齊宇,張秋禹,史有強(qiáng),何山
潛伏性熱釋放型2PZ-PGMA微膠囊固化劑制備工藝的優(yōu)化
齊宇1,張秋禹2,史有強(qiáng)1,何山1
(1.北京航空材料研究院,北京100095;2.西北工業(yè)大學(xué),西安710072)
以2-苯基咪唑(2PZ)為芯材,聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)為壁材,采用溶劑揮發(fā)技術(shù),成功地制備了一種新型潛伏性熱釋放型2PZ-PGMA微膠囊固化劑。系統(tǒng)地研究了溶劑種類及油水比、表面活性劑種類及用量、核殼投料比等參數(shù)對(duì)微膠囊形貌、粒徑大小及分布、囊芯2PZ含量及產(chǎn)率等的影響,最終優(yōu)化了微膠囊固化劑的制備工藝:當(dāng)溶劑為二氯甲烷,油水比(體積比)為4∶5,表面活性劑為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))SDS,核殼投料比為1∶1時(shí)制備的微膠囊固化劑最優(yōu)。
微膠囊;潛伏性固化劑;優(yōu)化;溶劑揮發(fā)法
微膠囊固化劑[1]是指將固化劑用微膠囊技術(shù)包覆起來(lái)并能阻止其與基體樹脂(通常為環(huán)氧樹脂)在室溫下反應(yīng),提高樹脂及其預(yù)浸料的室溫儲(chǔ)存期,然后在一定的條件(溫度或壓力等)下,微膠囊破裂,釋放出固化劑完成固化反應(yīng)的一種新型固化劑。與一般固化劑相比,微膠囊固化劑儲(chǔ)存期更長(zhǎng),它可以阻斷固化劑與基體樹脂的相互作用,從而達(dá)到控制固化的目的。由其制備的單組份膠黏劑、預(yù)浸料、漆、涂料、密封劑及灌封料[2~10]等,避免了使用時(shí)稱量、混合等繁瑣工序,可隨用隨取,快捷方便,利于自動(dòng)化流水生產(chǎn)線采用,從而大大提高生產(chǎn)效率,適應(yīng)現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
潛伏性環(huán)氧樹脂固化劑基本可以達(dá)到低溫儲(chǔ)存和高溫固化的要求,但在單組分環(huán)氧樹脂膠粘劑的使用中,出現(xiàn)了這樣的矛盾:當(dāng)選擇較低固化溫度和較短固化時(shí)間的固化劑時(shí),其室溫儲(chǔ)存期時(shí)間就會(huì)下降;而當(dāng)選擇室溫儲(chǔ)存期時(shí)間較長(zhǎng)的固化劑時(shí),其固化溫度卻偏高且固化時(shí)間較長(zhǎng)。本研究制備的微膠囊固化劑可以有效地解決以上矛盾。
微膠囊包覆的關(guān)鍵步驟是將囊芯材料包覆到囊壁材料里,通常是由物理或化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,其中又以界面聚合法、原位聚合法、溶劑揮發(fā)法在微膠囊固化劑的制備上應(yīng)用最廣。采用溶劑揮發(fā)法制備微膠囊固化劑,具有界面聚合法和原位聚合法所沒有的優(yōu)勢(shì),特別是不必調(diào)節(jié)pH值及加熱和冷卻,也不需要特殊的反應(yīng)試劑[11],并且設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低廉,易于推廣,適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。
目前關(guān)于制備微膠囊固化劑的報(bào)道較少,從已有的研究來(lái)看,溶劑揮發(fā)法是制備微膠囊固化劑的一種有效方法,但由于起步較晚,迄今,關(guān)于溶劑揮發(fā)法制備微膠囊固化劑的研究有限,如溶劑種類及油水比、表面活性劑種類及用量、核殼投料比等參數(shù)對(duì)微膠囊囊芯含量及粒徑大小的影響均沒有較系統(tǒng)研究。
1.1材料
