CN112812299B - 邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂及其制备方法,所述邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂以邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽为原料经共混后固化而成,所述邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽的物质的量之比为1:(1~9)。该共聚树脂的制备方法是将邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽按它们的物质的量之比计量称取后于溶剂中溶解并混合均匀,然后经干燥除去溶剂得到共混物,再将所述共混物在小于共混物的分解温度下固化。本发明提供的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂为具有高交联密度以及优异的耐高温性能、热稳定性、热氧稳定性和耐化学腐蚀性的高性能生物基热固性树脂。
Description
技术领域
本发明属于生物基热固性树脂领域,涉及邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂及其制备方法。
背景技术
热固性树脂主要由反应性低分子预聚物或可带反应基团的高聚物通过可反应基团的交联固化反应形成,于加工成型过程中形成体型聚合物。热固性树脂由于其固化后产生的高度交联结构而具有高模量、高强度、高耐热性和耐化学性等性能,因而被广泛地应用于涂料、胶粘剂、复合材料和电子元器件等领域。
然而,传统热固性树脂大多基于石油基资源,对石油基资源的大量使用造成了资源紧缺和过量二氧化碳排放等环境问题。为了从一定程度上解决这个问题,大量的研究者们利用可再生的生物质资源来替代石油基资源作为化学原料以制备生物基热固性树脂。然而,现阶段的生物基热固性树脂,由于其结构中含有柔性长脂肪链而造成了耐热性和机械性能较差的缺点。
邻苯二甲腈单体是一类具有两个邻位氰基的芳香族化合物,其所含氰基可以在高温下聚合交联形成异吲哚啉、酞菁环、三嗪环等高度共轭结构,从而制备出耐热性优异的热固性树脂材料。然而,本征邻苯二甲腈由于氰基的反应惰性,即使在高温作用下也需要长时间才能形成聚合物,这为实际生产过程带来了能耗大、耗时长等弊端。为解决该问题,研究人员提出了外加固化组分的技术措施,加入固化剂虽然能在一定程度上提高邻苯二甲腈树脂的固化速度,同时降低其固化条件(芳胺、酚羟基、有机酸、铵盐以及金属盐等路易斯酸碱等均可作为固化剂,促进邻苯二甲腈树脂的快速固化),但固化过程中小分子固化剂不可避免的会挥发,从而使材料产生大量气泡且容易产生相分离,进而使交联密度降低,耐高温性能低。因此,通过邻苯二甲腈单体和绿色来源的原料制备出性能优异的生物基热固性树脂对于本领域具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂及其制备方法,以得到具有高交联密度、耐高温和耐化学腐蚀性等特性的生物基热固性树脂,增加生物基热固性树脂的种类,并提升固化效率。
为达到上述目的,本发明提供的一种邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,以邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽为原料经共混后固化而成,所述邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽的物质的量之比为1:(1~9);
所述邻苯二甲腈单体的结构通式如式Ⅰ所示:
其中R为以下结构中的任一种:
所述氨基酸环肽为以下氨基酸环肽结构中的至少一种:
由于上述结构的氨基酸环肽具有酰胺活性氢,且此类内酰胺具有高温诱导的氢转位异构现象,因而使得活性氢具有较高的反应活性,此外环酰胺结构发达的氢键作用抑制了其高温下的挥发。利用该活性氢与邻苯二甲腈单体之间的快速反应化学即制得新型的生物基热固性树脂。同时,氨基酸环肽不仅可产生活性氢促进邻苯二甲腈的氰基聚合,其产生的亚胺醇式异构体还可以通过亚胺双键加成与邻苯二甲腈聚合生成的异吲哚啉和酞菁环之间形成化学键作用,使氨基酸环肽参与到交联网络的形成中,从而使制备的树脂具有高交联密度、耐高温和耐化学腐蚀性等特性。
本发明还提供了一种上述邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,将上述结构的邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽按上述它们的物质的量之比计量称取后于溶剂中溶解并混合均匀,然后经干燥除去溶剂得到共混物,再将所述共混物在小于共混物的分解温度下固化,固化完成后即得邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
上述邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,溶剂的质量为两种原料总质量的5~6倍。
上述邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,共混物的固化可以采用本领域常规固化条件进行,本发明中,共混物的固化优选按照如下温度梯度和时间在惰性气氛下依次进行:
180≤T≤200℃条件下,保温固化0~6h;
200<T≤220℃条件下,保温固化0~6h;
220<T≤250℃条件下,保温固化1~4h;
所述180≤T≤200℃、200<T≤220℃的保温固化时间不同时为0;
或者,
180≤T≤200℃条件下,保温固化0~6h;
200<T≤220℃条件下,保温固化0~6h;
220<T≤250℃条件下,保温固化0~4h;
250<T≤280℃条件下,保温固化1~2h;
所述180≤T≤200℃、200<T≤220℃、220<T≤250℃的保温固化时间不同时为0;
或者,
180≤T≤200℃条件下,保温固化0~6h;
200<T≤220℃条件下,保温固化0~6h;
220<T≤250℃条件下,保温固化0~4h;
250<T≤280℃条件下,保温固化1~2h;
280<T≤320℃条件下,保温固化1~2h;
所述180≤T≤200℃、200<T≤220℃、220<T≤250℃的保温固化时间不同时为0;
固化结束后,所得产物随炉冷却至室温,即得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
上述邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,所述溶剂可采用本领域常规溶剂,包括但不限于四氢呋喃、丙酮、乙腈、二氯甲烷、三氯甲烷、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种。
本发明提供的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂及其制备方法具有以下有益效果:
(1)本发明提供的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,利用氨基酸环肽促进邻苯二甲腈单体聚合,氨基酸环肽不仅可产生活性氢促进邻苯二甲腈的氰基聚合,而且还可以与邻苯二甲腈聚合生成的异吲哚啉和酞菁环之间形成化学键作用,参与到交联网络的形成中,从而制备出具有高交联密度以及优异的耐高温性能、热稳定性、热氧稳定性和耐化学腐蚀性的高性能生物基热固性树脂。
(2)本发明提供的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,其原料价廉易得,氨基酸环肽可从自然界中获取,或是以简便无催化剂的合成方法制备,来源具有绿色、可持续化的优点,同时还能有效缓解热固性树脂制备过程中对石油资源的依赖性,并实现广大生物基化合物的高性能化和高效利用。
(3)本发明提供的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,能够使邻苯二甲腈原料中更多的氰基基团参与反应,从而进一步提升固化效率。
(4)本发明提供的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,通过简单的共混,然后再升温进行固化反应即可,合成工艺步骤简单,成本低廉,便于在业内进行推广应用。
附图说明
图1是实施例1制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的红外光谱(透过率)。
图2是实施例1制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的溶解性实验。
图3是实施例1制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的断面扫描电镜图。
图4是实施例2制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的氮气氛围热重分析图谱。
图5是实施例3中酪氨酸基双邻苯二甲腈单体和苯丙氨酸环肽共混物、酪氨酸基双邻苯二甲腈单体在280℃热处理15min后的红外光谱(吸光度)图。
图6是实施例4制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的氮气氛围差示扫描量热分析图谱。
图7是实施例5制备的邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽共混物的氮气氛围热重分析图谱。
图8是实施例6制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的空气氛围热重分析图谱。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发明。
结构式为I-1的邻苯二甲腈单体的制备方法参见Keller T M,Dominguez DD.High temperature resorcinol-based phthalonitrile polymer[J].Polymer,2005,46(13):4614-4618。
结构式为I-2~I-4的邻苯二甲腈单体的制备方法参见Liao S,Wu H,He X,etal.Promoting effect of methyne/methylene moiety of bisphenol E/F onphthalonitrile resin curing:Expanding the structural design route ofphthalonitrile resin[J].Polymer,2020,210:123001。
结构式为I-5的邻苯二甲腈单体的制备方法参见Peng W,Yao F,Hu J,etal.Renewable protein-based monomer for thermosets:a case study onphthalonitrile resin[J].Green Chemistry,2018,20(22):5158-5168。
结构式为I-6的邻苯二甲腈单体的制备方法参见Keller T M.Synthesis andpolymerization of multiple aromatic ether phthalonitriles[J].Chemistry ofmaterials,1994,6(3):302-305。
结构式为C1-C7的氨基酸环肽的制备方法参见Ahonen K,Lahtinen M,Kolehmainen E.Cyclic dipeptides:catalyst/promoter-free,rapid andenvironmentally benign cyclization of free amino acids[J].Green chemistry,2011,13(5):1203-1209。
结构式为C8的氨基酸环肽的制备方法参见Ohta A,Kojima A,AoyagiY.Emeheterone:Synthesis and structural revision[J].Heterocycles(Sendai),1990,31(9):1655-1662。
结构式为C9、C10的氨基酸环肽的制备方法如下:依次将15g组氨酸(或色氨酸)、60mL乙二醇加入到100mL规格带有冷凝管的单口瓶中,并在搅拌作用下进行抽排和氮气保护,随后升温至200℃反应24小时;反应结束后将反应液倒入装有600mL去离子水的烧杯中搅拌洗涤30min,用真空循环抽滤得到滤饼;将滤饼再次用600mL去离子水搅拌洗涤30min,并用真空循环抽滤,最终抽滤得到的滤饼用100mL沸腾的乙醇淋洗,并在真空80℃条件下干燥12小时,即得到氨基酸环肽产物C9(或C10)。
实施例1
本实施例中,以间苯二酚型双邻苯二甲腈单体、酪氨酸环二肽为原料制备邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,间苯二酚型双邻苯二甲腈单体、酪氨酸环二肽化学结构式如下:
本实施例中的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,通过以下步骤制得:
将两种原料间苯二酚型双邻苯二甲腈单体与酪氨酸环二肽按物质的量之比3:7加入到带有磁力搅拌器的单口烧瓶中,并加入5倍于两种原料总质量的溶剂N,N-二甲基甲酰胺。待溶解完全后将溶液在室温下搅拌12小时,随后溶液经110℃的旋转蒸发除去溶剂,剩余物置于真空烘箱中在110℃下真空干燥12小时得到间苯二酚型双邻苯二甲腈单体与酪氨酸环二肽共混物。将共混物置于烘箱中按照如下温度梯度和时间进行固化:
200℃条件下保温固化4h;
215℃条件下保温固化2h;
230℃条件下保温固化1h;
280℃条件下保温固化1h;
固化完成后,所得产物随炉冷却至室温,得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
对本实施例所制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂进行红外测试,红外光谱(透过率)如图1所示。从图中可以看出,2232cm-1处的氰基吸收基本上消失,而1560cm-1处酰胺ii带和1337cm-1处的羟基面内弯曲振动也基本消失,说明活性氢促进氰基基团基本完全参与交联反应。而1090cm-1处和1010cm-1处可观察到异吲哚啉和酞菁环结构的特征峰,说明间苯二酚型双邻苯二甲腈单体与酪氨酸环二肽共聚得到以异吲哚啉和酞菁环结构为主的交联网络结构。
本实施例制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的溶解性性实验如图2所示。从图中可以看出该共聚树脂能够在常见的有机溶剂及浓硫酸中保持形状且不发生溶胀现象,说明该共聚树脂具有良好的耐化学腐蚀性和较高的交联程度。
本实施例制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的扫描电镜图像如图3所示。从图中可以看出该共聚树脂是一种多孔树脂,具有较为均匀分布的孔结构,且孔径基本为微米尺度。
实施例2
本实施例中,以双酚A型双邻苯二甲腈单体、丙氨酸环肽为原料制备邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,双酚A型双邻苯二甲腈单体、丙氨酸环肽化学结构式如下:
本实施例中的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,通过以下步骤制得:
将两种原料双酚A型双邻苯二甲腈单体与丙氨酸环肽按1:4物质的量之比加入到带有磁力搅拌器的单口烧瓶中,并加入5倍于两种原料总质量的溶剂四氢呋喃。待溶解完全后将溶液在室温下搅拌12小时,随后溶液经60℃的旋转蒸发除去溶剂,剩余物置于真空烘箱中在70℃下真空干燥12小时得到双酚A型双邻苯二甲腈单体与丙氨酸环肽共混物。将共混物置于烘箱中按照如下温度梯度和时间进行固化:
190℃条件下保温固化6h;
230℃条件下保温固化3h;
固化完成后,所得产物随炉冷却至室温,得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
对本实施例所制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂进行氮气氛围下的热重分析,热重分析图谱如图4所示。从图中可以看到,该共聚树脂10%失重温度高于400℃,且在800℃下仍具有超过55%的残炭率。由此可知,本实施例以双酚A型双邻苯二甲腈单体与丙氨酸环肽为原料,制备得到了具有优异的热稳定性的共聚树脂。
实施例3
本实施例中,以酪氨酸基双邻苯二甲腈单体、苯丙氨酸环肽为原料制备邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,酪氨酸基双邻苯二甲腈单体、苯丙氨酸环肽化学结构式如下:
本实施例中的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,通过以下步骤制得:
将两种原料酪氨酸基双邻苯二甲腈单体与苯丙氨酸环肽按物质的量之比1:3加入到带有磁力搅拌器的单口烧瓶中,并加入6倍于两种原料总质量的溶剂丙酮。待溶解完全后将溶液在室温下搅拌12小时,随后溶液经55℃的旋转蒸发除去溶剂,剩余物置于真空烘箱中在80℃下真空干燥12小时得到酪氨酸基双邻苯二甲腈单体与苯丙氨酸环肽共混物。将共混物置于烘箱中按照如下温度梯度和时间进行固化:
200℃条件下保温固化5h;
230℃条件下保温固化4h;
280℃条件下保温固化2h;
300℃条件下保温固化1h;
固化完成后,所得产物随炉冷却至室温,得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
将于丙酮中按物质的量之比1:3混合均匀的酪氨酸基双邻苯二甲腈单体和苯丙氨酸环肽共混物、酪氨酸基邻苯二甲腈单体的丙酮溶液分别在280℃热处理15min后进行红外测试,红外光谱(吸光度)如图5所示。从图中可以看到酪氨酸基双邻苯二甲腈单体和苯丙氨酸环肽共混物在2230cm-1的氰基吸收基本消失,而邻苯二甲腈单体在2230cm-1的氰基吸收仍然明显存在。由此可知,本实施例以酪氨酸基双邻苯二甲腈单体与苯丙氨酸环肽为原料,能够使更多的氰基参与反应;因此,相较于本征酪氨酸基双邻苯二甲腈单体,本实施例的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂制备具有更高固化效率。
实施例4
本实施例中,以联苯二酚型双邻苯二甲腈单体、缬氨酸环肽为原料制备邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,联苯二酚型双邻苯二甲腈单体、缬氨酸环肽化学结构式如下:
本实施例中的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,通过以下步骤制得:
将两种原料联苯二酚型双邻苯二甲腈单体与缬氨酸环肽按物质的量之比1:1进行混合后形成混合物,将混合物加入到带有磁力搅拌器的单口烧瓶中,并加入6倍于两种原料总质量的溶剂乙腈。待溶解完全后将溶液在室温下搅拌12小时,随后溶液经60℃的旋转蒸发除去溶剂,剩余物置于真空烘箱中在90℃下真空干燥12小时得到联苯二酚型双邻苯二甲腈单体与缬氨酸环肽共混物。将共混物置于烘箱中按照如下温度梯度和时间进行固化:
200℃条件下保温固化4h;
230℃条件下保温固化2h;
280℃条件下保温固化2h;
300℃条件下保温固化1h;
固化完成后,所得产物随炉冷却至室温,得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
对本实施例所制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂进行氮气氛围下差示扫描量热分析,热分析图谱如图6所示。从图中可以看到该共聚树脂在300℃以内未发生明显的玻璃化转变现象,由此可知,本实施例以联苯二酚型双邻苯二甲腈单体与缬氨酸环肽为原料,制备得到了具有优异的耐热性能的共聚树脂。
实施例5
本实施例中,以双酚F型双邻苯二甲腈单体、色氨酸环肽为原料制备邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,双酚F型双邻苯二甲腈单体、色氨酸环肽化学结构式如下:
本实施例中的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,通过以下步骤制得:
将两种原料双酚F型双邻苯二甲腈单体与色氨酸环肽按物质的量之比1:2加入到带有磁力搅拌器的单口烧瓶中,并加入5倍于两种原料总质量的溶剂三氯甲烷。待溶解完全后将溶液在室温下搅拌12小时,随后溶液经55℃的旋转蒸发除去溶剂,剩余物置于真空烘箱中在80℃下真空干燥12小时得到双酚F型双邻苯二甲腈单体与色氨酸环肽共混物。将共混物置于烘箱中按照如下温度梯度和时间进行固化:
180℃条件下保温固化4h;
220℃条件下保温固化2h;
280℃条件下保温固化1h;
300℃条件下保温固化1h;
固化完成后,所得产物随炉冷却至室温,得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
对本实施例制备过程所得到的邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽共混物进行氮气氛围下的热重分析,热重分析图谱如图7所示。从图中可以看到该共混物具有优异的热稳定性,在固化温度下未观察到明显分解。此外,共混物800℃下具有超过50%的残炭率,显著高于普通的小分子,说明共混物在升温过程中发生了固化反应生成了热稳定性更优的聚合物结构。
实施例6
本实施例中,以双酚E型双邻苯二甲腈单体、组氨酸环肽为原料制备邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,双酚E型双邻苯二甲腈单体、组氨酸环肽化学结构式如下:
本实施例中的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂,通过以下步骤制得:
将两种原料双酚E型双邻苯二甲腈单体与组氨酸环肽按物质的量之比1:9加入到带有磁力搅拌器的单口烧瓶中,并加入5倍于两种原料总质量的溶剂二氯甲烷。待溶解完全后将溶液在室温下搅拌12小时,随后溶液经55℃的旋转蒸发除去溶剂,剩余物置于真空烘箱中在80℃下真空干燥12小时得到双酚E型双邻苯二甲腈单体与组氨酸环肽共混物。将共混物置于烘箱中按照如下温度梯度和时间进行固化:
210℃条件下保温固化6h;
230℃条件下保温固化1h;
280℃条件下保温固化1h;
320℃条件下保温固化2h;
固化完成后,所得产物随炉冷却至室温,得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
对本实施例所制备的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂进行空气氛围下的热重分析,热重分析图谱如图8所示。从图中可以看到该共聚树脂初始分解温度接近500℃,由此可知,本实施例以双酚E型双邻苯二甲腈单体与组氨酸环肽为原料,制备得到了具有优异的热氧稳定性的共聚树脂。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
2.一种权利要求1所述的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,其特征在于将所述结构的邻苯二甲腈单体与氨基酸环肽按所述物质的量之比计量称取后于溶剂中溶解并混合均匀,然后经干燥除去溶剂得到共混物,再将所述共混物在小于共混物的分解温度下固化,固化完成后即得邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
3.根据权利要求2所述的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,其特征在于所述共混物的固化按照如下温度梯度和时间在惰性气氛下依次进行:
180≤T≤200℃条件下,保温固化0~6h;
200<T≤220℃条件下,保温固化0~6h;
220<T≤250℃条件下,保温固化1~4h;
所述180≤T≤200℃、200<T≤220℃的保温固化时间不同时为0;
或者,
180≤T≤200℃条件下,保温固化0~6h;
200<T≤220℃条件下,保温固化0~6h;
220<T≤250℃条件下,保温固化0~4h;
250<T≤280℃条件下,保温固化1~2h;
所述180≤T≤200℃、200<T≤220℃、220<T≤250℃的保温固化时间不同时为0;
或者,
180≤T≤200℃条件下,保温固化0~6h;
200<T≤220℃条件下,保温固化0~6h;
220<T≤250℃条件下,保温固化0~4h;
250<T≤280℃条件下,保温固化1~2h;
280<T≤320℃条件下,保温固化1~2h;
所述180≤T≤200℃、200<T≤220℃、220<T≤250℃的保温固化时间不同时为0;
固化结束后,所得产物随炉冷却至室温,即得到邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂。
4.根据权利要求2或3所述的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,其特征在于所述溶剂为四氢呋喃、丙酮、乙腈、二氯甲烷、三氯甲烷、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种。
5.根据权利要求2或3所述的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,其特征在于溶剂的质量为两种原料总质量的5~6倍。
6.根据权利要求4所述的邻苯二甲腈与氨基酸环肽共聚树脂的制备方法,其特征在于溶剂的质量为两种原料总质量的5~6倍。
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