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论文题目复合工艺对轻质木塑复合材料性能的影响学院材料工程学院专业年级材料科学与工程20XX级学号姓名指导教师、职称XXX教授20XX年XX月XX日INFLUENCEOFCOMPOUNDTECHNOLOGYONPROPERTIESOFLIGHTWEIGHTWOODPLASTICCOMPOSITESMATERIALSCOLLEGEMATERIALENGINEERINGCOLLEGESPECIALTYANDGRADEMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING,20XXNUMBERNAMEADVISORPROFESSORXXXSUBMITTEDTIMEXXXX,20XX目录摘要1关键词1ABSTRACT2KEYWORDS21引言311国内外研究现状312研究内容及意义42试验原料与试验方法421试验原料4211材料4212仪器422试验方法5221确定复合工艺因子因子5222试验方案设计6223具体实验步骤63结果与讨论1031试验结果10311复合工艺对内结合强度的影响分析10312复合工艺的含水率的影响分析11313复合工艺对吸水厚度膨胀率的影响分析12314复合工艺对静曲强度的影响分析134结论1441结论1442存在的问题与建议14参考文献16致谢17摘要本文利用木纤维与聚苯乙烯制备复合材料,分析热压时间、热压温度、塑料配比等工艺因子对复合材料性能的影响,确定制得最佳材料性能的复合工艺条件。结果表明,当温度为140、热压时间为7MIN、塑木质量比为03时,所得复合板的各项性能最佳。温度较高时,木纤维降解加剧,塑料熔融,性能反而有所下降。热压时间过短时,木材发泡不充分,内结合强度较差;木塑比为103时效果最好,内结合强度低,吸水膨胀率高,塑料含量高时,静曲强度低。通过极差分析得,本研究的最佳工艺条件为热压温度为140,热压时间为7分钟,木塑比为103。关键词木纤维;可发性聚苯乙烯;复合工艺ABSTRACTTHEINFLUENCEOFTHEPROCESSFACTORSONTHEPHYSICALPROPERTIESOFWOODPLASTICCOMPOSITESWASINVESTIGATEDPOLYSTYRENEANDXYLEMFIBERWEREUSEDASTHEMAINRAWMATERIAL,ANDTHEVARIOUSPROCESSFACTORSSUCHASDIFFERENTKINDSOFPLASTICS,THEMIXINGRATIOBETWEENTHEWOODMATERIALANDITSPLASTICCOUNTERPARTANDHOTPRESSINGTEMPERATURE,WEREEXAMINEDTHERESULTSSHOWTHATWHENTHETEMPERATUREIS140,HOTPRESSINGTIMEWAS7MIN,WPCMASSRATIOOF03,MADETHEBESTPERFORMANCEOFCOMPOSITEPANELSATEXTREMELYHIGHTEMPERATURETHEWOODFIBERMATERIALDEGRADESDRASTICALLYANDPLASTICMELTINGTHEMIXINGRATIOBETWEENWOODANDPLASTICSHASITSBESTPERFORMANCEATTENTOONEWOODPLASTICSRATIOINTERNALBONDSTRENGTHDECREASEANDHIGHWATEREXPANSIONWHENTHEWOODPLASTICRATIOISLOWERANDPROPERTIESOFMORAREWEAKENEDWHENITBECOMESHIGHERBASEDONBOTHOFTHEMAXIMUMDIFFERENCEANALYSIS,THETESTSHOWSTHEOPTIMUMCONDITIONSFORWOODPLASTICSCOMPOSITESTOBEAHOTPRESSINGTEMPERATUREOF190,AHOTPRESSINGTIMEOF7MINANDAWOODPLASTICRATIOOF103KEYWORDSXYLEMFIBER,EXPANDABLEPOLYSTYRENE,COMPOUNDTECHNOLOGY1引言木塑复合材料是当前木材科学与技术研究中十分重要的研究方向。