王發(fā)龍,鄭燕升,*,莫春燕,胡傳波,莫倩
(1.廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,廣西 柳州 545006;2.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院,廣西 柳州 545616)
聚吡咯-聚N-甲基吡咯復(fù)合涂料的制備及防腐性能
王發(fā)龍1,鄭燕升1,2,*,莫春燕1,胡傳波1,莫倩1
(1.廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,廣西 柳州 545006;2.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院,廣西 柳州 545616)
以三氯化鐵為氧化劑,對(duì)甲苯磺酸為摻雜劑,采用化學(xué)氧化聚合法制得均聚物聚吡咯(PPy)、聚N-甲基吡咯(PNMPy)和共聚物聚吡咯-聚N-甲基吡咯(PPy-PNMPy)。通過(guò)掃描電鏡、X射線衍射儀、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、傅里葉變換紅外光譜儀表征了3種聚合物的微觀結(jié)構(gòu)。采用電化學(xué)方法和腐蝕溶液浸泡法對(duì)比研究了裸鋼片、PU(聚氨酯)涂層以及 PU-PPy、PU-PNMPy和PU-PPy-PNMPy復(fù)合涂層的防腐性能。結(jié)果表明,共聚物PPy-PNMPy的致密性優(yōu)于均聚物PPy和PNMPy。PU-PPy-PNMPy復(fù)合涂層的防腐性能和力學(xué)性能最優(yōu)。
吡咯;N-甲基吡咯;共聚物;化學(xué)氧化聚合;防腐
First-author’s address:School of Biological and Chemical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China
在眾多導(dǎo)電聚合物中,聚吡咯(PPy)具有導(dǎo)電率高、氧化電位低、安全無(wú)毒以及合成工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。聚吡咯能有效地將金屬腐蝕限制在膜基界面,自身作為陽(yáng)極與外界發(fā)生電化學(xué)作用,同時(shí)聚吡咯與金屬表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)而形成鈍化層,從而達(dá)到防腐的效果[1-3]。因此聚吡咯被廣泛應(yīng)用于防腐領(lǐng)域。但純聚吡咯可加工性差,且導(dǎo)電性和分子致密度有待優(yōu)化?;瘜W(xué)共聚可綜合各種單體的特殊性能,實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣互補(bǔ)[4-6]。因此眾多研究者采用化學(xué)共聚法來(lái)彌補(bǔ)純聚吡咯的上述缺點(diǎn)。
筆者嘗試將聚吡咯與其衍生物聚N-甲基吡咯(PNMPy)進(jìn)行化學(xué)共聚,不僅保持了傳統(tǒng)共聚中各單體的優(yōu)異性能,而且在氮原子上增加了甲基,使聚合物分子間產(chǎn)生空間位阻效應(yīng),顯著提高了復(fù)合物分子間的致密性。致密性的提升可增強(qiáng)復(fù)合物的屏蔽效應(yīng),既能有效阻擋外界環(huán)境與金屬基體接觸,也能加快電力轉(zhuǎn)移速率而提高導(dǎo)電率,同時(shí)可以增強(qiáng)涂層對(duì)金屬的粘附力。因此,共聚物聚吡咯-聚N-甲基吡咯的防腐性能得以最佳化。
本文采用化學(xué)氧化聚合法制備了均聚物聚吡咯、聚 N-甲基吡咯(PNMPy)和共聚物聚吡咯-聚 N-甲基吡咯(PPy-PNMPy),對(duì)復(fù)合物進(jìn)行形貌與結(jié)構(gòu)表征,以研究聚N-甲基吡咯的加入對(duì)復(fù)合物分子結(jié)構(gòu)的影響。將復(fù)合物分散于傳統(tǒng)涂料成膜基體聚氨酯(PU)中制得復(fù)合涂層,采用電化學(xué)方法和腐蝕溶液浸泡法對(duì)比研究了不同涂層的防腐性能,并通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試研究涂層的實(shí)際涂覆效果。
1. 1 試劑及儀器
