水性聚氨酯的合成
水性聚氨酯工业合成工艺流程

水性聚氨酯工业合成工艺流程
一、原料准备
1. 按照反应计划计算所需的多元醇、多元异氰酸酯类原料规格和数量。
2. 检测多元醇和多元异氰酸酯类原料的物理化学指标,检查是否达到合成要求。
3. 加载检测合格的多元醇和多元异氰酸酯类原料到料槽内。
二、原料混合、反应
1. 将多元醇和催化剂导入搅拌反应器内,开始混合。
2. 在过程中,逐步加入准备好的多元异氰酸酯类原料,形成原料混合液。
3. 控制温度在约35°左右,进行室温下的反应4~6小时。
4. 反应结束后,进行取样检测聚合度是否达到目标值。
三、处理分馏
1. 反应液进入离心机进行分离,去除残留的多余的多元异氰酸酯类原料。
2. 离心后液体进入真空打浆机进行脱气,除去生成的副产物2。
3. 脱气液体进入蒸馏塔进行进一步分馏,去除残余的有害物质。
4. 分离出的水性聚氨酯产品进行物理化学检测,确保指标合格。
五、产品装瓶打包
1. 通过色差机和粘度检测试验的聚氨酯产品进入塑料包装机内装瓶。
2. 装瓶好的产品进行打印 ,成为成品通过检验后出厂发货。
以上就是水性聚氨酯的基本工艺流程。
水性聚氨酯涂料的合成

水性聚氨酯涂料的合成原理
水性聚氨酯涂料是一种能够在水中实现聚合反应而成的有机涂料,其核心原理为:使用形式为2-氨基乙烷(AA)、硬脂酸(HA)和聚氨酯(PU)的单体,利用活性水作为介质,以及由硬化剂产生的离子力与单体之间形成的弱离子交互作用,使各单体之间发生聚合反应。
聚合反应的具体过程如下:
1、聚氨酯的单体,如2-氨基乙烷、硬脂酸和聚氨酯,各自产生不同的离子,将其在活性水中混合,使其形成弱离子交互作用,使单体之间发生聚合反应。
2、在此过程中,水会吸收周围的气体,形成空气团,使得涂料表面获得不同程度的光泽和细节,实现不同的装饰效果。
3、硬化剂的反应速度较快,在聚合反应的过程中,不断释放出大量热量,使涂料在迅速凝固,形成牢固的保护膜,有效防止被污染。
4、最后,涂料中的水会被完全蒸发掉,形成牢固的保护膜,有效避免污染物侵入,实现长久耐用的装饰效果。
!无溶剂法合成高固含量水性聚氨酯

中山大学硕士学位论文无溶剂法合成高固含量水性聚氨酯姓名:周海锋申请学位级别:硕士专业:高分子化学与物理指导教师:卢江20090611第一章前言1.1聚氨酯简述聚氨酯(polyurethane,简称PU)是指主链中含有许多重复的氨基甲酸酯链节(即氨酯键一NH—C0-o_)的高聚物,全称是聚氨基甲酸酯。
一般由多异氰酸酯与多元醇(包括含羟基的低聚物)加聚反应生成,如图1-1。
按多元醇的主链结构分为聚醚型和聚酯型两类。
OCN—Rl-NCO+Ho_R2—oH—P~舻R2_0-co.NH—RI_NH-co_OR_o~图I-I合成聚氨酯的基本反应聚氨酯除含有大量的氨基甲酸酯基外,还可能有酯基、醚基、缩二脲基、脲基甲酸酯基、异氰脲酸酯基,以及油脂的不饱和基团等;既有柔性的链段,又有刚性的链段,在大分子链之间还存在氢键,使它具有优异的性能,如较强的耐磨性,良好的附着力,优良的耐低温、耐油、耐水、耐酸碱及耐化学品性。
由于原材料和配比的变化,其性能可在很宽的范围内改变,可以制得硬、半硬及软的泡沫塑料、塑料、弹性体、弹性纤维、合成皮革、涂料、胶黏剂及防水灌浆材料等产品,在国防、基建、化工防腐、车辆、飞机、木器、电气绝缘等各方面都得到了广泛的应用。
聚氨酯制品的独特性能和广泛应用,促使其消费量直线上升。
