TWI705084B - 聚酯 - Google Patents
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- LPSXSORODABQKT-UHFFFAOYSA-N C(C1)CC2C1C1CC2CC1 Chemical compound C(C1)CC2C1C1CC2CC1 LPSXSORODABQKT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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Abstract
Description
本揭示內容係關於一種聚酯,尤其係關於一種由具有式(1)基團之單體、具有式(2)基團之單體、以及具有式(3)基團之單體所製備的聚酯。
一般而言,聚酯常用於諸如食品接觸件(food contact)、化妝品包裝(cosmetics packaging)、水/運動瓶子(water/sport bottles)等之形成材。在現有技術中,已知可使用橋環化合物(bridged ring compound)作為單體來製備聚酯。
然而,本揭示發明人發現,單使用橋環化合物進行聚酯的製備,不僅速度緩慢,且成品的顏色及性質均不理想。因此,開發出一種具優良機械強度,以及較快聚合速度的聚酯,已成為相關領域重要的課題之一。
其中,R1為C3-C20烴基;R2為C4-C16烴基;R4、R5及R6為C1-C6烴基;n1、n2、n3、n4、n5及n6分別為0或1;*表示連接鍵。
在本揭示內容的一實施方式中,R1為C3-C20脂肪烴基、或C4-C20芳香族烴基。
在本揭示內容的一實施方式中,式(1)之殘基佔聚酯整體的0.7莫耳%以下。
在本揭示內容的一實施方式中,式(1)之殘基、式(2)之殘基與式(3)之殘基的莫耳比為1:(30-500):(30-500)。
其中,R3及R7為-O-、-CH2O-或-OCH2-,其中R3及R7可為相同或不相同;
a至q分別為0或1;*表示連接鍵。
在本揭示內容的一實施方式中,式(1)之殘基、式(2)之殘基、式(3)之殘基與式(4)之殘基的莫耳比為1:(30-400):(60-400):(40-250)。
在本揭示內容的一實施方式中,聚酯具有20kJ/m2以上的無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod)。
在本揭示內容的一實施方式中,聚酯具有1.6%以上的斷裂伸長率。
以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述,並對本揭示內容的技術方案提供更進一步的解釋。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備,下文針對了本揭示內容的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述;但這並非實施或運用本揭示內容具體實施例的唯一形式。以下所揭露的各實施例,在有益的情形下可相互組合或取代,也可在一實施例中附加其他的實施例,而無須進一步的記載或說明。在以下描述中,將詳細敘述許多特定細節以使讀者能夠充分理解以下的實施例。然而,可在無此等特定細節之情況下實踐本揭示內容的實施例。
其中,R1為C3-C20烴基。較佳地,在一些實施例中,R1為C3-C20脂肪烴基或C4-C20芳香族烴基。
R4、R5及R6為C1-C6烴基。較佳地,在一些實施例中,R4、R5及R6為C1-C6伸烷基。
n1、n2、n3、n4、n5及n6分別為0或1。
*表示連接鍵。
應理解的是,本揭示內容的聚酯的式(1)、式(2)及式(3)之殘基具有特定莫耳比,以提供聚酯良好的機械強度、顏色及聚合速度,其將在下文中詳細敘述。在一實施方式中,聚酯的式(1)之殘基、式(2)之殘基與式(3)之殘基的莫耳比為1:(30-500):(30-500)。較佳地,在一些實施例中,聚酯的式(1)之殘基、式(2)之殘基與式(3)之殘基的莫耳比為1:(60-400):(60-400)。更佳地,在一些實施例中,聚酯的式(1)之殘基、式(2)之殘基與式(3)之殘基的莫耳比為1:(100-300):(100-250)。
在一實施方式中,式(1)之殘基佔聚酯整體的0.7莫耳%以下。較佳地,在一些實施例中,式(1)之殘基佔聚酯整體的0.1莫耳%~0.7莫耳%,例如0.2莫耳%、0.3莫耳%、0.4莫耳%、0.5莫耳%或0.6莫耳%。