吡咯(減壓蒸餾,冷藏待用),薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司;N-甲基吡咯(減壓蒸餾,冷藏待用),成都西亞化工股份有限公司;對(duì)甲苯磺酸,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;三氯化鐵,臺(tái)山市粵僑試劑塑料有限公司;甲醇,廣州化學(xué)試劑廠;氯化鈉、丙酮,西隴化工股份有限公司;無(wú)水乙醇,成都科龍化工試劑廠。上述試劑均為分析純。DB2011-雙組分銅粉導(dǎo)電膠,武漢雙鍵開(kāi)姆密封材料有限公司;聚氨酯雙組分(聚氨酯、聚氨酯固化劑),佛山歐奇涂料有限公司;去離子水,自制。
BK-80A智能臺(tái)式超聲波清洗機(jī),濟(jì)南巴克超聲波科技有限公司;SHZ-D(III)循環(huán)水式真空泵,鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;ZFD-A5040全自動(dòng)新型鼓風(fēng)干燥箱,上海智城分析儀器制造有限公司;JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器,常州國(guó)華電器有限公司。
1. 2 聚吡咯-聚N-甲基吡咯復(fù)合物的制備
取6.92 mL吡咯和7.41 mL N-甲基吡咯混合,加入50 mL蒸餾水,在25 °C下充分?jǐn)嚢?5 min,得到均勻的乳液;再加入12.9 g對(duì)甲苯磺酸和50 mL去離子水的混合液,攪拌15 min使其混合均勻;將混合液倒入250 mL的三口燒瓶中,冰浴條件下機(jī)械攪拌10 min;往混合體系中緩慢滴加由8.11 g三氯化鐵和50 mL去離子水組成的均勻混合液,持續(xù)90 min滴完,在0 °C下反應(yīng)5 h后,真空抽濾反應(yīng)物,并用甲醇和去離子水反復(fù)淋洗2 ~ 3次,真空干燥12 h得到共聚物——聚吡咯-聚N-甲基吡咯復(fù)合物。
單獨(dú)取6.92 mL吡咯和7.41 mL N-甲基吡咯,按上述步驟加等量蒸餾水和其他試劑,分別制得本征態(tài)均聚物聚吡咯和聚N-甲基吡咯。
1. 3 復(fù)合涂料的配制
取0.05 g PPy-PNMPy,加入2.50 g PU和5.00 g PU固化劑,40 kHz下超聲分散15 min,得到聚氨酯-聚吡咯-聚N-甲基吡咯復(fù)合涂料(PU-PPy-PNMPy)。采用同樣的方法,分別加入0.05 g PPy和PNMPy,得到聚吡咯-聚氨酯復(fù)合涂料(PU-PPy)和聚N-甲基吡咯-聚氨酯復(fù)合涂料(PU-PNMPy)。不加入任何填料所得為聚氨酯涂料。
1. 4 基材處理和涂層制備
以25 mm × 12 mm的碳鋼試樣為成膜基體,用金剛砂紙打磨成鏡面,再浸泡于50 mL丙酮和50 mL乙醇組成的混合溶液中,超聲30 min除去表面油漬,隨后用去離子水淋洗3 ~ 4次,在25 °C下干燥12 h后待用。用銅粉導(dǎo)電膠在碳鋼試樣的上端接上銀絲線,再置于干燥箱中于60 °C下干燥12 h。
將制備的4種涂料分別涂刷于碳鋼試樣表面,60 °C下干燥12 h后待用,干膜厚控制在(100 ± 5) μm。
1. 5 性能表征
1. 5. 1 復(fù)合物性能
(1) 采用日本HITACHI公司S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)合物形貌,掃描電壓為25 kV。
(2) 用上海精密儀器表有限公司DX-2007 X射線衍射儀(XRD)分析復(fù)合物物相,測(cè)試條件為:Cu靶Kα輻射,管電壓40 kV,掃描速率4°/min。
(3) 分別將 3種復(fù)合物溶解于蒸餾水中,用尤尼柯(上海)儀器有限公司 UV-2102PC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis)測(cè)定其紫外光譜,測(cè)試波長(zhǎng)范圍為190 ~ 240 nm。
(4) 采用溴化鉀壓片法,用美國(guó)ThermoFisher公司Nicolet380傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)考察其結(jié)構(gòu),測(cè)試波數(shù)范圍為500 ~ 4 000 cm-1。
(5) 采用德國(guó)耐馳STA449C差熱分析儀(TG)在N2氣氛下,以10 °C/min的速率從20 °C升溫至900 °C,分析復(fù)合物的熱穩(wěn)定性。
