於本發明的又一具體實施態樣中,該親水聚合物係為式(I-1)結構:
其中,a與b之比例係為5:5至7:3且該親水聚合物之重均分子量係為3000至25000克/莫耳範圍內。
於本發明的一具體實施態樣中,該交聯反應的溫度為80至120℃,且該交聯反應的時間為0.5至15小時。
本發明復提供一種以如上所述之方法製得的具親水改質表面之基材,係包括:基材;以及親水改質層,係化學鍵結於該基材之至少一表面上,其中,該親水改質層係包含具源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元的親水聚合物。
於本發明的一具體實施態樣中,該基材之材質係選自銅箔、鋁箔、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚二甲基矽氧烷及二氧化矽所組成群組中之一種。
於本發明的一具體實施態樣中,該親水改質層與水之接觸角係為20至50度。
於本發明的一具體實施態樣中,該親水改質層係包含一具源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元之親水聚合物,其中,該源自經親水性基團取代之烯烴的單元係源自下列單體中的至少一結構:
於本發明的另一具體實施態樣中,該親水聚合物係為式(I-1)結構,
其中,a與b之比例係為5:5至7:3且該親水聚合物之重均分子量係為3000至25000克/莫耳範圍內。
依據本發明,利用含源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元的親水聚合物與該基材間進行交聯反應,而形成具有化學鍵結之親水改質層,不僅能有效提升其表面之親水性,且較現有之改質技術更具持久性及耐水洗性,實具有應用前景。
1:具親水改質表面之基材
10:基材
11:親水改質層
透過例示性之參考附圖說明本發明之實施方式:
圖1係本發明之具親水改質表面的基材之示意圖;
圖2A至2B係本發明實施例1-1至1-2之基材的親水改質層於交聯反應前後的傅里葉轉換紅外光譜圖;
圖3係本發明實施例之親水改質層於傅里葉轉換紅外光譜分析中對不同交聯反應時間之羥基基團的振動吸收峰面積比較圖;以及
圖4A至4H係本發明實施例1-1至1-8之基材表面於親水處理前後之水與基材表面的接觸角測試圖,其中,每幅圖左的照片為親水處理前的親水接觸角測試,圖右的照片為親水處理後的親水接觸角測試。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式,熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點及功效。本發明亦可藉由其它不同之實施方式加以施行或應用,本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用,在不悖離本發明所揭示之精神下賦予不同之修飾與變更。
此外,本文所有範圍和值都係包含及可合併的。落在本文中所述的範圍內之任何數值或點,例如任何整數都可以作為最小值或最大值以導出下位範圍等。
依據本發明,一種基材表面親水處理之方法,係包括:將親水聚合物覆於具活性基團之基材表面;以及使該親水聚合物與該活性基團進行交聯反應,以獲得具親水性之基材表面;其中,該親水聚合物係包含源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元。
文中,所述之「活性基團」係指可與該親水聚合物之源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元進行交聯反應之任何官能基團或自由基,且該活性基團之來源係不限於基材本身,亦包括經活化處理所形成者,尤係關於表面活化之處理所形成者。於一具體實施態樣中,該活性基團可為羧酸基或羥基;於一實施例中,該活性基團係為羥基。
於一具體實施態樣中,本發明所用具活性基團之基材可為聚(4-乙基苯酚)、聚(甲基丙烯酸羥乙酯)或具甲基丙烯酸羥乙酯單元之交聯共聚物。
