第26卷第5期 化学反应工程与工艺 VOl 26,NO 5 2010年1O月 Chemical Reaction Engineering and Technology 0ct.2010 文章编号l 1001--7631(2010)O5—0462一O4 原位聚合法制备脲醛树脂微胶囊过程中 稳定剂及芯壁比的作用 李旭峰 单国荣 (浙江大学化工系,化学工程国家重点实验室(浙江大学),浙江杭州 310027) 摘要: 采用原位聚合法制备了以异丙苯过氧化氢为芯材、脲醛树脂为壁材的微胶囊。研究了稳定剂类别 和芯壁比对微胶囊化过程的影响。结果表明,稳定油滴的形成是能得到微胶囊产品的前提条件,而稳定荆 对油滴的稳定效果越好,壁材越倾向于形成囊壁;芯壁比的增加会使微胶囊产率下降,芯含量增加;改变 芯材或壁材用量调节芯壁比会影响壁材利用率。 关键词;微胶囊I脲醛树脂;异丙苯过氧化氢 中图分类号:TQ323.3 文献标识码:A 原位聚合法是制备微胶囊的常用方法[1 ],其特点是在微胶囊化过程中,单体与引发剂处于油/ 水乳液的同一相中。随着反应的进行,可溶的单体与低聚物转为不可溶的聚合物,从而由原来的相中 析出,沉积在相界面上形成胶囊,脲醛树脂是常用的壁材口 ]。由于不溶聚合物同时有着在相界面沉 积与自身均相成核两种趋势口],因此原位聚合法的一个最关键的问题就是如何调控这两种趋势的相对 速率,使聚合物更多地形成囊壁。 要使聚合物沉积在油滴上,则需首先形成稳定的油滴,而体系中稳定剂的使用就是为了形成稳定 的油滴。因此,本工作从不同类别稳定剂的选用出发,使用脲醛树脂作为壁材,通过原位聚合法制备 微胶囊,并进一步研究了稳定剂聚乙烯醇(PVA)醇解度以及芯壁比在微胶囊化过程中的作用。 1 实验部分 1.1微胶囊的制备 脲醛树脂微胶囊的合成有强酸一步法嘲和弱碱一强酸两步法E73两种工艺路线。本工作采用了强酸 一步法进行研究。 使用PVA(牌号1795、KH一20、GH一20、B72)、苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)、十二烷基硫 酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和羟丙基甲基纤维素(HPMC)以及阿拉伯胶(GA)作 为稳定剂。将稳定剂配成质量分率为0.16%的水溶液,再加入尿素、氯化铵和间苯二酚,其中氯化铵 和间苯二酚用量均为尿素质量的十分之一。混合均匀后,用盐酸和氢氧化钠溶液反复调节pH至 3.5O。然后缓慢加人芯材异丙苯过氧化氢溶液(CHP)(70%,上海凌峰化学试剂有限公司),芯材 与稳定剂质量比为50:l。搅拌15~2O min分散后,加入甲醛水溶液使尿素甲醛物质的量比为 2.1:1。在300 r/min的转速下,从25℃开始以1℃/min的速率升温至55℃,反应4 h。停止反应 后,逐步冷却至室温,静置至少6 h后真空抽滤并用蒸馏水洗涤数次,空气中干燥至恒重,得到干燥 的微胶囊产品。 1.2微胶囊的表征 光学显微镜(OM)用于观察微胶囊形貌。芯含量(oJ )由丙酮萃取法得到,具体是称取一定 收稿日期;2010—08-14;修订日期:2010—09—19 作者简介:李旭峰(1985一),男,硕士研究生;单国荣(1968一),男,教授,博士生导师,通讯联系人。E-mail,shangr@zju.edu.cn 第26卷第5期 李旭峰等.原位聚合法制备脲醛树脂微胶囊过程中稳定剂及芯壁比的作用463 量微胶囊产品(Mm … )充分研磨,加入丙酮萃取,萃取液自然过滤,重复多次萃取过滤环节,使 芯材与壁材完全分离。烘干滤纸及滤渣,对滤渣称重(M日“eu),则: 芯含量((cJ )一(1一砀M sh ell ̄)×1OO% |cr。。。 I产率( )一 M m×1。O 壁材利用率( )一 ×lOO%o 芯材包覆率( )一 ×lOO% 其中Mm为微胶囊产品干燥后质量,Mu、M 和Mc分别为投料中尿素、甲醛和异丙苯过氧化氢 的质量。 2结果与讨论 2.1 稳定剂类别对微胶囊化过程的影响 脲醛树脂微胶囊通过原位聚合法制备得到,即水相中的脲醛树脂低聚物随分子量的增大而析出, 沉积在油滴表面形成胶囊,这就需要合适的稳定剂形成稳定油滴。本文对使用多种稳定剂以及不使用 稳定剂进行了研究。结果表明,不使用稳定剂仅依靠脲醛树脂的表面活性不能形成稳定油滴及胶囊, 如图l(a)所示,这与文献嘲中的观点一致。而在使用稳定剂的情况下,加入反应物甲醛前,体系 能形成稳定油滴的只有PVA系列。加入甲醛后,使用SDBS、SDS、HPMC、GA以及SMA作为稳 定剂的,体系很快失稳,表现为油相全部析出沉积在釜壁或搅拌桨上,而水相变澄清。如图1所示, 反应1 h后,只有采用PVA的体系能形成稳定的油滴和胶囊。表明稳定剂与油水相作用决定了能否 形成稳定的油滴,而稳定油滴的形成才能使壁材沉积在界面上形成胶囊。 