聚乙烯交聯(lián)改性研究進(jìn)展
- 期刊名字:現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用
- 文件大小:366kb
- 論文作者:胡發(fā)亭,郭奕崇
- 作者單位:北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所
- 更新時(shí)間:2020-09-28
- 下載次數(shù):次
.,現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用第14卷第2期Modem Plastics Processing and Applications2002年4月聚乙烯交聯(lián)改性研究進(jìn)展胡發(fā)亭郭奕祟(北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所, 1002090摘要:綜述了近年來國內(nèi)外對(duì)聚乙烯交聯(lián)技術(shù)(輻射交聯(lián)過氧化物交聯(lián)、硅烷交聯(lián))的研究進(jìn)展情況,同時(shí)介紹了3種主要交聯(lián)方法的反應(yīng)機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:聚乙烯 交聯(lián)輻射過氧化物硅烷聚乙烯(PE)是五大通用塑料之一,具有優(yōu)良的應(yīng)形成交聯(lián)鍵。電絕緣性、耐低溫性、易加工成型和足夠的力學(xué)性聚乙烯是一種典型的可輻射交聯(lián)聚合物,在過能,以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能,已被廣泛應(yīng)去的近50年中,人們對(duì)它的輻射效應(yīng)作了大量深人用于制作薄膜、泡沫制品、管材、電線電纜絕緣料等,細(xì)致的研究工作。PE在輻照下容易交聯(lián),初始凝膠其產(chǎn)量和用量居各合成樹脂之首。但是聚乙烯的熔時(shí)輻照劑量較低,但要達(dá)到較高的凝膠含量仍需要點(diǎn)較低,機(jī)械強(qiáng)度低,且環(huán)境應(yīng)力開裂性能較差,大較高的輻照劑量,以至于成本偏高,限制了其推廣使大限制了它的應(yīng)用范圍,因此對(duì)其進(jìn)行改性處理一用21。而且大劑量的輻照還可能產(chǎn)生氧化降解、破直是PE應(yīng)用和理論研究的重點(diǎn),而交聯(lián)則是PE改壞材料中的添加劑等副反應(yīng),影響材料的使用性能。性較為理想的方法之一。因此如何加速輻射交聯(lián),抑制副反應(yīng),降低達(dá)到所需聚乙烯比較常用的交聯(lián)方法有輻射交聯(lián)、過氧凝膠含量時(shí)的輻照劑量,也就是聚乙烯的敏化輻射化物交聯(lián)和硅烷交聯(lián)。此外還有光交聯(lián).鹽交聯(lián)等問題,已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。解決PE敏化輻射其他交聯(lián)方法。其中輻射交聯(lián)、光交聯(lián)屬于物理改問題的一般方法是在 PE中加人增敏劑和敏化劑性方法,過氧化物交聯(lián)、硅烷交聯(lián)和鹽交聯(lián)屬于化學(xué)(也有人將增敏劑和敏化劑統(tǒng)稱為敏化劑或增感劑)改性方法。交聯(lián)改性與共聚及共混等改性方法相或者改變輻照氣氛(如在乙炔、四氟乙烯氣氛中)。比,工藝簡單,并可以邊成型邊實(shí)施交聯(lián)。對(duì)PE進(jìn)增敏劑一般為多官能團(tuán)單體,可增大交聯(lián)反應(yīng)的比行交聯(lián)政性可明顯提高PE的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、例,提高交聯(lián)反應(yīng)G值。常用的增敏劑有二甲基丙抗蠕變及耐熱性能等,而又幾乎不損壞原有的其他烯酸四甘醇脂(TEGDM)、三甲基丙烯酸三羥基丙性能。因此對(duì)PE交聯(lián)技術(shù)的研究具有特別重要的酯(TMPTM)等。