文中,所述之「活化處理」係指可對基材產生如上所述之活性基團的處理技術,例如電漿處理、電暈處理、光照射處理。於一具體實施態樣中,該活化處理係為電漿處理,其中,該電漿氣體為氧或空氣,且其操作條件較佳係在低壓或常壓及常溫之情況下,形成上述之活性基團。
於另一具體實施態樣中,本發明所用須經活化處理之基材係為偏疏水性之材質,例如選自二氧化矽、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PU)、銅箔及鋁箔所組成群組中之一種。
於一具體實施態樣中,該基材係為銅箔、鋁箔、二氧化矽或聚二甲基矽氧烷;其中,該二氧化矽係可選自玻璃、石英片或形成於晶圓之二氧化矽層。
透過對基材表面之活性基團選擇及活化處理,提高該基材與親水聚合物界面間之結合牢度,進一步優化覆於該基材表面之親水改質層體品質,因而能展現極佳的耐磨性質。
關於該親水聚合物覆於該基材表面之方法,係可應用任何適當之公知覆膜技術進行,例如:輥塗法、旋塗法、線棒塗佈法、浸塗法、幕簾塗法、噴塗法、刮刀塗佈法、狹縫塗佈法,但不限於此。
為使覆於該基材表面之親水聚合物均勻成形,係將該親水聚合物均勻且穩定分散於介質中,形成一親水組成物。於一具體實施態樣中,該親水組成物可直接使用由N-羥甲基丙烯醯胺單體及親水性單體聚合所得之親水聚合物溶液產品;或者以溶劑溶解上述含源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元的親水聚合物切粒的分散液。於一實施例中,該溶解親水聚合物之溶劑以甲醇、乙醇或水性介質為佳;其中,該水性介質一般為水,通常為去離子水。
於本發明中,親水聚合物係分散於水性介質中形成一親水組成物,且藉由選自旋塗、浸塗及噴塗中之至少一種方式覆於該基材表面;特別是,當以旋塗的方式進行覆膜時,該旋塗的轉速係設定於500至3000rpm範圍內,以使該親水組成物於該基材表面形成一厚度均勻之層體。
於一具體實施態樣中,該親水組成物中之親水聚合物含量係為1至50重量%;於其他實施態樣中,該親水組成物中之親水聚合物含量可為3、5、7、10、15、20、25、30、35、40或45重量%,且不以此為限。
於另一具體實施態樣中,當該親水組成物係以水為介質時,該親水組成物中之親水聚合物含量係為1至50重量%。
於又一具體實施態樣中,該親水組成物可依據基材之後續應用及功能性需要,視情況添加其他輔助劑,例如反應助劑、助溶劑、增稠劑、UV吸收劑、抗微生物劑等。
文中,所述之「交聯反應」係指透過熱、酸鹼或輻射等處理所誘發之化學反應,使該親水改質層體內之親水聚合物間、該親水改質層與基材界面間形成化學鍵結。於本發明中,該交聯反應之程序係可與覆膜工藝同時進行,或者於覆膜工藝完成後接續進行。
於本發明之一具體實施態樣中,該交聯反應係為熱交聯反應,且該熱交聯反應之操作環境係在低於常壓的條件下進行,又尤以真空狀態下為佳,俾加速其反應之效率;於一具體實施態樣中,該熱交聯反應之絕對壓力係小於0.1MPa間的範圍;於另一實施態樣中,該熱交聯反應之壓力係低於0.5Pa。
於另一具體實施態樣中,所述交聯反應之操作溫度係高於80℃以上,即有基本程度之反應效果,特別又以80至120℃為較佳的交聯溫度範圍。於一實施例中,當交聯溫度於80至120℃範圍時,其交聯反應時間為0.5至15小時即有化學鍵結形成。
於其他實施態樣中,該交聯反應之溫度可為85、90、95、100、105、110或115℃;該交聯反應之時間可為0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、7、10或12小時,且不以此為限。
於一具體實施態樣中,當以浸塗的方式進行覆膜時,該交聯反應係可為二步程序,包括:與浸塗工藝同時進行之第一交聯反應,以及於浸塗工藝後接續進行之第二交聯反應,其中,該第一交聯反應之溫度係為90至120℃,且其反應時間為0.5至3小時;該第二交聯反應之溫度係為80至120℃,且其反應時間為1至12小時。
於又一具體實施態樣中,該交聯反應之程序係於旋塗工藝完成後接續進行,且其交聯反應溫度係為80至120℃,反應時間為1至12小時。
根據本發明上述之交聯反應,於該基材與親水改質層界面間可形成化學鍵結,進而使本發明製得之基材具備較現有之改質技術更為持久的親水性改質表面。
