NaCl-EC微膠囊的制備及緩釋性能研究*

宋乃建，楊 品

（渭南師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

（College of Chemistry and Life Sciences,Weinan Normal University,Weinan 714000，China）

科研與開(kāi)發(fā)

NaCl-EC微膠囊的制備及緩釋性能研究*

宋乃建，楊 品

（渭南師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

以乙基纖維素（EC）為壁材，NaCl為芯材，聚乙烯（PE）為添加劑，采用油相分離法制備了NaCl-EC微膠囊。最佳條件為：選用乙基含量為48%～49.5%，黏度為200cP的EC，濃度為2.4%，NaCl與EC的用量比為1∶5，PE用量為0.45%，攪拌速率為450r·min-1，采用水浴緩慢降溫方式。篩選出最佳工藝條件下制備的粒徑在80～120目的微膠囊，研究了其在25℃下的釋放性能。囊芯釋放百分率以2.03%～56.47%之間，按零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行，64h后累計(jì)釋放量為70.45%。

EC；水溶性芯材；油相分離法；微膠囊；緩釋

（College of Chemistry and Life Sciences,Weinan Normal University,Weinan 714000，China）

Abstract:Sodium chloride （NaCl）-ethyl cellulose （EC） microcapsules were prepared by the oil-phase separatingmethod with EC aswallmaterial,NaCl as corematerial and polyethylene（PE）as additives.The optimal conditions were as follows:the EC,with the ethyl content of 48%~59.5%and viscosity of 200cP,was chosen and prepared with the consistency of 2.4%;the ratio of NaCl to EC was 1∶5;the dosage of PE was 0.45%;the stirring speed was 450r·min-1;and water bath was used for slow cooling.The microcapsules,prepared at the optimal process conditionswith the diameter of passing through 80~120 mesh sieve were picked out for the research of the performance of sustained-release at 25℃of themselves.Itwas indicated that the zero order kinetics equation was followed by the releasing process of capsules core with the releasing percentage of 2.03%~56.47%,and 70.45%were released in 64h.

Key words:ethyl cellulose；waterborne cores；oil phase isolationmethod；microcapsule；sustained-release

微膠囊是指把固體、液體或氣體包埋在一個(gè)微小的、密封的囊中作為芯材，在特定條件下，以可控的方式釋放出芯材的科學(xué)技術(shù)。微膠囊技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用開(kāi)始于二十世紀(jì)30年代、50年代美國(guó)NationalCash Regiser公司利用這一技術(shù)研制出了無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙，并首先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。由于微膠囊具有保護(hù)物質(zhì)免受環(huán)境影響、掩蓋不良味道、改變物質(zhì)狀態(tài)、降低毒性、控釋緩釋等獨(dú)特的性能，因此，人們對(duì)其研究越來(lái)越多，近些年來(lái)，微膠囊技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、涂料、醫(yī)藥、食品、化妝品及農(nóng)牧業(yè)等[1]眾多領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)油溶性芯材微膠囊化的技術(shù)比較成熟，而水溶性芯材的研究相對(duì)較少，只有少數(shù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如FeSO4、阿斯巴甜、檸檬酸等[2]。

制備微膠囊的技術(shù)很多，需要根據(jù)材料性質(zhì)、粒徑要求、釋放模式、應(yīng)用范圍等因素進(jìn)行選擇和組合，對(duì)于水溶性芯材的包裹，常用方法有原位聚合法，油相分離法、噴霧干燥法和噴霧凍凝法等[3]。EC是一種半合成的高分子材料，是纖維素的衍生物，也是水溶性芯材常用包膜材料，它具有良好的成膜性，不溶于水，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐冷、熱、強(qiáng)堿、烯酸，力學(xué)強(qiáng)度高，制成的膜透明、有彈性、無(wú)毒、且具有生物降解性。因此，本文以EC作為壁材，采用油相分離法，研究NaCl-EC微膠囊的制備工藝條件，并探究NaCl-EC微膠囊的囊心釋放過(guò)程和緩釋效果。

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)定

1.1 藥品及儀器

NaCl（天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司）、EC（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、PE（河北振恒護(hù)欄粉末涂料有限公司）、環(huán)己烷（廣東光華科技股份有限公司）、AgNO3（上海申博化工有限公司）、K2CrO4（天津市富宇精細(xì)化工有限公司）、蒸餾水等，均為分析純。