据英国IAL咨询公司AngelarAustin报道,2005年世界聚氨酯制品总产量约为1375万t,2000一--2005年年均增长率为6.7%。
预计2010年产量将达1691万t,2005--一2010年年均增长率为4.2%。
[1]聚氨酯按分散介质分为溶剂型聚氨酯和水性聚氨酯两大类。
传统的溶剂型聚氨酯在合成过程中需要使用大量的有机溶剂,致使产品中挥发性有机化合物(voc)含量高,易造成环境污染,危害人体康健[2]。
水性聚氨酯是以水代替变小,但当亲水性基团的含量增加到一定程度后,粒径的变化较小。
另一方面,粒径随着亲水性基团含量的增多而减小势必将增加总的双电层数和粒子的流体体积,增加了微粒之间的总体作用力,从而导致黏度的增大。
水性聚氨酯的合成

闫福安,陈俊(武汉工程大学化工与制药学院,武汉430073)摘要:对水性聚氨酯的合成单体、合成原理、合成工艺及改性方法作了介绍。
水性聚氨酯合成技术不断完善,市场正在推进,国内相关企业和研究机构应加强合作,从分子设计出发,不断推进水性聚氨酯产业的技术进步和市场推广。
关键词:水性聚氨酯;合成;改性0引言聚氨酯是综合性能优秀的合成树脂之一。
由于其合成单体品种多、反应条件温和、专一、可控,配方调整余地大及其高分子材料的微观结构特点,可广泛用于涂料、黏合剂、泡沫塑料、合成纤维以及弹性体,已成为人们衣、食、住、行必不可少的材料之一,其本身就已经形成了一个多品种、多系列的材料家族,形成了完整的聚氨酯工业体系,这是其它树脂所不具备的。
据有关报道,在全球聚氨酯产品的消耗总量中,北美洲和欧洲占到70%左右。
美国人均年消耗聚氨酯材料约5.5kg,西欧约4.5kg,而我国的消费水平还很低,年人均不足0.5kg。
溶剂型的聚氨酯涂料品种众多、用途广泛,在涂料产品中占有非常重要的地位。
水性聚氨酯的研究始自20世纪50年代,60、70年代,对水性聚氨酯的研究、开发迅速发展,70年代开始工业化生产用作皮革涂饰剂的水性聚氨酯。
进入90年代,随着人们环保意识以及环保法规的加强,环境友好的水性聚氨酯的研究、开发日益受到重视,其应用已由皮革涂饰剂不断扩展到涂料、黏合剂等领域,正在逐步占领溶剂型聚氨酯的市场。
在水性树脂中,水性聚氨酯仍然是优秀树脂的代表,是现代水性树脂研究的热点之一。
1水性聚氨酯的合成单体1.1多异氰酸酯(polyisocynate)多异氰酸酯可以根据异氰酸酯基与碳原子连接的部位特点,可分为四大类:芳香族多异氰酸酯(如甲苯二异氰酸酯,TDI)、脂肪族多异氰酸酯(六亚甲基二异氰酸酯,HDI)、芳脂族多异氰酸酯(即在芳基和多个异氰酸酯基之间嵌有脂肪烃基-常为多亚甲基,如苯二亚甲基二异氰酸酯,XDI)和脂环族多异氰酸酯(即在环烷烃上带有多个异氰酸酯基,如异佛尔酮二异氰酸酯,IPDI。
水性聚氨酯的合成与改性研究

水性聚氨酯的合成与改性研究1. 本文概述本文聚焦于水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane, WPU)这一极具潜力的环保型高分子材料,对其合成方法与改性技术进行系统梳理与深入探讨。
水性聚氨酯以其优异的综合性能、良好的生物降解性和显著的环境友好性,在涂料、胶黏剂、纺织品整理、皮革涂饰、包装材料等诸多领域展现出广泛的应用前景。
随着社会对可持续发展要求的不断提升,以及相关法规对有害溶剂排放限制的日趋严格,水性聚氨酯的研究与开发已经成为高分子科学与工业界的重要课题。