於本發明中,所述之親水聚合物係由至少二種以上之重複結構單元組合而成,且可視情況選擇隨機、交替、嵌段等排列態樣。於一具體實施態樣中,該親水聚合物係為一由源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元所組成之隨機共聚物。
於一具體實施態樣中,該親水性基團係包括有羥基、羧酸基或兩性離子基團。
於一實施例中,該親水聚合物之結構如式(I)所示之隨機共聚物,
於其他實施態樣中,該親水聚合物中之a與b之比例可為5:5、6:4、7:3或8:2,且不以此為限。
於另一具體實施態樣中,該親水聚合物除該源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元外,復包括另外至少一種之單元;亦即,該親水聚合物可復包括不同於該源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元的兩種、三種、四種或更多種額外之單元。
關於上述之源自經親水性基團取代之烯烴的單元係選自源自下列單體中的至少一結構,並依據實際應用情況選擇合適之單元:
舉例來說,如欲將所製之具親水改質表面的基材應用於眼用隱形鏡片,該源自經親水性基團取代之烯烴的單元係可使用源自A-5單體結構,除提供良好的潤濕性外,復提供有增加使用者之配戴舒適性及穩定性等功效;如將
所製之具親水改質表面的基材應用於鋰離子電池電極,復有增加性能穩定之效果。
於另一具體實施態樣中,本發明之親水聚合物的結構係如式(I-1)所示之隨機共聚物;
於其他實施態樣中,該式(I-1)結構之親水聚合物之重均分子量可為5000、7000、10000、12000、14000、16000、18000、20000、22000或24000克/莫耳,且不以此為限。
經本發明上述之製備方法,係製得一具親水改質表面之基材,係包括:基材;以及親水改質層,係化學鍵結於該基材之至少一表面上。
關於親水性,係透過水滴的接觸角量測進行判定。於本發明中,係觀察層體於乾燥狀態下之接觸角量測結果;於一實施例中,該親水改質層與水之接觸角係為20至50度。
於其他實施態樣中,該親水改質層與水之接觸角可為22、25、27、30、32、35、37、40、42、45或47度,且不以此為限。
復請參閱圖1,係說明上述本發明之具親水改質表面之基材1,係包括:基材10;以及於該基材表面上親水改質層11,其中,該基材係選自銅箔、鋁箔、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚二甲基矽氧烷及二氧化矽所組成群組中之一
種;該親水改質層係包含一具源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元之親水聚合物。
於另一具體實施態樣中,該源自經親水性基團取代之烯烴的單元係源自下列單體中的至少一結構:
於本發明的又一具體實施態樣中,該親水聚合物係為式(I-1)結構之隨機共聚物:
其中,a與b之比例係為5:5至7:3且其重均分子量係為3000至25000克/莫耳範圍內。
請參閱圖2A至2B,係本發明製得之基材的親水改質層於交聯反應前後之傅立葉轉換紅外光譜圖,而圖中虛線框起處(波數為3300至3700cm-1範圍)係為親水改質層中親水聚合物之源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元的羥基基團之振動吸收;而於圖3中,係將各交聯反應時間的羥基基團之振動吸收峰之面積進行比較,由結果可見,經交聯反應後,該親水改質層中親水聚合物之羥基的吸收
係明顯減少,且隨交聯反應時間增加,其親水聚合物之羥基的振動吸收亦愈少。由此可證,所述之交聯反應係使該親水改質層中親水聚合物間、親水聚合物與基材間形成新的化學鍵結,並隨交聯反應程度提高,而有更多的化學鍵結形成,故能展現更為持久的親水性能。
以下透過具體實施例對本發明之特點與功效做進一步詳細說明,但不因實施例說明限制本發明之範疇。
合成例:親水聚合物(I-1)之合成
