CN101431971A - 包括含有纳米颗粒的聚合物纤维网的产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括膨胀聚合物纤维网的产品,所述膨胀聚合物纤维网包含约0.1%重量至约70%重量的包含纳米颗粒的化合物。所述膨胀聚合物纤维网包含约30%重量至约99.9%重量的一般可熔融加工的聚合物。所述纤维网也包含约0.0%重量至约50%重量的增容剂。
Description
发明领域
本发明涉及包括聚合物纤维网的产品,所述聚合物纤维网包含纳米颗粒。本发明尤其涉及包括膨胀聚合物纤维网的产品,所述膨胀聚合物纤维网包含纳米颗粒。
发明背景
填充剂(也称作填料)用于塑料工业(例如,吹模瓶、注模部件、吹塑薄膜或流延薄膜、以及纤维或非织造材料)中以“填充”塑料部件。填充剂的用途可以是多方面的。填充剂可用于以较低成本取代塑料,从而改善所述部件的总成本结构。填充剂也可为了与性能相关的原因例如硬化、产生孔隙率、改变表面性能等而使用。填充剂的典型实例为粘土(天然的及合成的)、碳酸钙、滑石、硅酸盐、玻璃微球体(实心的或中空的)、陶瓷微球体、玻璃纤维、碳基材料(小片、不规则体和原纤)等。
为实现其功能,填充剂需要均匀分散在聚合物基质中并具有与所述聚合物基质的最佳粘合。这些均匀分散和最佳粘合性能由于填充剂颗粒良好的分散和分布混合以及表面改性而实现,例如用硬脂酸涂覆碳酸钙填充剂的表面。此外,表面改性改变了一些填充剂的表面能,从而允许与聚合物基质的最佳混合。单个填充剂颗粒的典型粒度为大约几微米或几十微米,其导致可用来与聚合物基质相互作用的小于1m2/g的比表面积。这种小的比表面积可以说是填充剂具有通常可见的有限有益效果的原因。
利用具有较大表面积每克材料的填充剂材料可与部件的重量比率成正比地影响性能。
膨胀聚合物纤维网用途广泛,尤其是在消费品领域。膨胀聚合物纤维网的一个重要分支为开孔且膨胀的聚合物纤维网。开孔型的膨胀聚合物纤维网可用于许多领域,例如用于女性卫生产品和婴儿护理产品的顶片。开孔的量和孔的尺寸及形状可影响这些薄膜在此类应用中的性能。开孔特性在生产时设定,但是可由于外部热力和机械力造成的局部聚合物链内的改变而随时间发生变化。同样,维持开孔特性(也称作稳定性)的能力可影响消费者的体验。
生产膨胀和/或开孔聚合物纤维网的一种方法是借助液压成形。在该方法中,用水高速冲击平整的基体聚合物纤维网,同时接触开孔的或未开孔的通常不可变形的成形结构。水促使平整的基体聚合物纤维网部分地或整个地适形所述成形结构的正象。在成形结构的一些区域中,如果允许足够的力和位移,薄膜也将开孔。随后可将所得的开孔的且膨胀的聚合物纤维网从成形结构上移除。
膨胀聚合物纤维网的开孔部分的量和开度可通过透气率测量来量化。透气率是指对于给定压降流过给定横截面积的空气的体积流量。较高的透气率一般意味着较大量的开口面积并定性地跟踪薄膜产品的消费者可觉察的性能(较高的性能对于流体采集产品如女性卫生垫通常较好)。
一般来讲,期望维持膨胀聚合物纤维网特性的能力。
发明概述
在一个方面,产品包括液压成形的聚合物纤维网,所述纤维网由约0.1%重量至约70%重量的包含纳米颗粒的化合物、约30%重量至约99.9%重量的一般可熔融加工的聚合物、以及约0.0%重量至约50%重量的增容剂组成。液压成形聚合物纤维网具有的透气率大于单独的可熔融加工聚合物的液压成形聚合物纤维网的透气率。在暴露于与未装空调的仓库中辊上的存储一致的压缩力和高温(也称作老化)之后,包含纳米颗粒的聚合物纤维网的透气率相对于不含纳米颗粒的聚合物纤维网的透气率已得到了改善。老化的聚合物纤维网的透气率的差值百分比等于或大于老化之前测量的差值百分比。
在另一方面,产品包括液压成形的聚合物纤维网,所述纤维网由约0.1%重量至约70%重量的纳米粘土、约30%重量至约99.9%重量的低密度聚乙烯(LDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)的共混物、以及约0.0%重量至约50%重量的增容剂组成。液压成形的聚合物纤维网具有的透气率大于单独的低密度聚乙烯与线性低密度聚乙烯共混物的液压成形聚合物纤维网的透气率。在暴露于与未装空调的仓库中辊上的存储一致的压缩力和高温之后,包含纳米粘土的聚合物纤维网的透气率相对于不含纳米粘土的聚合物纤维网的透气率已得到了改善。差值百分比等于或大于老化之前测量的差值百分比。
在另一方面,产品包括基体聚合物纤维网,所述纤维网由约0.1%重量至约70%重量的包含纳米颗粒的化合物、约30%重量至约99.9%重量的可熔融加工的聚合物、以及约0.0%重量至约50%重量的增容剂组成。基体聚合物纤维网可被液压成形、真空成形或换句话讲通过本领域已知的方法膨胀。
在又一方面,产品包括环轧材料纤维网,所述环轧纤维网材料由约0.1%重量至约70%重量的包含纳米颗粒的化合物、约30%重量至约99.9%重量的一般可熔融加工的聚合物、以及约0.0%重量至约50%重量的增容剂组成。环轧纤维网材料具有的纵向模量大于基体材料纤维网的纵向模量。
附图概述
尽管本权利要求书特别指出并清楚地要求保护本发明的主题,但据信根据以下发明详述并对照附图可更好地理解本发明,其中几个附图中的相应特征以相同的方式指示,其中:
图为根据本发明的一个实施方案的产品的示意性平面图。
发明详述
除非另外指明,所有重量百分比均基于整个聚合物纤维网的重量。纤维网组分的所有示例性列表被理解为对于本发明范围是非限制性的。
定义
如本文所用,术语“膨胀聚合物纤维网”及其派生词是指由前体聚合物纤维网或薄膜(本文等同称作“基体聚合物纤维网)形成的聚合物纤维网,例如平面纤维网,其已被致使适形三维成形结构的表面,使得由于前体聚合物纤维网至少部分适形于成形结构的三维图案而使前体聚合物纤维网的两个侧面或表面均永久改变。在一个实施方案中,膨胀聚合物纤维网为包括宏观和/或微观结构特征或元件的三维网。此类膨胀聚合物纤维网可通过压花(即,当成形结构表现为主要由凸形突出组成的图案时)或凹花(即,当成形结构表现为主要由凹形凹陷或小孔组成的图案时)、通过拉幅、或者通过这些的组合来形成。此外,此类膨胀聚合物纤维网可包括流体可透过的区域(即,已被膨胀且破裂而形成小孔的区域)和流体不能透过的区域(即,已被膨胀而无形成表面畸变的破裂的区域)。膨胀聚合物纤维网的其它方法包括液压成形、真空成形、以及本领域已知的其它薄膜膨胀方法。
如本文所用,术语“液压成形”及其派生词是指利用高压液体喷射以使前体纤维网适形于成形结构的形状并且可使其破裂成几份纤维网的方法。关于液压成形方法的更多细节可参见1986年9月2日授予Curro等人的美国专利4,609,518。
如本文所用,术语“真空成形”及其派生词是指利用真空使前体纤维网适形于成形结构的形状并且可使其破裂成几份纤维网的方法。
如本文所用,术语“宏观”及其派生词是指当观察者眼睛与纤维网的垂直距离为约12英寸时,对于具有20/20视力的人而言容易看见且清晰可辨的结构特征或元件。
如本文所用,术语“微观”及其派生词是指当观察者眼睛与纤维网的垂直距离为约12英寸时,对于具有20/20视力的人而言不容易看见且不清晰可辨的结构特征或元件。
膨胀聚合物纤维网
在一个实施方案中,膨胀聚合物纤维网包含约0.1%重量至约70%重量的包含纳米颗粒的化合物。纳米颗粒为包括至少一个在纳米范围的粒度的离散颗粒。纳米颗粒可为多种形状,例如球形、纤维状、多面形、片状、规则形状、不规则形状等。在另一个实施方案中,百分比的下限按化合物的重量计可为约1%。在另一个实施方案中,下限可为约2%。在另一个实施方案中,下限可为约3%。在另一个实施方案中,下限可为约4%。在另一个实施方案中,上限可为约50%。在另一个实施方案中,上限可为约30%。在另一个实施方案中,上限可为约25%。存在于聚合物纤维网中的化合物的量可根据目标产品成本和膨胀聚合物纤维网性能而改变。纳米颗粒的非限制性实例为天然纳米粘土(例如高岭土、滑石、膨润土、锂蒙脱石、蒙脱石、蛭石和云母)、合成纳米粘土(例如得自Southern ClayProducts,Inc.,Gonzales,TX的;以及得自CO-OP ChemicalCompany,Japan的SOMASIF)、处理过的纳米粘土(例如有机改性的纳米粘土)、纳米纤维、金属纳米颗粒(如纳米铝)、金属氧化物纳米颗粒(如纳米氧化铝)、金属盐纳米颗粒(如纳米碳酸钙)、碳或无机纳米结构(如单壁或多壁碳纳米管、碳纳米杆、碳纳米带、碳纳米环、碳或金属或金属氧化物纳米纤维等)、以及石墨片(如膨胀石墨等)。
在一个实施方案中,包含纳米颗粒的化合物包含纳米粘土材料,该材料已通过将乙烯-乙烯醇(EVOH)添加到材料中而膨胀。作为一个非限制性实例,纳米粘土蒙脱石材料可与EVOH(27%摩尔乙烯等级)共混。然后可将该组合物与LLDPE聚合物共混,并且可将所得组合物吹塑或注塑成薄膜。已发现,LLDPE、EVOH和纳米粘土材料的组合拥有基本上高于基体LLDPE的抗拉模量和基本上类似于LLDPE的抗拉韧性。
包含纳米颗粒的化合物可包含纳米粘土颗粒。这些颗粒由小片组成,所述小片可具有约1nm的基本厚度和约100nm至约500nm的长度或宽度。在其天然状态,这些小片间隔约1nm至约2nm。在插层状态,小片间隔可为约2nm至约8nm。在膨胀状态,小片间隔可超过约8nm。在膨胀状态,纳米粘土材料的比表面积可为约800m2/g或更高。示例性纳米粘土材料包括蒙脱石粘土材料和蒙脱石有机粘土材料(即,已用阳离子物质处理的蒙脱石粘土材料,所述阳离子物质赋予疏水性并造成插层),以及如本领域所已知的等同粘土。此类材料得自Southern Clay Products,Inc.,Gonzales,TX(如系列纳米粘土);Elementis Specialties,Inc.,Hightstown,NJ(如系列纳米粘土);Nanocor,Inc.,Arlington Heights,IL(如系列纳米粘土);以及Süd-Chemie,Inc.,Louisville,KY(如系列纳米粘土)。
膨胀聚合物纤维网也包含约30%至约99.9%的可熔融加工的聚合物。可熔融加工的聚合物可由任何此类可熔融加工的热塑性材料或其共混物组成。示例性可熔融加工的聚合物包括低密度聚乙烯,例如得自ExxonMobil Company,Irving,Texas的ExxonMobil LD129.24低密度聚乙烯;线性低密度聚乙烯,例如得自Dow Chemical Company,Midland,Michigan的DowlexTM 2045A和DowlexTM 2035;以及本领域已知的其它热塑性聚合物(如高密度聚乙烯-HDPE;聚丙烯-PP;极低密度聚乙烯-VLDPE;乙烯乙酸乙烯酯-EVA;乙烯丙烯酸甲酯-EMA;EVOH等)。此外,如本领域所已知,可熔融加工的热塑性材料可包括典型的添加剂(例如,抗氧化剂、防静电剂、成核剂、导电填充剂、阻燃剂、颜料、增塑剂、抗冲改性剂等)。存在于聚合物纤维网中的可熔融加工的聚合物的重量百分比将根据包含纳米颗粒的化合物以及存在于聚合物纤维网中的其它纤维网组分的量而改变。
膨胀聚合物纤维网还可包含按重量计约0%至约50%范围内的增容剂。增容剂可提供纳米颗粒与聚合物分子之间增强的相互作用程度。示例性增容剂包括马来酸酐和马来酸酐改性的聚烯烃,如本领域所已知的这些(如马来酸酐接枝聚烯烃)。
纳米粘土和增容剂可作为母料提供,所述母料可作为单一组分添加到聚合物纤维网中。示例性实例包括PolyOne Corp.,Avon Lake,OH提供的NanoBlendTM材料。
