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文檔簡介
1、傅里葉變換紅外光譜在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用 劉和文劉和文 n參考書目: 高分子結(jié)構(gòu)研究中的光譜方法 薛奇 編著 高等教育出版社 一、樣品處理技術(shù)n溶液測量n薄膜法n顯微切片n懸浮法n鹵化物壓片法n微量分析中的金剛石采樣技術(shù)n甲基三甲基硅氧烷水溶液(2.5%)減去水后的差減譜(a)含DMF溶劑的丙烯腈-丙烯酸甲酯共聚物薄膜的紅外光譜(b)用甲醇對上述樣品萃取后的紅外光譜1656, 酰胺-I帶n單絲纖維(=20m)金剛石池紅外光譜n金剛石池:研究光譜隨壓力變化二、計算機技術(shù)在高分子紅外光譜中的應(yīng)用1、差減光譜技術(shù)(1)高聚物產(chǎn)品中添加劑的鑒定(2)端基分析(3)高聚物的氧化及降解反應(yīng)的研究(4)分
2、子間的相互作用(a)增塑后的聚氯乙烯的紅外光譜 (c)液態(tài)鄰苯二甲酸二辛脂增塑劑的紅外光譜(b)未加增塑劑的聚氯乙烯的紅外光譜 (d)(a)-(b)差減譜用FTIR差減譜測定聚氯乙烯中甲基官能團(tuán)的含量(a)低密度聚乙烯膜的IR譜(b)高密度聚氯乙烯的IR譜(c)差減譜(a)-(b)2、光譜分峰技術(shù)(a)聚丙烯的1160cm-1譜帶中的三個組分 (b)聚丁二烯的668cm-1譜帶中的四個組分(c)尼龍1010的1007cm-1譜帶中的四個組分 (d)聚對苯二甲酸乙二醇脂的1023cm-1譜帶 中的三個組分3、定量分析n原理原理當(dāng)光通過某一均勻吸收介質(zhì)時,如果光前進(jìn)了微小距離db,其能量的減少dI
3、是和光在這點的總能量I成正比,即 -dI/db=kI這個微分方程的解為: I=I0e-kb或 T=I/I0=e-kb如果寫成對數(shù)形式,則為: A=lg1/T=lgI/I0=kb其中A為吸光度;I0和I分別表示入射光和透射光的強度;T=I/I0稱為透射比;b為樣品的厚度,單位為cm,k為吸收系數(shù),單位為cm-1。上式稱為Lambert定律,也稱為Beer定律。高聚物樣品表界面結(jié)構(gòu)分析方法n透射光譜與光譜差減n衰減全反射(ATR)n漫反射紅外光譜(DRS)n反射吸收光譜(RAS)n傅里葉變換紅外光聲光譜衰減全反射光譜(ATR)原理原理紅外輻射經(jīng)棱鏡投射到樣品表面,當(dāng)光的入射角比臨界 c大時,光線完
4、全被反射,產(chǎn)生全反射現(xiàn)象,這里棱鏡材料的折射n1大于樣品折射率n2。實際上,光線并不是在樣品表面被直接反射回來,而是貫穿到樣品表面內(nèi)一定深度后,再返回表面。如果樣品在入射光的頻率范圍內(nèi)有吸收,則反射光的強度在被吸收的頻率位置減弱,因而就產(chǎn)生和普通透射吸收相似的現(xiàn)象,所得光譜就稱為內(nèi)反射光譜。內(nèi)反射光譜中譜帶的強度取決于樣品本身的吸收性質(zhì)以及光線再樣品表面的反射次數(shù)和穿透倒樣品內(nèi)的距離,穿透越深,吸收越強。穿透深度dp定義為光的電場強度下降到表面值的e-1時所穿透的距離。ATR的應(yīng)用 (a)光學(xué)常數(shù)的確定:樣品的折射率n2:可直接用ATR技術(shù)來測定。即用不同的入射角測定光譜,從ATR譜上發(fā)現(xiàn)c,
