CN115814623A - 一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,包括:多元杂化体系溶液制备步骤,选择有机大分子,同时选择无机填料,在溶剂中将有机大分子与无机填料混合均匀,形成多元杂化体系溶液;基体溶液配置步骤,将聚醚嵌段酰胺溶到溶剂中形成基体溶液;制膜液配置步骤,将多元杂化体系溶液与基体溶液混合,经搅拌、分散,配置得到制膜液;固化处理步骤,将制膜液复合到成膜支撑体表面得到预处理膜,经干燥,使预处理膜固化制得混合基质膜。本发明的基体溶液为聚醚嵌段酰胺溶液,通过同时引入有机大分子和无机填料,在混合基质膜内形成多元杂化体系,凭借有机大分子的吸附性基团与无机填料的丰富孔隙,增强了混合基质膜的气体分离性能。
Description
技术领域
本发明属于化学工程与技术学科中分离技术领域,尤其涉及一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法。
背景技术
近年发展起来的膜分离技术能很好地实现对CO2气体的高效低成本分离、捕集和回收(Liu M,et al.,ProgPolymSci,2022,126:101504;Kunalan S,et al.,EnvironSciPollut Res,2022,29(26):38735-38767)。因此,研究和开发高性能的CO2分离膜材料具有巨大的商业前景和社会价值。美国学者罗伯森在总结全世界所有气体分离膜材料时,发现膜材料的渗透性与选择性间存在一种制约关系,即将二者绘制到一张图上时,数据点都低于一条直线,这条线称为Robeson上限。因此,当前广大研究者和工程师都致力于突破Robeson上限,期望制备的膜材料对CO2/N2体系的气体分离性能兼具良好的渗透性与选择性(Robeson LM,J Membr Sci,2008,320(1–2):390-400)。
现有技术中,往往在膜材料中引入有机大分子,以期望膜材料对CO2/N2体系的气体分离性能兼具良好的渗透性与选择性,但是,其结果却仅是膜材料的渗透性较好,而选择性较低。在专利CN10809707013中,利用Zn/Ni掺杂改性嵌段聚醚酰胺制备混合基质膜,其对CO2气体的渗透性较高,可达321Barrer,但对CO2的选择性仅为43。而且,单一掺杂无机填料,极易因与膜基体间相态迥异所引起的硬作用效应下,造成在相界面处产生缺陷性孔隙和膜体脆化碎裂的问题,导致丧失气体分离性(Liu G,et al.,Chem.Asian J.2020,15,2364.)。
因此,为解决上述不足,有必要研究一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,通过多元杂化体系制备的混合基质膜,一方面利用有机大分子自身携带的大量羟基活性基团结构提高了混合基质膜内对CO2气体的溶解度,且利用无机填料的丰富孔隙在混合基质膜内产生大量利于CO2气体传输的通道,从而提高CO2气体的渗透性,凭借上述特点使混合基质膜对CO2气体的选择性显著提升,使混合基质膜对CO2/N2体系的气体分离性能兼具良好的渗透性与选择性。另一方面,多元杂化体系制备的混合基质膜在无机填料与基体之间的界面处形成缓冲区域,使硬作用转化为软作用,避免了混合基质膜出现缺陷性孔隙与膜体脆化的问题,进而保障了混合基质膜的气体分离性能。
本发明提供了一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,包括:多元杂化体系溶液配置步骤,选择有机大分子,同时选择无机填料,在溶剂中将有机大分子与无机填料混合均匀,形成多元杂化体系溶液;
基体溶液配置步骤,将聚醚嵌段酰胺溶到所述溶剂中形成基体溶液;
制膜液配置步骤,将多元杂化体系溶液与基体溶液混合,经搅拌、分散,配置,得到制膜液;
固化处理步骤,将制膜液复合到成膜支撑体的表面得到预处理膜,经干燥处理,使预处理膜固化后,制得混合基质膜。
优选地,在多元杂化体系溶液配置步骤中:有机大分子为乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的任一种或任意两种。
优选地,在多元杂化体系溶液配置步骤中:无机填料为NaY沸石、NaX沸石、ZSM沸石、丝光沸石、SAPO沸石或硅沸石中的任一种或任意两种。
优选地,在多元杂化体系溶液配置步骤中:无机填料的粒径为0.01~100μm;有机大分子与无机填料质量比为0.1~1.2:1。
优选地,溶剂为正丁醇、乙醇、乙酸或二氯乙烷中的任一种。
优选地,在基体溶液制备步骤中:聚醚嵌段酰胺为Pebax1074、Pebax1657、Pebax5533、Pebax4033、Pebax3533、Pebax 63R53或Pebax6333中的任一种。
