摻雜無機(jī)納米粒子PVA復(fù)合改性香精微膠囊壁性能研究

蔡明建，王秀閣

(唐山師范學(xué)院化學(xué)系，河北 唐山 063000)

0 前言

香精是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷幕瘜W(xué)品，它能對人體起到提神醒腦、扶正祛邪、抗感染、退熱、祛除蚊蟲、改善睡眠、治療高血壓、振奮精神、抗抑郁等作用，受到人們的廣泛關(guān)注，在香水食品、煙草、醫(yī)藥、家居、化妝品等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用[1-4]。將香精油復(fù)配成的香水受到愛美人士的廣泛歡迎。香水在化妝品、汽車等領(lǐng)域有著巨大的需求。但香精、香水容易揮發(fā)、作用時間短，這給其運(yùn)輸、使用和存儲帶來諸多不便，解決香精、香水釋放太快的問題一直是人們追求的目標(biāo)。其中將香精、香水微膠囊化是解決揮發(fā)過快的較好措施之一[5-7]。目前，香精、香水微膠囊化的方法大多采用天然或合成的高分子材料作為壁材來實(shí)現(xiàn)，如蛋白質(zhì)、糖類、脂類、膠質(zhì)和纖維素等，盡管在一定程度上解決了香精、香水揮發(fā)過快的問題，但這些高分子材料孔隙大，香精、香水依然揮發(fā)較快。此外，這些高分子形成微膠囊后有一定的剛性容易導(dǎo)致微膠囊破裂，所以微膠囊的使用壽命大大縮短。采用納米粒子和高分子形成的復(fù)合材料可以增強(qiáng)高分子的力學(xué)性能[8-11]，是改善高分子使用缺點(diǎn)的較好方法。

本文采用原位聚合法，以摻雜了無機(jī)金屬離子的TiO2納米粒子填充PVA改性的MF為復(fù)合壁材，以橙花精油(α - 蒎烯、莰烯、β - 蒎烯、α - 萜品烯、橙花醇、橙花醇乙酸酯、金合歡醇、酸酯和吲哚)為芯材，制備了香精微膠囊。探討了添加無機(jī)離子的TiO2納米粒子后對微膠囊力學(xué)性能和釋放速率的影響，對不同摻雜納米粒子含量的微膠囊形貌、釋放速率、力學(xué)性能進(jìn)行了討論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

橙花精油，化學(xué)純，上海添益香精香料有限公司；

鈦酸四丁酯、無水乙醇、十二烷基硫酸鈉(SDS)、三聚氰胺、氫氧化鈉，分析純，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司；

鹽酸、甲醛，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36 %～38 %，天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

生物顯微鏡， XSP-02，寧波鳳凰光學(xué)儀器有限公司；

傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，Tensor-37，德國布魯克公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，Sigma300，英國ZEISS公司；

透射電子顯微鏡(TEM)，H-800，日本日立公司；

熱失重分析儀(TG)，TGA4000，美國Perkin Eimer公司。

1.3 樣品制備

摻雜TiO2納米粒子的制備：將10 mL鈦酸四丁酯緩慢加入60 mL無水乙醇中混合均勻得溶液a；將摻雜元素溶于1 mL鹽酸、30 mL無水乙醇和10 mL去離子的混合液中得到溶液b；劇烈攪拌下，將溶液b緩慢滴入溶液a中，攪拌15 min，得到透明狀金屬離子摻雜的TiO2膠體,靜置陳化4 d，在70 ℃真空干燥箱中干燥10 h后放入馬弗爐中，600 ℃焙燒5 h;

摻雜納米粒子填充微膠囊的制備[12-13]：芯材的制備：將10.0 g橙花精油加入三口燒瓶中，以SDS為乳化劑，其用量為橙花精油質(zhì)量的0.15 %～0.2 %，加入30 mL去離子水，劇烈攪拌乳化分散30 min，得到橙花精油乳液；將三聚氰胺和36 %～38 %的甲醛溶液按物質(zhì)的量比為1∶1.5～1∶2加入到裝有溫度計(jì)和回流冷凝管的三口燒瓶中，加入30 mL去離子水，再加入三聚氰胺和甲醛總質(zhì)量0.5 %的PVA，用20 %的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH=8.0，在70 ℃恒溫油浴中回流反應(yīng)30 min，按壁材PVA改性MF質(zhì)量的0.5 %的比例加入自制的摻雜TiO2納米粒子，繼續(xù)攪拌60 min，得到摻雜納米粒子混合的PVA改性MF預(yù)聚物；取10.0 g橙花精油乳液加入帶回流冷凝管、溫度計(jì)的三口燒瓶中，加入檸檬酸調(diào)節(jié)pH=3～4，升溫至70 ℃，劇烈攪拌下滴入1～1.2倍橙花精油質(zhì)量的預(yù)聚物，滴完后緩慢攪拌維持溫度為70 ℃，繼續(xù)反應(yīng)3 h，用20 %的氫氧化鈉調(diào)節(jié)反應(yīng)液的pH=9.0，中止反應(yīng)，得囊壁為MF的微膠囊分散液；過濾后用30 %的乙醇溶液洗滌，自然晾干，得到橙花精油微膠囊；

