陳復(fù)明　王戈　程海濤　李興軍

(國際竹藤中心，北京，100102)

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新型竹纖維復(fù)合材料的研發(fā)1)

陳復(fù)明王戈程海濤李興軍

(國際竹藤中心，北京，100102)

以備受關(guān)注的竹纖維及其新型復(fù)合材料為主線，從單根竹纖維到竹束纖維的制備、形貌和性能分析等方面簡述了竹材的特性；在此基礎(chǔ)上，以芯殼結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材料、竹束單板層積材、竹復(fù)合壓力管為典型代表，從材料學(xué)和工藝學(xué)角度對(duì)其加工工藝、界面改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能,以及中試應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述與分析。最后從竹纖維的生長性狀與物理力學(xué)性能關(guān)系、大尺寸竹質(zhì)工程材料及構(gòu)件開發(fā)、竹束單板類集裝箱房屋組裝技術(shù)、異型結(jié)構(gòu)竹纖維復(fù)合材料的研發(fā)等方面，提出了竹纖維復(fù)合材料的未來重點(diǎn)發(fā)展方向。

竹纖維；竹塑復(fù)合材料；竹束單板層積材；芯殼結(jié)構(gòu)；竹復(fù)合壓力管

With the bamboo fiber and its composites, we illuminated the morphology, structural characteristics, mechanical properties, testing method as well as environment adaptation in single bamboo fibers and bamboo bundle fibers. We introduced the new-style bamboo fiber reinforced composites, such as bamboo plastic composite, bamboo laminated veneer lumber, and bamboo-based twining pipeline. Along with their processing technology, we summarized interfacial modification, structural design, physical and mechanical properties and application prospects. We pointed out the technology issues and key points regarding with the future research and development for bamboo fiber composites, including relationship between growth performance of bamboo fiber and its physical and mechanical properties, the development and research of large-size bamboo-based engineering material and component, bamboo bundle veneer lumber used for container house and its assembly technology, as well as the special shape and structure made by bamboo fiber.

1　我國竹資源與竹子特性

1.1我國竹資源與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國竹子資源豐富，共有30余屬530多種，竹林面積達(dá)601萬hm2，其中福建、江西、浙江和湖南等省占全國天然竹林面積75%，浙江、廣東、四川、廣西、福建和安徽等省、自治區(qū)占全國人工竹林面積77%[1]。竹產(chǎn)業(yè)是中國為數(shù)不多的，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特色朝陽產(chǎn)業(yè)。2013年中國竹產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到1 671億元，較2001年的210億元增加了近700%。目前竹產(chǎn)業(yè)已形成10余類，100多個(gè)系列，近萬余種產(chǎn)品，每年竹產(chǎn)品出口貿(mào)易額達(dá)20億美元以上，遠(yuǎn)銷歐美等30多個(gè)國家和地區(qū)。

1.2竹子特性

竹子具有生長快、培育周期短、一次栽培可永續(xù)利用等特點(diǎn)。竹材強(qiáng)度高、韌性好，其抗拉強(qiáng)度約為人工林木材的2倍。從宏觀水平上看，竹材以中空、多節(jié)、具有一定尖削度的中空錐形殼體多節(jié)結(jié)構(gòu)存在；從組織水平上看，竹材又是一種以竹纖維為增強(qiáng)相、薄壁細(xì)胞為基質(zhì)相的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，維管束密度沿徑向非均勻分布使其具有功能梯度材料的特點(diǎn)[2](見圖1)。竹材上述獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予其輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、高彎曲延展性等優(yōu)異特性[3]。

2　竹纖維的制備及性能

竹纖維是竹材的主要組成部分和承載單元，被廣泛應(yīng)用于制漿造紙、日用制品、高檔竹編工藝品、紡織用品、發(fā)泡填充材料、竹基纖維高性能復(fù)合材料及竹質(zhì)工程材料等領(lǐng)域。

2.1竹纖維的制備

大多數(shù)天然纖維復(fù)合材料使用的是單根纖維和束狀纖維，其制取方法主要包括化學(xué)法和機(jī)械法。陳紅等[4]采用了多種化學(xué)離析方法及機(jī)械剝離法制備出竹單根纖維，并對(duì)其微觀形貌進(jìn)行觀察(見圖2)。竹單根纖維為多層同心圓的壁層結(jié)構(gòu)，細(xì)胞壁厚，腔徑小，壁上紋孔少，微纖絲與細(xì)胞主軸之間的夾角??；單根纖維尺寸非常微小，直徑10～30 μm，長度1～4 mm[5]。