5、再用sinc=n2/n1 計算出n2.如左圖,為聚丙烯再KRS-5上的ATR譜。由圖可見,當(dāng)入射角由40.0 變?yōu)?9.6時,正常的吸收譜帶變?yōu)檎酃庵笖?shù)發(fā)散的光譜,譜帶的輪廓發(fā)生了畸變,因而可判定c在40.0-39.6之間,從而可以算出聚丙烯的折射率為1.517。同樣,用ATR技術(shù)可以測量液體光學(xué)常數(shù)。聚酰亞胺薄膜的透射及ATR光譜:(a)透射光譜(b),(c)薄膜兩面的ATR光譜(b)高聚物表面結(jié)構(gòu)分析把透射法和內(nèi)反射法結(jié)合起來,可以分別了解樣品本體和表面的結(jié)構(gòu)。左圖是聚酰亞胺的ATR光譜。從(a)曲線可以看出薄膜的主要成分是由均苯四酸酐和4,4-二胺基二苯醚縮聚的聚酰亞胺。從樣品正反兩面的
6、ATR光譜可以清楚地看出,一面是純的聚酰亞胺(b),只是其中位于3000cm-1譜帶強度有些不同。這是因為光線在短波長處穿透深度較淺的原因。在薄膜另一側(cè)表面上又薄的聚四氟乙烯涂層(c)。 ATR譜與透射譜還可用來研究高分子在應(yīng)力作用下受破壞的程度和機理。左圖為聚乙烯在真空狀態(tài)下受196MPa應(yīng)力6h后的紅外ATR(實線)及透射(虛線)光譜圖。圖中890和910cm-1兩條譜帶分別屬于所示結(jié)構(gòu)的CH2端基震動。這些官能團(tuán)是聚乙烯受應(yīng)力后部分鏈?zhǔn)芷茐漠a(chǎn)生的。比較ATR譜和吸收譜,可以清楚的看出受破壞后產(chǎn)生的烯端基主要幾種與聚乙烯膜的表面。聚乙烯薄膜再中空下受196MPa應(yīng)力6h后的光譜:實線:AT
7、R譜虛線:吸收譜CCH2CH2CH2H2CCHCH2n(c)表面吸附研究 用ATR研究聚合物表面吸附物有三種方法:(1)吸附材料預(yù)先與被吸附物平衡,然后將吸附材料表面與晶體板接觸,從光譜上確定被吸附物的結(jié)構(gòu)及其與吸附材料之間的相互作用; (2)吸附材料在晶體板上成一薄膜,其厚度dP,外面是流動的成靜止?fàn)顟B(tài)的被吸附物溶液,進(jìn)行平衡或現(xiàn)場測量; (3)用吸附材料做成品體板,處于靜止或流動的被吸附環(huán)境中,進(jìn)行測量。傅里葉變換紅外光聲光譜n原理原理 當(dāng)樣品被周期性調(diào)制光照射時,如果對某波長有吸收,就從振動能級的基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),當(dāng)其從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時,能量以熱的形式被釋放出來。由于入射光是周期性的調(diào)制
8、光,所以樣品的放熱也是周期性的,造成了樣品池中氣體介質(zhì)周期性的擾動,產(chǎn)生“聲音”,由一高靈敏的“耳機”檢測出來,轉(zhuǎn)化為光譜信號。這就是光聲光譜(Photoacoustic Spectroscopy, PAS).光聲光譜在聚合物結(jié)構(gòu)研究中應(yīng)用(a)表面結(jié)構(gòu):織物纖維通常經(jīng)表面化學(xué)處理改良。Fateley等人用光聲光譜來檢測表面處理刑的光譜信號。左圖為PET及表面處理后的PET纖維的光聲光譜,二者幾乎沒有區(qū)別??磥砗茈y用這一光譜技術(shù)來檢測PFT的表面處理劑,因為積聚在PET表面上的處理劑數(shù)量很少,而且處理劑的紅外譜圖與PET極為相似。通過仔細(xì)檢查PET及處理劑的譜圖,發(fā)現(xiàn)兩者的主要區(qū)別在于:在處理
