TWI496818B - 減碘聚芳硫醚的製備方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種聚芳硫醚(polyarylene sulfide)的製備方法,更具體地涉及一種減少聚芳硫醚中之碘含量並同時提高其物理性質之聚芳硫醚的製備方法。
目前,聚芳硫醚是典型的工程塑料(Engineering Plastic),由於其具有高耐熱性和耐化學性、阻燃性(flame resistance)、以及電絕緣性,因此可用於高溫及腐蝕性環境以及電子產品上。聚芳硫醚主要用於電腦零組件、汽車零組件、與腐蝕性化學物質接觸部分之塗層、工業用耐化學性纖維等。
在聚芳硫醚中,目前商業上銷售的只有聚苯硫醚(polyphenylene sulfide,以下簡稱為“PPS”)。目前,聚苯硫醚的商業化生產製程,均採用以對-二氯苯(p-dichlorobenzene,以下簡稱為“pDCB”)和硫化鈉(sodium sulfide)作為原料,並在N-甲基吡咯烷酮(N-methyl pyrrolidone)等極性溶劑中進行反應的方法。該方法以麥氏製程(Macallum process)而聞名,其基本製程揭露於美國專利第2,513,188號及第2,583,941號中。所使用的極性溶劑有很多種,但目前使用最多的是N-甲基吡咯烷酮。該製程均把二氯代芳族化合物(dichloro aromatic compound)作為原料使用,並生成副產物氯化鈉(NaCl)。
在如上所述之麥氏製程中獲得的PPS,其分子量為10,000至40,000,且熔融黏度不高,為3,000泊(Poise)以下。為了獲得更高的熔融黏度,一般在熔點(Tm)以下的溫度加熱PPS,並進行與氧接觸的後處理(curing)製程。此時,能夠透過氧化、交聯(crosslinking)、高分子鏈延長(extension)等反應,將熔融黏度增加至必要程度。
透過習知製程製備的PPS,主要具有如下缺陷:
第一,使用硫化鈉等物質提供高分子反應所必須的硫,使得高分子中存在大量的氯化鈉等金屬鹽副產物。在清洗所述製程中獲得的高分子之後,仍殘留有數千ppm的金屬鹽,因而除了提高高分子的導電率外,還導致加工機器的腐蝕,而且製成纖維時導致紡絲製程中出現問題。此外,從生產者的角度觀之,將硫化鈉作為原料使用時,副產物亦即氯化鈉的產生量在所投入原料重量中所佔比重為52 wt%,即使回收也無經濟效益,因此只能當作廢棄物處理。
第二,在後處理製程中,高分子的物理性質容易劣化。因氧所引起的氧化及交聯反應,會使高分子的顏色變深,並使高分子具有易碎(brittleness)的機械特性。
最後,透過溶液聚合法獲得的高分子產物均為非常微細的粉末狀,最終PPS也不例外,如此會相對降低其表觀密度,因此不僅不利運輸,且在製造產品的加工製程中也導致許多不便。
除了所述麥氏製程之外,美國專利第4,746,758號、第4,786,713及其相關專利中提出了新的製程。這些專利中揭露使用二碘化合物(diiodo compounds)和固體硫(solid sulfur)取代習知製程中的二氯化合物和硫化鹽(metal sulfide),並在無極性溶劑下直接加熱而得到聚芳硫醚的方法。該方法包括兩個步驟,亦即碘化製程及聚合製程,在碘化製程中使芳基化合物(aryl compounds)與碘進行反應而獲得二碘化合物,在聚合製程中使二碘化合物與固體狀態的硫進行反應而製備高分子量的聚芳硫醚。在反應過程中產生蒸汽狀態的碘,能夠被回收並使其再與芳基化合物進行反應,因此碘實際上是催化劑。
然而,在此新製程中要解決的問題主要有如下兩點:第一,碘以分子狀態殘留時具有腐蝕性,因此即使最終聚芳硫醚產品中所含的碘量很少,也會導致加工機器出現問題。第二,由於在聚合製程中使用固體硫,最終聚芳硫醚中會有二硫鍵(disulfide link),致使包括熔點在內的熱特性(thermal properties)降低。
因此,有必要研究出製程中不會產生不必要金屬鹽,且能明顯減少聚芳硫醚中會導致機器腐蝕的碘含量,同時能夠製得具有高度耐熱性、耐化學性以及機械強度之聚芳硫醚的有效製程。
本發明提供一種碘含量低且熱穩定性優異之聚芳硫醚的製備方法。
本發明還提供一種碘含量低且熱穩定性優異的聚芳硫醚。
此外,本發明提供一種包含所述聚芳硫醚的成型品。
本發明提供一種聚芳硫醚的製備方法,其包括使含有二碘代芳族化合物、硫化合物、以及由以下化學式1表示之聚合終止劑的反應物進行聚合反應的步驟。
在所述化學式1中,X為化學鍵、O、S、N、羰基或亞甲基,所述R1
至R10
分別獨立地表示氧、羥基(hydroxyl)、碳原子數為1至5的烷基或苯基。
本發明還提供透過前述方法製備出之碘含量為20,000 ppm以下的聚芳硫醚,以及包含該聚芳硫醚的成型品。
下面,進一步詳細地說明根據本發明一實施例之聚芳硫醚的製備方法及由此製得的聚芳硫醚。
