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        中空微球的應用研究*

        2014-04-03 01:13:58孫彥琳肖小琴
        化工科技 2014年5期
        關(guān)鍵詞:中空皮革微球

        趙 曄,孫彥琳**,王 紅,司 甜,肖小琴,虞 翔

        (1.昆明理工大學 化學工程學院,云南 昆明 650500;2.昆明理工大學 理學院,云南 昆明 650500)

        中空微球是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的微球材料,自提出[1]以來就備受人們的關(guān)注。它內(nèi)部有多孔結(jié)構(gòu)形成的空腔,具有低密度、高比表面積等性質(zhì)。而且可以將小顆粒、液體和氣體封裝其中,形成具有特殊功能的微球顆粒。由于微球表面的殼層和空腔中的空氣折光指數(shù)不同,使中空微球具有較高的光散射性。鑒于中空微球的諸多優(yōu)良特性,在各類行業(yè)中有著廣泛的應用。

        中空微球的材料來源很多,主要有無機材料如玻璃、SiO2等,天然高分子材料如殼聚糖等,半合成高分子材料如甲基纖維素、乙基纖維素等,合成高分子材料如聚苯乙烯、聚丙烯酸酯類等。近年來研究較多的是合成高分子微球,如聚酯類、聚合酸酐等成膜及成球性好,化學穩(wěn)定性高。經(jīng)過近30年來的研究,中空微球的制備方法主要有以下幾種:模板法[2]、自組裝法[3]、SPG膜乳化法[4]、非溶劑封裝法[5]、W/O/W乳液聚合法[6]等。作者主要介紹了中空微球在各種行業(yè)中的應用。

        1 在涂料中的應用

        1.1 船艙涂料

        船舶體積龐大而且常處于高鹽度水中作業(yè),所以對船舶涂料有很高的要求。大型船舶長期出海航行,在夏季,甲板和上層建筑長期受到陽光的照射,熱量被船艙外壁吸收,并且傳遞給船艙內(nèi),使艙內(nèi)溫度升高,不利于物品的儲存和人們的生活,同時溫度升高也不利于艦船的熱紅外偽裝;而在冬季,所處環(huán)境溫度較低,船體內(nèi)外存在溫度梯度,導致船艙內(nèi)壁結(jié)露,容易對船體造成腐蝕,因此對船艙涂料有更高的要求。

        在船體內(nèi)部,張偉剛[7]等人以醋酸乙烯酯作為主單體,以丙烯酸及其酯類單體作為功能單體對醋酸乙烯酯進行改性,采用半連續(xù)種子乳液聚合法合成新型白乳膠,再用中空微球進行填充,制備出了具有自粘性、可直接涂覆在船體內(nèi)部的隔熱材料。實驗中,通過調(diào)節(jié)中空微球的粒徑和加入量來調(diào)節(jié)材料的隔熱效果,從而使材料的剝離強度和剪切強度在可控范圍內(nèi)盡大可能的提高隔熱性能。而船舶的外表面,莊海燕[8]等人設(shè)計的三層隔熱反射涂料可有效地起到反射和降溫作用。其中中間層用微米級的中空玻璃微珠進行填充,利用中空玻璃微珠容量輕、強度高、導熱系數(shù)小等特點得到了較好的隔熱效果。