该材料以木材为基本体,以塑料为功能体,通过不同的复合途径形成木塑复合材料。由于它综合了木材与塑料两种材料的性能特点,因而具有非常广泛的应用前景。木塑符合材料具有比单独的木质材料或塑料产品更优异的性质,是木材的理想替代品,它的出现可以减少废弃木材和塑料对城市环境的污染,也适应现代材料复合化的发展规律。如何利用合适材质的木材加工余物和合适的塑料作为基体来得到性能优良的轻质木塑复合材料成为这一领域研究的关键,而准确地确定各种影响复合性能的复合工艺因子则是关键中的关键。本文我们选定了木纤维和可发泡性的聚苯乙烯作为原料进行复合,在复合过程中可能会影响复合材料性能的因子主要有复合添加剂(酚醛树脂胶)、复合温度、复合时间、原料配比,在试验中我们利用正交试验法确定达到最佳产品性能的复合工艺影响因子,通过对复合板力学性能、吸水能力等的测试结果进行直接分析、计算分析和综合分析来确定各影响因子的最佳值。11国内外研究现状木塑复合材料是以木材为主要原料,经过适当的处理使其与各种塑料通过不同的复合途径生成的高性能、高附加值的绿色环保复合材料。木塑复合材料主要分为实木改性木塑复合材料和木质纤维与塑料复合材料。前者的研究始于上世纪60年代,当时采用的方法是使各种塑料单体通过常压或真空擒住的方式进入木材细胞强。然后用射线引发聚合,使塑料单体在木材细胞腔内聚合形成成高分子材料。后者则是在上世纪70年代发展起来的新型复合技术,最初是将木粉作为一种填料加入到苏来哦中用于改善制品的性能,降低塑料制品的价格。到了80年代,在拇指材料组员形态方面出木粉外,各种不同的组员形态如单板、大片刨花、细刨花、木纤维都以进入与塑料复合的范畴。在复合途径和技术方面,出了传统的塑料加工技术外,其他技术如无纺织、人造板加工等也都成为木塑复合材料复合的重要技术手段。为得到最佳的影响因子相关数据,国内外木塑复合行业对木塑复合材料的影响因子做了大量的研究工作。研究工作。其研究的主要方法是利用正交法进行分析研究得出各种影响因子的最佳值。国内在木塑复合工艺因子方面的研究成果主要有王正等选用2种人工林木材马尾松与杨木和3种废弃塑料聚乙烯、聚丙烯及聚苯乙烯为原料,采用木材与塑料冷混热压工艺,通过正交试验研究不同树种、木材组元形态、补强剂、塑料种类、板材密度及不同木塑混合比等复合工艺因子对木塑复合材料性能的影响。郭文静等选用线性低密度聚乙烯LLDPE、聚丙烯PP、聚苯乙烯PS为原料,以2种比率与木纤维复合,用热压法制备了3种木塑复合材料,分析了塑料种类对复合材料的物理力学性能的影响,结果表明LLDPE与木纤维的复合性能最好,其复合材料的抗冲击性好,但弯曲强度和弹性模量最低PS与木纤维的复合性最差,其复合材料抗冲击性很差,但弯曲强度和弯曲弹性模量高木纤维与PP复合材料的综合性能最佳。由此提出用LLDPE与PS共混改性制造木/塑复合材料的设想;毕克新等利用林木剩余物开发复合型木质纤维保温材料研究;国外在木塑复合方面的研究比较早。日本在木质纤维与聚苯乙烯泡沫复合、刨花与硬质发泡聚氨酯复合等方面的研究有较大进展美国林务局林产品研究所也使用铁杉纤维与聚氨酯、聚苯乙烯等泡沫塑料复合,研制出一系列木质纤维复合保温材料,用于建筑、化工和电厂等领域的保温。12研究内容及意义本课题主要研究热压温度、热压时间、原料配比等复合工艺对轻质木塑复合材料的内结合强度、吸水厚度膨胀率、含水率、静曲强度等性能的影响,以此来确定木塑复合材料最佳的复合工艺。在对各个影响因子做分析时,本实验采用正交设计法,通过计算所得实验数据的均值和极差分析出最佳的实验方案,并据此分析各个因素对各个性能的影响大小。通过本次实验,研究出最佳的复合工艺,根据各个因子对性能影响的大小,有选择性、有针对性地改善复合工艺,从而获得性能更加优异全面的产品,降低成本,提高生产效益。