9、劑的譜圖上有一強烈的CH伸縮振動吸收峰(2880cm-1)。在表面處理后的PET光譜上,該譜帶很弱,但隨著調(diào)制頻率提高后,逐步增強。 紅外光聲光譜(A)未經(jīng)表面處理的PET(B)表面化學(xué)處理后的PET(A-D)各種光學(xué)速度下測得的表面處理后PET光聲光譜:(A)0.235cm.s-1,(B)0.395cm.s-1 (C)0.665cm.s-1,(D)1.119cm.s-1,(E)表面處理劑的光聲光譜風(fēng)蝕后的PVC光聲光譜,測定的光學(xué)速度:(A)0.235cm.s-1,(B)0.395cm.s-1(C)0.665cm.s-1(b)表面取向上圖:PET的光聲光譜下圖:PET的ATR譜(入射光偏振方
10、向均于拉伸方向平行,得到Kx值)上圖:PET的光聲光譜下圖:PET的ATR譜(入射光偏振方向均于拉伸方向垂直,得到Ky值)SiO2表面的光聲光譜(A)用氦氣作樣品的介質(zhì)(B)用氙氣置換氦氣(C)再用氦氣置換氙氣 (C)表面吸附物分子排列方向:Koenig發(fā)現(xiàn)樣品周圍氣體的極化難易程度對表面吸附物的光聲光譜譜帶的相對強度有明顯的影響,從而可推導(dǎo)出表面吸附分子的取向。先用難極化氦氣作介質(zhì),測定了Si02表面的光聲光譜,如左圖(A)所示。再用易極化的氮氣置換氦氣,得到光聲光譜如(B)。兩個光譜圖都顯示了SIO2的特征譜帶:812和1112cm-1譜帶。(B)中顯示了較為強烈的CO的振動譜帶,但(B)
11、的3745cm-1的水的振動吸收較(A)為弱。若再用氦氣置換氮氣,譜圖(C),幾乎與(A)完全一致。氙氣為易極化氣體,吸附在固體樣品表面,使平行于表面的振動躍遷矩的譜帶明顯增強,而便與表面垂直的振帶減弱。從而推導(dǎo)出SiO2表面吸收的水分子及CO分子的排列方式, 見下頁圖。 SiO2表面吸附的水以及C=O的排列方式五、FTIR在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用n1、高分子光譜的分離方法n改變聚合溫度分離出結(jié)構(gòu)缺陷光譜n改變樣品退火條件分離出構(gòu)象光譜n通過改變測試溫度分離構(gòu)象光譜n改變外壓分離構(gòu)象光譜nFTIR研究中的同位素置換法紅外光譜:(a)-20時聚合的氯丁橡膠(b)-40時聚合的氯丁橡膠改變聚合溫度
12、分離出結(jié)構(gòu)缺陷光譜改變聚合溫度分離出結(jié)構(gòu)缺陷光譜:在高分子某種主要結(jié)構(gòu)形態(tài)之中,可能存在少量的不規(guī)則結(jié)構(gòu),或稱結(jié)構(gòu)缺陷??梢杂貌顪p法消除主結(jié)構(gòu)光譜的干擾,得到不規(guī)則結(jié)構(gòu)的紅外光譜。如左圖,氯丁橡膠的主要結(jié)構(gòu)是反式1,4結(jié)構(gòu),但也存在少量的順式1,4;1,2和3,4結(jié)構(gòu)。這部分不規(guī)則結(jié)構(gòu)的含量隨聚合溫度而改變。Coleman等人分別測定了在-20及-40聚合的氯丁橡膠的光譜,然后再進(jìn)行光譜差減,得到不規(guī)則結(jié)構(gòu)的光譜。(a)和(b)分別為-20及-40聚合的紅外光譜,(b-a)為差減光譜。反式1,4結(jié)構(gòu)的主要特征譜帶為1660,1305,825cm-1譜帶。差減運算后,反式1,4結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)消除了,