本研究首先回顾了水性聚氨酯的合成原理,详述了其通过多元醇、异氰酸酯、扩链剂等基本原料的选择与配比,以及采用乳化、微乳液聚合、自乳化等不同途径制备水分散体的过程。
特别关注了预聚反应条件、亲水基团引入策略、乳化剂选择等因素对水性聚氨酯粒径分布、稳定性及最终性能的影响。
同时,针对不同的应用场景需求,探讨了不同类型水性聚氨酯(如阴离子型、阳离子型、非离子型等)的设计原则与合成特点。
在改性研究部分,本文归纳了近年来水性聚氨酯改性技术的最新进展,包括通过分子结构设计、功能单体共聚、纳米填料复合、表面接枝、交联反应等多种手段,以提升水性聚氨酯的力学性能、耐化学品性、热稳定性、生物相容性及功能性等。
特别强调了改性技术对于拓宽水性聚氨酯应用范围、满足特定行业标准、以及应对复杂服役环境挑战的重要性。
文中还对水性聚氨酯在各应用领域的实际案例进行了剖析,展示了其在提高产品性能、降低环境污染、推动绿色制造等方面的显著成效。
通过对现有文献的批判性评估与对比分析,揭示了水性聚氨酯合成与改性研究中的关键科学问题与技术瓶颈,并对未来可能的研究方向与创新点进行了展望。
总体而言,本文旨在为科研工作者、工程师以及相关产业界人士提供一份全面且前沿的水性聚氨酯合成与改性技术概览2. 水性聚氨酯的基本原理水性聚氨酯(Waterborne Polyurethanes,简称WPU)是一种以水为分散介质的聚氨酯分散体系。
水性聚氨酯合成方法

水性聚氨酯合成方法
水性聚氨酯的合成方法有以下几种:
1. 预聚体法:将聚醚二元醇、聚酯二元醇或聚碳酸酯二元醇、异佛尔酮二异氰酸酯、MDI和二元胺加入反应釜中进行反应合成。
2. 两步法:在室温下,异佛尔酮二异氰酸酯与二元醇先反应生成丁二醇二异氰酸酯(BDI),然后在水中加入BDI,再加入二元胺,进行反应,生成聚合物。
3. 水解法:将异氰酸酯和二元醇溶于有机溶剂中,在水中加入碱性水解剂,水解产生出无机盐和聚氨酯,然后再加入二元胺调整pH值,使聚合物变为水溶性。
4. 无溶剂法:在二元醇、二异氰酸酯和催化剂的催化下,进行聚合反应,生成水性聚氨酯。
以上是水性聚氨酯的几种常见的合成方法。
不同方法的步骤和条件有所不同,需要根据具体情况选择合适的方法。
水性聚氨酯的合成

水性聚氨酯树脂和其他树脂一样, 其最终制品的性能是由内部结构决定的。
阳离子型水性聚氨酯是将叔胺官能团引入到聚氨酯的大分子中而制得的。
通常用含叔胺基的二醇作扩链剂, 用烷基化剂或合适的酸进行季铵化而得到离子基团。
和普通的聚氨酯一样可用不同种类的多元醇、不同结构的二异氰酸酯、不同类型的扩链剂、不同类型的中和剂和采用不同的合成方法进行合成。
阳离子型水性聚氨酯的骨架上带有阳离子基团, 这就使其具有了一些独特的性能, 在皮革、涂料、胶粘剂、纺织和造纸等领域有着较好的应用。
此外, 阳离子水性聚氨酯对水的硬度不敏感, 且可以在酸性条件下使用。
因此, 开发出性能优异的阳离子水性聚氨酯, 其市场前景非常广阔。
1 阳离子水性聚氨酯的合成 1.1 合成机理合成阳离子水性聚氨酯时, 一般通过两种途径引入阳离子。
一是用卤素元素化合物引入阳离子,该机理先将聚醚或者聚酯二醇与二异氰酸酯制成预聚体, 加入溶剂降低粘度后, 加入卤素元素化合物( 如2,3-二溴丁二酸) 扩链, 然后再加入溶剂降低粘度, 加入三乙胺季铵化, 搅拌离子化, 将离子化后的PU 分散到水中, 高速剪切乳化, 最后蒸除溶剂。
该机理的季铵化是SN2(亲核取代反应) 二是用叔胺化合物引入阳离子, 该机理首先将聚醚或者聚酯二醇与二异氰酸酯制成预聚体, 加入溶剂降低粘度后, 用叔胺化合物( 如N- 甲基二乙醇胺) 扩链, 再加入溶剂降低粘度, 然后加入离子化试剂如乙酸, 搅拌离子化。