首先,將N-羥甲基丙烯醯胺單體(0.0105莫耳)、起始劑偶氮二異丁腈(AIBN,0.00014莫耳)先置於雙頸圓底燒瓶中連接真空系統進行乾燥處理;又,配製體積比為7:1的甲醇/水的混合溶劑,在單頸圓底燒瓶中以該混合溶劑溶解3-[[2-(丙烯醯氧基)乙基]二甲基銨基]丙烷-1-磺酸鹽單體(0.0245莫耳),並以氬氣吹掃該單頸圓底燒瓶中之反應液30分鐘,來除去反應液中溶解的氧。
接著,將該單頸圓底燒瓶中的反應液移至該雙頸圓底燒瓶,以使所有原料進行混合,待完全溶解後,將該雙頸圓底燒瓶移至65℃油浴中進行聚合反應;最後,將該雙頸圓底燒瓶內的混合物冷卻並暴露於空氣下,來停止聚合反應,反應時間為24小時;隨後,取截留分子量為10000之透析膜來分離去除該混合物中之雜質,即獲得如下式(I-1)所示之隨機共聚物,並將該製得之親水聚合物(I-1)保存於去離子水中。
又,將上述製品進行重均分子量及多分散性指數(PDI值)之測定。關於分子量及多分散性指數之分析,係使用凝膠滲透層析儀(GPC,Waters,1515)進行偵測,其操作條件係設定如下:(1)流動相:1ml/min,THF;(2)檢測器型號:Waters 2414折射率偵測器;檢測溫度:40℃;(3)用於GPC檢測製品之濃度:1.5mg/ml;(4)進樣量:200μL;(5)層析柱型號:Water column 7.8 x 300mm。
經上述分析,該製品測得之重均分子量為23,598,數均分子量為13,110,PDI值為1.8。
實施例1-1:具親水改質表面之基材製備
首先,將聚二甲基矽氧烷(PDMS)基材置於電漿室中,於常溫、常壓狀態下,以乾燥空氣產生之電漿對其表面進行活化處理;其中,該電漿的設定功率為120W,且其操作時間為30秒。
其次,取合成例1製得之親水聚合物,以水為溶劑配製成一含1重量%親水聚合物之親水組成物;藉旋塗設備,於轉速1000rpm之操作條件下,使該配製之親水組成物於經活化處理之PDMS基材表面形成一厚度均勻之親水改質層。
接著,將該塗覆完成之基材置於烘箱中,並升溫至90℃,絕對壓力係設定在真空條件下進行12小時之交聯反應,即得一親水改質之基材表面。
最後,將上述製得之基材進行後述試驗及分析:
(1)表面鍵結定性分析:完成表面改質後,利用衰減式全反射傅立葉紅外光譜儀(ATR-FTIR,PerkinElmer;Spectrum Two)量測其表面的紅外線光譜,並以未
經過溶液塗佈的基材做為基線,觀察其羥基基團之變化(波數為3300至3700cm-1範圍),並將結果紀錄於圖2A。
(2)表面親水性測試:於完成表面改質後,先以水沖洗1至12小時清潔該表面,並置於壓力小於0.1MPa及常溫之環境下乾燥;之後,再以接觸角量測儀(Kyowa Interface Science Co.,Ltd.;MCA-3)量測乾燥狀態下之接觸角,並將結果紀錄於表1及圖4A。
(3)持久性測試:
(3-1)長期親水性試驗:將該製得之基材存放於溫度為25至30℃及濕度為60至90%之環境下,於6個月後,依上述表面親水性測試方法量測該基材表面之接觸角,並將結果紀錄於表2。
(3-2)浸洗試驗:將該製得之基材放置於溫度為25至30℃及濕度為60至90%之環境下6個月後,使該基材浸泡於去離子水中1小時,並置於常溫及壓力小於0.1MPa的條件下乾燥後,再依上述(2)之接觸角量測方法進行量測,並將結果紀錄於表2。
(3-3)水洗測試:將該製得之基材放置於溫度為25至30℃及濕度為60至90%之環境下6個月後,使該基材容置於含有去離子水之容器中,並以手持搖動方式清洗該基材5至10分鐘;接著,將基材置於常溫及壓力小於0.1MPa的條件下乾燥,再依上述(2)之接觸角量測方法進行量測,並將結果紀錄於表2。
實施例1-2:基材材質變化之效果
其基材製備方法同實施例1-1,惟將聚二甲基矽氧烷基材異動為晶圓之二氧化矽層;而後,將製成之基材進行表面鍵結、親水性分析及持久性測試,並將結果分別記錄於圖2B、圖4B、表1及表2。
實施例1-3至1-7:基材材質變化之效果
其基材製備方法同實施例1-1,惟其基材材質係分別異動為銅箔、鋁箔、玻璃、石英及聚對苯二甲酸乙二酯;而後,將製成之基材進行表面鍵結及親水性分析,並將結果分別記錄於圖4C至4G、表1及表2。