13、得到的特征譜帶為1625,1285,11 05,850,690及645cm-1。這種定量運算方法可以檢測出氯丁橡膠反式1,4主結(jié)構(gòu)中存在的順式1,4結(jié)構(gòu)單元其含量為4。兩種無定形態(tài)PET的兩次差減譜改變樣品退火條件分離出構(gòu)象光譜:改變樣品退火條件分離出構(gòu)象光譜:大多數(shù)高聚物的化學(xué)鏈結(jié)構(gòu)都是較為簡單的重復(fù)單元的組合。但是高聚物在成型加工中經(jīng)歷了不同的受熱歷史,會引起構(gòu)象或者旋轉(zhuǎn)的異構(gòu)化,從而導(dǎo)致不同的物理性質(zhì)。將淬火和退火處理的聚合物光譜進(jìn)行差減,正的譜帶表示某種構(gòu)象的增加,負(fù)的表示減少。再與理論計算相對應(yīng),可得到構(gòu)象序列結(jié)構(gòu)的譜帶。有時,構(gòu)象之間微小的形態(tài)差別可以用兩次差減法進(jìn)行分離。例如PE
14、T的無定形態(tài)光譜可以通過淬火處理,再進(jìn)行光譜相減得到。但熔融態(tài)淬火及溶液澆鑄兩種方法得到的無定形態(tài)之間的差別,可用第二次差減法來識別。即將上述差減譜互相在差減。如左圖。兩次差減譜清楚的顯示出兩種無定形態(tài)構(gòu)象之間的區(qū)別。乙烯-丙烯酸共聚鈣離聚物在下列溫度下測試的紅外光譜:(a)室溫(b)40(c)70 (d)130 (e)150 通過改變測試溫度分離構(gòu)象光譜:通過改變測試溫度分離構(gòu)象光譜:FTIR常被用來測試高聚物構(gòu)象異構(gòu)體之間的能量差別,通過測試差示光譜,系統(tǒng)研究溫度引起的光譜差別。不同測試溫度下光譜差別可用來幫助確定鈣與鈣離聚體的結(jié)構(gòu)。左圖是完全離子話的乙烯-丙烯酸共聚物的鈣離聚體再各種溫度
15、下的紅外光譜。高溫下測得的IR譜再1515/1548cm-1出現(xiàn)雙峰,這是COO-官能團(tuán)對的相互作用引起的振動分裂。改變外壓分離構(gòu)象光譜:改變外壓分離構(gòu)象光譜:系統(tǒng)地改變構(gòu)象貢獻(xiàn)的另一個方法是改變外壓。用FTIR研究在外壓下聚氯乙烯的構(gòu)象狀態(tài)的變化,顯示高能態(tài)構(gòu)象被“凍結(jié)”在聚合物之中。PMMA在C-H伸縮振動區(qū)域的紅外吸收光譜(a)實驗測得的PMMA光譜,(b)計算機擬合的PMMA光譜:PMMA-CD2-CD2+PMMA-CD2-OCD3+PMMA-CD2+OCD3,(c)a-bFTIR研究中的同位素置換法:研究中的同位素置換法: 同位素置換法是辨認(rèn)聚合物分子振動光譜的有效手段。聚合物光譜譜
16、帶較寬,且常常交疊在一起,因而需要設(shè)法將互相疊合的譜帶分開。采用氘代取代物,可使譜帶頻率及強度發(fā)生顯著的變化。如果能制備選擇氘代的模擬聚合物樣品,例如氘代C-H類型,F(xiàn)TIR數(shù)據(jù)處理法可有助于譜帶的辨認(rèn)。Koenig等人有選擇地氘代PMMA,制得三種模擬聚合物,分別保留甲基、脂甲基和亞甲基官能團(tuán)沒有氘代,記作PMMA-CD2-OCD3,PMMA-CD2-CD3及PMMA-CD3-OCD3。測得的光譜可以有效地分離譜帶的重疊,從而辨認(rèn)出14種伸縮振動譜帶。左圖為實驗測得的PMMA在C-H伸縮振動區(qū)域的譜帶a,三種氘代光譜之和b及二者的差減譜c。可以看出,三種氘代光譜之和的擬合譜與PMMA實測光譜
17、是非常吻合的。2、FTIR光譜在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用實例n通過端基分析計算數(shù)均分子量n聚合固化過程的紅外分析n高分子的化學(xué)變化n共聚物結(jié)構(gòu)分析n立體構(gòu)型的測量n聚合物的構(gòu)象及結(jié)晶形態(tài)的測定n聚合物支化度的測定n聚合物共混的研究n聚合物的分子間作用兩種不同的分子量PBT紅外光譜通過端基分析計算數(shù)均分子量:通過端基分析計算數(shù)均分子量:如左圖,對苯二甲酸丁二醇脂(PBT)分子鏈兩端的端基是醇或酸,其相對分子量為 Mr=2/(E1+E2)式中E1和E2分別為醇和酸端基的物質(zhì)的量。(該公式假設(shè)樣品中不存在支鏈及其他端基官能團(tuán))-COH端基吸收譜帶在3535cm-1,而-COOH端基譜帶在3290cm-