2试验原料与试验方法21试验原料211材料木材木纤维,XX木业有限公司;塑料可发性聚苯乙烯,由XX化学工业股份有限公司提供添加剂酚醛树脂胶,固含量为40;212仪器试验的仪器设备参见表21。表21试验设备TABLE21THEEQUIPMENTSUSEDINTHEEXPERIMENT仪器名称型号/量程生产厂家电热恒温鼓风干燥箱DHG9623A型上海精密实验设备有限公司卧室和面机SM15广东南海涛力食品机械厂试验热压机QD100上海人造板机器厂空压机ZD12/8福建省泉州市力达机械有限公司22试验方法221确定复合工艺因子因子本实验的复合工艺因子主要有原料的配比、成型温度、热压压力、时间、胶黏剂等,着重选定成型温度、施胶量、时间和原料配比进行实验研究。热压温度热压温度的选择主要是根据塑料的熔融温度与木质纤维的降解温度而定,一般来说所选的热压温度高于塑料的熔融温度,低于材的降解温度。本实验选用(16030)。木纤维与聚苯乙烯的配比木塑复合板的最终密度取决于两种原料的配比,本次实验选取的木纤维与聚苯乙烯塑料的质量比为101、102和103。其中实验用到的木纤维其含水率为6。热压时间依据压制板材厚度及达到板材目标密度传热速度,同时考虑塑料的流展,本实验选取的热压为5MIN、6MIN、7MIN。胶黏剂其具体用量Z设定为纤维质量X的12,在本次实验中我们用到的胶是液态的酚醛树脂胶,其固含量为40。此次实验我们要复合的是轻质的木塑复合板,要求其理论密度06G/CM,其长宽高分别为35CM、35CM、1CM。由此我们根据公式M(板)XYZ10353506/108式(1)其中X为纤维的计算用量,Y为可发性聚苯乙烯的质量,Z为酚醛树脂胶的用量以上为计算用量,其实际质量木纤维XX(16)液态胶Z(X12)/40在确定了工艺因子之后,对每个工艺因子选取三个个水平(见表22)表22轻质木塑复合板工艺因子水平TABLE22VARIABLEFACTORSANDLEVELSFORLIGHTWEIGHTWOODPLASTICCOMPOSITES水平因子123热压时间5MIN6MIN7MIN热压温度140150160木纤维/聚苯乙烯101102103222试验方案设计在基本复合条件选定之后,如何确定出轻质木塑复合材料最佳复合工艺,将根据这些因子对复合材料性能影响的显著性来检验确定。这里我们采用正交试验法。因子及水品的设计见下表23。表23轻质木塑复合材料的正交试验设计TABLE23THEEXPERIMENTDESIGNOFTHELIGHTWEIGHTPLASTICWOODFIBERCOMPOSITES试验号热压温度/(A)塑料纤维(B)热压时间/MINMM1C空白11(140)1(01)15001212(02)26002313(03)3700342(150)123522316231273(160)1328321393321其他不变的因子如下热压压力为1MPA,设计目标密度为06G/CM;板材厚度1CM,板材幅面35CM35CM。223实验步骤(1)分别称取定量的木纤维、可发性聚苯乙烯、酚醛树脂胶,将木纤维放入搅拌机中进行搅拌,同时用喷枪往搅拌机中进行雾化喷胶施胶混匀,确保施胶的均匀。混匀后将喷完胶的木纤维放入模具中分均匀地添加可发性聚苯乙烯颗粒,压实,放入热压机进行加压处理,一段时间后取出冷却,加载固定。如此重复9次,得到9块复合板,按序19编号备用。被测试板材在室温条件下停放24H裁制性能测试试件。(2)将复合得到的19板进行切割,将每块板切割成8个幅面为50MM50MM方形小块和三个长方形小块等,同时进行编号如11、12、13,以此类推,分装备用。3含水率测定其原理是确定时间在干燥前后质量之差与干燥后质量之比。选取19号板中的地7、8号测试试件,用感量为001G的天平测定质量M0并记录。将称完质量的试件放入温度设定为105的恒温空气对流干燥箱中烘干(恒定灵敏度1),并开始计时。3H之后取出试件立即置于干燥器内,同时进行质量测定M1,测完在放入烘干。第4、5、6小时重复之前步骤,记录质量M2、M3、M4,如此至前后测定质量基本恒定(前后两次称量所得的含水率小于01),所得的最后质量即视为干燥后的质量M。结果表示试件的含水率按式(2)计算,精确至01。