一一一一一 a b c d e 一一一一一 f g h i j 图1使用不同稳定剂反应1 h的OM照片 Fig.1()M micrographs of microcapsules using different stabilizers after reaction for l h (a)None;(b)SDBS;(c)SDS;(d)HPMC;(e)GA;(f)SMAt(g)PVA 1795;(h)PVA GH一20;(i)PVA KH一20;(j)PVA 15-72 (CHP 7.5 g,urea 1.875 g,formaldehyde solution 4.814 g) 由于油滴表面已包覆了一层稳定剂,因此在壁材沉积在油滴表面的过程中,壁材必将同稳定剂相 互作用,对此作了进一步研究。PVA对油滴的稳定效果可由其表面活性和保胶能力来表征,而两者 均与其醇解度有关,因此改变PVA的醇解度即可改变PVA的稳定效果。选择了不同醇解度的PVA 作为稳定剂,如表1所示,反应4 h后产物微胶囊的形貌如图2所示。作为对照在不加油相时,脲醛 464 化学反应工程与工艺 2010年10月 树脂全部均相成核,则图2(a)即为脲醛树脂颗粒;使用1795作为稳定剂时,如图2(b)所示,均 相成核的脲醛树脂颗粒较多,而当采用醇解度较低的GH一20和KH一20时,均相成核显著减轻,如 图2(c,d)所示,即有更多的脲醛树脂形成囊壁;使用醇解度更低的B72时,胶囊阅的粘连进一步减 弱,可以得到独立的胶囊。 表1不同牌号PVA的醇解度及其表面张力 Table 1 Degree of hydrolysis and surface tension with different grades of PVA Degreeof su『Iacetension / Degree of Surface tension / PVA grade PVA grade hydr。lysis.,(mNm)hydrolysis, (mN・m) 1795 95 59.70 KH一2O 79~82 52.30 GH一20 87~89 57.95 B72 72~74 46.00 1)Testing conditions:mass fraction of PVA 0.16%and temperature 25℃ 一一一一一 a b 图2使用不同牌号PVA反应4 h后的OM照片 Fig.2 OM mierographs of microcapsules using different grades of PVA after reaction for 4 h (a)Without o.1;(b)1795;(c)GH一2O;(d)KH一20;(e)B72 (stabilizer 0.15 g,CHP 7.5 g,urea 1.875 g,formaldehyde 4.814 g) 结果表明,稳定剂结构的差别导致稳定效果的变化,影响了壁材脲醛树脂成囊相对于均相成核的 速率,随PVA醇解度的降低,壁材更倾向于形成囊壁。这是由于低醇解度的PVA表面活性和保胶 能力更强,油滴的稳定性也更好,而稳定存在的相界面更有利于壁材的沉积。因此,稳定剂对油滴的 保护效果越好,壁材越容易形成囊壁。 2.2芯壁比对微胶囊化过程的影响 在成囊过程中,芯壁比的大小是重要的参数,改变芯材或壁材用量均能调节芯壁比,而改变壁材 用量还会引起壁材浓度的变化,因此分别进行研究,参数及结果如表2所示。 表2不同芯壁比下的微胶囊产率、芯含量、壁材利用率以及芯材包覆率 Table 2 Descriptions of the mierocapsules using different feeding weight ratio of core:shell monomers Sample ID Core:shell , ccJ , h。Ij’ 忙 e,% 1 0:1.5 44.5 0 44.5 0 2 1.5:1.5 50.2 38.7 68.0 24.1 3 3:1.5 38.7 59.3 70.7 15.6 4 6:1.5 一 一 一 一 5 3:1 23.9 77.2 59.7 6.6 6 3:2 52.5 47.8 79.8 25.9 可以看到,不加芯材时,脲醛树脂通过均相成核得到,其产率仅为44.5 9/5,表明脲醛树脂低聚物 形成聚合物的反应没能完全进行;加入芯材后,形成油水界面,均相成核的脲醛树脂会在界面上析出 成囊,形成的聚合物转移至界面上,反应区域聚合物浓度的降低促进了低聚物形成聚合物的反应,使 脲醛树脂的利用率提高,即促进了脲醛树脂的聚合。芯材用量增加或壁材用量减少均使微胶囊产品产 第26卷第5期 李旭峰等.原位聚合法制备脲醛树脂微胶囊过程中稳定剂及芯壁比的作用465 率降低,芯含量增加。 保持壁材用量一定,改变芯材用量使芯壁比由1.5:1.5增至3:1.5,胶囊壁的粗糙程度明显降 低,如图3所示,而芯材包覆率大幅下降,壁材利用率稍有增加,表明体系中壁材的利用率是有上限 的,芯材用量的改变只能调节胶囊的壁厚。而当芯壁比变为6:1.5时,胶囊壁粗糙程度进一步降低, 而胶囊壁厚也进一步降低,囊壁过薄导致胶囊强度降低,在抽滤过程中破裂,无法得到产品。 