實施例1-8:基材材質變化之效果
其基材製備方法同實施例1-1,惟將聚二甲基矽氧烷基材異動為具交聯結構之聚甲基丙烯酸羥乙酯基材,並直接進行旋塗覆膜程序,而不進行表面活化處理;而後,將製成之基材進行表面鍵結、親水性分析及持久性測試,並將結果分別記錄於圖4H、表1及表2。
實施例2-1:不同塗覆方法之影響
取合成例1製得之親水聚合物,以水為溶劑配製成一含1重量%親水聚合物之親水組成物;於溫度為90℃之條件下,將具交聯結構之聚甲基丙烯酸羥乙酯基材含浸於上述親水組成物中3小時,使該親水組成物沉積於該基材表面形成一親水改質層。
接著,將該塗覆完成之基材置於烘箱中,並將溫度設定為90℃,絕對壓力為真空之條件下進行12小時之交聯反應,即得一親水改質之基材表面,並依據實施例1-1之測試方法分析上述製得之基材,並記錄於表1。
比較例1至8:電漿處理
將表1所列之各種基材分別置於電漿室中,於常溫、常壓狀態下,以乾燥空氣產生之電漿對其表面進行活化處理;其中,該電漿的設定功率為120W,且其操作時間為30秒,即得一親水改質之基材表面。
接著,依據實施例1-1之測試方法,分析上述製得之基材,並記錄於表1及表2。
綜上所述,本發明所述之基材表面親水處理之方法,係利用含源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元之親水聚合物與該基材間進行交聯反應,而形成具有化學鍵結之親水改質層的基材,不僅能有效提升其表面之親水性,且較現有之改質技術更具持久性及耐水洗性,實具有應用前景。
上述實施例僅為例示性說明,而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下,對上述實施例進行修飾與
改變。因此,本發明之權利保護範圍係由本發明所附之申請專利範圍所定義,只要不影響本發明之效果及實施目的,應涵蓋於此公開技術內容中。
1:具親水改質表面之基材
10:基材
11:親水改質層
Claims (18)
- 一種基材表面親水處理之方法,係包括:將親水聚合物覆於具活性基團之基材表面;以及使該親水聚合物與該活性基團進行交聯反應,以獲得具親水性之基材表面;其中,該親水聚合物係包含源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元。
- 如請求項1所述之方法,其中,該具活性基團之基材表面係經活化處理形成。
- 如請求項2所述之方法,其中,該活化處理係為電漿處理,且該電漿氣體為氧或空氣。
- 如請求項1所述之方法,其中,該活性基團係為羥基。
- 如請求項1所述之基材表面處理之方法,其中,該基材之材質係選自由銅箔、鋁箔、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚二甲基矽氧烷及二氧化矽所組成群組中之一種。
- 如請求項1所述之方法,其中,該親水聚合物係分散於介質中形成親水組成物,且藉由選自旋塗、浸塗及噴塗中之至少一種方式將該親水組成物覆於該基材表面。
- 如請求項6所述之方法,其中,該親水組成物中之親水聚合物含量係為1至50重量%。
- 如請求項8所述之方法,其中,該親水性基團係為羥基、羧酸基或兩性離子基團。
- 如請求項1所述之方法,其中,該交聯反應的溫度為80至120℃,且該交聯反應的時間為0.5至15小時。
- 一種以如請求項1所述之方法製得的具親水改質表面之基材,係包括:基材;以及親水改質層,係化學鍵結於該基材之至少一表面上,其中,該親水改質層係包含具源自N-羥甲基丙烯醯胺之單元及源自經親水性基團取代之烯烴的單元的親水聚合物。
- 如請求項13所述之基材,其中,該基材之材質係選自由銅箔、鋁箔、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚二甲基矽氧烷及二氧化矽所組成群組中之一種。
- 如請求項13所述之基材,其中,該親水改質層與水之接觸角係為20至50度。
- 如請求項13所述之基材,其中,該親水性基團係為羥基、羧酸基或兩性離子基團。
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