10MH40式中H试件的含水率,;M0试件干燥前的质量,GM4试件干燥后的质量,G。一张版的含水率是同一张板内全部试件含水率的算术平均值,精确至01。(4)2H吸水厚度膨胀率测定其原理是确定试件吸水后厚度的增加量与吸水钱厚度之比。选取19号板的4、5、6号测试试件,用千分尺测量试件中心点厚度H1(见图21,测量点在试件对角线的交点处,或取对角线上靠近中心点的一个点测量,做上标记)并记录。图21试件尺寸示意图FIG21SCHEMATICDIAGRAMOFSPECIMENSIZE将试件浸于PH值为7士1,温度为20士2的水槽中,试件垂直于水平面并保持水面高于试件上表面。2H之后取出试件,擦去表面附水,在原测量点测其厚度H2,测量工作在30MIN内完成。结果表示试件的吸水厚度膨胀率按式(3)计算,精确至01。式中T吸水厚度膨胀率,;H1浸水前试件的厚度,MM;H2浸水后试件的厚度,MM。一张板的吸水厚度膨胀率是同一张板内全部试件吸水厚度膨胀率的算术平均值,精确至01。(5)内结合强度的测定确定垂直于试件表面的最大破坏拉力和试件面积之比。选取19号板中的13号测试试件,用游标卡尺在试件的长度、宽度中心线处测量每块测试试件的长L和宽B,记录数据。用聚乙酸乙烯醋乳胶或热熔胶等胶粘剂,按图22将试件和卡头粘结在一起,并再次放置在(202)、相对湿度65士5条件下,待胶接牢固后进行检测。图22内结合强度测定示意图FIG22SCHEMATICDIAGRAMOFTHEINTERNALBONDSTRENGTHDETERMINATION测试时均匀地加载,从加荷开始在(6030)S内使试件破坏,记下最大载荷值,精确至10N。结果表示试件内结合强度按式(4)计算,精确至001MPA。式(4)BLPMAX式中试件内结合强度,MPA;试件破坏时的最大载荷,N;MAXPL试件长度,MMB试件宽度,MM。(5)静曲强度与弹性模量测定其原理是静曲强度是确定试件在最大载荷作用时的弯矩和抗弯截面模量之比弹性模量是确定试件在材料的弹性极限范围内,载荷产生的应力与应变之比。选取13号长条形测试试件,用游标卡尺和千分尺分别测量试件的宽度和厚度见41宽度在试件长边中心处测量厚度在试件长边中心距边10MM处,每边各测一点,计算时采用两点算术平均值,精确至001MM,记录数据。调节木材万能力学实验及的两支座跨距为150MM,按下图测量静曲强度和弹性模量。其中加荷辊轴应确保与支撑辊轴平行。试验时加荷辊轴线与试件长轴中心线垂直,均匀加载,从加荷开始在60士30。内使试件破坏,与此同时,测定试件中部加荷辊正下方挠度和相应的载荷值,绘制载荷一挠度曲线图。记下最大载荷值,精确至10N。图23静曲强度和弹性模量测试示意图FIGURE23THESCHEMEOFMODULUSOFRUPTUREMEASUREMENT结果表示试件的静曲强度按式43计算,精确至01MPA。B(3PMAXL)(2BH2)式中B试件的静曲强度,MPA;PMAX试件破坏时最大载荷,N;L两支座间距离,MM;B试件宽度,MM;H试件厚度,MM;3结果与讨论31试验结果311复合工艺对内结合强度的影响分析表31复合工艺对内结合强度的影响正交分析TABLE31ORTHOGONALANALYSISOFINFLUENCEOFCOMPOUNDTECHNOLOGYONINTERNALBONDSTRENGTH试验号热压温度/热压时间/MIN塑料纤维质量比空白实验结果/(MPA)实验11(140)1(5)1(01)1015实验212(6)2(02)2027实验313(7)3(03)3034实验42(150)123032实验52231027实验62312018实验73(160)132037实验83213032实验93321043均值1025028022028均值2026029034027均值3037032033033极差012004012005复合工艺对内结合强度的影响001020304123内结合强度水平温度时间质量比根据实验结果的极差分析,这三个因素中热压温度对木塑复合板内结合强度的影响最大,略大于木塑配比对实验结果的影响,影响作用依次为热压温度塑料纤维质量比热压时间。