将离子化后的PU 分散到水中, 高速剪切乳化, 最后蒸除溶剂。
该机理的季铵化是酸碱中和。
1.2 合成方法阳离子水性聚氨酯的合成与阴离子水性聚氨酯的合成最大的不同就是阳离子水性聚氨酯需加酸成盐, 因此一般不在水中用胺扩链, 所以阳离子水性聚氨酯一般不用阴离子水性聚氨酯常用的预聚体混合法。
从国内外近年来的研究来看, 阳离子水性聚氨酯的合成主要有熔融法和丙酮法。
熔融法是无溶剂制备水性聚氨酯的重要方法。
目前水性聚氨酯的十大合成工艺

水性聚氨酯涂料是目前市场需求量较大的产品之一, 它适用于热敏温度低于(60 — 80) ℃常温交联固化的高、中档木器(家具等), 高档建筑装饰、高级汽车、飞机及航天器材等的中涂和表面涂装。
产品配方:1、改性三聚体交联剂产品可由TDI 、IPDI 、MDI 和XDI 等异氰酸酯制造。
其芳香族NCO反应温度在(120—150) ℃,脂肪族NCO 反应温度在(150—200) ℃。
它的最大优点是无黄变, 水白透明, 较适用于羧酸型等水性聚氨酯的常温交联剂。
为增强综合性能, 需采用两个NCO 基团活性不同的二异氰酸酯,并要将反应中产生的端NCO 用多元醇- 羧酸反应掉, 以利于胺中和及产物的水溶性。
由于其熔点高,反应需分阶段在有机溶剂中进行, 有机膦催化剂及120 ℃以上温度, 异氰酸酯可发生自缩聚反应,生成三聚体化合物。
其催化剂中戊杂环膦化氢是最有效的, 反应温度低, 收率可达90 % , 再用三聚催化法促进反应完全, 并对残基进行封闭。
产品配方:NCO :多元醇羧酸( 物质的量比) 为6:1:1.43。
工艺步骤: 多元醇- 羧酸溶液制备, 按配方将新戊二醇、苯偏三甲酸酐、DMPA 、二甲苯、甲苯加入反应釜搅拌,升温至80 ℃ , 完成溶解后, 升温至148 ℃回流脱水至透明后, 过滤出料备用。
亚胺预聚体的制备: 按配方将二甲苯、甲苯加入反应釜, 升温至148 ℃回流脱水后, 加入10 % 磷酸(甲苯) 液降温至120 ℃, 通入氮气, 将TDI 、IPDI 加入单体滴加釜, 在2 . 5h 内完成滴加后, 升温至130 ℃反应1h , 将10 % 戊杂环膦化氢液加入滴加釜, 开始缓慢滴加, 不断观察物料反应情况, 防止爆聚, 滴完在130℃反应2h 、140 ℃ 1h 、145 ℃30min , 降温至70 ℃, 将多元醇- 羧酸液加入滴加釜开始滴加,滴完在70 ℃反应(2—3) h , 检测NCO 转化率达96 % , 加入10 % 醋酸锂液, 此时有两种工艺: 一是降温至25 ℃, 静置7d ; 二是升温至(80—90) ℃反应(2—3) h , 测游离TD I 在0.3% 以下, 加入10 % 对甲苯磺酸甲酯液、10 % 二甲基吡唑液升温至85 ℃反应20min , 抽真空脱出2/3量的有机溶剂, 再加入亲水溶剂调节固含量为50 % , 降温至50 ℃加入50 % 三乙胺水溶液、N-甲苯二乙醇胺调节p H 值至8.5 , 升温到60 ℃反应至透明, 降温到40 ℃出料.2、改性HDI 缩二脲交联剂产品配方:NCO:H2O = 3:1.1,NCO:OH =6:1, 理论NCO 含量= 15.9 % , 采用分阶段聚合反应、中和法。