1. 5. 2 涂膜性能
(1) 在上海辰華儀器有限公司的CHI660D電化學(xué)測(cè)試儀上研究涂層在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)行為。采用三電極體系,以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑電極為輔助電極,25 mm × 12 mm的碳鋼片為工作電極。
(2) 將復(fù)合涂層涂覆于碳鋼片,在25 °C下分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl溶液、0.04%鹽酸溶液和0.045%NaOH溶液浸泡數(shù)天,通過(guò)數(shù)碼相機(jī)及泰思肯有限公司VEGA3掃描電子顯微鏡觀察涂層的腐蝕情況。
(3) 按照GB/T 6739-2006《色漆和清漆 鉛筆法測(cè)定漆膜硬度》,用天津科聯(lián)材料實(shí)驗(yàn)機(jī)廠QHQ型漆膜鉛筆劃痕硬度儀測(cè)定涂層的硬度。
(4) 按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》用天津市偉達(dá)試驗(yàn)機(jī)廠QFH型漆膜劃格器測(cè)定涂層的附著力。
2. 1 表面形貌分析
圖1為均聚物PPy、PNMPy和共聚物PPy-PNMPy的SEM照片。PPy是由大小不一的條絮狀物構(gòu)成的不規(guī)則團(tuán)聚體,它們之間相互連接在一起,但是存在明顯的空隙,致密性較差[7-8]。PNMPy由不規(guī)則的云狀顆粒構(gòu)成,也存在空隙。共聚物PPy-PNMPy由較小的顆粒緊密連接而成,分子間的致密性明顯好于PPy和PNMPY。
圖1 不同聚合物的SEM照片F(xiàn)igure 1 SEM images of different polymers
2. 2 XRD分析
圖2為均聚物PPy、PNMPy和共聚物PPy-PNMPy的XRD譜圖。PPy和PNMPy分別在2θ為23°和19°處存在較寬的衍射峰,說(shuō)明兩者都有一定程度的結(jié)晶[9]。共聚物PPy-PNMPy在2θ為24°處出現(xiàn)更寬且強(qiáng)的衍射峰,表明復(fù)合改性后的結(jié)晶行為增強(qiáng)。
2. 3 紫外-可見(jiàn)光譜分析
圖3為均聚物PPy、PNMPy和共聚物PPy-PNMPy的紫外光譜圖。從圖3可知,PPy在193 nm處出現(xiàn)較強(qiáng)的吸收峰,屬于吡咯環(huán)N原子與C原子的n-σ*吸收,在221 nm處寬而弱的吸收峰來(lái)源于對(duì)甲苯磺酸的苯環(huán)的π-π*吸收。PNMPy的吸收峰位于194 nm和221 nm處,共聚物PPy-PNMPy的吸收峰位于196 nm和221 nm,其吡咯環(huán)的n-σ*吸收峰均向長(zhǎng)波方向移動(dòng),各峰的吸收強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。這可能由于吡咯環(huán)N原子上的H被甲基取代后,甲基中C—H的σ鍵與吡咯環(huán)的共軛體系中的π電子共軛,形成了超共軛效應(yīng),使吸收峰紅移,吸收強(qiáng)度加強(qiáng)[10]??梢?jiàn)共聚物分子復(fù)合成功,且可能包含吡咯環(huán)和N-甲基吡咯環(huán)規(guī)律性的排列結(jié)構(gòu)。
圖2 不同聚合物的XRD譜Figure 2 XRD patterns for different polymers
圖3 不同聚合物的UV-vis譜圖Figure 3 UV-vis spectra for different polymers
2. 4 紅外光譜分析
圖4為均聚物PPy、PNMPy和共聚物PPy-PNMPy的紅外光譜圖。PPy的紅外譜圖上,3 440 cm-1處強(qiáng)而寬的吸收峰來(lái)源于吡咯環(huán)N—H鍵的伸縮振動(dòng)和對(duì)甲苯磺酸O—H鍵的伸縮振動(dòng),2 923 cm-1對(duì)應(yīng)于對(duì)甲苯磺酸上甲基C—H鍵的伸縮振動(dòng),1 637 cm-1附近的吸收峰是吡咯環(huán)和苯環(huán)的C原子間的特征吸收峰,1 165 cm-1是對(duì)甲苯磺酸中磺酸基的特征吸收峰,1 033 cm-1和775 cm-1分別為吡咯環(huán)C—H鍵平面內(nèi)變形振動(dòng)和平面外彎曲振動(dòng)[11-12]。PNMPy在3 429、2 918、1 621、1 154、1 099和692 cm-1處出現(xiàn)與聚吡咯相似的吸收峰,且在2 357 cm-1處出現(xiàn)了較弱的C—N鍵特征吸收峰。共聚物PPy-PNMPy的吸收峰與PPy和PNMPy大體一致。