敏化劑一般為活潑小分子,作用意義,是目前聚乙烯改性研究的熱[ ]課題。為加速輻射交聯(lián)反應(yīng)。常用的敏化劑有SiCl2、CCl4、NaF以及炭黑等。1輻射交聯(lián)在聚乙烯中混入多官能團(tuán)單體是PE敏化輻射交聯(lián)最常用的方法。不但能夠有效地降低PE的初輻射交聯(lián)不用交聯(lián)劑可在室溫下進(jìn)行,因而可始凝膠劑量,增加在相同凝膠劑量下的凝膠含量,而在制品成型后進(jìn)行交聯(lián)并可保證制品不發(fā)生變形。且工藝簡單,操作方便。輻射交聯(lián)的高能輻射源主要有高能電子束、X射線、Novakovie和Gal[3I在研究增敏劑的作用時(shí)發(fā)中子及r射線等?,F(xiàn),在LDPE中混入3份的三羥基甲基丙烷三甲基PE的輻射交聯(lián)反應(yīng)為自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1),反應(yīng).丙烯酸脂(TMPTMA)和氰尿酸三烯丙脂(TAC)對(duì)過程可分為3步:(1)PE高分子鏈在輻照作用下生收稿日期:2001 - 10- 16。成初級(jí)自由基和活潑氫原子;(2)活潑氫原子可繼續(xù)攻擊PE,再生成自由基;(3)大分子鏈自由基之間反中國煤化工爾化工大學(xué)碩士研究生,MYHCNMHG62 .現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用第14卷第2期輻射交聯(lián)有明顯的促進(jìn)作用,可使初始凝膠劑量從當(dāng)交聯(lián)劑是單純過氧化物時(shí),其反應(yīng)過程如下:純PE的3.0kGy分別降到21. 5kGy和25.4kGy;過氧化物受熱分解生成自由基;自由基進(jìn)攻PE大同時(shí)交聯(lián)反應(yīng)的Gx值(輻射聚合物每吸收100eV分子鏈,奪取分子鏈上的氫原子.生成PE大分子鏈能量所生成的交聯(lián)點(diǎn)的數(shù)目)從純聚乙烯的2.13上自由基;PE大分子鏈自由基具有高度反應(yīng)活性,當(dāng)升為3.51和2.85,分別增加了65%和43%。兩個(gè)PE分子鏈自由基相遇時(shí),便相互結(jié)合,形成高Dakin' 4|將6%的異氰尿酸三烯丙脂(TAIC)添加到分子鏈間的化學(xué)鍵而交聯(lián)。過氧化物交聯(lián)所用的交LDPE中,發(fā)現(xiàn)可以使交聯(lián)反應(yīng)的微分Gx °的最大聯(lián)劑為有機(jī)過氧化物,常用的品種主要有DCP、BPO值從純聚乙烯的3左右提高到30~ 80。張麗葉等(過氧化苯甲酰)等。人[5)用美國Startomer公司生產(chǎn)的SR 350(多官能用過氧化物交聯(lián)PE時(shí),擠出溫度必須保持很團(tuán)單體)作為增感劑,詳細(xì)考察了它對(duì)不同聚乙烯的低,- -旦擠出溫度高于過氧化物的分解溫度,早期的增感輻射行為,研究結(jié)果表明在一定范圍內(nèi),相同輻交聯(lián)可能導(dǎo)致出現(xiàn)焦化,影響制品的質(zhì)量甚至損壞照劑量下,含多官能團(tuán)單體體系的PE的拉伸性能、設(shè)備,該溫度極限嚴(yán)格限制著可交聯(lián)聚乙烯的擠出沖擊性能、耐溫性能和環(huán)境應(yīng)力開裂性能更為優(yōu)異;速度,而且在擠出制品時(shí),要有專用的擠出機(jī)和高壓對(duì)于LLDPE,當(dāng)添加少量的增感劑后,輻照劑量為連續(xù)交聯(lián)(CV)管道1。這就限制了該技術(shù)在中、30kGy ,凝膠含量達(dá)60%左右,相當(dāng)于無單體時(shí)劑量小企業(yè)的應(yīng)用。為60kGy的凝膠含量。由于過氧化物交聯(lián)在應(yīng)用上的限制,導(dǎo)致人們對(duì)于多官能團(tuán)單體的作用機(jī)理,前人曾做了不對(duì)它的研究不 如輻射交聯(lián)和硅烷交聯(lián)多。近年來,少工作,但目前還沒有取得一致的見解。