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水性聚氨酯的合成可分为两个阶段: 第一阶段为预逐步聚合,即由低聚物二醇、扩链 剂、水性单体、二异氰酸酯通过溶液逐步聚合生 成分子量为103 量级的水性聚氨酯预聚体;第二 阶段为中和后预聚体在水中的分散。
低聚物多元醇与二异氰酸 酯
DMPA 聚合反应 预聚体 乳化 中和
水性聚氨酯分散体
引发剂
改性物质
1.4 水性聚氨酯的应用
皮革涂饰 1 层、织物 涂层
2 水性涂 料 建筑涂 料 3 粘合剂
6
金属涂 层
5
家具烘 烤漆
4
印染助 剂
水性聚氨酯的前景
(1)双组分水性聚氨酯的研究与开发 (2)利用其他高分子材料对水性聚氨酯改性。 (3)开展对功能性水性聚氨酯的研究。 (4)研究新的固化成膜工艺。 (5)水性热固化聚氨酯用封闭剂和交联剂。 (6)水性聚氨酯应用助剂的研究以及商品化。 (7)提高国内水性聚氨酯产品质量和减少批差,开 展对水性聚氨酯专用设备的开发并投入市场
改性树脂乳液
1.3.3水性聚氨酯的合成方法
一、外乳化法
此法是采用二官能度 (聚醚和聚酯等)和过量的 二异氰酸酯通过逐步聚合 反应,制成具有适当分子 量的带有NCO端基的PU 预聚体和其溶液,然后加 入适当的乳化剂,经强剪 切作用,强制性地分散于 水中,反应如下:
预聚体粘度越低,越容易乳化,分散所需的能量也越低。如入少量 的可溶于水中的有机溶剂易于乳化。最好的办法是在乳化剂存在的 情况下,将这种PU与二胺扩链剂反应,以生成分子量更高的聚氨 酯-聚脲树脂。其反应如下:
也可将异氰酸酯与N-甲基二乙醇胺反应,再与碘甲烷进行 季铵制成阳离子水性聚氨酯。反应过程如下:
乳化原理
利用中和剂或成盐剂, 使水性聚氨酯的侧基( COOH ) 或 叔氨基( NR3 ) 在高速搅拌作用下分散于水中。 中和剂或 成盐剂的选择原则是: 使树脂稳定性好, 色浅外观好且经 济易得。 乳化过程中, 理想的状态是聚氨酯大分子链上的疏水部 分曲卷聚集在乳胶中心。亲水基团分布在乳胶粒表面并指 向外围水相, 粒子界面上离子结合体的分裂作用形成双 电层, 通过化学键连接在聚氨酯骨架上的阴(阳)离子 保留固定在粒子表面, 而离子则迁移至粒子周围的水相 中, 在微球表面形成N电势的电荷层, 从而加强了水分 散体的稳定性。
亲水基团
合成单体
包装形式
• 水性聚氨酯可分为单组分水性聚氨酯和双组分水性聚
氨酯。
1.3水性聚氨酯的合成
水性聚氨酯树脂是水性PU涂料,胶粘剂等应用的基 料,要想得到水性的PU涂料,必须首先制得稳定的水 性PU树脂。由于PU疏水性很强,难分散于水中,企图 采用一般的乙烯基合成树脂的方法是不可行的。一般用 聚合物二元醇(或多元醇)与二异氰酸酯反应,制得预 聚体聚氨酯树脂,然后采用相转移的方法将其溶解或者 乳化在水中。
1.3.1 水性聚氨酯的合成原料
多异氰酸酯 水性聚氨酯合成的多异氰酸酯包括芳香族 和脂肪族两大类。芳香族主要有TDI(甲苯 二异氰酸酯)、MDI(二苯基甲烷二异氰酸 酯);脂肪族主要有HDI(六亚甲基二异氰 酸酯)、IPDI(异佛尔酮二异氰酸酯)。
பைடு நூலகம்
低聚物多元醇
水性聚氨酯合成用低聚物多元醇主要包括聚醚型、聚酯型 两大类,它构成聚氨酯的软段。
(2)阳离子型
和阴离子型水性聚氨酯有所不同的,是在预聚体的制 备过程中使用N-烷基二醇胺扩链剂,生成分子量较高 的预聚体,使聚氨酯分子结构中含有叔胺基。其反应 如下: 再用酸(如醋酸)中和,或在中和时使残存NCO与 水反应也可用卤代烷将大分子链上的叔胺基转化为季 铵盐,在均化器中搅拌乳化成阳离子型水性聚氨酯。