2. 5 熱重分析
圖5為均聚物PPy、PNMPy和共聚物PPy-PNMPy的熱重曲線。從中可以看出,PPy、PNMPy和PPy-PNMPy熱失重5%時(shí)的分解溫度分別為83、102和103 °C。當(dāng)熱失重達(dá)98%時(shí),PPy、PNMPy和共聚物的分解溫度分別為541、659和670 °C。由此可見(jiàn),共聚物PPy-PNMPy的熱穩(wěn)定性良好。PNMPy中鄰位甲基形成的共軛效應(yīng)使其結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,但空間位阻也增大[13]。而共聚物 PPy-PNMPy不僅可形成共軛效應(yīng),且可減小空間位阻,故熱穩(wěn)定性最好。
圖4 不同聚合物的FT-IR譜圖Figure 4 FT-IR spectra for different polymers
圖5 不同聚合物的TG曲線Figure 5 TG curves for different polymers
2. 6 開(kāi)路電位測(cè)試
圖6為裸鋼片和表面涂覆不同涂層的鋼片在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時(shí)間后的開(kāi)路電位。在浸泡初期,5種碳鋼試樣的開(kāi)路電位均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng),開(kāi)路電位均緩慢向陽(yáng)極方向移動(dòng)。浸泡時(shí)間相同時(shí),不同試樣開(kāi)路電位的高低順序?yàn)椋郝沅撈?< PU涂層 < PU-PPy復(fù)合涂層 < PU-PNMPy復(fù)合涂層 < PU-PPy-PNMPy復(fù)合涂層。由于隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),腐蝕溶液會(huì)緩慢滲透,最終與碳鋼片表面接觸而發(fā)生腐蝕[14]。PPy-PNMPy復(fù)合物的致密性高于聚吡咯和聚N-甲基吡咯,其屏蔽效應(yīng)更強(qiáng),能有效阻止腐蝕溶液的滲透,從而抑制金屬表面與外界環(huán)境形成電化學(xué)腐蝕,因此PPy-PNMPy的開(kāi)路電位最大,防腐效果最明顯。
2. 7 極化曲線測(cè)試
圖7為裸鋼片、PU涂層、PU-PPy復(fù)合涂層、PU-PNMPy復(fù)合涂層和PU-PPy-PNMPy復(fù)合涂層在3.5% NaCl溶液中浸泡48 h后的極化曲線,表1為采用直線外推法所得腐蝕電位和腐蝕電流密度。結(jié)合圖7和表1可知,與裸鋼片相比,涂覆PU-PPy-PNMPy、PU-PNMPy、PU-PPy或PU涂層后,碳鋼片的腐蝕電位正移,腐蝕電流密度和腐蝕速率下降,因此防腐性能改善。其中,PU-PPy-PNMPy涂層的腐蝕電位最正,腐蝕電流密度與腐蝕速率最小。由于共聚物不僅有屏蔽效應(yīng),同時(shí)聚合物的氧化電位低,故可作為陽(yáng)極與腐蝕介質(zhì)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),且其電化學(xué)行為可逆,能與金屬基材之間再進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),最后在金屬表面生成鈍化膜層,從而對(duì)金屬基體起到鈍化和陽(yáng)極保護(hù)的作用,減緩腐蝕反應(yīng)進(jìn)程[15-16]。
圖6 不同試樣在3.5% NaCl溶液中的開(kāi)路電位與浸泡時(shí)間的關(guān)系Figure 6 Relationship between open circuit potential and immersion time for different samples in 3.5% NaCl solution