根据正交设计分析结果,得出轻质木塑复合板的最佳复合工艺为A3B3C2,即热压温度为160,热压时间为7MIN,塑料纤维质量比为210,其内结合强度为04266MPA。热压温度对木塑复合板内结合强度的影响由表31可看出热压温度对板的内结合强度应先显著,随着热压温度的升高,木塑复合板的内结合强度逐步提高。这可能是因为温度的提高更有利于塑料的发泡,使木纤维和塑料更好地复合,从而提高板的强度。塑料纤维配比对木塑复合板内结合强度的影响由表31可看出随着塑木比由01提高到02内结合强度由0219MPA升高到0336MPA,当塑木质量比继续提高时内结合强度略微下降,这可能是由于塑料含量增加时,与木材纤维的结合点增加造成的,当塑木质量比继续提高时由于发泡塑料的结合强度较低从而影响整体的强度,不过在这一配比范围内影响较小。热压时间对木塑复合板内结合强度的影响由表31可看出热压时间对内结合强度的影响不大,这可能是由于在热压时间达到5MIN钟时,塑料的发泡已基本完成。312复合工艺的含水率的影响分析32不同复合工艺对含水率的影响TABLE32ORTHOGONALANALYSISOFINFLUENCEOFCOMPOUNDTECHNOLOGYONWATERRATIO试验号热压温度/热压时间/MIN塑料纤维质量比空白实验结果/实验11(140)1(5)1(01)187实验212(6)2(02)279实验313(7)3(03)372实验42(150)12381实验5223171实验6231281实验73(160)13274实验8321375实验9332169均值179818176均值278757678均值373747276极差06070902根据实验结果的极差分析,这三个因素中塑木质量比对板的含水率影响最大,影响作用依次为塑木质量比热压时间热压温度。根据正交设计分析结果,得出轻质木塑复合板的最佳复合工艺为A3B3C2,即热压温度为160,热压时间为7MIN,塑木质量比为02。,在此条件下得到的复合板的含水率为69。塑木质量比对板的含水率的影响由表34可知,随着塑木质量比的提高所得板的含水率呈下降趋势。这是由于木纤维间隙被塑料分子更多地填充,且塑料具有疏水性,所以随着塑料含量的增大,所得板的含水率就相应地下降了。热压时间对复合板含水率的影响由表43可知,热压时间对复合板的含水率影响较为显著。这是由于热压时间越长板内的水分蒸发量越大。热压温度对复合板含水率的影响由表43可知,热压温度对复合板的含水率有一定的影响(略小于热压时间的影响),随着热压温度的升高,所得板的含水率下降了。这是由于温度越高,水分的蒸发作用越显著,从而所得板的含水率也相应下降。313复合工艺对吸水厚度膨胀率的影响分析表33不同复合工艺对吸水膨胀率的影响TABLE33ORTHOGONALANALYSISOFINFLUENCEOFCOMPOUNDTECHNOLOGYONWATEREXPANSION6668772747678882123水平板的含水率温度时间质量比试验号热压温度/热压时间/MIN塑料纤维质量比空白实验结果/实验11(140)1(5)1(01)1177实验212(6)2(02)275实验313(7)3(03)321实验42(150)12363实验5223180实验6231275实验73(160)132109实验8321374实验9332194均值191116109117均值273767786均值392637053极差20533964根据试验结果的极差分析结果得出,这三个因素中热压时间对轻质木塑复合板的吸水膨胀率影响最大,影响作用依次为热压时间塑料纤维质量比热压温度。根据正交设计分析结果,得出的轻质木塑复合板的最佳工艺为A2B3C3,即热压温度为150,热压时间为7MIN,塑料纤维质量比为03。热压时间对轻质木塑复合板吸水膨胀率的影响由表33可看出,热压时间对复合板的吸水膨胀率有显著的影响,随着热压时间的增加,板的吸水膨胀率显著下降,其原因初步分析可能为随着热压时间的增加,聚苯乙烯的发泡越充分,与木纤维的结合越好,复合工艺对吸水膨胀率的影响02468101214123吸水膨胀率/水平温度时间质量比从而吸水膨胀率随之变小。