2-苯基咪唑(2PZ),化學(xué)純;聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA),自制;十二烷基硫酸鈉(SDS),化學(xué)純;失水山梨醇單油酸酯(Span-80),化學(xué)純;烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10),化學(xué)純;失水山梨醇單月桂酸酯(Tween-20),化學(xué)純;明膠(Gelatin),化學(xué)純;二氯甲烷(CH2Cl2),分析純;三氯甲烷(CHCl3),分析純;丙酮,分析純;無(wú)水乙醇,分析純;蒸餾水。
1.2 分析測(cè)試儀器
電子天平,F(xiàn)A1004;恒溫水浴鍋,電動(dòng)攪拌器,JJ-1;數(shù)控超聲波洗滌器,KQ-300DE;掃描電子顯微鏡,JSM-6700F;金相顯微鏡,DMM-330C;粒度分析儀,LS 13 320。
1.32PZ-PGMA微膠囊固化劑的制備
將計(jì)量的2PZ和PGMA分別分散于40mL的二氯甲烷中,在超聲振蕩下直至2PZ和PGMA完全溶解得到油相。將溶解有0.1wt%SDS的100mL水溶液加入到500mL燒杯中,并在1000r/min攪拌下得到均勻穩(wěn)定的水相。將油相緩緩倒入水相中,并升溫至40℃,反應(yīng)4小時(shí)以上至二氯甲烷揮發(fā)完全。將懸浮液離心、洗滌、干燥即得到產(chǎn)物微膠囊固化劑。制備原理圖如圖1所示。
圖1 溶劑揮發(fā)法制備2PZ-PGMA微膠囊工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖Fig.1 The process diagram of2PZ-PGMA microcapsules by the solvent evaporation technique
1.4測(cè)試與表征
1.4.1 微膠囊形貌
采用金相顯微鏡(MS),觀察微膠囊形貌時(shí),是將微膠囊懸浮液1~2滴均勻涂抹于載玻片。SEM測(cè)試中,將微膠囊懸浮液1~2滴涂于單晶硅片上風(fēng)干,經(jīng)噴金處理后供SEM觀察。
1.4.2 粒度分析
取一定量的樣品分散在水中,超聲分散均勻后,注入到樣品池中,采用美國(guó)Becman Coulter公司生產(chǎn)的LS 13 320型激光粒度分析儀對(duì)所制備的2PZPGMA微膠囊固化劑的粒徑大小及分布進(jìn)行對(duì)比分析。
1.4.3 囊芯含量及產(chǎn)率
囊芯含量的測(cè)定:微膠囊的囊芯含量通過(guò)萃取方法確定,實(shí)驗(yàn)中使用的萃取溶劑為乙醇(咪唑類溶于水,也溶于乙醇)。用研缽將微膠囊樣品在室溫下研磨,然后收集研缽中的膠囊,在索氏提取器中用乙醇抽提24 h后室溫下自然干燥得囊壁的質(zhì)量。微膠囊囊芯含量可由公式1進(jìn)行計(jì)算。
式中:wPGMA為囊壁的質(zhì)量,w0為加入的微膠囊的質(zhì)量
微膠囊產(chǎn)率的測(cè)定:將制備后處理完畢的微膠囊樣品在天平上準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量為M,實(shí)驗(yàn)中原料的總加入質(zhì)量M0,則微膠囊產(chǎn)率可由公式2計(jì)算得到。
2.1溶劑對(duì)微膠囊的影響
利用溶劑揮發(fā)法制備2 PZ-PGMA微膠囊固化劑,首先把溶有有機(jī)物2 PZ和聚合物PGMA的油相與表面活性劑水溶液混合后乳化形成水包油型(O/W)乳狀液滴,然后在溶劑沸點(diǎn)附近揮發(fā)溶劑,由于PGMA為大分子聚合物,其在溶劑中的溶解度低于小分子有機(jī)物2PZ,故其析出速率快于2 PZ,體系發(fā)生了分離,逐漸形成了PGMA包覆2 PZ的微膠囊,原理如圖1。在制備微膠囊過(guò)程中,溶劑的沸點(diǎn)、揮發(fā)速率、用量等均會(huì)對(duì)所制備微膠囊的表面形貌、粒徑大小及分布有顯著的影響。因此,在微膠囊的制備過(guò)程中,工藝的優(yōu)化顯得尤為重要。
2.1.1 溶劑種類對(duì)微膠囊的影響
本研究首先研究了不同溶劑對(duì)2PZ-PGMA微膠囊固化劑的影響,選用的揮發(fā)性溶劑應(yīng)符合下列特點(diǎn):在水中微溶,溶解度<10%,沸點(diǎn)不應(yīng)太高。為此,本研究選用兩種常用揮發(fā)性溶劑二氯甲烷(沸點(diǎn)39.8℃)、三氯甲烷(沸點(diǎn)61.7℃)為有機(jī)溶劑來(lái)制備微膠囊固化劑,兩種溶劑在水中的溶解性如表1所示。
表1 不同溶劑在水中的溶解性Table 1 Solubility of different solvent in water
采用二氯甲烷和三氯甲烷為溶劑時(shí)制得的微膠囊如圖2所示,由圖可知,二者均可以得到微膠囊,但采用二氯甲烷制得的微膠囊表面光滑,球形度較好,粒徑大小較均勻;采用三氯甲烷制得的微膠囊則存在大量空心球及不規(guī)則球,粒徑也相對(duì)較大。如圖3的粒徑分布曲線所示,采用二氯甲烷為溶劑制得的微膠囊粒徑分布在0~12μm,采用三氯甲烷為溶劑制得的微膠囊粒徑分布在0~ 17μm,可進(jìn)一步證明采用二氯甲烷制備的微膠囊粒徑分布較窄。這主要是因?yàn)椴煌娜軇┳鳛橛拖鄷r(shí),水相油相的界面作用不同所致,二氯甲烷作為油相更有利于微膠囊的形成。因此本研究選用低沸點(diǎn)的二氯甲烷作為溶劑制備2PZ-PGMA微膠囊。
圖2 以二氯甲烷(a)和三氯甲烷(b)為溶劑制得微膠囊的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of microcapsules prepared with different solvents(a)CH2Cl2;(b)CHCl3
圖3 以三氯甲烷和二氯甲烷為溶劑制得微膠囊的粒徑分布曲線Fig.3 Size distribution of microcapsules prepared with different solvents
2.1.2 油水比對(duì)微膠囊的影響
為進(jìn)一步優(yōu)化溶劑添加量,本研究選取采用純水及純二氯甲烷進(jìn)行油水比研究,分別以油水比(體積比,下同)2∶5,3∶5,4∶5,5∶5,6∶5,7∶5來(lái)制備微膠囊,研究其對(duì)微膠囊制備的影響。
如圖4所示,采用不同油水比均能制備出微膠囊,且隨著油水比的增大,微膠囊粒徑呈現(xiàn)出先變小再增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)?,只有適當(dāng)?shù)挠退炔庞欣谟拖嘁旱蔚木鶆蚍稚?油水比過(guò)低,油相較少,所形成油相溶液濃度過(guò)高,粘度較大,不利于在水相中分散成小液滴,導(dǎo)致所制備微膠囊粒徑較大;油水比過(guò)高,油相過(guò)多,油相液滴在水相中分散較差,油相液滴較大,形成的膠囊也較大。從微膠囊的粒徑分布曲線圖5也可看出,油水比在4∶5時(shí),微膠囊的粒徑分布最窄,因此本研究選取油水比為4∶5制備微膠囊。
2.2表面活性劑對(duì)微膠囊的影響
2.2.1 表面活性劑種類對(duì)微膠囊的影響
在微膠囊的制備過(guò)程中,選擇合適的表面活性劑對(duì)微膠囊的形成及性能具有重要的作用。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn),Griffin給各個(gè)表面活性劑制定了親水親油平衡值(HLB值)。這樣的HLB值具有半定量半經(jīng)驗(yàn)的性質(zhì)。HLB值概念最初是在研究乳狀液時(shí)提出來(lái)的,高HLB值意味著親水性和水溶性強(qiáng),可用于制備O/W型乳液;而低HLB值表示親油性或油溶性強(qiáng),用于制備W/O型乳液[12]。因此,本實(shí)驗(yàn)中選用不同HLB值表面活性劑,即失水山梨醇單油酸酯(Span-80)、明膠(Gelatin)、烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)、失水山梨醇單月桂酸酯(Tween-20)、十二烷基硫酸鈉(SDS)來(lái)制備微膠囊(各表面活性劑HLB值如表2所示),并通過(guò)金相顯微鏡(MS)對(duì)微膠囊的表面形貌等進(jìn)行分析,探討表面活性劑對(duì)微膠囊物理性能的影響。圖6所示為采用不同表面活性劑所制備微膠囊的金像顯微鏡照片。
如圖6a所示,向體系中加入Span-80后能形成部分膠囊及大量形狀不規(guī)則的聚合物,膠囊包覆不均勻,表面粗糙,粒徑差異明顯。這主要是因?yàn)椋琒pan-80的HLB值為4.3,其親油性較強(qiáng),乳化能力差,乳液不穩(wěn)定,這也進(jìn)一步證明了2PZ-PGMA微膠囊為O/W型微膠囊。
圖4 油水比對(duì)微膠囊的影響Fig.4 MS images of microcapsules prepared with different oil-water ratio (a)2∶5(b)3∶5(c)4∶5(d)5∶5(e)6∶5(f)7∶5
圖5 油水比對(duì)微膠囊粒徑分布的影響Fig.5 Size distribution of microcapsules prepared with different oil-water ratio
表2 不同表面活性劑及其HLB值Table 2 Different surfactants and their HLB values
圖6b為使用天然高分子明膠為表面活性劑所制備的微膠囊顯微照片,所得微膠囊粒徑較大(> 20μm)且產(chǎn)率低,微膠囊周圍有大量未參與包覆的PGMA空心球,這是因?yàn)榻档蜋C(jī)械攪拌速度后乳液不再穩(wěn)定,且較大的粒徑也不利于PGMA的沉積包覆及最終的應(yīng)用。
圖6c~e分別為使用OP-10,Tween-20及SDS為表面活性劑時(shí)所制備的微膠囊顯微照片。由圖可知,所形成的微膠囊表面趨于光滑,形狀趨于規(guī)整,粒徑大小趨于均勻,粒徑分布也趨于變窄。這主要是因?yàn)?,隨著表面活性劑HLB值的增大,其親水性增強(qiáng),微膠囊乳液體系傾向于穩(wěn)定,利于形成O/W型微膠囊。
綜上所述,溶劑揮發(fā)法制備微膠囊首先必須得到穩(wěn)定的乳液,而表面活性劑種類及其水溶液的濃度是至關(guān)重要的,實(shí)驗(yàn)最終確定使用SDS為表面活性劑,所制備微膠囊粒徑大小均勻,原料利用率高,且容易分離。
2.2.2 表面活性劑用量對(duì)微膠囊的影響
以SDS為表面活性劑,研究表面活性劑濃度對(duì)2PZ-PGMA微膠囊固化劑形貌及粒徑的影響。如圖所示,圖7a~f分別為表面活性劑SDS濃度為0.1%~0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時(shí)制備的微膠囊金相顯微照片。仔細(xì)分析可知,表面活性劑SDS濃度低于0.4%時(shí),雖然制備的微膠囊基本都呈球形,但粒徑大小不均勻,且隨著表面活性劑濃度的提高,粒徑大小傾向于均勻,表面傾向于光滑;但當(dāng)表面活性劑濃度高于0.4wt%后,粒徑及表面形貌并沒有明顯改善。這是因?yàn)?,表面活性劑濃度較低時(shí),聚合體系表面張力較大,整個(gè)體系不穩(wěn)定,粒徑及表面形貌稍差;當(dāng)表面活性劑濃度逐漸增大后,聚合體系表面張力減小,粘度明顯增加,微球間相互膨脹阻力增大,微膠囊粒徑大小更均勻,表面更光滑,體系傾向于穩(wěn)定;由于在液體表面吸附的表面活性劑膠束數(shù)量有限,當(dāng)吸附近飽和時(shí),即使進(jìn)一步增大表面活性劑濃度,聚合物體系張力降低也不明顯,因此粒徑及表面形貌沒有明顯改善。
圖6 表面活性劑種類對(duì)微膠囊的影響Fig.6 MS images of microcapsules prepared with different surfactants(a)Span-80; (b)Gelatin;(c)OP-10;(d)Tween-20;(e)SDS
圖7 表面活性劑濃度對(duì)微膠囊的影響Fig.7 MS images of microcapsules prepared with different surfactant concentration (a)0.1%;(b)0.2%;(c)0.3%;(d)0.4%;(e)0.5%;(f)0.6%
另外,圖8為表面活性劑SDS濃度為0.1wt%~0.6wt%時(shí)制備的微膠囊的粒度分析曲線。由圖可知,表面活性劑濃度在0.4wt%之前,微膠囊粒徑分布隨濃度增大而變窄,在0.4wt%之后,微膠囊粒徑分布逐漸趨于穩(wěn)定。綜合考慮,本研究選取濃度為0.4wt%的表面活性劑SDS制備2PZ-PGMA微膠囊固化劑。
圖8 表面活性劑濃度對(duì)微膠囊粒徑分布的影響Fig.8 Size distribution of microcapsules with different surfactant concentration
2.3殼投料比對(duì)微膠囊的影響
核殼投料比對(duì)微膠囊的形態(tài)、粒徑大小及粒徑分布都有一定的影響,本研究選取核殼投料比為1∶2、2∶3、1∶1、2∶1來(lái)制備微膠囊,并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。圖9為不同核殼投料比下所制備的微膠囊的顯微照片,圖10為不同核殼投料比下所制備的微膠囊的粒度曲線,表3為核殼投料比對(duì)微膠囊產(chǎn)率和包覆率的影響。
從圖9中可以看出,當(dāng)體系中核殼投料比低于1∶1時(shí),體系中存在大量聚甲基丙烯酸縮水甘油酯空心球,甚至聚集為團(tuán)聚體;當(dāng)核殼投料比大于1∶1時(shí),體系中較大微膠囊會(huì)因囊壁過(guò)薄而發(fā)生破裂現(xiàn)象。分析其原因應(yīng)為:在其他工藝參數(shù)(除核殼投料比外)保持不變的條件下,油水相比例一定,故同等攪拌速度下所分散的油相液滴數(shù)量和粒徑差距不大。當(dāng)囊壁材料加入量過(guò)多(核殼投料比>1∶1)時(shí),體系中存在的過(guò)量PGMA顆粒不會(huì)沉積在油相液滴表面,進(jìn)而形成空心球以及團(tuán)聚體,導(dǎo)致微膠囊產(chǎn)率降低;反之,則使微膠囊囊壁較薄而強(qiáng)度不足,既而產(chǎn)率下降。另外由圖10可知,當(dāng)核殼投料比為1∶1時(shí),微膠囊的粒徑分布最窄,即采用核殼投料比為1∶1的微膠囊表面形貌、粒徑大小及分布均較好。
圖9 不同核殼投料比對(duì)微膠囊的影響(a)1∶2;(b)2∶3;(c)1∶1;(d)2∶1Fig.9 MS micrographs of microcapsules with different weight ratios of core-shell materials (a)1∶2;(b)2∶3;(c)1∶1;(d)2∶1
圖10 不同核殼投料比對(duì)微膠囊粒徑分布的影響Fig.10 Size distribution of microcapsules with different weight ratios of core-shell materials
按核殼投料比為1∶2,2∶3,1∶1,2∶1來(lái)制備微膠囊,所得微膠囊的產(chǎn)率及囊芯含量結(jié)果如表5所示。由表中數(shù)據(jù)可知,當(dāng)微膠囊核殼投料比從1∶2增加到2∶1時(shí),囊芯含量逐漸增加。這顯然是體系中囊芯添加量高時(shí),能被囊壁捕獲的囊芯就多,因此最后產(chǎn)物微膠囊中囊芯含量就高。但即使核殼投料比達(dá)到2∶1時(shí),所制備微膠囊的囊芯含量只比1∶1時(shí)高3.27%,即大量2PZ在制備過(guò)程中損耗。另外,當(dāng)微膠囊核殼投料比逐漸增大時(shí),微膠囊產(chǎn)率逐漸降低。這是因?yàn)?,?dāng)核殼投料比小于1∶1時(shí),囊壁材料較多,有一部分囊壁材料由于反應(yīng)迅速而自身形成空心球以及團(tuán)聚體,宏觀上表現(xiàn)為微膠囊產(chǎn)率較高;當(dāng)核殼投料比大于1∶1時(shí),囊壁材料相對(duì)較少,形成微膠囊數(shù)量有限,宏觀表現(xiàn)為微膠囊成球率低,產(chǎn)率降低。
表3 不同核殼投料比對(duì)微膠囊產(chǎn)率及囊芯含量的影響Table 3 Effect of mass ratios of the core material to the shell material on the yield and core content of microcapusules
本研究中制備的用于環(huán)氧樹脂潛伏性固化的微膠囊,要求其具有較高的囊芯含量以保證微膠囊固化的高效性。另外,在微膠囊的批量生產(chǎn)中,還應(yīng)充分利用芯材壁材的投料量與產(chǎn)率以期降低成本。綜上,本研究在制備微膠囊時(shí),選擇核殼投料比為1∶1。
(1)在微膠囊的制備過(guò)程中,揮發(fā)性溶劑的選擇至關(guān)重要。分別以二氯甲烷、三氯甲烷為溶劑制備微膠囊固化劑,用二氯甲烷、三氯甲烷均可得到微膠囊,且采用二氯甲烷制得的微膠囊表面光滑,球形度較好,粒徑大小較均勻,粒徑分布較窄;進(jìn)一步通過(guò)改變油水比確定了溶劑量,油水比為4∶5時(shí)制備的微膠囊最佳。
(2)在微膠囊的制備過(guò)程中,表面活性劑的選擇至關(guān)重要。研究了表面活性劑Span-80、明膠、OP-10、Tween-20及SDS對(duì)2PZ-PGMA微膠囊固化劑形態(tài)及粒徑分布的影響,得出以表面活性劑SDS可制備出粒徑大小均勻、粒徑分布較窄的微膠囊;進(jìn)一步通過(guò)改變表面活性劑濃度確定了0.4wt%的SDS乳化效果最佳。
(3)研究了核殼投料比為對(duì)2PZ-PGMA微膠囊固化劑形態(tài)及粒徑分布、產(chǎn)率、囊芯含量的影響。適當(dāng)?shù)暮藲ね读媳瓤梢缘玫疆a(chǎn)率高、粒徑小、分布均勻的微膠囊,過(guò)低和過(guò)高都會(huì)影響產(chǎn)率,且過(guò)低的核殼投料比使體系中存在較多的聚甲基丙烯酸縮水甘油酯團(tuán)聚體及空心球,過(guò)高的核殼投料比使微膠囊囊壁變薄,強(qiáng)度變差,易破裂;綜合考慮微膠囊各項(xiàng)性能指標(biāo),最終確定核殼投料比為1∶1。
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Preparation Process Optimization of Heat Released 2PZ-PGMA Microcapsule-type Latent Curing Agent
QI Yu1,ZHANG Qiu-yu2,SHI You-qiang1,HE Shan1
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China;2.Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China)
A novel heat released microcapsule-type latent curing agent was successfully prepared by solvent evaporation technique with 2-phenylimidazole(2PZ)as core material and polyglycidy methacrylate(PGMA)as wall material.Systematic study of the effects of the kind of solvent and oil-water ratio,type and amount of surfactant,the core-shell feed ratio were carried out on the morphology of microcapsules,particle size and distribution,2PZ content and yield,etc.When the solvent is methylene chloride,oil-water ratio is 4∶5,surfactant is 0.4%(mass fraction)SDS and core-shell weight ratio is 1∶1,the optimized preparation of the microcapsule curing agent is obtained.
microcapsule;latent curing agent;optimization;solvent evaporation method
10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.009
TB324
A
1005-5053(2015)01-0051-08
2014-05-17;
2014-12-10
史有強(qiáng)(1986—),男,碩士,工程師,主要從事吸
波材料制備及研究,(E-mail)npusyq@163.com。