本發明之發明人注意到習知聚芳硫醚製備方法中存在的問題,並致力於透過化學方法來解決該問題。從最終高分子中去除碘的理由,除了腐蝕性之外,經濟方面的因素也大。眾所周知,使用二碘代芳族化合物等的方式中,所製備的聚芳硫醚高分子中會含有游離碘分子,或者碘原子會與聚芳硫醚高分子中的芳基(aryl group)結合。
本發明尤其涉及一種在聚芳硫醚的聚合製程中,不僅能夠減少殘留於最終高分子中的碘含量,同時能夠維持或改善聚芳硫醚之物理性質的聚芳硫醚之製備方法。
根據本發明一實施例的聚芳硫醚的製備方法,包括以下步驟:使含有二碘代芳族化合物、硫化合物、以及由以下化學式1表示之聚合終止劑的反應物進行聚合反應。
在所述化學式1中,X為化學鍵、O、S、N、羰基或亞甲基,所述R1
至R10
分別獨立地表示氧、羥基(hydroxyl)、碳原子數為1至5的烷基或苯基。
在所述化學式1中,X優選可為化學鍵、O或S。此外,當R1
至R10
為烷基時,若碳原子數為1至5,則其構成不受限制,但優選可為甲基、乙基、丙基、異丙基、丁基或三級丁基(t-丁基)。
如上所述,使用由化學式1表示的聚合終止劑來進行聚芳硫醚的聚合反應,與不使用聚合終止劑或者使用具有碘等聚合終止基的習知聚合終止劑相比,本發明不僅能夠減少聚合高分子中的碘含量,而且所製備的高分子具有優異的熱穩定性。並且,透過調整所添加之化學式1的聚合終止劑的量,也能夠輕易調整最終產生之聚芳硫醚的熔融黏度。
此外,上述聚合終止劑若以化學式1來定義,則其構成不受限制,但優選可為選自二苯硫醚(diphenyl sulfide)、二苯醚(diphenyl ether)、聯苯(biphenyl)以及二苯甲酮(benzophenone)中的至少一種。並且,所述終止劑更優選可為二苯硫醚(diphenyl sulfide)、二苯醚(diphenyl ether)或聯苯(biphenyl)。由於此種聚合終止劑之苯基之間的官能基為電子供應者(electron donor),因此能夠表現出更為優異的作用。
此外,相對於100重量份的二碘化合物,優選包含0.3~2.8重量份的所述聚合終止劑。若相對於100重量份的二碘化合物,所述聚合終止劑的含量低於0.3重量份,由其使用所帶來之熱穩定性提高及減碘效果不明顯,若其含量超過2.8重量份,雖然能把碘含量降低至幾乎檢測不到,但卻有可能聚合出熔融黏度過低的聚芳硫醚。
此外,能夠用於所述聚芳硫醚之聚合反應的二碘代芳族化合物,可以是選自二碘苯(diiodobenzene;DIB)、二碘萘(diiodonaphthalene)、二碘聯苯(diiodobiphenyl)、二碘雙酚(diiodobisphenol)及二碘苯甲酮(diiodobenzophenone)中的至少一種,但並不侷限於此,也可以使用屬於二碘代芳族化合物的化合物。亦即,作為取代基結合有烷基(alkyl group)或磺基(sulfone group)等的二碘代芳族化合物,或者芳基化合物中含有氧或氮等雜原子(Heteroatom)的二碘代芳族化合物。此時,所述二碘代芳族化合物根據碘原子的結合位置具有多種異構物(isomer)。其中最優選地可以使用在分子的兩端上以最遠的距離對稱結合有碘的化合物,如對二碘苯(pDIB;p-diiodobenzene)、2,6-二碘萘(2,6-diiodonaphthalene)、或者p,p’-二碘聯苯(p,p’-diiodobiphenyl)。
而且,可使用的硫化合物形態不受限制。通常,硫在常溫下是8個原子相連接之環八硫(cyclooctasulfur;S8)形態,但即使不是環八硫形態,只要在商業上可以使用的固態或液態硫,任何形態的硫均可以使用。
此外,相對於1莫耳(mol)固體硫,二碘代芳族化合物的使用量可為0.9莫耳(mol)以上。而且,當以由所述二碘代芳族化合物與硫化合物反應製得之聚芳硫醚的重量為基準時,所述硫化合物的含量優選為15至30 wt%。當硫的使用量為所述範圍內時,就能合成出具有較高耐熱性及耐化學性,且物理強度等物理性質也優異的聚芳硫醚。
此外,在任何可聚合含有二碘代芳族化合物、硫化合物以及所述化學式1表示之聚合終止劑的反應物的反應條件下,可進行如上所述之聚合反應步驟。但優選在升溫降壓的反應條件下進行聚合步驟。可以在溫度為180~250℃且壓力為50~450 torr的起始反應條件下,進行升溫以及降壓,以使反應條件變成溫度為270~350℃且壓力為0.001~20 torr的最終反應條件的同時進行1~30小時。
在如上所述之升溫降壓條件下進行聚合反應時,能夠獲得減碘效率高,熱穩定性優異,且機械物理性質優異的高分子。
此外,根據上述實施例的聚芳硫醚的製備方法,在進行聚合反應步驟之前,可進一步包括熔融混合反應物的步驟。其中,所述反應物包含二碘代芳族化合物、硫化合物及由化學式1表示的聚合終止劑。所述聚合反應步驟是在無有機溶劑下進行的熔融聚合反應步驟,並且,為了進行這樣的熔融聚合反應,可預先熔融混合含有二碘代芳族化合物的反應物,然後再進行聚合反應。