圖1　不同尺度下竹材單元

圖2　毛竹單根纖維微觀形貌

竹束纖維制備中，以亞硫酸鹽制漿法為代表的化學(xué)離析法通過脫除木質(zhì)素來實(shí)現(xiàn)纖維素分子的重新組合，通常被用于紡織行業(yè)；而以機(jī)械碾壓為代表的物理疏解法則通過有效分離薄壁細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)維管束的重新組合，通常廣泛用于竹重組材[6]、層積材[7]的制造(見圖3)。竹束纖維化單板，是通過碾壓疏解作用實(shí)現(xiàn)竹材薄壁細(xì)胞的分離和維管束纖維的重新組合，再在寬度方向進(jìn)行整張化處理而形成的。其幅面寬度隨疏解頻數(shù)的增加而增加，在疏解6遍后增加程度減小；而力學(xué)強(qiáng)度隨著疏解頻數(shù)的增加而逐漸降低[8]。

圖3　竹束纖維形貌特征

2.2竹纖維力學(xué)性能

竹單根纖維力學(xué)性能的研究，對(duì)于從細(xì)胞水平理解竹材的特性來說，實(shí)現(xiàn)了從微觀層面揭示其宏觀力學(xué)表現(xiàn)的目的，對(duì)研發(fā)高性能竹纖維復(fù)合材料有重要意義[4]。然而，單根竹纖維細(xì)短、變異性大、纖維的夾持和定向及橫截面積測量難度大[9]。曹雙平[5]采用自主研發(fā)的單根纖維拉伸設(shè)備，研究了4種典型植物纖維的力學(xué)特性，從細(xì)胞水平上獲得了竹材的力學(xué)性能。毛竹單根纖維的斷裂強(qiáng)度最大，平均值達(dá)1 770 MPa，最大值達(dá)2 708 MPa。毛竹單根纖維力學(xué)性能隨竹齡增長略有增加，第4年后纖維基本達(dá)到成熟。與40%環(huán)境濕度下相比，70%環(huán)境濕度下，毛竹單根纖維彈性模量有所增大，而90%環(huán)境濕度下卻有所下降。

不同單元形態(tài)的竹材的拉伸力學(xué)性能具有差異性(見表1)。從竹單根纖維、維管束、束纖維到竹條，力學(xué)性能都呈現(xiàn)衰減趨勢，且化學(xué)分離法制備的單根纖維和竹束纖維的力學(xué)性能較機(jī)械分離法好。纖維胞間層弱界面的存在及加工過程的損傷使得拉伸強(qiáng)度減小。因此，為了發(fā)揮竹纖維的強(qiáng)度優(yōu)勢，加工過程中要盡量減少竹束纖維胞間層的破壞。

表1　竹材不同形態(tài)單元在不同加工方法下的拉伸力學(xué)性能

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3　新型竹纖維復(fù)合材料的研究與開發(fā)

3.1芯殼結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材料的研究和開發(fā)

3.1.1芯殼結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材料的制造工藝

為了有效發(fā)揮竹纖維優(yōu)勢和充分利用竹漿造紙加工剩余物，采用芯殼結(jié)構(gòu)來提高復(fù)合材料的使用性能(如耐水性、耐磨性、抗彎和抗蠕變性能)，減少材料的制造成本[10-11]。復(fù)合材料的表層(殼層)設(shè)計(jì)為竹纖維、造紙剩余物白泥和高密度聚乙烯(HDPE)的復(fù)合物，芯層設(shè)計(jì)為竹屑剩余物和HDPE的復(fù)合物(圖4)。具體制造工藝如下：首先按m(竹屑纖維)∶m(HDPE)=3∶7充分混合后造粒，粒徑約4 mm，將其作為芯層材料的原料備用；然后分別按m(HDPE)∶m(竹漿纖維)=9∶1、m(HDPE)∶m(納米碳酸鈣)=9∶1、m(HDPE)∶m(白泥)=9∶1將材料充分混合后造粒，作為殼層原料備用。通過共擠出成型系統(tǒng)(擠出機(jī)A和B)制得芯殼結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材料。擠出機(jī)A和B的機(jī)筒溫度控制在160～180 ℃和160～175 ℃，成型口模面積30 mm×4 mm。芯層和殼層材料厚度分別為2.8 mm和0.6 mm，m(芯)∶m(殼)=7∶3。