AUY-220型電子天平、PF-101型恒溫水浴鍋、JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器、SHZ-D（III）循環(huán)水式真空泵、WGL-230B電熱鼓風(fēng)干燥箱、SXL-1016型程控箱式電爐、PM6000型光學(xué)顯微鏡、Quanta-200型掃描電子顯微鏡、DDS-11A型電導(dǎo)率儀、DJS-1C電導(dǎo)電極、篩子（80和120目）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理 本實(shí)驗(yàn)采用的油相分離法原理，是基于溫度引發(fā)相分離和聚合物引發(fā)相分離相結(jié)合的方法。EC高溫時(shí)溶解于環(huán)己烷中，溫度降低，溶解度下降，常溫下幾乎不溶于環(huán)己烷，產(chǎn)生凝聚相，發(fā)生相分離，使EC在NaCl表面凝聚沉積。PE為引發(fā)相分離的聚合物，溶解在環(huán)己烷，對(duì)EC起非溶劑作用，依據(jù)高聚物提純?cè)?，?lái)促進(jìn)壁材聚合物的相分離，將NaCl包裹成微膠囊。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1 NaCl-EC微膠囊制備工藝流程Fig.1 Technological process of NaCl-ECmicrocapsule preparation

將EC、PE以及50mL的環(huán)己烷混合于三口燒瓶中，固定好反應(yīng)裝置，開(kāi)啟電動(dòng)攪拌機(jī)，將EC-PE-環(huán)己烷組成的混合體系在恒溫水浴中加熱至80℃回流，使EC和PE完全溶解。向混合均勻的體系中加入研磨了20min的NaCl6g，控制攪拌速率，繼續(xù)攪拌回流30min，使芯材的微細(xì)顆粒均勻的分散于該體系溶液中，然后于水浴中緩慢降溫，使EC的溶解度下降，逐漸在NaCl表面凝聚析出，從而形成了NaCl-EC微膠囊。冷卻至室溫使膠囊固化，減壓抽濾并用環(huán)己烷清洗3次，在40℃干燥箱中干燥，樣品備用。

1.3 測(cè)定方法

同時(shí)進(jìn)一步完善外匯儲(chǔ)備體系，積極落實(shí)藏匯于民的核心思想。優(yōu)化外匯儲(chǔ)備制度，由商業(yè)銀行、企業(yè)以及個(gè)人共同承擔(dān)匯率風(fēng)險(xiǎn)。從進(jìn)一步緩解人民幣對(duì)外升值的壓力

1.3.1 NaCl-EC微膠囊包覆率測(cè)定 準(zhǔn)確稱取1.2g樣品，用蒸餾水沖洗數(shù)次后干燥。設(shè)置電爐參數(shù)，在800℃下灰化1h，然后向灰分中加入20mL的蒸餾水，攪拌使NaCl完全溶解，過(guò)濾，濾渣反復(fù)清洗，濾液定容于100mL的容量瓶，準(zhǔn)確移取10mL，用AgNO3標(biāo)液滴定Cl-，得到實(shí)際包裹的NaCl的量。

1.3.2 NaCl-EC微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)表征 借助顯微鏡和SEM對(duì)微膠囊粒徑大小，包覆情況與外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)與比較。

1.3.3 電導(dǎo)率法測(cè)定微膠囊的釋放速率 將最佳工藝下制備的微膠囊用水沖洗數(shù)次，洗凈表面殘留的NaCl，干燥后準(zhǔn)確稱取2.4g，倒入恒溫杯，再向杯中移入200mL的蒸餾水，電磁攪拌，在25℃下記錄不同時(shí)間時(shí)溶液的電導(dǎo)率值，求出NaCl的釋放百分比，繪制釋放曲線圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 EC粘度和用量的確定

EC是非離子型的纖維素醚，纖維素分子的失水葡萄糖基上的氫原子被乙基取代數(shù)不同，其軟化點(diǎn)和溶解度也不同，本實(shí)驗(yàn)選用乙氧基含量為48%～49.5%的EC。油相分離法產(chǎn)生的凝聚相，必須具備液體的性質(zhì)，能夠穩(wěn)定地在芯材周?chē)h(huán)繞流動(dòng)[4]，其表面張力應(yīng)小于芯材的表面張力，以便完全將其吞沒(méi)。實(shí)驗(yàn)研究表明隨著EC黏度的增大，其表面張力也不斷增大，當(dāng)黏度過(guò)大時(shí)，EC不易在NaCl表面完全潤(rùn)濕，而發(fā)生自身的黏連，使NaCl微膠囊的包覆效果變差。通過(guò)對(duì)黏度分別為 20～30、50、100、200和220cP的EC進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)比，以200cP為宜，得到的NaCl微膠囊分散性好，裸露少、形狀均勻。

確定其它條件不變，將不同量的EC溶解于環(huán)己烷中，形成濃度不同的混合體系，制備了包覆率不同的微膠囊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 EC用量和包覆率的關(guān)系T ab.1 Relationship of EC dosage and coating rate

2.2 PE用量的確定

PE作為制備N(xiāo)aCl-EC微膠囊的重要相凝聚促進(jìn)劑，促使微膠囊的形成，同時(shí)對(duì)微膠囊的粒徑分布、緩釋與屏蔽作用的效果有顯著的影響。該聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量不宜過(guò)大，在9000～10000最為合適[5]，此外，對(duì)相凝聚促進(jìn)劑規(guī)格和用量有嚴(yán)格的要求，范國(guó)梁等[6]對(duì)十幾種不同規(guī)格和密度的PE進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它們的溶解性能及分散效果差異明顯，種類(lèi)與用量選擇不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)晶核包裹不好或微膠囊聚集為大團(tuán)粒的極端情況。本實(shí)驗(yàn)使用低密度高壓聚乙烯，試驗(yàn)了不同濃度下微膠囊的包覆情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 PE用量和包覆率的關(guān)系Fig.2 Relationship of PE dosage and coating rate

由圖2可知，PE用量增加，微膠囊的包覆率提高，但用量過(guò)大時(shí)，體系黏度增大，出現(xiàn)EC及微膠囊自身粘結(jié)現(xiàn)象，反而使包覆率下降，NaCl的突顯性增強(qiáng)。因此，選擇PE的用量為0.45%。

2.3 攪拌速率的確定

在微膠囊的制備過(guò)程中，攪拌速率影響著體系的均勻化程度，NaCl的分散效果，進(jìn)而影響微膠囊的粒徑大小，形狀結(jié)構(gòu)，包覆效果等，因此，實(shí)驗(yàn)需要確定有效的攪拌速率。通過(guò)SEM，對(duì)不同攪拌速率下的微膠囊進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖3的a～c所示。

圖3 不同攪拌速率下的SEM圖Fig.3 SEM under different sturring rate

實(shí)驗(yàn)得到：攪拌速率增加，混合物體系變得更加的均勻，有利于達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)析出的EC快速、均勻的沉積在NaCl的表面，速率達(dá)到一定的程度時(shí)，還能防止芯材、壁材、以及膠囊之間的相互粘結(jié)凝聚。450r·min-1時(shí)形成的微膠囊粒徑小、形狀均勻，分散性好，包覆完全，芯材的突顯性小，速度過(guò)高則不會(huì)有更多的影響，反而造成能源的浪費(fèi)，所以攪拌速率450r·min-1為宜。

2.4 溫度的確定

NaCl的微膠囊化，是根據(jù)EC的溶解度和溫度的密切關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。降溫的過(guò)程，即EC析出沉積在NaCl表面形成膜的過(guò)程，所以降溫的速度顯著影響NaCl微膠囊化的過(guò)程。多次試驗(yàn)表明，若環(huán)己烷溶液的混合體系溫度下降過(guò)快，EC的析出速度快，會(huì)在NaCl表面迅速沉積，形成的膜不均勻，包裹不完全，而且容易造成EC自身的團(tuán)聚，形成空心的微膠囊。相反，若體系降溫的速度緩慢，EC的析出速度慢，能夠緩慢均勻的沉積在NaCl表面，NaCl裸露少，突顯性小。因此，試驗(yàn)時(shí)將混合體于水浴中，使其自然緩慢降至室溫。

2.5 NaCl微膠囊的釋放性能研究

微膠囊浸入水中，會(huì)發(fā)生這樣的過(guò)程：環(huán)境中的水透過(guò)微膠囊的壁材進(jìn)入到微膠囊核心中；核心中的囊心溶解形成水溶液；溶解的囊心水溶液由膠囊內(nèi)高濃度區(qū)擴(kuò)散到囊外不含或含很少囊心的水相中，發(fā)生滲透擴(kuò)散。水進(jìn)入微膠囊和NaCl溶解到水中的過(guò)程都是很快的，對(duì)囊心釋放速率的影響不大，而第3步囊心向外擴(kuò)散的速率決定了囊心的緩釋速率，這一步為速率控制步驟。

對(duì)最佳工藝條件下制備的NaCl-EC微膠囊過(guò)篩，篩選出粒徑處于80～120目之間的樣品，于25℃下測(cè)定不同時(shí)間時(shí)的電導(dǎo)率值，在前8h，每隔1h測(cè)定一次，8h后，每隔8h測(cè)定一次，繪制累計(jì)釋放曲線，如圖4中的a、b所示。

圖4 NaCl-EC微膠囊累計(jì)釋放曲線圖Fig.4 Accumulated releasing curve of NaCl-ECmicrocapsule

由圖4（a）的累計(jì)釋放曲線可將此微膠囊的緩釋分為以下3個(gè)階段：第一階段，延遲釋放階段。此階段的釋放量很小，幾乎不向外釋放，發(fā)現(xiàn)1h后僅釋放了0.13%，但此過(guò)程相對(duì)時(shí)間很短，2h以后釋放量隨時(shí)間變化基本穩(wěn)定；第二階段，零級(jí)釋放階段，也為穩(wěn)定釋放階段，即相同時(shí)間段內(nèi)累計(jì)釋放量基本相同。根據(jù)物理化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論，若一個(gè)反應(yīng)過(guò)程的速率與反應(yīng)物濃度的零次方成比例，即和反應(yīng)物濃度無(wú)關(guān)，則此過(guò)程為零級(jí)反應(yīng)。由圖4（b）可知，釋放時(shí)間處于3～40h之間（或釋放量在2.03%～56.47%之間）時(shí)，釋放百分比和時(shí)間成線性關(guān)系，和囊心濃度無(wú)關(guān)，囊心溶液濃度保持固定的飽和溶液濃度狀態(tài)，因此，此階段為零級(jí)釋放過(guò)程，釋放速率方程式可表示為d q/d t=k，k為直線的斜率；第三階段，后期釋放階段。自40h以后，累計(jì)釋放百分比增加速度減慢，這是因?yàn)槲⒛z囊囊心中的NaCl固體開(kāi)始全部溶解，濃度不再保持飽和溶液濃度，濃度梯度開(kāi)始下降，囊壁內(nèi)外的濃度差減小，擴(kuò)散的推動(dòng)力減弱，從而釋放速度減慢，當(dāng)囊壁內(nèi)外濃度的濃度差相等時(shí)，釋放結(jié)束。

3 結(jié)論

采用油相分離法使NaCl微膠囊化的方法是可行的，最佳工藝條件為：EC的黏度為200cP，用量為2.4%，EC和NaCl的質(zhì)量比為1∶5，PE的用量為0.45%，攪拌速率為450r·min-1，緩慢降溫固化，采用該工藝條件制備的微膠囊包覆率好，結(jié)構(gòu)大小較為均勻，NaCl的突顯性小。對(duì)此工藝下的微膠囊進(jìn)行緩釋研究發(fā)現(xiàn)，囊心釋放百分率以2.03%～56.47%之間按零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行，64h以后的累計(jì)釋放量為70.45%，證明微膠囊化使NaCl在一定的時(shí)間內(nèi)起到了緩釋作用。但是在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)此方法也存在許多的不足之處，比如油相分離法屬于物理化學(xué)法，制備出的微膠囊粒徑較大，過(guò)程難以控制；使用的溶劑有毒；壁材不耐紫外線，易被氧化等。因此，針對(duì)實(shí)驗(yàn)存在的這些缺點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)NaCl包裹的產(chǎn)業(yè)化，以后還需要在選材與方法上作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)研究。

［1］梁治齊.微膠囊技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1999.168-361.

［2］郭穎,許時(shí)嬰.碳酸氫鈉的微膠囊化［J］.無(wú)錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,20（6）:612-614.

［3］程正偉,包宗宏.固體芯材微膠囊制備技術(shù)研究進(jìn)展［J］.高分子通報(bào),2010,23（4）:55-61.

［4］宋健,陳磊,李效軍.微膠囊化技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.171.

［5］井樂(lè)剛,趙新淮.維生素C微膠囊的制備及應(yīng)用的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展,2006,25（11）:1256-1260.

［6］范國(guó)梁,渠榮遴,周維義,等.水溶性維生素微囊包裹研究［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào),1996,29（4）:592-597.

Study on preparation and sustained-release of sodium chloride-ethyl cellulosem icrocapsules*

SONG Nai-jian，YANG Pin

O636.11

A

1002-1124（2012）07-0011-04

2012-05-18

渭南師范學(xué)院研究生項(xiàng)目（09YKZ013）

宋乃建（1979-），男，河南商丘人，碩士研究生，講師，研究方向：化工生產(chǎn)及過(guò)程控制。