若熔融混合是在所述各反應物均可熔融混合的條件下進行,則其條件不受限制,但優選可在150~250℃的溫度下進行。
在聚合反應之前進行熔融混合步驟,能夠使熔融聚合反應更容易進行。
此外,在所述實施例之聚芳硫醚的製備方法中,可在硝基苯(nitrobenzene)類催化劑的存在下進行聚合反應。如此,在聚合反應之前進行熔融混合步驟時,可在熔融混合步驟中添加所述催化劑。另外發現,在聚合反應過程中,與不使用催化劑進行聚合的情況相比,在存有硝基苯(nitrobenzene)類催化劑的情況下聚合聚芳硫醚能夠製備熔點更高的聚芳硫醚。當聚芳硫醚具有低熔點時,產品的耐熱性不佳,因此為了製備耐熱性佳的聚芳硫醚,可在存有硝基苯類催化劑的情況下進行聚合反應。硝基苯類催化劑的種類例如可為1,3-二碘-4-硝基苯(1,3-diiodo-4-nitrobenzene)或者1-碘-4-硝基苯(1-iodo-4-nitrobenzene)等,但並不侷限於上述範例。
而且,最終製得的聚芳硫醚,其碘含量為20,000 ppm以下,優選為10,000 ppm以下,且熔融黏度或熔點等物理性質,與透過習知方法生產的聚芳硫醚相同或是更為改善。將所生產之聚芳硫醚中的碘含量減少至20,000 ppm以下,與以往相比,能夠減少裝置腐蝕的危險。另外,以本發明方法製得之聚芳硫醚的熔點(Tm)為265~320℃,優選為268~290℃,更優選為270~285℃。如此,透過確保高範圍的熔點(Tm),當所述聚芳硫醚應用於工程塑料時,可發揮高強度及耐熱性高等優異的性能。
所述聚芳硫醚的熔融黏度可為20~100,000泊(poise),更優選為150~40,000泊,更加優選為200~20,000泊,最佳優選為300~15,000泊。如此,透過確保提高的熔融黏度,當所述聚芳硫醚應用於工程塑料時,可以發揮高強度及耐熱性高等優異的性能。
此外,根據所述實施例聚合的聚芳硫醚中,為了進一步減少包含於聚合高分子中的游離碘,可進一步在100~260℃下進行保持已聚合之聚芳硫醚的熱定型(heat setting)步驟。此時,“熱定型”是指在一定溫度條件下,將聚合高分子保持在固態的步驟。而且,包含於高分子中的游離碘係指“游離的碘分子直接包含於高分子中”的形態,其含量的檢測方法詳細描述於後,但亦可透過冷凍粉碎高分子試樣之後,在50℃下用二氯甲烷(Methylene chloride)進行1小時的超音波處理(Sonication),然後用紫外線光譜儀(UV Spectrometer,Varion,瓦里安公司供售)對試樣進行定量分析來獲得試樣中的游離碘含量。
此外,如上所述之熱定型步驟可在100~260℃的溫度條件下進行,在低於100℃的溫度下進行熱定型時,由熱定型帶來的游離碘含量的減少效果不明顯,而若在260℃以上的條件下進行熱定型時,聚合高分子會熔融或熔接,而失去熱定型的意義。
更優選地,可在130~250℃的溫度條件下進行熱定型。最優選地,可在150~230℃的溫度條件下進行熱定型。熱定型的溫度越高,越能縮短將游離碘含量減少至一定量以下而進行的熱定型時間。
因此,考慮到熱定型溫度,可在0.5~100小時範圍內調整熱定型時間。優選可進行1~40小時的熱定型。
此時,熱定型可在一般的大氣環境下進行,但優選可在注入有選自氮氣、空氣、氦氣、氩氣以及水蒸氣中至少一種氣體的環境下進行熱定型。注入上述氣體進行熱定型時,可提高游離碘的減少速度,進而縮短熱定型時間。
此外,所述熱定型優選也可在真空條件下進行,在真空條件下進行熱定型時,也能加快游離碘的減少速度,進而能夠縮短熱定型時間。
根據本發明的另一實施例,係提供一種透過所述方法製備之碘含量為20,000 ppm以下的聚芳硫醚。所述聚芳硫醚中的碘含量優選為10,000 ppm以下。
另外,這種聚芳硫醚的熔點可為265~320℃。而且,所述聚芳硫醚可具有20~100,000泊(poise)的熔融黏度,優選可為150~40,000泊,更優選為200~20,000泊,更加優選為300~15,000泊。如此確保得到提高的熔融黏度,當所述聚芳硫醚應用於工程塑料時,能夠發揮高強度及耐熱性高等優異的性能。
根據本發明的另一實施例,係提供一種包含所述聚芳硫醚的成型品。所述成型品的形態可以是薄膜、薄片、或是纖維。
這種成型品可透過注塑成型、擠壓成型或吹塑成型等方法來加工。從結晶化角度來看,注塑成型時,模型溫度優選為30℃以上,更優選為60℃以上,更加優選為80℃以上。而且,從試片變形的角度來看,注塑成型時,模型溫度優選為150℃以下,更優選為140℃以下,更加優選為130℃以下。另外,這些成型品可應用於電氣電子零件、建築構件、汽車零組件、機械零組件、以及日用品等。
薄膜或薄片可製成無取向、單軸取向、雙軸取向等形態。纖維可製成無取向絲、取向絲、全取向絲等形態,並將其應用於紡織物、編織物、不織布(紡粘不織布、熔噴不織布、短纖絲)、繩索、或網。
利用本發明的製備方法可製備出碘含量極低且具有改良熱穩定性的聚芳硫醚。