3.1.2芯殼結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材的性能

對(duì)芯殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行靜態(tài)彎曲測試，發(fā)現(xiàn)其階梯型破壞模式明顯，殼層材料性能越高，越有助于延緩破壞的發(fā)生。同時(shí)，芯殼結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材料彎曲性能優(yōu)于均質(zhì)結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材料，并且將力學(xué)性能較好的竹漿纖維放置表層，能有效地提高復(fù)合材料的彎曲性能[12-14]。在殼層設(shè)計(jì)3種材料：純高密度聚乙烯復(fù)合材料(CS-HDPE)、5%白泥增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料(CS-WC)、5%竹漿纖維增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料(CS-BPF)，其復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量從大到小順序?yàn)镃S-HDPE、CS-BPF、CS-WC，剪切強(qiáng)度從大到小順序?yàn)镃S-HDPE、CS-BPF、CS-WC(見表2)。結(jié)果表明：表層HDPE與芯層材料熔融結(jié)合性能更好，加入馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)能改善竹漿纖維與表層HDPE的界面相容性。因此，芯殼結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)展竹屑—HDPE復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。

圖4　芯殼結(jié)構(gòu)竹塑復(fù)合材料

復(fù)合材料種類彎曲強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa剪切強(qiáng)度/MPaCS-WC50.02±0.471.69±0.1210.02±0.07CS-BPF66.60±1.222.51±0.998.34±0.14CS-HDPE67.97±1.062.99±0.1311.42±0.76

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2竹束纖維單板層積材制造技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)

3.2.1竹束單板層積材制造技術(shù)及性能

竹重組材是中國主要的竹質(zhì)工程材料，用途廣泛。但傳統(tǒng)竹重組材存在密度大、鋪裝不均、殘余應(yīng)力大等問題[15]。針對(duì)上述問題，本研究小組采用自主研制的碾壓帚化設(shè)備對(duì)竹材進(jìn)行分類、去隔、疏解(6～8次)，將竹束在厚度方向上進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，在寬度方向上進(jìn)行整張化處理，使其形成連續(xù)而均勻的大幅面竹束單板，使得竹節(jié)、缺陷等薄弱處被均勻地分散到每張竹束單板之中。再將竹束單板浸漬水溶性酚醛樹脂，浸膠量為10%～16%，采用均勻?qū)臃e、全順紋組坯、縱橫竹束/木單板復(fù)合組坯、縱向連續(xù)接長等組坯方式，經(jīng)熱壓膠合形成新型竹基復(fù)合材料，即竹束單板層積材(BLVL)[16-17]。對(duì)BLVL的密度均勻性、靜態(tài)抗彎曲和抗剪性能、動(dòng)態(tài)耐沖擊性能、均布載荷性能、防白蟻性能、耐濕熱性能和連接性能等方面進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，并探討了組坯結(jié)構(gòu)、密度和竹節(jié)對(duì)板材基本物理力學(xué)性能和連接性能的影響[18-21]。研究結(jié)果表明：以上工藝解決了傳統(tǒng)竹重組材存在的問題，并且制造出了密度均勻、性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)材(見圖5)。平均密度為1.0 g/cm3的BLVL，其抗拉強(qiáng)度為203 MPa，拉伸模量為20.3 GPa，水平剪切強(qiáng)度為21.2 MPa，靜曲強(qiáng)度達(dá)245.8 MPa，抗彎彈性模量為25.4 MPa，24 h吸水厚度膨脹率在8%以下。

另外，中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所通過創(chuàng)立多功能竹材疏解設(shè)備，發(fā)明了纖維原位可控分離制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了竹基纖維復(fù)合材料的可控性和高性能化，開發(fā)出室外地板用材、風(fēng)電槳葉基材和全竹集裝箱底板用材等竹基復(fù)合材料制造技術(shù)[22-24]。南京林業(yè)大學(xué)通過將重組竹理想化為橫向各向同性材料，建立了材料的縱向拉壓強(qiáng)度與材料本構(gòu)的關(guān)系模型[25]。國際竹藤中心利用錐形量熱儀研究了磷酸二氫銨、聚磷酸銨和硼硼合劑3種阻燃劑對(duì)重組竹燃燒性能和物理力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)3種阻燃劑均能夠不同程度地改善重組竹的阻燃和抑煙性能[26]。

圖5　竹束單板層積材與重組竹密度均勻性比較

3.2.2竹束單板層積材中試應(yīng)用

利用竹束單板層積材及復(fù)合板制造的輕質(zhì)墻體，不僅具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)，還可以通過對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與加工，使其結(jié)構(gòu)體系、物理性能等滿足不同使用功能的要求(見圖6)。目前已投入應(yīng)用的有江蘇無錫竹木結(jié)構(gòu)示范房屋的墻體和江蘇竹裏館聆風(fēng)閣。另外，本研究小組的《一種整張化竹束單板和超長竹束單板層積材的制作方法》專利技術(shù)可實(shí)現(xiàn)具有如下優(yōu)勢的輕質(zhì)墻體的制造：①與混凝土磚墻相比，其環(huán)保和保溫、隔熱性能均較優(yōu)；②與竹席/竹篾膠合板相比，竹材的利用率高，達(dá)85%以上，成本低；③與竹重組材相比，其密度低，縱橫強(qiáng)度均勻，具有可設(shè)計(jì)性；④與木材膠合板相比，具有更高的強(qiáng)度、優(yōu)良的耐久性能和可靠的結(jié)構(gòu)性能；⑤可根據(jù)實(shí)際需要滿足超長尺寸的加工與制造。同時(shí)，墻板芯層填充纖維發(fā)泡環(huán)保保溫材料，可賦予墻體輕質(zhì)、保溫、阻燃和防護(hù)功能。

a.墻體正面b.墻體側(cè)面

圖6輕質(zhì)竹束單板層積材墻體單元構(gòu)件

3.3竹質(zhì)纏繞復(fù)合管制造技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)

3.3.1竹質(zhì)纏繞復(fù)合管加工工藝及性能

以浸漬低固化溫度的酚醛樹脂或聚氨酯膠液的連續(xù)竹束纖維/竹篾為增強(qiáng)材料，在控制好張力和環(huán)向纏繞、縱向纏繞組合的條件下，將其纏繞到芯模或模具上制成的壓力管道(圖7)，即為竹質(zhì)纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合壓力管(簡稱竹質(zhì)纏繞復(fù)合管)[27]。借助先進(jìn)的二維往復(fù)式纏繞制造工藝，研究確定了制造高質(zhì)量竹質(zhì)纏繞管道材料構(gòu)件所需具備的最佳竹質(zhì)纖維含水率、纏繞張力、纏繞速度、固化溫度等工藝參數(shù)。如表3所示，竹質(zhì)纏繞復(fù)合管主要的物理、力學(xué)性能可滿足《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50332—2002)規(guī)定的相應(yīng)指標(biāo)要求[28]。

圖7　紡織結(jié)構(gòu)竹質(zhì)復(fù)合壓力管加工示意圖

目前竹質(zhì)纏繞復(fù)合管的直徑范圍可達(dá)200～3 000 mm，密度為0.90～1.35 g/cm3,軸向抗拉強(qiáng)度為18～24 MPa，彎曲彈性模量為9～12 GPa，短時(shí)失效水壓大于4倍工作壓力，初始環(huán)剛度在10 kN/m2，內(nèi)表面粗糙度小于0.008 2，使用壓力不超過1.6 MPa，使用環(huán)境溫度不高于80 ℃。竹纏繞復(fù)合壓力管具有綠色環(huán)保、低碳節(jié)能、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于水務(wù)工程、農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)管網(wǎng)等行業(yè)，在全球能源和環(huán)境問題日益突出的今天具有巨大的市場價(jià)值和發(fā)展前景。中國管道用量預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到1.6億t，若竹纏繞復(fù)合壓力管可以替代傳統(tǒng)管道市場的10%，即可創(chuàng)造1 000萬t竹復(fù)合壓力管和2 000億產(chǎn)值的新興產(chǎn)業(yè)[29]。竹纏繞復(fù)合管具有價(jià)格便宜、耐壓比強(qiáng)度高、剛度大、水流性能佳、安裝方便等特性。

3.3.2纏繞層積界面與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

竹質(zhì)纏繞復(fù)合材料的環(huán)向?qū)臃e界面性能與層積結(jié)構(gòu)是決定其質(zhì)量的關(guān)鍵因素。研究小組針對(duì)竹篾和竹束纖維與樹脂形成的內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和防護(hù)層層內(nèi)和層間界面(圖8)開展了結(jié)合機(jī)理和調(diào)控機(jī)制的研究。在分析竹材材性的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的微觀試驗(yàn)手段，對(duì)樹脂滲透及流動(dòng)狀態(tài)、竹材—樹脂結(jié)合形態(tài)、界面微區(qū)力學(xué)、熱分析和宏觀力學(xué)表征等進(jìn)行研究，揭示微觀膠合狀態(tài)與材料理化性能的關(guān)系，闡明非平面外載下竹材/樹脂界面環(huán)向?qū)臃e結(jié)合本質(zhì)與機(jī)理。通過對(duì)竹纖維纏繞張力遞減規(guī)律、成型中空穴和氣泡存在狀態(tài)、壁層結(jié)構(gòu)與物理力學(xué)性能表征的關(guān)系研究，獲得竹質(zhì)纏繞復(fù)合材料層積結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制，為竹質(zhì)復(fù)合管優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

a.結(jié)構(gòu)示意圖b.實(shí)物圖

圖8竹質(zhì)復(fù)合管環(huán)向斷面圖

3.3.3竹質(zhì)纏繞復(fù)合管道產(chǎn)品中試應(yīng)用

竹質(zhì)纏繞復(fù)合壓力管可最大限度發(fā)揮竹子拉伸強(qiáng)度高和柔韌性好的材性特點(diǎn)。在2013年，水利部組織并落實(shí)了竹質(zhì)復(fù)合管在黑龍江、新疆、浙江3地進(jìn)行推廣應(yīng)用的示范工程(圖9)。在新疆地區(qū)主要研究了在地面沉降地貌不規(guī)范、施工條件復(fù)雜情況下，竹質(zhì)復(fù)合管的抗擊打能力和防滲性能，結(jié)果表明：竹質(zhì)復(fù)合管具有良好的防摔、防滲漏性能。在浙江地區(qū)開展了在重負(fù)荷車輛經(jīng)過的公路下方和高鹽堿地里埋設(shè)竹質(zhì)纏繞復(fù)合管的試驗(yàn)，結(jié)果顯示：竹質(zhì)復(fù)合管具有耐腐蝕性能好，抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)[30-31]。2014年國家林業(yè)局科技司主持召開科技成果鑒定會(huì)，對(duì)竹纏繞復(fù)合壓力管技術(shù)成果進(jìn)行鑒定，評(píng)價(jià)其已達(dá)到國際領(lǐng)先水平[32]。目前，國際竹藤中心正與浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司合作，將對(duì)竹材微觀領(lǐng)域和可生物降解樹脂領(lǐng)域進(jìn)行更系統(tǒng)深入的研究。

圖9　竹質(zhì)復(fù)合管中試應(yīng)用情況

4　今后的研究與開發(fā)重點(diǎn)

竹纖維生長過程性狀與其物理力學(xué)性能的關(guān)系。研究竹子從生長初期、竹筍、成熟材直到衰退過程中竹纖維的發(fā)育、木質(zhì)化形成及老化過程與物理力學(xué)性能的關(guān)系，探究不同時(shí)期竹纖維性狀與各項(xiàng)材性指標(biāo)的表達(dá)，為不同階段竹纖維的有效利用提供基礎(chǔ)理論支持。

大尺寸連續(xù)長度竹質(zhì)工程材料和構(gòu)件的開發(fā)。通過層積組坯、連續(xù)接長、間歇式熱壓連續(xù)長度制造工藝，加工長度大于12 m的超長竹束單板層積材，再借助合理的設(shè)計(jì)方法，加工大尺寸的竹質(zhì)工程構(gòu)件，應(yīng)用于大跨度公共建筑和房屋的建造。

竹束單板復(fù)合板制造及集裝箱房屋組裝技術(shù)開發(fā)。以竹束單板層積材、竹席膠合板、竹篾層積材等為框架和覆板，通過合理設(shè)計(jì)將其加工成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，再通過金屬連接件的合理連接形成可組裝的板式房屋，可用作非永久性的景區(qū)房、野外施工住房、軍隊(duì)營房等。

異型結(jié)構(gòu)竹纖維復(fù)合材料的制造技術(shù)。以竹束纖維為原料，采用紡織、纏繞、模壓等技術(shù)加工竹纖維復(fù)合材料，制造能夠滿足力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能要求的新型高質(zhì)化構(gòu)件，應(yīng)用于管道柱體、轎車外殼、高鐵內(nèi)飾等領(lǐng)域。

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Development of Advanced Bamboo Fiber Based Composites Material//

Chen Fuming, Wang Ge, Cheng Haitao, Li Xingjun

(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：80-85.

Bamboo fiber； Bamboo plastic composite (BPC)； Bamboo laminated veneer lumber (BLVL)； Core-shell structure； Bamboo composite compress pipe

陳復(fù)明，男，1985年12月生，國際竹藤中心，助理研究員。E-mail：fuming@icbr.ac.cn。

王戈，國際竹藤中心，研究員。E-mail：wangge@icbr.ac.cn。

2015年9月6日。

S795.9；TS653

1)國際竹藤中心基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(1632015003)。

責(zé)任編輯：戴芳天。