圖7 不同試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡48 h后的極化曲線Figure 7 Polarization curves for different samples after immersing in 3.5% NaCl solution for 48 h
表1 不同試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度Table 1 Corrosion potentials and corrosion current densities of different samples
2. 8 交流阻抗測(cè)試
圖8為裸鋼片、PU涂層、PU-PPy復(fù)合涂層、PU-PNMPy復(fù)合涂層和PU-PPy-PNMPy復(fù)合涂層在3.5% NaCl溶液中浸泡48 h后的交流阻抗譜圖。從圖8可知,5種碳鋼試樣的容抗弧均呈圓弧狀,裸鋼片的阻抗值和容抗半徑最小,說(shuō)明4種涂層均能對(duì)碳鋼產(chǎn)生一定程度的防腐作用。涂層PU-PPy-PNMPy的阻抗值和容抗半徑最大,電解質(zhì)溶液浸入的阻礙作用大,防腐效果最優(yōu)。由此可見(jiàn),共聚物 PPy-PNMPy中甲基的引入可以提升物質(zhì)的反應(yīng)活性,進(jìn)而提高其致密性[17-18],與聚氨酯共混后,其屏蔽作用、鈍化作用及陽(yáng)極保護(hù)作用可顯著增強(qiáng),故防腐性能最優(yōu)[19]。
圖8 不同試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡48 h后的交流阻抗譜Figure 8 Alternating current impedance spectra for different samples after immersion in 3.5% NaCl solution for 48 h
2.9 耐鹽水腐蝕試驗(yàn)
為進(jìn)一步研究各涂層的實(shí)際防腐效果,將不同試樣分別浸泡在0.04%鹽酸和0.045% NaOH溶液中7 d。發(fā)現(xiàn)2種溶液的浸泡結(jié)果相近,裸鋼片均產(chǎn)生明顯的銹跡;PU涂層產(chǎn)生細(xì)小氣泡,并且變色失光;3種復(fù)合涂層均無(wú)明顯變化。各試樣置于3.5% NaCl溶液中浸泡30 d后的SEM照片和浸泡45 d后的數(shù)碼照片分別見(jiàn)圖9和圖10。
圖9 不同試樣在3.5%NaCl溶液中浸泡30 d后的SEM照片F(xiàn)igure 9 SEM images of different samples after immersion in 3.5% NaCl solution for 30 days
從圖9可知,涂層PU產(chǎn)生較大的氣泡,且出現(xiàn)裂痕;復(fù)合涂層PU-PPy出現(xiàn)大面積聚集的氣泡,而復(fù)合涂層PU-PNMPy表面的氣泡細(xì)小且分散;復(fù)合涂層PU-PPy-PNMPy僅出現(xiàn)少數(shù)氣泡。從圖10可知,裸鋼片腐蝕最為嚴(yán)重,出現(xiàn)大面積銹跡;涂層PU產(chǎn)生較大面積的鼓泡,有銹點(diǎn);復(fù)合涂層PU-PPy和PU-PNMPy均出現(xiàn)較多乳白色的小泡;復(fù)合涂層PU-PPy-PNMPy僅有細(xì)小的氣泡,無(wú)明顯的腐蝕跡象。因此復(fù)合涂層PU-PPy-PNMPy的實(shí)際防腐效果最佳,該結(jié)果印證了電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
圖10 不同試樣在3.5% NaCl溶液中浸泡45 d后的照片F(xiàn)igure 10 Photos of different samples after immersion in 3.5% NaCl solution for 45 days
2. 10 力學(xué)性能測(cè)試
不同試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn),復(fù)合涂層PU-PPy-PNMPy的硬度最高,這是因?yàn)槠浞肿娱g的致密性較好,其物質(zhì)剛性也就較強(qiáng),而復(fù)合涂層PU-PPy和PU-PNMPy的分子間隙大,致密性差,物質(zhì)的剛性弱。復(fù)合涂層PU-PPy-PNMPy的附著力最大,其他涂層的附著力均偏小。這是因?yàn)镠2O、O2等腐蝕介質(zhì)容易通過(guò)涂層表面進(jìn)入金屬基底,進(jìn)而降低涂層附著力,而復(fù)合涂層PU-PPy-PNMPy中復(fù)合物的化學(xué)活性和致密性最優(yōu),不僅能產(chǎn)生屏蔽效應(yīng),阻擋腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入,而且可與腐蝕介質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。雖然各涂層加入的固化劑具有較強(qiáng)的固化效果,但是固化劑含親水性胺基,易引起水分子的浸透。
表2 不同涂層的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of different coatings
(1) 采用化學(xué)氧化法可成功制得共聚物PPy-PNMPy。與均聚物PPy和PNMPy相比,共聚物PPy-PNMPy的致密性更好,熱穩(wěn)定性更強(qiáng)。
(2) 將PPy-PNMPy復(fù)合物與聚氨酯共混后再涂覆于碳鋼表面可得PU-PPy-PNMPy復(fù)合涂層。與PU-PPy和PU-PNMPy復(fù)合涂層相比,PU-PPy-PNMPy復(fù)合涂層的耐蝕性和力學(xué)性能最好。
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[ 編輯:周新莉 ]
Preparation of polypyrrole-poly(N-methylpyrrole) composite coating and its anticorrosion performance
WANG Fa-long, ZHENG Yan-sheng*, MO Chun-yan, HU Chuan-bo, MO Qian
Homopolymers including polypyrrole (PPy) and poly(N-methylpyrrole) (PNMPy) and copolymer of pyrrole and N-methylpyrrole (PPy-PNMPy) were prepared by chemical oxidation polymerization using ferric chloride as oxidant and p-toluenesulfonic acid as dopant. The microstructure of the three kinds of polymers were characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, ultraviolet-visible spectrophotometry, and Fourier transform infrared spectrometry. The corrosion resistance of carbon steel plate as well as PU (polyurethane) coating and PU-PPy, PU-PNMPy, and PU-PPy-PNMPy composite coatings on it were comparatively studied by electrochemical methods and corrosive solution immersion tests. The results showed that the PPy-PNMPy copolymer has better compactness than PPy and PNMPy homopolymers and the best anticorrosive and mechanical performances.
pyrrole; N-methylpyrrole; copolymer; chemical oxidation polymerization; anticorrosion
TG178; TQ317.9
A
1004 - 227X (2015) 14 - 0770 - 07
2015-03-06
2015-05-19
廣西教育廳科研項(xiàng)目(2014GXNSA013134)。
王發(fā)龍(1991-),男,江西萍鄉(xiāng)人,在讀碩士研究生,主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料。
鄭燕升,教授,(E-mail) barry181@yeah.net。