在一實施方式中,式(2)之殘基佔聚酯整體的10莫耳%~60莫耳%,例如15莫耳%、20莫耳%、25莫耳%、30莫耳%、35莫耳%、40莫耳%、45莫耳%、50莫耳%或55莫耳%。
在一實施方式中,式(3)之殘基佔聚酯整體的10
莫耳%~60莫耳%,例如15莫耳%、20莫耳%、25莫耳%、30莫耳%、35莫耳%、40莫耳%、45莫耳%、50莫耳%或55莫耳%。
根據各種實施方式,本揭示內容的聚酯由多種不同單體通過酯化縮聚反應所形成。具體地,在一實施方式中,聚酯由(i)具有式(1)基團的單體、(ii)具有式(2)基團的單體、以及(iii)具有式(3)基團的單體通過酯化縮聚反應所形成。因此,聚酯的式(1)、式(2)及式(3)之殘基分別衍生自所述具有式(1)基團的單體、具有式(2)基團的單體、以及具有式(3)基團的單體。
在一些實施例中,所述具有式(1)基團的單體係選自由下列所組成的群組:
、以及上述之組合,其
中*表示連接鍵。因此,由這些單體所衍生之聚酯的式(1)
之殘基可選自由下列所組成的群組:、
、以及上述之組合,其中*
表示連接鍵。
在一些實施例中,所述具有式(3)基團的單體係選自由下列所組成的群組:
、、己二酸
(adipic acid)、十二烷二酸(dodecanedioic acid)、琥珀酸(succinic acid)、癸二酸(sebacic acid)、十六烷二酸(hexadecanedioic acid)、以及上述之組合。因此,由這些單體所衍生之聚酯的式(3)之殘基可選自由下列所組成的群組:
、、己二酸基、
十二烷二酸基、琥珀酸基、癸二酸基、十六烷二酸基、以及上述之組合,其中*表示連接鍵。
其中,R3及R7為-O-、-CH2O-或-OCH2-,其中R3及R7可為相同或不相同。
a至q分別為0或1。
*表示連接鍵。
在聚酯包括式(4)之殘基的實施方式中,聚酯的式(1)、式(2)、式(3)及式(4)之殘基亦具有特定莫耳比,以提供聚酯良好的機械強度、顏色及聚合速度。在一實施方式中,聚酯的式(1)之殘基、式(2)之殘基、式(3)之殘基與式(4)之殘基的莫耳比為1:(30-400):(60-400):(40-250)。較佳地,在一些實施例中,聚酯的式(1)之殘基、式(2)之殘基、式(3)之殘基與式(4)之殘基的莫耳比為1:(30-300):(80-300):(40-200)。更佳地,在一些實施例中,聚酯的式(1)之殘基、式(2)之殘基、式(3)之殘基與式(4)之殘基的
莫耳比為1:(30-200):(80-250):(40-175)。
在一實施方式中,式(4)之殘基佔聚酯整體的10莫耳%~50莫耳%,例如15莫耳%、20莫耳%、25莫耳%、30莫耳%、35莫耳%、40莫耳%或45莫耳%。
在聚酯包括式(4)之殘基的實施方式中,聚酯由(i)具有式(1)基團的單體、(ii)具有式(2)基團的單體、(iii)具有式(3)基團的單體、以及(iv)具有式(4)基團的單體通過酯化縮聚反應所形成。因此,聚酯的式(1)、式(2)、式(3)及式(4)之殘基分別衍生自所述具有式(1)基團的單體、具有式(2)基團的單體、具有式(3)基團的單體、以及具有式(4)基團的單體。
在一些實施例中,所述具有式(4)基團的單體係選自由下列所組成的群組:
、、以及上述之組合。可替代
地,所述具有式(4)基團的單體可為寡聚物,例如聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)、聚四氫呋喃(polytetrahydrofuran,PTMEG)或聚己內酯(polycaprolactone)。
其中,m為3~130。n為3~80。
根據各種實施方式,本揭示內容的聚酯可用於諸如食品接觸件(food contact)、汽車模具(automotive molds)、商用家用器皿(commercial housewares)、複合消耗品(compounders consumer)、電子產品(electronics)、設備外殼(device housings)、室內燈具(in-store fixtures)、電子產品包裝(electronic packaging)、戶外標誌(outdoor signs)、個人護理用品(personal care)、化妝品包裝(cosmetics packaging)、運動器材工具(sporting equipment tools)、玩具(toys)及水/運動瓶子(water/sport bottles)等之形成材,但不以此為限。