优选地,在制膜液配置步骤中:多元杂化体系溶液的质量浓度为2~12%,基体溶液的质量浓度为2~12%,多元杂化体系溶液与基体溶液间质量比为0.1~1.2:1。
优选地,在固化处理步骤中:干燥温度为30~150℃,干燥时间为2~24小时。
优选地,在固化处理步骤中:成膜支撑体为无纺布、铁丝网、聚砜滤膜、玻璃板或塑料板中的任一种。
优选地,在CO2/N2体系的气体分离性能测试中,混合基质膜对CO2气体的选择性为29~196。
相较于现有技术,本发明提供一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,通过同时引入有机大分子和无机填料,在混合基质膜内形成多元杂化体系,凭借有机大分子的吸附性基团大幅提高CO2气体在混合基质膜内的溶解度,利用无机填料的丰富孔隙在混合基质膜内产生大量利于CO2气体传输的通道,从而提高了对CO2气体的渗透性,使混合基质膜对CO2/N2体系的气体分离性能兼具良好的渗透性与选择性。同时,利用多元杂化体系制备的混合基质膜在无机填料与基体之间的界面处形成缓冲区域,使硬作用转化为软作用,避免了混合基质膜出现缺陷性孔隙与膜体脆化的问题,有效保障了混合基质膜具备较高的气体分离性能。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述,本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中,以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式,相同或对应的标号表示相同或对应的部分,其中:
图1为本发明中实施例1制备的混合基质膜的扫描电镜照片;
图2为本发明中实施例2制备的混合基质膜的扫描电镜照片;
图3为本发明中实施例3制备的混合基质膜的扫描电镜照片;
图4为本发明中实施例4制备的混合基质膜的扫描电镜照片;
图5为本发明中实施例1至4制备的混合基质膜的x-射线衍射图谱;
图6为本发明中实施例1至4制备的混合基质膜的热失重图谱;
图7为本发明中实施例1至4制备的混合基质膜的气体分离性能的渗透性与选择性间关系图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
需要注意的是,除非另有说明,本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本实施例提出的一种多元杂化体系制备混合基质膜的方法,包括多元杂化体系溶液配置、基体溶液配置、制膜液配置、固化处理四个步骤:
多元杂化体系溶液配置步骤,选择聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的任一种或任意两种作为有机大分子;选择NaY沸石、NaX沸石、ZSM沸石、丝光沸石、SAPO沸石或硅沸石中的任一种或任意两种作为无机填料;在溶剂中将有机大分子与无机填料混合均匀,其中,溶剂为正丁醇、乙醇、乙酸或二氯乙烷中的任一种,所用无机填料的粒径为0.01~100μm,有机大分子与无机填料质量比为0.1~1.2:1,形成质量浓度为2~12%的多元杂化体系溶液。
基体溶液配置步骤,选择Pebax1074、Pebax1657、Pebax5533、Pebax4033、Pebax3533、Pebax 63R53或Pebax6333中的任一种溶到溶剂中形成质量浓度为2~12%的基体溶液,溶剂为正丁醇、乙醇、乙酸或二氯乙烷中的任一种。
制膜液配置步骤,按多元杂化体系溶液与基体溶液间质量比为0.1~1.2:1混合,经充分搅拌、分散,配置,得到均匀的制膜液。
固化处理步骤,采用刷涂、喷涂、浇筑或旋涂中的任一种方式,将制膜液复合到无纺布、铁丝网、聚砜滤膜、玻璃板或塑料板中的任一种成膜支撑体的表面得到预处理膜,经干燥温度为30~150℃,干燥时间为2~24小时,使预处理膜固化,制得混合基质膜。
其中,在玻璃板或塑料板上所成的预处理膜,需要借助少量温水使预处理膜软化,将预处理膜剥离下来,最终得到具有一定非支撑性的混合基质膜。
通过单组份气体恒体积变压渗透法测试了混合基质膜对CO2/N2体系的气体分离性能指标,即渗透性与选择性。测试条件为室温,跨膜压差0.1MPa。
气体分离性能的测试过程为:先将混合基质膜用密封胶或密封垫圈封装到不锈钢膜池内,从气体钢瓶出来的高纯气体经稳压阀固定跨膜压差,渗透通过混合基质膜。稳定后,测得有效气体通量,并按公式(1)计算得到该混合基质膜的渗透性,按公式(2)计算得到该混合基质膜的选择性(详见文献:姚彦虎,等。化工学报,2021,72(8):4418-4424.)。
其中,Pi为气体的渗透性(通用单位Barrer,1Barrer=0.33×10-15kmol·m·m-2·s-1·kPa-1),i为CO2气体或N2气体,F为气体透过膜的通量,ΔP为跨膜压力差,A为有效膜面积,L为有效膜厚度。
其中,SA/B为CO2气体与N2气体之间选择性,PA为CO2气体的渗透性,PB为N2气体的渗透性。
从图5可知,实施例1至4制备的混合基质膜,在有机大分子与无机填料共同作用下,在混合基质膜基的内部有机大分子与无机填料呈均匀分布,表明在混合基质膜的内部形成了多元杂化体系。
从图6可知,热失重数据显示本实施例1至4制备的混合基质膜,在混合基质膜基的内部引入的多元杂化体系未影响混合基质膜基的主要热解温度区间和热解机制,说明经过本实施例改性后混合基质膜基具有良好的热稳定性。
从图7可知,采用本发明的方法制备得到的混合基质膜的气体分离性能的数据超过了Robeson上限。
本实施例中的一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法与现有技术相比,具有如下优点:
本实施例以Pebax为配置基体溶液材料,通过在溶剂中将有机大分子与无机填料混合,引入具有多孔结构的多孔沸石,以及具有大量羟基活性基团结构的有机大分子填料,在混合基质膜内营造出大量可供气体传输渗透的微孔结构,有机大分子填料的加入也引入了大量可吸附CO2的羟基活性基团结构,在微观上进一步提高了混合基质膜对CO2气体的特异吸附性,增加了CO2气体在膜内的溶解度,使得混合基质膜在对CO2气体的渗透性和溶解选择性都得到了提高。进一步地,有机-无机协同共混的掺杂,改善了无机多孔沸石与基体之间的相容性,从而避免了单独使用无机填料产生的混合基质膜内的缺陷孔隙和膜质脆化问题,保障了混合基质膜的渗透性与选择性。
实施例1
选择聚乙二醇(PEG)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)为有机大分子;选择NaY沸石或SAPO沸石为无机填料;在正丁醇为溶剂中将有机大分子与无机填料混合均匀,其中有机大分子与无机填料质量比为0.1:1,形成质量浓度为2%的多元杂化体系溶液。
选择Pebax1074、Pebax1657、Pebax5533、Pebax4033、Pebax3533、Pebax63R53或Pebax6333中的任一种,溶到正丁醇为溶剂中形成质量浓度为2~12%的基体溶液。
按多元杂化体系溶液与基体溶液间质量比为1.2:1混合,经充分搅拌、分散,配置,得到均匀的制膜液。
采用浇筑的方式,将制膜液复合到无纺布的表面,经干燥温度为30~150℃,干燥时间为2~24小时,使预制备膜固化,制得混合基质膜。
通过气体分离性能的测定,测定混合基质膜对CO2/N2体系气体分离性能指标,如表1所示。同时,为方便对比,在表1中,列出了未添加有机大分子填料的混合基质膜的制备条件及气体分离性能,即序号0。
表1多元杂化体系制备的兼具宽范围可调控渗透性与选择性的混合基质膜实验数据
注:在表1中,当同时采用两种有机大分子或者两种无机填料时,有机大分子间或无机填料间用量比为1:1(质量比),无机填料粒径为平均粒径值。
结合表1、图1、图5和图6可知,单一添加无机填料所制备的混合基质膜具有的选择性极低,表明该混合基质膜内存在缺陷性孔隙。与之相比,在混合基质膜内同时引入有机大分子和无机填料,在混合基质膜内构筑多元杂化体系,明显提升了混合基质膜对CO2气体的选择性。同时,部分混合基质膜的渗透性也得到提高。另外,从图7可知,通过调节Pebax种类、基体溶液浓度、干燥温度、干燥时间、无机填料粒径为主要制备工艺条件时,同时改善了CO2气体在混合基质膜内的溶解性和扩散性,在溶解-扩散的分离机理作用下,实现了在较宽范围内对混合基质膜材料的渗透性的有效调控,且混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性均高于Robeson上限。这些实验数据充分表明,通过本实施例制备的混合基质膜有效避免了出现缺陷性孔隙与膜体脆化的问题,保证了混合基质膜的气体分离性能,且兼顾了混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性。
实施例2
选择聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或两种作为有机大分子;选择NaX沸石、ZSM沸石、丝光沸石或硅沸石中的任一种或两种作为无机填料;在乙醇为溶剂中将有机大分子与无机填料混合均匀,其中,有机大分子与无机填料质量比为0.1~1.2:1,形成质量浓度为2~12%的多元杂化体系溶液。
选择Pebax1657,乙醇和水混合稀释(体积比为70:30)作为溶剂,将Pebax1657溶到稀释后的乙醇溶剂中形成质量浓度为2~12%的基体溶液。
按多元杂化体系溶液与基体溶液间质量比为1:1混合,经充分搅拌、分散,配置,得到均匀的制膜液。
采用刷涂方式,将制膜液复合到聚砜滤膜的表面,经干燥温度为30~150℃,干燥时间为2~24小时,使预制膜固化,制得混合基质膜。通过气体分离性能的测定,测定混合基质膜对CO2/N2体系气体分离性能指标,如表2所示。同时,为方便对比,在表2中,列出了未添加有机大分子填料的混合基质的制备条件及气体分离性能,即序号0。
表2多元杂化体系制备的兼具较高渗透性与选择性的混合基质膜实验数据
注:在表2中,当同时采用两种有机大分子或者两种无机填料时,有机大分子间或无机填料间的用量比为1:1(质量比),无机填料粒径为平均粒径值。
结合表1、图2、图5和图6可知,单一添加无机填料所制备的混合基质膜的极低选择性,表明该膜内存在缺陷性孔隙,即序号0。与之相比,在混合基质膜内同时引入有机大分子和无机填料构筑多元杂化体系的混合基质膜均明显提升了气体分离选择性。另外,从图7可知,通过调节有机大分子与无机填料质量比、多元杂化体系溶液浓度、无机填料粒径为主要制备工艺条件,改变了CO2气体在混合基质膜内的溶解性和扩散性,在溶解-扩散的分离机理作用下,能够实现同时对混合基质膜材料的渗透性与选择性的有效调控,且混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性均高于Robeson上限。这些实验数据充分表明,通过本实施例制备的混合基质膜有效避免了出现缺陷性孔隙与膜体脆化的问题,保证了混合基质膜的气体分离性能,且兼顾了混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性。
实施例3
选择聚乙二醇(PEG)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种或两种作为有机大分子;选择NaY沸石、NaX沸石中的一种或两种作为无机填料;在乙酸为溶剂中将有机大分子与无机填料混合均匀,其中,有机大分子与无机填料质量比为0.6:1,形成质量浓度为4%的多元杂化体系溶液。
选择Pebax5533、Pebax4033、Pebax3533、Pebax 63R53或Pebax6333中的任一种,溶到乙酸为溶剂中形成质量浓度为2~12%的基体溶液。
按多元杂化体系溶液与基体溶液间质量比为0.1:1混合,经充分搅拌、分散,配置,得到均匀的制膜液。
采用喷涂方式,将制膜液复合到孔密度为2000目钢丝网的表面,经干燥温度为30~150℃,干燥时间为2~24小时,使预制备膜固化,得到混合基质膜。
通过气体分离性能的测定,测定混合基质膜对CO2/N2体系气体分离性能指标,如表3所示。
表3多元杂化体系制备的具有较高渗透性的混合基质膜实验数据
注:在表3中,当同时采用两种有机大分子或者两种无机填料时,有机大分子间或无机填料间的用量比为1:1(质量比),无机填料粒径为平均粒径值。
结合表1、图3、图5和图6可知,所制备的混合基质膜在宏观上均表现出优异的气体分离性能的渗透性和选择性。另外,从图7可知,通过调节有机大分子、无机填料种类、基体溶液浓度、干燥温度、干燥时间、无机填料粒径为主要制备工艺条件,改变了CO2气体在混合基质膜内的溶解性和扩散性,在溶解-扩散的分离机理作用下,能够实现对混合基质膜材料的较高的渗透性的有效调控,且混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性均高于Robeson上限。这些实验数据充分表明,通过本实施例制备的混合基质膜有效避免了出现缺陷性孔隙与膜体脆化的问题,保证了混合基质膜的气体分离性能,且兼顾了混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性。
实施例4
选择聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)中的一种或两种作为有机大分子;选择ZSM沸石、丝光沸石、SAPO沸石中的任一种或任意两种作为无机填料;在二氯乙烷为溶剂中将有机大分子与无机填料混合均匀,其中有机大分子与无机填料质量比为1:1,形成质量浓度为10%的多元杂化体系溶液。
选择Pebax3533,溶到二氯乙烷为溶剂中形成质量浓度为8%的基体溶液。
按多元杂化体系溶液与基体溶液间质量比为0.8:1混合,经充分搅拌、分散,配置,得到均匀的制膜液。
采用旋涂方式,将制膜液复合到无纺布或铁丝网或聚砜滤膜或玻璃板或塑料板的表面得到预制备膜,经干燥温度为60℃,干燥时间为20小时,使预制备膜固化,制得混合基质膜。