前体聚合物纤维网可利用本领域已知的任何方法形成,包括但不限于注塑或吹塑聚合物纤维网。此外,前体聚合物纤维网可包括单层或多层。前体聚合物纤维网可被液压成形以形成膨胀聚合物纤维网。在一个实施方案中,所述前体聚合物纤维网可被真空成形以形成膨胀聚合物纤维网。
在一个实施方案中,基体聚合物纤维网可以加工以变膨胀。在该实施方案中,所述基体聚合物纤维网可以在一套网孔内板之间压制。所述板可具有网孔内锯齿并且可受压啮合在一起,以使聚合物纤维网的一部分变形。
一块平板可包括锯齿状区域和凹槽状区域。在平板的锯齿状区域内可以有多个锯齿。另一块平板可包括与第一平板的锯齿相啮合的锯齿。当聚合物纤维网在两块板之间形成时,被安放在第一平板的凹槽状区域和第二平板的锯齿内的部分薄膜仍然未变形。被安放在第一平板的锯齿状区域和第二平板的锯齿之间的部分纤维网被增加地和可塑地形成,这样在聚合物纤维网中产生肋状元件。
形成方法可以在静态模式下完成,此种情况下纤维网的离散部分在某一时刻变形。作为另外一种选择,形成方法可以采用这样的方式完成:采用连续的、动态的挤压以间歇地与移动的纤维网接触,并使基体材料形成本发明的聚合物纤维网。这些和其它适合用以形成本发明聚合物纤维网的方法更充分地描述于1996年5月21日授予Chappell等人的美国专利5,518,801中。以这种方式形成的聚合物纤维网可以描述于1997年7月22日授予Anderson等人的美国专利5,650,214中。
此类膨胀聚合物纤维网可包括第一区域和第二区域。当所述聚合物纤维网沿至少一个轴方向承受应用拉伸时,所述第一区域可以遭受充分地分子变形,并且第二区域可以最初遭受充分地几何变形。膨胀聚合物纤维网具有比单独的低密度聚乙烯的类似成形聚合物纤维网更大的纵向和横向抗撕裂扩展性。
在一个实施方案中,聚合物纤维网可通过本领域所已知的环轧制纤维网来膨胀。例如且不限制本发明,包含约56%的LLDPE、约40%的CaCO3、以及约4%的处理纳米粘土颗粒的聚合物纤维网在环轧设备中被环轧,所述设备具有0.060英寸(约0.15mm)的辊节距和约0.075英寸(约0.19mm)的啮合深度。据发现膨胀纤维网的纵向模量大于不含纳米粘土颗粒的类似环轧纤维网的纵向模量约50%。
含有纳米颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率可大于由单独的可熔融加工的聚合物组成的膨胀聚合物纤维网的透气率。聚合物纤维网的透气率如下测试:将纤维网样本(注明形成小孔的3维结构的定位方向)放置在小孔上,并通过在小孔的非材料侧上产生已知程度的负压而吸引空气通过纤维网和小孔。在单位为立方英尺每分钟(CFM)的已知压降下,所通过聚合物纤维网的气流代表纤维网的透气率。不同纤维网的相对透气率的比较可通过使用相同的小孔和相同的压差测试纤维网样本并随后比较每种纤维网的CFM值来进行。可利用得自Tex Test,Ltd.,Zurich,Switzerland的Tex Test型FX 3300渗透性测试仪来测试纤维网。
令人惊奇的是,申请人已发现,将纳米颗粒掺入到聚合物纤维网中可使给定压降下膨胀聚合物纤维网的透气率改善10%。此外,添加纳米颗粒将得到空气可渗透的结构,所述结构在透气率方面随时间而变得更稳定。在暴露于与未装空调的仓库中辊上的存储一致的压缩力和高温(也称作老化)之后,包含纳米颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率相对于不含纳米颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率已得到了改善。差值百分比等于或大于老化之前测量的差值百分比。
膨胀聚合物纤维网的透气率可由于纤维网的老化而随时间降低。将纳米颗粒添加到纤维网中可提供一种减缓聚合物纤维网中透气性丧失的方法。测试结果已表明,包含纳米颗粒的老化的膨胀聚合物纤维网的透气率相对于不含纳米颗粒的膨胀聚合物纤维网随时间改善了17%至约37%,其中所述改善随时间而增加。
在一个实施方案中,含有纳米颗粒的膨胀聚合物纤维网具有的压缩老化透气率大于不含纳米颗粒的膨胀聚合物纤维网的压缩老化透气率。压缩老化透气率可通过制备18个聚合物纤维网样本来测定,每个样本约4英寸(10cm)见方。将样本堆叠在一起并经受约0.5磅/平方英寸的压缩力约17个小时。然后移除这堆中央的十个样本,接着如上所述来测试这些样本中的每一个的透气率。
在一个实施方案中,膨胀聚合物纤维网具有的高温老化透气率大于单独的可熔融加工聚合物的膨胀聚合物纤维网的高温老化透气率。高温老化透气率可通过制备18个薄膜材料样本来测定,每个样本约4英寸(10cm)见方。将样本堆叠在一起并在约60℃的温度下经受约0.5磅/平方英寸的压缩力约17个小时。然后移除这堆中央的十个样本,接着如上所述来测试这些样本中的每一个的透气率。
可将其它材料添加到前体聚合物纤维网中。在一个实施方案中,前体聚合物纤维网可包含碳酸钙(CaCO3),CaCO3的含量为约5%至约70%。
纵向抗拉模量为薄膜制造期间沿着薄膜前进方向测量的材料的抗拉模量。聚合物纤维网的横向抗拉模量为聚合物纤维网制造期间与纤维网前进方向交叉所测量的抗拉模量。纵向和横向抗拉模量中的每一个均可通过用于塑料薄片拉伸特性的ASTM D 882-02标准测试方法测定,采用1英寸宽乘6英寸长的矩形带,2英寸的夹具间隔,每分钟20英寸的测试速度且无伸长仪。
在一个实施方案中,至少包含纳米颗粒的前体聚合物纤维网具有的抗撕裂强度大于不含纳米颗粒的前体聚合物纤维网的抗撕裂强度。将CaCO3添加到包含可熔融加工的聚合物及纳米颗粒的前体聚合物纤维网中可进一步改善纵向与横向每个方向上的抗撕裂扩展性与抗拉模量。在该实施方案中,各自的聚合物纤维网的抗撕裂扩展性可利用ASTM D1922-05标准测试方法进行测定,该方法用于通过摆锤法进行塑料薄膜和薄片的抗撕裂扩展性的测定。
实施例1:
将1密耳(0.0254mm)的比率为约70:30的线性低密度聚乙烯与低密度聚乙烯的流延薄膜与1密耳(0.0254mm)厚的相同聚合物比率外加按重量计10%的NanoBlendTM 2101的流延薄膜一起制备,NanoBlendTM 2101包含38%至42%的有机粘土颗粒。将每个流延薄膜液压成形,从而得到开孔且膨胀的薄膜。成形后立即测试每个膨胀聚合物纤维网的透气率,发现纳米复合薄膜具有高于不含纳米粘土颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率约10%的透气率(即,约50CFM)。在环境温度且无压缩载荷下老化一周后,包含纳米粘土颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率大于不含纳米粘土颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率约17%。在环境温度下堆叠压缩老化之后,包含纳米粘土颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率大于不含纳米粘土颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率约24%。在约60℃的高温下堆叠压缩老化之后,包含纳米粘土颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率高于不含纳米粘土颗粒的膨胀聚合物纤维网的透气率约37%。
产品实施例:
本发明的膨胀聚合物纤维网材料可用于其中开孔纤维网、膨胀纤维网或类弹性纤维网将有益的任何应用中。预期用途的需求可与纤维网的具体组成有关,也可与膨胀材料纤维网的方法有关。
不限制本发明,示例性用途包括开孔的流体转移顶片,所述顶片为尿布、训练短裤、妇女卫生制品、成人失禁产品、或其中需要考虑流体转移通过材料纤维网的任何产品的一部分。具有对应用应力具有不同响应的第一和第二区域的材料纤维网可以用于实际应用中,这些地方需要某种程度的弹性、纤维网消毒盖布、或这两者。示例性用途包括但不限于:尿布腿箍和侧片、训练短裤片、妇女卫生制品边缘部分和成人失禁片。
在图中所示出的一个实施方案中,吸收制品10包括底座12。底座12包括由膨胀聚合物纤维网材料形成的流体可渗透的顶片14,所述材料包括上述纳米颗粒。所述制品可任选地包括扣紧***、阻挡箍、角撑箍,并且可被构造成使得底座包括前耳片和/或后耳片。制品元件可包括洗剂,如本领域所知。示例性吸收制品包括但不限于尿布、妇女卫生内衣、成人失禁制品、训练裤和尿布固定器。不旨在限制本发明,可包括如本文所述的膨胀聚合物纤维网顶片的吸收制品结构描述于美国专利3,860,003、5,151,092、5,221,274、5,554,145、5,569,234、5,580,411、4,589,876和6,004,306中。
在另一个实施方案中,吸收制品可包括如上所述的具有第一区域和第二区域的膨胀聚合物薄膜。此类薄膜可被用作吸收制品的一部分,所述吸收制品包括但不限于:尿布、妇女卫生内衣、成人失禁制品、训练裤和尿布固定器。此类薄膜可被用于给制品的至少一部分赋予类弹性属性。
在另一个实施方案中,一次性吸收产品可包括环轧纤维网,所述纤维网包含纳米粘土颗粒并任选地包含CaCO3。环轧纤维网材料可用作产品元件以提供可延展元件,而不必在元件中包括橡胶化合物。所述材料可利用环轧制薄膜的设备和方法环轧,如本领域所已知的这些。
所述膨胀聚合物纤维网材料可用作其它产品的元件以及上面所列举的用途。不旨在限制本发明,膨胀聚合物纤维网的示例性用途包括薄膜包装、袋子、聚合物片、外部产品覆盖件、包装材料、以及它们的组合。
可将膨胀聚合物纤维网材料作为不含纳米颗粒的另外类似纤维网材料的直接取代物掺入到产品中。
在发明详述中引用的所有文件都在相关部分中以引用方式并入本文中。对于任何文件的引用不应当解释为承认其是有关本发明的现有技术。当本发明中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中术语的任何含义或定义矛盾时,应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。
虽然已经举例说明和描述了本发明的特定实施方案,但是对于本领域技术人员来说显而易见的是,在不背离本发明精神和范围的情况下可以做出多个其他改变和变型。因此,权利要求书意欲包括在本发明范围内的所有这样的改变和变型。
Claims (8)
1.一种包括膨胀聚合物纤维网的产品,所述膨胀聚合物纤维网的特征在于包含:
a)0.1%重量至70%重量的包含纳米颗粒的化合物,
b)30%重量至99.9%重量的一般可熔融加工的聚合物,和
c)0.0%重量至50%重量的增容剂。
2.如权利要求1所述的产品,其中所述材料纤维网已通过液压成形膨胀。
3.如权利要求1所述的产品,其中所述材料纤维网已通过真空成形膨胀。
4.如权利要求1至3中任一项所述的产品,其中所述产品包括一次性吸收产品。
5.如权利要求4所述的产品,其中所述膨胀聚合物纤维网材料包括流体可透过的顶片。
6.如权利要求5所述的产品,其中所述产品包括尿布。
7.如权利要求5所述的产品,其中所述产品包括妇女卫生制品。
8.如权利要求1所述的产品,其中所述材料纤维网包括液压成形的基体聚合物纤维网,并且所述材料纤维网具有的透气率大于单独的可熔融加工的聚合物的膨胀聚合物纤维网的透气率。
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