如上所述,本揭示內容的聚酯由多種不同單體通過酯化縮聚反應所形成。詳細而言,製備本揭示內容的聚酯可包括:(a)將各種單體與觸媒均勻混合成混合物;(b)將混合物置於適當壓力環境並加熱,使混合物中的單體進行酯化反應以生成寡聚物;以及(c)加熱包含寡聚物的混合物,並進行真空抽氣以將未進行酯化反應的單體去除,接著將混合物持續置於該加熱溫度下,使混合物中的寡聚物進行縮聚反應以生成聚酯。
在一些實施例中,操作(a)的觸媒例如是丁醇鈦(IV)(titanium(IV)butoxide)、Sb2O3、Sb(OAc)3、GeO2或異丙醇鈦(IV)(titanium(IV)isopropoxide),但不以此為限。在一些實施例中,操作(a)是通過攪拌來均勻混合各種單體與觸媒,且攪拌速率例如是100rpm至500rpm。
在一些實施例中,操作(b)的加熱是指從室溫升溫至220℃或從室溫升溫至260℃。在一些實施例中,操作(b)的適當壓力是指1atm~6atm。較佳地,在一實施例中,操作(b)的適當壓力是指2atm~4atm。
須說明的是,本發明的一種實施態樣是藉由觀察操作(b)中產生的水(或甲醇)的量來判斷酯化反應情況。具體地,通過理論計算,得到混合物中所有單體進行酯化反應後所產生之理論水(或甲醇)的量。當所產生的水(或甲醇)的量達到理論水(或甲醇)的量的80%以上時(例如85%、90%或95%),表示酯化反應完成而可進行操作(c)。
在一些實施例中,操作(c)的加熱是指升溫至240℃~290℃。在一些實施例中,操作(c)的真空抽氣使環境壓力達到1torr以下。在一些實施例中,操作(c)的真空抽氣進行10~60分鐘,例如20分鐘、30分鐘、40分鐘或50分鐘。
須說明的是,本發明的一種實施態樣是藉由測量操作(c)中混合物的黏度來判斷縮聚反應情況。具體地,當混合物的特性黏度為0.3至1.5時,即表示縮聚反應完成而
可收集縮聚產物。
如上所述,本揭示內容的聚酯具有良好的機械強度、顏色及聚合速度。詳細而言,由於所述用於製備本揭示內容的聚酯之單體包含橋環化合物(即具有式(2)基團的單體),增加了聚酯的機械強度。此外,由於所述用於製備聚酯之單體包含具有式(1)基團之單體,因此所形成的聚酯中的聚合物鏈之間交聯而構成網狀結構,從而增加了聚酯的機械強度。
值得一提的是,在本揭示內容中,使用了具有式(1)基團之單體、具有式(2)基團之單體、以及具有式(3)基團之單體來製備聚酯,因此大幅地增加了聚酯的聚合速度。詳細而言,在本揭示內容中,使用了特定莫耳比的具有式(1)基團之單體、具有式(2)基團之單體、以及具有式(3)基團之單體來製備聚酯,提供了聚酯良好的聚合速度,進而可避免了聚酯的黃化發生。據此,本揭示內容的聚酯具有理想的顏色,例如本揭示內容的聚酯的色彩模型(Lab)中的b*值不超過10.5。換言之,本揭示內容的聚酯的泛黃情況不明顯。
此外,使用了特定莫耳比的具有式(1)基團之單體、具有式(2)基團之單體、以及具有式(3)基團之單體來製備聚酯,提供聚酯良好的機械強度。具體地,在本揭示內容的一實施方式中,其具有20kJ/m2以上的無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod);在另一實施方式中,其具有2.0kJ/m2以上的缺口衝擊強度(notched-Izod);在又一個實施方
式中,其具有85℃以上的玻璃轉化溫度(glass transition temperature,Tg),在又一個實施方式中,其具有40%以上的扭矩(torque);在又一個實施方式中,其具有1.6%以上的斷裂伸長率。較佳地,在本揭示的一個實施方式中,本揭示的聚酯可展現未斷裂的無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod)。
茲舉下列實施例來詳細說明本揭示內容的聚酯之製備方法及其物理性質。然而,下列實施例並非用以限制本揭示內容。
實施例1~2、比較例1:
首先,將偏苯三甲酸(trimellitic acid,TMA)、三環癸烷二甲醇(tricyclodecane dimethanol,TCDDM)、以及對苯二甲酸(terephthalic acid,PTA)以下表1中給出的莫耳比例加至高壓釜中。隨後,加入20至1000ppm的丁醇鈦,並攪拌均勻形成混合物,其中攪拌速率為150rpm。接著,將高壓釜的壓力設為4atm,並緩慢地從室溫升溫至220℃以進行酯化反應。待酯化反應所產生的水量達到理論水量的90%後,將高壓釜的溫度提升至250℃,並進行真空抽氣30分鐘。接著,持續將高壓釜的溫度維持在280℃,以進行縮聚反應。待測得混合物的特性黏度為約0.3至1.5時後,降溫並收集聚酯產物。
接下來,測量實施例1~2、比較例1的聚酯的斷裂伸長率(T.E.yield)、無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod)、缺口衝擊強度(notched-Izod)、
玻璃轉化溫度(Tg)、扭矩(torque)、特性黏度(inherent viscosity)及色彩模型(Lab)的b*值。斷裂伸長率的測試方法及判斷方法是依照ISO 527進行的。無缺口衝擊強度及缺口衝擊強度的測試方法及判斷方法是依照ISO 180進行的。玻璃轉化溫度的測試方法及判斷方法是通過差示掃描量熱法(DSC)進行的。特性黏度的測試方法及判斷方法是依照ASTM D4603進行的。b*值的測試方法及判斷方法是依照ASTM D6290進行的。
實施例1~2、比較例1的聚酯的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、玻璃轉化溫度、扭矩、聚合時間、特性黏度及b*值紀錄於下表2中。
從表1及表2可知,相較於比較例1的聚酯,實施例1、2的聚酯的聚合時間明顯降低,其是因為在實施例
1、2中,使用了具有式(1)基團之單體(即偏苯三甲酸(TMA))、具有式(2)基團之單體(即三環癸烷二甲醇(TCDDM))、以及具有式(3)基團之單體(即對苯二甲酸(PTA))來製備聚酯,從而增加了聚酯的聚合速度,同時避免了聚酯的黃化發生。從而,在表2中,實施例1、2的b*值明顯低於比較例1的b*值(其中,b*值越高代表測量物的顏色越黃)。相較於比較例1的聚酯,實施例1、2的聚酯的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、玻璃轉化溫度、扭矩亦明顯提高,代表了使用具有式(1)基團之單體(即偏苯三甲酸(TMA))、具有式(2)基團之單體(即三環癸烷二甲醇(TCDDM))、以及具有式(3)基團之單體(即對苯二甲酸(PTA))來製備聚酯可提高聚酯的機械強度。
實施例3~11、實施例22~26、比較例2~6:
首先,將偏苯三甲酸(trimellitic acid,TMA)、乙二醇(ethylene glycol,EG)、三環癸烷二甲醇(tricyclodecane dimethanol,TCDDM)、丁二醇(butanediol、BDO)、聚己內酯(polycaprolactone,購自Sigma Aldrich)、聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG,購自磐亞股份有限公司)、對苯二甲酸(terephthalic acid,PTA)、2,6-萘二甲酸(NDA)、琥珀酸(Succinic acid)、癸二酸(Sebacic acid)、以及十六烷二酸(hexadecanedioic acid)以下表3中給出的莫耳比例加至高壓釜中。隨後,加入200至1000ppm的Sb2O3,並攪拌均勻形成混合物,其中攪拌速率為250rpm。接著,將高壓
釜的壓力設為3atm,並緩慢地從室溫升溫至250℃以進行酯化反應。待酯化反應所產生的水量達到理論水量的90%後,將高壓釜的溫度提升至280℃,並進行真空抽氣30分鐘。接著,持續將高壓釜的溫度維持在280℃,以進行縮聚反應。待測得混合物的特性黏度為約0.3至1.5時,降溫並收集聚酯產物。
接下來,測量實施例3~11、實施例22~26、比較例2~6的聚酯的斷裂伸長率(T.E.yield)、無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod)、缺口衝擊強度(notched-Izod)、玻璃轉化溫度(Tg)、扭矩(torque)、特性黏度(inherent viscosity)及色彩模型(Lab)的b*值。實施例3~11、比較例2~6的聚酯的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、玻璃轉化溫度、扭矩、聚合時間、特性黏度及b*值紀錄於下表4中。
從表3及表4可知,本揭示內容的聚酯可包括其他的具有式(2)基團之單體(如乙二醇(EG)或丁二醇(BDO)),並且這些聚酯具有理想的聚合速度、機械強度及顏色。根據實施例7與比較例2的測量結果、實施例8與比較例5的測量結果、以及實施例9與比較例6的測量結果可知,包括具有式(1)基團之單體(即偏苯三甲酸(TMA))之實施例7~9的聚酯所需的聚合時間及b*值較低,且具有較高的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、玻璃轉化溫度、以及扭矩等機械強度。
此外,從比較例3、4的測量結果可知,當具有式(1)基團之單體(即偏苯三甲酸(TMA))超過一定比例後(即0.75或1.0莫耳%),聚酯的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、玻璃轉化溫度、以及扭矩等機械強度明顯降低。
實施例12~19、比較例7:
首先,將乙二醇(ethylene glycol,EG)、三環癸烷二甲醇(tricyclodecane dimethanol,TCDDM)、對苯二甲酸(terephthalic acid,PTA)、丙三醇(glycerol)、羥基丁二酸(malic acid)、三羥甲基丙烷(trimethylolpropane,TMP)、三羥甲基乙烷(trimethylolethane,TME)、1,2,4-丁三醇(1,2,4-butanetriol)、甘油聚氧乙烯醚(glycerine polyoxyethylene ether,TPEG,購自磐亞股份有限公司)、TMP-15(Trimethylolpropane
ethoxylated(CAS:50586599),購自磐亞股份有限公司)、以及TPTMEG(Polytetramethylene glycol ether with glycerol(CAS:39341112))以下表5中給出的莫耳比例加至高壓釜中。隨後,加入200~1000ppm的Sb(OAc)3,並攪拌均勻形成混合物,其中攪拌速率為400rpm。接著,將高壓釜的壓力設為2atm,並緩慢地從室溫升溫至250℃以進行酯化反應。待酯化反應所產生的水量達到理論水量的90%後,將高壓釜的溫度提升至280℃,並進行真空抽氣30分鐘。接著,持續將高壓釜的溫度維持在280℃,以進行縮聚反應。待測得混合物的特性黏度為約0.3至1.5時,降溫並收集聚酯產物。
接下來,測量實施例12~19、比較例7的聚酯的斷裂伸長率(T.E.yield)、無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod)、缺口衝擊強度(notched-Izod)、玻璃轉化溫度(Tg)及特性黏度(inherent viscosity)。實施例12~19、比較例7的聚酯的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、玻璃轉化溫度及特性黏度紀錄於下表6中。
從表5及表6可知,在實施例12~19中,不論使用丙三醇(glycerol)、羥基丁二酸(malic acid)、三羥甲基丙烷(trimethylolpropane,TMP)、三羥甲基乙烷(trimethylolethane,TME)、1,2,4-丁三醇(1,2,4-butanetriol)、TPEG、TMP-15或TPTMEG作為具有式(1)基團之單體,所製備的聚酯皆具有良好的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、以及玻璃轉化溫度等機械強度。此外,相較於實施例12~19的聚酯,比較例7的聚酯不包含具有式(1)基團之單體,因此其斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、以及玻璃轉化溫度等機械強度明顯較低。
實施例20~21、比較例8~9:
首先,將偏苯三甲酸(trimellitic acid,TMA)、三環癸烷二甲醇(tricyclodecane dimethanol,TCDDM)、對苯二甲酸(terephthalic acid,PTA)、以及環己烷二甲醇(cyclohexane dimethanol,CHDM)以下表7中給出的莫耳比例加至高壓釜中。隨後,加入150~1000ppm的GeO2,並攪拌均勻形成混合物,其中攪拌速率為500rpm。接著,將高壓釜的壓力設為6atm,並緩慢地從室溫升溫至220℃以進行酯化反應。待酯化反應所產生的水量達到理論水量的90%後,將高壓釜的溫度提升至250℃,並進行真空抽氣30分鐘。接著,持續將高壓釜的溫度維持在250℃,以進行縮聚反應。待測得混合物的特性黏度為約0.3至1.5時,降溫並收集聚酯產物。
接下來,測量實施例20~21、比較例8~9的聚酯的斷裂伸長率(T.E.yield)、無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod)、缺口衝擊強度(notched-Izod)、玻璃轉化溫度(Tg)、特性黏度(inherent viscosity)及色彩模型(Lab)的b*值。實施例20~21、比較例8~9的聚酯的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、玻璃轉化溫度、特性黏度及b*值紀錄於下表8中。
從表7及表8可知,相較於實施例20、21使用橋環化合物(即三環癸烷二甲醇(TCDDM))來製備聚酯,比較例8、9使用環己烷二甲醇來製備聚酯,因此所製備的聚酯的斷裂伸長率、無缺口衝擊強度、缺口衝擊強度、以及玻璃轉化溫度等機械強度明顯降低。此外,相較於實施例20、
21的聚酯,比較例8、9的聚酯的b*值較高,代表聚酯的黃化較明顯。
綜上所述,本揭示內容提出一種聚酯,其由特定莫耳比的具有式(1)基團的單體、具有式(2)基團的單體、以及具有式(3)基團的單體所形成。本揭示發明人通過研究發現,使用上述三種單體來製備聚酯,使聚酯具有特定莫耳比的式(1)、式(2)及式(3)之殘基,大幅地增加了聚酯的機械強度及聚合速度。此外,因為聚酯的聚合速度增加,避免了聚酯的黃化發生,因此本揭示內容的聚酯具有良好的色相。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上,但其他實施方式亦有可能。因此,所請請求項之精神與範圍並不限定於此處實施方式所含之敘述。
任何熟習此技藝者可明瞭,在不脫離本揭示內容的精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本揭示內容的保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (13)
- 如申請專利範圍第1項所述的聚酯,其中R1為C3-C20脂肪烴基、或C4-C20芳香族烴基。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚酯,其中該式(1)之殘基、該式(2)之殘基與該式(3)之殘基的莫耳比為1:(30-500):(30-500)。
- 如申請專利範圍第9項所述的聚酯,其中該式(1)之殘基、該式(2)之殘基、該式(3)之殘基與該式(4)之殘基的莫耳比為1:(30-400):(60-400):(40-250)。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚酯,具有20kJ/m2以上的無缺口衝擊強度(UNnotched-Izod)。
- 如申請專利範圍第1項所述的聚酯,具有1.6%以上的斷裂伸長率。
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CN113896871B (zh) * | 2021-07-31 | 2023-02-24 | 烟台大学 | 一种环氧-石墨烯体系的分散剂及其制备方法 |
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US20050104951A1 (en) * | 2003-09-29 | 2005-05-19 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Thermal transfer image-receiving sheet |
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- 2019-01-11 TW TW108101253A patent/TWI705084B/zh active
Patent Citations (2)
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