Odian、 陳人們?cè)谟眠^氧化物交聯(lián)PE時(shí)發(fā)現(xiàn),采用交聯(lián)劑與欣方、Dakin等人在這方面都提出了自己的觀點(diǎn),但助交聯(lián)劑并用效果會(huì)更好。助交聯(lián)劑可提高交聯(lián)這些觀點(diǎn)都不能圓滿地解釋有關(guān)敏化輻射交聯(lián)的實(shí)度,降低降解幾率,并可適當(dāng)降低交聯(lián)劑的用量。助驗(yàn)事實(shí)4.6,7]。交聯(lián)劑為分子中含有硫、肟、及-C=C-類結(jié)構(gòu)使用乙炔氣氛也是比較常見的PE敏化輻射方的單體或聚合物,常用的品種有肟類、甲基丙烯酸甲法之一,尤其適用于聚乙烯纖維及帶的輻射交聯(lián)。酯類。王劍等人[12]將過氧化物液相交聯(lián)技術(shù)應(yīng)用Appleby等人[⑧]把具有很高拉伸比的線型聚乙烯安于聚乙烯的滾塑 ,得到交聯(lián)滾塑制品具有超群的沖置在乙炔氣氛中輻照,制得了性能卓越的超高模量擊強(qiáng)度、耐熱蠕變性能及良好的防滲透性能,這就為聚乙烯(UHMPE) ,同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于乙炔的存在,只需過氧化物交聯(lián)開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。劉春林、承民要使用10kGy的輻照劑量,即可產(chǎn)生與在真空條件聯(lián)等人1)在研究DCP交聯(lián)LDPE的工藝、凝膠率下100kGy劑量相當(dāng)?shù)哪z含量。對(duì)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)力學(xué)性能及結(jié)晶度的影響時(shí)近年來,有人將用于熱化學(xué)交聯(lián)的過氧化物引發(fā)現(xiàn),DCP在1.5份之前,隨著DCP用量的增加,凝人輻射交聯(lián)體系,為PE的敏化輻射交聯(lián)開辟了一膠率的增長速度很快,DCP在 1.5份之后,效果則條新路。Mateev等人[9]發(fā)現(xiàn)在LDPE中摻人少量不顯著;XLPE的拉伸強(qiáng)度比未交聯(lián)的LDPE大,且的過氧化二乙丙苯(DCP)可以明顯地促進(jìn)聚乙烯的隨著凝膠率的增加而增加;XLPE的斷裂伸長率比輻射交聯(lián),而且采用高的劑量率效果更佳。未交聯(lián)LDPE小。目前PE輻射交聯(lián)技術(shù)在工業(yè)上主要用于生產(chǎn)PE管材,尤其是熱收縮管。美國的Raychem公司、3硅烷交聯(lián)日本的日東電木等公司在這方面處于領(lǐng)先地位[40]。硅烷交聯(lián)是70年代初開發(fā)出的交聯(lián)技術(shù)。由2過氧化物交聯(lián)于輻射交聯(lián)設(shè)備投資高,有輻射源,勞動(dòng)保護(hù)要求嚴(yán)格,并且易對(duì)環(huán)境造成危害。而過氧化物交聯(lián)工藝過氧化物交聯(lián)具有適應(yīng)性強(qiáng)、交聯(lián)制品性能好難以控制,容易過早交聯(lián)而影響加工。所以硅烷交等優(yōu)點(diǎn),因而獲得了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。過氧化物交聯(lián)與輻射交聯(lián)及過氧化物交聯(lián)比較,具有交聯(lián)過程聯(lián)與輻射交聯(lián)不同之處在于:(1)其交聯(lián)過程必須有能嚴(yán)格控制設(shè)備簡單.成本低、工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)。交聯(lián)劑,即過氧化物存在;(2)交聯(lián)反應(yīng)必須在一定硅烷交聯(lián)所用的材料種類很多,主要有聚合物、溫度下進(jìn)行。接中國煤化工、催化劑及抗氧劑YHCNMHG胡發(fā)亭等.聚乙烯交聯(lián)改性研究進(jìn)展.63●等。PE的硅烷交聯(lián)主要包括接枝和交聯(lián)兩個(gè)過程。性環(huán)境中100h只有20%的樣品破裂,而未交聯(lián)整個(gè)反應(yīng)過程如下。LDPE樣品僅4h就全部破裂;在120C下XLPE熱(1)PE大分子形成自由基,此過程又可分為老化168h后拉伸強(qiáng)度保存率為98%,伸長保存率:兩步:過氧化物引發(fā)劑受熱首先分解,生成活潑自由為81%,而未交聯(lián)LDPE已熔化,無法檢驗(yàn);HDPE基;活潑自由基進(jìn)攻PE大分子,生成自由基。管的使用壽命僅30h,而硅烷交聯(lián)HDPE管的使用(2)PE接枝生成可交聯(lián)接枝PE。壽命可長達(dá)50年之久。(3) 接枝PE經(jīng)水解縮合形成交聯(lián)PE,該過盡管硅烷接枝交聯(lián)聚乙烯在工業(yè)上已大量應(yīng)程可分為如下兩步。接枝PE水解成硅醇;含硅醇用,但對(duì)于交聯(lián)反應(yīng)的基礎(chǔ)研究卻不多,近年來也有PE交聯(lián)形成Si-0- -Si鍵。-些文獻(xiàn)報(bào)道了硅烷與PE接枝反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、硅烷自1972年DowCorning公司最先開發(fā)出硅烷水解縮合交聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及樹脂分子結(jié)構(gòu)在硅烷交聯(lián)PE技術(shù)以來,新的研究成果不斷出現(xiàn),相關(guān)的接枝交聯(lián)中的作用。A. K. Sen等人[19]用示差掃描專利已達(dá)上百篇,大多數(shù)專利和文獻(xiàn)集中在接枝交量熱法對(duì)模型體系中硅烷接枝PE的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了聯(lián)的配方和工藝優(yōu)化、制品性能的改善及產(chǎn)品的應(yīng)研究,認(rèn)為接枝反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng),并測(cè)得了接枝反應(yīng)用等方面。與交聯(lián)反應(yīng)的活化能。Narkis 等人[20]研究了不同左瑞霖等人[4)在研究PE種類、硅烷和引發(fā)劑交聯(lián)環(huán)境及溫度對(duì)交聯(lián)動(dòng)力學(xué)的影響,他們認(rèn)為溫用量對(duì)交聯(lián)效應(yīng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),LLDPE支化度適度對(duì)交聯(lián)動(dòng)力學(xué)過程影響很大,而在相同溫度下不中,鏈擴(kuò)展較好,達(dá)同樣交聯(lián)度所用硅烷用量比同介質(zhì)的影響不明顯。Wong[21] 研究了PE結(jié)構(gòu)對(duì)LDPE、HDPE少,反應(yīng)時(shí)間短;硅烷過多,制品表面接枝的影響,并用電鏡觀察接枝物的不同形態(tài)結(jié)構(gòu),起霜,強(qiáng)度下降;硅烷過少,接枝不均勻,需增加發(fā)現(xiàn)引發(fā)劑導(dǎo)致PE結(jié)構(gòu)變化,產(chǎn)生分子鏈的支化DCP用量或提高反應(yīng)溫度等;-般硅烷用量1~3擴(kuò)展;LLDPE更易引發(fā)長支鏈,因而在形成交聯(lián)結(jié)份;DCP用量一-般不要超過 0.1%。李忠明等人[15]構(gòu)時(shí)需要更少的硅烷。采用DCP為引發(fā)劑,月桂酸二丁烯(DBTL)為催化硅烷交聯(lián)的具體工藝可分為3種,即一步工藝劑,在雙螺桿擠出機(jī)中通過熱水獲得硅烷(VTES)法、兩步工藝法、共聚工藝,其中-步法和兩步法最交聯(lián)聚乙烯共混物,他們用正交實(shí)驗(yàn)獲得DCP、常用。- 一步法工藝由Nokia - Millefer公司發(fā)明,在VTES及DBTL的最佳用量分別為0.1份、2.5份、- 一步法工藝中所用交聯(lián)材料如聚合物碓烷過氧化0.15份;熱水交聯(lián)的合適時(shí)間約為12h,在此之前,物及催化劑直接加到特制的反應(yīng)擠出機(jī)中,用擠出拉伸強(qiáng)度維卡軟化點(diǎn)及凝膠率隨交聯(lián)時(shí)間而升高,機(jī)可一步生產(chǎn)出交聯(lián)產(chǎn)品。二步法工藝由Dow斷裂伸長率隨時(shí)間而降低,此后,均趨于穩(wěn)定。王文Corning公司發(fā)明,在兩步法交聯(lián)工藝中,先用兩臺(tái)杰等人(16用熔融擠出法對(duì)LDPE進(jìn)行硅烷接枝,然擠出機(jī)預(yù)生產(chǎn)硅烷接枝料和催化劑母料,然后將兩后在DBTL存在下進(jìn)行水解交聯(lián)時(shí)發(fā)現(xiàn),接枝單體種料按--定比例混合,在第三臺(tái)擠出機(jī)或注塑機(jī)上乙烯基三乙氧基硅烷( VTES)在較低用量時(shí), VTES生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯制品22。最近有人開發(fā)出了硅烷濃度增加能夠提高凝膠率和MFR,但超過2%(質(zhì)交聯(lián)的密閉混合機(jī)工藝。量含量,下同)后,凝膠率基本上不再隨硅烷用量增加而上升,而MFR仍有明顯降低;引發(fā)劑DCP用4其他交聯(lián)方法量達(dá)0.15%后,凝膠率趨于一定值;反應(yīng)擠出溫度必須高于180C才能較好地接枝和交聯(lián),螺桿轉(zhuǎn)速近年來出現(xiàn)了許多新的交聯(lián)改性方法,主要有對(duì)凝膠率的影響存在一最佳值。俞強(qiáng)等人(1]在用光交聯(lián)、鹽交聯(lián)、疊氮交聯(lián)等。光交聯(lián)以光敏劑為引不同結(jié)構(gòu)的乙烯基硅烷與PE進(jìn)行熔融接枝及水解發(fā)劑,在紫外光的作用下引發(fā)大分子鏈產(chǎn)生自由基,縮合交聯(lián)反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),不同烷氧基的硅烷在接枝、交從而形成交聯(lián)大分子[23]。鹽交聯(lián)又稱為離子交聯(lián),聯(lián)性能上存在較大差異;接枝反應(yīng)的活性與烷氧取它類似于硅烷交聯(lián),即首先在大分子鏈上接枝可反代基的空間位阻效應(yīng)和電子效應(yīng)有關(guān);交聯(lián)反應(yīng)的應(yīng)官能團(tuán),如一-C00H或- -SOH, 經(jīng)Zn(OH)2中和速率與烷氧基的水解縮合反應(yīng)能力有關(guān),而交聯(lián)程處理后,在大分子鏈之間形成離子鹽橋,如度則取決于硅烷的接枝率。吳大鳴等人[18]在研究- -C0OZn2+00C-或- SO,HZn2*O3S- ,將大分子硅烷交聯(lián)PE的性能時(shí)發(fā)現(xiàn),硅烷交聯(lián)LDPE在活鏈連中國煤化工與其他交聯(lián)方法YHCNMHG64現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用第14卷第2期,不同的是:鹽交聯(lián)產(chǎn)物在高溫下具有可塑性,而不像Si, 1996, 62:779-783其他交聯(lián)產(chǎn)物只具有熱固性。S張麗葉.劉飛躍,楊波等.聚乙烯的增感輻射交聯(lián).中國塑料,200,14(12):496 Odian G, Berstein G S. 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Plet Rub Proc Appl, 1990,14:241~243對(duì)于較厚的制品難以實(shí)現(xiàn)均勻的交聯(lián),而且能耗較10吳大鳴等. 特種塑料管材北京:輕工業(yè)出版社200.50高,因此近來人們開發(fā)了敏化輻射交聯(lián)技術(shù)。不過11 朱兆奇,唐曉紅.不同分子鏈結(jié)構(gòu)聚乙烯的交聯(lián)研究.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,1992 ,4(4);13人們對(duì)PE的敏化輻射交聯(lián)機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不是很透12 王劍,劉春陽,黃玉強(qiáng).