采用上述方法，通過添加或不添加PVA和納米粒子，制備如表1所示6種不同壁材的微膠囊。

表1 微膠囊壁材組分 %

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

FTIR分析：將微膠囊破碎后的壁材洗滌，干燥后用溴化鉀壓片法制得，掃描范圍為450～3800 cm-1，分辨率為4 cm-1；

光學(xué)顯微鏡分析：將干燥的微膠囊分散在乙醇中置于載玻片上觀察拍照；

SEM分析：用SEM觀察樣品的表面形貌，采用噴金處理，加速電壓為2 kV；

樣品：1—MF微膠囊 2—MF/PVA微膠囊 3—MF/PVA/TiO2微膠囊 4—MF/PVA/TiO2(Ce4+)微膠囊5—MF/PVA/TiO2(Zr4+)微膠囊 6—MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊(a)MF微膠囊和MF/PVA微膠囊 (b)MF/PVA微膠囊和MF/PVA/TiO2微膠囊 (c)MF/PVA微膠囊和MF/PVA/TiO2(Ce4+微膠囊)(d)MF/PVA微膠囊和MF/PVA/TiO2(Zr4+)微膠囊 (e)MF/PVA微膠囊和MF/PVA/TiO2(Fe3+微膠囊)圖1 微膠囊壁材的FTIR譜圖Fig.1 FTIR of the wall material of the microcapsules

TEM分析：復(fù)合壁材中的納米粒子用TEM觀察，無噴金處理，加速電壓為175 kV；

微膠囊的破損率測試：稱取5.0 g微膠囊懸浮于50 %的乙醇中，放置于三口瓶中，采用機(jī)械攪拌劇烈攪拌0.5 h后，收集未破損的微膠囊；破損率為：(m破損微膠囊/m微膠囊總質(zhì)量)×100 %；

TG分析：由微機(jī)差熱天平完成，測試溫度從室溫到600℃，升溫速率為10 ℃/min，記錄其熱失重曲線；

釋放曲線：將相同質(zhì)量的不同微膠囊分別置于表面皿中，室溫定期稱重測量其質(zhì)量變化并繪制質(zhì)量與時間的變化曲線，釋放率為：1-(m當(dāng)前質(zhì)量/m起始質(zhì)量)×100 %。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

2.2 光學(xué)顯微鏡分析

如圖2所示采用光學(xué)顯微鏡對微膠囊的形成過程進(jìn)行跟蹤拍照。芯材的成功制備對能否成功制得微膠囊至關(guān)重要。一般而言，芯材在水中乳化分散成小液滴后，至少應(yīng)該穩(wěn)定存在1 h以上而不能出現(xiàn)重新融合為大液滴或液層的現(xiàn)象，否則會導(dǎo)致微膠囊難以形成。從圖2(a)可知，芯材的橙花精油形成乳化液滴在光學(xué)顯微鏡下觀察為透亮的小球，在水溶液中均勻分布。此外，芯材乳滴的大小和均勻性也決定了微膠囊的大小和均勻性。由圖2(b)可知，反應(yīng)0.5 h后，有一部分香精乳液轉(zhuǎn)化成了香精微膠囊，反應(yīng)體系還存在大量的香精乳液。從圖2(c)可以看出，反應(yīng)3 h后，反應(yīng)體系中的香精乳液全部轉(zhuǎn)化成了香精微膠囊。成功制備的香精微膠囊在光學(xué)顯微鏡下觀察[圖2(d)]表現(xiàn)形態(tài)為中間透明周圍有黑暗圓環(huán)的小球，這應(yīng)該是顯微鏡光源不能穿透微膠囊壁材出現(xiàn)光的折射造成的。

反應(yīng)時間/h：(a)0 (b)0.5 (c)3 (d)3.5圖2 香精微膠囊形成過程的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Light microscope photographs of the neroli oil microcapsules at various preparation procedure

2.3 SEM及TEM分析

樣品，表征方法：(a)MF/PVA微膠囊，SEM (b)MF/PVA/TiO2微膠囊，SEM (c)MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊，SEM(d)MF/PVA/TiO2微膠囊，TEM (e)MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊，TEM圖3 PVA改性微膠囊、納米TiO2填充PVA改性微膠囊和Fe3+摻雜納米TiO2填充PVA改性微膠囊的SEM和TEM照片F(xiàn)ig.3 SEM and TEM of the microcapsules from modified PVA，PVA filled with nano-TiO2 and PVA filled with Fe3+ doped inorganic nano-TiO2

從圖3(a)～3(c)可以看出，MF/PVA微膠囊球體表面整體相對較為光滑，某些部位出現(xiàn)的顆粒狀凸起應(yīng)該是在制備過程中由于攪拌不均勻?qū)е赂叻肿渔溤谇蝮w表面少量聚合所致，另外后處理洗滌不徹底也會造成少量顆粒黏附在球體表面。MF/PVA/TiO2微膠囊與MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊球體均比MF/PVA微膠囊“粗糙”，MF/PVA/TiO2微膠囊球體表面為密集的小顆粒，MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊球體表面為規(guī)則的波浪紋。

MF/PVA微膠囊球體表面的大顆?？赡苁俏⒛z囊化失敗的高分子顆粒在球體表面聚合黏結(jié)而成。MF/PVA/TiO2微膠囊與MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊球體表面黏結(jié)的不規(guī)則顆?？赡苁钱?dāng)分散于預(yù)聚物中的納米粒子加入橙花精油乳液過程中時，由于分散環(huán)境的改變導(dǎo)致少數(shù)納米粒子團(tuán)聚形成了較大顆粒并吸附在微膠囊球體表面，然后以此團(tuán)聚顆粒為核心，預(yù)聚物在此周圍形成了核殼結(jié)構(gòu)的高分子微球。

由圖3(d)、3(e)可知，沒有摻雜的TiO2納米粒子在壁材中團(tuán)聚較為嚴(yán)重，加入了Fe3+摻雜的TiO2納米粒子在壁材中分散性明顯好于沒有摻雜的TiO2納米粒子。

2.4 破損率測試

由表2可知，采用PVA改性囊壁后破損率有所減小，當(dāng)囊壁中填充了納米TiO2粒子后，微膠囊破損率明顯比不含納米粒子的破損率小，摻雜金屬離子TiO2納米粒子填充的微膠囊的破損率進(jìn)一步減小，其中，F(xiàn)e3+摻雜TiO2納米粒子填充的微膠囊破損率最低，為18.1 %。

當(dāng)TiO2納米粒子均勻分散在囊壁中時，納米粒子的某些性質(zhì)如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)使納米粒子的反應(yīng)活性很強(qiáng)，可以與囊壁高分子鏈上的某些官能團(tuán)反應(yīng)，使得聚合物大分子鏈更有效地互相擴(kuò)散和纏繞。當(dāng)囊壁受到外力出現(xiàn)銀紋即將轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p時，由于納米粒子的存在，可以通過無機(jī)粒子與高分子界面良好的相互作用，剛性無機(jī)納米粒子會產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，同時納米粒子間的高分子基體會產(chǎn)生屈服及塑性變形、吸收沖擊能，從而使產(chǎn)生的裂縫又轉(zhuǎn)化為銀紋狀態(tài)，阻止銀紋發(fā)展成為大的裂縫。3種摻雜金屬離子中，F(xiàn)e3+的半徑最小，可以很好地分散在TiO2納米粒子表面阻止納米粒子團(tuán)聚，從而使得TiO2納米粒子更好地均勻分布于高分子基體中。

表2 不同壁材的破損率Tab.2 Cracked percentage of different wall matetials

2.5 TG分析

樣品：●—MF微膠囊 ?—MF/PVA微膠囊▲—MF/PVA/TiO2微膠囊 ?—MF/PVA/TiO2(Ce4+)微膠囊▼—MF/PVA/TiO2(Zr4+)微膠囊■—MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊圖4 不同壁材微膠囊的TG曲線Fig.4 TG curves of the microcapsules with different wall materials

由圖4可知，PVA改性后的微膠囊隨著溫度的升高，質(zhì)量損失有所減小。當(dāng)向PVA改性的微膠囊壁材中填充進(jìn)TiO2納米粒子或金屬摻雜TiO2納米粒子后，微膠囊質(zhì)量損失明顯減小。在Fe3+、Zr4+、Ce4+3種離子摻雜TiO2納米粒子填充PVA改性微膠囊中，F(xiàn)e3+摻雜TiO2納米離子填充的微膠囊質(zhì)量損失最小，Ce4+摻雜的納米TiO2填充的微膠囊損失最大。這可能是因?yàn)镃e4+比Fe3+有更大的離子半徑，不能在TiO2納米粒子表面很好地均勻分散，從而導(dǎo)致TiO2納米粒子部分團(tuán)聚，故其在填充高分子鏈時形成了相對較大的高分子鏈間隙造成的。

金屬離子摻雜TiO2納米粒子比單一TiO2納米填充PVA改性微膠囊的熱損失質(zhì)量小，原因可能是通過溶膠 - 凝膠法制備的金屬離子摻雜的納米TiO2顆粒主要是銳鈦型TiO2，金屬離子的摻入使納米TiO2顆粒的表面更加粗糙，高溫下鍛燒不再具有“自相似”的分形結(jié)構(gòu)，同時也使銳鈦礦TiO2納米顆粒中粒子排列的有序結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，粒度減小，團(tuán)聚程度下降，在復(fù)合體系中不能形成應(yīng)力集中點(diǎn),從而導(dǎo)致了壁材表面銀紋減小[14-16]，熱損失降低。

2.6 釋放曲線測試

樣品：?—MF微膠囊 ?—MF/PVA微膠囊▲—MF/PVA/TiO2微膠囊 ▼—MF/PVA/TiO2(Ce4+)微膠囊●—MF/PVA/TiO2(Zr4+)微膠囊■—MF/PVA/TiO2(Fe3+)微膠囊圖5 不同壁材微膠囊的釋放曲線Fig.5 Release rate of the microcapsules with differentwall materials

稱取一定質(zhì)量的干燥微膠囊于表面皿中，定期稱量剩余樣品的質(zhì)量，用剩余質(zhì)量對時間作圖，由此可判斷微膠囊的密封情況。由圖5可知，添加了納米粒子的微膠囊比未添加納米粒子的微膠囊的釋放速率慢，摻雜金屬離子TiO2納米粒子比只添加單一TiO2納米粒子的微膠囊的釋放速率慢，3種摻雜金屬離子中，F(xiàn)e3+摻雜TiO2納米粒子形成的微膠囊釋放速率最慢，10 d釋放率為4.5 %。這說明添加納米粒子的微膠囊的密封性優(yōu)于未添加納米粒子的微膠囊。構(gòu)成微膠囊囊壁的高分子絕大多數(shù)形成了均勻連續(xù)的聚合物結(jié)構(gòu)，但由于受反應(yīng)條件的影響，聚合物連續(xù)體之間會形成若干微孔。當(dāng)添加納米粒子后，一方面可以使得納米粒子填充于高分子鏈間，納米粒子特殊的性能使得高分子鏈間聯(lián)系的更為緊密，減小了高分子鏈間的距離。另一方面納米粒子可以填充在微孔上起到堵漏的作用。此外，3種摻雜納米粒子中，F(xiàn)e3+的半徑最小，可以很好地均勻分布于TiO2納米粒子表面從而起到阻止納米粒子團(tuán)聚的作用，因此可以使得TiO2納米粒子起到最佳效果。

3 結(jié)論

(1)PVA改性MF微膠囊壁材中加入納米粒子或摻雜納米粒子后會影響微膠囊的芯材釋放速率；

(2)納米粒子或摻雜納米粒子的存在，一方面可以使聚合物連續(xù)體變得更為緊密，另一方面納米粒子堵塞了微膠囊表面的微孔，從而起到減緩芯材釋放速率的作用；

(3)Fe3+、Zr4+、Ce4+3種摻雜TiO2納米粒子填充微膠囊壁中，由于Fe3+相對較小的離子半徑，可以很好地均勻分布于TiO2納米粒子表面，從而減少了TiO2納米粒子的團(tuán)聚，使得納米粒子更好地分散于高分子鏈中，增強(qiáng)了納米粒子與高分子鏈的作用效果；當(dāng)Fe3+摻雜TiO2納米粒子用量為微膠囊壁材質(zhì)量的0.5 %時，微膠囊破損率為18.1 %，芯材的10 d釋放率為4.5 %；

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