一一一一一 图3芯壁比对微胶囊形貌的影响 Fig.3 Effect of feeding weight ratio of shell:core monomers on capsules morphology 保持芯材用量一定,发现胶囊产率和芯材包覆率随壁材用量降低而降低,同时壁材利用率也相应 降低,表明壁材浓度增加可以提高其利用率。这是由于壁材浓度的降低,造成壁材的反应速率和转化 率均下降,使得包覆的油滴量减少,囊壁变薄,导致了芯含量的增加和产率的降低。而当壁材用量减 少至芯壁比为3:1时,过薄的囊壁使得微胶囊产品不稳定,部分凝胶。 3 结 论 以异丙苯过氧化氢为芯材,脲醛树脂为壁材,通过对稳定剂SDBS、SDS、HPMC、GA、SMA 以及不同醇解度PVA的稳定效果进行比较,表明稳定油滴的形成是能得到微胶囊产品的前提条件, 而稳定剂对油滴的稳定效果越好,壁材越倾向于形成囊壁。芯壁比的改变,对微胶囊产品的产率和芯 含量影响较大。增加芯材用量或减少壁材用量,都导致芯含量的增加和产率的降低,但对壁材利用率 的影响不同。 参考文献: 1 Wang R G,Li H Y,Hu H L,et a1.Preparation and Characterization of Self-Healing Microcapsules with Poly(urea—formaldehyde) Grafted Epoxy Functional Group Shel1.Journal of Applied Polymer Science,2009,113(3):1501~1506 2 Zhang T,Zhang M,Tong X M,et a1.Optimal Preparation and Characterization of Poly(urea—formaldehyde)Microcapsules. Journal of Applied Polymer Science,2009。115(4):2162 ̄2169 3 Caruso M M,Schelkopf S R,Jackson A C,et a1.Microcapsules Containing Suspensions of Carbon Nanotubes.Journal of Materials Chemistry,2009,19(34):6093 ̄6096 4 Blaiszik B J,Caruso M M,Mellroy D A,et a1.Microeapsules Filled with Reactive Solutions for Self-Healing Materials.Polymer, 2009,50(4):990~997 5王允韬,郭慧林,王建平等.脲甲醛缩聚物制备电子墨水微胶囊研究.高分子学报,2004,(z):268~272 6 Wang Yuntao,Guo Huilin,Wang Jianping,et a1.The Preparation of Electroph0retic Ink Microcapsules by Using Urea Formaldehyde Ollgomer.Acta Polymerica Siniea,2004,(2):268~272 7 Brown E N, Kessler M R, Sottos N R, et a1.In Situ Poly(urea—formaldehyde)Microencapsu1ation of Dicyclopentadiene. Journal of Microencapsulation,2003,20(6):719~730 8 Dietrich K,Bonatz E,Geistlinger H,et a1.Amino Resin Microcapsules.II.Preparation and Morphology.Acta Polymerica, 1989,40(5):325~331 (下转第471页) 第26卷第5期 祝宝东等.低密度聚乙烯固相接枝丙烯酸一2一羟乙酯共聚物的合成工艺471 Synthesis of Copolymers LDPE。g-HEA by Solid Phase Grafting Zhu Baodong Wang Jian Dong Qun Qiao Yan (Provincial Key Laboratory Oil 8L Gas Chemical Technology.College of Chemistry and Chemical Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China) Abstract:The copolymers(LDPE~g—HEA)of low density polyethylene(LDPE)grafting 2-hydroxyethyl acrylate(HEA)were prepared by solid—phase method and were characterized by fourier transform infrared spectroscopy(FTIR).Effects of the swelling time,swelling temperature, reaction temperature,reaction time,initiator azobisisobutyronitrile(AIBN)concentration,dosage of interfacial agent xylene and the content of the graft monomer on graft reaction were investigated.The gel content of prepared products grafting with varying addtion amount of monomer was determined. The results showed that the HEA was grafted onto main chain of LDPE,the optimum condition parameters were as follow:swelling at 50℃for 40 min,and reaction at 85℃for 2.5 h,when the content of AIBN was 0.3%,xylene 8.6 and HEA 5.0 ,at which the graft ratio,grafting efficiency and gel content respectively were 3.8%,76.6 and 2.2 .With the content of feeding monomer increasing,the graft ratio and grafting efficiency increased.Meanwhile,the gel content was higher.Modified products of different grafting ratio could be prepared by changing the monomer dosage. Key words:low density polyethylene;solid—phase grafting;2一hydroxyethyl acrylate;grafting ratio; grafting efficiency (上接第465页) Effects of Stabilizer and Core/shell Ratio on the Microencapsulation Process of Poly(urea—formaldehyde)by in Situ Polymerization Li Xufeng Shan Guorong (State Key Laboratory of Chemical Engineering(Zhejiang University),Department of Chemical Engineering, Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:To study the effects of different stabilizers and core/shell ratios on microencapsulation process,microcapsules with poly(urea—formaldehyde)(PUF)as shell and cumene hydroperoxide (CHP)as core were prepared by in situ polymerization technology.The microencapsulating process of core was monitored using optimal microscopy(OM).The results indicate that PUF microcapsules containing CHP could be synthesized successfully using poly(vinyl alcoho1)(PVA)as stabilizer.The formation of stable oil droplets was the key step to get microcapsule product.PUF was bias to form shell with more stable oil droplets.Increasing core/shell ratio,the microcapsule yield would be lower and core content increased.But the effect on the yield of shell was different with the change of core or shel1 feeding weight. Key words: microcapsules;eumene hydroperoxide;poly(urea—formaldehyde)