交聯(lián)秦乙婼滾塑技術(shù).中國塑料2000徹,尚待進(jìn)- -步的研究加以闡明,以利于指導(dǎo)生產(chǎn)。14(1):52~55過氧化物交聯(lián)有嚴(yán)格的溫度限制,且成型品需經(jīng)高3劉春林,承民聯(lián),宋平生.過氧化物交聯(lián)縈乙烯的研究.現(xiàn)代塑溫處理,工藝過程不易控制。這就限制了人們對(duì)它料加工應(yīng)用, 198, 10(2):14~16的研究和應(yīng)用。而硅烷交聯(lián)法生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯,設(shè)14 左瑞霖,張廣成,何宏偉等聚乙烯的硅烷交聯(lián)技術(shù)進(jìn)辰.塑料,2000,29(6):41備投資少,生產(chǎn)成本低,生產(chǎn)率較高;適用于厚、薄等15 李忠明,張雁,楊鳴波等.硅烷接枝熱水交聯(lián)聚乙烯共混物的研各種形狀的制品,同時(shí)也適用于填充型復(fù)合材料,因究.塑料工業(yè), 199,27(6):1此已經(jīng)受到普遍的重視??梢姶罅訌?qiáng)這方面的研王文杰,劉念才,朱文炫,不飽和硅烷熔融擠出接枝聚乙烯的研究,將能解決硅烷交聯(lián)耗時(shí)長、速度慢等缺點(diǎn),同時(shí)究.高分子材料科學(xué)與工程,1999,15(4):133-13617 俞強(qiáng),李錦春,林明德等.硅烷接枝交聯(lián)聚乙烯的研究.高分子也將大力促進(jìn)硅烷交聯(lián)在工業(yè)上的應(yīng)用。材料科學(xué)與工程,199,15(4>):48~-51交聯(lián)PE因其優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于化18吳大鳴等. 幾種用于建筑冷熱水輸送的塑料管材比較.塑料,工、建筑汽車、電力、包裝、農(nóng)業(yè)等行業(yè)(24]。我國交2001,30(2):49聯(lián)聚乙烯正處于應(yīng)用開發(fā)初期,重視這方面的研究,9 Sen A L, Mukhcree B, Batacharyye ASet al. Study of grating將會(huì)大大促進(jìn)PE的高性能化及工程化應(yīng)用。of slnes on plyethylene. J Appl Palym S1,1992.44:115320 Narkis M, Tzur A. Advances of slance crslinking technolsyo forpolytbylene. Polym Eng Sci, 1985.25(13):857參考文獻(xiàn)21 Wong W K, Varall D C. Polymer, 1994,35(25):54471王文廣.塑料改性實(shí)用技術(shù)。北京:輕工業(yè)出版社, 200.9522 金可中,沈申康.聚乙烯的交聯(lián)技術(shù)及應(yīng)用.新型建筑材料,?張麗葉,劉飛躍,楊波.聚乙烯敏化輻射交聯(lián)研究進(jìn)展.中國塑196,(11):22料,1999,13(1):1023鄧建平, 楊萬泰. LIDPE-VAC體系光接枝及交聯(lián)反應(yīng)的研究.; Novakovie L J, Gal 0. Sensition radiation cosEnking of polyethy-北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)200027<1);16~19lene. Polym Degrad Stab, 195.50:53~ 5824王碩,魏國峰,劉宏吉. 交聯(lián)聚乙烯的生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用.彈性體,Patel G M. Radiation chemistry of polymer sytems. 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