以下透過具體實施例對本發明的作用及效果進行更加詳細的說明,但這些實施例僅用於闡明本發明,本發明的權利範圍並不侷限於下述實施例。
比較例之聚芳硫醚的聚合
1. 比較例1之聚芳硫醚的聚合
用180℃的溫度加熱由327.0g的pDIB與26.5g的硫組成的混合物,等完全熔融及混合之後,將溫度提升到220℃並將壓力降到200 torr,然後分別將溫度及壓力階段性地改變至320℃及1 torr的同時,進行8個小時的反應。
所生成之高分子的熔融黏度(Melting Viscosity,以下簡稱MV)為35,000泊(poise),熔點(以下簡稱Tm)為265℃,碘含量為30,000 ppm。
2. 比較例2之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加作為催化劑的間-二碘硝基苯(m-diiodonitrobenzene)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為40,000泊,Tm為276℃,碘含量為31,000 ppm。
實施例之聚芳硫醚的聚合
1. 實施例1之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加1 g聯苯(biphenyl)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為20,000泊,Tm為273℃,碘含量為5,300 ppm。
2. 實施例2之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加3 g聯苯(biphenyl)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為5,000泊,Tm為276℃,碘含量為2,200 ppm。
3. 實施例3之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加1 g二苯硫醚(diphenyl sulfide)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為15,000泊,Tm為277℃,碘含量為4,700 ppm。
4. 實施例4之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加3 g二苯硫醚(diphenyl sulfide)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為3,000泊,Tm為280℃,碘含量為1,500 ppm。
5. 實施例5之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加9 g二苯硫醚(diphenyl sulfide)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為40泊,Tm為275℃,碘含量低於1 ppm。
6. 實施例6之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在聚合反應進行到50%時,添加3 g二苯硫醚(diphenyl sulfide)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為8,000泊,Tm為275℃,碘含量為12,000ppm。
7、實施例7之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加3 g二苯硫醚(diphenyl sulfide)以及作為催化劑之0.2 g的間-二碘硝基苯(m-diiodonitrobenzene)之外,其他條件均保持不變。
所生成的高分子的MV為2,500泊,Tm為281℃,碘含量為1,700 ppm。
8. 實施例8之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加3 g二苯醚(diphenyl ether)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為2,000泊,Tm為277℃,碘含量為1,700 ppm。
9. 實施例9之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加9 g二苯醚(diphenyl ether)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為17泊,Tm為276℃,碘含量低於1 ppm。
10. 實施例10之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加3 g二苯甲酮(benzophenone)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為30,000泊,Tm為274℃,碘含量低於19,000 ppm。
11. 實施例11之聚芳硫醚的聚合
以與比較例1相同的條件進行聚合反應,除了在最初熔融混合pDIB和硫時,添加9 g二苯甲酮(benzophenone)之外,其他條件均保持不變。
所生成之高分子的MV為15,000泊,Tm為271℃,碘含量低於11,000 ppm。
所述比較例及實施例之聚合反應中添加的添加劑種類及含量、添加時機均顯示於下表1中,根據所述製備方法聚合之聚芳硫醚的MV、Tm以及碘含量則顯示於下表2中。
[實驗例]檢測比較例及實施例之聚芳硫醚的物理性質
1. 熔融黏度之分析
在依據比較例及實施例進行合成的高分子物理性質的分析中,用旋轉圓盤黏度計(rotating disk viscometer)在300℃下檢測熔融黏度(melt viscosity,以下稱為“MV")。
2. 熔點(Tm)之檢測
利用掃描式熱差分析儀(Differential Scanning Calorimeter;DSC)檢測熔點。
3. 碘含量之分析
粉碎依據實施例及比較例而聚合的高分子試樣之後,燃燒其中一定量,並在去離子水等吸附劑中使其離子化,然後透過燃燒離子層析法(combustion ion chromatography)檢測碘離子的濃度,並對其進行分析。
從上表2可知,根據實施例的條件並使用特定聚合終止劑進行聚合時,能夠把包含於聚芳硫醚中的碘含量減少到20,000 ppm以下,同時與熱穩定性相關的Tm值,也與未使用聚合終止劑的情況相比,顯示出同等或是更佳的值。
因此,根據實施例的聚芳硫醚的製備方法,能夠減少碘含量,同時幾乎不影響高分子的物理性質,因而能夠廣泛地應用於聚芳硫醚的製備等相關領域中。
Claims (16)
- 一種聚芳硫醚的製備方法,包括有下列步驟:使一包含有二碘代芳族化合物、硫化合物以及由以下化學式1表示之聚合終止劑的反應物進行聚合反應,以製備出聚芳硫醚,
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中該聚合終止劑係選自二苯硫醚(diphenyl sulfide)、二苯醚(diphenyl ether)、聯苯(biphenyl)以及苯甲酮(benzophenone)所構成之族群中的至少一種。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中,相對於100重量份的二碘化合物,該聚合終止劑的含量為0.3~2.8重量份。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中,該聚合反應步驟係在溫度為180~250℃且壓力為50~450torr的起始反應條件下進行升溫及降壓,以使反應條件最終變成溫度為270~350℃且壓力為0.001~20torr,並進行1~30小時。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,更包括有在進行該聚合反應步驟之前,先熔融混合該反應物的步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中,該聚合反應係在存有硝基苯類催化劑的條件下進行。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中,製備出之該聚芳硫醚的碘含量為20,000ppm以下。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中,製備出之該聚芳硫醚的碘含量為10,000ppm以下。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中,製備出之該聚芳硫醚的熔點為265~320℃。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚芳硫醚的製備方法,其中,製備出之該聚芳硫醚的熔融黏度為20~100,000泊。
- 一種聚芳硫醚,係透過申請專利範圍第1項至第10項中任何一項所述之製備方法所製備者,該聚芳硫醚的 碘含量為20,000ppm以下。
- 如申請專利範圍第11項所述之聚芳硫醚,其碘含量為10,000ppm以下。
- 如申請專利範圍第11項所述之聚芳硫醚,其熔點為265~320℃。
- 如申請專利範圍第11項所述之聚芳硫醚,其熔融黏度為20~40,000泊。
- 一種聚芳硫醚的成型品,係包含有申請專利範圍第11項所述之聚芳硫醚。
- 如申請專利範圍第15項所述之聚芳硫醚的成型品,其形態為薄膜、薄片或纖維。
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