18、1。FTIR可以方便的給出基線位置上各個譜帶的吸收強度。經(jīng)過測定,消光系數(shù)分別為aOH = 113+18(mol.cm)-1和aCOOH = 150+18(mol.cm)-1。計算得出的相對分子質(zhì)量同粘度法的結(jié)果相一致。FTIR光譜法的優(yōu)點再與它可以跟蹤PBT加工過程中相對分子質(zhì)量的變化。上圖為固化了83min后的環(huán)氧樹脂光譜;中圖為固化37min后的譜;下圖為差減譜聚合固化過程的紅外分析:聚合固化過程的紅外分析:例如環(huán)氧樹脂與環(huán)氧酸酐的共聚固化反應(yīng),通過檢測1858cm-1的酸酐的羰基譜帶的強度變化,測定反應(yīng)動力學(xué)。在這一體系中加入0.5%質(zhì)量的二胺促進(jìn)劑,在80度條件下固化。用紅外光譜測定
19、交聯(lián)度。如左圖,為不同的固化時間測得的光譜及他們的差減譜。在差減譜中,芳環(huán)在1511和1608cm-1的吸收被抵消了,基線上方的譜帶代表反應(yīng)過程中消失的酸酐及環(huán)氧官能團(tuán)。氧化后(a)及氧化前(b)的順式聚丁二烯紅外光,上方為擴展后的(a-b)高分子的化學(xué)變化:高分子的化學(xué)變化:高分子在氧化,還原或者水解等化學(xué)反應(yīng)過程中的譜帶變化是微弱的,必須用差減法消除樣品中未反應(yīng)部分的光譜貢獻(xiàn),得到僅僅包含反應(yīng)信息的差減譜。將差減譜適當(dāng)放大,就可以看到反應(yīng)過程中的譜帶變化。如左圖,順式聚丁二烯再空氣中氧化了一個小時前后的光譜圖。盡管這是一個較為短暫,反應(yīng)條件非常緩和的過程,其差減譜仍然顯示了明顯的結(jié)構(gòu)變化。
20、乙-丙共聚物(54.3%C2)亞甲基搖擺振動的紅外光譜圖共聚物結(jié)構(gòu)分析:共聚物結(jié)構(gòu)分析: 左圖為質(zhì)量含量為54.3的E-P共聚物的FTIR光譜的亞甲基搖擺振動區(qū)域的譜帶。圖中標(biāo)出了各種亞甲基序列的譜帶歸屬。甚至可以定量地判斷,頭尾結(jié)構(gòu)的P-P序列用810-815cm-1吸收譜來鑒別,尾-尾結(jié)構(gòu)的P-P序列由751cm-1譜帶辨認(rèn),其歸屬于n=2的(CH2)n的搖擺振動吸收。731cm-1譜帶歸屬于E-P序列結(jié)構(gòu),而722cm-1譜帶則歸屬于P(E) n(n4)的序列。合成不同原料配比的共聚物,就可以通過紅外光譜法定量地測出乙-丙共聚物中組分與序列結(jié)構(gòu)。立體構(gòu)型的測量:立體構(gòu)型的測量:聚合物立體
21、構(gòu)型的存在,可以通過紅外譜帶的頻率位移,譜帶加寬,出現(xiàn)新的譜帶來加以辨認(rèn)。測定聚合物鏈的大體異構(gòu)組成的方法取決于光譜性質(zhì)與空間異構(gòu)之間的關(guān)系。某一特定異構(gòu)體的紅外譜帶頻率的歸屬可通過四個方法來確定:(1)合成僅臺一種異構(gòu)體的樣品;(2)確定與低相對分子質(zhì)量異構(gòu)體的關(guān)系;(3)采用正則坐標(biāo)分析法;(4)比較紅外吸收與其它物理方法如NMR波譜的測定結(jié)果。 測定等規(guī)與間規(guī)異構(gòu)體型光譜區(qū)別的最簡單方法是合成純的等規(guī)及間規(guī)異構(gòu)體,然后進(jìn)行光譜比較。但是能合成純立體異構(gòu)體的聚合物種類不多,聚苯乙烯與聚甲基丙烯酸甲酯是其中兩個典型例子。無規(guī)(a),等規(guī)(b)及間規(guī)(c)聚苯乙烯的紅外光譜 等規(guī)與間規(guī)PMMA
22、的紅外光譜 等規(guī)與間規(guī)PMMA的譜帶頻率區(qū)別及歸屬聚合物的構(gòu)象及結(jié)晶形態(tài)的測定:聚合物的構(gòu)象及結(jié)晶形態(tài)的測定:用IR方法研究聚合物的旋轉(zhuǎn)構(gòu)象異構(gòu)的困難在于無法得到純異構(gòu)體樣品。即使結(jié)晶態(tài)的均聚物也不是100的晶體,其光譜當(dāng)然含有無定形的成分的影響。但是用FTIR的差減法或比例法可以得到各種異構(gòu)體的IR光譜。達(dá)兩種方法都曾用在PET的構(gòu)象研究上。通過相減法或者比例法得到了”純“的光譜后,就可以用最小二乘法定量計算出聚合物中兩種甚至更多的構(gòu)象異構(gòu)的含量。例如,PET在不同溫度下退火后,經(jīng)測量得到了不同的G式異構(gòu)體含量。(a)經(jīng)淬火處理的等規(guī)PP的具有無定形結(jié)構(gòu)特征的差減譜;(b)經(jīng)退火處理的樣品的
23、”有序“相的差減譜聚合物的“有序”和“無序”相的光譜成分被分開后,就可以研究聚合物鏈某一構(gòu)象的準(zhǔn)確振動頻率。將兩片F(xiàn)P薄膜的光譜相減,其中一片是經(jīng)過淬火的樣品,就可得到無定形PP的光譜。“有序”相的光譜也可用光譜相減的方法得到。 結(jié)晶形等規(guī)PS的光譜??蓮耐嘶鹛幚淼陌虢Y(jié)晶薄膜光譜中減去淬火處理的無定形樣品光譜來得到。差減過程中以538cm-1譜帶為標(biāo)準(zhǔn),將其強度差減為零,所得的差示光譜即可認(rèn)為是等規(guī)PS的結(jié)晶狀態(tài)光譜,如上圖所示。(a)等規(guī)聚苯乙烯結(jié)晶態(tài)差減紅外光譜(b)無規(guī)聚苯乙烯紅外光譜聚偏二氟乙烯變體III的紅外光譜(a)退火前樣品(b)在160度退火20h后的樣品(c)(b-a) 聚偏
24、二氟乙烯有不同的變體,取決于樣品的制備方式??捎眉t外差減譜得出不同相的光譜特征。如左圖為變體III的光譜。圖中(a)為退火處理前的聚偏二氟乙烯變體III的光譜,(b)為在160退火處理20 h后的光譜,(c)為差減譜(b-a)。根據(jù)1073cm-1譜帶強度的變化可以看出,退火處理后結(jié)晶度增加了23。當(dāng)光譜的無定形相部分被消除后,可辨認(rèn)的譜帶由20條增加至45條。比較變體III與交體I、II的光譜可以發(fā)現(xiàn),后二者光譜的譜帶都可在變體III的光譜中發(fā)現(xiàn),亦即變體III中包含有變體I與II的成分。結(jié)合X射線衍射及勢能算:,變體III的構(gòu)象為TTTGTTTG。 高密度和低密度聚乙烯的紅外光譜聚合物支化度的測定:聚合物支化度的測定: PE可以用低壓催化法或高壓法制得。前者得到線型分子,密度較高;后者得到有支鏈的分子,密度較低。它們的紅外光譜如左圖。圖中1375cm-1譜帶歸屬于支鏈頂端的甲基振動,但是這個譜帶與無定形態(tài)的亞甲基的三條浴帶互相于擾,它們是位于1304,1352及1368cm-1,其中以1368cm-1干擾尤為嚴(yán)重。采用光譜差減法,即將PE光譜中減去標(biāo)準(zhǔn)線型聚亞甲基光譜,就可以得到游離的、不受于擾的1378cm-1譜帶從而進(jìn)行定量測定。聚合物
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