        船艙涂料利用中空微球空腔包覆氣體,受熱后進行對流傳遞熱量的特點,作為填充劑加入到涂料中,從而使涂料具有隔熱保溫的作用。

        1.2 皮革涂料

        皮革材料在生活中用途廣泛,可用于做服飾、鞋、箱包及各種裝飾品等,但是生皮表面粗糙,而且還有各種瑕疵,所以需要對生皮的表面進行處理和涂飾。

        復鞣是制作輕革的一道重要工序,可以提高皮革的柔軟性和豐滿度,縮小部位差,促進染色均勻等。魏德卿[9]等人用丙烯酸類及乙烯類單體為主要原料,采用核-殼乳液共聚合的方法合成了中空微球樹脂乳液——HMP,并將其用于服裝用革的復鞣。經(jīng)過HMP復鞣的皮革,粒面平細、白度好、耐光老化、手感柔軟滑爽、有絲光感而且應用廣泛。HMP復鞣劑是由粒徑均勻,表面用能與皮蛋白纖維結(jié)合的基團進行修飾的高分子中空微球組成,由于中空微球的質(zhì)量小,用于填充皮革,可使皮革不松面但是柔軟。HMP在與皮纖維結(jié)合后仍保持了球的形態(tài),觸摸時,球能滾動,使摩擦系數(shù)減小而感覺皮革的粒面平滑。當光線照射到球時,高分子球殼與球內(nèi)空氣的折射率不同,在它們的界面發(fā)成散射,增強了對光的反射指數(shù),提高了遮蓋能力,可使彩色皮革的色澤更鮮亮。鮑艷[10]等人發(fā)明了一種制備聚丙烯酸酯/中空二氧化硅納米復合皮革涂飾劑的方法,解決了只用聚丙烯酸酯材料會在皮革表面形成了一層致密的薄膜,人體散發(fā)的水汽無法擴散至外界而導致皮革產(chǎn)生的衛(wèi)生問題。他們以聚苯乙烯微球為模板制備了中空二氧化硅納米粒子,與聚丙烯酸酯共混制備出了聚丙烯酸酯/中空二氧化硅納米復合皮革涂飾劑。結(jié)果證明,用此復合皮革涂飾劑與純聚丙烯酸酯皮革涂飾劑相比,透水汽性提高了82.65%,抗張強度提高了37.72%,斷裂伸長率提高了11.09%。

        壓花技術(shù)是在皮革表面印刻花紋和圖案,以改進皮革的美觀性。Frederick J Schindler[11]等人將聚合物微球和用水填充空腔的微球用于皮革壓花的涂料,得到的產(chǎn)品有較好的清晰度和銳度。專利中還提到了一種西班牙皮革壓花的方法,其中涂料為包含大量氣體,平均粒徑為5~15 μm的中空微球,用該涂料處理過的皮革具有較好的柔韌性和拉伸強度,壓花清晰而且可以隱藏皮革基材中的裂紋。

        在皮革的使用中,各種原因造成皮革的傷殘不可避免,人們對傷殘皮革進行了補傷處理,以提高皮革資源的利用率和價值。荊春貴[12]等人用平均粒徑20~60 μm的熱膨脹性中空微球作為有機消光填料,水性丙烯酸樹脂和聚氨酯作為粘合劑,再加入其它助劑制備了皮革消光補傷劑,對傷殘皮革有理想的補傷效果。由于中空微球中含有大量的空氣,對光有折射和散射作用,因此有很好的消光效果。用此皮革消光補傷劑對傷殘皮革進行補傷,涂層亮度均勻,不會在補傷部位產(chǎn)生亮點。

        1.3 紙張涂料

        紙張是我們生活中的必需品,用來書寫、印刷書報、商品包裝等。制作過程中要在原紙表面涂布顏料、樹脂或其它特殊物質(zhì),涂布的目的是改善紙的表面性能,提高其強度、耐水性、耐油性和提高防光、防射線、防銹等功能。

        紙張涂料是由多種結(jié)構(gòu)不同的無機物和高分子聚合物組成的混合體系,它的性能決定了涂布加工最終產(chǎn)品的質(zhì)量,是涂布加工過程中的重要因素。傳統(tǒng)方法是涂敷一些碳酸鈣等無機顏料,然后進行軋光處理。此后,周軍鋒[13]通過界面反應法制備了球形中空碳酸鈣顆粒,填加在紙頁內(nèi)部,使紙頁緊度略有下降,光散射系數(shù)有所增加。通過實驗可知,紙頁中添加的球形中空碳酸鈣顆粒越多,紙頁表面的平滑度也越高。