塑料纤维质量比对轻质木塑复合材料吸水膨胀率的影响由表33可看出,塑料纤维质量比对板的吸水膨胀率有显著影响,板的吸水膨胀率随着塑料比例的增加而明显降低。分析其原因为塑料含量增加时,进入木纤维细胞腔空隙部分的塑料分子增加,防水性能相应的增加。热压温度对轻质木塑复合板吸水膨胀率的影响由表33可看出,热压温度对复合板的吸水膨胀率有一定的影响,其结果呈先降后升变化,其原因可能为热压温度在140时聚苯乙烯颗粒发泡程度不够,粒径较小从而导致木纤维间的空隙较大,而150时聚苯乙烯发泡达到粒径最大程度,较好地填充了木纤维空隙,所以150条件下的吸水膨胀率小于140时吸水膨胀率。而当热压温度升高到160时,聚苯乙烯颗粒熔融收缩,又使木纤维间的空隙变大,这样所得到的板的吸水膨胀率也相应地升高。314复合工艺对静曲强度的影响分析表34不同复合工艺对静曲强度的影响分析表TABLE34ORTHOGONALANALYSISOFINFLUENCEOFCOMPOUNDTECHNOLOGYONMOR试验号热压温度热压时间塑料纤维质量比空白实验结果/MPA实验11(140)1(5)1(01)149实验212(6)2(02)2199实验313(7)3(03)3176实验42(150)123174实验52231180实验62312101实验73(160)132186实验83213181实验93321165均值1141136110131均值2152187179162均值3177147181177极差36507046复合工艺对静曲强度的影响05101520123水平静曲强度温度时间质量比根据试验结果的极差分析得出,这三个因素对轻质木塑复合板的静曲强度影响最大的是塑料纤维质量比,影响作用依次为塑料纤维质量比热压时间热压温度。根据正交设计分析结果,得出轻质木塑复合板的最佳复合工艺为A1B2C2,即热压温度为140,热压时间为6MIN,塑料纤维质量比为02。按此最佳复合工艺制得的静曲强度为199MPA。塑料纤维质量比对轻质木塑复合板静曲强度的影响由表34可看出,塑木质量比对板静曲强度的影响非常大,当塑木质量比由01升到03时板的静曲强度呈先升后降规律。这主要是由于塑木质量比为01时木塑的分、散性不够好,而当塑木质量比为02时木塑的分散性达到一个较佳值,所以此条件下的板的静曲轻度比配比为01时的好,而当塑木质量比为03时则由于塑料的含量偏高其自由强度不够,整体效果上讲复合板的静曲强度就较塑木质量比为02时的强度低。热压温度对轻质木塑复合板静曲强度的影响由表34可知,温度对板的静曲强度有一定的影响。随着温度的升高,板的静曲强度逐渐升高,但增幅变小,主要原因可能是由于在温度升高的时候,聚苯乙烯发泡程度更好,与木纤维的结合也更好,但若温度进一步升高,则会因为塑料的降解而再导致强度的降低。4结论41结论在研究制造轻质木塑复合板的中,热压温度、热压时间、塑木质量配比等工艺因子均对复合板材的性能有不同程度的影响。在复合材料内结合强度性能方面,木塑配比、热压温度影响都非常显著,而热压时间的影响较为不明显;在复合材料含水率和吸水膨胀率方面,塑木质量比、热压时间、热压温度都有比较显著的影响;在复合材料静曲强度方面,热压时间和原料配比的影响都非常显著,热压温度的影响相较而言则较弱些。综上所述,当采用正交设计中的试验3A1B3C3即热压温度采用140、热压时间为7MIN、塑料纤维质量比为03时,板材的各项指标达到(或接近)最佳值。当木塑质量比为103、时间为7MIN制成的板材性能较其他条件制成的好。42存在的问题与建议在此次复合工艺对轻质木塑复合板影响的研究中存在以下几个主要问题1由于条件限制,在进行木纤维和塑料进行混合时主要利用手工操作,导致混合不均匀,局部塑料过度或过少,在发泡后致使板的强度局部过高或过低;(2)在测板的含水率时,在取出测试板称量时操作不够迅速会导致吸水,影响试验结果。所以在从烘箱取出称量时,可先将待称量板材立即置于干燥器中,再逐个取出进行称量;(3)板在热压前在上下板上涂有石蜡,致使在压出的板材上下表面附有一层石蜡层,由此影响吸水膨胀率的测量值。所以在涂石蜡防粘板

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