其中,在玻璃板或塑料板上所成的预制备膜,需要借助少量温水使预制备膜软化,将预制备膜剥离下来,最终得到非支撑的混合基质膜。通过气体分离性能的测定,测定混合基质膜对CO2/N2体系气体分离性能指标,如表4所示。
表4多元杂化体系制备的具有较高选择性的混合基质膜实验数据
注:在表4中,当同时采用两种有机大分子或者两种无机填料时,有机大分子间或无机填料间的用量比为1:1(质量比),无机填料粒径为平均粒径值。
结合表1、图4、图5和图6可知,所制备的混合基质膜均表现出优异的气体分离性能的渗透性和选择性。另外,从图7可知,通过调节成膜支撑体、有机大分子、无机填料种类、无机填料粒径为主要制备工艺条件,改变了CO2气体在混合基质膜内的溶解性和扩散性,在溶解-扩散的分离机理作用下,能够实现对混合基质膜材料的较高选择性的有效调控,且混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性均高于Robeson上限。这些实验数据充分表明,通过本实施例制备的混合基质膜有效避免了出现缺陷性孔隙与膜体脆化的问题,保证了混合基质膜的气体分离性能,且兼顾了混合基质膜对CO2气体的渗透性与选择性。
以上,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,包括:
多元杂化体系溶液配置步骤,选择有机大分子,同时选择无机填料,在溶剂中将所述有机大分子与所述无机填料混合均匀,形成多元杂化体系溶液;
基体溶液配置步骤,将聚醚嵌段酰胺溶到溶剂中形成基体溶液;
制膜液配置步骤,将所述多元杂化体系溶液与所述基体溶液混合,经搅拌、分散,配置,得到制膜液;
固化处理步骤,将所述制膜液复合到成膜支撑体的表面得到预处理膜,经干燥处理,使所述预处理膜固化后,制得混合基质膜。
2.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在多元杂化体系溶液配置步骤中:
所述有机大分子为乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚二甲基硅氧烷中的任一种或任意两种。
3.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在多元杂化体系溶液配置步骤中:
所述无机填料为NaY沸石、NaX沸石、ZSM沸石、丝光沸石、SAPO沸石或硅沸石中的任一种或任意两种。
4.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在多元杂化体系溶液配置步骤中:
所述无机填料的粒径为0.01~100μm;
所述有机大分子与无机填料质量比为0.1~1.2:1。
5.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,所述溶剂为正丁醇、乙醇、乙酸或二氯乙烷中的任一种。
6.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在基体溶液配置步骤中:
所述聚醚嵌段酰胺为Pebax1074、Pebax1657、Pebax5533、Pebax4033、Pebax3533、Pebax63R53或Pebax6333中的任一种。
7.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在所述制膜液配置步骤中:
多元杂化体系溶液的质量浓度为2~12%,所述基体溶液的质量浓度为2~12%,多元杂化体系溶液与所述基体溶液间质量比为0.1~1.2:1。
8.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在所述固化处理步骤中:
干燥温度为30~150℃,干燥时间为2~24小时。
9.根据权利要求1所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在所述固化处理步骤中:
所述成膜支撑体为无纺布、铁丝网、聚砜滤膜、玻璃板或塑料板中的任一种。
10.根据权利要求1至9任一项所述的利用多元杂化体系制备混合基质膜的方法,其特征在于,在CO2/N2体系的气体分离性能测试中,所述混合基质膜对CO2气体的选择性为29~196。
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2022
- 2022-12-20 CN CN202211642891.1A patent/CN115814623B/zh active Active
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