        由于中空微球的光散射性較高而且質(zhì)量較輕,與無機涂料相比,既可以提高涂料的遮蓋力,使涂料輕質(zhì)化,還可以減少涂料的用量,降低成本。松井尚[14]等人在苯乙烯與其它單體共聚形成的膠乳粒子中導入空氣,使之形成中空,由于壁面的散射作用,可改善涂布紙的白度、不透明度等光學性能。由日本杰昂公司[15]開發(fā)的紙張涂布用顏料是一種帶有—COOH基團,玻璃化溫度大于100 ℃,具有較高遮蓋能力的中空顆粒,涂布于紙上,可改善白度、不透明度及光澤。約翰P凱利[16]等公開了一種形成涂布紙和/或紙板的方法,在紙涂布組合物中使用中空聚合物顏料,使其具有高光澤度、良好的光滑度、較高的硬挺度等優(yōu)點,同時使下面的基紙的永久變形最小化。

        中空微球因其內(nèi)部有空氣存在,比一般的微球隔熱效果好,可用于特殊紙張如感熱紙的加工。

        2 在生物醫(yī)藥中的應用

        2.1 藥物緩釋

        在醫(yī)學工程中,很多藥物無法直接使用,而且一般的給藥方式,使人體內(nèi)的藥物濃度只能維持較短的時間,血液中或是體內(nèi)組織中的藥物濃度上下波動較大,不但起不到應有的療效,而且還可能產(chǎn)生副作用。因此,制備能夠緩慢釋放藥物成分的緩釋性長效藥品在治療中經(jīng)常是非常需要的。要制備緩釋長效藥品,關(guān)鍵是要制備能使被承載的藥物緩慢釋放的載體材料,中空微球內(nèi)含空腔,可將藥物包覆其中,是很好的藥物載體材料。

        聚乳酸類聚合物生物降解性好,對人體無害,廣泛應用于藥物緩釋載體領(lǐng)域。聚乳酸在1966年就被應用作為手術(shù)縫線材料[17],1975年開始應用于藥物的緩釋[18],已獲得美國FDA批準。沈正榮[19]等人采用相分離-凝聚法將DL-聚乳酸作為5-氟尿嘧啶的載體,制備了粒徑在105~180 μm、含藥質(zhì)量分數(shù)60%的微球,并在pH=7.4的磷酸鹽緩沖液和栓塞后兔腎動脈中進行藥物釋放實驗。其中選用合適的表面活性劑Span80來改善5-氟尿嘧啶和DL-聚乳酸的相容性,從而控制微球粒徑和含藥量,得到粒徑均一,有明顯緩釋作用的藥物緩釋微球。該微球可使血藥濃度在2周內(nèi)維持在較高濃度,然后緩慢下降至6周后維持在較低水平。倪茂君[20]等人采用溶劑蒸發(fā)萃取法,以尼莫地平為模型藥物,聚乳酸為載體制備了N-乙烯基吡咯烷酮接枝聚乳酸共聚物微球,該微球形態(tài)圓整,平均粒徑小于10 μm而且分布窄,可連續(xù)釋放藥物14 d以上。研究表明,隨著接枝率增大,釋放速率增大。

        納米微球以其優(yōu)越的尺寸作為一種藥物輸送平臺,具有提高活性藥物的利用率和選擇性、降低毒副作用、實現(xiàn)靶向給藥等優(yōu)勢。Ueno Y[21]等采用共沉淀法將倍他米松等藥物包裹到納米級碳酸鈣中,研究其緩釋作用發(fā)現(xiàn),對于親水性藥物和生物活性蛋白質(zhì)的運輸,納米級碳酸鈣可起到持續(xù)、穩(wěn)定的釋放作用。

        藥物緩釋研究領(lǐng)域?qū)θ祟惿茖W的發(fā)展有著重要的作用,而中空微球以其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性受到越來越多的關(guān)注,是有廣泛應用前景的一個領(lǐng)域。

        2.2 固定化酶

        酶是一種高效的催化劑,能夠在常溫常壓下催化幾乎所有已知的化學反應,是一種綠色的生物催化劑。隨著生物催化技術(shù)的提高,以其為基礎(chǔ)的一系列工業(yè)也不斷的發(fā)展,在醫(yī)學、化學、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但是由于酶的特性,在某些環(huán)境中其結(jié)構(gòu)會被破壞而失去催化活性。對于一些產(chǎn)品來說,酶被視為一種雜質(zhì),而且不易被分離出來。所以,為了解決以上問題,人們提出了固定化酶,即把酶結(jié)合到固相載體上,以固體催化劑的形式參與反應。由于中空微球內(nèi)部有一個或多個空腔,有較大的比表面積,是固定化酶的常用載體。

        吳定[22]等人用處理后的龍蝦殼粉碎后作為殼聚糖,溶解于鹽酸,配成殼聚糖溶液,再加入到氫氧化鈉和甲醇混合溶液中形成中空球形殼聚糖。將此中空球形殼聚糖用戊二醛活化后分別與α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶、切枝普魯蘭酶制備成固定化酶。用這4種固定化酶組成的酶催化反應器,生產(chǎn)低聚異麥芽糖質(zhì)量分數(shù)可達38.9%。而且避免了采用不易回收重復利用的游離酶進行生產(chǎn),降低了成本。

        磁性中空微球不僅具有中空的特殊結(jié)構(gòu),還可以在外界磁場的作用下,沿著磁場方向移動,而且對酶進行固定化時,載體的選擇性吸附可起到一定的純化作用,所以使其在固定化酶領(lǐng)域受到關(guān)注。楊森[23]等人公開了一種制備磁性中空復合微結(jié)構(gòu)固定化酶的方法。在恒溫條件下,將酵母在液體中進行碳化,得到中空多聚糖微球。再加入鐵等無機鹽,得到磁性中空多聚糖微球,將酶固定到載體上,形成固定化酶。該固定化酶的酶蛋白負載量高、酶活性高、酶的穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性強,易于回收。

        2.3 超聲造影劑

        超聲成像是利用超聲的物理特性和人體器官組織聲學性質(zhì)上的差異,可以處理波形、振幅和頻率等信息來反應對象的特點,以此來診斷疾病的方法[24]。超聲成像的原理是超聲射入人體,經(jīng)過不同的器官,產(chǎn)生不同的反射。由于反射的強弱不同,呈現(xiàn)在影屏上的光電明暗就不同,便得到了超聲圖像。由于生物組織間的回波信號不同,會導致診斷產(chǎn)生一定的誤差,所以常常會加入超聲成像造影劑來增強診斷的準確性。將聲阻抗值與血液完全不同的超聲造影劑加入到血液中,可增強血液的散射作用,進而提高血管與組織的顯像[25]。

        早期研究的造影劑強度不夠,在血液中易破裂,影響成像效果。無機材料SiO2的生物相容性和機械穩(wěn)定性較好,而且表面容易用氨基、羧基等官能團修飾,有利于連接其它生物活性分子。Pei-Lun Lin[26]等以SiO2為材料,制備的微泡材料機械性能較好,初步證實了SiO2中空微球可應用于超聲造影劑領(lǐng)域。侯連兵[27]等人發(fā)明了一種新型氣乳劑型超聲造影劑及其制備方法,該超聲造影劑為包含磷脂、聚乙二醇衍生物、泊洛沙姆的中空微球,里面包裹有不溶于水、具有生物相容性的氣體,平均直徑為2~5 μm。這種超聲造影劑制備簡單,穩(wěn)定性好,原料成本低,可擴展臨床超聲的應用范圍。此后,賓建平[28]等發(fā)明了一種磁性分子靶向超聲造影劑,該造影劑是內(nèi)部包裹氣體,平均直徑為1~4 μm的磁性脂質(zhì)體微球混懸液。實驗證明,用此種超聲造影劑,靶向顯影效果良好,可用于評價器官組織動脈和靜脈系統(tǒng)的血管內(nèi)皮分子變化,而且在治療方面也有良好的應用前景。

        3 在日常生活中的應用

        3.1 化妝品

        聚合物微球在化妝品方面的應用近年來備受關(guān)注,由于其光散射性能好,做出來的化妝品不僅有增白作用,還可以提高化妝品的透明感。在中空微球的內(nèi)部空腔中加入功能性物質(zhì),使化妝品具有美白、防曬等效果,而且還可以實現(xiàn)緩慢釋放的功能,避免了在使用初期活性物質(zhì)濃度過高,而后急劇下降的缺點。

        Sanjeev Midha[29]在頭發(fā)清潔用香波中添加平均粒徑小于80 μm最優(yōu)粒徑為30~60 μm的中空型聚合物微球,微球中腔包裹維他命、蛋白質(zhì)、草本提取物、香精等,在維持了頭發(fā)卷的同時,對頭皮和發(fā)質(zhì)沒有損傷,還有滋養(yǎng)頭發(fā)的功效。Ching-Jen Chang[30]等發(fā)明了一種有效提高在防曬霜中防曬配方的穩(wěn)定性和有效性的方法,將粒徑為50~1 000 nm,至少4%殼層交聯(lián)度的中空微球加入防曬霜,延長了防曬產(chǎn)品的使用壽命和耐久性,在存儲條件下提高了防曬指數(shù)和有效性。邰曉曦[31]等將中間包裹有熒光物質(zhì)的微球應用于彩妝領(lǐng)域,這種微球具有良好的吸收、散射和著色能力,可以提高化妝品的透明感,使皮膚自然光亮,使皺紋模糊。

        3.2 塑料

        中空微球借于其結(jié)構(gòu)特點具有質(zhì)量輕的優(yōu)點,作為填充劑和改性劑,在發(fā)展輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料方面顯示了其它填料無可比擬的優(yōu)勢。

        呂世光[32]介紹了中空微球的制造和性能,并將其用于制造中空微球復合塑料。在制備復合塑料的過程中,填加中空微球的同時也可加入少量玻璃纖維,既可增強其機械性能,也實現(xiàn)了材料輕量化的要求。周秋明[33]等用低剪切式攪拌槳在聚氨酯樹脂基體中加入空心玻璃微珠,當增加空心玻璃微珠的用量時,可減小聚氨酯泡沫塑料的泡孔直徑,提高壓縮性能,但泡沫塑料的阻尼因子沒有明顯變化,具有較好的減震效果。鐘意[34]等將空心玻璃微球作為填充料,既降低了BMC模塑料制品密度,又保持了良好的力學性能。

        4 在酸霧抑制領(lǐng)域的應用

        孫彥琳等[35]采用新型的氣態(tài)懸浮法制備了一種聚苯乙烯中空微球,該微球的粒徑在50~200 μm可調(diào),密度在0.6~0.9 g/cm3可調(diào)。因該微球空腔中含有氣體且表面被完全封閉,故微球表面與空腔之間不存在任何聯(lián)通的孔道,所以其表面完全沒有滲透性,可長時間浮在酸液的表面對酸霧進行有效抑制。

        此外,該微球還具有耐強酸、可進行表面功能化修飾、機械性能優(yōu)良和可重復使用等特點,幾乎能夠滿足對鹽酸、硫酸、鉻酸等在應用過程中產(chǎn)生的酸霧進行有效抑制的所有要求[36],很可能成為一種極具發(fā)展前景的新型綠色酸霧抑制用材料。

        5 結(jié)束語

        中空微球自提出以來就備受關(guān)注,作為一種特殊結(jié)構(gòu)的材料,在醫(yī)藥工程、生物技術(shù)、電子信息、材料工程、建筑涂料等諸多方面有廣泛的應用。不僅如此,中空微球空腔可以充入氣體或加入功能性物質(zhì),使微球形成具有特殊效果的粒子,同時控制其粒徑,在更多方面被人們所用,如熒光微球的標記功能、磁性微球的靶向功能等。對微球表面進行修飾,易吸附其它物質(zhì)等。合理利用中空微球的結(jié)構(gòu),在探索新材料的方面會有重大的意義。

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