(1)阴离子型水性聚氨酯,亲水基团为羧基或者磺酸基。
(2)阳离子型水性聚氨酯,亲水基团为叔胺基。
(1)阴离子型
将二官能度聚醚或者聚酯和过量二异氰酸酯反应,制备含 NCO端基的预聚体,然后在溶剂中采用羧基酸(如酒石酸, TMP)作为扩链剂,将羧基阴离子引入到聚氨酯主链中, 在用有机胺中和后,在搅拌作用下加入无离子水乳化,即 得阴离子型聚氨酯。
溶剂型在下降,水性涂料在上升
水性聚氨酯
1.1 聚氨酯概述 1.2 水性聚氨酯 1.3 水性聚氨酯的合成 1.4 水性聚氨酯的应用 1.5 前景
1.1 聚氨酯的简介
聚氨酯的结构它由多异氰酸酯(如,二异氰酸酯 OCN-R-NCO)与多元醇(如,二元醇HO-R-OH) 聚合而成,其中氨基甲酸酯链段是重复的结构单 元。聚氨酯结构中具有类似酰胺基团及酯基团的 结构,因此,聚氨酯的化学与物理性质介于聚酰 胺和聚酯之间。 —[-CO-NH-R-NH-CO-OR-O-]n—
中和剂(成盐剂)
中和剂是一种能和羧基、磺酸基或叔胺基成盐的试剂。水 性聚氨酯使用的中和剂是三乙胺、氨水、盐酸及醋酸等。
溶剂
水性聚氨酯预聚体制备时粘度较大,为方便传质、传热, 尤其是后期的乳化,必须加入适当的溶剂。
水
水性聚氨酯中水是分散介质,为提高稳定性,此时应使用 去离子水或蒸馏水。
1.3.2 水性聚氨酯的合成机理
水性聚氨酯涂料的研究进展 及其应用
主讲人:王长坤 导师:梁亮
引言 引言
进入21世纪初,环境保护愈发受到世人的关注。溶剂型涂 料含有大量的挥发性有机溶剂(VOC),在使用的过程中 排入大气,不仅破坏环境,危害健康,同时也浪费资源能 量。随着国际范围内的能源紧张和资源保护法进一步苛刻, VOC 的排放量进一步受到限制。在这样一个背景下,水 性PU就作为涂料而言,不仅在制作过程中不使用溶剂, 施工中不排放有机溶剂而且完全符合国际4E原则,因而水 性PU的发展,呈现出极为良好的前景。
1.2水性聚氨酯
水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane, 简称WPU )是以水为介质或者分散于的二元 胶态体系。聚氨酯粒子分散于连续的水相中, 也称之为水性PU 或水基PU。它具有无毒, 不易燃烧, 不污染环境, 节能, 安全可靠, 不易损伤被涂饰表面, 易操作和改性等优点。
扩链剂
为了调节分子量及软、硬段比例,在水性聚氨酯合成中常 使用扩链剂。扩链剂主要是多官能度醇类或胺类化合物。
亲水剂(亲水性扩链剂)
亲水性扩链剂指能在水性聚氨酯大分子主链上引入亲水基 团的扩链剂,它是水性聚氨酯制备中使用的功能单体。该 类扩链剂中带有羧基、磺酸基或叔胺基,结合有此类基团 的聚氨酯经中和、离子化,即呈现水溶性。
1.2.1水性聚氨酯的分类
外观分类 •水性聚氨酯可分为聚氨酯水溶液(粒经<1nm)、聚氨 酯分散体(粒经1nm~100nm)和聚氨酯乳液(粒经 >100nm)。 •水性聚氨酯可分为阴离子型水性聚氨酯、阳离子型水 性聚氨酯和非离子型水性聚氨酯。 •水性聚氨酯可分为聚醚型、聚酯型和聚醚、聚酯混 合型。
由于胺基与NCO基团反应速率比水快一个数量级,因此 外乳化法在大多数的情况下可在水中分散的同时进行扩 链
二、自乳化法
在疏水性的聚氨酯分子结构中引入亲水的离子性基团,制成含离子 键的聚氨酯,然后将其分散于水中,并在油水两相体系中进行扩链反
应,经季铵化形成离子时,即得稳定的水性聚氨酯。
按亲水基团的类型可分为: