TWI670291B - 低黏度聚酯多元醇的製法 - Google Patents
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Abstract
一種低黏度聚酯多元醇的製法,包含以下步驟:將一種芳族二酸系化合物、一種含有鹼金屬離子的化合物及一種脂族二醇進行混合,得到一混合物;及使該混合物進行反應,其中,基於該混合物的總重為100%,該含有鹼金屬離子的化合物的鹼金屬離子含量範圍為10~12000ppm。本發明製法透過於混合物中加入該含有鹼金屬離子的化合物,之後再讓該混合物進行反應,而能有效控制該芳族二酸系化合物與該脂族二醇的反應,並進而能獲得滿足後續應用的低黏度聚酯多元醇。
Description
本發明是有關於一種聚酯多元醇的製法,特別是指一種低黏度聚酯多元醇的製法。
聚酯多元醇是多元酸和多元醇經酯化縮聚反應合成的聚合物,其廣泛應用於聚氨酯(PU)人造皮、PU泡棉、PU/聚異氰脲(polyisocyanurate,PIR)泡棉、黏著劑、塗料、熱塑性聚氨酯(TPU)等。當聚酯多元醇的黏度過高,將可能產生不易分散、後續加工困難等問題,因此,基於後續加工應用的考量,聚酯多元醇的黏度範圍必須被適度調控。
針對聚酯多元醇的黏度調控方式,目前有許多關於低黏度聚酯多元醇的製備方法被提到,例如美國專利公告US 6,664,363 B1就提到一種低黏度芳香族多元醇的製法。該製法包含以下成分的內酯化反應(inter-esterification):(a)20~80mol%的至少一種苯二甲酸系材料、(b)20~80mol%的至少一種脂肪族二醇、(c)0.1~20mol%的至少一種較高官能度多元醇(higher functional polyol)及(d)0.1~20mol%的至少一種疏水性材料。該較高官能度多元醇例如烷基化甘油、蔗糖、烷基化蔗糖等,該疏
水性材料如脂肪酸或脂肪酸低烷醇酯(lower alkanol esters of carboxylic acid)、三酸甘油酯等。該較高官能度多元醇及疏水性材料是於苯二甲酸系材料與脂肪族二醇開始反應後加入。
日本專利公開案JP 2013023558A則是透過將含有間苯二甲酸及/或對苯二甲酸的二酸組分、與含有聚乙二醇及聚丙二醇(兩者的數目平均分子量皆為200~1000)的醇組分進行酯化反應而獲得低黏度聚酯多元醇。
前述兩個專利案皆是透過改變配方中的酸組分或醇組分來降低產物黏度,但配方上的變化將相對應導致製程步驟及條件等的改變,也可能同時讓研發時間、製造成本等大幅地增加。因此,如何在不大幅變動原有配方、製程條件下,尋找一種製備低黏度聚酯多元醇的方法,仍有持續研發的需求。
因此,本發明之目的,即在提供一種無須大幅變動配方及製程條件、且不會導致製造成本增加的低黏度聚酯多元醇的製法。
於是,本發明低黏度聚酯多元醇的製法,包含以下步驟:將一種芳族二酸系化合物(aromatic dicarboxylic acid-based compound)、一種含有鹼金屬離子的化合物及一種脂族二醇進行混合,得到一混合物;及使該混合物進行反應;其中,基於該混合物的總重為100%,該含有鹼金屬離子的化
合物的鹼金屬離子含量範圍為10~12000ppm。
本發明之功效在於:本發明低黏度聚酯多元醇的製法主要是透過在該含有芳族二酸系化合物及脂族二醇的混合物中加入該含有鹼金屬離子的化合物,之後再使該混合物進行反應,使得該芳族二酸系化合物與脂族二醇之間的反應得以被控制,進而能獲得滿足後續應用的低黏度聚酯多元醇。在本發明的製法中,該混合物的反應機制應是透過使所加入的含有鹼金屬離子的化合物作為其他反應物(芳族二酸系化合物或脂族二醇,並主要是以芳族二酸系化合物為主)或所生成聚酯多元醇的封端劑(end-capping agent),也就是讓其他反應物或聚酯多元醇的末端(COOH或OH)的氫離子被鹼金屬離子所取代,以助於讓聚酯多元醇的主鏈不會持續反應,進而讓主鏈不會持續擴鏈,並避免聚酯多元醇的黏度及分子量大幅增加。
以下就本發明內容進行詳細說明:
本文中的「芳族二酸系化合物」即芳族二羧酸系化合物,泛指芳族二酸、或由芳族二酸所衍生的衍生物。較佳地,該芳族二酸系化合物是選自於芳族二酸、芳族二酸酐或前述的組合。更佳地,該芳族二酸系化合物為苯二甲酸系化合物(phthalic acid-based compound)。該苯二甲酸系化合物包括、但不限於鄰苯二甲酸(PA)、鄰苯二甲酸酐、對苯二甲酸(TPA)、間苯二甲酸(IPA)等,上述化合物可以單一種使用、或以二種或二種以上任意
組合使用。於本發明的具體例中,該芳族二酸系化合物是苯二甲酸系化合物,且該苯二甲酸系化合物選自於鄰苯二甲酸、對苯二甲酸、間苯二甲酸或前述的組合。
本文中的「含有鹼金屬離子的化合物」泛指任何含有鹼金屬離子的化合物。較佳地,該含有鹼金屬離子的化合物是選自於鹼金屬氫氧化物、鹼金屬鹽或前述的組合。該鹼金屬氫氧化物包括、但不限於NaOH、KOH等,前述鹼金屬氫氧化物可以單一種使用或者以二種或二種以上任意組合使用。該鹼金屬鹽包括、但不限於Na2CO3、NaHCO3、NaCl、Na2SO4、K2CO3等,前述鹼金屬鹽可以單一種使用或者以二種或二種以上任意組合使用。於本發明的具體例中,該含有鹼金屬離子的化合物是選自於Na2CO3、NaHCO3、NaCl、Na2SO4或KOH。
本文中的「脂族二醇」泛指任何脂肪族二醇化合物,且較佳為適合與二酸系化合物進行反應的脂族二醇化合物。該脂族二醇包括、但不限於乙二醇(ethylene glycol,以下簡稱EG)、二乙二醇(diethylene glycol,以下簡稱DEG)、三甘醇{2-[2-(2-Hydroxyethoxy)ethoxy]ethanol}、丙二醇(propylene glycol)、1,4-丁二醇(1,4-butanediol)、戊二醇(1,2-pentanediol)、己二醇(hexanediol)、新戊二醇(neopentyl glycol,NPG)、1,4-環己烷二甲醇(1,4-cyclohexane-dimethanol,CHDM)、1,2-環己烷二甲醇、1,3-環己烷二甲醇、四甲基環丁烷二醇(tetramethyl cyclobutanediol)、異山梨醇(isosorbide)等,前述脂族二醇可以單一種使用或者以二種或二種
以上任意組合使用。於本發明的一具體例中,該脂族二醇是使用乙二醇與二乙二醇的組合。
本發明低黏度聚酯多元醇的製法包含以下步驟:1.將一種芳族二酸系化合物、一種含有鹼金屬離子的化合物及一種脂族二醇進行混合,得到一混合物;及2.使該混合物進行反應;其中,基於該混合物的總重為100%,該含有鹼金屬離子的化合物的鹼金屬離子含量範圍為10~12000ppm。
上述步驟1的混合是在『該芳族二酸系化合物與該脂族二醇不會產生反應的條件下』進行單純混合。該混合的目的是讓該含有鹼金屬離子的化合物中的鹼金屬離子能置換一部分的芳族二酸系化合物及/或脂族二醇的氫離子,也就是讓該含有鹼金屬離子的化合物作為封端劑使用,並藉以控制該芳族二酸系化合物與該脂族二醇的後續反應。該步驟1的芳族二酸系化合物、含有鹼金屬離子的化合物與脂族二醇三者的混合順序並沒有特殊限制,只要在該芳族二酸系化合物與該脂族二醇不會產生反應的條件下進行混合即可。較佳地,該混合物是由以下步驟(a)及步驟(b)所製得:(a)將該芳族二酸系化合物與該含有鹼金屬離子的化合物進行預混合,得到一預混物;及(b)將該預混物與該脂族二醇進行混合,得到該混合物。
在該步驟1中,基於該混合物的總重為100%,該含有鹼金屬離子的化合物的鹼金屬離子含量範圍為10~12000ppm,當該含有鹼金屬離子的化合物的鹼金屬離子含量高於12000ppm
時,所製得的聚酯多元醇的外觀可能呈現混濁霧化而影響到後續加工成品的外觀與應用;以及當該含有鹼金屬離子的化合物的鹼金屬離子含量低於10ppm時,該含有鹼金屬離子的化合物將無法在步驟1的反應中發揮封端劑的效用。較佳地,該含有鹼金屬離子的化合物的鹼金屬離子含量範圍為50~11000ppm。
該步驟1的混合物中,該芳族二酸系化合物與該脂族二醇的含量範圍可以依據所選用的具體化合物、後續欲製得的聚酯多元醇性質進行調控(例如多元醇的酸價、醇價等需求),較佳地,該脂族二醇與該芳族二酸系化合物的重量比值範圍為1~1.5。
較佳地,該步驟1的混合物還包括一種脂族二酸系化合物。該脂族二酸系化合物即脂族二羧酸系化合物,泛指脂族二酸、或由脂族二酸所衍生的衍生物。更佳地,該脂族二酸系化合物是選自於脂族二酸、脂族二酸酐或前述的組合。該脂族二酸包括、但不限於順丁烯二酸、反丁烯二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、辛二酸、癸二酸、α-酮戊二酸、草醯乙酸等,前述脂族二酸可以單一種使用或者混合二種或二種以上的任何組合使用。該脂族二酸酐包括、但不限於順丁烯二酸酐、丁二酸酐等。於本發明的一具體例中,該脂族二酸系化合物為順丁烯二酸酐或反丁烯二酸。當該步驟1的混合物還包括脂族二酸系化合物時,該芳族二酸系化合物、該脂族二酸系化合物與該脂族二醇的含量範圍可以依據所選用的具體化合物、後續欲製得的聚酯多元醇性質進行調控(例如多元醇的酸價、醇價等需求)。較佳地,該脂族二醇與(該芳族二酸系化合物及該脂族二酸系化合物組合)的重量比值範圍為1~1.5。
該步驟2的反應涵蓋該芳族二酸系化合物與該脂族二醇可能發生的任何反應,例如酯化或轉酯化反應、以及後續的聚合反應。
較佳地,該步驟2是於一種催化劑的存在下進行,該催化劑包括、但不限於:酸、有機錫化合物、含鈦化合物等,前述催化劑可以單一種使用或以二種或二種以上的任何組合使用。該酸例如、但不限於硫酸、磷酸、對甲苯磺酸等;該有機錫化合物例如、但不限於二月桂酸二丁基錫[dibutyl tin-(IV) dilaurate]等;及該含鈦化合物例如、但不限於異丙醇鈦[titanium(IV) isopropoxide]、正丁氧基鈦[titanium(IV) n-butoxide]等。於本發明的具體例中,該催化劑為正丁氧基鈦。
該步驟2的反應溫度可以依據已知技術進行調整變化,例如可依據該步驟1所使用的反應物、設備等、以及欲獲得的聚酯多元醇性質...等進行調整變化。較佳地,該步驟2的反應溫度範圍為180℃~220℃;於本發明的具體例中,該步驟2的反應溫度為200℃。
該步驟2所製得的聚酯多元醇性質(如黏度、酸價、醇價、外觀等)可以依據後續加工應用進行調控。於本發明製法中,聚酯多元醇的黏度範圍是主要希望被調控的,較佳地,該聚酯多元醇於25℃下的黏度範圍為10000cP以下;更佳地,該聚酯多元醇於25℃下的黏度範圍為7000cP以下。基於後續加工應用的考量,該聚酯多元醇的外觀是被考量的次要性質,較佳地,該聚酯多元醇的外觀是呈現透明;更佳地,該聚酯多元醇的外觀是呈現透明無色。
較佳地,基於泡棉相關應用,該聚酯多元醇的酸價範圍是控制在5mgKOH/g以下,於本發明的具體例中,該聚酯多元醇的酸價範圍是控制在3mgKOH/g以下。較佳地,該聚酯多元醇的醇價範圍是控制在500mgKOH/g以下;於本發明之具體例中,該聚酯多元醇的醇價範圍是控制在400mgKOH/g以下。
本發明聚酯多元醇可應用於PU製備、皮革、泡棉、黏著劑、塗料等等用途,於本發明的具體例中,聚酯多元醇的酸價是控制在小於5mgKOH/g而特別適合應用於PU/PIR泡棉製備。
本發明將就以下實施例作進一步說明,但應瞭解的是,該實施例僅為例示說明之用,而不應被解釋為本發明實施之限制。
[測試]
以下實施例及比較例分別依據下述方法進行測試:
1.鹼金屬離子於產物中的實際含量(ppm):於反應完成後取出部分產物,利用ICP感應偶合電漿原子發射光譜儀(型號為VG Flemental PQ3)來分析產物中的鹼金屬離子含量。
2.酸價量測:
(1)0.01N的NaOH水溶液配製及標定:取10mL的濃度1N的NaOH水溶液於1L定量瓶中,使用去離子水稀釋至1L,以獲得濃度0.01N的NaOH水溶液。利用自動滴定儀(autotritrator,型號為Metrohm 888 Titrando),再使用酞酸氫鉀(potassium biphthalate,KHP)溶液(取0.018g KHP並加入20g去離子水進行溶解,之後再加入30g丙酮而獲
得)進行0.01N的NaOH水溶液的滴定,紀錄滴定終點體積並依據下述公式計算NaOH標定後濃度:
(2)樣品的酸價量測:秤取適量反應液作為樣品,並以50g溶劑(體積比例為1:1的丙酮/甲醇混合液)進行溶解,得到一樣品溶液。再秤取50g溶劑(體積比例為1:1的丙酮/甲醇混合液)放置於適當容器中,以做為空白實驗樣品。接著,利用自動滴定儀並使用0.01N的NaOH水溶液,對上述樣品溶液與空白實驗樣品進行滴定,紀錄滴定終點體積及以下述公式計算樣品酸價:
VS為達電位終點樣品消耗的NaOH體積(mL);Vb為達電位終點空白實驗樣品消耗的NaOH體積(mL);N為NaOH水溶液當量濃度(N);W為樣品重量(g)。
3.醇價量測:
(1)0.1N氫氧化四丁銨(tetrabutylammonium hydroxide,Bu4NOH,TBAH)滴定液的配製及標定:以100mL的定量瓶量取100mL的濃度1N的TBAH水溶液,再利用異丙醇潤洗並稀釋至1L,得到0.1N的TBAH滴定液。
(2)樣品的醇價量測:取出反應液作為樣品,依據ASTM E 1899樣品配製方式進行配製,再利用自動滴定儀並使用0.1N的TBAH滴定液進行滴定,紀錄兩個滴定終點體積(V1與V2)及
以下述公式計算樣品醇價:
V1為達第一個電位終點樣品消耗的TBAH體積(mL);V2為達第二個電位終點樣品消耗的TBAH體積(mL);N為TBAH滴定液當量濃度(N);W為樣品重量(g)。
4.黏度(cP):利用黏度計(型號為Brookfield DV-III ULTRA)並於25℃下對結束反應後的反應液進行量測。
[實施例E1]
1.將50g(100重量份)對苯二甲酸(PTA)、90.5g(181重量份)鄰苯二甲酸(PA)與0.0647g(200ppm)碳酸鈉(Na2CO3)放置於500mL雙頸瓶中並進行混合,得到一預混物。將66g(132重量份)乙二醇(EG)與117g(234重量份)二乙二醇(DEG)倒入雙頸瓶中並與該預混物於轉速400rpm下進行攪拌混合,得到一混合物。
2.於雙頸瓶上安裝簡易蒸餾裝置,使該混合物升溫至200℃,恆溫30分鐘後加入300ppm的觸媒正丁氧基鈦(TnBT),並將氮氣(流速500mL/min)通入雙頸瓶內,使混合物進行反應。待反應進行4小時後,於每小時取樣、並依據上述測試方法量測酸價及醇價,待酸價<5mgKOH/g即可停止加熱攪拌、結束反應,最後紀錄反應時間並獲得產物。
3.待反應溫度降至50~70℃後將產物倒出並依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價、黏度及鹼金屬離子含量,並觀察及記
錄產物外觀,結果紀錄於下表1中。
[實施例E2至E6]
實施例E2至E6除了分別依據下表1的含有鹼金屬離子的化合物種類來置換Na2CO3外,聚酯多元醇的製備步驟及條件是依照實施例E1進行,最後同樣獲得產物。依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價、黏度及鹼金屬離子含量,並觀察及記錄產物外觀,結果紀錄於下表1中。
[實施例E7至E9]
實施例E7至E9除了分別依據下表2改變Na2CO3的用量外,聚酯多元醇的製備步驟及條件是依照實施例E1進行,最後同樣獲得產物。依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價、黏度及鹼金屬離子含量,並觀察及記錄產物外觀,結果紀錄於下表2中。
[實施例E10及E11]
實施例E10及E11除了依據下表2,分別將PA置換為間苯二酸(IPA)、以及另外於步驟1中各自加入反丁烯二酸(FA)及順丁烯二酸酐(MA)外,聚酯多元醇的製備步驟及條件是依照實施例E1進行,最後同樣獲得產物。依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價、黏度及鹼金屬離子含量,並觀察及記錄產物外觀,結果紀錄於下表2中。
[比較例CE1]
比較例CE1除了未添加含鹼金屬離子的化合物外,聚酯多元醇的製備步驟及條件是依照實施例E1進行,最後同樣獲得產物。依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價及黏度,並觀察及記錄產物
外觀,結果紀錄於下表3中。
[比較例CE2至CE5]
比較例CE2至CE5除了分別依據下表3的含有其他金屬離子的化合物種類來置換Na2CO3外,聚酯多元醇的製備步驟及條件是依照實施例E1進行,最後同樣獲得產物。依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價及黏度,並觀察及記錄產物外觀,結果紀錄於下表3中。
[比較例CE6]
比較例CE6除了依據下表3改變Na2CO3的用量外,聚酯多元醇的製備步驟及條件是依照實施例E1進行,最後同樣獲得產物。依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價及黏度,並觀察及記錄產物外觀,結果紀錄於下表3中。
[比較例CE7及CE8]
比較例CE7及CE8除了未使用含鹼金屬離子的化合物之外,各個反應物的組成及用量、與聚酯多元醇的製備步驟及條件分別依照實施例E10及E11進行,最後同樣獲得產物。依據上述測量方法分析產物的酸價、醇價及黏度,並觀察及記錄產物外觀,結果紀錄於下表4中。
[結果]
1.將表3的比較例CE1與表1的實施例E1~E6進行比較,比較例CE1並未添加含鹼金屬離子的化合物,所獲得的聚酯多元醇黏度為29000cP;反觀表1的實施例E1~E6,經由在步驟1的混
合物中加入少量含鹼金屬離子的化合物後,確實能有效降低聚酯多元醇的黏度(5920~6100cP)、更能讓聚酯多元醇外觀維持透明無色而更利於後續各項應用。
2.將表1的實施例E1與表2的實施例E7至E9進行比較,可以發現隨著Na離子含量增加,降低聚酯多元醇黏度的效果也越佳,聚酯多元醇的外觀也能持續維持透明無色。
3.將表1的實施例E1與表2的實施例E10及E11進行比較,可以發現另一種包含脂族二酸系化合物之混合物中,經由加入少量含鹼金屬離子的化合物後,也能有效降低所製得之聚酯多元醇的黏度。另外將表2的實施例E10及E11、與表4的比較例CE7及CE8進行比較,更證明透過在混合物中加入少量含鹼金屬離子的化合物後,確實能有效降低所製得之聚酯多元醇的黏度。
4.將表1的實施例E1與表3的比較例CE2至CE5進行比較,可以發現若混合物中加入其他金屬化合物(非為「含鹼金屬離子的化合物」)時,聚酯多元醇的黏度範圍為21560~28530cP,遠高於10000cP,而無法達到降低聚酯多元醇黏度的效果,難以進一步地實現加工應用。如此也同時證明混合物中必須加入含鹼金屬離子的化合物,才能有效降低聚酯多元醇的黏度。
5.由表3的比較例CE6結果可知,當含鹼金屬離子的化合物中的鹼金屬離子含量過高(>13000ppm)時,雖然有效降低聚酯多元醇的黏度,但聚酯多元醇的外觀將會變得混濁霧化而不利於後續應用。造成上述外觀不佳的原因應為:該含有鹼金屬離子的化合物含量過高而可能會與脂族二醇或其他多元醇之間無
法互溶、也無法與該芳族二酸系化合物及/或該脂族二醇產生反應,更可能導致該含有鹼金屬離子化合物的析出,進而造成聚酯多元醇的外觀變得混濁。
6.由表1的實施例E1中的鹼金屬離子的理論含量及實際含量結果來看(請見以下整理表),可以發現鹼金屬離子含量於反應前在含有鹼金屬離子的化合物中的含量86.8ppm與反應後聚酯多元醇產物中的含量84.01ppm,兩者的差異極小,顯示該含鹼金屬離子的化合物確實作為反應物(即扮演封端劑角色);又由表1的實施例E1的反應時間5.5小時與表3的比較例CE1的反應時間5小時來看,含鹼金屬離子化合物的加入並未加速反應時間,也證明該含鹼金屬離子的化合物並非作為觸媒,而確實是作為封端劑使用。由下述整理表,也可以發現表1的實施例E2及E5、表2的E8及E10呈現同樣結果。
綜上所述,本發明低黏度聚酯多元醇的製法主要是透過在該含有芳族二酸系化合物及脂族二醇的混合物中加入該含有鹼金屬離子的化合物,之後再使該混合物進行反應,使得該芳族二酸系化合物與脂族二醇之間的反應得以被控制,進而能獲得滿足後續應用的低黏度聚酯多元醇,故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者,僅為本發明之實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
Claims (10)
- 一種低黏度聚酯多元醇的製法,包含以下步驟:將一種芳族二酸系化合物、一種含有鹼金屬離子的化合物及一種脂族二醇於該芳族二酸系化合物及該脂族二醇不會產生反應的條件下進行混合,得到一混合物;及使該混合物於一催化劑存在下進行反應;其中,基於該混合物的總重為100%,該含有鹼金屬離子的化合物的鹼金屬離子含量範圍為10~12000ppm。
- 如請求項1所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該混合物是由以下步驟(a)及步驟(b)所製得:(a)將該芳族二酸系化合物與該含有鹼金屬離子的化合物進行預混合,得到一預混物;及(b)將該預混物與該脂族二醇進行混合,得到該混合物。
- 如請求項1所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該含有鹼金屬離子的化合物是選自於鹼金屬氫氧化物、鹼金屬鹽、或前述的組合。
- 如請求項3所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該鹼金屬氫氧化物是選自於NaOH、KOH或前述的組合。
- 如請求項3所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該鹼金屬鹽是選自於Na2CO3、NaHCO3、NaCl、Na2SO4、K2CO3或前述的組合。
- 如請求項1所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該芳族二酸系化合物為苯二甲酸系化合物。
- 如請求項6所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該苯二甲酸系化合物是選自於鄰苯二甲酸、鄰苯二甲酸酐、對苯二甲酸、間苯二甲酸或前述的組合。
- 如請求項1所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該混合物還包括一種脂族二酸系化合物,該脂族二酸系化合物是選自於脂族二酸、脂族二酸酐或前述的組合。
- 如請求項8所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該脂族二酸系化合物為脂族二酸,且該脂族二酸是選自於順丁烯二酸、反丁烯二酸或前述的組合。
- 如請求項8所述的低黏度聚酯多元醇的製法,其中,該脂族二酸系化合物為脂族二酸酐,且該脂族二酸酐為順丁烯二酸酐。
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